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JP2007526439A - 増大表面積用ナノファイバー表面 - Google Patents

増大表面積用ナノファイバー表面 Download PDF

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Abstract

本発明は新規ナノファイバー増大表面積基板と前記基板を含む構造、及び前記基板の方法と使用を提供する。

Description

（関連出願とのクロスリファレンス）
本願はＵＳＳＮ １０／７９２，４０２（出願日２００４年３月２日）と、米国仮出願第６０／４６８，６０６号（出願日２００３年５月５日）及び６０／４６８，３９０号（出願日２００３年５月６日）（いずれも発明の名称“ＮＡＮＯＦＩＢＥＲ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＦＯＲ ＵＳＥ ＩＮ ＥＮＨＡＮＣＥ ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＲＥＡ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ”）の一部継続出願であり、その特典と優先権を主張する。これらの原出願はその全開示を全目的で参考資料として本明細書に組込む。
（発明の技術分野）
本発明は主にナノテクノロジーの分野に関する。より具体的には、本発明はナノファイバー、増大表面積をもつナノファイバー構造、並びに各種用途における前記ナノファイバー及びナノファイバー構造の使用に関する。
多くの科学的及び商業的プロセスは（多くの場合には液体形態であるか又は液体キャリヤー等に存在する）１種以上の化合物と１個以上の表面積の相互作用を伴う。このような表面は特定作用を実施するため、例えば所定化合物と結合するため、特定化合物の存在を指示するため、特定反応を触媒するため、表面と接触する化合物／液体／気体等の相対温度を変化させるため、表面との結合を防止するため、薬剤を放出するため等の目的で機能化することができる。例えば、表面／化合物相互作用の一般的使用としては、カラム又はフィルターの分離、熱交換器、マイクロアレーアッセイ、化学センサー、バイオセンサー、医療装置等が挙げられる。他の例も文献に広く記載されており、実際に日常用途で広く使用されている。
しかし、ほぼ全ての場合に、このようなプロセスと装置の効率又は使用は１種以上の化合物又は所望成分（例えば液体、気体等）と接触する表面の面積により少なくとも部分的に制限される。この制限はいくつかの側面で認められる。第１に、スペースの制限が問題となる。例えば、表面の単位面積当たり（即ち所定フットプリント内）に物理的に存在することができる機能単位（例えば抗体、触媒等）の数は限られている。従って、実施すべき作用は機能単位の数により制限される可能性があり、機能単位の数自体は機能単位を含む表面の単位面積ないしフットプリントにより制限される。このような問題の１つの解決方法は該当フットプリントの単位面積ないし寸法を増加する方法である。しかし、この方法は美しくないばかりか、コストの制約とフットプリント自体の寸法制限（例えば装置の限られたスペースで反応を実施する必要がある点等）により問題となることが多い。
第２に、このようなブロセスと装置は分解能又は感度を制限されることが多い。例えば、検出等の状況では、化合物又は成分の検出を可能にする活性が「弱い」場合や、検出しにくい場合がある。あるいは、化合物が表面上の部分（即ち検出プロセスに関与する部分）と短時間又は不完全にしか相互作用しない場合がある。このような状況では、弱い応答が広い面積に広がるとやはり弱い応答でしかない（即ち単位面積当たりの応答は変わらない）ので、フットプリント寸法を増加しても検出を改善するには十分でないと思われる。カラム反応でも同様の問題があり、その結果、バンドが弱くなったり、拡散したりする可能性がある。
多数の従来又は現在の適用例では、表面を構成する材料に多数の孔又は細孔を設けることによりマトリックスの表面積を増加している。単なる固体表面ではなく多孔質固体としてマトリックスを提供することにより、材料が占めるスペースの大きさ（即ちフットプリント寸法）を増加せずに利用可能な表面積の大きさを増加している。このような多孔質構造はマトリックスの表面積を増加するが、このような手段の有効性を制限する多数の問題が生じる。特に、これらの細孔により提供される通路は蛇行性で狭いため、一般に材料を積極的に流動させて細孔の内部の関連表面と接触させることができない。その結果、材料は利用可能な時間と該当分子の寸法により制限される拡散（例えば、分子が大きいほど拡散は遅くなる）を介してこれらの表面と接触しなければならない。多孔質網目構造がフロースルーを可能にする場合でも、このような網目構造は狭く、細長いため、背圧を生じ、材料は例えばマトリックスの全周の蛇行度の少ない経路を流れる。従って、換言するならば、多くの場合には反応等に関与する「経路」に第３の問題が生じる。例えば、現在の所定の伝統的な分離／検出装置では、検体は適当な検出素子に到達するため又は分離等を行うために複雑な経路を通って蛇行する必要がある。このような蛇行経路は処理時間を増加（即ちスループットを低下）させる可能性がある。
最後に、大きな問題ではないが、コストの問題がある。例えば領域又は機能単位数を付加できるようにするために必要な装置／表面／構造が大きくなると、非常に高価になる恐れがある。
米国出願第６０／４６６，２２９号 米国出願第６０／４６３，７６６号 米国出願第１０／８２５，８６１号 台湾出願第９３１１０６６７号 米国出願第１０／８２８，１００号 米国出願第６０／５４９，７１１号 米国出願第６０／５４１，４６３号
歓迎される技術補充は増大表面積をもつ表面及び前記表面を含む構造／装置、並びに前記増大表面積及び装置の使用方法であり、例えば単位面積当たりの機能の増加、短く及び／又は非蛇行性の処理経路等の利点があると考えられる。本発明はこれらの利点及び以下の開示から自明の他の利点を提供する。
所定側面において、本発明は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分を含む基板を含む。典型例では、前記部分は外来部分であり、例えばナノファイバー上に自然に存在する部分又は未操作酸化物層等である。所定態様では、ナノファイバーは平均長約１ミクロン以下〜少なくとも約５００ミクロン、約５ミクロン以下〜少なくとも約１５０ミクロン、約１０ミクロン以下〜少なくとも約１２５ミクロン、又は約５０ミクロン以下〜少なくとも約１００ミクロンとすることができる。更に、所定態様では、ナノファイバーは平均直径約５ｎｍ以下〜少なくとも約１ミクロン、約５ｎｍ以下〜少なくとも約５００ｎｍ、約１０ｎｍ以下〜少なくとも約５００ｎｍ、約２０ｎｍ以下〜少なくとも約２５０ｎｍ、約２０ｎｍ以下〜少なくとも約２００ｎｍ、約４０ｎｍ以下〜少なくとも約２００ｎｍ、約５０ｎｍ以下〜少なくとも約１５０ｎｍ、又は約７５ｎｍ以下〜少なくとも約１００ｎｍとすることができる。更に、他の態様では、ナノファイバーは平均密度約０．１１（又は約０．１）本／平方ミクロン以下〜少なくとも約１０００本／平方ミクロン、約１本／平方ミクロン以下〜少なくとも約５００本／平方ミクロン、約１０本／平方ミクロン以下〜少なくとも約２５０本／平方ミクロン、又は約５０本／平方ミクロン以下〜少なくとも約１００本／平方ミクロンとすることができる。このような態様では、基板は更に１個以上の検体の１個以上の相互作用部位を提供する部分（特異的又は非特異的）をもつことができる。各種態様において、前記部分及び検体は例えば蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子等とすることができる。各種態様において、複数のナノファイバーはその使用場所で成長させてもよいし、別の場所で成長させ、使用場所に移送してもよい。いずれの場合も、ナノファイバーは（例えばシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、及び脂肪族ポリマー等を含むことができる）基板に対して実質的に平行でも実質的に垂直でもよいし、平行と垂直の混合でもよい。更に他の態様では、前記部分はチオール基を介してナノファイバーのメンバーに付着させることができ、複数のナノ粒子を複数のナノファイバー中に分散させることもできる。
他の側面では、本発明は第１の領域と少なくとも第２の領域を含むマイクロアレーを含む基板を含む（各領域は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含む）。このような態様では、第１の領域は第２の領域と異なる特定部分を含むことができる（又は実際に各領域は異なる部分を含むことができる）。所定態様では、前記基板は少なくとも第３の領域をもつことができ、第３の領域は第１の領域と第２の領域を分離し、少なくとも第３の領域は第１の領域及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低く（又は実質的にゼロ）、従って第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する。所定態様では、第１の領域と少なくとも第２の領域は（実質的に）同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積又は（実質的に）同様のフットプリント寸法の第３の領域の面積の約２倍〜１０，０００倍以上、約５倍〜約５０００倍以上、又は約１０倍〜約１０００倍以上、又は約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上の増大表面積をもつことができる。所定態様では、前記第３の領域は実質的にナノファイバーを含まない。所定態様では、少なくとも第３の領域は（第１の領域及び少なくとも第２の領域のナノファイバー量又は密度と同等であるか、それを上回るか、下回るか否かに関係なく）第１の領域及び少なくとも第２の領域のナノファイバーの疎水性／親水性極性と逆の疎水性／親水性極性であり、従って、第１の領域と第２の領域の間にバリアー領域を提供する。前記基板は更に、第３の領域が１個以上の疎水性又は親水性部分（例えば、それ自体疎水性もしくは親水性であるか、疎油性もしくは親油性であるか、両疎媒性もしくは両親媒性であるか、又はナノファイバーに前記性質を付与する部分）を含むように構成することもできる。他の態様では、性質は超疎水性、超疎油性又は超両疎媒性である。前記少なくとも第３の領域は場合により１種以上の流体のウィッキング可能な連続流路を含むことができ、前記流体は第３の領域と第１及び少なくとも第２の領域の間の疎水性／親水性極性の相違により第３の領域内に含まれる。
本発明の所定態様では、基板は分離基板を含むことができ、前記基板は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分を含む。このような態様では、前記ナノファイバー及び／又は部分は１個以上の検体を１個以上のサンプルから分離（又は同定又は単離等）する。前記基板は場合によりナノファイバーを含まない実質的に同様のフットプリント寸法の基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ。前記基板は平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンとすることができる。前記基板の増大表面積は実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜約１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上の増大表面積とすることができる。前記基板において、（例えば分離、単離、同定等される）１個以上の部分及び／又は１種以上の材料は有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、補因子等から構成される群から選択される。前記特定部分は分離等される材料中の１個以上の検体と特異的又は非特異的に相互作用することができる。従って、例えば、前記部分は場合により所定寸法／コンフォーメーション等を上回る全蛋白質、全分子と非特異的に結合するか又はこれらを同定／分離、例えば同定／分離等することができ、あるいは場合により特定蛋白質、又はある種の蛋白質上の特定抗原、又は特定核酸配列等のみと特異的に結合するか又はこれらを同定／分離、例えば結合／同定／分離等することができる。前記基板は場合により１種以上の被分離材料の１個以上のソースと、１種以上の被分離／単離／同定材料等を分離基板に送達して接触させる流体送達装置を更に含むことができる。
他の態様では、本発明の基板は質量分析装置の部分を構成することができる。前記基板は第１の領域と少なくとも第２の領域を含むマイクロアレーを含むことができ、各領域は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含む。質量分析は場合によりレーザー脱離イオン化、ＭＡＬＤＩ、ＳＥＬＤＩ等を含むことができる。前記基板は複数の領域をもつマイクロアレーを含むことができ、各領域は少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む。各領域は場合により（例えば質量分析により）検定される１個以上の検体を含むことができる。他の態様では、実質的に各領域は異なる被検定検体を含むことができる。前記検体は場合により複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合することができ、例えば検体は場合により固定化及び／又は乾燥及び／又は凍結乾燥及び／又はマトリックス封入することができる。他の態様では、検体はマトリックスに封入されていない。他の態様では、実質的に各領域は異なる被検定検体を含む。質量分析により分析される１個以上の検体は場合により有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、補因子等から構成される群から選択することができる。前記質量分析基板では、複数のナノファイバーのメンバーは平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンとすることができる。他の態様では、複数のナノファイバーのメンバーは平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン以上、約１０ｎｍ〜少なくとも約５００ｎｍ以上、約２０ｎｍ〜少なくとも約２５０ｎｍ以上、約４０ｎｍ〜少なくとも約２００ｎｍ以上、約５０ｎｍ〜少なくとも約１５０ｎｍ以上、又は約７５ｎｍ〜少なくとも約１００ｎｍ以上である。前記基板の増大表面積は場合により実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜約１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上の面積とすることができる。前記基板は更に、平均密度約０．１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本以上／平方ミクロン、約１本／平方ミクロン〜少なくとも約５００本以上／平方ミクロン、約１０本／平方ミクロン〜少なくとも約２５０本以上／平方ミクロン、又は約５０本／平方ミクロン〜少なくとも約１００本／平方ミクロンの複数のナノファイバーをもつことができる。前記基板は場合により更に複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の部分を含むこともできる。前記部分は場合により１個以上の検体の１個以上の相互作用部位を提供することができる。基板の各領域は場合により１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分を含むことができる。更に、実質的に各領域は１個以上の検体（例えば異なる検体）と結合するための異なる部分を含むことができる。前記基板の複数のナノファイバーは場合により第２の表面（又は複数の第２の表面）で成長させ、第１の表面に移送するか、又は場合によりナノファイバーは第１の表面で直接成長／作製することができる。前記態様の基板及びナノファイバーはシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、脂肪族ポリマー等から構成される群から独立して選択される材料から構成することができる。
更に他の態様では、本発明の基板は対象（例えばヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、植物等）に移植される移植可能な基板を構成することができる。前記基板は一般に少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含む。前記複数のナノファイバーは対象と第１の表面の組織付着用スカフォールドを提供することができる。場合により、前記基板は生物汚染防止表面を提供することができる。移植可能な基板は場合により１個以上の特定部分（例えばヒドロキシアパタイト）を含むことができ、場合により１本以上のナノファイバーにコーティングを含むことができる。前記基板においてナノファイバー及び／又は基板はＴｉＯｘを含むことができる。
本発明の他の態様は１種以上の物質を対象（例えばヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、植物等）に導入するための薬剤送達装置を含む基板を含む。前記基板は一般に、少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの間に構成される１種以上の物質のレザバーを含む。前記レザバーは更に１個以上の貯蔵マトリックスを含むことができる。前記貯蔵マトリックスは１種以上のポリマーを含むことができる。
他の側面では、本発明は少なくとも第１の表面と；第１の表面に付着した複数のナノファイバーと；複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含む基板をもつシステム又はデバイスを含む。所定態様では、前記部分は外来部分である。更に、前記システム／デバイスは１個以上の材料送達システムを含むことができる（例えば材料送達システムは１種以上の材料を第１の表面等に送達して接触させる）。所定の前記システム／デバイスでは、複数のナノファイバーのメンバーは平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである。更に、所定の前記システム／デバイスでは、１個以上の部分は１個以上の検体の１個以上の特異的又は非特異的相互作用部位を提供する。前記部分及び検体は場合により有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、補因子等から構成される群から選択することができる。
更に他の側面では、本発明は第１の領域と少なくとも第２の領域をもつ基板を含むマイクロアレーを含み、各領域は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の部分（例えば外来部分）を含む。所定のこのような態様では、第１の領域は少なくとも第２の領域と異なる部分を含む。更に他の態様では、マイクロアレーは第１の領域と第２の領域を分離しており、第１の領域及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低い少なくとも第３の領域を含む。従って、前記第３の領域は第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する。所定態様では、マイクロアレーにおいて第１の領域と少なくとも第２の領域は実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積又は実質的に同様のフットプリント寸法の第３の領域の面積の約２倍〜約１０，０００倍以上、約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上の増大表面積を含む。所定態様では、前記第３の領域は実質的にナノファイバーを含まない。所定態様では、本発明のマイクロアレーはファイバーに付着した部分を含まない第３の領域を含む（又はナノファイバーの実質的に全部は前記ファイバーに付着又は結合した部分を含まない）。更に他の態様では、本発明のマイクロアレーは第１の領域と少なくとも第２の領域を分離しており、第１の領域及び第２の領域のナノファイバーの疎水性／親水性極性と逆の疎水性／親水性極性をもつナノファイバーをもつ第３の領域を更に含み、従って、第１の領域と第２の領域の間にバリアー領域を提供する。このような態様では、第３の領域のナノファイバーは１個以上の疎水性又は親水性部分を含むことができる。更に、第３の領域は１種以上の流体のウィッキング可能な連続流路を含むことができる。前記流体は第３の領域と第１及び少なくとも第２の領域の間の疎水性／親水性極性の相違により第３の領域内に含まれる。
本発明は更に第１の材料と少なくとも第２の材料の混合物中の少なくとも第１の材料の存在を確認する方法も含む。前記方法は一般に第１の領域と少なくとも第２の領域を含む基板を提供する段階を含み、各領域は少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分（例えば外来部分）を含む。混合物を基板と接触させた後に、前記部分は第１の材料と相互作用し、従って、前記材料の存在を確認する。所定態様では、第１の領域は少なくとも第２の領域と異なる特定部分を含む。更に、所定態様では、基板は第１の領域と第２の領域を分離しており、第１及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低い少なくとも第３の領域を含み、従って、第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する。所定態様では、前記方法は更に１個以上の部分との相互作用のレベルに基づいて少なくとも第１の材料の存在を定量する段階を含む。
本発明は更に第１の領域と少なくとも第２の領域から構成されるマイクロアレーを含み、各領域は増大面積シリコン表面と前記表面に付着した１個以上の特定部分を含み、１個以上の検体と前記表面の非特異的結合からの蛍光は前記表面との近接により消光される。更に、このような態様では１個以上の検体と前記表面の特異的結合からの蛍光は前記表面との近接により消光されない。
本発明は更に少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、１個以上の被分離検体を含む１種以上の材料の１個以上のソース含む分離基板をもつ分離システム／デバイスを含む。前記システム／デバイスは更に、一般に複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分（例えば外来部分）を含む。前記システム／デバイスにおける基板は一般に実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ。前記システム／デバイスは一般に平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである。前記システム／デバイスの増大表面積は一般に実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜約１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上である。前記部分は場合により有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、補因子等から構成される群から選択される。更に、特定部分は被分離材料中の１個以上の検体と特異的又は非特異的に相互作用することができる。所定の前記システム／デバイスは更に１種以上の被分離材料を分離基板に送達して接触させる流体送達装置を含む。
本発明は更に（例えば第１の材料と少なくとも第２の材料の）混合物から少なくとも第１の材料を分離するための方法を含む。前記方法は複数のナノファイバーを付着した少なくとも第１の表面を提供する段階と、混合物をナノファイバー内に流し、第１の材料を少なくとも第２の材料から分離する段階を含む。前記分離は第１の材料と少なくとも第２の材料の寸法の相違、第１の材料と少なくとも第２の材料の電荷の相違等に基づくことができる。所定のこのような態様では、複数のナノファイバーは更に複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分（例えば外来部分）を含む。前記１個以上の特定部分は第１の材料又は第２の材料の１個以上の成分に特異的であり、分離はナノファイバーの１個以上の特定部分と第１又は第２の材料の１個以上の成分の選択的相互作用に基づくことができる。
本発明は更に複数のナノファイバーを付着しており、実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ分離基板と；１種以上の被分離材料の１個以上のソースと；流体送達装置をもつ分離システム／デバイスを含む。前記システム／デバイスの所定態様では、複数のナノファイバーのメンバーは平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン以上；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン以上；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロン以上である。所定態様では増大表面積は実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜約１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上である。所定のこのような態様では、ナノファイバーの密度及び／又は配置は検体の寸法、検体の電荷、又は検体のコンフォーメーションの１種以上に基づいて１個以上の検体を材料から分離することができる。
複数のナノファイバーと、１種以上の被分離材料の１個以上のソースと、流体送達装置を含む分離マトリックスを含む分離システム／デバイスも本発明に含まれる。所定のこのような態様では、複数のナノファイバーは場合により基板に付着していない。
本発明の種々の分離システム／デバイスにおいて、デバイスは場合により複数のナノファイバーを含む円筒形カラムを含むことができる。更に、本発明の種々の分離システム／デバイスは複数のナノファイバーを含む実質的に平坦な基板であるデバイスを含むことができる。更に、本発明の種々の分離システム／デバイスは場合により複数のナノファイバーの１本以上が複数の１本以上の他のナノファイバーと架橋しているか、又は複数のナノファイバーの実質的に全メンバーが複数の１本以上の他のナノファイバーと架橋しているものを含むことができる。
本発明は更に少なくとも第１の検体を結合した複数のナノファイバーを堆積させた少なくとも第１の領域をもつ第１の表面をもつ基板を含む質量分析システム／デバイスも含む。前記質量分析システム／デバイスは更に第１の領域から第１の検体を脱離するように少なくとも第１の領域にエネルギーを導くように配置されたレーザーと、基板から脱離した少なくとも第１の検体を受容するように配置された質量分析計を含む。前記質量分析システム／デバイスはＭＡＬＤＩ、ＳＥＬＤＩ、又は他の型の質量分析を含むことができる。所定の前記システム／デバイスでは、基板は複数の領域を含み、各領域は少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む。このような各領域は場合により１個以上の被検定検体を含む。所定態様では、実質的に各領域は異なる被検定検体を含む。本発明の種々の質量分析システム／デバイスにおいて、基板の各領域は１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分（例えば外来部分）を含むことができる。更に、本発明の種々の質量分析システム／デバイスでは実質的に各領域が１個以上の検体と結合するための異なる部分を含むことができる。検体は場合により有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、補因子等から構成される群から選択することができる。更に、前記システム／デバイスはシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー，脂肪族ポリマー等の材料から作製され、これらの材料から独立して選択される基板及び／又はナノファイバーを含むことができる。本発明の種々の質量分析システム／デバイスは平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン以上、約１０ｎｍ〜少なくとも約５００ｎｍ以上、約２０ｎｍ〜少なくとも約２５０ｎｍ以上、約４０ｎｍ〜少なくとも約２００ｎｍ以上、約５０ｎｍ〜少なくとも約１５０ｎｍ以上、又は約７５ｎｍ〜少なくとも約１００ｎｍ以上のナノファイバーを含むことができる。更に、前記質量分析システム／デバイスは増大表面積が実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍以上、約１０倍〜約１０００倍以上、約１００倍〜約７５０倍以上、又は約２５０倍〜約５００倍以上の面積のであるものを含むことができる。更に、本発明の種々の質量分析システム／デバイスは複数のナノファイバーが平均密度約０．１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本以上／平方ミクロン、約１本／平方ミクロン〜少なくとも約５００本以上／平方ミクロン、約１０本／平方ミクロン〜少なくとも約２５０本以上／平方ミクロン、又は約５０本／平方ミクロン〜少なくとも約１００本以上／平方ミクロンのものを含むことができる。前記システムの所定態様は更に、複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度ナノファイバー約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンであるものを含む。本発明の種々の質量分析システム／デバイスは更に少なくとも第１の検体が複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合している（例えば検体が固定化、乾燥、凍結乾燥、マトリックス封入等されている）ものを含む。検体は場合によりマトリックスに封入されていない。
本発明は更に少なくとも第１の検体を結合した複数のナノファイバーを堆積させた少なくとも第１の領域をもつ第１の表面を含む基板を提供し；少なくとも第１の領域にエネルギーを導くように配置されたレーザーを提供し；基板から脱離した検体を受容するように配置された質量分析計を提供し；レーザーからのエネルギーで第１の検体を第１の領域から脱離することにより、質量分析を実施する方法を含む。前記方法は、質量分析がＭＡＬＤＩであるもの、質量分析がＳＥＬＤＩであるもの、又は分析が別の形態の質量分析であるものを含むことができる。前記方法は基板が複数の領域を含み、各領域が少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含むものを含むことができる。前記各領域は１個以上の被検定検体を含むことができるか、及び／又は実質的に各領域は異なる被検定検体を含むことができる。更に、各領域は１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分を含むことができる。前記検体は一般に複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合している。即ち、検体は固定化、乾燥、凍結乾燥、マトリックス封入（又はマトリックス封入しない）等することができる。
本発明は更に対象（例えばヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、植物等）に移植することができる移植可能なデバイスも含み、前記デバイスは少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含む基板を含む。前記複数のナノファイバーは対象とデバイスの第１の表面の組織付着用スカフォールドを提供する。
本発明の他の側面は対象（例えばヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、植物等）に移植するための移植可能なデバイスであって、生物汚染防止表面を提供するデバイスを含む。前記デバイスは一般に少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含む基板を含む。
本発明の種々の移植可能なデバイスは更にナノファイバーが１個以上の特定部分（例えばヒドロキシアパタイト）を含むものを含むことができる。更に、特定部分は場合により１本以上のナノファイバーにコーティングを含むことができる。所定態様では、ナノファイバー及び／又は基板はＴｉＯｘを含むことができる。
本発明は対象を移植可能なデバイスに組織付着させる方法も含む。前記方法は少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む基板を提供する段階と、デバイスを対象に移植又は注入する段階を含む。
本発明は更に対象の体内で医療デバイスにバイオフィルムが形成されるのを抑制する方法を含む。前記方法は複数のナノファイバーをもつ医療デバイスの１個以上の表面を提供する段階を含み、前記表面が対象（例えば対象の組織又は生体材料）と接触する。
本発明の更に別の側面は１種以上の物質を対象に導入するための薬剤送達デバイスである。前記デバイスは少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーのメンバー間に構成される１種以上の物質の（例えば１種以上のポリマーを含む例えば１個以上の貯蔵マトリックスを含む）レザバーを含む。
更に他の側面では、本発明は少なくとも第１の表面と；第１の表面に付着した複数のナノファイバーと；複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含む基板をもつ揮発器デバイスを含み、前記部分は基板上に希薄分散させて基板から揮発させる１種以上の流体に対して親和性をもつ。このような態様は更に１個以上の加熱源を含むことができる。
本発明の他の側面は（少なくとも第１の表面をもつ）基板と、第１の表面に付着した複数のナノファイバー（１種以上の流体を基板上に希薄分散させて基板から揮発させる）と、流体送達システムをもつ揮発器デバイスを含む。このような態様は更に例えば１個以上の加熱源を含むことができる。
本発明の他の側面は、少なくとも第１の表面と第１の表面に付着した複数のナノファイバーをもつ基板を提供し；流体送達システムを提供し、；材料を含む１種以上の流体を基板上に希薄分散させることにより、１種以上の材料を揮発させる方法を含む。このような態様では、１個以上の特定部分を更に複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着することができ、前記部分は１種以上の流体に対して親和性をもつ。
本発明の上記及び他の目的は添付図面を参考に以下の詳細な記載から自明である。
本発明はナノファイバー増大表面積基板とその使用を主眼とする多数の異なる態様を含む。本明細書、図面、及び特許請求の範囲を検討すると自明の通り、このような増大表面積をもつ基板は材料科学から医療用途等の技術に至る多様な用途で有益な改善されたユニークな側面をもつ。自明の通り、本明細書では増大表面積を「ナノファイバー増大表面積」又は「ＮＦＳ」、あるいは状況に応じて「ナノワイヤー増大表面積」又は「ＮＷＳ」と言うことがある。本明細書における所定の例証、実施例等はナノワイヤーについて記載するが、特に指定しない限り、本発明の他のナノファイバー構造体も各種態様に含まれる。
各種態様の共通因子は一般に１個以上の部分により機能化された特殊形態のナノファイバー表面である（一般に本発明では酸化ケイ素ナノワイヤーであるが、他の組成及び形態も含む）。例えば、ＮＦＳ基板により提供される著しく増加した表面積は例えば改良マイクロアレーデバイスや、超疎水性表面及び改良効率型熱交換器の作製に利用される。本発明の大半の側面では、これらの詳細な利点はナノファイバー表面のユニークな形態（特に著しく増加した表面積）と場合により単位基板当たりの機能単位濃度の増加に起因するが、本発明の種々の態様は必ずしもその構成、使用、又は用途を前記理論に制限されない。
この場合も特定理論又は作用メカニズムに結び付けるものではないが、本発明の利点の大半の概念は本発明のナノファイバー表面がナノファイバーをもたない同一フットプリントに比較して著しく増大した表面積をもつという原理に少なくとも部分的に基づくと考えられる。所定態様では、利点は非蛇行路の関連概念にも起因すると考えられる。換言するならば、各種検体等は従来の充填材料の場合にように（例えば典型的分離カラム等、ゾル−ゲルコーティング又は他の慣用膜もしくは表面コーティングに認められるように）回旋蛇行路を辿る必要なしに増大表面積上の特定部分等と接触することができる。
本発明の概念に関連する多数の他のナノファイバー適用例は例えば米国出願第６０／４６６，２２９号（出願日２００３年４月２８日）、代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ及び４０−００２４１０ＰＣ（いずれも出願日２００４年４月２７日）、以上発明の名称“Ｓｕｐｅｒ−Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”；米国出願第６０／４６３，７６６号（出願日２００３年４月１７日）及び第１０／６６１，３８１号（出願日２００３年９月１２日）、代理人整理番号４０−００２８２０ＰＣ（出願日２００４年４月１６日）、米国出願第１０／８２５，８６１号（出願日２００４年４月１６日）、台湾出願第９３１１０６６７号（出願日２００４年４月１６日）、代理人整理番号４０−００２８３０ＰＣ（出願日２００４年４月１９日）、米国出願第１０／８２８，１００号（出願日２００４年４月１９日）、以上発明の名称“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”；米国出願第６０／５４９，７１１号（出願日２００４年３月２日）、発明の名称“Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ”；並びに米国出願第６０／５４１，４６３号（２００４年２月２日）、発明の名称“Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，Ａｒｔｉｃｌｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”に記載されており、以上の出願はその開示内容全体を参考資料として全目的で本明細書に組込む。
Ｉ）ナノファイバー表面基板の特徴
上述のように、増大表面積は多くの分野（例えばアッセイ用基板又は分離カラムマトリックス）で求められている性質である。例えば、トライボロジー等の分野や分離と吸着剤を利用する分野は表面積の最大化に非常に関係がある。本発明は増加ないし増大（即ちナノファイバーをもたない構造又は表面に比較して増加ないし増大）した表面積をもつ表面と用途を提供する。
