微电子元件和包括DNA的电子网络

发明领域

本发明一般属于电子领域，并且涉及电子网络和电路以及这种网络或电路的元件和接点。

现有技术

认为与本发明背景技术以及本文描述的制造或试验技术有关的现有技术列在下面：

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通过指出上表中的这些号码来确认这些参考文献。

发明背景技术

在当前技术下的微电子电路和逻辑电路的小型化正在接近其实际和理论极限。各种设计和操作考虑，如散热、不均匀性、连通性以及目前的光刻技术，把目前基于半导体的电子元件的实际最小特征尺寸限制到约0.25-0.3μm。显然电子元件进一步的小型化必须包括用于电子元件和逻辑电路制造的新方法和概念。

纳米级电子电路需要考虑两个基本问题：相应电子元件的操作原理、制造这种元件及其集成为有用电路的方案。

根据随装置尺寸减小变得越来越突出的充电效应^(1-6)，已经提出了多种操作原理。通过现存的微电子学技术，不能实现纳米级电路的建造。特别是，元件间布线和对宏观世界的电气连接变得越来越成问题。分子识别过程和分子进入超分子组件的自装配可以用于复杂结构的建造⁽⁵⁾。然而，集成具有这些结构的电子材料或给它们装上电子功能还没有达到。

核酸具有能用来形成核酸纤维网络的自装配性能^(27-30)。在把胶粒装配成宏观晶体状聚合体时^(14，15)和规定半导体纳米颗粒组件的形状时^(16，17)，DNA已经用作纳米结构的组织者。

术语

在下文中，将利用一些术语，在本发明的上下文中这些术语和其意义如下：

核苷酸链-一列核苷酸。核苷酸可以是核糖核苷酸，脱氧核糖核苷酸，其他核糖核苷酸衍生物，各种合成物，即非天然出现的核糖核苷酸，例如肽核酸(PNA)，以及以上物质的任何组合。核苷酸链可以是单链的、双链的或多链的。

纤维-一种细长线状成分。纤维可以具有聚合的或共聚的骨架，或者可以包括数条不同聚合物或彼此连接的共聚物。纤维通过在其上沉积一种或多种物质或颗粒可以被化学性地修饰。本发明的纤维包括至少一条核苷酸链。本发明的纤维也可以仅包括核苷酸链。

结合-一个总地指所有类型的相互作用的术语，这些相互作用把两个或多个分子、物质、颗粒、超分子结构等结合在一起，或者把这些的结合带到固体基体。结合可以是共价或非共价键(非共价键可以包括离子相互作用、疏水性相互作用、范德瓦耳斯相互作用、化学吸附作用等的一种或多种)。该术语的导出术语(即“结合”、“被结合”等)依据句法具有与“结合”的意义相当的意义。

相互作用-两个分子团的非共价键结合。该术语的导出术语(即“交互作用”、“交互影响”等)依据句法具有与“相互作用”的意义相当的意义。

功能化的核苷酸链-一个已被化学或物理修饰的，或者与把电气或电子性能赋予它的沉积在其上的物质、分子、原子或分子簇、或颗粒相连的核苷酸链。这样的物质或颗粒可通过各种相互作用结合到核苷酸链上(例如，可被化学沉积到链上，可以通过各种化学相互作用复合到其上，可以通过静电或疏水性相互作用与链相关联，等等)。物质或颗粒根据链的一般化学性能可以结合到核苷酸链上，或者以序列特异性方式结合到核苷酸链上。这样的物质、分子、簇或颗粒的例子是：金属，例如产生导电核苷酸链的金属；各种半导体材料，它们能形成导体(或电阻器)、电子p/n结、和其他；分子、分子簇或颗粒，它们能与核苷酸链相连接，在核苷酸链之间形成功能逻辑接合点；等等。依据结合物质或颗粒的类型，赋予核苷酸链的电气或电子性能可以是导电、绝缘、选通、切换、电气放大等。

功能化纤维-一种已被化学或物理修饰的，或者与把电气或电子性能赋予纤维或其一部分的沉积在其上的物质、原子或分子簇、或颗粒相连的纤维。功能化纤维的一个例子是其核苷酸链已经功能化的纤维。

接合点-两根或多根纤维彼此连接的一个点。在图2中能看到接合点的例子(请参考下面与该图有关的描述)。

网络-一种几何的一维、两维或三维结构，包括至少一根纤维，并且可以包括其他成分，如颗粒、分子，例如蛋白质、其他大分子及超分子复合物等。术语“网络”可以是指纤维的几何排列和在他们之间的接合点。该术语时常可以用来表示功能化网络(见下文)。

功能化网络-一种包括至少一根功能化纤维的网络。功能化网络具有尤其由其几何形状、连接类型和不同纤维之间的接合点，由沉积或复合的物质或颗粒等的性质定义的性能。

电子功能性(或电子功能的)-使之用作电子元件的成分的性能。

接口元件-一种导电基体，可以由金属或任何其他导电材料制造，或者可以用金属或这种导电材料涂敷，该导电基体用作所述网络对外部电子或电气元件或电路的连接，因而用作与外部元件或电路的输入/输出(I/O)接口。接口元件一方面连接到网络上，而另一方面电气连接到一个外部元件或电路上。接口元件在这里时常也可以称作“电极”。

导线-在本发明的上下文中-一根带有结合的物质或颗粒的功能化纤维，这些产生沿纤维的电导率。导线是可以互连网络的两个或多个地点、连接网络与电极、连接在两个网络之间、等等的导电元件。一根导线可以延伸到一根功能化纤维的整个长度，或者可以仅伸到一根功能化纤维的部分长度，用其他部分用作用于各种类型的电子元件，例如二极管、电气开关等，的基础。

绝缘体-网络的一种元件，起用于导电的障碍的作用。

导体-网络的一种元件，允许经其变化传递。

开关-一种两端子或多端子元件，其中由包括例如在另一个端子处的电位、光、压力、化学反应、应力等的控制信号，接通或断开任何端子对之间的传导。

电子元件-除导线或导线之间的简单接合点之外(简单接合点是具有仅提供纤维或功能化纤维之间的连接的目的的接合点)，可以形成电子网络部分的任何元件。电子元件可以是导体、绝缘体、开关、晶体管、二极管、发光二极管、电容器、电感器、和其他元件。