本発明の「ナノファイバー増大表面積」は基板の所定「フットプリント」内の表面積がナノファイバーをもたない同一フットプリント内の表面積に比較して増加するように基板に付着した複数のナノファイバー（例えばナノワイヤー、ナノチューブ等）を含む基板に対応する。本発明の典型的態様では、ナノファイバー（及び多くの場合には基板）は酸化ケイ素から構成される。自明の通り、このような組成は本発明の所定態様で多数の利点がある。また、本発明の多くの好ましい態様では、複数のナノファイバーの１本以上を１個以上の部分で機能化する。下記参照。しかし、同様に自明の通り、本発明は特に指定しない限り、ナノファイバー又は基板の組成により特に制限されない。
従って、限定しないが、１例として図１及び２は本発明のナノファイバー増大表面積基板の模式図と写真を示す。図１ａは限定数の機能単位（例えば触媒、抗体等の部分）１２０を含む非増大表面積基板を示す。図面から明らかなように、基板１００上のフットプリント内には所定数の機能単位しか付加されない。他方、図１ｂは本発明の可能な１態様を示す。１ｂの基板は１ａと同一フットプリントであるが、ナノファイバー１１０の数により、表面積は著しく増加しており、従って、（前記ナノファイバーを含む態様における）機能単位１２０の数も著しく増加している。図２は増大表面積ナノファイバー基板の顕微鏡写真を示す。自明の通り、ナノファイバーの数と形状と分布により多機能化等の余地が十分できる。なお、この場合も、このような例は本発明の無数の可能な態様の例証に過ぎない。
本発明の多くの態様の別の利点は非蛇行路の点である。カラム等による濾過や分離等のステップを含む多くの用途では、典型的マトリックスの表面積はマトリックス内に適当な寸法の孔又は細孔を設けることにより増加している。孔／細孔は例えばカラムを通過させる液体等と接触する表面積を増加する。しかし、孔はマトリックス内を移動する検体の経路を蛇行させ、狭くする。従って、検体を該当部分（例えば特異抗体、リガンド等）に到達させようとする場合には、検体はこの経路を辿らなければならない。換言するならば、検体等を一般に細孔の内部の該当表面と積極的に接触させることができない。このため、検体は拡散により「ドリフト」して該当表面又は部分と接触しなければならない。一方、拡散は利用可能な時間（即ち検体がデバイス内を如何に迅速に通過又は移動するか）と該当分子の寸法により制限され、例えば分子が大きいほど拡散速度は遅くなる。一般に、検体をこのような蛇行路に通すためには高圧を使用することも必要になる。圧力は一般に材料が蛇行性の低い経路、例えばマトリックスの周囲全体を流れるように誘導することができる。従って、極めて自明の通り、本発明の別の利点は多くの態様において、問題のある蛇行路に検体を通すことなく、必要な増大表面積を示す点である（例えば検体に特異的な部分をより多く提供する等）。
本発明の各種態様は多数の異なる用途に適応可能であり、有用である。例えば、以下に詳述するように、例えば結合用途（例えばマイクロアレー等）、分離（例えばＨＰＬＣ又は他の同様のカラム分離）、バイオスカフォールド（例えば場合によりバイオフィルムの形成を阻止する細胞培養及び／又は医療用インプラントのベース等として）、及び制御放出マトリックス等で本発明の各種変形を使用することができる。他の用途及び態様も本明細書で検討する。
当業者に自明の通り、多数の材料において表面特性は材料の多くの機能又は用途を提供することができる。例えば、各種分子分離において、選択性はカラム又は充填材料の表面と該当検体の相互作用により提供される。従って、本発明の態様は各種分離法等における本発明のＮＦＳ基板の多数の使用を含む。例えば、以下に詳述するように、本発明は分離カラム（例えばＨＰＬＣ、キャピラリー電気泳動等）や薄膜分離等に利用される。
同様に、以下に詳述するように、本発明の別の側面は一般に平坦ガラススライドを使用するＤＮＡアレー（及び他の同様のヌクレオチド及び／又は蛋白質アッセイ）におけるその使用である。本発明では、（例えばナノファイバーを成長させることにより）表面にナノファイバーをコーティングした後に、コーティングした表面にアレーをスポット又は配置することにより、（蛇行路多孔質コーティング等の場合のように）ハイブリダイゼーション時間を犠牲にせずに表面積密度、従って感度を劇的に増加することができる。
他の態様では、末端に金属を付着したナノファイバーで細胞又は組織の増幅検出を場合により達成する。このような態様では、ファイバーの表面に任意数の蛍光分子をコーティングする。金先端に場合により所望ターゲットに特異的な結合分子を付ける。従って、ファイバーは表面を標的とする矢として機能する。使用中に、ナノファイバーの多くはターゲットに「ぶつかる」ことができ、（蛍光、又はナノファイバーがそのように修飾されている場合には場合により他の検出手段により）検出を可能にする。更に他の態様では、自明の通り、増大面積ナノワイヤー表面の作製により多様な材料における表面潤滑性及び湿潤性等の性質も劇的に改変される。
本発明の種々の態様の他の有益な用途について以下に詳細に検討する。例えば、本発明のナノファイバー表面の独自の形態は（ｉｎ ｖｉｔｒｏ及びｉｎ ｖｉｖｏの両者の）細胞培養増殖用スカフォールド等の多数の生体医療用途で利用することができる。ｉｎ ｖｉｖｏ用途としては例えば骨形成の補助等が挙げられる。更に、所定の態様の表面形態はバイオフィルム形成及び／又は細菌／微生物定着を妨げる表面を提供する。本発明の他の可能な用途としては例えば薬剤の制御放出マトリックス等が挙げられる。下記参照。
当業者に自明の通り、本発明の多くの側面は場合により変更可能である（例えばナノファイバー上の表面化学種、ナノファイバーの任意末端又は基板表面上の表面化学種等）。従って、本発明の各種変形等の特定例証は本発明を限定するものではない。また、自明の通り、本発明のナノファイバーの長さと厚さの比は例えばナノファイバーの組成と同様に変動する。更に、ファイバーを表面と接触させるためには種々の方法を利用することができる。更に、本発明の多数の態様は例えば部分又は官能基とナノファイバーの付着により１種以上の方法で特に機能化したナノファイバーを含むが、他の態様は非機能化ナノファイバーを含む。例えば、本発明の所定の増大表面積は例えば濾過する特定検体によっては非機能化ナノファイバーから構成される分子サイズに基づく精製用フィルター等を含むことができる。
ＩＩ）ナノファイバー及びナノファイバー作製
本発明の典型的態様では、表面（即ちナノファイバー増大面積表面）とナノファイバー自体は場合により任意数の材料を含むことができる。表面とナノファイバーの実際の組成は多数の可能な因子に基づく。このような因子としては例えば増大面積表面の所期用途、表面を使用する条件（例えば温度、ｐＨ、光の存在（例えばＵＶ）、雰囲気等）、表面を使用する反応（例えば分離、バイオアッセイ等）、表面の耐久性及びコスト等が挙げられる。ナノワイヤーの延性と破壊強度は例えばその組成により異なる。例えば、セラミックＺｎＯワイヤーはシリコン又はガラスナノワイヤーよりも脆性であり、カーボンナノチューブは引張強さが高いと考えられる。
以下に詳述するように、本発明のナノファイバー及びナノファイバー増大表面を作製するために使用される所定の可能な材料としては例えばシリコン、ＺｎＯ、ＴｉＯ、カーボン、カーボンナノチューブ、ガラス、石英が挙げられる。下記参照。本発明のナノファイバーは更に場合により例えば特定性質を強化又は付加するためにコーティング又は機能化される。例えば、ポリマー、セラミック又は小分子を場合によりコーティング材料として使用することができる。場合により使用するコーティングは耐水性、機械的もしくは電気的性質の改善又は所定検体に対する特異性等の特性を付与することができる。更に、特定部分又は官能基を本発明のナノファイバーに付着又は結合することもできる。
当然のことながら、本発明は特定ナノファイバー及び／又は基板組成の記載に限定されず、特に指定しない限り、多数の他の材料の任意のものを本発明の各種態様で場合により使用することが理解されよう。更に、ナノファイバーを構成するために使用される材料は場合により基板表面を構成するために使用される材料と同一でもよいし、基板表面を作製するために使用される材料と異なっていてもよい。
本発明の更に他の態様では、該当ナノファイバーは場合により例えばナノチューブル（例えば中空コア構造）等の各種物理的構造を含むことができる。本発明では場合によりカーボンナノチューブ、金属ナノチューブ、金属及びセラミック等の種々のナノファイバーが使用される。
本発明は特定構成に限定されず、当然のことながら変更可能であると理解すべきである（例えば場合により種々の長さ、密度等で存在するナノファイバーと基板と選択部分等の各種組み合わせ）。同様に、本明細書で使用する用語は特定態様のみを記載する目的であり、限定的でないことも理解すべきである。本明細書と特許請求の範囲で使用する単数形はそうでないことが前後関係から明白である場合を除き、複数形も含む。従って、例えば「ナノファイバー」なる用語は場合により複数の前記ナノファイバーを含み、他の用語についても同様である。特に定義しない限り、全科学技術用語はそれらの用語が属する分野で一般に使用されていると同一の意味をもつ。本発明の目的で、他の特定用語については明細書の各所で定義する。
Ａ）ナノファイバー
本明細書で使用する「ナノファイバー」なる用語は一般に約１０００ｎｍ未満、約５００ｎｍ未満、約２５０ｎｍ未満、約１５０ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、約２５ｎｍ未満、更には約１０ｎｍ又は５ｎｍ未満の少なくとも１個の物理的寸法を特徴とするナノ構造を意味する。多くの場合には、領域又は特徴的寸法は構造の最短軸方向の寸法である。
本発明のナノファイバーは一般に１本の主軸が他の２本の主軸よりも長く、従って、１を上回る縦横比、２以上の縦横比、約１０を上回る縦横比、約２０を上回る縦横比、又は約１００、２００、５００、１０００、もしくは２０００を上回る縦横比をもつ。所定態様では、本発明のナノファイバーは実質的に均一直径をもつ。所定態様では、直径は最大変動領域と少なくとも５ｎｍ、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、又は少なくとも５０ｎｍの直線寸法にわたって約２０％未満、約１０％未満、約５％未満、又は約１％未満の分散を示す。一般に直径はナノファイバーの両端から（例えばナノファイバーの中心２０％、４０％、５０％、又は８０％にわたって）測定される。更に他の態様では、本発明のナノファイバーは不均一直径をもつ（即ちその長さ方向に直径が変動する）。例えば、コストの問題及び／又はよりランダムな表面を作製するためには広い直径範囲が望ましいと思われる。更に所定態様では、本発明のナノファイバーは実質的に結晶質及び／又は実質的に単結晶質である。
自明の通り、ナノファイバーなる用語は場合により例えばナノワイヤー、ナノウィスカー、半導体ナノファイバー、カーボン及び／又はボロンナノチューブ又はナノチューブル等の構造を含むことができる。更に、ナノロッド、ナノテトラポッド、ナノポスト等の（例えば上記の構造よりも）縦横比の小さいナノ構造も場合により（所定態様では）本発明のナノファイバーの定義に含まれる。これらの場合により含まれる他のナノ構造の例は例えば公開ＰＣＴ出願第ＷＯ０３／０５４９５３号とその引用文献に記載されており、いずれもその開示内容全体を参考資料として全目的で本明細書に組込む。
本発明のナノファイバーは材料性質が実質的に均一でもよいが、所定態様では不均一（例えばナノファイバーヘテロ構造）であり、１又は複数の適当なほぼ任意材料から作製することができる。ナノファイバーは「純粋」材料、実質的に純粋な材料、ドープ材料等から構成することができ、絶縁体、導体及び半導体を含むことができる。更に、本発明のナノファイバーの所定の例は上述のようにシリコン（又は酸化ケイ素）から構成されるが、特に指定しない限り、場合により多種多様の材料の任意のものから構成することができる。ナノファイバーの組成は多数の因子、例えば（必要な場合には）ナノファイバーに結合又は付着させる特定官能基、耐久性、コスト、使用条件等により変えることができる。ナノファイバーの組成は当業者に非常によく知られている。従って、当業者に自明の通り、本発明のナノファイバーは無数の可能な物質（又はその組み合わせ）の任意のものから構成することができる。本発明の所定態様は１種以上の有機又は無機化合物又は材料から構成されるナノファイバーを含む。本明細書中の特定ナノファイバー組成の記載は必ずしも限定的ではない。
更に、本発明のナノファイバーは場合により多種多様の方法の任意のものにより作製され、本明細書に記載する例は必ずしも限定的ではない。従って、本明細書に特に記載しないが、本明細書に記載するパラメーターに該当する手段により作製されたナノファイバーも本発明のナノファイバーであり、及び／又は本発明の方法で使用される。
一般的な意味では、本発明のナノファイバーは（必ずしもそうでなくてもよいが）多くの場合には固体で場合により平坦な基板から成長させた細長い突起（例えばファイバー、ナノワイヤー、ナノチューブル等）を含む。当然のことながら、本発明の所定態様ではナノファイバーをその最終基板上に堆積し、例えばファイバーを成長させた基板から分離し、第２の基板に付着させる。第２の基板は平坦である必要はなく、実際にナノファイバーを最初に成長させた基板と同様に無数の三次元構造を含むことができる。本発明の所定態様では、基板は弾性である。同様に、以下に詳述するように、本発明のナノファイバーは種々の構造の表面内又は表面上、例えばキャピラリーチューブ内等に成長／作製することができる。下記参照。
本発明の各種態様では、該当ナノファイバーを場合により第１の基板上に成長させた後に増大表面積をもつ第２の基板に移送する。このような態様は所望基板を弾性にする必要がある場合や、ナノファイバーを直接付加もしくは成長させにくい特定三次元形状にする必要がある場合に特に有用である。例えば、ナノファイバーは例えばシリコンウェーハや他の同様の基板等の剛性表面上に成長させることができる。こうして成長させたナノファイバーをその後、場合により例えばゴム等の弾性支持体に移送することができる。この場合も自明の通り、本発明は特定ナノファイバー又は基板組成に限定されない。例えば、場合により例えばアルミニウム等の弾性箔を含む各種表面の任意のものの上にナノファイバーを成長させる。更に、高温成長法には、本発明のナノファイバーを成長させる基板として任意金属、セラミック又は他の熱安定材料を場合により使用する。更に、ナノファイバーを成長させる多種多様な基板と組み合わせて溶液相法等の低温合成法を利用することもできる。例えば、弾性ポリマー基板及び他の同様の基板を場合によりナノファイバー成長／付着用基板として使用する。
１例として、金触媒を使用して表面にナノファイバーを成長させる方法が文献に記載されている。このようなファイバーに関する適用例はファイバーを基板から回収した後にデバイスに組込むことを基本とする。しかし、本発明の多くの他の態様では増大表面積に加わるナノファイバーをその場で成長させる。従って、表面に堆積した金コロイドからナノファイバーを成長させる等の利用可能な方法が本発明では場合により使用される。得られる最終製品はファイバーを成長させた基板（即ちナノファイバーにより表面積が増大した基板）である。自明の通り、本発明の特定態様及び使用は、特に指定しない限り、場合によりその使用場所で成長させるか及び／又は他の場所で成長させたナノファイバーを回収してその使用場所に移送したファイバーを含むことができる。例えば、本発明の多くの態様はファイバーを成長基板上で無傷にしておき、ファイバーが基板に付与するユニークな性質を利用している。他の態様はファイバーを第１の基板で成長させ、ファイバーを第２の基板に移送し、ファイバーが第２の基板に付与するユニークな性質を利用している。
例えば、本発明のナノファイバーを例えば非弾性基板（例えば所定種のシリコンウェーハ）上に成長させた場合には、このような非弾性基板から弾性基板（例えばゴム又は織布層材料）に移送することができる。この場合も、当業者に自明の通り、本発明のナノファイバーは場合により出発時の弾性基板上に成長させてもよいが、このような決定は種々の所望パラメーターの影響を受けると思われる。
ナノファイバーを作製した表面から別の表面に移送するには種々の方法を利用することができる。例えば、ナノファイバーを液体懸濁液（例えばエタノール）中に回収した後に、別の表面にコーティングすることができる。更に、第１の表面からのナノファイバー（例えば第１の表面上で成長させるか又は第１の表面に移送したナノファイバー）は場合によりナノファイバーに粘着性コーティング又は材料を付与した後に前記コーティング／材料を第１の表面から剥離することにより「回収」することができる。粘着性コーティング／材料をその後、場合によりナノファイバーを堆積する第２の表面に配置する。このような移送に場合により使用される粘着性コーティング／材料の例としては限定されないが、例えばテープ（例えば３Ｍ Ｓｃｏｔｃｈ（登録商標）テーブ）、磁気ストリップ、硬化性接着剤（例えばエポキシ、ラバーセメント等）等が挙げられる。ナノファイバーを成長基板から取り出し、プラスチックと混合した後に、このようなプラスチックの表面をアブレーション又はエッチングしてファイバーを露出させることができる。
本発明の実際のナノファイバー構造は場合により複雑である。例えば、図２は典型的ナノファイバー構造の顕微鏡写真である。図２から明らかなように、ナノファイバーは複雑な三次元パターンを形成する。各種高さ、カーブ、屈曲部等の交差により、（例えばナノファイバーをもたない表面に比較して）単位基板当たりの表面積が著しく増加した表面を形成する。当然のことながら、本発明の他の態様ではナノファイバーは例えば図２に示すもののように複雑である必要はない。即ち、本発明の多くの態様では、ナノファイバーは「直線状」であり、屈曲、カーブ、又はカールの傾向がない。更に、所定態様では、このような直線状ないし非カールファイバー（又はこのようなナノファイバーの実質的に大半）を例えば所望方向又は角度等に並べる。このような直線状ナノファイバーも本発明に含まれる。いずれの場合も、ナノファイバーは非蛇行性で著しく増大した表面積をもつ。
Ｂ）機能化
本発明の所定態様はファイバーに１個以上の機能部分（例えば化学反応基）を付着又は結合したナノファイバー又はナノファイバー増大面積表面を含む。機能化ナノファイバーは場合により例えば分離やバイオアッセイ等の反応で所望検体に特異性を付与するために多くの各種態様で使用される。本発明の増大表面積の典型的態様は多様な部分で適切に修飾した酸化ケイ素から構成すると有利である。当然のことながら、本発明の他の態様は場合により同様に特定目的のために機能化した他のナノファイバー組成（例えばポリマー、セラミック、ＣＶＤ又はゾル−ゲルスパッタリングによりコーティングされた金属等）から構成される。場合により本発明で使用される多数の機能化及び機能化技術（例えば分離カラムの作製、バイオアッセイ等で使用される技術と同様の技術）は当業者に自明である。
例えば、関連部分及び他の化学種とその作製／使用方法に関する詳細は例えばＨｅｒｍａｎｓｏｎ Ｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（１９９６），Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｃｏｎｃｉｓｅ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９９９）Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｇｒａｙｓｏｎら（ｅｄ．）Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ及びＫｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ（１９９８及び２０００），Ｇｒａｙｓｏｎら（ｅｄ．）Ｗｉｌｅｙ Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ（印刷版）／Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．（電子版）に記載されている。その他の関連情報はＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（２００３）８３ｒｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓに記載されている。更に本発明のナノファイバーにプラズマ法等により組込むことができる導体及び他のコーティングに関する詳細はＨ．Ｓ．Ｎａｌｗａ（ｅｄ．），Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ａｎｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ １９９７に記載されている。更に、ＯＲＧＡＮＩＣ ＳＰＥＣＩＥＳ ＴＨＡＴ ＦＡＣＩＬＩＴＡＴＥ ＣＨＡＲＧＥ ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＴＯ／ＦＲＯＭ ＮＡＮＯＣＲＹＳＴＡＬＳ ＵＳＳＮ ６０／４５２，２３２ ｆｉｌｅｄ（出願日２００３年３月４日，Ｗｈｉｔｅｆｏｒｄら）も参照。例えば付加部分をナノファイバーの機能化表面に結合するための関連有機化学に関する詳細は例えばＧｒｅｅｎｅ（１９８１）Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅ ａｎｄ Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ；Ｓｃｈｍｉｄｔ（１９９６）Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｍｏｓｂｙ，Ｓｔ Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ；Ｍａｒｃｈ’ｓ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ，Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｆｉｆｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ（２０００）Ｓｍｉｔｈ ａｎｄ Ｍａｒｃｈ，Ｗｉｌｅｙ Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ ＩＳＢＮ ０−４７１−５８５８９−０、及び代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ（出願日２００４年４月２７日、発明の名称“Ｓｕｐｅｒ−Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”）に記載されている。本発明のＮＦＳの機能化に利用可能な他の多くの関連文献及び技術は当業者に自明である。
従って、この場合も自明の通り、該当基板、（例えば基板に付着又は堆積された）該当ナノファイバー、及び場合によりナノファイバー及び／又は基板の任意機能化は場合により各種態様で変更することができる。例えば、ファイバーの長さ、直径、構造及び密度は、ファイバーの組成及びその表面化学種と同様に変更することができる。
Ｃ）密度及び関連事項
密度については、自明の通り、表面から突出するナノファイバーを多くすることにより、基礎基板から拡大する表面積の量も自動的に増加する。その結果、表面とナノファイバー表面に接触する任意検体等との間の緊密接触面積が増加する。以下に詳述するように、本発明の態様は場合により表面上のナノファイバーの密度が基板表面μｍ２当たりナノファイバー約０．１〜約１０００本以上である。この場合も、自明の通り前記密度は個々のナノファイバーの直径等の因子により異なる。下記参照。ナノファイバーの数が多いほど表面の面積全体が増加する傾向があるので、ナノワイヤー密度は増大表面積に影響する。従って、本発明のナノファイバーの密度は表面の総面積の因子であるので、一般に増大表面積材料の所期用途に影響する。
例えば、典型的な平坦基板の１例（例えば酸化ケイ素チップ又はガラススライド）は１平方ミクロン当たり（即ち１平方ミクロンフットプリント内に）検体との可能な結合部位を１０，０００個又は可能な機能化部位等を１０，０００個含むことができる。しかし、このような基板表面にナノファイバーをコーティングしたならば、利用可能な表面積は著しく増加する。本発明の所定態様では表面上の各ナノファイバーは表面積約１平方ミクロンである（即ち各ナノファイバーの側面と先端は著しく大きな表面積を示す）。同等の基板１平方ミクロンにナノファイバー１０〜約１００本／平方ミクロンが含まれるならば、利用可能な表面積は平坦表面の１０〜１００倍となる。従って、この例では、増大表面積は１平方ミクロンフットプリント当たり可能な結合部位、機能化部位等を１００，０００〜１０，０００，０００個もつことになる。自明の通り、基板上のナノファイバーの密度は例えばナノファイバーの直径やナノファイバーの機能化等により影響される。
本発明の各種態様は一定範囲の前記密度（即ちナノファイバーを付着する基板の単位面積当たりのナノファイバー数）を含む。単位面積当たりのナノファイバー数は場合により約１本／１０μｍ２〜約２００本以上／μｍ２；約１本／μｍ２〜約１５０本以上／μｍ２；約１０本／μｍ２〜約１００本以上／μｍ２；又は約２５本／μｍ２〜約７５本以上／μｍ２とすることができる。更に他の態様では、密度は場合により約１〜３本／平方ミクロン〜約２，５００本以上／平方ミクロンとすることができる。
個々のファイバー寸法については、自明の通り各ファイバーの厚さ又は直径を増加することによりファイバーの総面積は自動的に増加し、従って基板の総面積も増加する。本発明のナノファイバーの直径は例えばナノファイバーの組成と成長条件、部分の付加、コーティング等の選択により調節することができる。好ましいファイバー厚みは場合により約５ｎｍ〜約１ミクロン以上（例えば５ミクロン）；約１０ｎｍ〜約７５０ｎｍ以上；約２５ｎｍ〜約５００ｎｍ以上；約５０ｎｍ〜約２５０ｎｍ以上、又は約７５ｎｍ〜約１００ｎｍ以上である。所定態様では、ナノファイバーは直径約４０ｎｍである。
直径に加え、ナノファイバーの表面積（従って、ナノファイバーを付着する基板の表面積）はナノファイバーの長さの影響も受ける。当然のことながら、ファイバー材料によっては長さを増すと脆性が増すものもある。従って、好ましいファイバー長は一般に約２ミクロン〜約１ｍｍ以上；約１０ミクロン〜約５００ミクロン以上；約２５ミクロン〜約２５０ミクロン以上；又は約５０ミクロン〜約１００ミクロン以上である。所定態様は長さ約５０ミクロンのナノファイバーを含むが、更に他の態様は長さ約０．５ミクロン〜約１０ミクロンとすることができる。本発明の所定態様は直径約４０ｎｍ及び長さ約５０ミクロンのナノファイバーを含む。
本発明のナノファイバーは種々の縦横比をもつことができる。即ち、ナノファイバー直径は例えば約５ｎｍ〜約１ミクロン以上（例えば５ミクロン）；約１０ｎｍ〜約７５０ｎｍ以上；約２５ｎｍ〜約５００ｎｍ以上；約５０ｎｍ〜約２５０ｎｍ以上，又は約７５ｎｍ〜約１００ｎｍ以上とすることができ、前記ナノファイバーの長さは例えば約２ミクロン（例えば０．５ミクロン）〜約１ｍｍ以上；約１０ミクロン〜約５００ミクロン以上；約２５ミクロン〜約２５０ミクロン以上；又は約５０ミクロン〜約１００ミクロン以上とすることができる。
少なくとも一部を表面から高くしたファイバーが特に好ましく、例えば検体等と接触させるために利用可能な増大表面積を提供するためには、例えばファイバーの少なくとも一部のファイバー表面を表面から少なくとも１０ｎｍ、又は少なくとも１００ｎｍ高くする。
この場合も、図２に示すように、ナノファイバーは場合により複雑な三次元構造を形成する。このような複雑さの程度は例えばナノファイバーの長さ、ナノファイバーの直径、ナノファイバーの長さ：直径縦横比、（必要に応じて）ナノファイバーに付着した部分、及びナノファイバーの成長条件等にも依存する。利用可能な増大表面積の程度を変化させるのに役立つナノファイバーの屈曲、交差等は場合により例えば単位面積当たりのナノファイバー数の調節や、ナノファイバーの直径、ナノファイバーの長さ及び組成等により操作される。従って、自明の通り、本発明のナノファイバー基板の増大表面積は場合により上記及び他のパラメーターの操作により制御される。同様に自明の通り、検体が本発明のナノファイバー基板内を辿る任意経路の「蛇行」の程度も前記因子により影響を受ける場合がある。
同様に、本発明の全部ではないが所定の態様では、本発明のナノファイバーは屈曲、カーブ、又はカール形状を含む。自明の通り、１本のナノファイバーが表面上で蛇行又はコイル状になっている（但し単位面積当たり１本のファイバーしか第１の表面に結合していない）場合には、ファイバーはその長さ等により増大表面積を提供することができる。
Ｄ）ナノファイバー作製
自明の通り、本発明は本発明のナノファイバーの作製手段により限定されない。例えば、本発明の所定のナノファイバーはシリコンから構成されるが、必ずしもシリコンの使用に限定するものではない。ナノファイバーの形成は当業者に周知の多数の異なるアプローチにより可能であり、いずれも本発明の態様に利用可能である。
本発明の典型的態様は当業者に自明の各種ナノ構造作製方法及び本明細書に言及又は記載する方法で使用することができる。換言するならば、ナノファイバー及びナノファイバーを含む構造の各種作製方法が記載されており、本発明の各種方法、システム及びデバイスで使用するように応用することができる。
ナノファイバーは適当なほぼ任意材料（例えば半導体材料、強誘電性材料、金属、セラミック、ポリマー等）から作製することができ、本質的に単一材料から構成することもできるし、ヘテロ構造でもよい。例えば、ナノファイバーは半導体材料から構成することができ、例えば周期表の２族又は１２族から選択される第１の元素と、１６族から選択される第２の元素を含む材料（例えばＺｎＳ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ等の材料）；１３族から選択される第１の元素と１５族から選択される第２の元素を含む材料（例えばＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等の材料）；１４族の元素を含む材料（Ｇｅ、Ｓｉ等の材料）；ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、及びＡｌＳｂ等の材料；又はその合金もしくは混合物が挙げられる。
本発明の所定態様では、ナノファイバーは場合によりシリコン又は酸化ケイ素から構成される。当業者に自明の通り、本明細書で使用する「酸化ケイ素」なる用語は任意酸化度のケイ素を意味する。即ち、酸化ケイ素なる用語は化学構造ＳｉＯｘを意味し、式中、ｘは０以上２以下である。他の態様では、ナノファイバーは例えばシリコン、ガラス、石英、プラスチック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴＧ）、ポリアニリン、金属−有機ポリマー、ポリカーボネート、有機ポリマー、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、脂肪族ポリマー、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、及びその組み合わせから構成することができる。
自明の通り、所定態様では、ナノファイバーは１個以上の基板表面（例えばナノファイバーを付着又は結合している表面）と同一材料から構成することができ、他の態様では、ナノファイバーは基板表面と異なる材料から構成される。更に、基板表面は場合によりナノファイバーと同一材料又は同一種の材料（例えば本明細書に例示する材料）の任意１種以上から構成することもできる。
上述のように、本発明の全部ではないが、所定の態様はシリコンナノファイバーを含む。シリコンナノファイバーの一般的作製方法としては、気相−液相−固相成長（ＶＬＳ）、レーザーアブレーション（レーザー触媒成長）及び熱蒸着が挙げられる。例えば、Ｍｏｒａｌｅｓら（１９９８）“Ａ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７９，２０８−２１１（１９９８）参照。アプローチの１例では、長手方向序列ヘテロ構造をもつ半導体ナノファイバーの合成用ハイブリッドパルスレーザーアブレーション／化学蒸着（ＰＬＡ−ＣＶＤ）法とその変形を使用することができる。Ｗｕら（２００２）“Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ−Ｂｌｏｃｋ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ／ＳｉＧｅ Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ，”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．２：８３−８６参照。
一般に、多数のナノファイバー作製方法が記載されており、本発明の方法、システム及びデバイスで適用することができる。Ｍｏｒａｌｅｓら及びＷｕら（前出）の文献に加え、例えば、Ｌｉｅｂｅｒら（２００１）“Ｃａｒｂｉｄｅ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ” ＵＳＰＮ６，１９０，６３４ Ｂ１；Ｌｉｅｂｅｒら（２０００）“Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｓｃａｌｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ Ｐｒｏｂｅｓ”ＵＳＰＮ６，１５９，７４２；Ｌｉｅｂｅｒら（２０００）“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｎａｎｏｒｏｄｓ”ＵＳＰＮ６，０３６，７７４；Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９）“Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｎａｎｏｒｏｄｓ”ＵＳＰＮ５，８９７，９４５；Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９）“Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｎａｎｏｒｏｄｓ”ＵＳＰＮ５，９９７，８３２；Ｌｉｅｂｅｒら（１９９８）“Ｃｏｖａｌｅｎｔ Ｃａｒｂｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｃ２Ｎ ａｎｄ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ”ＵＳＰＮ５，１９６，３９６；及びＬｉｅｂｅｒら（１９９３）“Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｏｘｉｄｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ａｎ Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：Ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ Ｏｂｊｅｃｔ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ Ｓｃａｌｅ”ＵＳＰＮ５，２５２，８３５参照。最近、一次元半導体ヘテロ構造ナノ結晶が記載されている。例えばＢｊｏｒｋら（２００２）“Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｐｌｅｃｈａｓｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ Ｒｅａｌｉｚｅｄ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．２：８６−９０参照。
なお、本明細書に引用する文献にはナノファイバーに限定していないが、場合により本発明に適用可能なものもある。例えば、作製条件等の背景事項はナノファイバーと他のナノ構造（例えばナノ結晶等）間で適用可能である。
本発明のナノファイバーを作製するために場合により使用される別のアプローチでは、個々のナノファイバーを表面上にバルク作製するための合成法が例えばＫｏｎｇら（１９９８）“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｎ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｗａｆｅｒｓ，”Ｎａｔｕｒｅ ３９５：８７８−８８１、及びＫｏｎｇら（１９９８）“Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｅ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，” Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２９２：５６７−５７４に記載されている。
更に別のアプローチでは、例えばＳｃｈｏｎ，Ｍｅｎｇ，ａｎｄ Ｂａｏ，“Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，”Ｎａｔｕｒｅ ４１３：７１３（２００１）；Ｚｈｏｕら（１９９７）“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｍｅｔａｌ／Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ／Ｍｅｔａｌ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ７１：６１１；及びＷＯ９６／２９６２９（Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓら，公開日１９９６年６月２６日）に記載されているもの等のマイクロコンタクトプリント技術と共に基板と自己結合単層（ＳＡＭ）形成材料を使用することができる。
本発明の所定態様では、金属触媒を使用してナノファイバー（例えばナノワイヤー）を合成することができる。このような態様の利点の１つは強化性質を生じるために表面修飾に適したユニークな材料を使用できる点である。このようなナノファイバーのユニークな性質とは、触媒、一般に金で一端がキャッピングされていることである。この触媒末端は場合によりワイヤーの残余を変化させずに例えばチオール化学種を使用して機能化することができるので、適切な表面に結合することができる。このような態様では、このような機能化等の結果としてナノファイバーを末端結合した表面が作製される。従って、その結果として得られる「ファジー」な表面は（ナノファイバーをもたない表面に比較して）増加した表面積と他のユニークな性質をもつ。所定のこのような態様では、多くの用途で有用な広範な性質を与えるために（必ずしもそうでない場合もあるが、一般には金先端を変化させずに）ナノワイヤーの表面及び／又はターゲット基板表面を場合により化学修飾する。
他の態様では、表面積を僅かに増加又は増大するために、ナノファイバーを基板と末端結合するのでなく表面上の化学的又は静電的相互作用によりナノファイバーを場合により「平坦」に（例えば基板表面と実質的に平行に）延ばす。本発明の更に他の態様では、ファイバーが表面に延びるのでなく末端結合するようにナノファイバー上の極性に反発する官能基を基板表面にコーティングする方法を使用する。