网络元件-一个总地既指导线又指电子元件的术语。

外部电路、外部元件-电子或电气电路或者电子或电气元件，分别电气位于网络外部，并且一般包括先有技术的电气或电子元件，包括标准固态微电子元件。

接合剂-一种试剂(分子、分子的复合物、超分子结构、大分子、团、胶粒、分子簇、等)，起提供网络元件之间或网络与接口元件之间的物理连接的作用。接合剂对于网络元件或对于接口元件，可以具有用于共价或非共价结合(例如复合或吸附等)的化学基团。接合剂的例子是：核酸结合蛋白质；对特定核酸序列具有结合能力的合成分子；短的、单链或多链核酸序列(例如寡核苷酸)，例如具有一个“粘性末端”并且在其另一末端处被修饰，以允许它结合到接口元件上；包括用来结合到另一基团或携带结合对的其他成员的元件上的结合对的一个成员的组(结合对是彼此特异性相互作用的一对分子，如抗原-抗体、受体-配体、生物素-抗生物素蛋白、糖-凝聚素、核苷酸列-互补列等)。

复合剂-一种试剂，它被用于网络元件的彼此结合。结合可以是共价的或非共价的。复合剂的例子是：对核酸序列具有特定结合能力的蛋白质；寡核苷酸；能结合两个元件的合成分子；等。复合剂使用的一个例子是把核酸纤维的一末端连接到胶粒上，或者把两根核酸纤维彼此连接，以便生成一个接合点。

发明概述

本发明利用分子识别性能和核酸列与其他元件的自装配过程。这些特征用来制备基于纤维的、具有由纤维的核苷酸链之间的相互连接性的类型定义的几何形状的网络。纤维可以由核苷酸链制成。另一方面，纤维可以由除核苷酸链之外物质制成，但包括一个或多个核苷酸链，并且可以经这样的链连接到其他网络元件上。纤维可以是整体或部分直觉导电的，但一般被化学或物理修饰，以便具有电气或电子功能。功能化网络可以包括导体、开关、二极管、晶体管、电容器、电阻器等。

通过其第一方面，本发明提供一种带有至少一个网络元件的电子网络，该网络具有由包括一个或多个核苷酸链的至少一根纤维定义的几何形状。

网络元件可以是导体，例如导线，或者可以是电子元件。

本发明的纤维能形成接合点，其中一根纤维的一个核苷酸链片段通过序列特有的相互作用结合到另一根纤维的另一个核苷酸片段上。另一方面，接合点可以通过结合到接合点中的核苷酸链每一条上的分子、原子或分子簇、或者颗粒，在不同纤维的核苷酸链之间形成。这样一种分子、簇或颗粒可以经结合到所述分子、簇或颗粒上的接合剂，结合到核苷酸链上。

接合点也可以通过修饰的核苷酸形成，例如被修改以便使一条链的至少一个核苷酸共价结合到另一条链的核苷酸上。这种修饰的一个例子是添加硫、胺残基、羧基、或活性酯。核苷酸的化学修饰可以允许链结合到一种接合剂上、结合到一个颗粒上、结合到网络的一个电子元件上等。核苷酸链也可以通过结合到其上的结合对的一个成员来修饰，其中该结合对用来结合到另一个包括该结合对的另一个成员的另一个元件上。结合对由彼此具有特异性亲合力的两个分子或部分组成。这种结合对包括生物素-抗生物素蛋白、生物素-链霉抗生物素蛋白、受体-配体、地高辛-抗地高辛(dig-antidig)、抗原-抗体、糖-凝集素、核苷酸序列-互补序列、及核苷酸链与核苷酸结合蛋白。典型地，网络的至少一条核苷酸链带有结合到其上或与其复合的一种或多种物质、或至少一簇原子或分子、或颗粒，从而就基于所述一种或多种物质、或至少一簇原子或分子、或颗粒的充电输送特性的性能而论，形成至少一个电气或电子元件。

在网络中的电子元件电气连接到至少一根纤维上，并且或者建造在通过把一个或多个分子、原子或分子簇、或颗粒沉积在其上已经用化学方法或物理方法改变的核酸链上，使链具有电子功能；或者由位于在不同纤维的两条或多条核酸链之间的接合点处的分子、原子或分子簇、或颗粒建造，使所述接合点呈现电子功能。电子功能基于一个或多个分子、原子或分子簇、或颗粒的充电输送特性。电子功能时常也可以取决于接合点几何形状。

网络一般连接到起网络与外部电子电路或元件之间的输入/输出(I/O)接口作用的接口元件(电极)上。

根据本发明的一个实施例，纤维具有一个被化学或物理修饰的核苷酸骨架，修饰方法是通过在其上沉积或掺入到其上一个或多个分子、原子或分子簇、或颗粒，以使它具有电气功能。纤维除包括一条或多条核苷酸链外，也能基本上由(除其核苷酸链外)各种物质形成，如导电或半导电聚合物、经修饰使它们具有电气或电子功能的其他聚合物(例如通过在其上沉积分子、原子或分子簇、或者颗粒)、或碳纳米管。

用于纤维或者纤维之间的接合点内的化学或物理修饰的分子、原子或分子簇、或者颗粒，一般可以包括一个或多个金属原子或者由其制成，这些原子把电荷输送特性赋予所述簇或颗粒。

本发明的网络骨架包括酸性纤维，这些酸性纤维根据其与其他纤维序列特异性的相互作用或对其他元件的特异性结合装配成一个网络。以这种方式，能形成具有实际无限种几何形状的网络。

根据纤维的一般(总的)化学性能，物质或颗粒可以结合到纤维上。这一般将产生物质或颗粒沿纤维的大体均匀的沉积。这样一种物质或颗粒的均匀结合的一个具体实施例是导电导线在核苷酸链骨架上的形成，例如其中导电物质是金属，如下面描述的那样。可选择的是，物质或颗粒也可以以在纤维不同部分中序列或区域特异性方式，即以取决于在核酸链的给定部分处的核苷酸序列的方式，结合到核苷酸链上。

物质在不同核苷酸链部分处的序列或区域特异性沉积，可以以多种不同的方式进行。例如，可以使直觉结合到某些电气功能物质或颗粒上的寡核苷酸，结合到具有互补序列的链部分上。类似地，也有可把不同类型的物质或颗粒，以序列或区域特异性方式，结合到多链(例如双链)核酸纤维上。这可以例如通过使用序列特异性复合剂实现，该复合剂辨别双链核酸链的特定位点并且结合到该处。复合剂可以是：寡核苷酸，用双链形成，一种三链结构；一种蛋白质，例如识别特异性双链区域的DNA-结合蛋白质；及多种其他物质。