本発明の態様に含むか及び／又は使用することができる各種組成のナノ構造（例えばナノ結晶）の合成は例えばＰｅｎｇら（２０００）“Ｓｈａｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＣｄＳｅ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”Ｎａｔｕｒｅ ４０４：５９−６１；Ｐｕｎｔｅｓら（２００１）“Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｃｏｎｔｒｏｌ：Ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｃｏｂａｌｔ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９１：２１１５−２１１７；ＵＳＰＮ６，３０６，７３６，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年１０月２３日）発明の名称“Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩＩ−Ｖ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｓｔａｌｓ，ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ”；ＵＳＰＮ６，２２５，１９８，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（２００１年５月１日）発明の名称“Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｈａｐｅｄ ｇｒｏｕｐ ＩＩ−ＶＩ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｓｔａｌｓ，ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ”；ＵＳＰＮ５，５０５，９２８，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（１９９６年４月９日）発明の名称“Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＩＩＩ−Ｖ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｓｔａｌｓ”；ＵＳＰＮ５，７５１，０１８，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら（１９９８年５月１２日）発明の名称“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｃｏｖａｌｅｎｔｌｙ ｂｏｕｎｄ ｔｏ ｓｏｌｉｄ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｕｓｉｎｇ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ”；ＵＳＰＮ６，０４８，６１６，Ｇａｌｌａｇｈｅｒら（２０００年４月１１日）発明の名称“Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｉｚｅｄ ｄｏｐｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓａｍｅ”；及びＵＳＰＮ５，９９０，４７９，Ｗｅｉｓｓら（１９９９年１１月２３日）発明の名称“Ｏｒｇａｎｏ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ ｐｒｏｂｅｓ ｆｏｒ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｓｕｃｈ ｐｒｏｂｅｓ”に記載されている。
制御された直径をもつナノファイバー等の各種縦横比をもつナノワイヤー等のナノファイバーの成長に関するその他の情報は例えばＧｕｄｉｋｓｅｎら（２０００）“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２：８８０１−８８０２；Ｃｕｉら（２００１）“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８：２２１４−２２１６；Ｇｕｄｉｋｓｅｎら（２００１）“Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０５：４０６２−４０６４；Ｍｏｒａｌｅｓら（１９９８）“Ａ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７９：２０８−２１１；Ｄｕａｎら（２０００）“Ｇｅｎｅｒａｌ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１２：２９８−３０２；Ｃｕｉら（２０００）“Ｄｏｐｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０４：５２１３−５２１６；Ｐｅｎｇら（２０００），前出；Ｐｕｎｔｅｓら（２００１），前出；ＵＳＰＮ６，２２５，１９８，Ａｌｉｖｉｓａｔｏｓら，前出；ＵＳＰＮ６，０３６，７７４，Ｌｉｅｂｅｒら（２０００年３月１４日）発明の名称“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ”；ＵＳＰＮ５，８９７，９４５，Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９年４月２７日）発明の名称“Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ”；ＵＳＰＮ５，９９７，８３２，Ｌｉｅｂｅｒら（１９９９年１２月７日）“Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｉｄｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ”；Ｕｒｂａｕら（２００２）“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｂａｒｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｔｉｔａｎａｔｅ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２４：１１８６；Ｙｕｎら（２００２）“Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｂａｒｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ Ｓｃａｎｎｅｄ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２，４４７；並びに公開ＰＣＴ出願ＷＯ０２／１７３６２号及びＷＯ０２／０８０２８０号に記載されている。
分岐ナノファイバー（例えばナノテトラポッド、トライポッド、バイポッド及び分岐テトラポッド）の成長は例えばＪｕｎら（２００１）“Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ−ａｒｍｅｄ ＣｄＳ ｎａｎｏｒｏｄ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｎｏｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｓｙｓｔｅｍ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３：５１５０−５１５１；及びＭａｎｎａら（２００１）“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅ Ｒｏｄ−，Ａｒｒｏｗ−，Ｔｅａｒｄｒｏｐ−，ａｎｄ Ｔｅｔｒａｐｏｄ−Ｓｈａｐｅｄ ＣｄＳｅ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２：１２７００−１２７０６に記載されている。ナノ粒子の合成は例えばＵＳＰＮ５，６９０，８０７，Ｃｌａｒｋ Ｊｒ．ら（１９９７年１１月２５日）発明の名称“Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ”；ＵＳＰＮ６，１３６，１５６，Ｅｌ−Ｓｈａｌｌら（２０００年１０月２４日）発明の名称“Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｘｉｄｅ ａｌｌｏｙｓ”；ＵＳＰＮ６，４１３，４８９，Ｙｉｎｇら（２００２年７月２日）発明の名称“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｉｚｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ ｒｅｖｅｒｓｅ ｍｉｃｅｌｌｅ ｍｅｄｉａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”；及びＬｉｕら（２００１）“Ｓｏｌ−Ｇｅｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｆｒｅｅ−Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３：４３４４に記載されている。ナノ粒子の合成はナノ結晶と、ナノワイヤー、分岐ナノワイヤー等のナノファイバーの成長に関する上記文献に記載されている。
コア−シェルナノファイバー（例えばナノ構造ヘテロ構造）の合成は例えばＰｅｎｇら（１９９７）“Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ＣｄＳｅ／ＣｄＳ ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１１９：７０１９−７０２９；Ｄａｂｂｏｕｓｉら（１９９７）“（ＣｄＳｅ）ＺｎＳ ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ：Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｚｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓ”Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ １０１：９４６３−９４７５；Ｍａｎｎａら（２００２）“Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｏｆ ｇｒａｄｅｄ ＣｄＳ／ＺｎＳ ｓｈｅｌｌｓ ｏｎ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ＣｄＳｅ ｎａｎｏｒｏｄｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２４：７１３６−７１４５；及びＣａｏら（２０００）“Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｃｏｒｅ／ｓｈｅｌｌ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｗｉｔｈ ＩｎＡｓ ｃｏｒｅｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２：９６９２−９７０２に記載されている。他のコア−シェルナノ構造の成長にも同様のアプローチを適用することができる。例えば、ＵＳＰＮ６，２０７，２２９（２００１年３月２７日）及びＵＳＰＮ６，３２２，９０１（２００１年１１月２７日）Ｂａｗｅｎｄｉら，発明の名称“Ｈｉｇｈｌｙ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｃｏｌｏｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ”参照。
異なる材料がナノファイバーの長軸に沿って異なる位置に分布されたナノファイバーヘテロ構造を含むナノファイバーの均一集団の成長は例えば公開ＰＣＴ出願ＷＯ０２／１７３６２号及びＷＯ０２／０８０２８０号；Ｇｕｄｉｋｓｅｎら（２００２）“Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”Ｎａｔｕｒｅ ４１５：６１７−６２０；Ｂｊｏｒｋら（２００２）“Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｅｅｐｌｅｃｈａｓｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２：８６−９０；Ｗｕら（２００２）“Ｂｌｏｃｋ−ｂｙ ｂｌｏｃｋ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉ／ＳｉＧｅ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２，８３−８６；及び米国特許出願６０−３７０，０９５（２００２年４月２日）Ｅｍｐｅｄｏｃｌｅｓ，発明の名称“Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ”に記載されている。同様のアプローチを他のヘテロ構造の成長と本発明の各種方法及びシステムにも適用することができる。
所定態様では、高い強度と耐久性をもつナノファイバーを作製するためには、増大表面積を作製するために使用されるナノファイバーは窒化物（例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＮ、ＢＮ）又は炭化物（例えばＳｉＣ、ＴｉＣ、炭化タングステン、炭化ホウ素）から構成することができる。あるいは、低強度（例えばシリコン又はＺｎＯ）ナノファイバー上の硬質コーティングとして前記窒化物／炭化物を使用する。シリコンナノファイバーの寸法は増大表面積を必要とする多くの用途には優れている（例えば“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，”出願日２００３年４月１７日，ＵＳＳＮ６０／４６３，７６６等参照）が、他の用途では低脆性で破壊しにくいナノファイバーが必要である。従って、本発明の所定態様は例えばＳｉ、ＳｉＯ２又はＺｎＯよりも高い結合強度をもつ窒化物及び炭化物等の材料を利用する。窒化物と炭化物は場合により低強度ナノファイバーを強化するためのコーティングとして又はナノファイバー自体として使用される。
炭化物と窒化物はスパッタリングやプラズマ法等の堆積技術により低強度ファイバーにコーティングとして付与することができる。所定態様では、炭化物及び窒化物コーティングの高強度ナノコーティングを得るために、亀裂伝播を避けるようにランダム粒子配向及び／又は非晶質相を成長させる。ファイバーが基板表面に垂直に成長しているならば場合によりナノファイバーの最適コンフォーマルコーティングを達成することができる。このような配向のファイバーの硬質コーティングはファイバーの基板接着を強化する機能もある。ランダム配向ファイバーでは、コーティングはファイバー上層に優先的である。
シリコンナノファイバーを作製するための低温法は金触媒の存在下に約４００℃でシランの分解により行われる。しかし、上述のように、シリコンナノファイバーは用途によっては耐久性ナノファイバーマトリックス（例えば増大表面積）を形成するには脆弱過ぎる。従って、本発明の所定態様では場合により例えばＳｉＮの形成と使用を利用する。これらの態様では、約３００℃の分解温度をもつＮＨ３をシランと併用し、（同様に金触媒を使用することにより）ＳｉＮナノファイバーを形成する。このようなナノファイバーを形成するための他の触媒表面としては例えばＴｉ、Ｆｅ等が挙げられる。
溶融液から炭化物及び窒化物ナノファイバーを直接形成するのは液相の温度が一般に１０００℃よりも高いので困難な場合がある。しかし、金属成分を気相と併用することによりナノファイバーを成長させることができる。例えば、（ＧａＮの場合は）Ｇａ溶融液をＮＨ３に暴露し、（ＳｉＣの場合は）グラファイトをシランと併用することによりＧａＮ及びＳｉＣナノファイバーを成長させている（例えばＰｅｉｄｏｎｇ，Ｌｉｅｂｅｒ，前出参照）。金属−有機蒸気種（例えば石炭酸タングステン［Ｗ（ＣＯ）６］を炭素表面上で化合させて炭化タングステン（ＷＣ）を形成するか、又は炭素表面上でジメトキシジネオデカン酸チタンを化合させてＴｉＣを形成することにより、他の型の炭化物及び窒化物ナノファイバーを形成するために場合により同様の概念が使用される。自明の通り、このような態様では、スパッタリング及びＣＶＤ法の温度、圧力、出力はいずれも場合により例えば最終ナノファイバーに所望される特定パラメーターに応じて変化させる。更に、ナノファイバーを形成するために使用される数種の金属有機前駆体及び触媒表面と、ナノファイバーのコア材料（例えばＳｉ、ＺｎＯ等）及びナノファイバーを含む基板も例えば作製する特定増大ナノファイバー表面積に応じて態様毎に変更することができる。
本発明の所定態様は基板のナノ構造表面コーティングの作製に関するので、ナノワイヤー成長の密度と制御を改善するための方法を含む。このような方法としては、ナノワイヤー合成と金膜堆積の反復サイクリングにより「ナノ−ツリー」を形成する方法や、共晶シリコンを形成しない材料の同時蒸着により核形成を妨害し、より小さいワイヤーを形成する方法が挙げられる。
このような方法は例えば診断用アレー、表面間の接着促進、非汚染表面、濾過等のためのナノファイバー成長技術により超大容量表面構造の作製で使用される。ナノファイバーの作製に単段階金属膜型方法を使用すると、出発金属膜厚、表面粗面度等の調節能力が制限され、従って表面からの核形成を制御する能力が制限される。
ナノファイバー増大表面の所定態様では、多分岐ナノファイバーを作製することが望ましい場合がある。このような多分岐ナノファイバーは非分岐ナノファイバー表面よりも表面積を更に増加することができる。多分岐ナノファイバーを作製するためには、ナノファイバー表面（即ち既にナノファイバーを成長させた表面）に場合により金膜を堆積する。炉に入れると、元の成長方向に垂直なファイバーが元のナノファイバーから分岐することができる。核形成と分岐形成の制御を増すために金膜の代わりに場合によりコロイド金属粒子を使用することができる。例えば異なる膜厚、異なるコロイド粒度、又は異なる合成時間で分岐サイクルを場合により多数回反復し、寸法を変化させた付加分岐を作製することもできる。最後に、隣接ナノファイバー間の分岐を場合により接合し、相互結合ネットワークを形成することもできる。場合により焼結を使用して微細分岐の結合を改善する。
更に他の態様では、より微細なナノファイバー（例えばナノワイヤー）を形成することが望ましい。これを達成するために、本発明の所定態様は場合により金又は他の合金形成金属蒸着中に非合金形成材料を使用する。このような材料を低百分率で導入すると、場合により金属膜を破壊し、成長中により小さい液滴を形成し、従ってそれに応じてより細いワイヤーを形成することができる。
このようなアプローチはナノファイバー形成の制御を改善し、多少厚い初期金属膜層からより細くより多くのナノファイバーを作製することができる。ナノアレー等の用途では、制御の改善は場合により平坦表面に対するナノファイバーからのシグナル比を改善したり、又は単に制御の程度を増すことができる。より細いナノファイバー作製に使用することができる材料としては例えばＴｉ、Ａｌ２Ｏ３及びＳｉＯ２が挙げられる。
更に他の態様では、ガラスの蒸着等の後処理段階によりナノファイバー間のより強い固定又は機械的接着と相互結合を実現し、従って付加強度を必要とする用途における機械的堅牢性を改善すると共にナノ構造表面の総表面積対体積比を増加することができる。
本発明は典型的なナノ構造の寸法範囲に該当しないような構造で使用することができる。例えば、Ｈａｒａｇｕｃｈｉら（ＵＳＰＮ５，３３２，９１０）は場合により本発明で使用されるナノウィスカーを記載している。半導体ウィスカーはＨａｒａｇｕｃｈｉら（１９９４）“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ ｆｒｏｍ ＧａＡｓ ｐ−ｎ ｊｕｎｃｔｏｎｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｉｒｅ ｃｒｙｓｔａｌｓ”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７５（８）：４２２０−４２２５；Ｈｉｒｕｍａら（１９９３）“ＧａＡｓ Ｆｒｅｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｉｚｅｄ Ｗｉｒｅｓ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７４（５）：３１６２−３１７１；Ｈａｒａｇｕｃｈｉら（１９９６）“Ｓｅｌｆ Ｏｒｇａｎｉｚｅｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｎａｒ ＧａＡｓ Ｎａｎｏｗｈｉｓｋｅｒ Ａｒｒａｙｓ”；及びＹａｚａｗａ（１９９３）“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｗｈｉｓｋｅｒｓ”Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．５（７８）：５７７−５７９にも記載されている。このようなナノウィスカーは場合により本発明のナノファイバーである。上記文献（及び本明細書に引用する他の文献）は場合により本発明のナノファイバーの作製とパラメーター決定に使用されるが、同様に本発明の方法とデバイスに利用することができる他のナノファイバー作製／設計方法も当業者に自明である。
ＩＩＩ）ナノファイバー増大表面積基板の典型的態様
その性質を強化するための表面修飾は標準方法であるが、本発明は性能強化のために製品表面にナノファイバーを作製、例えば成長又は配置する（場合によりこのようなファイバーを部分で修飾する）。ナノファイバーの現場成長については、ガラス基板上にシリコンナノファイバーを成長させてその表面積を増加する方法が例示される。多くの表面及び形状に場合によりナノファイバーをコーティングしてその表面積を増加する方法が挙げられ、例えば光学レンズ；チューブの内面（例えば分離用）もしくはチューブの外面（例えばカテーテル用等）；ガラス等の平坦表面；又はＨＰＬＣ充填用等の粒子が挙げられる。従って、例えば強化ガラス又は他の分離材料はＤＮＡアレー又はイムノアッセイ等の用途でより多くの分子を吸着することができる。下記参照。本発明はナノファイバーを例えばキャピラリーの内側で成長させ、キャピラリークロマトグラフィー用大表面積分離マトリックスを形成する態様を含む。下記参照。更に他の態様はその表面の対流を減らすことにより窓ガラスの絶縁性を強化するために現場で成長させたナノファイバーを含む。更に、一方の表面にナノファイバーの非常に高密度のウェブを成長させて（場合により成長中に物理的に拘束して）ループを形成すると共に他方の表面にフックを提供する低密度表面を成長させることによりＶｅｌｃｒｏ（登録商標）様表面も作製する。ナノファイバー表面は増加した表面積を接着剤で絡み付けることができるので場合により接着剤との結合強度が著しく増す。前記及び他のナノファイバー接着法については、例えばいずれもその開示内容全体を全目的で本明細書に組込む“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，”出願日４月１７日，ＵＳＳＮ ６０／４６３，７６６及び“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，”出願日２００３年９月１２日も参照。本発明の他の態様は例えばナノファイバー増大面積表面の使用により高密度細胞培養や医療インプラントの相互作用及び結合増加に用いるバイオスカフォールドとしての本発明のナノファイバー表面の使用を含む。本発明の側面を利用することができる使用例や、本発明がその側面を利用することができる使用例としては、例えば医療用途等におけるナノファイバー表面の多数の他の使用例が例えばＵＳＳＮ ６０／５４９，７１１（出願日２００４年３月２日）発明の名称“Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ”；ＵＳＳＮ ６０／５４１，４６３（出願日２００４年２月２日）発明の名称“Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，Ａｒｔｉｃｌｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”；ＵＳＳＮ ６０／４６６，２２９，出願日２００３年４月２８日、及び代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ，出願日２００４年４月２７日，以上発明の名称“Ｓｕｐｅｒ−ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”；並びに米国出願第１０／６６１，３８１号，出願日２００３年９月１２日及び６０／４６３，７６６号，出願日２００３年４月１７日及び代理人整理番号４０−００２８２０ＵＳ（出願日２００４年４月１６日）及び４０−００２８３０ＵＳ（出願日２００４年４月１９日）以上発明の名称“Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”に記載されており、いずれもその開示内容全体を全目的で本明細書に組込む。（一般にアブレーション又は堆積により形成される）マクロファイバー表面のほうがナノファイバー表面よりもよく知られているが、本発明のナノファイバー表面に匹敵する表面積をもたない。
自明の通り、ナノファイバー増大表面積を含む使用又はデバイス等の本発明の特定態様及び例証は必ずしも限定的ではない。換言するならば、本発明は本明細書の記載により例証されるが、特に指定しない限り、記載の個々の細部に拘束されない。上記態様は増大表面積ナノファイバー表面及びその構造体の各種使用／適用の例証である。この場合も、本発明の特定態様の列挙は必ずしも本発明の増大表面積ナノファイバー構造を含む他の使用／用途を制限するものではない。
ナノファイバー増大表面積適用は従来の機能（例えば濾過、アッセイ等）に有用であるだけでなく、表面に高密度に配置したナノファイバーは他の方法では不可能又は非実用的な適用を可能にする新規特徴を示す。例えば、各種溶媒による湿潤を防ぐ（溶媒が水の場合には疎水性）か又は湿潤を強化する（例えば親水性）ようにナノファイバーを処理することができる。例えば、ナノファイバー増大表面積材料の使用の具体的態様としては例えば超疎水性（又はより一般には疎溶媒性又は疎液性又は疎油性又は両疎媒性）処理材料、気液交換器（例えば人工肺）、平圧印刷、非汚染ボイラー又は熱交換器、（例えば航空機用の）氷結防止表面、地下有毒噴出を防止するための廃水池及び地下タンク用バリアー層、建材用接着剤（例えば屋根板、羽目板、地下コンクリート）等が挙げられる。例えばいずれもその開示内容全体を全目的で本明細書に組込む“Ｓｕｐｅｒ−Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”，出願日２００３年４月２８日，ＵＳＳＮ６０／４６６，２２９及び代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ，出願日２００４年４月２７日参照。あるいは、親水性処理ナノファイバー増大面積材料としては例えば高効率揮発器（蒸発器）や高効率冷却器等が挙げられる。
本発明の他の適用例は場合により液体と基板表面の間にトラップされたガス層（即ちナノファイバー間のガス層）を利用する。例えば、２相間の気液交換器に場合により適用することができる。所定態様では、増大表面積ナノファイバー基板は多孔質層を含むため、液体と反対の基板の側のガス流は基板とナノファイバーを通って拡散し、液体に到達することができる。基板が非通気性である態様では、ガス流はナノファイバー基板の表面と平行になり、ナノファイバー間（即ち液体と基板表面の間）を「流れる」ことができる。適用例としては場合により例えば人工肺（例えば液体が血液であり、拡散するガスが空気又は酸素である）、化学反応器、バイオリアクター（例えばＯ２とＣＯ２を拡散種とする）、下水処理等が挙げられる。
本発明の他の態様では、親水性処理増大表面積材料は十分且つ短時間で湿潤する傾向がある。自明の通り、以下に詳述するように非機能化ナノファイバー増大表面積基板でもウィッキング効果を示す。下記参照。湿潤領域内のファイバーは場合により液体よりも著しく高い熱伝導性をもつ材料から構成される。こうして場合により平坦表面（即ち増大表面積をもたない表面）よりも高熱流量用のメカニズムが得られる。
例えば、例えば高効率揮発器や加湿器等における液体の蒸発はこのような増大表面積を使用することができると考えられる。蒸発させる物質に対して場合により親和性をもつと共に熱をナノワイヤーに伝達する手段をもつナノファイバー被覆表面（即ち増大表面積）がこの目的に理想的であると考えられる。熱伝達は例えば基板を通って伝導性でもよいし、放射性でもよい。例えば触媒被覆ナノファイバーとの化学反応によりナノファイバー層自体の内側で熱を発生させることもできる。適用例としては場合によりガスタービン又は火力発電所、室内暖房器、及び化学反応器における燃焼室が挙げられる。本発明の所定の典型的態様では、ナノファイバー基板の構造は例えば親水性部分で機能化されていない場合であっても基板上に配置された液体の有効なウィックとして機能する。下記実施例１は平坦シリコン表面と本発明のナノファイバー増大表面積基板上の水のウィッキングを比較したグラフを示す。グラフから明らかなように、本発明の基板のほうが著しく迅速にウィッキングが行われる。本発明の代表的実施例例からまとめると、このような性質は例えば典型的態様では深さ数ミクロンで均一厚の表面に材料コーティングを迅速に塗布するために利用することができる。このような塗布は機械的手段を付加せずに行われ、基板の表面形態に応じて行われる。
液体の蒸発は冷却にも有用であると考えられる。高効率熱交換器は空調装置や火力発電所の蒸発器と同様に蒸発液に熱を伝達すると考えられる。
ナノファイバー被覆表面での蒸発を効率的にする同一性質により、この表面での凝縮も効率的になる。相違は熱が凝縮液から除去される点である。適用例としてはこの場合も空調や火力発電所又は他の高効率冷却器が挙げられる。当然のことながら、ナノファイバー増大表面のウィッキング能、疎水性／親水性、熱伝達等は本発明の他の態様にも同様に適用可能である（例えば下記参照）。
Ａ）増大表面積基板のマイクロパターニング
所定態様では、本発明は増大表面積基板を選択的に修飾又は作製するための方法と、前記増大基板自体及び前記基板を含むデバイスを含む。自明の通り、例えば本明細書に記載するように、前記方法及びデバイスは多用な用途に適用可能であり、多数の方法（そのうちのいくつかを本明細書に例証する）のうちの任意方法で作製することができる。例えば、所定態様では、本発明は予め配置した金属電極にナノワイヤー／チューブを挿入する可能性を増すような基板表面を選択的に修飾又は作製するための方法を含む。
自明の通り、ナノファイバーを成長させた表面により提供される増大表面積は例えば生物アレー用基板として多くの利点を提供することができる。１つの利点は所与基板領域におけるプローブ密度の増加に起因する。しかし、成長させたナノファイバー増大表面のウィッキング能の増加により、対応するナノファイバー区域内の規定領域への特定生体分子等を結合するための化学種の付加を制御しにくくなる場合がある。従って、本発明の所定態様は空間的に制御された化学種をナノファイバー増大表面に付加することができる方法を含む。このような制御は実際の用途で増大ナノファイバー表面を利用し易くすることができる。
特定化学種を付加するために空間的に規定された領域を作製するように基板上のナノファイバー成長又は配置領域を選択的にパターニングするための数種のアプローチが本発明の態様に含まれる。このようなアプローチにおいて、「基板」なる用語はファイバーを成長させる（又は所定態様では配置もしくは堆積させる）材料を意味する。各種状況において、基板は場合により例えばシリコンウェーハ、ガラス、石英、又はＶＬＳナノワイヤー成長等に適した他の任意材料から構成される。例えば、基板と基板上のナノファイバーは例えばシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、脂肪族ポリマー等から独立して構成することができる。上記も参照。他の可能なナノファイバー材料も当業者に自明である。
本発明の所定態様では、増大表面積基板のマイクロパターニングは場合により当業者に周知の慣用リソグラフィーアプローチを使用し、基板に標準成長開始剤として金平坦領域をリソグラフィーにより付与することにより実施される。その後、例えばＰｅｉｄｏｎｇ Ｙａｎｇ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．２，Ｊａｎ．２００１の方法でナノファイバー（例えばＶＬＳナノワイヤー）を成長させる。
他の態様では、（例えば基板表面上のチオール基の選択的パターニングにより）ナノファイバーの成長前に金コロイドの堆積を制御するように慣用リソグラフィーアプローチにより基板を化学的にプレコーティングすることによりアレーを作製することができる。更に他の態様では、当業者に周知の慣用方法（例えば上記参照）でナノファイバーを場合により予め成長させた後に空間的に規定されたパターンが必要な基板の領域に選択的に付着又は配置する。
当然のことながら、更に他の態様では、予め選択された領域のナノファイバーを除去することにより、増大表面積基板を形成するナノファイバー「区域」を選択的にパターニングする。図３は増大表面積基板の選択的マイクロパターニングの概念を模式的に示す。従って、図３に示すように、パターニングされていない増大表面積基板はナノファイバーに堆積された検体等のウィッキングを生じることが多いと思われる。図３中、金を分布ランダムにした表面３００ではナノファイバーがその基板全体３１０を覆う。ナノファイバー３６０を成長させると、予想外の流体ウィッキング３２０を生じ、適切な化学種／生体分子３７０を付加する際に望ましくない場合がある。これに対して、マイクロパターニング（又はナノパターニング）した増大表面積基板では検体等のウィッキングはナノファイバーの分離領域内に抑えられる（即ちウィッキングは基板表面上の空の領域により阻止される）ので無制御なウィッキングは起こらない。従って、図３では、プレパターニングした金パターン３３０と疎水性表面３４０をもつ基板は明確な表面被覆３５０を形成する。自明の通り、図３は本発明のパターン化アレーの１例に過ぎない。従って、他のアレーは場合により選択的にナノファイバーを除去した領域をもつナノファイバー区域を含む（従って、ナノファイバー島等を形成する）こともできるし、ナノファイバーを所定の選択領域のみに成長又は堆積させることもできる（又はその任意組み合わせでもよい）。場合により本発明の態様に含むことができるアレーの多数の他のパターン等も当業者に自明である。更に、同様に自明の通り、「マイクロアレー」、「マイクロパターニング」等の用語を明細書の各所で各種態様に使用しているが、本発明のナノファイバー増大表面は「ミリアレー」を含むことや「ミリパターニング」することもできるし、「ナノアレー」を含むことや「ナノパターニング」等することもできる。従って、本明細書と特許請求の範囲では一般に「マイクロ」突起のパターニングについて記載しているが、「ナノ」突起及び他の寸法の突起も本発明の範囲に含まれる。
本発明の更に他の態様では、ナノファイバー表面（例えば対応するナノファイバー区域）を場合により部分（例えば疎水性部分、親水性部分、両疎媒性部分、両親媒性部分、疎油性部分、親油性部分等）でコーティングする。換言するならば、ナノファイバー区域の全表面を前記部分で処理／機能化する。その後、機能化区域を選択的に処理し、選択位置（例えばＤＮＡ、蛋白質等の他の分子を付着することが所望される位置）のみから前記部分を除去することができる。機能化ナノファイバーを選択的に処理する方法の１例は前記区域に例えばＵＶ光を選択的に照射する方法である（前記部分が光感受性部分を含み、従って、光により分解される態様では、ナノファイバーに前記部分を付けずに無傷のまま実施する）。更に他の態様では、親水性区域を処理／機能化し、疎水性領域を形成する（即ち上記の鏡像）。その後、作製されたマイクロアレー上の所望位置に適当な分子等を配置する。
その作製フォーマット又は方法に関係なく、本発明のパターン化ナノファイバーアレーは広範な可能な用途及び適用例に応用可能である。核酸アレー（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ等）、蛋白質アレー、又は他の生体もしくは化学分子を含むアレー等の広範なアレーが当業者に自明である。例えば、本発明のナノファイバーアレーは場合により質量分析用蛋白質アレーと併用される。下記参照。最近、表面増強レーザー脱離イオン化（ＳＥＬＤＩ）、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）等の各種質量分析法と蛋白質アレーを使用する数種の適用法が（例えばＣｉｐｈｅｒｇｅｎ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡにより）開発された。従って、蛋白質をチップ又はウェーハ上に「貯蔵」し、ＳＥＬＤＩ又はＭＡＬＤＩ等により適切に特性決定することができる。例えば、ｗｗｗ．ｃｉｐｈｅｒｇｅｎ．ｃｏｍ参照。本発明のナノファイバーアレーはこれらの技術及び他の同様の技術と併用されると考えられる。本発明のマイクロアレー及び他の突起を場合により利用することができる他の型の質量分析法も当業者に自明である。この場合も、当業者に自明の通り、ＤＮＡ、蛋白質、又は他の部分のいずれであるかに関係なく、ナノファイバーアレーの可能な用途／適用例は非常に広範であり、本発明の特定用途／態様の特定記載は必ずしも限定的ではない。
本明細書には所定のパターニング方法、基板／ナノファイバー組成等を例証するが、この場合も自明の通り、これらの記載は本発明に含まれる多数の方法の例証に過ぎない。従って、このようなパラメーターを変更しても本発明の範囲に含まれる。例えば、上記に例証したように、増大表面積のマイクロパターニングは場合により多数の方法（例えばリソグラフィー堆積、ナノファイバーエレメントのレーザーアブレーション等）の任意の方法で実施され、いずれも本発明に含まれる。
ｉ）パターン化マイクロアレー及びデバイス
蛍光マイクロアレー用（及び例えば放射線、化学発光等の他の型のマイクロアレー用）の既存基板は多くの欠点がある。欠点としては例えば感度が低く、ダイナミックレンジが狭く、スポット均質性が変動し、機械的にスポットされたアレー上の突起寸法が大きいことが挙げられる。これらの欠点にも拘わらず、蛍光マイクロアレーは大規模ゲノム解析や先端プロテオミクス産業の主要なツールとなっている。これまで、新規基板を導入する試みは主に動的性能の低下と基本的アレー作製及び分析インフラストラクチャーに大きな変更を要することから成功していない。これに対して本発明は既存マイクロアレーの欠点を解決することができ、場合により既存の典型的ハイブリダイゼーションプロトコールやアレー作製及び分析インフラストラクチャーに適合可能であり、場合により広範なマイクロアレー目的に使用される（例えば蛋白質、核酸、リガンド、受容体等、他の現行マイクロアレー法に利用可能な予想される基本的に全部分で使用することができる）ナノ規模で使用可能なマイクロアレー基板をもつ態様を含む。