通过序列或区域特异性结合，可以把不同类型的物质结合到给定纤维部分或纤维的网络上。

一般通过使用复合剂或接合剂，可以使颗粒，例如胶粒或聚合物，结合到一根或多根纤维上。这种颗粒的沉积可以用来形成电子元件，例如单电子晶体管(SET)。

网络的形状由纤维定义。在网络形成时，通过采用自装配过程可以利用化学互补和分子识别性能。通过核苷酸链与互补序列的序列特异性相互作用，可以把纤维装配成网络。这可以用于各种接合点的形成(例如T-或X-接合点，如图2和其他图中所举例的)。在核酸链与接合剂或复合剂(接合剂或复合剂可以是寡核苷酸或各种其他分子、大分子、超分子组件或颗粒)之间的特定分子识别，可以用来把核酸链连接到接口元件上，或连接到其他网络元件上，例如连接到位于纤维之间的接合点处的颗粒上。

作为其诸方面之一，本发明还提供在微电子网络的两个或多个导体之间的接合点，其中导体的每一个带有接近接合点的末端片段，该接合点包括一条结合到该接合点内另一条链上的核苷酸链。

通过其另一个方面，本发明提供一种用来制成电子网络的方法，包括：

(a)提供包括至少一个导电接口元件的排列；

(b)把接合剂附着到至少一个接口元件上；

(c)使所述排列与至少一根纤维相接触，该纤维包括至少一条带有一个序列的核苷酸链，其中该序列能够结合到接合剂上；并且允许所述列与所述接合剂的结合。

(d)电气或电子功能化至少一条核苷酸链，方法是通过在其上或复合到其上至少一种把电气或电子功能赋予纤维的物质或颗粒。

应该注意，在以上方法中的步骤顺序不是主要的，而是可以变化。例如，步骤(c)可以先于步骤(b)，或者功能化步骤(d)可以先于步骤(c)。

根据各种元件的预先设计性能，网络时常可以通过把所有元件混合在介质中、且然后允许元件以特定的方式自装配而立刻形成。可以把纤维设计成具有特定的核酸序列，以允许其与其他纤维中的互补序列的杂交。类似地，颗粒可以使用结合到其上的特异性、序列或区域识别复合剂来形成，以允许它们以序列或区域特有的方式结合到核酸链上。例如，能形成带有结合到其上的三个不同寡核苷酸的簇或颗粒，它们然后将结合到三条不同核苷酸链的末端上，以在包含胶粒的三根纤维之间形成一个接合点。类似地，为了保证网络与接口元件以特定方式的结合，序列或区域识别接合剂可以固定在接口元件上，并且实现与装配网络相接触。

平时，网络可以以顺序方式形成，例如首先形成包括整个网络的元件部分的第一子网络结构，并且然后可以顺序添加遗漏的元件(例如纤维、颗粒等)，直到完成网络。子网络结构例如可以是有几个寡核苷酸连接到其上的颗粒、分支纤维结构等。顺序装配也可以基于核苷酸链的及以序列或区域特有方式结合到核苷酸链上的复合剂与接合剂的性能。而且，也有可能，特别是在网络有复杂结构的情况下，首先制备多个子网络结构，并且然后把他们组合以便形成整个网络。

如由技术人员明显理解的那样，通过搅拌其中形成网络的介质，通过提供定向流体流以使纤维取向成连接到在其另外末端处的下游网络元件上，通过应用其他偏压措施等，可以有助于网络的形成。在形成本发明的导线时，在其上形成导线的纤维的两个末端之间的电位，可以增强和提供例如金属之类的导电物质的定向沉积。

通过各种方法，包括涉及通过“遗传改造”细胞，例如微生物生产和复制核酸纤维的重组体DNA方法，可以形成和复制可以是直觉单链、双链或多链的核苷酸链；可选择的是，可以用合成方法生产纤维，例如通过链的合成、并且然后把他们组合成较大纤维。通过各种扩增技术，例如聚合酶链式反应(PCR)等，可以形成纤维。

由核苷酸链和其他物质建造的纤维可以以各种方式形成。一般，可以形成非核酸纤维(例如由导电聚合物制成或是碳纳米管)，并且在两个末端处共价结合到特定核苷酸链上。包括在其两个末端处结合到核苷酸链上的非核苷酸纤维的这样一种纤维，可以照此用在建造网络中。可通过结合到其他核苷酸片段上，通过结合到混合的核苷酸-非核苷酸纤维上以得到带有断续核苷酸链和非核苷酸片段的较长纤维等等来延伸纤维。

如将要理解的那样，除在非核苷酸纤维的末端处结合一条链外，仅可结合前体，并且然后从前体开始原位合成链。

非核苷酸纤维片段一般是直觉导电或半导电的，例如由导电或半导电聚合物或共聚物或导电纳米管制成。在这样的情况下，可能不需要这种非核苷酸纤维片段的另外功能化。然而，也可以使非核苷酸纤维片段是直觉非导电的，并且然后通过搀杂或通过在其上化学或物理沉积各种分子、簇或颗粒，例如上述的那些，能功能化成有电气或电子功能。

通过另外一个方面，本发明提供一种在电子网络的电子元件与导电接口元件之间的接合点，包括一条附着到电子元件之一上或附着到接口元件上、且通过双分子相互作用结合到附着到两个元件的另一个上的接合剂上的核苷酸链。

通过本发明的又一个方面，提供有一种以上定义的网络元件。按照本发明可以形成的网络元件的例子，是开关、双极性晶体管、单电子晶体管、场效应晶体管、二极管、电容器、电阻器、导体、发光二极管、绝缘体、电感器。

尽管以上网络元件在本发明的网络内是有用的，但一些在不同用途中时常可能是有用的。其与相应现有技术的元件相比的小尺寸，允许它们用在要求小尺寸或低能耗的各种用途中。这样一种元件的一个具体例子是导线。

本发明的导线可以制得非常细，并且可以用来有益于要求细导线的用途，例如，作为半导体场效应晶体管(FET)中的栅极，以便非常快速选通这样一种晶体管。FET的选通速度在很大程度上取决于在FET中选通导线的宽度(在先有技术中时常称作“长度”)。按照本发明的导线可以制得比FET的先有技术栅极导线的宽度小两个数量级，并因而，在使用本发明导线的FET中能得到比至今可能的要快的快速调制。包括本发明的导线作为其栅极的FET也是本发明的一个方面。

现借助于偶尔参照附图，通过如下详细描述和以后面的实施例说明本发明。技术人员应该理解，本发明不限于具体描述的实施例，而是适用于以上定义的本发明的整个范围，即适用于网络的形成、和网络中的元件，方法是通过采用核酸纤维的自装配性能和通过使用分子识别驱动、自装配过程把物质或颗粒沉积或复合到纤维上，以使纤维或在纤维之间的接合点具有电子功能。

附图简要说明

图1A表示用来一方面结合到本发明的网络上而另一方面连接到外部电子电路或元件上的接口元件和接合剂的基质。

图1B表明寡核苷酸接合剂固定到接口元件上的一个实施例。

图2表示在核酸链之间的接合点的例子(六个例子表示在图2A-2F中，在下面的正文中解释)。

图3A是把核酸链形成和功能化为导线的方式的表示，导电材料是银(导线的骨架由核苷酸组成)。

图3B表示如图3A中所示形成的导线的可能电流-电压关系，该关系取决于电压扫描方向(在曲线上用箭头表示)。

图4表示在核苷酸骨架上形成导线的方式，其中电子材料是聚苯撑乙烯撑(PPV)。

图5表示由p/n结(图5A-5C)、缓变p/n结(图5D)、及双极性n-p-n晶体管(图5E)的功能化核苷酸链组成的多个例子。

图6表示通过本发明一个实施例形成单电子晶体管(SET)的方式。

图7表示按照本发明一个实施例的分子开关。

图8A表示按照本发明的实施例的包括核苷酸链和非核苷酸片段的纤维的两个例子。

图8B是用于制备按照本发明一个实施例的纤维的前体纤维的示意图，其中纤维的骨架基本上基于非核酸，核酸链仅形成骨架的某些片段。

图9表明在聚硫苯纤维的两个末端处的形成两条寡核苷酸链的方式。

图10表明把衍生的寡核苷酸与在非核苷酸纤维的末端形成的羧基相连的方式。

图11表明使用氨基衍生寡核苷酸衍生碳纳米管的末端基团的方式。

图12A和12B表明按照本发明一个实施例的半导体FET，以平面视图(图12A)和以剖视图(图12B)表示。

图13表示用来合成寡核苷酸的方案，如实施例1(A)中所述。

图14表示在两个16μm远的金电极(黑条)之间延伸的荧光标明的λ-DNA。

图15A和15B以1.5μm(图15A)和0.5μm(图15B)的视场表示在连接两个12μm远的金电极的DNA模板上的银导线的原子力显微镜(AFM)图象。

图16A描绘根据例9制备的银导线的双端I-V曲线。箭头指示电压扫描方向。实线曲线是重复的扫描，并且表示试样的稳定性。注意在I-V曲线中与两个扫描方向相对应的对称性。

图16B表示其中银生长比图16A中范围大的不同银导线的I-V曲线。银生长的范围越大，导致电流平稳段越小，在0.5V的量级上，并且电阻越低(在图16B中13MΩ相对于30MΩ)。通过驱使大电流经过导线，在整个测量范围上已经消除平稳段，以给出欧姆特性(虚线)。

图17表示金胶体与生物素修饰的核苷酸的结合结果的AFM图象。

发明详述

网络的形成一般通过提供接口元件的基质开始，这些接口元件提供在网络与外部电路或外部元件之间的I/O接口。这样一种接口元件基质100的一个实施例的说明表示在图1A中。接口元件102的每一个一般是一根带有一个网络连接垫104、和一个由连接器部分108连接的外部电路连接垫106的金属电极。

作为用于网络形成的准备步骤，处理连接垫以允许接合剂110，例如衍生的寡核苷酸，结合到其上。下面描述处理方式的例子。(把接合剂寡核苷酸固定到一个接口元件中的方式的一个实施例见图1B，并且在下面描述)。预备的接合剂110然后能附着到垫104上，一般把不同的接合剂附着垫的每一个上。以示意方式放大表示在基质的中心部分112的右边处的接合剂110，例如通过喷射印刷，例如以在下面例子中描述的方式，可以固定到垫104上。以这种方式，不同的接合剂110可以附着到垫104的每一个上。接合剂110的每一种可以具有对不同特定核酸列的选择性结合能力，这种特征由在接合剂末端处的不同形状代表。

包括导线(如这里通过下面的例子定义和描述的)的功能化纤维和在纤维之间的接合点处或上面形成的各种其他网络元件的网络，然后能与基质相接触；在网络纤维中的核酸列与固定到接口元件上的接合剂的特定结合，导致网络与接口元件的具体连接性图案。可选择的是，可以首先使纤维的核酸链具体连接到接合剂上，并且如果需要，则在形成的基于核酸的网络中，然后可以实现网络的功能化，即电气功能元件的形成、导线的形成、等等。另一种可选择的方法是，首先把几种子网络结构锚定到接口元件的基质上，并且在以后的步骤，或者同时，使子网络彼此结合以形成一个完整的网络。子网络结构的例子包括几根连接在一起的纤维、几根核酸纤维附着到其上的颗粒或者原子或分子簇；等等。这里同样，纤维可以是直觉的电气或电子功能(整体或部分)，或者在网络形成之后可以实现功能化。

图1B是用来把寡核苷酸固定到接口元件上的示意表示。生物素分子120和122，一个结合到寡核苷酸124上，而另一个结合到含硫部分126上。生物素分子122经含硫部分126固定到接口元件128上，并且然后当把链霉抗生物素蛋白分子130引入到介质中时，它们引起复合剂132的形成，复合剂132是包括生物素和链霉抗生物素蛋白的超分子复合物，把寡核苷酸124固定到接口元件128上。

寡核苷酸124通过以后的功能化步骤以下面举例的方式，可以改变成网络元件，如导体、二极管、晶体管、等等。可选择的是，它们可以起用来结合纤维的核苷酸链末端片段的接合剂作用。

在本发明网络中的重要元件是起各种功能作用的接合点。接合点的几个例子表示在图2中。图2A描绘形成在两根单链核酸纤维202与204之间的一个接合点200。在该具体例子中的接合点通过在纤维204中的末端序列206和在纤维202中的互补序列208的杂交形成。该接合点可以用作在核酸纤维之间的T型接合点，然后通过例如以下面要描述的方式通过把导电物质沉积到纤维202和204及接合点上，这些纤维能转化成功能化连接接合点。