大規模ゲノム及びプロテオミクス分析市場は近年劇的に成長しており、発生と疾患における遺伝子配列変異及び発現パターンの役割について得られる情報が増すにされて更に成長すると予想される。ＤＮＡマイクロアレーは既に疾患の遺伝子基盤に関する基本研究と薬剤発見作業におけるターゲット同定及び検証の両者で主要ツールとなっている。更に、分子診断及び薬理ゲノミクス分野ではシーケンシングやｉｎ ｓｉｔｕハイブリダイゼーション等のコストのかかる作業によるゲノム解析が現在主流となっているが、マイクロアレーは将来においてこれらの分野に多大な効果があると思われる。更に、蛋白質発現レベルにおける分子変異を同時に分析しようとする今日の傾向はマイクロアレーフォーマットの用途を更にプロテオミクス分野に拡大するであろう。従って、本発明の技術のように既存方法及び分析工程をさほど変えずにマイクロアレー実験の性能、コスト、効果及び品質を改善することができる技術は極めて望ましい。現在、ゲノム解析に広く使用されている主要なマイクロアレーフォーマットは２種類のものがある（主に発現解析用であるが、ゲノタイピング用も増えている）。
第１の現行マイクロアレープロトコールは「ｉｎ ｓｉｔｕ合成オリゴヌクレオチドアレー」である。このようなプレアレーチップの一般的な例（例えばＡｆｆｙｍｅｔｒｉｘ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，ＣＡの製品）はオリゴヌクレオチドプローブを使用してチップ上に合成され、高密度の小突起寸法（例えば１８×１８ｕｍ）に配列される。このようなチップはマイクロチップ作製用リソグラフィーアプローチと同様の方法により作製される。光照射により順次脱保護することができる化学前駆体をコーティングした基板にフォトマスクを被せることにより、十分に特性決定された方法で複雑な高密度のオリゴヌクレオチドアレーを合成することができる。高価ではあるが、これらのアレーは十分に特性決定されたアレーを使用してゲノム全体の同時解析が必要な場合に広く使用されている。他の一般的な方法（例えばＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，ＣＡの方法）としては、所望位置に各ヌクレオチドを送達する手段として化学的脱保護法とインクジェット技術を利用したオリゴヌクレオチドアレーのｉｎ ｓｉｔｕ合成法もある。この方法はリソグラフィーアプローチほど受け入れられていないが、これは恐らくリソグラフィーを使用すると突起寸法を容易に縮小できることとその結果として得られる小突起の品質によると思われる。ｉｎ ｓｉｔｕ合成したアレーの利点はオリゴヌクレオチドアレーが高密度で高品質である点にある。しかし。これらの作製方法はコストがかかり、従って、多くの用途には非実用的であり、全長ｃＤＮＡプローブ又は蛋白質もこの方法には適合しない。更に、突起寸法が小型化するにつれてダイナミックレンジと平坦ガラス基板上の単位面積当たりのシグナルの基本的限界も大きな問題になっている。
マイクロアレーを作製するために使用されている第２の現行方法は「スポットアレー」である。これらのアレーは予め合成したオリゴヌクレオチドプローブ又はｃＤＮＡの機械的堆積により各種基板（ガラススライド、膜及びポリマーゲルを含む）上に作製される。このスポットアプローチは化学結合段階又は適当に処理した表面へのＤＮＡの単なる吸着を使用することができる。プローブの堆積方法は接触型印刷法（コストにより「自家製」アレーに最も一般的）とより小容量を適用できる非接触型印刷法（例えばインクジェット又は圧電）の主に２種類がある。しかし、必要なスポッターのコストはその使用を主に既製アレーに制限している。これらのスポットアレー上の突起の寸法（特にピンプリント）はリソグラフィーにより合成したアレーよりも大きく、突起密度は低い。スポットアレーは一般に廉価であり、プレコートしたスライド又は膜とロボットマイクロアレースポッターを使用してエンドユーザーにより一般に作製される。更に、蛋白質アレーもスポット作製アプローチを使用する。従って、ＤＮＡスポットアレーを改良する技術は蛋白質アレーの作製にも有益であると思われる。
上述のように、両者マイクロアレーフォーマットの効力と効果を増すための所定の改良が望ましい。例えば、両者の型のマイクロアレーのダイナミックレンジを広げることが望ましい。現在、これらのアレーのダイナミックレンジは３桁未満であり、下限は汚染したアレースライドのバックグラウンド蛍光により決定され、上限はマイクロアレースポット上の結合部位の飽和により決定される。従って、発現が変動する遺伝子をマイクロアレーでスクリーニングする場合には変化量が過小評価されることが多い。例えば、細胞中のｍＲＮＡコピー数の低い遺伝子発現の変化を検出するためには、現在多くの場合にはアレーにハイブリダイゼーションする前にＲＮＡを増幅することが必要である。著しく高濃度で細胞中に存在するＲＮＡ種では、この増幅の結果、飽和レベルのヌクレオチドが生産される。従って、これらの高度に発現されるＲＮＡ種のレベルの変化はアレーデータから過小評価される。従って、マイクロアレー実験で測定される発現レベル変化を正確に定量するためには、マイクロアレーで検出された変化を確認又はより正確に定量するために定量的ＰＣＲ等の時間のかかる方法を実施することが多い。
平坦表面に特異的にスポットしたアレーの更に別の欠点は基板上の突起の品質である。品質に関する２つの主要な問題はスポット均質性と突起寸法である。スポットアレー突起（特に自家製のもの）は不均質になる傾向があるため、その結果の正確な分析が制限される。例えば、平坦表面上のスポットアレー突起（ここではスポットＤＮＡ）内の不均質性を示す図４参照。同図から明らかなように、ＤＮＡ分布を示す蛍光強度はスポット内で不均一であり一致しない。更に、（スポッティングツールの確度と基板材料の湿潤性により）突起寸法が大きいため、スポットアレーの密度が制限される。一般に最も一般的なピンスポッターで約５００ｕｍのピッチで直径１５０ｕｍ〜５００ｕｍの突起寸法が達成可能であるが、インクジェット印刷アレーは現在約８０−１５０ｕｍの直径を達成できる。
本明細書に記載する本発明の態様はダイナミックレンジ、アレー密度及びスポッティング均質性等の問題に対処する。本発明のナノファイバー増大表面積マイクロアレーは上記用途のために場合によりパターニング等する。マイクロアレー基板の有効表面積と性能を増加するために数種の方法が開発中である。しかし、本発明のナノワイヤー増大基板はいくつかの理由から表面積を増加するための他のアプローチよりも優れており、例えばマイクロアレー用基板を改善しようとする大半の他の試みは三次元ポリマーマトリックスをガラス上に堆積するか又はガラス自体にエッチングしたマイクロチャネルを使用している。Ｃｏｄｅｌｉｎｋ（登録商標）スライド（Ａｍｅｒｓｈａｍ ＢｉｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ）やＨｙｄｒｏｇｅｌ（登録商標）（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ，Ｗｅｌｌｅｓｌｅｙ，ＭＡ）等の多孔質ゲルは一般にスポッティングアプローチにしか適しておらず、拡散の問題により、ハイブリダイゼーション／洗浄時間が遅くなったり、スポット寸法を制御しにくくなる。より厚いガラスセグメントにマイクロチャネルをエッチングすることによりハイブリダイゼーション容量／時間を減らすというより高度な試みは現行マイクロアレー分析法の根本的変更が必要であると共に、アレー作製コストも増加する。
従って、自明の通り、（本発明のナノファイバー増大表面積基板のように）単位面積当たりの可能なシグナルが増加すると、マイクロアレーのダイナミックレンジが上限で拡がり、１回の実験からより完全なデータが得られる。更に、単位面積当たりのシグナルの増加は突起寸法の縮小も容易にし、リソグラフィーにより合成したアレーに更に望ましい進展が得られる。
２種の現在の上記アレーフォーマット（及び本発明の多くの態様）の共通の因子は好ましい検出方法としてのターゲットの蛍光標識の採用である。典型的な蛍光アレーはアレー全体を撮像するか又は蛍光スポットを励起するためにレーザーを使用してアレーを共焦点走査する蛍光アレースキャナーにより読み取られる。現在、マイクロアレー技術の主要フォーマットは平坦ガラス表面に固定化した分子をプローブするために標識ターゲット（例えば蛍光標識ターゲット）の結合を検出している。しかし、上述のように、（ナノファイバーをもたない）平坦基板は単位面積当たりの検出可能なシグナルの量とスポットプローブの均質性及び寸法の点で既存技術を制限している。
ｉｉ）ラテラルフローアッセイ用基板としてのナノファイバートラック／チャネル
本発明の所定態様では、ナノファイバー表面をパターニングするための方法は場合により平坦表面に「チャネル」又は「トラック」を形成又は作製することができる。即ち、適用例によっては例えば液体流動、サンプル分離及びターゲット捕獲をラテラルフローフォーマットで実施できるようにナノファイバー増大表面のウィッキング性を利用することができる。
本明細書の各所に実証するように、ナノファイバー（例えばナノワイヤー）を成長させた表面により提供される増大表面積は生物結合アッセイをはじめとする無数の目的に用いる基板として多大な利点を提供する。ナノファイバー増大基板の所与領域で可能なプローブ密度の増加によりこのようなアッセイの感度と堅牢性が増加する。更に、本明細書の他の箇所に説明するように、ナノファイバー増大表面（例えばｉｎ ｓｉｔｕ成長又は堆積させたナノファイバー、例えばマイクロチャネル、マイクロトラフ、マイクロディッチ等に充填したナノファイバー）のウィッキング性の増加により、増大面積の任意領域に溶液を添加すると、溶液はナノファイバー間のスペース（即ち間隙）を満たすまでナノファイバー充填領域に迅速に分散する。ナノファイバー表面がこの流れをサンプル添加点から所定方向に導くようにパターニングされているならば、このようにパターニングされた表面を場合によりラテラルフロー結合アッセイで利用することができる。従って、このようなパターン化ナノファイバー表面に添加したサンプル中に存在するターゲットはナノファイバーのトラック／チャネルに沿う所定の規定スポットに連結又は結合（例えばナノファイバー上に結合）された１個以上のプローブと結合することができる。
本発明の他の関連での使用によると、「基板」なる用語はナノファイバーを成長又は配置／堆積させる材料（例えばシリコンウェーハ、ガラス、石英、又はナノファイバーパターニング及び成長に適した他の任意材料、上記参照）を意味する。（例えばトラック／チャネルを作製するために）ナノファイバー増大表面をパターニングする方法については本明細書の各所に記載する。例えば、他のマイクロパターン化アレーでの使用に関して本明細書に記載する多くの技術はチャネル／トラックパターンの作製にも適用可能である。従って、本態様のチャネル／トラック領域を作製するためにはレーザーアブレーション、フォトリソグラフィー、機械的スクレーピング等のいずれも使用することができる。本態様で場合により使用される関連パターニング方法も当業者に自明である。
ウィッキングアッセイのための本発明のナノファイバー表面のパターニングは例えば該当用途の特定パラメーター（例えば検体の数と種類、アッセイ条件等）に応じて多数の異なるナノファイバートラック／チャネル構成を含むことができる。図５はナノファイバーウィッキングトラック／チャネルのサンプル構成を示す。しかし、このような構成は例示の目的に過ぎず、必ずしも限定的ではない。図５Ａに示すように、ナノファイバー増大表面積から構成される６本のトラック／チャネル５００が（同様に場合によりナノファイバー増大表面積を含む）サンプル堆積領域５１０及びナノファイバートラック／チャネルを介して溶液を吸引するためのシステムと流体連通している。矢印は流れの方向を示す。このような吸引ないしウィッキングシステムは場合によりトラック／チャネルを介して溶液を吸引するための大型ウィッキングパッド（例えば図５の５２０）として機能する大領域又は面積のナノファイバー増大表面積を含むことができる。場合により固定化されたプローブ５３０も可能な突起である。図５Ｂ及び５Ｃは夫々トラックと凹型チャネルをもつナノファイバー増大表面のサンプル側から見た図を示す。図５Ｂのエレメント５４０は図５Ａのトラック／チャネル５００と同一であり、基板の上部にトラックをもつ。図５Ｃ中、エレメント５５０は凹型チャネルとサンプルウェルを示し、図５Ｃの５００と同一である。
１典型的適用例では、トラック／チャネルの他端に配置した材料／システムにより溶液をトラック／チャネル内で前進させながら（例えば１種以上の被検出ターゲットを含む）サンプル溶液をトラック又はチャネルの一端に添加することができる。溶液を前進させる材料又はシステムは例えば大領域のナノファイバー又は代替ウィッキング物質を含むことができる。本態様で使用することができる技術と材料、例えばクロマトグラフィーウィッキング適用例及び各種マイクロフルイディクスデバイスで利用される技術と材料は当業者に自明である。トラック／チャネルにサンプルを添加した後に一般に（被検出ターゲットを含むか又は含まない）一定容量の溶液を添加し、溶液を連続的に流動させる。サンプル溶液中の特定ターゲットに特異的なプローブを本発明のトラック／チャネルに沿う特定位置に固定化することができる。例えば図５の５３０参照。多くの場合には、二次標識タグ（例えば蛍光又は比色タグ等）が場合によりサンプル溶液中又はターゲットを含む溶液の後にトラック／チャネルを通ってウィッキングされる溶液中に存在することができる。あるいは、例えばマトリックスを介してこのようなタグをトラック／チャネルの始点に付着した後に溶液流中に放出させることもできる。いずれの場合も、溶液中の二次タグはナノファイバー表面に固定化された予め結合しているターゲット（即ちサンプル中に存在していたターゲット）を浸漬することができる。あるいは、所定態様では、ターゲットは付加タグを加えずにプローブと相互作用することができる。従って、溶液中のターゲットとナノファイバー表面上のプローブの相互作用は相互作用の検出／モニターを可能にする指標（例えば蛍光、比色、放射能等）を生じることができる。最後に、表面を試験し、ターゲットの有無を調べることができる（例えば蛍光タグの検出）。図６はサンプル溶液をトラック／チャネルに添加後にラベルを介してウィッキングし、サンプル／ラベルを洗浄し、結合したサンプル／ラベルを検出する適用例を示す典型的アッセイスキームの模式図を示す（例えばナノファイバートラックで実施される典型的ラテラルフローアッセイ）。図６では、サンプルパッド上の標識二次検出試薬６００と固定化捕獲用プローブ６１０がウィックレザバー６２０に付着されたナノファイバーチャネル６３０の内側に配置されている。図６Ｂではサンプルパッドにターゲット又はサンプル６４０を添加する。６Ｃではアッセイが進行するにつれて溶液６５０はナノファイバーを通ってウィッキングされ、ターゲットと二次検出試薬は捕獲用プローブ部位に固定化される。図６Ｄでは、サンプルはトラックを通って完全にウィッキングされ、定量可能な固定化検出試薬が残る。この場合も、上記例証はナノファイバートラックで実施されるラテラルフローアッセイの典型的構成に過ぎず、本発明に含まれるこのようなアッセイで可能な他の無数の可能な構成及び構造を必ずしも限定するものではない。
本明細書に説明する通り、本発明の上記及び他の多くの態様において、プローブは被分析サンプル中に存在し得る１種以上の分子に対して親和性をもつ任意該当分子とすることができる（例えば、ＤＮＡ、蛋白質、有機分子、無機分子、金属、セラミック、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子等）。プローブは場合によりこれを通過するターゲット分子を捕獲できるようにナノファイバー表面上の所定の点又はその内側に固定化される。アッセイされるサンプルは特異的プローブにより後から捕獲することができる該当ターゲット（例えばＤＮＡ、蛋白質、小有機分子等）を含有する任意溶液とすることができる。所定適用例（例えばサンプルが全血である場合）では、ナノファイバー表面はサンプルの成分の分離用媒体としても機能することができる。
自明の通り、本発明の他の態様と同様に、本態様の多くの側面は特許請求の範囲に記載する発明から逸脱することなく変更することができる。例えば、トラック／チャネルの数及び寸法と同様にナノファイバー表面をパターニングする方法も変更することができる。更に、ナノファイバー増大表面におけるナノファイバーの密度、組成等も変えることができる。同様に自明の通り、本発明の態様におけるアッセイは場合により多数の異なるプローブ／ターゲット組み合わせ（例えばＤＮＡ−ＤＮＡ、抗体−蛋白質等）の任意のものに使用される。他の例も本発明の他の態様で記載し、同様に本例に適用可能である。本態様の各種変形に組込むことができる多数の十分に特性決定された方法及び各種プローブ／ターゲット組み合わせの型も当業者に自明である。更に、アッセイしたサンプル中の任意ターゲットを検出するために使用される検出方法／システムも変更可能である。
実施例２の例証はナノファイバートラック内に固定化されたプローブと可溶性検体（ターゲット）の結合と、サンプル流を生成するためのナノファイバートラックのウィッキング性の使用を実証する。
ｉｉ）ナノファイバー増大表面積マイクロアレーのコンポーネントと作製
上述のように、本発明のＮＦＳ態様は場合により多数の各種基板の任意のものから構成される。従って、自明の通り、ナノファイバー増大表面積基板のマイクロパターン化アレーの作製と使用は場合により多数の各種ナノファイバー／基板コンポーネントの任意のものを使用することができる。しかし、典型的態様では、アレーは一般に平坦基板の表面でＳｉＯ２をコーティングしたナノメートル直径のナノファイバーの成長を制御及びパターニングする技術に基づく。酸化ケイ素ナノファイバーは有効表面積を劇的に増加しながら、表面機能化及びアッセイ実施に所望される基本的化学特徴を維持する。所定態様では、ナノワイヤー増大基板はより伝統的なナノファイバーなしのアレーに比較して場合により１００倍の単位面積当たりのシグナル強度増加を達成する。また、更に他の態様では、スポットアレー上の突起寸法は現在達成可能なレベルを優に下回ると同時に、スポットプローブの均質性は増加する。
本発明の好ましい態様はＳｉＯ２をコーティングしたシリコンナノファイバーの緻密な薄膜から形成される新規マイクロアレー基板を含む。典型的態様では、前記ナノファイバーは１個以上の機能的部分を含む。前記ナノファイバーは例えば結合速度を低下させたり検出視野深度を増加する細孔を作製する必要なしに基板材料の有効結合表面積を劇的に増加する。従って、本発明のデバイスで検出するために従来のアレースキャナーを使用することができる。ナノ構造表面は更に著しく増加した表面積を提供し；（単位面積当たりのシグナルの増加により）スポットアレー上の突起均質性を改善すると共に著しく小さい突起を印刷することができ；平坦ガラス表面と同等の結合及び洗浄速度を維持し；分析機器、化学種又は高密度リソグラフィー印刷もしくはスポットアレー用マイクロアレープロトコールに必ずしも変更を必要としないという点で従来のマイクロアレー基板にまさる多数の利点を提供する。
本発明の選択的な各種態様では、（増大表面積材料から構成される）本発明のマイクロアレーはファイバー密度、ファイバー長及び直径並びにシグナル強度、結合速度及びアッセイダイナミックレンジに関するファイバー表面特性について最適化される。他の態様は例えば容量制限アプローチとスポット寸法を規定するようにナノワイヤー基板の表面を化学的にパターニングすることにより、規定スポット寸法を増大ナノワイヤー表面に適用するための方法を含む。下記参照。更に他の態様では、蛋白質を付着したナノワイヤー基板は場合により従来のガラス基板（即ちナノファイバー増大表面積をもたない基板）に比較して蛋白質結合用途に同等に有益な表面を示す。更に、下記に例証するように、多くの態様では、本発明のナノファイバー増大表面積基板は明確で均一に規定されたスポット形成が可能である。他の態様では、増大表面積マイクロアレーは従来の平坦マイクロアレーに比較して単位面積当たりの強度が増加する（従って、全アレーフォーマットの突起寸法が著しく減少する）。更に、本発明の所定態様の典型的特徴は従来のマイクロアレーに比較してダイナミックレンジの増加である（従って、１回のマイクロアレー実験からより良好なデータが得られると共に、この重要な分析ツールの用途が拡大する）。機械的にスポットされるアレーのスポット寸法の縮小も本発明の所定態様の選択的特徴であり、従って、達成可能な突起密度はこのよりフレキシブルなアレー作製アプローチにより増加する。最後に、本発明の態様は多くの場合に機械的にスポットされるアレーのスポット寸法を平坦マイクロアレーに比較して均質にすることができる（従って、データ品質とデータ分析確度が増加する）。
以下に詳述するように、本明細書に記載する技術は各種表面に規定直径及び長さのナノメートルスケールのワイヤーを成長させる技術に基づく。実施例３において、図７はこれらの材料を組み立てるボトムアップ型アプローチが表面積対体積比を増加するための他の（トップダウン型）ストラテジーの複雑なエッチングアーキテクチャー（例えばシリコンのエッチング）を使用せずに表面積対体積比の非常に大きいユニークな「高度」表面を提供する様子を示した１例である。図７はパターニングしたものとしないものとの典型的ナノファイバー表面の平面図と側面図のＳＥＭ図を示す。シリコンナノファイバーはシリコンウェーハから成長させ、従って、表面は標準ガラス修飾化学種等に適合可能であった。このような材料の可能な各種修飾は当業者に自明である。本明細書の記載はナノワイヤー成長用基板として主にシリコンウェーハを対象とするが、平坦又は複雑な形状をとり得る広範な基板で方法を潜在的に実施できる。例えば、この方法はプラスチック基板で低温で実施することもできる。基板を完全にコーティングしてもよいし、パターニングしてもよいし、特定位置にナノファイバーを形成してもよい。ナノファイバーは場合により多様な材料から作製され、種々の基板上に成長される。しかし、この場合も本発明の典型的態様は酸化ケイ素ウェーハ又はガラススライド基板上のシリコンナノワイヤーの各種成長パラメーターの制御を主眼とする。
本発明の各種態様では、ＤＮＡプローブをナノファイバー増大表面と結合した後、蛍光標識ターゲットのハイブリダイゼーションを検出するために従来のＳｉＯ２化学種を使用することも考えられる。また、結合速度の低下又はバックグラウンドの相対増加を伴うことなく単位面積当たりのシグナル強度を２桁（又は３桁以上、又は４桁以上、又は５桁以上、又は１０桁以上）増加するように密度、直径及び長さに関して材料を最適化することも考えられる。
このような態様のナノファイバーは各々ＳｉＯ２薄層でコーティングされるので、ナノファイバーを含む材料は既存表面修飾ストラテジーに適合可能であると共に、マイクロアレーをスポット及び分析するための既存インフラストラクチャーにも適合可能である。多数のこのような種々の表面修飾は当業者に自明である。このような材料は本発明の増大表面積の側面に更にいくつかのユニークな性質を加える。例えば、親水性表面化学種で処理したナノファイバー表面は表面全体に非常に均質に溶液をウィッキングする高親水性メッシュを形成し、従って均質なアレースポッティング用として完璧なマトリックスを提供する。更に、典型的な未処理ＮＦＳ表面も高レベルのこのようなウィッキングを示す。ナノファイバー表面の親水性を増加する特定部分も場合により所定態様に加えられる。例えば代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ，出願日２００４年４月２７日，発明の名称“Ｓｕｐｅｒ−Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”参照。逆に、疎水性表面処理は表面を超疎水性にすることができ、水を完全に排除し、従って溶液を予め規定された領域に制限する。これらの２種の品質の組み合わせにより典型的スポッティング基板を作製するメカニズムが得られる。
マイクロアレーを改善するための他の最近の試みとは対照的に、本発明は（いくつかの態様において）基板に付与したナノファイバーの〜１０ｕｍ薄層を含み、前記基板は表面積を大規模に増加するが、蛍光アレースキャナーの視野深度の変更を必要とせず、従って、従来のスキャナー又は他の種類の標準アレー法により結合蛍光を分析することができる。本発明の増大面積基板は堅牢で明確なナノファイバー表面を含むため、表面積が著しく増加するが、標準ガラス表面化学種を保持し、結合速度の低下又は非特異的結合の変化を伴わない。種々の態様において、この表面積の増加はダイナミックレンジと単位面積当たりのシグナル強度を例えば２桁以上増加するように最適化することができる。ナノファイバー増大表面の優れた表面特性は場合により標準スポッティング技術を使用して予め規定された領域に著しく均質にスポッティングすることも可能にする。
更に、突起寸法の小さいより均質なスポットアレーに用いられる改善されたプラットフォームを提供するように、標準マイクロアレースライド形状の上にナノファイバー増大突起を予め規定するための方法も本発明に含まれ、このようなアレーとしては、例えば従来のピンプリントシステムで作製された直径５０ｕｍの突起をもつ均一にスポットされたアレー、又は直径２５ミクロン以下のスポット（例えば１５ミクロンスポット、１０ミクロンスポット、５ミクロンスポット、１ミクロンスポット等）の合成アレーと同等のアレー密度の均一なスポット突起寸法のアレーが挙げられる。
明確なパターンのナノファイバーアレーを作製するために有用な方法の可能な１例は金膜のシャドーマスキングである。当然のことながら、金膜技術はアレーを含まない本発明の態様でナノファイバー表面を作製するのにも適用可能である。金膜のシャドーマスキングはコロイド法により得られる突起と少なくとも同等の表面積が増加した明確な突起を提供することができる。マスキング法により作製されたナノファイバーアレーの例を実施例３と図８〜１４に示す。同実施例及び図では、孔をもつステンレス鋼マスクを標準シリコン／酸化ケイ素ウェーハと併用し、パターン化ナノファイバーアレーを作製した。マスクを通して２０〜６０ｎｍの金をシリコンウェーハにスパッタリングし、規定ナノファイバー領域を作製した。ナノファイバー（ここではナノワイヤー）は当分野の標準方法に従って成長させた。図８はシャドーマスクと４０ｎｍ金堆積を使用して作製した明確なナノファイバーパターン領域を示す。図９は同様の不連続ナノファイバー領域の側面図である。
更に実施例３に示すように、蛍光測定によると、より薄い金膜堆積物（例えば２０ｎｍ）では一般に他のナノファイバー成長法（例えば標準金コロイド堆積法）と同等の表面積でより薄く、より均一な直径のナノファイバーが得られる。例えば、図１０は２０ｎｍ金膜堆積物を使用することにより作製されたかなり均質なナノファイバー（例えば５０〜１００ｎｍ）を示す。更に、図１１は３０〜６０ｎｍの金膜厚では多数のナノファイバーが５０ｕｍ範囲内に該当する広いナノファイバー寸法分布が生じることを示す。従って、（例えばアレー内の）ナノファイバー表面積と前記面積内のナノファイバー均質性を操作するように金膜厚を最適化することも本発明の特徴である。
シャドーマスク法により作製されたナノファイバーアレーを蛍光強度と光学顕微鏡により分析すると、突起の分解がナノファイバー領域と基板バックグラウンド間で非常に異なることが分かる。２０ｎｍ金膜を使用して作製した突起は平坦領域（即ちナノファイバーを含まないか又はナノファイバーが著しく少ない領域）の２５倍の増加を示し、平均的なコロイド合成作製方法の結果よりも良好である。使用したマスクと使用した金堆積物の深度の特徴寸法の変動により、ナノファイバーアレーの鮮鋭さないし鮮明さを操作することができる。例えば、実施例３において、図１２は（いずれも２０ｎｍ金膜を使用した）２種のサンプルナノファイバーアレーの光学及びＦＬ顕微鏡写真を示す。実施例３参照。図１３も突起均質性に関して金膜厚を操作することにより達成し得る可能な典型的変動を示す。図１４はナノファイバー作製に使用される金膜を操作することにより、基板上のナノファイバー突起が（例えば従来のマイクロアレー技術で検体液滴に見られる効果と同様の）「ドーナツ形」強度プロフィルを生じる場合もあることを示し、これは突起の中心部１４００のナノファイバーが大きく厚いことに起因すると考えられる。
本発明のパターン化ナノファイバーアレーの別の例を実施例３、図１５に示す。図１５のナノファイバーアレーはＤＮＡ又は蛋白質アレー等の改良基板として使用することができる。図では、ナノファイバー（ここではナノワイヤー）突起をシリコン基板上にプレパターニングした。この場合も、自明の通り、本発明のナノファイバーパターンは特定該当パラメーターに応じて多数の各種基板種上に作製することができる。例えば、シリコン、石英及びガラスが本発明のナノファイバーアレーの作製に可能な基板である。実施例３の図１６は本発明の別の典型的ナノファイバーアレーのユニークなナノ構造表面のＳＥＭ画像（Ａ１００倍、Ｂ１０００倍）を示す。このようなパターニング（実際に本発明のアレー作製技術の任意又は全部を使用する典型的パターニング）は従来の機器による印刷及び分析用標準顕微鏡スライドフォーマット（又は他の典型的フォーマット）で実施できると考えられる。
本発明の他の態様はナノファイバー増大基板の広い可能性を利用して実際のアッセイ条件下でＤＮＡハイブリダイゼーションを検出すると共に蛋白質結合を検出し、更に臨床関連条件下の多重遺伝子／蛋白質発現分析及び遺伝子試験を含む完全に最適化されたアレー検出システムを開発するための汎用プラットフォームを提供する。
ｉｉｉ）パターン化増大表面積マイクロアレーにおける構造因子及び表面化学種
所定態様では、材料を吸着させることにより基板の増大表面積を評価又は使用する。ＤＮＡの吸着はスポットアレー上の固定化アプローチの１例であるが、他の態様としては、例えば他の現行多重アレー結合ストラテジーと共通の特徴をもつ共有結合化学が挙げられ、従って基板間（即ち本発明の基板と他の現行マイクロアレー基板）の妥当な比較が可能になる。
所定の典型的な態様では、本発明のマイクロアレーの主要な化学結合アプローチはヘテロ機能ＰＥＧリンカーの結合のための活性基を提供するシランをナノファイバー増大基板又は平坦ガラスアレーの表面にコーティングする方法である。１例はシラン表面にアミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）をコーティングし、ＮＨＳエステル修飾ＰＥＧを使用してＰＥＧを前記表面に結合する方法である。その後、ＰＥＧの残りの末端でこの表面との結合を実施することができ、一般にカルボジイミド化学種を使用し、アミン修飾オリゴヌクレオチドをヒドロキシル又はカルボキシル基と結合する。ＰＥＧリンカーを使用すると、オリゴヌクレオチドプローブと表面の間に距離を置くことにより効率的なハイブリダイゼーションが可能になる。所定態様では、短い（１２量体）捕獲用オリゴヌクレオチドとＣｙ５又はＣｙ３（標準マイクロアレーフルオロフォア）で標識した相補的ターゲットを使用する。当然のことながら、別の態様では場合により別の表面化学種等を利用する場合もある。アッセイで使用される化学基の種類と基板へのその結合手段は当業者によく知られている。下記参照。
従来のアレー基板（例えば平坦ガラスやポリマーゲルをコーティングした市販スライド上の基板）に比較すると本発明のアレー（即ちナノファイバー増大基板上のアレー）の利点は明白である。例えば、本発明と従来のマイクロアレー技術を比較すると、単位面積当たりのシグナル強度や結合速度等のパラメーターはいずれも同等以上である。
ｉｖ）増大表面積マイクロアレーにおける基板最適化
本発明の典型的増大ナノファイバーマイクロアレー基板の基本エレメントはシリコンウェーハ又はガラススライド等の基板上に成長させたシリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）である。当然のことながら、本明細書の各所に説明するように、本発明の各種態様は多数の各種コンポーネント等から構成することができる。ナノファイバー増大表面積基板一般の基本構成に関するその他の情報については本明細書の各所に記載している。しかし、一般に、最適表面の作製についてはマイクロアレーについて記載したような少なくとも２つの主要な側面がある。自明の通り、ナノファイバー増大表面のこのような最適化はアレー構造に加えて各種態様に同様に適用可能（例えば分離カラム等に同様に適用可能）である。
第１に、マイクロアレー用途における材料の性能を最適化するためにはナノファイバー基板の物理的特性（例えばナノファイバーの直径、長さ、密度、配向及び表面特性）を変えることができる。これらのパラメーターは表面積を最適化し、表面堅牢性を改善し、化学結合とその後のアッセイ性能に最良の材料を提供するように変更することができる。例えば、当業者に自明であり、本明細書の他の箇所に詳述するように、シリコンナノワイヤーの合成方法は数種のものが文献に報告されており、金属含有シリコンターゲットのレーザーアブレーション、Ｓｉ／ＳｉＯ２混合物の高温蒸着及び金を触媒として使用する気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長が挙げられる。上記参照。本発明の典型的態様では、ナノファイバー合成アプローチは他の用途の半導体ナノワイヤー成長に広く使用されていることからＶＬＳ成長を含む。しかし、この場合も、態様に応じて代替作製方法を使用することができる。大半の試験では、基板の表面に均質薄層として金触媒を導入する。触媒粒子は成長開始期間中に移動と凝集により活性化される。しかし、このアプローチの問題の１つは作製されるナノファイバーの直径と直径分布を非常に制御しにくいことである。この方法の著しい改良が最近行われている。Ｌｉｅｂｅｒｓら，後出参照。金薄膜の代わりに選択粒度の金コロイド粒子を使用することにより、狭い直径分布の高品質シリコンナノワイヤーを作製することができる。Ｙａｎｇも更に最適化するのに適した基板を提供するために使用することができる高品質ナノワイヤーの合成方法を開発している。Ｙａｎｇら，後出参照。このような改良は場合により本発明の増大ナノファイバー表面積の作製に使用される。
ＳｉＯ２をコーティングされ、制御された直径、密度、長さ及び表面特性（例えば酸化物厚み）をもつシリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）を作製するための方法の最適化と大規模化も本発明の要素である。主要アプローチは一般にスピンコーティングによりシリコン基板上に既知直径の金ナノ粒子を分布する方法である。溶媒と有機残基を除去した後に基板を成長炉に入れてシリコンナノファイバーを成長させる。ＳｉＨ４又はＳｉＣｌ４が一般に成長ガスとして使用される。成長後、基板を炉から取り出し、本明細書に記載するようなマイクロアレー又は他の構造用基板として使用するか、又は下記方法を使用して更に特性決定する。ナノファイバー（例えばナノワイヤー）の表面は安定性、感度及び特定生体分子を結合するための化学種又は非特異的相互作用を阻止するための化学種の選択に重要であると思われる。一般に、シリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）はナノファイバーを空気に暴露すると形成される自然酸化物薄層で覆われている。この酸化物層の厚さと種類の制御は堅牢で化学的に適合可能な基板を作製するために有用な別の因子である。酸化物成長は自然酸化物層の除去後に注意深く制御された環境で例えばプラズマ励起堆積を使用して新規層を成長させ、ナノファイバー上に酸化物層を成長させることにより制御することができる。窒化物層又は特定オルガノシランの成長等の他の修飾を使用し、例えば当業者に周知の簡単な結合化学により表面を更に制御することもできる。
本明細書の各所で説明するように、変更可能な本発明のマイクロアレーの主要な形態的特徴はナノファイバー長、直径及び基板上のナノファイバーの密度を含む。当業者に自明の通り、ナノファイバー長は例えば反応器における合成時間により制御される。密度は例えば成長基板上の単位面積当たりの金コロイドの濃度と分布により制御され、直径は例えば使用する金コロイドの粒度により制御される。
本発明のマイクロアレーを最適化し、材料の合成を制御する工程全体にわたり、作製される材料の品質を評価するために種々の特性決定技術が使用される。例えば、蛍光顕微鏡は多くの場合に従来の表面に対する本発明の強度改善を評価するための初期ツールである。このような評価はアレースキャナーで実施することができる。ナノファイバー形態全体を評価するためにＴＥＭとＳＥＭが場合により使用される。ナノファイバー上の酸化物表面層の品質と厚さを評価するためにＴＥＭを使用することもできる。図１７はシリコンナノワイヤー及び酸化物表面のＴＥＭ画像の１例を示す。ＴＥＭ分析によると、ナノワイヤーは非晶質酸化ケイ素のシースに包まれた結晶質シリコンコアから構成される。
本明細書に記載するようなマイクロアレーに最適な表面を作製する第２の主要な側面は標準アレーフォーマットスライド上にナノファイバーをコーティングする方法を含む。従来のアレースキャナーで基板を評価するためには、標準寸法と厚さのガラススライド上にアレーを成長又は作製することが有用であると思われる。従って、本発明の所定態様はコロイドコーティング法をシリコンウェーハから例えば標準１”×３”ガラススライドに応用する。こうすると、場合によりファイバー密度の最適化アプローチを再評価することができ、本明細書に記載する方法を使用して他の全パラメーターを基板フォーマットで安定させることができる。（ナノファイバー合成前にスライドを前処理することにより）基板上により堅牢なナノファイバー表面を作製するアプローチも考えられる。従来の走査装置等で使用する場合に本発明の所定基板の１つの有用な側面は特定材料ではない従来のガラススライドの寸法（長さ、深さ及び幅）を維持する点である。従って、所定態様では適当な寸法に形成した各種ファイバー成長用基板を評価することが有益である。材料最適化法により、単位面積当たりのシグナル強度が従来のガラス基板の１００倍以上に増加し、アッセイ速度に有意変化のない基板が得られる。
本発明の増大ナノファイバー基板の優れた流体ウィッキング性はスポットアレーを作製するためのより均質な表面を提供する。しかし、リソグラフィーによりパターニングしたアレーは化学種がアレー上に均一に存在しており、ＵＶ光を使用して小領域を選択的に活性化することにより空間的制限を行うが、このようなアレーとは異なり、スポットアレーは化学種の空間分布に著しく高度の制御が必要である。従って、本発明のアレーの態様では場合によりスポット強度、均質性及び寸法の全てを最適化／制御する。
例えば、流体が最適化表面内で利用可能な間隙を流れる本発明の各種態様では親水性ナノファイバー表面にスポットされる流体量を校正することができる。このため、表面積の大きい非常に精密で非常に均質なスポットをスポットすることができる。このアプローチによると、２０ｎｍ×１０ｕｍナノワイヤーで形成される１００倍の仮想増大表面積は１平方ミクロン当たりワイヤー１８０本であり、流体約８０ｐｌを堆積すると直径１００ｕｍのスポットが得られる。このような精度は現在のインクジェット又は圧電印刷技術の能力の範囲に十分該当し、現在達成可能な下限で堆積することができる均質スポットを作製するための基盤を提供することができる。このアプローチは表面に容易に正確に堆積することができる流体の量により制限される。そこで、スポット寸法を７５ｕｍ（５０ｐｌ）未満に縮小するために、数ピコリットルの流体を供給することができる流体堆積法（例えば音波液滴噴射技術）の新規開発を場合により利用する。所定態様では、低精度ピンプリンターを使用して本発明のスポットマイクロアレーをパターニングし、直径約１８０ｕｍのスポットを達成すると共に、平坦ガラス表面上の等価スポットに比較して均質性とスポット強度を定量する。