另一种类型的接合点210表示在图2B中。该接合点由可以是胶粒、蛋白质、另一种类型的大分子、超分子结构、等等的复合剂形成。在这种情况下，接合点形成在一根单股纤维214与另一根单股纤维216之间。然而，应该理解，这样一种接合点也可以形成在两根双股纤维之间。复合剂可以通过各种方法结合到纤维上。结合可以是共价的或非共价的。非共价结合的例子是离子相互作用、疏水性相互作用、借助于范德瓦耳斯力、等等。复合剂本身也可以是复合分子结构，例如它可以通过具有彼此结合亲合性的两个或多个分子或大分子形成，其中至少一个结合到纤维216和214的每一根上。这种复合分子结构的例子是大量能彼此结合的各种分子，比如：抗原-抗体、配体-受体、生物素-抗生物素蛋白、及多种其他分子。

这种复合分子结构的一个具体例子表示在图1B中(上面)。尽管是生物素-链霉抗生物素蛋白复合物的这种复合分子结构在其功能上显示为把寡核苷酸固定到电极上的作用，但相同的复合分子结构也可以用来形成核酸纤维之间的接合点(即，每根纤维通过结合生物素被修饰，并且然后两个生物素部分可被一种链霉抗生物素蛋白复合)。

接合点220另外一个例子表示在图2C中。在这种情况下，一种复合剂222把两根纤维224和226结合在一起。复合剂和其与核酸纤维相互作用的方式可能与图2B中的复合剂212类似。

接合点的其他两个例子表示在图2D和2E中。这些接合点230和240分别形成在三条和四条核酸链之间，这些核酸链的每一条为双链。这种接合点可以通过杂交或酶合成而形成，如下面在例子中描述的那样。

另一种类型的接合点250表示在图2F中。在这种情况下，一种复合剂252，例如胶粒，把多根纤维，在该具体实施例中为四根253-256，连接在一起，其每一根在其末端处结合到复合剂252上。纤维253-256的每一根与颗粒252的结合可能借助于直接联接、通过使用介体，如特定结合蛋白质，为根据图2B和2C描述的方式的任何一种、等等。

在下面，将描述本发明的导线和电子元件及功能化网络的建造的一些例子。应该理解，这些只是示范性实施例，并且描述的实施例的各种改进是可能的，所有都在这里定义的本发明的范围内。

现在参照图3A，图3A表示按照本发明一个实施例的导线形成的方式，在这种具体情况下是一根导线形成在一个核苷酸骨架上。这里导线形成在两根电极300之间，电极300一般由金属制成或涂敷有这些金属，如金、铂、银等。可以首先以便于以后接合剂结合的方式处理的电极300，单独地用包含接合剂分子302或304的溶液湿润，接合剂分子的每一个包括由二硫化物基团衍生的单链寡核苷酸(分别为“寡A”和“寡B)。当这些接合剂在适当条件下沉积在电极300上时，二硫化物基团结合到电极300上，分别形成接合剂306和308(步骤(a))。电极300然后用带有与接合剂306和308中的寡核苷酸列互补的粘性末端的核苷酸链溶液，例如用DNA双链纤维310湿润。电极300彼此隔开一个约等于核苷酸纤维310的长度的距离，由此核苷酸纤维310的每个末端结合到其在接合剂306和308之一中的互补寡核苷酸上，以形成在两根电极300之间的桥312(步骤(b))。通过控制核苷酸310在介质中的浓度，能控制形成在电极之间的这种桥的数量。在杂交之后，接合剂与核酸纤维的结合可以通过两个彼此的共价结合通过断口的连接而加强。

时常，特别是在纤维310很长，并因而仅通过依靠扩散实际上不能保证其在两端处的杂交的场合，可以使股310连接到一根电极上，并且然后通过流体从第一电极到第二根的定向流，使核酸纤维延伸，从而其末端到达第二电极。

显然还有，为了避免核酸纤维的折叠和保证适当的结合，可能时常需要选择适当的溶液。

纤维的功能化步骤，为了建造金属导线的目的，根据具体说明的实施例，通过一个涉及在碱性条件下把纤维暴露于包括银离子(Ag⁺)的溶液的离子交换步骤而开始，由此银离子置换通常与核苷酸链相关的钠离子或其他离子，并且与带充电纤维相复合(步骤(c))。这产生载有银离子316的核酸纤维314。应该注意，除银离子外，能使用大范围的各种其他金属离子，包括例如钴、铜、镍、铁、金等。而且，金属团、复合物或簇，胶体金、胶体银等，也可以通过各种不同的相互作用沉积在核酸纤维上。离子交换步骤一般包括用去离子水清洗纤维、和然后把它们浸泡在金属离子或金属团的溶液中。

在下个步骤(步骤(d))，使纤维暴露于把金属离子原位还原成金属银的还原剂，例如氢醌。金属沉积物，例如金属银，形成在多个成核地点318处。在用去离子水清洗之后，带有成核地点318的纤维在酸性条件下与包括金属离子和还原剂，例如氢醌，的试剂溶液相接触。在这些条件下，仅在成核地点处把离子转换成金属，并因此成核中心生长以形成一根导电导线320(步骤(e))。

应该注意，银成核中心也能通过金或其他金属的化学沉积增强。类似地，金成核中心可以通过金、银以及其他金属的沉积增强。

如此形成的导线320可以经受各种后建造处理，这些处理包括例如：打算增大导线厚度和均匀性的热处理；为了在导线周围形成电绝缘层的目的的钝化处理，例如通过暴露于链烷硫醇；通过导线上的聚合物的导线的电化学或光化学生长；等等。

图3B表明由表明在图3A中的过程形成的导线的典型电流-电压关系。如能看到的那样，该曲线是非线性的，并且相对于零偏压对称。曲线的形状取决于由图3A中箭头指示的扫描方向。随着从很大的正或负偏压接近零电压，电流与电压几乎线性地变成零。在非常大的微分电阻的情况下，零电流平稳段然后发展。在较高偏压下，导线再次转为导通，具有不同的通道电阻。这种依赖历史的电流-电压关系可以使导线作为逻辑或存储器元件。