（特に突起寸法の縮小における）本発明のスポットマイクロアレーの別の最適化手段は化学種を堆積する規定寸法の超疎水性領域と超親水性領域から構成されるようにナノファイバー基板をパターニングする方法である（典型的模式図については図１８参照）。図１８は化学種を付加するための制御可能な均質表面を提供するスポッティング用基板として、プレパターニングした（親水性領域１８０１と疎水性領域１８０２をもつ）サンプルナノファイバー基板を示す。このようなストラテジーでは、５０ｕｍスポットを達成できると考えられる（中心間隔（ＣＴＣ）１００ｕｍの５０ｕｍスポットは１０，０００スポット／平方ｃｍに等しい）。本発明のナノファイバー材料は例えば今日までに文献に報告されているよりも疎水性の高い表面を作製するように疎水性シランで修飾することができる（超疎水性ナノファイバー（ここではナノワイヤー）基板１９２０上の水滴１９１０を示す図１９、及び“Ｓｕｐｅｒ−ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅｓ，Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ”，出願日２００３年４月２８日，ＵＳＳＮ ６０／４６６，２２９及び代理人整理番号４０−００２４１０ＵＳ，出願日２００４年４月２７日参照）。まず表面をこのように処理した後にシランを（例えばレーザーアブレーションにより）規定パターンにリソグラフィーにより除去し、親水性島を作製することにより、オリゴヌクレオチド堆積段階でスポットアレーの非常に小領域に任意化学種を有効に制限することができる。この場合も、同様の技術を鏡像で使用し、親水性領域により囲まれた疎水性島（又は親油性／疎油性等）を作製することができる。
所定態様では、５００ｕｍのＣＴＣ距離で１００ｕｍスポット寸法を作製する。他の態様では、疎水性ナノワイヤー表面上に１００ｕｍ ＣＴＣで５０ｕｍ直径親水性スポットを予め規定する。このような基板にオリゴヌクレオチドプローブを有効に結合した後に、当業者に公知の各種アッセイを使用して蛍光ターゲットにハイブリダイズすることができる。
自明の通り、多数の例のアレーを作製及び最適化するためには、化学種をアレーの各ピクセル（即ちナノファイバーの不連続領域又はスポット）に制御可能にスポットし、例えば化学種が各ピクセルに固有となり、適切なピクセルに維持され、隣接ピクセルに拡散しないようにする必要がある。
化学種を各ピクセルに制御可能に局在させるように本発明のマイクロアレーを最適化させる更に別の手段は所与ピクセルに堆積される液体化学種が隣接ピクセルに漏出しないように各種疎水性／親水性領域をもつアレーをパターニングする方法である。このような態様では、ナノファイバーから構成されるピクセルを含むアレーはナノファイバーの「ヘッジ」領域で包囲され、ヘッジはピクセルと逆極性（即ち疎水性／親水性）である。更に、大半の前記態様では、実質的にナノファイバーを含まない表面領域（又はピクセル／ヘッジ領域に比較してナノファイバー数／密度が著しく低い領域）がピクセルとヘッジの間に存在する。ヘッジは連続させることができ、液体化学種を使用して（場合により「ヘッジ添加パッド」又は同様の領域から出発して）ピクセルと接触せずにヘッジ全体でウィッキングすることによりヘッジの極性を変更させることができる。図２０参照。本発明の多くの他のアレー態様と同様に、本態様はＤＮＡ及び蛋白質蛍光結合アッセイ用ナノファイバーアレーや、例えば質量分析用ＭＡＬＤＩ表面等を含むことができる。下記参照。
上述のように、ナノファイバー被覆表面の多くの態様は適合可能な流体を非常に強くウィッキングする傾向がある。ナノファイバーと同様の親水性をもつ表面領域により分離されたナノファイバーパッチ（即ちピクセル）のアレーをもつ表面は例えば多少でも過度の流体がピクセルに添加される場合又は表面を震動させた場合等に流体が隣接ピクセルにウィッキングする可能性がある。このような望ましくないウィッキングを防止するために、所定の本態様では、ピクセル間の基板の表面は必ずしもピクセル内のナノファイバーの表面と逆極性にする必要はない。（このような態様は存在するが）しかし、多くの態様ではピクセル間の「ヘッジ」は逆極性である。この態様はナノファイバーのピクセル間に逆極性の領域（即ちヘッジ）を配置できるようにする方法と構造を含む。
図２０に示すように、この態様の例はナノファイバー被覆表面領域の連続ヘッジ２０１０と、ヘッジに囲まれた実質的にナノファイバーを含まない領域２０２０と、前記領域に囲まれ、ヘッジ領域と逆極性のナノファイバー領域から構成されるピクセル領域２０００から構成される。ここで逆極性とは一般に親水性に対する疎水性（又は場合により親油性に対する疎油性等）を意味する。このようなパターンの作製は一般に空の領域のナノファイバーを除去し、ヘッジとピクセルを形成することにより実施される。パターニングは場合により多数の手段の任意のものにより実施され、例えば本明細書の他の箇所に記載している手段（例えばフォトリソグラフィー、レーザーパターニング等）が挙げられる。ピクセル領域（一般に親水性）と異なる極性（一般に疎水性）のヘッジナノファイバー領域を作製するためには、疎水性を伝達する溶液を連続ヘッジの１個以上の領域と接触させ、ヘッジ全体にウィッキングさせることができる。ヘッジ領域とピクセル領域は空の領域とにより分離されているので、このような疎水性伝達溶液はピクセル領域自体にはウィッキングされない。所定態様では、前記溶液を「ヘッジ添加パッド」と呼ぶ特殊領域２０３０に添加することができる。前記添加パッド領域は主アレー領域の外側でもよいが、連続ヘッジと流体連結しており、従って添加した溶液をヘッジ領域全体にウィッキングすることができる。所定態様はアレー形成後に各位置に配置された複数のヘッジ領域を含むことができる。ヘッジ領域への疎水性溶液の添加はより細心に添加を制御できるようにアレーのエンドユーザーではなく一般にアレーの製造中に実施される。この場合も、撥液性又は吸液性を付加及び／又は強化するためのコーティング／部分の特定選択は当業者に非常によく知られている。代理人整理番号４０−００２４−１０ＵＳ（出願日２００４年４月２７日）も参照。
ヘッジは疎水性になると、バリアーとして機能し、利用者によりピクセルに添加された水溶液が他のピクセル領域に移動又は漏洩しないように防止する。従って、あるピクセルに溶液を多少過剰に添加しても、このピクセルに固有の溶液は隣接ピクセルにウィッキングしない。当業者に自明の通り、この態様の各種側面は作製するアレーの特定パラメーターとこのようなアレーの最終用途に応じて操作することができる。例えば、ヘッジ及びピクセル領域の極性（即ち疎水性／親水性）を逆にし、ピクセルを疎水性にし、ヘッジを親水性にすることができる。更に、ピクセルサイズ及び形状、ヘッジ厚さ、ヘッジとピクセルの間隔、及びヘッジ形状はいずれも場合により各種態様で操作される。
ｖ）典型的ナノファイバー増大表面積マイクロアレーの特性決定
実施例４は本発明のＮＦＳアレーの具体例を示す。マイクロアレー技術における最大成長分野の１つはプロテオミクス用途へのＤＮＡアレー基板と分析ツールの応用である。蛋白質アレーは小型化イムノアッセイと同様であり、ＤＮＡアレーと同様に、読み出しとして蛍光を利用することができる。本発明の典型的態様は例えばサイトカイン特異抗体とＮＦＳアレーの化学結合、スパイクしたサイトカインを含むターゲット溶液の添加及び蛍光標識二次抗体による標識を含むことができる。本発明のアレーは場合により例えば組織培養培地又は希釈血漿中のサイトカイン等の物質の検出に有用である。結合ターゲットの検出と従来のガラス表面に対するシグナル強度及びダイナミックレンジの比較には従来の蛍光アレースキャナーを使用することができる。有効なターゲット結合には蛋白質の向きが重要であるため、（例えば本発明のナノファイバーと同様に）１平方ミクロン当たりのプローブ数が多いほど蛋白質アレーの性能は著しく改善される。更に、所定態様はアレー性能を改善するためにナノワイヤー表面を更にコーティングし、固定化プローブのポリマーマトリックスを提供する。
多数の上記概念及び態様に関する記載を例証するために、本発明の典型的ナノファイバー増大表面積アレーを使用して数種の例証アッセイを実施した。その結果を実施例５に記載する。
本発明のナノファイバー増大面積表面の各種態様の別の利点は、多くの態様でナノファイバーを含む領域を分離できることである。換言するならば、ナノファイバーをもたない（か又は著しく少ない）領域（即ち、表面積が増大していないか又は少ししか増加していない領域）によりナノファイバー領域の島（即ち表面積が著しく増加している領域）を包囲する。多くのナノファイバー表面は液体ウィッキング効果を示すので、このようなパターニングの作製は本発明の多くの態様で有益である。ウィッキング効果により、液体（例えばナノファイバー表面にスポットされたサンプル）はその接触点から拡散又はウィッキングする。従って、ナノファイバー表面のパターニングはこのようなウィッキング作用を阻止することができる。平坦表面にサンプルをスポットすると、一般に使用されるこのような小さいサンプルサイズの迅速な移動と乾燥により「ハロー」又は「ドーナツ」効果も生じる。このようなハロー／ドーナツのスポット強度プロフィルは低濃度検体領域を包囲する高濃度の検体を示す。しかし、本発明の典型的態様はこのような効果を殆ど又は全く示さないように作製することができる。本明細書の実施例５及び図面参照。
本発明のナノファイバーアレーはナノファイバーをもたない基板に比較してダイナミックレンジの改善と感度の改善を示す。この例証も実施例５に示す。ダイナミックレンジの増加に関する詳細については下記参照。
本明細書の図面とデータ（例えば実施例５等）に実証されるように、ナノファイバー増大表面積基板を含む本発明の態様は従来の化学種で修飾することができ、多くの態様では、このような表面はナノファイバー増大面積表面をもたない平坦基板に比較して単位面積当たりのシグナル強度がほぼ２桁以上増加する。更に、多くの態様では、本発明のナノファイバー増大表面とナノファイバーをもたない平坦ＳｉＯ２表面の間にはダイナミックレンジの少なくとも１桁以上の増加が存在する。更に、ナノファイバー増大表面と平坦表面上の結合速度は全く同等である。従って、ナノファイバー増大表面積は平坦表面（即ちナノファイバーをもたない表面）に比較して突起寸法を縮小することができ、ダイナミックレンジを改善し、スポット均質性を改善し、プロテオミクスとゲノミクス用の汎用プラットフォームを提供し、機器感度の要求を減らし、シグナル積分時間を短縮することができる。
ｖｉ）典型的増大表面積マイクロアレーと質量分析の併用
上述のように、本発明の各種態様は質量分析のターゲットの作製に使用することができる。一般にこのような態様では、質量分析する各種物質を本発明のマイクロアレーに組込む。しかし、本発明の増大ナノファイバー基板は多数のターゲット物質をマイクロアレーフォーマットに配置しなくとも質量分析用ターゲットの作製に使用することができる。換言するならば、増大表面積ナノファイバー表面は質量分析する単一物質や、２、３、５、１０個以上等の物質や、マイクロアレー中の物質等のターゲットの作製に使用することができる。
ＭＡＬＤＩ即ちマトリックス支援レーザー脱離イオン化は一般にＵＶ吸収とエネルギー伝達が可能な有機分子を使用し、サンプルと混合し、イオン化質量分析用平坦ターゲットに添加する。しかし、マトリックス又は有機添加剤はこの技術を妨害する可能性があるため、これを除去することが過去１０年来の研究課題になっている。今日まで、大半の有望なマトリックスフリー法は多孔質シリコンを作製するためにシリコンをエッチングしていた。ＤＩＯＳ−ＭＳ即ち生体分子用質量分析のためのマトリックスレス脱離イオン化ストラテジーは多孔質シリコン表面からのパルスレーザー脱離に基づく。例えば、Ｌｅｗｉｓら，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２００３，２２６：１０７−１１６参照。エッチングしたシリコンは表面積が増加するため、多量のサンプルと接触することができる。シリコンはＵＶ吸収性であり、サンプルのイオン化を助長するようにエネルギーを伝達することもできる。これらの特徴により、エッチングしたシリコンは有機マトリックスに匹敵する。例えばＵＳＰＮ６，２８８，３９０参照。しかし、エッチングしたシリコン表面は再現性と柔軟性に劣るため、この方法は商業化に至っていない。
ＭＡＬＤＩ、ＤＩＯＳ−ＭＳ及び他の同様の質量分析用途にナノファイバー増大表面積を使用すると、非常に大きな表面積をもつ高度に制御されたパターニング可能なシリコン表面が得られる。本発明の表面は非蛇行性開放型であり、使用材料が高純度であり、シリコン基板に限定されないため、本発明の増大表面は各種質量分析用途に理想的である。
本発明の各種態様はナノファイバー（例えば半導体ナノファイバー）を支持基板上に合成又は結合することにより作製されるレーザー脱離質量分析ターゲットを含む。ナノファイバーは一般にシリコンが好ましく、最も一般には金触媒を使用してＣＶＤ法により表面上に合成される。しかし、本明細書の各所で説明するように、本発明の各種態様で使用されるナノファイバーは場合により各種手段の任意のものにより合成される。上記参照。更に、ファイバーが合成される基板はシリコンでなくてもよく、所定態様では、金属表面が好ましい。また、所定態様では、ナノファイバーを基板に付着せずに表面に堆積すると有効である。これについても上記参照。本発明の半導体ナノファイバー表面は表面積が大きく、非蛇行路形態であり、ＵＶ吸収性であるため、レーザーイオン化ターゲットの作製に理想的である。
典型的質量分析ターゲット態様では、ＭＡＬＤＩ、ＤＩＯＳ−ＭＳ等により試験する物質を本発明のナノファイバー増大表面アレーに組込む。即ち、例えば、被験物質を各種ナノファイバーパッド、領域又はナノファイバー表面を含むマイクロ／ナノウェルの底部に挿入／接触させる。最も一般的には、各パッド、ピクセル、領域等（即ちナノファイバー表面の各個不連続領域）を質量分析により試験する別個の物質と接触させるか又はその上に加える。当然のことながら、特定用途に応じて他の構成も同様に可能である。本発明の態様に同様に適用可能な典型的アレー及びアレー作製の詳細については本明細書の各所に記載する。
本発明の他の態様と同様に、ナノファイバー増大面積表面の各種側面は例えば特定パラメーターに合わせて表面／方法を最適化するために変更することができる。例えば、適用要件に応じてナノファイバーの直径、長さ、又は密度を変えることができる。また、ファイバーはシリコン又は他の任意の所望基材（例えば金属、ガラス、セラミック、プラスチック等）上に任意の所望形態（例えば平坦、ウェル、ストリップ等）で成長させることができる。本態様では、シリコン上にナノファイバーを成長させることができるが、多くの場合には、ガラス、石英又は金属等の異種基板上に作製する可能性が高い。ナノファイバー及び基板表面の他の可能な材料は本明細書の各所に記載する。更に、その他の可能な構成材料も当業者に自明である。更に場合により例えば本明細書の別の箇所に記載するように最適性能のためにファイバーをコーティング又は機能化する。
質量分析により分析する物質のサンプルは場合により慣用分散手段によりナノファイバー基板と接触させる。同様の手段（例えばピペッティング、ドットプリンティング等）も本明細書の別の箇所に記載している。分析に備えてサンプルを乾燥するために実施する各種プロトコールは当業者に自明である。ナノファイバー表面に配置されたサンプルの分析のために場合によりレーザーエネルギーレベル及びパルス周期も最適化する。この場合も、質量分析に最適なレーザーエネルギー、パルス時間等のパラメーターの決定方法は当業者に自明である。
質量分析用途における本発明のナノファイバー増大表面の各種使用例については実施例６に記載する。
Ｂ）増大表面積基板におけるシリコンとの近接による非特異的結合蛍光分子の消光
蛍光を検出に使用する固相結合アッセイを含む本発明の態様では、検出限界は一般に蛍光分子の非特異的結合により決定され、最大検出レベルは特異的検体による表面結合部位の飽和により決定される。一般に、検体捕獲分子による固相表面の修飾は完全ではなく、捕獲分子層内の「孔」を介してフルオロフォアが表面と非特異的に結合する。一般に、捕獲分子は大きく、表面から所定の距離に蛍光検体を保持する傾向がある。
本発明の多くの態様では、蛍光結合アッセイの結合表面積を増加するための手段として表面（例えば平坦表面）上のシリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）のマットを使用する。上記参照。典型的な態様では、シリコンナノファイバーはその表面特性がガラスと同等になるように自然酸化物（約２ｎｍ厚）で覆われている。この表面は飽和結合検体最大量を増加すると予想されるが、バックグラウンド蛍光又は非特異的結合（ＮＳＢ）も増加すると予想される。どちらの効果も理論的には総表面積に比例するので、アッセイのダイナミックレンジ（最大蛍光／バックグラウンド蛍光）は未修飾平坦表面と同一であると予想される。ダイナミックレンジは固相結合アッセイ、特に各ヌクレオチド種の濃度範囲が１個のサンプルで数桁変動する可能性のあるＤＮＡやＲＮＡのアッセイの制約である。非常に驚くべきことに、ナノファイバー増大表面で実施した結合アッセイは平坦ガラス基板で実施した同様のアッセイよりもダイナミックレンジが広いことが分かった。実施例７とその図面はこのような範囲等を例証するものである。
これらの驚くべき点により、蛍光結合アッセイを実施する目的で本発明の各種態様はフルオロフォアが発光するスペクトル領域の光を吸収し、表面に近接する分子からのエネルギー伝達が有効になるように基板の光吸収部分に十分に近接する化学結合表面をもつ基板を使用する。
自明の通り、スペクトルの適切な領域で光を吸収する限り、基板の材料は各種態様で変更することができる。蛍光分子がそのエネルギーを非放射性伝達できるような材料（例えば各種無機半導体材料、金属材料等）は当業者に自明である。例えばＣｈａｎｃｅら，ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１．Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ ａｎｄ Ｓ．Ｒｉｃｅ（ｅｄｓ．）（Ｗｉｌｅｙ，Ｎ．Ｙ．１７９７８）Ｖｏｌ．３７，ｐ．１参照。このような材料、即ち蛍光分子からのエネルギーが非放射性伝達され、従って蛍光消光を可能にする材料は本発明の各種態様のナノファイバー及び／又は基板を含むように選択的に選択される。化学結合層（例えばシリコンでは酸化物）の厚さも蛍光消光される溶液中の深度を最適化するように変更することができる。これは使用する特定結合化学種によって異なる（例えば特異的に結合したフルオロフォアを表面から遠ざけておく長いＰＥＧスペーサーを使用すると、薄い酸化物のほうが表面から遠くで非特異的に結合した分子を消光させる）。
自明の通り、本発明の態様（即ち自己消光を含む態様）はナノワイヤーを含む態様及びＮＳＢシグナルを低減するためにナノファイバー基板を含む態様に加え、更に場合により基板を含むことができる。例えば、上記記載から自明の通り、マイクロ構造（例えば本明細書に定義するナノファイバーパラメーターに容易に該当するには大き過ぎる構造を含むもの）、無数の種類のナノ構造（例えば各種長さ／直径のナノワイヤー、ナノポスト、ナノロッド、ナノ細孔、ナノ結晶等）、及び非晶質シリコン表面を含むもの等の各種構造の他の増大表面積基板（例えばシリコン基板）もいずれも本明細書に記載するような蛍光消光を利用することができ、いずれも本発明の各種態様に含まれる。
従って、本発明の所定態様では、バックグラウンドシグナルが表面積の増加に比例して増加せず、飽和結合シグナルが表面積の増加に比例して増加するので、ナノワイヤー表面のダイナミックレンジはガラス又は成長ＳｉＯ２表面よりも増加する。この効果の主要因は自然二酸化ケイ素表面（＜２ｎｍ酸化物）上に非特異的に吸着される蛍光材料の消光が成長酸化物表面に比較して増加するためである。
Ｃ）分離用途
本発明のナノファイバー増大表面積基板の別の典型的利用分野は濾過／分離に関連する。ＨＰＬＣ等の分離技術は学術及び産業界に普及している。典型的ＨＰＬＣ及び他の同様の分離では、液体混合物中の各種成分を加圧下にカラム（例えばキャピラリーカラム）に通す。カラム内には液体中の特定検体を（例えば電荷、サイズ、疎水性、形状等の特定物性により）選択的に保持する粒子の充填層が充填されている。従って、検体の分離は粒子と各種検体のこのような相互作用の結果、検体が異なる速度でカラムを通過することにより実施される。
本発明の各種態様では、同様の分離状況でナノファイバー増大表面積基板を使用する。例えば、ビーズ上に塗布又は成長させることによりナノファイバーで被覆した粒子（例えばビーズ）から分離カラム内の充填粒子層を構成することができる。従って、ビーズはナノファイバー増大表面積基板である。ナノファイバーの使用はいくつかの点で分離に有利である。例えば、表面積が著しく増加するため、結合部分等を少ない総容量で著しく高濃度で存在させることができる。垂直方向４０ｎｍのナノファイバーを示す２１０１と典型的ＨＰＬＣ充填材料２１００（典型的ＨＰＬＣマトリックスビーズの外形を示す）のナノファイバー寸法の比較については図２１参照。即ち、図２１は典型的１０ｕｍ ＨＰＬＣカラム充填用ビーズにナノファイバー格子を重ねて示している。従って、カラムを通過した検体は前記部分とぶつかるために蛇行路を辿る必要がなく；所望検体を捕獲するために必要なカラム容量が減り；検体を通過させるためにカラムに加える必要のある圧力が低下する。更に、所定態様では、より高純度の検体バンドがカラムから溶出する。表面積が増加するので、より小さい面積により多数の検体捕獲部分が存在するため、より小さい面積により高い百分率／量の所望検体が捕獲され、カラムから溶出される際にはより高純度のバンドとなる。
当業者に自明の通り、多くの材料で表面特性は材料の機能又は用途に多大な影響を与える。例えば、各種分子分離において、選択性はカラム又は充填材料と該当検体の相互作用により提供される。従って、多くの場合には、前記材料又はカラムの表面積が大きいほど分離効率は改善され、分析時間が短縮し、分解能が向上する。例えば、本発明は分離溶液中に伸びる（例えば末端に金属を付着した）ナノファイバーをキャピラリー電気泳動カラムの壁又はＨＰＬＣ充填用マトリックスのビーズにコーティングすることにより、分離溶液と接触することができる表面積を場合により著しく増加する。実際に、ほぼ任意型のカラム（例えばキャピラリー電気泳動、ＨＰＬＣ等）が場合により本発明のナノファイバーでコーティングされる。当然のことながら、本発明の別の態様では、前記チューブ／カラムの内腔に例えば金コロイド等をコーティングすることによりその領域内でナノファイバーを成長させる。下記参照。更に他の態様では、ナノファイバーをチューブ／カラムで「ルーズ」充填材料として使用するか、又はナノファイバーの末端の金球を介して内腔の壁に付着させる。更に他の態様では、本発明のナノファイバー表面は「薄膜」又は他の同様の分離デバイスを提供することができる。典型的な態様では、分離デバイス等で使用される材料はＳｉＯ２基板から作製すると有益である。本発明の（全部ではないが）多くの典型的態様では、表面積を増加するために使用するナノファイバーは酸化ケイ素も含む。更に、ナノファイバー分離媒体は非蛇行路であるため、充填空隙がない等の理由で必要な圧力が低下すると共に分離効率が増加する。本発明の多くの場合には、当業者に周知の慣用化学種を場合により使用してナノファイバーを機能化し、従って増大表面積を特定用途に適合させる。
本発明の所定態様では、チューブ（例えばキャピラリーチューブ）の内腔の内側でナノファイバーを合成する。このようなナノファイバーはチューブの内面をナノファイバーの均質層で覆うので、チューブ内の利用可能な表面積が著しく増加する。所定のこのような態様では、（例えばチューブ内のウィッキング（キャピラリー流体輸送）能を増すために親水性部分で）場合によりナノファイバーを処理する。当然のことながら、本発明の他の態様では、特定ナノファイバー表面の本来のウィッキング作用が流体をウィッキングするように機能する。このような態様は例えばヒートパイプ構造等で毛管水頭を増加するために使用することができる。ウィッキング能の増加によりヒートパイプを重力に対してより効率的に運転させることができる。従って、熱源を冷却領域の下又は同一レベルではなく、上に配置することができる。同様の態様を冷却型システム及び、実際に多数の他の熱伝達システムにも応用することができる。チューブの内腔内の増大表面積ナノファイバー基板の作製については下記参照。
従って、本発明のナノファイバー増大表面積基板は多種の分離媒体として又はその内部で場合により使用される。表面積対体積比が大きく、非蛇行路構造であるため、低粘性で効率の高い加圧分離が得られる。更に、多数の態様は酸化ケイ素から構成されるので、当業者に自明のように慣用機能化が比較的簡単である。更に、以下に詳述するように、溶液相成長は分離デバイスの内側（例えば各種カラム又はキャピラリー等の内側）でナノファイバーを成長させることができる。更に、垂直方向のナノファイバー表面の間隔が緊密であるため、場合により生体分子分離が可能になる。本発明で実施される液体分離は場合により例えば逆浸透膜、イオン交換システム、水処理、並びに医薬、精密化学、化学処理、鉱業、触媒、飲食物加工等の専門用途で有用である。
本発明の各種態様で詳述するように、同様のナノファイバー増大表面積をハイブリダイゼーション基板に利用することができる。例えば、イムノアッセイや他の同様のアッセイはフロースルー膜で実施することが多い。このような膜は一般に検体含有溶液の迅速なフロースルーを可能にするように細孔寸法が大きい。しかし、細孔寸法が大きいと膜の捕獲表面積が制限される（即ち所望検体を捕獲するために利用可能な表面積が減少する）。更に、小さい細孔を多数備えることにより利用可能な表面積を増加すると、分子が細孔を通過するのに問題となり、例えば背圧が増加し、拡散速度が低下し、その結果、このような細孔を備えることにより増大表面積に接近しにくくなる。本発明の態様では、膜の強度を低下せずに有効表面積を劇的に増加することができる。これは例えば細孔を含む表面材料（即ち細孔が存在する材料）に捕獲用抗体（又は他の部分）で機能化したナノファイバーを末端結合するためである。
ｉ）ナノファイバー増大表面積の各種構成の分離態様
本発明ではナノファイバー及びナノファイバー法から数種の基本態様型の分離構造を作製することができる。本明細書の各所に説明するように、態様は特に分離、検出、触媒等の分野で利用することができる。典型的態様では、ナノファイバー増大表面積の効果はナノファイバーから形成される基本的多孔質構造に基づく。このようなナノファイバー増大表面積構造は例えば絡み合っているか又は特別に配置されたナノワイヤーにより形成される多孔質プロフィル等の特徴をもつ。構造中のこのような細孔又は自由空間がナノファイバー間に存在し、一般に全てが相互に連結している。典型的な態様は更にマイクロ細孔、閉端細孔等を含まないプロフィルと、狭いサイズ分布のメソ多孔質／マクロ多孔質細孔を含むプロフィルをもつ。本発明の態様は更に一般に接近可能な表面積が大きく（一般に全表面部位に容易に接近可能）、場合により堅牢な構成（例えばナノファイバー構造は高圧に耐えることができる）をもつプロフィルを含む。
図２２に示すナノファイバー薄層構造は本発明の多くの態様と同様である。一般に、このようなナノファイバー構造はＳｉＯ２から構成されるが、本明細書の各所に説明するように、他の物質も可能である。Ａは均質メソ多孔質構造を生じるランダム配向ナノファイバーを示す。ナノファイバーは場合により交差点（接点）で融着することができる。Ｂは例えば数ｎｍ間隔で垂直に配向したナノファイバーを示す。いずれの構成もナノファイバーは例えば図２２の挿入図に示すように−ＯＨ基等により機能化することができ、図中、「Ｆ」は官能基を表す。このようなナノファイバー表面は例えば蛋白質／ＤＮＡ分離用の高分解能、高速薄層クロマトグラフィー等に利用することができる。しかし、この場合も、本明細書の各所に説明するように、このような例は本発明の無数の可能な態様の一部に過ぎない。図２３に示すような態様（例えばＳｉＯ２ナノファイバー膜（ここではナノワイヤー））は例えばガラス、金属箔、又はプラスチック上に高効率ＴＬＣプレートを構成することができる。プラスチック支持プレートを作製する１方法は例えばナノファイバー濃度の高いポリマーコンポジットを作製し、圧縮／押出によりコンポジットシートを作製した後に、プラズマエッチングによりポリマーを除去し、ナノファイバーを表面に露出させる。このような作製後に場合によりファイバーを化学部分で機能化することができる。
他方、本発明の他の態様はチューブ、カラム、キャピラリー等の内腔に含まれるナノファイバー増大表面積構造を含む。例えば、図２４−２７に示す構造は石英／Ｐｙｒｅｘ（登録商標）キャピラリー等のキャピラリーチューブの内側でナノファイバーを直接成長させることにより作製することができる。例えば、図２４は可能なナノファイバーキャピラリーカラム（例えば開放内腔をもつものと内腔全体又は実質的に全体にナノファイバーを充填したもの）の概略横断面図を示す。ナノファイバーは場合により交差点（例えば２４００）で融着しているか及び／又は官能基（例えば分子と選択的に結合するための部分等）を含む。このような官能基の例としては例えば−ＯＨ、−ＣＯＯＨ、ＮＨ３等の化学基；アミノ酸、蛋白質及び／又はＤＮＡセグメント、界面活性剤等の小分子；ＬＰＡ、ＰＤＭＡ、ＰＥＯ、ＰＶＰ、ＰＥＧ、ＡＡＰ、ＨＥＣ等のポリマー鎖があげられる。図２４でも「Ｆ」は官能基を表す。カラム等で使用することができる広範な可能な官能基は当業者に全く自明である。図２５は例えばＤＮＡ分離用の典型的ナノ構造増大電気泳動装置の模式図を示す。この装置はナノファイバーから作製したキャピラリー２５００を高感度ナノファイバーＦＥＴ検出器２５０１及び緩衝液レザバー２５０２と組み合わせることができる。ナノファイバーは線状ポリアクリルアミド鎖とグラフトすることができ、グラフトしたポリマー鎖をナノファイバーに固定し、こうして電気浸透流を抑制することができる。ナノファイバー網は付加分離要素を提供することができる。図２６はナノファイバー（例えばＳｉＯ２ナノファイバー）から作製した典型的メソ多孔質粒子を示す。ナノファイバーは場合によりその交差点で融着することができ、及び／又は官能基を含むことができる（例えばナノファイバーは上述のように−ＯＨ基等により機能化することができる）。このようなメソ多孔質粒子はユニークな多孔質構造、即ち三次元ナノファイバー網における結合空間を示す。メソ多孔質構造はマイクロ細孔、閉端細孔等を含まない均質細孔寸法分布を示す。このような構造は更に接近可能な表面積が大きく、表面部位エネルギーが均質であり、外来結合剤を含まない。この構造は高強度をもつことができ（例えば、ＳｉＯ２ナノファイバーを交差点でＳｉＯ２と融着することができ）、場合により上記のように機能化することができる。図２７はクロマトグラフィーカラムとしてのナノファイバー増大カラムの典型的使用例を示す。この模式図は例えば高速蛋白質／ＤＮＡ分離、キラル分離等に適したナノファイバー粒子充填カラムの横断面を示す。全部ではないが多くの態様では、ナノファイバーは薄膜ＳｉＯ２コーティングを備えるシリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）を含むことができる。上述のように、このようなナノファイバーに例えば−ＯＨ基を介して付加構造を更に作製することができる。例えば、特定官能基をもつ化学鎖を場合により結合する。このような管状構造を含む態様は例えばマイクロ分離やキラル分離等のクロマトグラフィー分離に特に有用である。キャピラリー内のナノファイバー増大表面積基板の例を実施例８に示す。
本発明の更に他の態様では、ランダムに充填したナノファイバーを接点で融着することにより図２４−２７と同様の構造を作製することができる。所定の選択態様では、ナノファイバーを融着せずにナノファイバーの一部のみを融着する。粒子は粉砕により形成することができる。これらの粒子は場合により例えば大規模高スループット分離用大型クロマトグラフィーカラムに充填するために使用される。このような態様の有用な特徴の１つはこのようなカラムがバイモード細孔構造（即ち粒子間のマクロ細孔（高スループット）と粒子内のメソ細孔（高効率分離））をもつ点にある。この場合も、本発明の多くの態様と同様に、ナノファイバーの表面を例えば各種分離要件に合わせて機能化することができる。自明の通り、このような構造を作製するためには、多少大量のナノファイバーが必要である。大規模作製は例えば担持粉末触媒法及び／又はエアゾール法により実施することができる。他の有用な大規模作製方法も当業者に自明である。
本発明の他の態様は場合により図２３に示す構造と同様の構造を含む。このような態様はマクロ／メソ多孔質シートの上部にナノファイバーの薄層コーティングにより形成される膜を含む。６０／５４１，４６３（出願日２００４年２月２日）も参照。このような膜の細孔寸法はナノファイバーの直径により決定される。例えば、細孔寸法が１０ｎｍ未満の膜は直径が１０ｎｍ未満のナノファイバーを使用して作製することができ、以下同様である。このような態様は場合によりナノ濾過又は例えば細菌戦剤からの防御に適した通水・通気性スーツを作製するために使用される（寸法１０ｎｍ未満の細孔はウイルスや細菌を遮断するのに十分である）。更に、（その遮断能に加えて）ナノワイヤー層の厚さを増すことによりこのような構造に吸収機能を組込むことができる。ナノファイバーは更に場合により特定表面化学種で特に機能化することができる。
この場合も、自明の通り、本明細書に示す例示態様は単なる例証であり、必ずしも本発明を限定するものではない。
Ｄ）生体材料とナノファイバー増大表面積基板の相互作用
他の態様では、本発明のナノファイバー増大表面積基板は各種医療用途及び医療製品／装置用途で使用される。例えば、薬剤放出、潤滑、細胞接着、生体分子吸着抑制、電気接点等のための医療製品のコーティングが本発明に含まれる。例えば、（例えば本発明のような）表面繊維をポリマーインプラントの表面に付与すると、細胞接着が著しく増加することが示されている。例えばＺｈａｎｇら“Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ａｄｈｅｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｍｐｌａｎｔｓ”Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｖ：Ｎａｎｏｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＶ，Ｋｏｒｍａｒｅｎｉら（ｅｄｓ．）２００１，ＭＲＳ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｖｏｌ．７０３参照。本態様の他の医療用途としては例えば遅延放出薬剤送達が挙げられる。例えば、生理的環境（例えば患者の体内）に時間をかけてゆっくりと放出することが可能な種々の医薬的に許容可能なキャリヤーに薬剤を組込むことができる。このようなキャリヤー（例えばポリマー層等）に組込んだ薬剤は（例えばナノファイバー間の間隙に存在する）キャリヤー層に組込まれるため、体液との直接接触から少なくとも部分的に保護される。体液と（ナノファイバー層の上部の）キャリヤー層の間の界面にある薬剤等はかなり迅速に拡散するが、キャリヤー層の深部の薬剤はゆっくりと拡散する（例えば体液はキャリヤー層内に拡散してから薬剤と共に外部に拡散する）。このようなキャリヤーは当業者に周知であり、ナノファイバー基板の表面（即ちナノファイバー間）に堆積又はウィッキングすることができる。
更に、本発明の各種態様は表面又はインプラント又はペースメーカー等の電気接点の撮像に使用される半導体又は金属被覆ナノファイバーを含むことができる。例えば、このようなナノファイバー基板は超音波を超音波ビームにほぼ平行な角度でトランスデューサーに向かって反射することができ、従って、医療インプラント等を容易に可視化することができる。ナノファイバー増大表面の付加により、羊水穿刺及び生検針、ステント（例えば尿道、心臓血管等）、ペースメーカーガイドワイヤー、シャント、カニューレ、多数の型のカテーテル、ＰＩＣＣライン、ＩＵＤ、焼灼ループ、フィルター等の装置のトラッキングを助長することができる。本発明のナノファイバー基板を使用することが可能な他の同様の装置も当業者に自明である。他の撮像用途としては例えば前記装置を患者に移植後の機能モニターや、誤って患者の体内に置き忘れた外科装置のトラッキングと回収が挙げられる。自明の通り、ナノファイバー基板のこのような撮像用途は更に場合により抗微生物又は本発明の他の効果と組み合わせられる。ナノファイバー基板を利用する他の医療用途及び医療装置は例えば米国出願第６０／５４９，７１１号（出願日２００４年３月２日）発明の名称“Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ”に記載されている。
留置カテーテル、整形外科用インプラント、ペースメーカー及び他の医療装置のバイオフィルム形成及び感染は患者の健康に持続的危険をもたらす。従って、本発明の所定態様はその有利な形態により細菌定着を最小限にする新規表面を含む。他方、本発明の更に他の態様は所望条件下又は所望位置の細胞増殖を助長するようにナノファイバー増大表面積基板のユニークな表面形態を利用する。本発明の大表面積／非蛇行性の側面は（所定態様では）栄養素／流体等の付着面積と接近可能性が増すと共に、増殖等がスペース（細胞が増殖する細孔内の表面積とスペース）により制限される多孔質表面よりも有利な初期付着効果がある。
本発明の基板は表面積が大きく、容易に接近可能（例えば非蛇行性）であるため、例えば細胞培養、移植、及び制御薬剤又は薬品放出用途でバイオスカフォールドとして極めて有用である。特に、本発明の材料の大表面積は例えば細胞培養で所望生体細胞と付着するため又はインプラントと付着するための非常に大きな面積を提供する。更に、栄養素はこれらの細胞に容易に接近することができるので、本発明はこれらの用途の良好なスカフォールド又はマトリックスを提供する。この最後の点は一般に組織付着を提供するために多孔質又は粗面表面を利用する移植材料で特に問題となる。特に、このような小さな入りにくい細孔は初期付着できるが、付着した細胞を容易に持続維持することができず、細胞はその後劣化して死滅するため、付着の効果が減る。本発明の材料の別の利点は本来非生物汚染性であり、例えば一般にインプラント等の汚染の原因となる細菌種から例えばバイオフィルム形成を妨げる。
特定理論又は作用方法に結び付けるものではないが、ナノファイバー表面のユニークな形態は例えばＳ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓ等の細菌種の定着率を約１０分の１に低減することができる。例えば、化学蒸着法により平坦酸化ケイ素基板の表面から成長させた直径約６０ｎｍ及び長さ約５０−１００ミクロンのシリコンナノファイバー（例えばナノワイヤー）を含むもの等の態様は細菌定着の低減を示す。下記参照。自明の通り、本発明の実施例には特定細菌種を例示するが、それらの態様の効果は必ずしもこれらの種に対する使用に止まらない。換言するならば、他の細菌種も場合により本発明のナノファイバー表面により定着を阻止される。更に、本発明の実施例は同様の基板で酸化ケイ素ナノワイヤーを使用するが、自明の通り、他の態様も場合により同様に利用される（例えばナノファイバーの他の構造；プラスチック等の非シリコン基板上のナノファイバー；基板上のナノファイバーの他のパターン等）。
カテーテルや整形外科用インプラントは一般に日和見細菌や他の感染性微生物の感染を受け、インプラントを取り外すことが必要になる。このような感染は疾患、長期入院、又は死に至る危険もある。従って、留置カテーテル、整形外科用インプラント、ペースメーカー、コンタクトレンズ、及び他の医療装置のバイオフィルム形成及び感染の防止は非常に望ましい。
自明の通り、高密度のナノファイバー（例えばシリコンナノワイヤー）で被覆された本発明の基板は細菌定着と哺乳動物細胞増殖を防止する。例えば、ナノワイヤーで被覆された基板で生じる細菌増殖は同一平坦表面に比較して約１０分の１（又はそれ以下）になる。本発明の各種態様では、細菌定着に対する抵抗性を最適化及び特徴とするようにナノファイバー増大表面積基板の物理的及び化学的性質を変化させる。
細菌定着の防止とは対照的に、本発明の他の態様は例えば細胞外結合蛋白質等又は他の部分（例えばヒドロキシアパタイト等）で機能化することにより哺乳動物細胞をナノファイバー表面に付着させる基板を含み、従って、高効率組織組込み性をもつ新規表面を達成する。
例えば無菌等を必要とする環境でＮＦＳ基板を使用する本発明の所定態様では、ナノファイバーは場合により二酸化チタンでコーティングするか又は二酸化チタンから構成する。このような二酸化チタンは前記ナノファイバーに自己滅菌又は酸化性を付与する。従って、二酸化チタンを含むナノファイバーは表面への迅速な拡散を維持しながら従来の平坦ＴｉＯ２表面に比較して迅速な滅菌と酸化を可能にする。
酸化チタンを含むナノワイヤー（例えば被覆ナノワイヤー等）を含む本発明の態様では、これは場合により多数の方法の任意のものにより達成することができる。例えば、本発明の所定態様では、コーティングによる（ＳｉＯ４）ｘ（ＴｉＯ４）ｙナノワイヤーの分析モニターを含むアプローチと分子前駆体アプローチによりナノワイヤーを設計及び利用することができる。層厚と気孔率は場合により試薬濃度、浸漬速度、及び／又はテトラエトキシチタネート又はテトラブトキシチタネート等の浸漬コーティング用前駆体の選択、空気中のゲル化、風乾及び焼成により制御される。Ｍ［（ＯＳｉ（ＯｔＢｕ）３］４（式中、Ｍ＝Ｔｉ、Ｚｉ、又は他の金属酸化物である）等の分子前駆体をイソブチレン１２当量と水６当量に分解し、メソ多孔質材料又はナノワイヤーを形成することができる。これらの前駆体をＣＶＤ又はナノ結晶合成（湿式化学）の界面活性剤と共に使用し、所望サイズ分布のジメタルナノ結晶を生成することもできる。材料は湿式化学標準無機化学技術により作製することができ、酸化性はアルケン基質を使用するエポキシ化反応の単純な速度モニター（ＧＣ又はＧＣＭＳ）により測定することができる。気孔率は標準ＢＥＴ気孔率分析によりモニターすることができる。コポリマーポリエーテル鋳型を使用して湿式化学法の一部として気孔率を制御することもできる。
酸化チタン材料は周知酸化触媒である。酸化チタン材料の要点の１つは気孔率と粒度又は形状の均質性の制御である。表面積が増加すると、一般に酸化プロセスにおける材料の触媒回転率は良好になる。溶液中で酸化物形成速度（材料形態）を制御することは困難であると思われるので、これは困難であった。
周知の通り、酸化触媒表面（自浄表面）としてのＴｉＯ２に対する最近の関心は「環境に優しい化学」洗剤の商品化に対する期待を示すものである。しかし、材料の自浄効率は例えば表面積と気孔率に依存する。ナノワイヤーは自浄材料に現在使用されているバルク材料（例えばナノファイバー増大表面をもつ材料）よりも著しく表面積が大きい。従って、シリコンナノワイヤー技術をＴｉＯ２又はＴｉＯ２ナノワイヤー又は分子前駆体によるコーティングと併用してナノファイバーを形成すると、場合により自浄、滅菌及び／又は非生物汚染表面で有用な従来未知の材料を得ることができる。
所定態様では、このような滅菌作用はＵＶ光照射又は他の同様の励起と連携して生じる。このような因子は場合により例えば医療環境や食品加工環境における滅菌表面等の用途で重要である。従って、本発明のＮＦＳによる表面積の増加（例えば１００−１０００倍等の増加）はこのような表面の消毒率／能力を著しく増加すると考えられる。
ｉ）医療装置の細菌汚染の現行防止手段
生体材料の細菌増殖抵抗性の強化と生体材料表面の迅速な組織組込み及びグラフトの促進はいずれも研究対象である。しかし、滅菌及び無菌法の進歩と生体材料の進歩にも拘わらず、細菌及び他の微生物感染は依然として医療インプラントの使用における深刻な問題である。例えば、全院内感染の半数以上が移植医療装置に起因する。これらの感染は医療インプラントの挿入部位に形成されるバイオフィルムに起因することが多い。残念なことに、このような感染は生得免疫系応答と従来の抗生物質治療に耐性であることが多い。自明の通り、このような感染は人体治療のみならず、多数の他の生物の治療でも問題になる。例えば、ウマ、ウシ等の商業的に重要な種も本発明の抗微生物ナノファイバー表面を含む医療インプラント／装置で治療することができる。
細菌及び他の微生物による生体医療インプラントの表面定着とその結果として形成されるバイオフィルムを防ぐために各種方法が使用されている。従来の方法は装置で使用される基本的生体材料を変更したり、親水性、疎水性又は生体活性コーテイングを付与したり、生体活性剤を含む装置に多孔質又はゲル表面を形成する方法であった。汎用生体材料表面を作製する作業は特定材料に対する種の特異性により複雑になる。例えば、Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓは親水性表面よりも疎水性表面に結合し易いことが報告されている。Ｓ．ａｕｒｅｕｓはポリマーよりも金属に強い親和性をもつが、Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓは金属よりもポリマー上に迅速に膜を形成する。
多孔質生体材料に組込まれた抗生物質やポリクローナル抗体等の抗微生物剤はインプラント部位における微生物接着を積極的に防止することが示されている。しかし、このような局所放出療法の有効性は抗生物質療法に対する細菌の耐性増加と抗体に関連する特異性により損なわれることが多い。最近のｉｎ ｖｉｔｒｏ研究はインプラント表面の細菌を非特異的に除去するために亜酸化窒素等の小分子を放出する生体材料の使用を検討している。しかし、亜酸化窒素放出は毒性を制限するように局在しなければならない。
ｉｉ）ナノファイバー増大表面積によるバイオフィルム形成の防止
本発明の結果、シリコンナノファイバー（ここではナノワイヤー）表面は細菌Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓによる定着とＣＨＯ、ＭＤＣＫ及びＮＩＨ ３Ｔ３細胞株の増殖を積極的に防止することが判明した。これは細菌又は細胞を自然親水性ナノワイヤー表面又はフッ素化疎水性ナノワイヤー表面と接触培養した場合に認められる。酸化ケイ素平坦対照表面とポリスチレン平坦対照表面はＳ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓと前記３種の細胞株の大増殖を生じたので、ナノワイヤー形態は表面を細胞忌避性にすると推察される。当然のことながら、この場合も本発明の効果は特定理論又は作用方式により限定されない。しかし、表面形態は抗微生物作用の基礎であると考えられる。前記基板上のナノファイバーは細菌が下層の固体表面に物理的に侵入しないように十分緊密に配置される。付着に利用できる提示可能な表面積の量は一般に下層平坦表面の１．０％未満である。典型的な態様では、ナノファイバーは直径約４０ｎｍであり、固体表面の上方約２０ｕＭの高さまで伸びている。例えば図２参照。従って、医療装置に見られる典型的膜と異なり、本発明のナノワイヤー表面は不連続であり、スパイクされており、細胞接着を助長する規則的構造をもたない。実際に、本発明の表面は従来の膜とほぼ正反対であり、有孔固体表面ではなく、開放スパイク表面である。このユニークな形態により、該当ナノファイバーが疎水性であるか親水性であるかに関係なく通常のバイオフィルム付着を阻止すると考えられる。
本明細書の各所に詳述するように、ナノファイバー成長法は平坦又は複雑な形状をもつ多様な基板上で実施することができる。即ち、本発明の各種基板は完全に被覆することもできるし、パターニングすることもできるし、特定位置にナノファイバーをもつこともできる。しかし、本発明の焦点を分かり易くするために、酸化ケイ素又は金属基板上のシリコンナノファイバーについて最も詳細に記載する。しかし、この場合も、各種材料からのナノファイバーが同様にプラスチック、金属及びセラミック基板上に成長すると考えられる。ナノファイバー作製方法の汎用性はナノファイバー表面をもつ多様な製品を生体医療分野用に大規模化及び商品化するのに適している。
実施例９とその図面は本発明のナノファイバー増大表面の生物汚染の防止を例証する。上述のように、本発明のナノファイバー表面によるバイオフィルム防止の主な手段は基板のユニークな形態によると考えられるが、前記基板が本来細胞忌避活性をもつとも考えられる。
本発明のナノファイバー基板では各種状況でバイオフィルム防止に個別に適応するように表面親水性又は疎水性が増殖に及ぼす効果も場合により変更する。このような機能化は基板上のワイヤー長、直径及び密度の変動に従う。典型的な態様では、典型的ナノファイバー基板の酸化ケイ素表面層はその自然状態で非常に親水性である。水は表面を容易に湿潤し、均等に拡散する。これは表面のウィッキング性にも起因する。表面の機能化はワイヤーの表面に形成する自然酸化物層により助長される。このＳｉＯ２層はワイヤーの外側に官能基をもつように標準シラン化学種を使用して修飾することができる。例えば、表面を気体ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）で処理し、超疎水性にすることができる。上記参照。
ｉｉｉ）ナノファイバー表面への細胞外蛋白質の付着
本明細書に記載するように、ナノファイバー表面は哺乳動物細胞又は細菌の増殖を容易に助長しない。しかし、哺乳動物細胞株を表面で増殖させると有利な場合もある。従って、本発明の態様は細胞外蛋白質又は他の部分（例えばヒドロキシアパタイトコーティング等）をナノファイバーに付着することにより、このような細胞増殖を助長する。蛋白質をナノファイバーに堆積するには単に非特異的吸着を利用することができる。コラーゲン、フィブロネクチン、ビトロネクチン及びラミニン等の公知細胞外結合機能をもつ蛋白質の使用が予想される。他の態様は細胞／蛋白質とナノファイバー表面の共有結合を含む。ナノファイバー基板と例えば骨等の生体材料や金属骨ピン等の医療装置のグラフト及び／又は結合を行う態様では、各種態様は基板上に異なるパターンのナノファイバーをもつことができる。従って、例えば、ナノファイバーは場合によりグラフト又は結合を行う医療インプラントの領域のみに存在することができる。この場合も、ナノファイバーとの共有結合を実施するには標準蛋白質付着方法を使用することができる。
更に、生体適合性及び／又は生体組込み用途を助長するために本発明のナノファイバー表面に各種ゾル−ゲルコーティングを堆積することができる。骨組込みに関連する装置に関する従来の研究は骨成長を助長するためにチタンインプラント上に多孔質材料を使用していた。本発明の所定態様において、本発明は同様の材料の付加を本発明のナノファイバー表面と併用する。例えば、一般的なカルシウム系鉱物であるヒドロキシアパタイトを場合によりナノファイバー表面に堆積し、ナノファイバー表面への骨組込みを助長することができる。ヒドロキシアパタイト堆積を行うには場合により通常のゾル−ゲル法を使用することができ、このような技術は当業者の自明である。このようなヒドロキシアパタイトをコーティングしたナノファイバー表面は場合により骨組込みを助長すると共に生物汚染防止性を示すという両面で有益であり、従って、適正な骨成長／治癒が行われり可能性が増す。
当業者に自明の通り、本発明は（ヒドロキシアパタイトと骨成長に関する用途に加えて）広範な例えば適合性用途を生じるためにゾル−ゲル法によるセラミック型材料等の堆積の使用も含む。
Ｅ）キット／システム
所定態様では、本発明は本明細書に記載する方法を実施するためのキットを提供し、前記キットは場合により本発明の基板を含む。各種態様において、前記キットは１個以上のナノファイバー増大表面積基板（例えば１個以上のマイクロアレー、分離／濾過装置、医療装置、質量分析装置、熱交換器、超疎水性表面又は、ナノファイバー増大表面積基板を含む１個以上の他の装置等）を含む。
前記キットは更に必要な任意試薬、デバイス、装置、及びナノファイバー増大表面積基板を作製及び／又は使用するために使用される材料、又は前記材料を含む任意デバイスを含むことができる。
更に、キットは場合によりナノファイバー増大表面積基板の合成及び／又は前記ナノファイバーへの部分の添加及び／又は前記ナノファイバー構造の使用のための指示（即ちプロトコール）を含む説明書を含む。好ましい説明書はキット内容物を利用するためのプロトコールを与える。
所定態様では、説明書は１種以上の装置（例えばマイクロアッセイ装置、検体検出装置、検体分離装置、医療装置等）の作製における本発明のナノファイバー基板の使用方法を教示する。説明書は場合により本発明のナノファイバー増大表面の作製及び／又は利用のための指示書（例えば紙、コンピューター読み取り可能なディスケット、ＣＤもしくはＤＶＤ等の電子媒体、又は前記指示を与えるインターネットウェブサイトへのアクセス）を含む。
Ｆ）実施例
ナノファイバー基板及び平坦基板へのウィッキング
平坦シリコン表面と本発明のナノファイバー増大表面積基板の液体（ここでは水）のウィッキングの比較を例証するために、１ｕＬ水滴を各々に加えた。図２８Ａは平坦シリコン表面と本発明のナノファイバー増大表面積基板の水のウィッキング（図２８では蒸発率の比較として測定）を比較するグラフを示す。図から明らかなように、ウィッキング（従って、図２８に「水分減少率％」により表す蒸発）は本発明の基板のほうが著しく迅速に生じる。図２８Ｂは図２８Ａのグラフのデータを示す。
ナノファイバー基板の典型的フローアッセイ
図２９はフローアッセイスキームに組み立てたナノファイバー増大スライドの模式図である。図２９では、ビオチン化ＢＳＡ（即ちプローブ）２９００をスライド２９４０上のナノファイバートラック（この場合にはナノワイヤートラック）２９１０に沿う既知位置に吸着させた。トラックは基板上のナノファイバー領域をガラススライドの縁部で擦ることにより作製した。蛍光標識ストレプトアビジン（即ちターゲット）を含む溶液をトラックの上に加えた。ＳＡｖ−６４７のＰＢＳ／０．１％ ＢＳＡ溶液１５ｕｌを加えた後、合計３００ｕｌのＰＢＳ／０．１％ ＢＳＡを加えた。液体はこうしてナノファイバー間の間隙を満たすまでナノファイバートラックにウィッキングした。液体流を持続し、未結合ラベルが存在する場合には液浸させるために、付加液体をトラックの上に添加し、濾紙ウィック２９２０をトラックの下端に配置した。濾紙はトラックを流れた液体のレザバーとして機能した。図２９参照。無標識溶液２０容量がトラックを流れた後、スライドを乾燥し、次いで蛍光アレースキャナーで走査し、トラック上の特定位置に固定化したＢＳＡと結合した標識ストレプトアビジンを検出した。
図３０から明らかなように、固定化ビオチン−ＢＳＡは固定化した点で標識ストレプトアビジン（即ちターゲット）を有効に捕獲し、濃縮することができた。３０６カウントのシグナルが３０００で検出され、１８，１７６カウントのシグナルが結合プローブの既知位置に対応する３０１０で検出された。
本態様の別の例として、スライド上のナノファイバー領域に形成した特定ナノファイバートラックに各種濃度のビオチン−ＢＳＡの１ｕｌスポットを堆積した。濃度はビオチン−ＢＳＡ１００ｕＭ、１ｕＭ、１０ｎＭ、１００ｐＭ及び０とした。１００ｕｇ／ｍｌストレプトアビジン１０ｕｌをトラックに加えた後、ＰＢＳ／１％ ＢＳＡ１５０ｕｌを加えた。トラックを乾燥し、Ａｘｏｎ ４１００Ａアレースキャナーで撮像した。図３１は１００ｕＭ〜１ｕＭスポットが明白に区別されることを示す。正しいＰＭＴ設定では、１０ｎＭもバックグラウンド上に検出可能である。
典型的ナノファイバーアレーパターニング
規定直径及び長さのナノメートルスケールワイヤーを各種表面上に成長できることを図７に示す。図７は表面積対体積比を増加させるための他のより伝統的なストラテジーの複雑なエッチングアーキテクチャー（例えばシリコンのエッチング）を使用せずに非常に大きい表面積対体積比をもつ「高度」表面の１例を示す。図７はパターニングしたものとしないものの典型的ナノファイバー表面の平面図と側面図のＳＥＭ図を示す。シリコンナノファイバーはシリコンウェーハから成長させ、従って表面は標準ガラス修飾化学種等に適合可能であった。上記に詳細に説明したように、本明細書の記載はナノワイヤー成長用基板として主にシリコンウェーハを対象とするが、平坦又は複雑な形状をとり得る広範な基板で方法を潜在的に実施できる。
マスキング法により作製されたナノファイバーアレーの例を図８〜１４に示す。図では、幅２００ｕｍの孔を４００ｕｍピッチで配置した１５０ｕｍステンレス鋼マスクを標準シリコン／酸化ケイ素４インチウェーハと併用し、パターン化ナノファイバーアレーを作製した。２０〜６０ｎｍの金をシリコンウェーハにスパッタリングし、規定ナノファイバー領域を作製した。ナノファイバー（ここではナノワイヤー）を当分野の標準方法で成長させた。図８はシャドーマスクと４０ｎｍ金堆積を使用して作製された輪郭の明確なナノファイバーパターン領域を示す。図９は同様の不連続ナノファイバー領域の側面図を示す。
蛍光測定によると、他のナノファイバー成長法（例えば標準金コロイド堆積法）と同等の表面積で金膜堆積物（例えば２０ｎｍ）が薄いほど一般に薄く均質な直径のナノファイバーが得られる。例えば、図１０は２０ｎｍ金膜堆積物を使用することにより作製されたかなり均質（例えば５０〜１００ｎｍ）なナノファイバーを示す。更に、図１１は３０〜６０ｎｍの金膜厚で広いナノファイバー寸法分布が得られ、多くのナノファイバーは５０ｕｍ範囲内であることを示す。
シャドーマスク法により作製されたナノファイバーアレーのナノファイバー領域と基板バックグラウンドの差を光強度と光学顕微鏡により試験した。２０ｎｍ金膜を使用して作製された突起は平坦領域（即ちナノファイバーをもたない領域）の２５倍の増加を示した。図１２は（いずれも２０ｎｍ金膜を使用した）２種のサンプルナノファイバーアレーの光学及びＦＬ顕微鏡写真を示す。図１２の一方の例はナノファイバー領域１２００と平坦領域１２２０の間に光学／ＦＬ顕微鏡不均質性の８．２倍の差を示し、他方の例は２５．１倍の差を示す。図１３も突起均質性に関して金膜厚の操作により達成し得る可能な典型的変動を示す。例えば、Ａ−Ｄは金膜厚を増加させながら作製したナノファイバーアレー突起と、これらの各種ナノファイバー突起内の強度／蛍光を示すスペクトル線プロフィルを示す。図１４はナノファイバー作製に使用される金膜を操作することにより、基板上のナノファイバー突起が（例えば従来のマイクロアレー技術で検体液滴に見られる効果と同様の）「ドーナツ形」強度プロフィルを生じる場合もあることを示し、これは突起の中心部１４００のナノファイバーが大きく厚いことに起因すると考えられる。従って、図１４（Ａ−ＦＬ強度、Ｂ−高倍率暗視野顕微鏡）に示すように、６０ｎｍ金膜から作製されたナノファイバーはもっと薄い金膜を使用して得られるよりも厚いナノファイバーを構成することができる。図１３及び１４参照。
本発明のパターン化ナノファイバーアレーの別の例を図１５に示す。同図では、ナノファイバー（ここではナノワイヤー）突起をシリコン基板上にプレパターニングした。暗視野画像（５０倍）はシリコン基板１５１０上の２５０×２５０ｕｍナノファイバー突起１５００を示し、突起間の中心間距離は５００ｕｍである。図１６は本発明の別の典型的ナノファイバーアレーのユニークなナノ構造表面のＳＥＭ画像（Ａ１００倍、Ｂ１０００倍）を示す。このようなナノファイバー突起１６００及び１６２０はシリコン又は石英４インチ円形ウェーハ１６１０及び１６３０の表面全体にパターニングした。
典型的ナノファイバーアレーとの結合の可視化
本発明のサンプルナノファイバーアレーを示すために、真核細胞培養液又は予め購入したＲＮＡサンプル（例えばＣｌｏｎｔｅｃｈ製品）からの標準ｍＲＮＡ調製物を場合により鋳型として使用し、アレーフォーマットでハイブリダイゼーション用Ｃｙ３又はＣｙ５標識ｃＤＮＡを合成した。該当サンプル中で発現されることが分かっている十分に特性決定された遺伝子の選択パネルに対してオリゴヌクレオチドプローブを作製することができ、ナノファイバー増大基板の相対性能を従来のガラスアレーと比較することができる。分析はスポットマイクロアレーの分析に広く使用されている慣用蛍光アレースキャナー（例えばＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＳｃａｎＡｒｒａｙ等）で実施することができる。図３２及び３３は現在の市販アレーで使用されている典型的マイクロアレースキャナーによるシステムのナノファイバーアレーの分析／測定と、システムのナノファイバーアレーを使用した２色アッセイを示す。図３２から明らかなように、本発明のナノファイバーアレーは慣用アレースキャナーで読み取ることができる。表示データはＡｘｏｎ ４１００Ａで読み取った。他の同様のアレースキャナー（例えばＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒｓ ＳｃａｎＡｒｒａｙ）も使用することができる。スキャナーのレーザー出力は典型的平面分析で使用される出力よりも著しく減衰させることができるので、アレーの光退色が生じにくくなる。図３２はスライドをアレースキャナーで走査できることと、データが蛍光顕微鏡／ＣＣＤ分析と同等であるが、検出限界が１桁改善することを示す。図３２中、シリーズ１はナノファイバー表面の走査を表し、シリーズ２は平坦表面の走査を表す。図３３は本発明のナノファイバーアレーを使用した２色アッセイを示す。ナノファイバーアレーに手で直接スポットし、異なるプローブを異なる突起に吸着させた後に多重（２色）アッセイを行った。Ａは可視ナノファイバー領域３３００の暗視野画像を示し、Ｂはナノファイバーアレーの蛍光画像を示す。アレーのナノファイバー突起上にＢＳＡ、ビオチンＢＳＡ又はマウスＩｇＧをスポットした。ａｌｅｘａ ６４７（赤，３３１０）標識ストレプトアビジンとａｌｅｘａ ４８８（緑，３３２０）標識抗マウスＩｇＧで同時標識後に検出を実施した。
典型的パターン化ナノファイバーアッセイ
ナノファイバー増大表面積マイクロアレーの概念を例証するために、限定しないが、多数の例証アッセイを実施した。これらの例証アッセイの結果を図３４−３７に示す。図３４は本発明の方法と装置を使用して実施することができるアッセイのサンプルハイブリダイゼーションアッセイシステムの模式図を示す。図３４では、基板３４１０に付着したナノファイバー３４００を修飾し、結合の蛍光モニターが可能なターゲット／プローブシステムを構成した。図３４では、プローブは５’−ビオチン−ＴＴＴＴＧＣＣＴＡＣＧＡＴＣＡ−３’とし、ターゲットは５’−ＣＹ５−ＴＴＧＡＴＣＧＴＡＧＧＣＡ−３’とした。図３４では、例証アッセイに含まれるサンプルステップを示すフロースキームは場合により（平坦又はナノファイバーをもつ）ＡＰＴＥＳ修飾ＳｉＯ２表面、ＮＨＳ−ＰＥＧ−ビオチン、ストレプトアビジン、ビオチン−オリゴプローブ（即ちプローブ結合）、Ｃｙ−５−オリゴターゲット（即ちハイブリダイズ）、洗浄及びエピ蛍光顕微鏡による結合蛍光の測定を順次含むことができる。本実施例及び典型的ナノファイバー増大表面積マイクロアレーの特性決定に関する上記関連セクションを例証する他の図面でも同様のシステムを利用した。同図では、「ナノファイバー」はナノファイバー増大表面積基板を表し、「平坦」は表面にナノファイバーをもたないことを意味する。図３５はナノファイバー基板と平坦基板のシグナル強度を比較する。なお、蛍光の増加倍率（即ち、蛍光の増加を示す）は図中の各種基板間で正規化している（即ち括弧内に示す強度は２０秒露光時間に正規化した飽和結合である）。このような正規化はサンプル間の輝度の差と対応する露光時間の差により必要であった。図面から明らかなように、ＮＦＳ表面（即ちナノファイバー増大表面積から構成される表面）はプローブとガラススライドの所定の一般的な非特異的結合を示す平坦ＳｉＯ２に比較して顕著な蛍光強度の増加を示す。自明の通り、単位面積当たりのナノファイバーが多いほど増大表面は大きくなり、結合可能なプローブも増えるので、強度差は場合により各種基板上のナノファイバー密度の差に相関させることができる。図３６はナノファイバー基板と平坦表面基板のシグナル強度とダイナミックレンジを比較する。ＢはＡの最下線（即ち平坦表面を示す線）の拡大図である。同図から明らかなように、ナノファイバー表面は未修飾平坦表面よりも広いダイナミックレンジを示す。ダイナミックレンジは（非常に低レベルのプローブで発生する）低レベルの蛍光強度と（プローブの可能な結合／相互作用部位の全部又は実質的に全部が満たされている場合に発生する）最高レベルの蛍光強度の間の範囲の指標とみなすことができる。従って、ダイナミックレンジの増加は高感度が必要である反応又は広範囲の値にわたって発生する反応で有用であると思われる。ナノファイバー表面は表面積の増加によりフットプリント面積当たりのプローブ結合を増すことができるので、平坦非増大表面よりも広い範囲の実験条件等で使用することができる。蛍光消光に関連するダイナミックレンジの更に詳細については下記参照。
図３７は平坦表面（図３７Ａ）とナノファイバー（ここではナノワイヤー）基板（図３７Ｂ）の時間定数（即ち蛍光測定によりトラッキングされる結合測度）を示す。（例えば各種充填マトリックス等による）修飾基板表面を作製しようとする所定の従来の試みは適正な部分と結合するために検体が辿るべき経路として蛇行路を作製している。そのため、蛇行路により速度等に支障を生じている。これに対して本発明はこのような問題がない。図３７から明らかなように、ナノファイバー基板と平坦基板の速度は実質的に同等である。速度と実際にアレーに関して記載するナノファイバー表面の殆どの側面は本発明の他のナノファイバー法／装置にも適用可能であり、例えば速度の利点は分離用途等でも得られる。下記参照。
ナノファイバー基板と平坦基板に対する蛋白質結合の比較を図３８及び３９に示す。図３８はナノファイバー表面が蛋白質結合に適合可能であることを示す。マウスＩｇＧを両者表面（Ａ＝平坦表面，Ｂ＝ナノファイバー表面）に吸着させた後、ＡＬＥＸＡ ６４７標識抗マウスＩｇＧで検出した。平坦表面とナノファイバー表面の間には２０倍のシグナル強度の増加が認められた。図３８もナノファイバー基板の著しく増大した表面積が蛋白質結合を著しく増加することを蛍光強度の著しい増加により示す。図３９はナノファイバー表面（ここではナノワイヤー）と同様に処理した隣接平坦表面の典型的シグナル強度差を示す。図３９では、ビオチン−ＢＳＡを表面に吸着させた後、ａｌｅｘａ ６４７−ストレプトアビジンで標識した。自明の通り、パターン化ナノファイバー突起と平坦領域（即ちナノファイバーをもたないか又はナノファイバー数が相対的に著しく少ない領域、例えばアレー上のナノファイバー突起間の「隘路（ａｌｌｅｙ）」）を同様に修飾し、標識した。図から明らかなように、ナノファイバー突起の蛍光強度は著しく増加している。図３９Ｂでは、強度増加は２１．５倍である。典型的強度増加は少なくとも２０倍とすることができるが、所定態様では、ナノファイバー領域の強度増加は２０倍〜５０倍以上、３０倍〜４０倍、又は約５０倍である。
図４０は平坦基板上のスポットとナノファイバー基板上のスポット（直接スポッティング又はプレパターン化スポッティング）のスポット内コンシステンシーの比較を示す。図面から明らかなように、ナノファイバー基板上のスポット強度はハロー効果が著しく少ない。ハローを防ぐための従来手段は例えば界面活性剤の添加、湿度制御等であった。本発明の態様の更に別の利点はハロー効果をなくすか又は著しく減らす点である。特定作用方式に結び付けるものではないが、ナノファイバー表面のウィッキングの増加により、スポットされた溶液がナノファイバー島内に迅速且つ均一に拡散すると考えられる。従って、溶液はナノファイバー先端上部と基板表面の間の間隙に吸い上げられると考えられる。その結果、基板上のナノファイバー島は一般に顕著なハロー／ドーナツ効果を示さない。図４１は化学種のスポット後に蛍光ターゲットと共にインキュベーションした場合を示す。図４２も市販スポットアレーと本発明のナノファイバーアレーの（例えば突起均質性及び突起内均質性）の差を示す。図４２では、市販平坦ガラススポットアレー（Ａ及びＢ）をナノファイバー（ここではナノワイヤー）パターン化アレー（Ｃ及びＤ）と比較した。図面から明らかなように、ナノファイバー突起間の蛍光分布は従来のアレーに見られるドーナツ形パターンよりも著しく均一である。図４２Ａ及び４２Ｃ参照。同様に、パターン化ナノファイバーウェーハの選択領域ではスポット間変動も小さい。Ａ及びＢ（即ち市販アレー）は購入したプレスポットスライド（７０量体オリゴをスポット）を使用し、Ｃｙ３標識相補配列とハイブリダイズさせた。Ｃ及びＤ（即ちナノファイバーアレー）はモノクローナル抗ＩＬ−６を一晩吸着させた後にＩＬ−６、ビオチンＩＬ−６及びａｌｅｘａ ６４７ストレプトアビジンを添加した。市販スポットアレーの突起強度は１４６（±３２．３）であり、ＣＶ２２％であった。ナノファイバーアレーの突起強度は１２２（±４）であり、ＣＶ３．３％であった。図４２〜４６は更にナノファイバー表面と平坦表面の蛋白質又は核酸強度とスポッティング及び速度の均質性の比較を示す。図４３は単位面積当たりの強度の増加を示す。図４３ＡではビオチンＢＳＡを表面（平坦表面とナノファイバー、ここではナノワイヤー）に吸着させ、ａｌｅｘａ ４８８標識ストレプトアビジンで可視化した。どちらのウェーハフラグメントも同様に処理した（１秒間露光）。図４３Ｂ及び４３Ｃでは、ウェーハをＡＰＴＥＳで修飾し、ＮＨＳ−ビオチンでコーティングし、１００ｎＭ（左ウェーハ）及び１０ｎＭ（右ウェーハ）のａｌｅｘａ ６４７で標識した。どちらも１秒間露光した。図４４は結合化学種を示し、図４４Ａは蛋白質結合、図４４ＢはＤＮＡ結合を示す。付加した化学種と露光時間を図面に示す。即ち、図４４Ａではナノファイバーをもつウェーハとナノファイバーをもたないウェーハをアルデヒドシランと蛋白質ＳＡｖとマウスＩｇＧで処理した後、ａｌｅｘａ ６４７とヤギ抗マウス抗体を加えた。図４４Ｂでは、ウェーハをＡＰＴＥＳで修飾した後にＮＨＳ−マレイミドヘテロ機能リンカー、ＳＨ−オリゴ−ビオチン、及びａｌｅｘａ−６４７ ＳＡｖを加えた。図４５はナノファイバー表面上のプローブ堆積が平坦（即ちナノファイバーをもたない）ウェーハに比較して均質であることを示す。ビオチン−ＢＳＡをウェーハにスポットし、ブロックし、ＳＡｖ−ａｌｅｘａ ４８８で可視化した。図４６は「平坦」表面、即ちナノファイバーをもたない表面と「ワイヤー」表面、即ちナノファイバー（ここではナノワイヤー）をもつ表面の結合速度の比較を示す。要約すると、マウスＩｇＧをウェーハスライスの表面に吸着させた。未結合領域をＢＳＡでブロックした。対照としてＢＳＡ単独も試験した。次にウェーハをａｌｅｘａ ６４７−ヤギ抗マウスＡｂ（１００ｎＭ）と共にインキュベートした。
図４７は平坦表面とナノファイバー（ここではナノワイヤー）表面の正規化比較による単純なアッセイシステムにおけるアッセイ性能パラメーターの改善を示す。プローブ（ビオチン化抗体を非ビオチン化抗体で指定分率に希釈）をスライド表面に直接吸着させた後に蛍光標識ストレプトアビジンで検出した。図中のグラフは表面積（例えばフットプリント面積）をほぼ正規化した場合のナノファイバー表面と平坦表面の検出限界、直線アッセイ範囲及びバックグラウンドシグナルの比較を示す。当業者に自明の通り、ナノファイバー表面ではバックグラウンドが減り、感度が改善する。
図面から明らかなように、図４８は予備化学種を使用して増大面積表面を機能化できることを実証すると共に、単位面積当たりのシグナルの増加を証明する。これらの試験（ビオチン化ＢＳＡを表面に吸着させた後にａｌｅｘａｆｌｕｏｒ標識ストレプトアビジンで標識）によると、密度、ワイヤー直径又は表面特性を最適化させようとしなくても、本発明の態様は単位面積当たりの強度をほぼ２０倍に増加することができる。更に、図４８に示すように、結合プローブの不在下で標識ターゲットに露光した場合の平坦基板とナノファイバー（ここではナノワイヤー）増大基板のバックグラウンド蛍光はどちらも同様である。これは実際のアッセイのダイナミックレンジの下限がさほど変化しなかったことを示す。図４８はナノファイバー（ここではナノワイヤー）表面と平坦ＳｉＯ２表面の単位面積当たりの強度の比較を示す。表面を同様に処理し、撮像した。数値は平均ピクセル強度を示す。左の図は右の図よりもナノファイバー密度の低い増大基板を示す。自明の通り、両者基板のバックグラウンド蛍光は同様である（対照は標識ターゲットと接触させただけでプローブと結合しなかった）。図４９は基板に固定化したターゲット蛋白質に対する抗体の接近可能性と結合速度の分析を示す。反応はマウスＩｇＧで被覆した表面と抗マウスＩｇＧの結合を測定した。平坦表面とナノファイバー表面（ここではナノワイヤー）のいずれも結合は所与条件下で１分以内に飽和すると思われた。図から明らかなように、これらの条件下では平坦基板でもナノファイバー増大基板でも飽和結合に到達するまでにかかる時間には殆ど差がないと思われ、本発明の表面は実際に非蛇行大表面積基板と同様の性能であることを示す。最後に、パターン化基板ではなくウェーハ断片を使用するスポッティング分析によると、ナノファイバー増大基板上のスポッティング材料は単なる平坦表面上のスポッティングよりも捕獲プローブの分布が均一になることが分かる。図５０参照。図５０では、平坦ＳｉＯ２表面（左）上のシグナルの均質性をナノファイバー増大基板（右）と比較する。各図は等容量のビオチン化ＢＳＡ溶液を基板にスポットした後にストレプトアビジンａｌｅｘａ−４８８で標識後のウェーハ面積を２００倍の倍率で示す。
ナノワイヤー基板のこのような高湿潤性大表面積品質の一方で、図１９は同一材料を超疎水性にできることを示す。この表面の接触角は非常に大きく、ほぼ測定不能であるため、これらの超親水性又は超疎水性を利用することにより、この材料はスポットアレーを改善するためのユニークなプラットフォームを提供する。
ナノファイバー基板によるＭＳ
質量分析で使用されるナノファイバー増大表面積に関する本発明の各種概念を例証するために、ナノファイバー増大表面（本実施例ではナノワイヤー表面）のＤＩＯＳ−ＭＳ活性を各種条件下で試験し、最適化した。使用した表面はパターン化ナノワイヤー表面（２００ｕｍ平方構造）と、圧縮及び引き伸ばしたナノワイヤー（即ち予め押し潰したナノワイヤー）と、低密度ナノワイヤー表面（即ち単層ナノワイヤー表面）から構成した。これらの典型的態様では、ナノファイバーはかなり高密度の短いファイバーを含む。このようなナノファイバーは表面上にｉｎ ｓｉｔｕ成長又は堆積することができる。所定側面では、ファイバーを予め押し潰して短いファイバーの成長と同様の表面を作る。ナノワイヤー表面はＢＳＴＦＡ（３，３，４，４，５，５，６，６，６−ノナフルオロヘキシル）クロロシランと（３−ペンタフルオロフェニル）プロピルジメチルクロロシラン（夫々別々に試験）で誘導体化した（誘導体化と機能化のその他の詳細については上記参照）。図５１は前記化合物の化学構造を示す。ナノワイヤー表面をパターニングし、顕微鏡スライドで予め押し潰し、オゾンで酸化し、上記試薬で化学修飾した。質量分析に使用した検体は小分子３種、標準ペプチド２種（ＭＲＦＡとブラジキニン）、及び蛋白質消化産物２種（ヘモグロビンとＢＳＡ）とした。図５２は分析した３種の小分子の化学構造を示す。図５３Ａ及び５３Ｂは過フッ素化パターン化ナノワイヤー表面上の夫々５ｆｍｏｌブラジキニンと５０ｆｍｏｌヘモグロビンの質量分析結果を示す。図５４Ａ〜５４Ｃは過フッ素化パターン化ナノワイヤー表面上の夫々５００ｆｍｏｌミダゾラム、５００ｆｍｏｌベラパミル、及び２．５ｐｍｏｌプロパフェノンの質量分析結果を示す。最後に、図５５は過フッ素化単層ナノワイヤー表面上の５ｆｍｏｌヘモグロビン消化産物の質量分析結果を示す。これらの結果から明らかなように、本発明のナノファイバー増大表面は化合物の質量分析（ここではＤＩＯＳ−ＭＳ）に有用である。共役過フッ素化ナノワイヤー表面は良好なＤＩＯＳ−ＭＳ性能を実現すると思われる。当然のことながら、共役表面の使用は限定的ではない。即ち、他の表面も場合により及び／又は代用として使用できる。更に、単層ナノワイヤー表面では質量分析で高レベルの感度が得られる（例えば５ｆｍｏｌペプチド量と２５ｆｍｏｌ小分子量について上記図の結果参照）。非常に高感度の所定態様では、短いナノファイバー又はその単層が一般に好ましい。しかし、著しく高感度が必要でない場合には、もっと厚い層を場合により使用することができる。更に、他の態様では、質量分析の前に薄層クロマトグラフィーを実施するためには深いワイヤーセクションが特に有用である。各種質量分析用途で使用する本発明の他の態様では、例えば検出する特定分子等に応じて各種パラメーターを場合により変更する。例えば、使用するレーザーエネルギーを場合により調節することができる（例えば小分子よりもペプチドのレーザーエネルギーレベルを高くする等）。この場合も各種質量分析技術に典型的な変更と最適化は当業者に自明である。図５６Ａ−Ｄはナノファイバー基板上の質量分析の他の例を示し、本発明の方法／装置の無数の可能な使用例の１例を例証する（ここでは規制物質、例えばコカイン、３，４−メチレンジオキシメタムフェタミン、３，４−メチレンジオキシ−Ｎ−エチルアムフェタミン、ｄ−メタムフェタミン等の検出及び／又は同定）。図５６で検出／特性決定される薬剤の濃度はコカインを５００ｆｍｏｌとした以外は全て５ｐｍｏｌとした。
他の質量分析用サンプルをナノファイバー増大基板（ここではナノワイヤー増大基板）上で作製した。プレートをトルエン中３分間音波処理、アセトン中３分間音波処理により洗浄し、アルゴン下にブロー乾燥した後、プラズマ洗浄した（２００Ｗ １０分間）。洗浄したプレートにアルミナを１．５ｍｍ円形に蒸着した（中心間距離３ｍｍの１．５ｍｍ突起をもつパターンについては図５７参照）。次にプレートを５分間煮沸した後、２０ｎｍ金コロイドに２０分間浸漬した。コロイド堆積後、プレートを再びプラズマ洗浄（２００Ｗ，１０分間）した後、炉に入れ、ナノワイヤーを６分間成長させた。
ナノワイヤー成長後、プレートをプラズマ洗浄し（２００Ｗ ３０秒間）、ニートペンタフルオロフェニルプロピルジメチルクロロシラン（Ｇｅｌｅｓｔ，Ｍｏｒｒｉｓｖｉｌｌｅ，ＰＡ）１００μｌを１５分間６５℃で被覆した。プレートをメタノールで洗浄し、アルゴン下にブロー乾燥した。ブラジキニンフラクション１−７（ＭＷ７５７．４）を５０％アセトニトリル／０．０５％ＴＦＡに１００ｐｍｏｌ／μｌ濃度で溶かした後、２０％アセトニトリルで希釈してからナノワイヤースポット（０．７５μｌ容量）にスポットした。サンプルを風乾した後、ＡＢＩ Ｖｏｙａｇｅｒ−ＤＥ質量分析計で分析した。図５８Ａ及びＢはナノファイバー（ここではナノワイヤー）とナノファイバーをもたないステンレス鋼上の同様のスポット上で（同一レーザー出力で）５０ｐｍｏｌブラジキニンから得られたシグナルを示す。自明の通り、ナノファイバー表面にはブラジキニンピークのみが出現する。