如可以理解的那样，以类似方式，作必要的修改后，可以制备下面在图8A中表示的种类的纤维。就终端或中间核苷酸链而论，那么可能只需要要求的功能化步骤。

现在参照图4，图4表示按照本发明另一个实施例的导线形成的方式。这里同样导线形成在核苷酸骨架上。如以上指出的那样，参照图3A的实施例，就图8A中表示的种类的纤维而论，可以随后是作必要的修改后的类似过程。在该实施例中，与图3A的相区别，沉积材料是PPV(聚苯撑乙烯撑)，而不是金属。电极400可以与图3中所示的电极300相同。该方法的最初两个步骤(步骤(a)和(b))，基本上与图3A中的相应步骤相同(相同的元件已经给出最后两位与图3A中相应元件相同的标号：例如，402与302相同，404与304相同，等等)。与上面类似，通过纤维410与接合剂406和408共价结合以产生连接两根电极的完整纤维414，可以加强形成的桥412(步骤(c))。

包括预(pre)PPV⁽²⁶⁾分子416的溶液然后与纤维414相接触，并且由于带正电，预PPV 414与带负电的DNA桥414复合(步骤(d))。在下个步骤，清洗、干燥及最后在真空中加热试样，例如加热到约300℃的温度约6小时，这导致四氢噻吩基和盐酸从每个重复单元中释放，产生发光PPV成分(步骤(e))。

为了把PPV转换成导体，这种聚合物用引起电子缺乏(空穴)或产生额外电子的试剂搀杂。搀杂可以通过多种已知的方法进行，例如暴露于H₂SO₄蒸气、卤酸蒸气(例如HCl、HBr)的添加、通过使用十二烷基苯磺酸、通过使用樟脑磺酸，或通过其他方法。搀杂程度确定导线的导电性。

按照本发明，多种其他聚合物可以用来代替或添加到PPV。这包括各种带正电侧基的聚合物、以及在骨架中带正电的聚合物、或带有能够结合到核酸纤维上的识别基团的聚合物。聚合物的另一个例子是聚苯胺(PANI)。这些聚合物包括具有电子缺乏(p型聚合物)或具有电子过剩(n型聚合物)的聚合物。另外，以作必要修改后的类似方式，可以把其他类型的导电物质(n型或p型)结合到纤维上。

通过使用结合到各种能赋予电子功能的物质上的核苷酸，能精确地控制装配在核酸纤维上的电子元件的性能。例如，两个寡核苷酸的一个带有一个允许杂交到纤维特定部分上的序列，并且结合到p型物质上，而另一个带有允许杂交到纤维相邻部分上的序列，并且结合到n型物质(具有电子过剩的聚合物)上，使这两个寡核苷酸结合到纤维上，以这种方式，能形成一个p/n结，例如用作二极管。另一个例子可以是p-n-p或n-p-n型、双极性晶体管的形成。

可以形成在核苷酸链上的一些功能元件的一个例子表示在图5A中。在图5A中，一个p/n结由结合到在该具体例子中是聚C的一个寡核苷酸512上的p型物质510、和结合到在该具体例子中是聚A的另一个寡核苷酸列516上的n型物质514形成。寡核苷酸在核苷酸纤维522上分别结合到互补列518和520上，并且在联接之后，形成一个p/n结。在图5A中，在纤维522的单链片段上形成p/n结。类似地，这样一种结也形成在双链纤维524上(见图5B)，例如，通过首先除去链的一部分，例如通过酶消化暴露相邻片段526和528并且然后与携带互补p型和n型物质的寡核苷酸530和532分别杂交。

纤维的剩余部分，例如可以以建造导线的方式处理，如参照图3和4在上面描述的那样，并因而借助于与二极管两端侧面相接的导电导线(C)536和538形成(图5C)。为了保证导体物质不沉积在p-n结部分上，可以首先偶联构成接合点的材料，并且只在此后，可以以上述方式处理纤维的剩余部分，以形成一根导电导线。

图5D是另一种结构的示意表示图，在这种情况下该结构由在两个周缘纤维部分540和542上的两根导电导线(C)构成，纤维部分540和542与转化成缓变p/n结544的纤维的一部分侧面相接。该示范结构由重搀杂的部分546和548(ppp和nnn)、中搀杂的部分550和552(pp和nn)、及轻搀杂部分554和556(p和n)构成。

另一种功能化结构表示在图5E中。该结构是具有T型分支点560的结，并且通过把结部分转换成所示的n-p-n双极性结562(或p-n-p结)，并且然后把纤维564、566和568的剩余部分转换成导线，形成一个双极性晶体管。

通过除杂交之外的方法，也能实现各种物质的特定沉积。例如，各种分子，例如能够识别特定区域的蛋白质，即使不必“打开”双链或多链核苷酸链，也可以用于该目的。

在图8A中所示种类的纤维中，按照本发明也可以得到p-n结，其中该纤维由附着到由半导电聚合物制成的非核苷酸纤维片段上的核苷酸链构成。在半导电聚合物是p型时，可以把n型聚合物以与图5中所示的相类似的方式沉积到与半导体纤维片段相邻的核苷酸链片段上。类似地，通过把p型聚合物沉积到与n型半导体纤维列相邻的核苷酸链片段上，可以找到p-n结。

图6表示单电子晶体管(SET)的构造方式。使颗粒600与三个不同的寡核苷酸602、604和606结合。寡核苷酸之一经一种大的非导电复合剂608，例如一种蛋白质或一种超分子结构，结合到颗粒600上，其目的将在下面进一步解释。在三根电极610的一个阵列中，每根电极结合到纤维612、614和616之一上(它们可以是核苷酸纤维，图8A中所示种类的纤维及其他纤维)，纤维的每一根带有不同的粘性末端，与寡核苷酸602、604和606之一的序列互补。涂有寡核苷酸的颗粒与电极阵列相接触，并且通过提供用于杂交条件，形成一种结构620，结构620由经三个桥结合到颗粒600上的电极610构成，这三个桥的每一个分别由纤维612、614和616之一和寡核苷酸602、604和606之一构成。可以使纤维612、614和616分别共价结合到寡核苷酸602、604和606上，以形成完整纤维622、624和626。

颗粒经受钝化处理，例如借助于暴露于链烷硫醇、十八烷基硫醇、十二烷基硫醇等等，形成一个绝缘层630，以把胶粒与周围介质隔开，并且避免在以后步骤中金属沉积在胶粒上。纤维622、624和626然后例如以上述方式形成导线，由此形成SET。

在SET中，导线622起栅极的作用，并且就其适当功能而论，在它与颗粒600之间的高电阻是希望的，该目的通过复合剂608实现。在通常情况下，颗粒600阻止电流流动，但当在栅极处的电位变化时，形成的静电场减小充电或放电胶粒需要的触发能量，由此电流能在导线624与626之间流动。

如理解的那样，这里描述的SET的构造方式只是一个例子。一种可选择的方法是，首先形成纤维附着到其上的颗粒，并且然后使纤维结合到电极上，例如通过寡核苷酸接合剂。如技术人员明白的那样，按照本发明有允许建造SET的其他可选择方法。

现在对照图7，图7表明基于可逆光变换的分子开关。一个分子碎片，如六氟环戊烯或顺丁烯二酰亚胺的双噻吩衍生物(分别为图7A和图7B)，结合到网络上。可以包含可以是列选择性或非列选择性的识别基的聚合物基(P1和P2(他们可以相同或不同))，经共价或非共价相互作用附着到两个噻吩部分上，以形成断裂的共轭聚合物。聚合物P1和P2每个连接到不同纤维上(分别为P1和P2，末表示)。当暴露于具有适当波长(λ)的光时，噻吩与六氟环戊烯或顺丁烯二酰亚胺的双键的光环化发生，因而形成电气连接P1和P2的共轭聚合导线。环化开关的光激励导致反环化过程，并且沿聚合物再断裂共轭对。

切换光信号可以从外部光源提供，或者可以由任何内部光源从内部提供。

图8A示意表明按照本发明的纤维的其他实施例：尽管上面在图3A和4中表示的纤维带有一个核苷酸骨架，但图8A中所示的纤维具有由核苷酸片段和非核苷酸片段构成的复合结构的骨架。图8A表示纤维的两个实施例，纤维700和纤维710。纤维700带有作为主要部分的非核苷酸纤维片段702，纤维片段702的终端连接到两条核苷酸链704和706上。非核苷酸纤维片段702可以是聚合物、导电的、半导电的或非导电的，或者可以是纳米管，例如碳基纳米管。

纤维710由通过核苷酸链718和720连接、并且旁侧为两个末端核苷酸链序列722和724的几个非核苷酸纤维片段712、714、716构成。在这样的复合纤维中，寡核苷酸链起用来结合到其他纤维的非核苷酸链上的识别基的作用。优选地非核苷酸纤维片段(纤维700的702及纤维710的712、714和716)由导电或半导电材料制成。这种非核苷酸片段的使用有助于各种电子元件的建造。这样的物质可以具有分子、大分子或非分子(非均匀)特性，并且可以由噻吩、吡咯、苯胺、乙炔、苯撑、金属复合物(如轴向互连的卟啉、铂复合物等等)及纳米管，例如碳基纳米管，的寡聚物和聚合物制成。

如图8B中示意表明的那样，这样的非核苷酸片段可以选择性地用在其终端地点处的活性基(R¹和R²)衍生。R¹和R²可以相同或不同，并且可以表示-NH₂、-CO₂H、-CO₂R-Br-B(OH)₂.、和多种其他的。

带有互补部份的寡核苷酸可以共价联接到这些末端活性基上。例如，能制备在其两个末端处带有两个羧基的聚噻吩，如图9中所示。使用不同的方法，一种如图9中所示，通过使用EDC，通过以图10中所示的方式在羧基上形成活性酯，其中“R”代表导电导线，可将氨基衍生的寡核苷酸与这些羧基基团相连。

类似的方法可用于使用氨基衍生的寡核苷酸对碳纳米管的末端基进行的选择衍生。碳纳米管在其两个末端可以带有羧基基团(Wong等，Nature(自然)，394：52，1998)。对于这些末端，氨基衍生的寡核苷酸可以通过活性酯偶联连接，如能在图11中看到的那样。

各种其他偶联方法可以用于寡核苷酸与纤维的连接，如金属离子配体的相互作用的使用、金属-金属复合物的使用、金属离子催化偶联法的使用及其他。

图12是按照本发明的FET的图意。FET 800包括位于半导体基质806两端处的源电极802、漏电极804。连接到栅电极810上的栅极导线808位于一个在半导体基质806内的凹槽812中。在半导体FET中的栅极长度在很大程度上，决定着FET能操作的最大频率。较短的栅极使栅极下的电子飞行时间减小，并且因此适于较高的操作频率。由于除栅极之外的FET尺寸不是关键的，所以栅极参数为较快FET的批量生产设置了瓶颈。按照本发明的FET提供了一种对该问题的解决方案。除栅极之外的FET可以通过常规的石板印刷术和半导体过程和技术制造，并且然后通过在电极之间延伸核酸纤维可以形成栅极，并且然后可以如上述那样金属化纤维。以该方式，能容易形成次-0.1微米的栅极，允许较快FET的便宜批量生产。

现将在如下实施例中进一步说明本发明。

实施例1：接合剂的制备

(a)基于二硫化物的接合剂：

用二硫化物基衍生的受控多孔玻璃(CPG)用于具有游离5′位点的寡核苷酸的合成(从其3′侧开始)。使用常规的DNA合成器制备寡核苷酸(见图13中的方案)。

(b)基于硫醇的接合剂：

根据上面的(a)制备接合剂，并且裂解二硫键以得到一个游离的硫醇。

(c)基于生物素-链霉抗生物素蛋白复合物的接合剂

如本质上已知的，将生物素部分连接到具有一个特定序列的寡核苷酸上。生物素-寡核苷酸经一个链霉抗生物素蛋白分子，偶联到在一侧包含一个生物素部分(也见图1B)而在另一侧包含一个硫醇或二硫化物基团的另一个分子上。

(d)基于阻遏物的接合剂：

一种核酸结合蛋白质，如lac阻遏物，共价连接到一个硫醇基上。合成带有粘性末端且包含阻遏物与其结合的目标序列的DNA列。DNA序列经目标序列偶联到阻遏物上。

(e)基于硫代磷酸盐的接合剂：

使用常规的DNA合成器进行寡核苷酸序列的构建(从其3′侧开始)，其中使用包含核苷酸的硫代磷酸盐来代替包含核苷酸的磷酸盐。

(f)基于人工位点特异性的接合剂：

一个合成位点特异性部分，例如Rh(Phen)₂Phi，已知结合到5′-pyr-pyp-pur-3列⁽²⁶⁾(pyr＝吡啶，pur＝嘌呤)上，被共价偶联到一个硫醇基上。