質量分析に関連する本発明のナノファイバー基板の別の使用例は分離反応も実施するために本発明の基板の有用性を利用する。上記参照。即ち、（シリル化シリコンナノファイバー、ここではナノワイヤーで）クロマトグラフィー分離と脱離イオン化質量分析の統合反応を実施した。単結晶シリコンナノワイヤー（ＳｉＮＷ）の緻密アレーを小分子、ペプチド及び蛋白質消化産物のレーザー脱離イオン化質量分析用プラットフォームとして使用することができる。しかし、この場合も、本発明の他の態様では他のナノファイバー型／構造等を使用することもできる。レーザーエネルギー、表面化学種、ナノワイヤー直径、長さ及び成長方向を最適化することにより、ナノワイヤー表面でアトモルレベルまでの感度を達成することができる。ナノワイヤー表面の興味深い特徴の１つは小分子を脱離するために比較的低いレーザーエネルギー（１〜５μＪ／パルス）しか必要としないため、バックグラウンドイオン干渉を減らすことができる点である。その大きな表面積と流体ウィッキング能を利用することにより、ＳｉＮＷを使用して薄層クロマトグラフィー（ＴＬＣ）を実施した後に分離した分子の質量分析を実施し、単一表面で分離と質量分析検出を統合することができるユニークな基板が得られた。表面に基づく質量分析アプローチは蛋白質同定、小分子代謝産物特性決定、及び合成有機化学における問題に広く応用されている。最も定着している技術はマトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）であり、ソフトイオン化と高感度分析が可能である。例えばＴａｎａｋａら，“Ｐｒｏｔｅｉｎ ａｎｄ ｐｏｌｙｍｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｕｐ ｔｏ ｍ／ｚ １００，０００ ｂｙ ｌａｓｅｒ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ”Ｒａｐｉｄ Ｃｏｍｍｕｎ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．２：１５１（１９８８）及びＫａｒａｓら“Ｌａｓｅｒ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｗｉｔｈ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｍａｓｓｅｓ Ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ １００００ Ｄａｌｔｏｎｓ”Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６０：２２９９−２３０１（１９８８）参照。しかし、ＭＡＬＤＩは一般に質量範囲が７００ｍ／ｚを上回る分子の分析に限られている。マトリックスフリーレーザー脱離イオン化アプローチとして多孔質シリコン（ｐＳｉ）が開発されており、マトリックス関連イオンの不在により、観測可能な質量範囲を小分子まで広げている。ｐＳｉは表面積が大きく、熱伝導率が低く、ＵＶ吸収率が高いため、シリコン上レーザー脱離イオン化質量分析（ＤＩＯＳ−ＭＳ）への応用に成功した。例えばＷｅｉら，“Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ”Ｎａｔｕｒｅ ３９９：２４３−２４６（１９９９）；Ｓｈｅｎら，“Ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｓ ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ”Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７３：６１２−６１９（２００１）；Ｃｕｉｆｆｉら，“Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｕｓｉｎｇ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｉｌｍｓ”Ａｎａｌ，Ｃｈｅｍ．７３：１２９２−１２９５（２００１）；及びＫｒｕｓｅら，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｎａｌｙｔｅ ｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｐｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃｏｎ”Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７３：３６３９−３６４５（２００１）参照。
ＳｉＮＷはエレクトロニクス、フォトニクス、オプトエレクトロニクス、センサー、及び他の新規デバイス用途で広く研究対象となっている。例えばＣｕｉら，“Ｎａｎｏｗｉｒｅ ｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｅｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９３；１２８９−１２９２（２００１）；Ｃｕｉら，“Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｕｓｉｎｇ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９１：８５１−８５３（２００１）；Ｈｕａｎｇら，“Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｆｒｏｍ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２２４：Ｕ３０８（２００２）；Ｚｈｏｕら，“Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ａｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ”Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３６９：２２０−２２４（２００３）；Ｄｕａｎら，“Ｓｉｎｇｌｅ−ｎａｎｏｗｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｌａｓｅｒｓ”Ｎａｔｕｒｅ ４２１：２４１−２４５（２００３）；Ｈａｈｍら，“Ｄｉｒｅｃｔ ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＤＮＡ ａｎｄ ＤＮＡ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｕｓｉｎｇ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．４：５１−５４（２００４）及び上記引用文献参照。ＳｉＮＷはｐＳｉと同一の多数の基本的性質をもち、例えば本明細書に例証するように、表面に基づく質量分析の理想的プラットフォームであると思われる。ｐＳｉと異なり、本明細書の各所に説明するように、ＳｉＮＷは基板の表面で触媒及び成長し、その物理的寸法、組成、密度及び位置をナノスケールレベルで精密に制御することができるので、質量分析活性表面の設計に極めて有望である。
上記に説明したように、ＳｉＮＷは化学蒸着法、Ｓｉターゲットのレーザーアブレーション、液晶鋳型法、レーザー支援触媒成長、気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長メカニズム、及び超臨界流体法等により作製することができる。例えばＭｏｒａｌｅｓら，“Ａ ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７９：２０８−２１１（１９９８）；Ｌｉｅｂｅｒ，Ｃ．Ｍ．，“Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｐｈｙｓｉｃｓ ＆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍｕｎ １０７：６０７−６１６（１９９８）；Ｃｕｉら，“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８：２２１４−２２１６（２００１）；Ｇｕｄｉｋｓｅｎら，“Ｄｉａｍｅｔｅｒ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２２：８８０１−８８０２（２０００）；Ｄｕａｎら，“Ｌａｓｅｒ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ”Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ Ｐａｐｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ，２１９：Ｕ８７４−Ｕ８７５（２０００）；Ｌｙｏｎｓら，“Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ ａｒｒａｙｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｒａｉｎ”Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．２：８１１−８１６（２００２）；Ｗｕら，“Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ：ｒａｔｉｏｎａｌ ｇｒｏｗｔｈ，ａｓｓｅｍｂｌｙ，ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”Ｃｈｅｍ．８：１２６０−１２６８（２００２）；及びＭａら，“Ｓｍａｌｌ−ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ”Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９９：１８７４−１８７７（２００３）並びに上記引用文献参照。本実施例では、規定直径の表面堆積Ａｕコロイドを成長触媒として使用した。この方法は非常に柔軟性があり、長さ、直径及び密度等の複数の成長パラメーターを制御できると共に、シリコン、ガラス、セラミック、及び金属等を含む各種基板上にＳｉＮＷを成長させるのに適合可能である。更に、ＳｉＮＷは連続フィールドで成長させることができ、マイクロメートル〜ミリメートルスケール以下のナノ構造表面を精密に位置制御するためにリソグラフィー法を使用してパターニングすることができる。一般に、ＳｉＮＷは直径１０〜６０ｎｍ及び長さ１００μＭに成長し、成長表面に堆積する触媒の密度を変えることによりナノワイヤー密度も制御することができる（この適用例の典型的密度はワイヤー１〜１０本／μｍ２である）。
本実施例はペプチドと薬剤小分子をモデル化合物として使用するマトリックスフリー質量分析用プラットフォームとしてのＳｉＮＷ性能に及ぼすレーザーエネルギー、ナノワイヤー密度、ナノワイヤー寸法、及び成長方向の効果を試験する。最近開発されたオゾン酸化ｐＳｉの化学修飾はＳｉＮＷでも利用されており、高感度を達成するために必須特徴であることが分かっている。例えばＴｒａｕｇｅｒら．“Ｈｉｇｈ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ａｎａｌｙｔｅ Ｃａｐｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ／Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｏｎ Ｓｉｌｙｌａｔｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ”Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ（２００４）参照。更に、上記に説明したように、この表面はＳｉＮＷ間の間隙に生じる毛管作用により誘導される劇的なウィッキング性をもつことが知られている。この性質を薬剤小分子のＴＬＣ分離とその後のＭＳ分析に利用する。レーザー脱離イオン化質量分析へのシリル化ＳｉＮＷの適用をナノワイヤー直径、長さ、密度及び成長方向の関数として試験した。レーザー脱離イオン化質量分析実験の構成を示す図５９参照。なお、（ａ）修飾ＭＡＬＤＩプレートに付着させたシリコン基板上で成長させたパターン化ＳｉＮＷ、（ｂ）Ｓｉナノファイバーメッシュ内にトラップした検体のレーザー脱離イオン化の模式図、（ｃ）ＳｉＮＷの拡大ＳＥＭ画像とシリル化による機能化の例証、及び（ｄ）Ｓｉナノファイバー（ここではナノワイヤー）の感度を示す５００ａｍｏｌ ｄｅｓ−Ａｒｇ９−ブラジキニンの質量スペクトルを示す。本実施例のシグナル対ノイズ測定値は６００対１であった。ＢＳＡ及びＦＨＶトリプシン消化産物、薬剤小分子（ミダゾラム，ＭＨ＋３２５；プロパフェノン，ＭＨ＋３４２；ベラパミル，ＭＨ＋４５５）、及び標準ペプチド（ｄｅｓ−Ａｒｇ９−ブラジキニン，ＭＨ＋９０４）をモデル化合物として使用し、ＳｉＮＷのレーザー脱離イオン化特性を試験した。初期実験セットでは、シリル化４０ｎｍ直径ＳｉＮＷがイオンシグナルを発生する能力を検討し、更にＳｉＮＷ長さ及び密度に関する最適材料特性を決定した。例えば本明細書に記載するような成長法を使用すると、ナノワイヤー成長方向は水平から垂直までランダムに変動し、ワイヤー密度と直径から独立している。初期観察によると、最適性能は層厚（ワイヤー長）とワイヤー密度に依存していた。ワイヤー密度１０本／μｍ２未満とワイヤー長５μｍ未満で最適化質量スペクトルデータが再現可能に得られた。シリル化ＳｉＮＷ表面から得られた質量スペクトルデータはシリル化ｐＳｉ表面と非常によく似たシグナル対ノイズレベルと質量範囲を示した。シリル化平坦シリコン基板（ＳｉＮＷなし）は５μＭでペプチドの検出可能なシグナルを発生しなかった。図５９は試験した構造表面の走査型電子顕微鏡写真を示し、ワイヤーの長さは０．５〜１０μｍで変化させ、ワイヤーを１〜５０本／μｍ２の各種密度で堆積した。
ＳｉＮＷの電気的及び光学的性質はナノワイヤー長及び密度に依存するので、レーザー脱離イオン化性能に及ぼす直径の効果も試験した。長さ約１μｍと直径１０、２０、及び４０ｎｍのＳｉＮＷを小分子とペプチドの分析について試験した。ワイヤー長及び密度には依存するが、直径を変化させてもナノワイヤー表面の性能に明白な差は認められなかった。小分子と蛋白質消化産物のＭＳ分析は直径１０〜４０ｎｍ及び長さ１μｍのＳｉＮＷでピコモル〜アトモルレベルの感度で再現可能に得られた。消化産物から得られたデータをＭａｓｃｏｔにより蛋白質配列データベースに対して検索すると、９９％信頼性レベルを上回るスコアでＢＳＡとＦＨＶを同定することができた。図６０参照。図６０は同定された分解ペプチドを示す（ａ）５０ｆｍｏｌフロックハウスウイルス（ＦＨＶ）及び（ｂ）５ｆｍｏｌ ＢＳＡ消化産物のシリル化シリコンナノファイバー（ここではナノワイヤー）からのレーザー脱離イオン化を示す。データをＭａｓｃｏｔで検索し、９９％を上回る信頼性レベルでこれらの蛋白質を同定した。一般に、直径１０〜４０ｎｍのＳｉＮＷでのＭＳ分析は小分子に５０ｆｍｏｌの検出限界を示し、直径４０ｎｍのＳｉＮＷはペプチドに５００ａｍｏｌの検出限界を示した。図５９参照。ＳｉＮＷ作製と表面処理を更に最適化させると、検出限界を場合により改善できると考えられる。
ＳｉＮＷから検体を脱離イオン化するために必要な最低レーザーエネルギーも試験した。興味深いことに、ＳｉＮＷはｐＳｉ又はＭＡＬＤＩよりも低エネルギーしか必要とせず（図６１）、その結果、ＳｉＮＷから表面関連バックグラウンドイオンはほんに僅かしか観察されなかった。この特徴は小分子の分析に特に有用であり、レーザー脱離イオン化を０．３μＪ程度の低いレーザーエネルギーで実施できる。図６１は（ａ）シリコンナノワイヤー（左の黄色部分）と多孔質シリコン（右の薄青色部分）をプラットフォームとして使用するレーザー脱離イオン化分析で使用したＭＡＬＤＩ機器設定に対するパルス当たりのレーザーエネルギーのプロットと；（ｂ）２種のプラットフォームで小分子（ミダゾラム，ｍ／ｚ３２６；プロパフェノン，ｍ／ｚ３４２；ベラパミル，ｍ／ｚ４５５，５００ｆｍｏｌ）を脱離イオン化するために必要なレーザーエネルギーの比較を示す。
上記に説明したように、ＳｉＮＷはＴＬＣのプラットフォームとして利用することができるのでＳｉＮＷの有用な適用例の１つはクロマトグラフィー分野である。ＴＬＣでは、毛管力を利用して検体を移動相で輸送し、固定相に添加した検体を種々の速度で移動させ、最終的に分離する。例えばＳｈｅｒｍａ，Ｊ．，“Ｔｈｉｎ−Ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｐａｐｅｒ−Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ”Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６０：Ｒ７４−Ｒ８６（１９８８）参照、上記も参照。ＳｉＮＷが単純なサンプル混合物を分離できるのは表面積対体積比が大きいためである。レーザー脱離イオン化質量分析を助長する能力と組み合わせると、ＳｉＮＷによるＴＬＣ−ＭＳはサンプル混合物を分離及び分析するための簡単で廉価で迅速な定量的手段を提供する。本実施例は２種の薬剤小分子（テノキシカムｍ／ｚ３３８；ピロキシカムｍ／ｚ３３２）の混合物の分析においてＳｉＮＷによるＴＬＣを実証する。図６２参照。２５４ｎｍ ＵＶ光を照射した場合の薬剤分子の蛍光によると、シリル化ナノワイヤーシリコン表面はサンプル混合物を移動及び分離できることが判明した（テノキシカムとピロキシカム夫々Ｒｆ＝０．６９、０．５６）。サンプルトラックに沿ってＳｉＮＷ ＴＬＣプレートをＭＳ走査した処、ピロキシカムとテノキシカムに夫々対応するｍ／ｚ３３２とｍ／ｚ３３８に出現する２個の強いシグナルが観察された。なお、質量スペクトルは２個の隣接スポットからしか観察されず、これらのスポットの上下の分析ではシグナルを発生しなかった。ナノワイヤー寸法の変化と各種シリル化剤の効果は分離及び抽出効率に影響ないと考えられる。図６２は薬剤小分子の混合物（テノキシカムｍ／ｚ３３８；ピロキシカムｍ／ｚ３３２）のクロマトグラフィー分離用プラットフォームとしてのシリコンナノワイヤーを示す。サンプルをプレートの縁部から０．５ｃｍに堆積し、メタノール：水混合物を移動相として使用して分離させた。
本実施例に記載する結果は直接生体分子分析におけるシリル化ＳｉＮＷの使用を実証する。寸法性、サイズ、大表面積、及び流体ウィッキング性は質量分析とクロマトグラフィー分離での適用に重要な役割を果たすことが知られている。本実施例はＳｉＮＷがＭＡＬＤＩやｐＳｉ−ＤＩＯＳに比較して低いレーザーエネルギーしかレーザー脱離イオン化に必要としないことも実証する。更に、良好な感度で広範な分子の分析が達成され、本材料はＴＬＣ−ＭＳ分析用プラットフォームとして利用することもできた。ＳｉＮＷは広範な基板上にパターニングできるため、簡単に商品開発できる。付加化学種及び構造修飾により表面特性を調整することにより感度及びクロマトグラフィー特性を著しく改善できると考えられる。
本実施例では、Ａｕナノクラスター触媒気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長メカニズムを使用してＳｉＮＷを合成した。選択粒度のＡｕコロイド粒子をシリコンウェーハに堆積し、直径分布の狭い高品質ＳｉＮＷを作製した。要約すると、本方法はスピンコーティングによりシリコン基板上に分布した直径１０、２０及び４０ｎｍのＡｕナノ粒子を利用する。ＳＥＭにより確認しながらワイヤー１〜１０本／μｍ２の密度となるようにコロイドを堆積した。溶媒と有機残基を除去した後、基板を４８０℃化学蒸着（ＣＶＤ）炉に入れ、シラン（ＳｉＨ４）を蒸気相反応体としてＳｉＮＷを成長させた。ＳｉＮＷを５％ＨＦ溶液でエッチングして酸化物層を除去した後、オゾンで酸化した。次に表面をシリル化試薬で修飾した。オゾンで酸化したＳｉＮＷ上に存在するＯＨ基を（ペンタフルオロフェニル）プロピルジメチルクロロシラン（ＰＦＰＰＤＣＳ）でシリル化することにより修飾し、表面誘導体化した。この修飾により、ペルフルオロフェニル誘導体化ＳｉＮＷ表面が得られた。シリル化反応はＰＦＰＰＤＣＳ１５μＬを酸化ＳｉＮＷに添加し、ガラスペトリ皿に入れて９０℃で１５分間インキュベートすることにより実施した。化学的に修飾したＳｉＮＷ表面をメタノールで十分に濯ぎ、Ｎ２流で乾燥した。この単純な方法によりペルフルオロフェニルシリル化ＳｉＮＷ表面が作製され、赤外（ＩＲ）スペクトロスコピーにより確認された。ＪＥＯＬ ６４６０ＬＶ ＳＥＭを使用してナノワイヤー直径、長さ及び密度を測定した。サンプルを真鍮クリップで試料台に載せ、自然条件下で分析した。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ（Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，ＭＡ）Ｖｏｙａｇｅｒ ＳＴＲ飛行時間リフレクトロン型質量分析計を使用してＤＩＯＳ−ＭＳ測定を行った。導電カーボンテープを使用してＳｉＮＷ表面を修飾ＭＡＬＤＩターゲットプレートに付着させ、窒素レーザーを３３７ｎｍ、５Ｈｚ（３ｎｓパルス周期）で励起してサンプルに照射し、ニュートラルフィルターで減衰させた。レーザー脱離により発生したイオンを２５−２５０ｎｓの遅延引き出し時間の間にエネルギー安定化した後、線形飛行時間リフレクトロン質量分析計により２０ｋＶパルスで加速した。ＭＳスペクトルは５０−５００レーザーバルスを平均することにより作成した。レーザー強度はシグナル対ノイズ比と検体の質量スペクトルデータの分解を最適化するように設定した。ＴＬＣ分離には、ペルフルオロフェニル誘導体化ＳｉＮＷ表面をＴＬＣプレートとして使用した。分離前にプレートを９０℃に１５分間加熱した後、室温まで放冷させた。テノキシカムとピロキシカム各１ｍｇ／ｍＬを含有するサンプル混合物の５μＬアリコートをプレートに堆積した。サンプルの分離はメタノール：水（８：２ ｖ／ｖ）混合物を移動相として使用して実施した。分離は透明プラスチックフィルムで覆ったビーカー内で実施した。クロマトグラムは３０分間展開させた。ＳｉＮＷ表面を乾燥し、表面に２５４ｎｍ ＵＶ光を照射することによりスポットを可視化した。凍結乾燥サンプルを脱イオン水で１ｍｇ／ｍＬに希釈後に必要に応じて連続希釈することによりベラパミル（ＭＷ４５４Ｄａ）、プロパフェノン（ＭＷ３４１）、ミダゾラム（ＭＷ３２４Ｄａ）、ｄｅｓ−ブラジキニン（ＭＷ９０４）のストック水溶液を調製した。テノキシカムとピロキシカムのストック溶液をジクロロメタン中２ｍｇ／ｍＬで調製した。ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）とフロックハウスウイルス（ＦＨＶ）蛋白分解消化産物をトリプシン（１：３０酵素対蛋白質質量比）で調製した。蛋白質を９０℃で２０分間変性させた。ＦＨＶをジチオスレイトール（ＤＴＴ）で還元し、ヨードアセトアミド（ＩＡＡ）でアルキル化した。トリプシン消化産物を３７℃で５ｍＭクエン酸アンモニウム緩衝液（ｐＨ７．５）中で一晩インキュベートした。酵素反応は１８時間以内に完了し、夫々１μＭの最終ＢＳＡ及びＦＨＶ濃度となった。サンプル（０．５μｌ）を化学修飾ＳｉＮＷ表面に直接ピペッティングした。高純度グレード試薬はＰＦＰＰＤＣＳとトリプシンを夫々Ｇｅｌｅｓｔ，Ｉｎｃ．とＰｒｏｍｅｇａから入手した以外は全てＳｉｇｍａから入手した。
ナノファイバー基板による蛍光消光
ナノファイバー表面（ここではナノワイヤー）上の自然酸化物と成長酸化物の非特異的結合蛍光の消光の比較を図６３に示す。同図は自然酸化物表面によるシリコンの消光効果を示す。酸化した２個のウェーハセグメントはバックグラウンドシグナルの約５倍であったが、特異的結合シグナルの増加は約２．３倍に過ぎなかった。特異的シグナルの増加はナノファイバー密度が高いためであると考えられる。図６３の表面の蛍光はＰｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ ＳｃａｎＡｒｒａｙ ｅｘｐｒｅｓｓ ｓｃａｎｎｅｒに６３３ｎｍレーザーを装備して検出した。バックグラウンド強度（利得４５及びレーザー出力７０で平均強度として測定）は自然酸化物４０８０、熱酸化物（部分）２１５２３、及び熱酸化物（完全）１８３９６であった。飽和結合強度（利得３３及びレーザー出力７０で平均強度として測定）は自然酸化物２３２４５、熱酸化物（部分）５４２４５、及び熱酸化物（完全） ５１７８３であった。蛍光顕微鏡を使用して同様の表面を分析した処、同様の結果であった（図示せず）。図６４はシリコン（平坦及びナノファイバー表面）上の自然酸化物と成長酸化物の非特異的結合蛍光の消光を詳細に示す。図６４から明らかなように、熱成長酸化物平坦表面のバックグラウンドシグナルは自然酸化物表面のシグナルの４倍を上回る。他方、特異的シグナルは１．７５倍に過ぎない。このような差は自然酸化物表面上の非特異的結合の消光の増加を示す。同様に、自然酸化物表面をもつナノファイバー表面（ここではナノワイヤー）は平坦熱酸化物表面の９倍のバックグラウンドであるが、特異的シグナルの増加は３５倍である。従って、表面積増加と消光増加が相俟ってダイナミックレンジが増加する。特定メカニズムに結び付けるものではないが、これはフルオロフォアから自然酸化物を経てシリコン基板に至る蛍光のエネルギー伝達に起因すると考えられる。非特異的結合フルオロフォアが平均して特異的結合フルオロフォアよりも表面に接近しているならば、非特異的結合フルオロフォアからの蛍光の選択的消光が生じ、従って、ダイナミックレンジは拡がる。図６４ではバックグラウンド強度（利得８０及びレーザー出力８０で平均強度として測定）は平坦（熱）４６４０、平坦（自然酸化物）１１１９及びナノファイバー（ここではナノワイヤー）（自然酸化物）４１５５６であった。飽和結合強度（利得４０及びレーザー出力７０で平均強度として測定）は平坦（熱）９４５、平坦（自然酸化物）５５１及びナノファイバー（自然酸化物）３２７５６であった。利得８０及びレーザー出力８０で測定した場合には、平坦（熱）１２，２３０、平坦（自然酸化物）６，９３０であり、ナノファイバー（ナノワイヤー）（自然酸化物）は飽和した。
図６５〜６７は本発明の蛋白質及びＤＮＡアレーの性能改善を更に裏付ける。図６５は蛋白質結合及びＤＮＡハイブリダイゼーションの模式図であり、図６６は結合プロセス中の蛍光消光を示す模式図である。図６７は図６５の反応をグラフで示す。図６５Ａ及び６７Ａでは、ＤＮＡハイブリダイゼーションをＣｙ５，６５００により示し、ターゲットオリゴヌクレオチド６５０１はＳｉＯ２とのＰＥＧリンカー６５０３に付着したオリゴヌクレオチドプローブ６５０２に結合している。図６５Ｂ及び６７Ｂでは、蛋白質結合（ＩＬ−６）を蛍光ストレプトアビジン６５０４、ビオチン化二次（ポリクローナル抗ＩＬ−６）６５０５、ＩＬ−６（組換えヒト）６５０６、及び吸着モノクローナル抗ＩＬ−６６５０７の結合により示す。図６６はシリコン６６０１上の自然酸化物ウェーハ６６００上の消光を示す。特異的結合蛍光６６０２は消光しないが、ＮＳＢ蛍光は消光する。シリコン層６６０５上の成長酸化物基板６６０４では、特異的結合蛍光６６０６は消光せず、ＮＳＢ蛍光６６０７は消光しない。図６７はＤＮＡハイブリダイゼーション及び蛋白質結合アッセイ（サンドイッチイムノアッセイ）の両者からの代表的結合データを示し、ナノファイバー（ここではナノワイヤー）突起を同一チップ上の平坦領域と比較する。突起を同様に修飾し、アッセイした。図６７のデータは本発明のナノファイバーアレーのシグナル強度とダイナミックレンジの劇的な改善を実証している。なお、アレー突起上の検出限界はどちらのアッセイフォーマットでも１桁低い。
キャピラリー／チューブにおけるナノファイバー基板
キャピラリーチューブ内のナノファイバー増大表面積基板の１例を図６８〜７１に示す。このような増大表面積キャピラリーを作製するために、内径約１ｍｍ及び長さ約５０ｍｍの石英キャピラリーチューブを作製した。チューブを０．００１％ポリ−Ｌ−リジンで２０分間処理し、Ｎ２でブロー乾燥した。次にチューブを１５０℃に３０分間加熱した後、冷却した。チューブのごく先端を４０ｎｍ金コロイドに浸漬し、毛管作用によりチューブ内に吸引した。コロイドをチューブの内壁に１５−２０分間付着させ、Ｎ２でブロー乾燥した。ナノファイバー（この場合はナノワイヤー）を４７０℃で３０分間３０Ｔ及び１．５Ｔ ＳｉＨ４下に成長させた。ナノファイバー成長はチューブの全長に進行した。図６８及び６９はチューブの末端から約１．５ｍｍで切断したチューブ内面の断片の写真を示す。図７０及び７１はチューブの末端開口から撮影した上から下を見た写真である。
典型的ナノファイバー基板上の細胞増殖の防止／低減
ナノファイバーを成長させる基板上の絶対表面積は増加するが、ファイバーは固体表面積対体積比が低く、連続性がなく、ナノスケールであるため、細胞が付着しにくいと考えられる。本発明のこれらの例証で使用するナノファイバー表面はエレクトロニクス用途に作製しており、本実施例での使用に最適化していないが、自明の通り、このような表面はバイオフィルム蓄積も低減した。使用したシリコンワイヤーは直径〜４０ｎｍ及び長さ５０〜１００ｕｍのものを４インチシリコン基板上で成長させた。ナノワイヤー作製方法を以下に記載する。本実施例では、本実験で使用したナノワイヤー断片は約０．２５ｃｍ２とした。培地に導入する直前に１００％エタノールに浸漬し、窒素流でブロー乾燥した。シリコンウェーハ対照（即ちナノワイヤーなし）もエタノールに浸漬し、ブロー乾燥した。Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓを３５ｍｍペトリ皿でＬＢブロスに入れ、６時間３７℃で温和に振盪しながら増殖させた。次にウェーハ断片を培養液に入れ、２４時間３７℃で元の培地に放置した。２４時間インキュベーション後にウェーハスライスを取り出し、新鮮な培地で短時間洗浄し、迅速に水に浸漬した後、３０秒間熱固定した後に０．２％クリスタルバイオレット溶液で染色した。ウェーハセグメントを水で十分に濯いだ。ウェーハに付着した微生物を従来の明視野顕微鏡により可視化した。画像をディジタルカメラで撮影した。図７２の画像はシリコンウェーハ対照に比較してナノワイヤー基板上の細菌の約１０分の１の減少を示す。ナノワイヤー層の厚さは顕微鏡の視野深度よりも大きいので、ナノワイヤー内に焦点を合わせることにより顕微鏡で定量を行った。図７２では１０００倍の倍率で撮影した。黒点が染色したＳ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓである。左上の写真は２４時間後のナノファイバー（ここではナノワイヤー）表面を示す。左下の写真は７２時間後のナノファイバーを示す。右上の写真は２４時間後の平坦シリコン表面を示し、右下の写真は７２時間後のシリコンを示す。７２時間後の平坦シリコンは厚いバイオフィルムで覆われている。ナノファイバー上のぼやけた領域は表面組織が顕微鏡の焦点深度よりも大きいためである。
ナノファイバー表面が哺乳動物細胞を排斥することを例証するために、ＣＨＯ細胞を５％ＣＯ２雰囲気下に３７℃の完全培地（Ｈａｍｓ Ｆ１２培地に１０％胎仔ウシ血清を補充）で培養した。細胞培養液を加えた３５ｍｍペトリ皿にウェーハセグメントを入れた。コンフルエント培養液からトリプシン処理後にＣＨＯ細胞をペトリ皿に完全培地中１０６個／ｍｌの密度で播種した。細胞を一晩接着させた後に２４時間おきに顕微鏡で観察した。３５ｍｍペトリ皿の表面は最初に観察を行った４８時間後にコンフルエントであった。ナノワイヤー表面に細胞増殖は直接観察されなかった。表面をナイフでスクラッチすることによりナノワイヤーを除去しておいた場合には細胞が接着し、増殖した。シリコンウェーハ対照は細胞でコンフルエントになった。図７３の顕微鏡写真はこの挙動を示す。図７３では、スクラッチしたナノファイバー表面をＮｏｍａｒｓｋｉ光学素子により２００倍の倍率で示す。濃茶色領域は無傷のナノファイバー（ここではナノワイヤー）７３００を示し、オレンジ色の領域はスクラッチ部分を示し、ＣＨＯ細胞がスクラッチ線７３０１に沿って増殖している。これらの実験では、哺乳動物細胞増殖の完全な遅延と細菌増殖の約１０分の１の低減が観察された。対照表面はナノワイヤーと化学的に一致していたので、細胞及び細菌増殖の低減はナノファイバー増大表面積基板のユニーンな表面形態によると考えられる。
Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓは医療装置の感染に関与する代表的細菌であるので本明細書の例証で使用した。更に、Ｓ．ｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓは生体材料の評価に広く使用されており、生体材料を中心とする感染の主要種として認められている。Ｓ．ａｕｒｅｕｓ、Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ及びＢ群溶血性連鎖球菌等の生体材料関連感染に関与する他の細菌も本発明の態様の使用により防止できると考えられる。本明細書に例証するＣＨＯ細胞に加え、例えばＭＤＣＫ、Ｌ−９２９及びＨＬ６０細胞等の他の一般的な組織培養株も本発明の態様の使用により防止できると考えられる。このような細胞株は広いダイバーシティの細胞型を表す。ＣＨＯ細胞とＭＤＣＫ細胞は上皮細胞の代表的なものであり、Ｌ−９２９細胞は結合組織の形成に関与しており、ＨＬ６０株は免疫監視細胞である。従って、本発明のナノファイバー増大表面積はこれらの細胞型及び他の一般的なｉｎ ｖｉｖｏ細胞型を防止できると考えられる。本明細書のｉｎ ｖｉｔｒｏ例証で使用されるナノファイバーはシリコンから作製され、本明細書の各所に詳述するように、シリコンナノワイヤーの合成については数種の方法が文献に報告されている。例えば、金属含有シリコンターゲットのレーザーアブレーション、Ｓｉ／ＳｉＯ２混合物の高温蒸着、及び金を触媒として使用する気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長が挙げられる。上記参照。場合により任意作製方法が使用されるが、ＶＬＳ成長が半導体ナノワイヤー成長に広く使用されているのでナノワイヤー合成アプローチは一般にこの方法である。このような方法については本明細書の他の箇所に記載している。図７は本発明の態様で使用される典型的なシリコンナノワイヤー及び酸化物表面のＴＥＭ画像の１例を示す。
以上、明確に理解できるように本発明を多少詳細に記載したが、本発明の真の範囲を逸脱することなく形態や細部に種々の変更が可能であることは以上の開示から当業者に自明である。例えば、上記全技術及び装置は種々に組合せて使用することができる。本明細書に引用した全公報、特許、特許出願、及び／又は他の文献はその開示内容全体を全目的で参考資料として組込み、各公報、特許、特許出願、及び／又は他の文献を全目的で参考資料として組込むと個々に記載しているものとして扱う。
機能化平坦基板と機能化ナノファイバー増大基板を示す模式図である。 代表的ナノファイバー表面の電子顕微鏡写真である。 パターニングしていないものとしたもの（マイクロアレー）のナノファイバー表面を比較する図である。 従来のＤＮＡアレー上のスポット内のＤＮＡ分布の変動を示す。 図５Ａ−Ｃはパターン化ナノファイバーウィッキングトラック／チャネルの典型的構成を示す。 典型的ナノファイバーウィッキング構成の模式図である。 典型的ナノファイバー表面の電子顕微鏡写真である。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 シャドーマスク金膜法により作製した本発明のナノファイバーアレーを示す。 本発明のナノファイバーアレーの１例を示す。 図１６Ａ及びＢは本発明のナノファイバーアレーの１例を示す。 図１７Ａ及びＢは本発明のナノファイバー表面の電子顕微鏡写真である。 疎水性／親水性パターン化ナノファイバー基板の模式図である。 超疎水性増大ナノファイバー基板上の水滴の写真である。 本発明のナノファイバーマイクロアレーの典型的ヘッジ／ピクセル構成の模式図である。 ＨＰＬＣ充填材料の寸法と比較したナノファイバーの模式図である。 ナノファイバー薄層で覆われた基板の模式図である。 マクロ多孔質媒体にナノワイヤー層をコーティングすることにより形成される膜を示す。 キャピラリーチューブの内側で成長／堆積させたナノファイバーの模式図である。 キャピラリーチューブの内側で成長／堆積させたナノファイバーを含むデバイスの模式図である。 ナノファイバーから作製した粒子を示す。 ナノファイバーから作製した粒子を充填したサンプルクロマトグラフィーカラムを示す。 図２８Ａは平坦基板と本発明のナノファイバー増大基板のウィッキング能を比較するデータを示す。 図２８Ｂは平坦基板と本発明のナノファイバー増大基板のウィッキング能を比較するデータを示す。 典型的ナノファイバーウィッキング構成の模式図である。 ナノファイバーウィッキング構成の蛍光アッセイを示す。 ナノファイバーウィッキング構成の蛍光アッセイを示す。 従来のアレースキャナーによるナノファイバーアレーの分析により作成したグラフを示す。 図３３Ａ及びＢは本発明の典型的ナノファイバーアレーの暗視野画像と蛍光画像を示す。 サンプルナノファイバーハイブリダイゼーションアッセイシステムの模式図を示す。 平坦表面とナノファイバー表面上のハイブリダイゼーション間の蛍光シグナル強度を比較する。 図３６Ａはナノファイバー表面と平坦表面のダイナミックレンジを比較するグラフを示す。 図３６Ｂはナノファイバー表面と平坦表面のダイナミックレンジを比較するグラフを示す。 図３７Ａはナノファイバー表面と平坦表面の結合速度を比較するグラフを示す。 図３７Ｂはナノファイバー表面と平坦表面の結合速度を比較するグラフを示す。 図３８Ａ及びＢはナノファイバー基板と平坦基板への蛋白質結合の比較を示す。 図３９Ａ及びＢはナノファイバー基板と平坦表面基板のシグナル強度とダイナミックレンジの比較を示す。 平坦基板とナノファイバー（ナノワイヤー）基板上の蛍光蛋白質の直接スポットを比較する。 化学種のスポット後に蛍光ターゲットと共にインキュベーションした場合を示す。 図４２Ａ−Ｂは従来のアレーと本発明のナノファイバーアレーのスポット内及びスポット間変動を示す。 図４２Ｃ−Ｄは従来のアレーと本発明のナノファイバーアレーのスポット内及びスポット間変動を示す。 ナノファイバー表面との蛋白質／核酸結合を示す。 ナノファイバー表面との蛋白質／核酸結合を示す。 ナノファイバー表面との蛋白質／核酸結合を示す。 ナノファイバー表面との蛋白質／核酸結合を示す。 平坦表面とナノファイバー表面の検出限界の正規化比較を示す。 ナノファイバー基板と平坦基板の単位面積当たり強度の比較を示す。 ナノファイバー表面と平坦表面の結合速度の初期測定を示す。 平坦基板とナノファイバー基板上のシグナルの均質性を比較する。 ナノファイバー表面の典型的誘導体化試薬の化学構造を示す。 ナノファイバー表面での質量分析により分析した典型的化合物の化学構造を示す。 典型的化合物のナノファイバー表面での質量分析を示す。 典型的化合物のナノファイバー表面での質量分析を示す。 典型的化合物のナノファイバー表面での質量分析を示す。 図５６Ａ−Ｂは典型的化合物のナノファイバー表面での質量分析を示す。 図５６Ｃ−Ｄは典型的化合物のナノファイバー表面での質量分析を示す。 質量分析に使用したナノファイバー増大基板のアルミナパターン作製用シャドーマスクを示す。 本発明のナノファイバー増大基板上のサンプルの質量分析の結果を示す。 本発明のナノファイバー増大基板上のサンプルの質量分析の結果を示す。 典型的レーザー脱離イオン化ＭＳ機構の構成を示す。 シリル化シリコンナノワイヤーからのレーザー脱離イオン化を示す。 シリコンナノワイヤーと多孔質シリコンを使用したレーザー脱離イオン化分析のＭＡＬＤＩ設定に対するパルス当たりのレーザーエネルギーのプロットと、このようなプラットフォームで選択小分子を脱離イオン化するために必要なレーザーエネルギーの比較を示す。 典型的混合物のクロマトグラフィー分離用プラットフォームとしてのシリコンナノワイヤーと、前記分離の質量分析を示す。 ナノファイバー（ナノワイヤー）表面上の自然酸化物と成長酸化物の非特異的結合蛍光の消光の比較を示す。 シリコン（平坦及びナノファイバー、ナノワイヤー表面）上の自然酸化物と成長酸化物の非特異的結合蛍光の消光の比較を示す。 シリコン基板とのＤＮＡ及び蛋白質ハイブリダイゼーションの模式図である。 ナノファイバー基板アッセイにおける蛍光消光の模式図である。 図６７Ａ及びＢはナノファイバー（ここではナノワイヤー）表面と平坦表面のＤＮＡ及び蛋白質ハイブリダイゼーションのダイナミック強度レンジの比較を示す。 キャピラリーチューブ内で成長させたナノファイバーの写真を示す。 キャピラリーチューブ内で成長させたナノファイバーの写真を示す。 キャピラリーチューブ内で成長させたナノファイバーの写真を示す。 キャピラリーチューブ内で成長させたナノファイバーの写真を示す。 平坦シリコン基板とナノファイバー（ナノワイヤー）基板上の細菌増殖を比較する写真を示す。 スクラッチしたナノファイバー基板の選択領域上のＣＨＯ細胞の増殖を示す。

Claims (203)

  1. 少なくとも第１の表面と；第１の表面に付着した複数のナノファイバーと；複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分を含む基板。
  2. 前記部分が外来部分である請求項１に記載の基板。
  3. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約５００ミクロンである請求項１に記載の基板。
  4. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約５ミクロン〜少なくとも約１５０ミクロンである請求項１に記載の基板。
  5. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１０ミクロン〜少なくとも約１２５ミクロンである請求項１に記載の基板。
  6. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約５０ミクロン〜少なくとも約１００ミクロンである請求項１に記載の基板。
  7. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロンである請求項１に記載の基板。
  8. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約１０ｎｍ〜少なくとも約５００ｎｍである請求項１に記載の基板。
  9. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約２０ｎｍ〜少なくとも約２５０ｎｍである請求項１に記載の基板。
  10. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約４０ｎｍ〜少なくとも約２００ｎｍである請求項１に記載の基板。
  11. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約７５ｎｍ〜少なくとも約１００ｎｍである請求項１に記載の基板。
  12. 複数のナノファイバーが平方密度約０．１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項１に記載の基板。
  13. 複数のナノファイバーが平方密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約５００本／平方ミクロンである請求項１に記載の基板。
  14. 複数のナノファイバーが平方密度約１０本／平方ミクロン〜少なくとも約２５０本／平方ミクロンである請求項１に記載の基板。
  15. 複数のナノファイバーが平方密度約５０本／平方ミクロン〜少なくとも約１００本／平方ミクロンである請求項１に記載の基板。
  16. １個以上の部分が１個以上の検体の１個以上の相互作用部位を提供する請求項１に記載の基板。
  17. 前記部分が１個以上の特異的に相互作用する部分を含む請求項１６に記載の基板。
  18. 前記部分が１個以上の非む特異的に相互作用する部分を含む請求項１６に記載の基板。
  19. 前記部分及び検体が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項１６に記載の基板。
  20. 複数のナノファイバーを少なくとも第２の表面で成長させ、第１の表面に移送する請求項１に記載の基板。
  21. 複数のナノファイバーを第１の表面で成長させる請求項１に記載の基板。
  22. ナノファイバーが第１の表面の面に実質的に平行である請求項１に記載の基板。
  23. ナノファイバーが第１の表面の面に実質的に垂直である請求項１に記載の基板。
  24. 第１の表面及び／又はナノファイバーがシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、及び脂肪族ポリマーから構成される群から独立して選択される請求項１に記載の基板。
  25. １個以上の部分がチオール基を介して複数のナノファイバーのメンバーに付着又は結合している請求項１に記載の基板。
  26. 複数のナノファイバー中に分散された複数のナノ粒子を更に含む請求項１に記載の基板。
  27. 基板がマイクロアレーを含み、前記マイクロアレーが第１の領域と少なくとも第２の領域を含み、各領域が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の部分を含む請求項１に記載の基板。
  28. 第１の領域が少なくとも第２の領域と異なる部分を含む請求項２７に記載の基板。
  29. 少なくとも第３の領域を更に含み、前記第３の領域が第１の領域と第２の領域を分離しており、少なくとも第３の領域が第１の領域及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低く、従って第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する請求項２７に記載の基板。
  30. 第１の領域と少なくとも第２の領域が同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積又は同様のフットプリント寸法の第３の領域の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ請求項２９に記載の基板。
  31. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の面積である請求項３０に記載の基板。
  32. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の面積である請求項３０に記載の基板。
  33. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の面積である請求項３０に記載の基板。
  34. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の面積である請求項３０に記載の基板。
  35. 第３の領域が実質的にナノファイバーを含まない請求項２９に記載の基板。
  36. 少なくとも第３の領域を更に含み、前記第３の領域が第１の領域と少なくとも第２の領域を分離しており、少なくとも第３の領域が第１の領域及び第２の領域のナノファイバーの疎水性／親水性極性と逆の疎水性／親水性極性であり、従って、第１の領域と第２の領域の間にバリアー領域を提供する請求項２７に記載の基板。
  37. 第３の領域が１個以上の疎水性又は親水性部分を含むナノファイバーを含む請求項３６に記載の基板。
  38. 少なくとも第３の領域が１種以上の流体のウィッキング可能な連続流路を含み、前記流体が第３の領域と第１及び少なくとも第２の領域の間の疎水性／親水性極性の相違により第３の領域内に含まれる請求項３６に記載の基板。
  39. 基板が分離基板を含み、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分を含み，前記ナノファイバー及び／又は部分が１個以上の検体を１個以上のサンプルから分離し、前記基板がナノファイバーを含まない同様のフットプリント寸法の基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ請求項１に記載の基板。
  40. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項３９に記載の基板。
  41. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の増大表面積である請求項３９に記載の基板。
  42. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の増大表面積である請求項３９に記載の基板。
  43. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の増大表面積である請求項３９に記載の基板。
  44. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の増大表面積である請求項３９に記載の基板。
  45. １個以上の部分及び／又は１種以上の材料が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項３９に記載の基板。
  46. 特定部分が被分離材料中の１個以上の検体と特異的又は非特異的に相互作用する請求項３９に記載の基板。
  47. １種以上の被分離材料の１個以上のソースと、１種以上の被分離材料を分離基板に送達して接触させる流体送達装置を更に含む請求項３９に記載の基板。
  48. 基板が質量分析装置の部分を含み、基板が第１の領域と少なくとも第２の領域を含むマイクロアレーを含み、各領域が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含む請求項１に記載の基板。
  49. 質量分析がレーザー脱離イオン化を含む請求項４８に記載の基板。
  50. 質量分析がＭＡＬＤＩを含む請求項４９に記載の基板。
  51. 質量分析がＳＥＬＤＩを含む請求項４９に記載の基板。
  52. マイクロアレーが複数の領域を含み、各領域が少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む請求項４８に記載の基板。
  53. 各領域が１個以上の被検定検体を含む請求項４８に記載の基板。
  54. 実質的に各領域が異なる検体を含む請求項５３に記載の基板。
  55. １個以上の検体が複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合している請求項５３に記載の基板。
  56. １個以上の検体が固定化されている請求項５５に記載の基板。
  57. １個以上の検体が乾燥又は凍結乾燥されている請求項５５に記載の基板。
  58. １個以上の検体がマトリックスに封入されている請求項５５に記載の基板。
  59. １個以上の検体がマトリックスに封入されていない請求項５５に記載の基板。
  60. 実質的に各領域が異なる被検定検体を含む請求項５３に記載の基板。
  61. 質量分析装置が１個以上の検体を分析し、１個以上の検体が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項４８に記載の基板。
  62. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  63. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  64. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約１０ｎｍ〜少なくとも約５００ｎｍである請求項４８に記載の基板。
  65. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約２０ｎｍ〜少なくとも約２５０ｎｍである請求項４８に記載の基板。
  66. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約４０ｎｍ〜少なくとも約２００ｎｍである請求項４８に記載の基板。
  67. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約５０ｎｍ〜少なくとも約１５０ｎｍである請求項４８に記載の基板。
  68. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約７５ｎｍ〜少なくとも約１００ｎｍである請求項４８に記載の基板。
  69. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の増大表面積である請求項４８に記載の基板。
  70. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の増大表面積である請求項４８に記載の基板。
  71. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の増大表面積である請求項４８に記載の基板。
  72. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の増大表面積である請求項４８に記載の基板。
  73. 複数のナノファイバーが平均密度約０．１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  74. 複数のナノファイバーが平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約５００本／平方ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  75. 複数のナノファイバーが平均密度約１０本／平方ミクロン〜少なくとも約２５０本／平方ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  76. 複数のナノファイバーが平均密度約５０本／平方ミクロン〜少なくとも約１００本／平方ミクロンである請求項４８に記載の基板。
  77. 複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の部分を更に含み、前記部分が１個以上の検体の１個以上の相互作用部位を提供する請求項４８に記載の基板。
  78. 各領域が１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分を含む請求項７７に記載の基板。
  79. 実質的に各領域が１個以上の検体と結合するための異なる部分を含む請求項７８に記載の基板。
  80. 複数のナノファイバーを少なくとも第２の表面で成長させ、第１の表面に移送する請求項４８に記載の基板。
  81. 複数のナノファイバーを第１の表面で成長させる請求項４８に記載の基板。
  82. 基板及び／又はナノファイバーがシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、及び脂肪族ポリマーから構成される群から独立して選択される材料を含む請求項４８に記載の基板。
  83. 基板が対象に移植される移植可能な基板を構成し、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含み、前記複数のナノファイバーが対象と第１の表面の組織付着用スカフォールドを提供する請求項１に記載の基板。
  84. 基板が対象に移植される移植可能な基板を構成し、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含み、前記複数のナノファイバーが生物汚染防止表面を提供する請求項１に記載の基板。
  85. 複数のナノファイバーが１個以上の特定部分を含む請求項８３又は８４に記載の基板。
  86. 前記部分がヒドロキシアパタイトを含む請求項８５に記載の基板。
  87. 前記部分が１本以上のナノファイバーにコーティングを含む請求項８５に記載の基板。
  88. ナノファイバー及び／又は基板がＴｉＯｘを含む請求項８３又は８４に記載の基板。
  89. 対象がヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、又は植物を含む請求項８３又は８４に記載の基板。
  90. １種以上の物質を対象に導入するための薬剤送達装置を含み、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの間に構成される１種以上の物質のレザバーを含む請求項１に記載の基板。
  91. レザバーが更に１個以上の貯蔵マトリックスを含む請求項９０に記載の基板。
  92. 貯蔵マトリックスが１種以上のポリマーを含む請求項９１に記載の基板。
  93. 少なくとも第１の表面と；第１の表面に付着した複数のナノファイバーと；複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含む基板を含むシステム又はデバイス。
  94. 前記部分が外来部分である請求項９３に記載のシステム又はデバイス。
  95. １個以上の材料送達システムを更に含む請求項９３に記載のシステム又はデバイス。
  96. 材料送達システムが１種以上の材料を第１の表面に送達して接触させる請求項９５に記載のシステム又はデバイス。
  97. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項９３に記載のシステム又はデバイス。
  98. １個以上の部分が１個以上の検体の１個以上の特異的又は非特異的相互作用部位を提供する請求項９３に記載のシステム又はデバイス。
  99. 前記部分及び検体が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項９３に記載のシステム又はデバイス。
  100. 第１の領域と少なくとも第２の領域を含む基板を含むマイクロアレーであって、各領域が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の部分を含む前記マイクロアレー。
  101. 前記部分が外来部分である請求項１００に記載のマイクロアレー。
  102. 第１の領域が少なくとも第２の領域と異なる部分を含む請求項１００に記載のマイクロアレー。
  103. 少なくとも第３の領域を更に含み、第３の領域が第１の領域と第２の領域を分離しており、少なくとも第３の領域が第１及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低く、従って、第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する請求項１００に記載のマイクロアレー。
  104. 第１の領域と少なくとも第２の領域が同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積又は同様のフットプリント寸法の第３の領域の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ請求項１０３に記載のマイクロアレー。
  105. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の面積である請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  106. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の面積である請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  107. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の面積である請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  108. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の面積である請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  109. 第３の領域が実質的にナノファイバーを含まない請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  110. 第３の領域内のナノファイバーが実質的にナノファイバーに付着した部分を含まない請求項１０４に記載のマイクロアレー。
  111. 少なくとも第３の領域を更に含み、前記第３の領域が第１の領域と少なくとも第２の領域を分離しており、少なくとも第３の領域が第１の領域及び第２の領域のナノファイバーの疎水性／親水性極性と逆の疎水性／親水性極性であり、従って、第１の領域と第２の領域の間にバリアー領域を提供する請求項１００に記載のマイクロアレー。
  112. 第３の領域が１個以上の疎水性又は親水性部分を含むナノファイバーを含む請求項１１１に記載のマイクロアレー。
  113. 少なくとも第３の領域が１種以上の流体のウィッキング可能な連続流路を含み、前記流体が第３の領域と第１及び少なくとも第２の領域の間の疎水性／親水性極性の相違により第３の領域内に含まれる請求項１１１に記載のマイクロアレー。
  114. 第１の材料と少なくとも第２の材料の混合物から少なくとも第１の材料の存在を確認する方法であって、第１の領域と少なくとも第２の領域を含む基板を提供し、各領域が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含み、前記部分が第１の材料と相互作用するように構成することにより、前記材料の存在を確認する段階と、混合物を基板と接触させる段階を含む前記方法。
  115. 前記部分が外来部分である請求項１１４に記載の方法。
  116. 第１の領域が少なくとも第２の領域と異なる特定部分を含む請求項１１４に記載の方法。
  117. 少なくとも第３の領域を更に含み、第３の領域が第１の領域と第２の領域を分離しており、少なくとも第３の領域が第１及び第２の領域よりもナノファイバー密度が実質的に低く、従って、第１の領域と第２の領域の間に実質的にナノファイバー密度の低いバッファー領域を提供する請求項１１４に記載の方法。
  118. １個以上の部分との相互作用のレベルに基づいて少なくとも第１の材料の存在を定量する段階を更に含む請求項１１４に記載の方法。
  119. 第１の領域と少なくとも第２の領域を含む基板を含むマイクロアレーであって、各領域が増大面積シリコン表面と増大面積シリコン表面に付着した１個以上の特定部分を含み、１個以上の検体と前記表面の非特異的結合からの蛍光が前記表面との近接により消光され、１個以上の検体と前記表面の特異的結合からの蛍光が前記表面との近接により消光されない前記方法。
  120. 少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、１個以上の被分離検体を含む１種以上の材料の１個以上のソースと、複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着した１個以上の特定部分を含む分離基板をもつ分離システム又はデバイスであって、前記基板が実質的に同様のフットプリント寸法の平坦基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ前記システム又はデバイス。
  121. 前記部分が外来部分である請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  122. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  123. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の増大表面積である請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  124. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の増大表面積である請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  125. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の増大表面積である請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  126. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の増大表面積である請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  127. １個以上の部分が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  128. 特定部分が被分離材料中の１個以上の検体と特異的又は非特異的に相互作用する請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  129. １種以上の被分離材料を分離基板に送達して接触させる流体送達装置を更に含む請求項１２０に記載のシステム又はデバイス。
  130. 第１の材料と少なくとも第２の材料の混合物から少なくとも第１の材料を分離するための方法であって、複数のナノファイバーを付着した少なくとも第１の表面を提供する段階と、混合物をナノファイバー内に流し、第１の材料を少なくとも第２の材料から分離する段階を含む前記方法。
  131. 分離が第１の材料と少なくとも第２の材料の寸法の相違に基づく請求項１３０に記載の方法。
  132. 分離が第１の材料と少なくとも第２の材料の電荷の相違に基づく請求項１３０に記載の方法。
  133. 複数のナノファイバーが複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合した１個以上の特定部分を更に含む請求項１３０に記載の方法。
  134. 前記部分が外来部分である請求項１３０に記載の方法。
  135. １個以上の特定部分が第１の材料又は第２の材料の１個以上の成分に特異的であり、分離がナノファイバーの１個以上の特定部分と第１又は第２の材料の１個以上の成分の選択的相互作用に基づく請求項１３０に記載の方法。
  136. 複数のナノファイバーを付着しており、同様のフットプリント寸法の基板の面積の約２倍〜１０，０００倍以上の増大表面積をもつ分離基板と；１種以上の被分離材料の１個以上のソースと；流体送達装置をもつ分離システム又はデバイス。
  137. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  138. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の面積である請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  139. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の面積である請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  140. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の面積である請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  141. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の面積である請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  142. ナノファイバーの密度及び／又は配置が検体の寸法、検体の電荷、又は検体のコンフォーメーションの１種以上に基づいて１個以上の検体を材料から分離することができる請求項１３６に記載のシステム又はデバイス。
  143. 複数のナノファイバーと、１種以上の被分離材料の１個以上のソースと、流体送達装置を含む分離マトリックスを含む分離システム又はデバイス。
  144. 複数のナノファイバーが基板に付着していない請求項１４３に記載の分離システム又はデバイス。
  145. デバイスが複数のナノファイバーを含む円筒形カラムを含む請求項１２０、１３０又は１４３に記載の分離システム又はデバイス。
  146. デバイスが複数のナノファイバーを含む実質的に平坦な基板を含む請求項１２０、１３０又は１４３に記載の分離システム又はデバイス。
  147. 複数のナノファイバーの１本以上が複数の１本以上の他のナノファイバーと架橋している請求項１２０、１３０又は１４３に記載の分離システム又はデバイス。
  148. 複数のナノファイバーの実質的に全メンバーが複数の１本以上の他のナノファイバーと架橋している請求項１２０、１３０又は１４３に記載の分離システム又はデバイス。
  149. 少なくとも第１の検体を結合した複数のナノファイバーを堆積させた少なくとも第１の領域をもつ第１の表面を含む基板と；第１の領域から第１の検体を脱離するように少なくとも第１の領域にエネルギーを導くように配置されたレーザーと；基板から脱離した少なくとも第１の検体を受容するように配置された質量分析計を含む質量分析システム又はデバイス。
  150. 質量分析がＭＡＬＤＩを含む請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  151. 質量分析がＳＥＬＤＩを含む請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  152. 基板が複数の領域を含み、各領域が少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  153. 各領域が１個以上の被検定検体を含む請求項１５２に記載のシステム又はデバイス。
  154. 実質的に各領域が異なる被検定検体を含む請求項１５３に記載のシステム又はデバイス。
  155. 各領域が１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分を含む請求項１４９又は１５２に記載のシステム又はデバイス。
  156. 前記部分が外来部分である請求項１５５に記載のシステム又はデバイス。
  157. 実質的に各領域が１個以上の検体と結合するための異なる部分を含む請求項１５５に記載のシステム又はデバイス。
  158. １個以上の検体が有機分子、無機分子、金属、セラミック、蛋白質、ペプチド、ポリペプチド、核酸、核酸類似体、メタロプロテイン、化学的触媒、金属基、抗体、細胞、イオン、リガンド、基質、受容体、ビオチン、疎水性部分、約１０〜約２０炭素原子長のアルキル鎖、フェニル基、接着強化基、及び補因子から構成される群から選択される請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  159. 基板及び／又はナノファイバーがシリコン、ガラス、石英、プラスチック、セラミック、金属、ポリマー、ＴｉＯ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＴｅ、ＣａＳ、ＣａＳｅ、ＣａＴｅ、ＳｒＳ、ＳｒＳｅ、ＳｒＴｅ、ＢａＳ、ＢａＳｅ、ＢａＴｅ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＡｌＳ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＳｉＯ１、ＳｉＯ２、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルケトン、ポリイミド、芳香族ポリマー、及び脂肪族ポリマーから構成される群から独立して選択される材料を含む請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  160. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  161. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約１０ｎｍ〜少なくとも約５００ｎｍである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  162. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約２０ｎｍ〜少なくとも約２５０ｎｍである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  163. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約４０ｎｍ〜少なくとも約２００ｎｍである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  164. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約５０ｎｍ〜少なくとも約１５０ｎｍである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  165. 複数のナノファイバーのメンバーが平均直径約７５ｎｍ〜少なくとも約１００ｎｍである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  166. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約５倍〜約５０００倍の増大表面積である請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  167. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１０倍〜約１０００倍の増大表面積である請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  168. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約１００倍〜約７５０倍の増大表面積である請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  169. 増大表面積が同様のフットプリント寸法の平坦基板の約２５０倍〜約５００倍の増大表面積である請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  170. 複数のナノファイバーが平均密度約０．１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  171. 複数のナノファイバーが平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約５００本／平方ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  172. 複数のナノファイバーが平均密度約１０本／平方ミクロン〜少なくとも約２５０本／平方ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  173. 複数のナノファイバーが平均密度約５０本／平方ミクロン〜少なくとも約１００本／平方ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  174. 複数のナノファイバーのメンバーが平均長約１ミクロン〜少なくとも約２００ミクロン；平均直径約５ｎｍ〜少なくとも約１ミクロン；及び平均密度約１本／平方ミクロン〜少なくとも約１０００本／平方ミクロンである請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  175. 少なくとも第１の検体が複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合している請求項１４９に記載のシステム又はデバイス。
  176. 検体が固定化されている請求項１７５に記載のシステム又はデバイス。
  177. 検体が乾燥又は凍結乾燥されている請求項１７５に記載のシステム又はデバイス。
  178. 検体がマトリックスに封入されている請求項１７５に記載のシステム又はデバイス。
  179. 検体がマトリックスに封入されていない請求項１７５に記載のシステム又はデバイス。
  180. 質量分析を実施する方法であって、少なくとも第１の検体を結合した複数のナノファイバーを堆積した少なくとも第１の領域をもつ第１の表面を含む基板を提供する段階と；少なくとも第１の領域にエネルギーを導くように配置されたレーザーを提供する段階と；基板から脱離した検体を受容するように配置された質量分析計を提供する段階と；レーザーからのエネルギーで第１の検体を第１の領域から脱離する段階を含む前記方法。
  181. 質量分析がＭＡＬＤＩを含む請求項１８０に記載の方法。
  182. 質量分析がＳＥＬＤＩを含む請求項１８０に記載の方法。
  183. 基板が複数の領域を含み、各領域が少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む請求項１８０に記載の方法。
  184. 各領域が１個以上の被検定検体を含む請求項１８３に記載の方法。
  185. 実質的に各領域が異なる被検定検体を含む請求項１８４に記載の方法。
  186. 各領域が１個以上の検体と特異的又は非特異的に結合するための１個以上の部分を含む請求項１８０又は１８３に記載の方法。
  187. 少なくとも第１の検体が複数のナノファイバーの１本以上のメンバーに付着又は結合している請求項１８３に記載の方法。
  188. 検体が固定化されている請求項１８７に記載の方法。
  189. 検体が乾燥又は凍結乾燥されている請求項１８７に記載の方法。
  190. 検体がマトリックスに封入されている請求項１８７に記載の方法。
  191. 検体がマトリックスに封入されていない請求項１８７に記載の方法。
  192. 対象に移植するための移植可能なデバイスであって、前記移植可能なデバイスが基板を含み、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含み、前記複数のナノファイバーが対象とデバイスの第１の表面の組織付着用スカフォールドを提供する前記デバイス。
  193. 対象に移植するための移植可能なデバイスであって、前記移植可能なデバイスが基板を含み、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーを含み、前記複数のナノファイバーが生物汚染防止表面を提供する前記デバイス。
  194. 複数のナノファイバーが１個以上の特定部分を含む請求項１９２又は１９３に記載のデバイス。
  195. 前記部分がヒドロキシアパタイトを含む請求項１９４に記載のデバイス。
  196. 前記部分が１本以上のナノファイバーにコーティングを含む請求項１９４に記載のデバイス。
  197. ナノファイバー及び／又は基板がＴｉＯｘを含む請求項１９２又は１９３に記載のデバイス。
  198. 対象がヒト、非ヒト霊長類、哺乳動物、両生類、爬虫類、鳥類、又は植物を含む請求項１９２又は１９３に記載のデバイス。
  199. 対象を移植可能なデバイスに組織付着させる方法であって、少なくとも第１の表面と前記表面に付着した複数のナノファイバーを含む基板を提供する段階と、デバイスを対象に移植又は注入する段階を含む前記方法。
  200. 対象の体内で医療デバイスにバイオフィルムが形成されるのを抑制する方法であって、医療デバイスの１個以上の表面を提供する段階を含み、前記表面が複数のナノファイバーを含み、前記表面が対象と接触する前記方法。
  201. １種以上の物質を対象に導入するための薬剤送達デバイスであって、前記デバイスが基板を含み、前記基板が少なくとも第１の表面と、第１の表面に付着した複数のナノファイバーと、複数のナノファイバーのメンバー間に構成される１種以上の物質のレザバーを含む前記デバイス。
  202. レザバーが更に１個以上の貯蔵マトリックスを含む請求項２０１に記載のデバイス。
  203. 貯蔵マトリックスが１種以上のポリマーを含む請求項２０２に記載のデバイス。
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