实施例2：接合剂与电极的附着

(a)微量吸移管的湿润：

使电极暴露于适当接合剂的溶液，例如通过采用吸移管或微量吸移管或者通过任何液体分配器。这样的液体分配器可以固定到可以计算机控制的控制器上。不同类型的接合剂能沉积在每根电极上。另外，不同类型的接合剂能同时或顺序地沉积到不同的电极上。

(b)喷射印刷：

象喷墨那样的印刷技术用于不同电极对不同接合剂的选择性暴露。通过利用这样一种技术，有可能达到高精度、高分辨率及增大生产率，有助于大规模生产。

(c)初始电极-接合剂合成：

(c1)使用选择性掩蔽技术：

用来合成DNA列的成熟技术可以用于复杂电极-接合剂阵列的初始制备。例如：组成一组电极的惰性基体部分涂敷有产生两种类型电极：涂敷电极(A)和未涂电极(B)，的惰性涂层。基体暴露于连接到用作DNA合成起点的核酸序列上的硫醇溶液中。由于惰性涂层，只有未涂敷电极B与硫醇反应。使用标准DNA合成技术，在B电极上产生一个预定序列。然后清洗基体，并且暴露掩蔽的电极，随后是B电极的选择性涂敷。该过程允许通过结合到其上的接合剂类型把一种同另一种区分开的两种类型电极的生产。具有稍复杂步骤(几个掩蔽和暴露步骤)的相同技术，允许具有多个不同电极带有结合到其上的不同接合剂的各种基体的制造。

(c2)使用光去保护(photodeprotection)技术：

该方法涉及利用光致不稳定基保护DNA合成的起点。失活的起点基团不能够与核苷酸反应。使用借助于掩模和/或光导体和/或任何其他可寻址光源的选择性照射，通过从选择的电极光除去保护基实现不同选择电极的活化。

(c3)使用阻滞剂：

使用掩蔽技术(上面的(c1))，为了寡核苷酸合成制备一组电极。一旦在一组电极上完成DNA序列，就把末端基团附着到保证其惰性的寡核苷酸上。在根据以上步骤制备的、但因而在该步骤变成有活性的不同电极上，能进一步合成其他序列。应该注意：在以上步骤建造的接合剂组由于把阻滞剂附着到其端点上而不受影响。

(c4)电极印刷：

接合剂附着到诸如金胶体之类的导电珠上。胶体然后以可控制的方式分散，以与附着到其上的接合剂形成导电金属垫。分配可以通过上述的不同技术或通过任何常规技术实现。

以上技术可以单独使用，或者与其他技术任意组合而使用。

例3：网络的建造-接合点的产生

(a)分支序列的产生：

使用例如如下的序列构建一个稳定的四臂分支DNA接合点：

         C-G

         G-C

         C-G

         A-T

         A-T

         T-A

         C-G

         C-G

GCACGAGT    TGATACCG

CGTGCTCA    ACTATGGC

         C-G

         C-G

         G-C

         A-T

         A-T

         T-A

         G-C

         C-G

序列的认真计划允许根据希望的设计制造复杂接合点。使用本质上已知的方法，可以把该分支序列附着到双链纤维上。

(b)通过酶反应建立分支：

来自E.大肠杆菌的蛋白质recA催化碱基配对杂种的重组和构建，以连接两个DNA分子。它能以特定方式，把单链DNA与双链DNA连接，条件是在单链与双链DNA之间存在同源性。DNA结合蛋白质能延伸单链DNA，并且通过随机碰撞进行DNA退火。还有可能实现在两个独立双螺旋之间的碱基对特定接触，以形成沿暴露在两个螺旋沟中的化学部分配对的四条链结构。类似地，recA蛋白质通过识别来自“外部”的互补序列而不必打开双链和暴露单链序列，能诱导单链与双链DNA之间的特定接触。还有重组三链和四链DNA螺旋的可能性。四个DNA链也能在一个接合点处进行“开关配对(switch pairing)”，以形成交叉链接合(叫作Holliday结构)。然后有建立在重组DNA分子上的区域的所谓异源双链核酸分子的可能性，其中两条链不是准确互补的。然而，分支接合能迁移到其互补碱基配对的平衡点。通过允许立体重排形成完全重组的双螺旋。良好地建立了用来在体外产生Holliday结构的对RecA蛋白质的利用(见例如B.Albert等的细胞分子生物学(Molecular Biology ofthe Cell)，第三版，Garland出版公司，纽约，1994年)。来自E.大肠杆菌的另一种酶RecBC既具有解旋活性又具有核酸酶活性，并且因此能催化具有游离末端的单链DNA的暴露，允许RecA蛋白质开始配对反应。对于网络一步一步的建立重要的是这样的事实：RecBC仅对包含一个游离双螺旋末端的DNA启动解旋。它然后沿DNA从游离末端前进，随着它行走解旋或重新螺旋DNA。因为它解旋DNA比重新螺旋它快，所以在双螺旋DNA中产生单链区域的“旋涡”或环。RecA蛋白质然后能结合到在单链之一中由RecBC在特定列5′-GCTGGTGG-3′中产生的切口上，并且然后开始DNA链与另一个DNA交换。通过人工重组DNA合成能预设计切口的特定序列(见B.Albert等，上述文章和L.P.Adams等的核酸生物化学(TheBiochemisrty of the Nucleic Acids)，第11版，Chapman&Hale，1992年)。

(c)利用核酸-结合蛋白质：

允许两种或多种特定DNA结合蛋白质与两个或多个DNA链相互作用。这种结合蛋白质的偶联能够使在不同DNA链之间形成接合点。

实施例4：网络与基体的连接

使用各种DNA结合蛋白质，可以实现把网络锚定在基体上。例如，来自细菌的阻遏物例如紫胶阻遏物或λ阻遏物)，既能结合到基体上(如塑料基体)又能结合到DNA上，因而接合两者。这种结合稳定网络，而不必参与电气功能。

实施例5：集成电路的制备

集成电路(IC)包括一种基体，如硅、衍生硅、硅石、衍生硅石、有机聚合物、或者能够起支持制造或网络的机械固定或稳定的作用的任何其他物质。基体可以起电气功能的作用。

如下描述用于IC制备的一个典型例子：

实施例6：玻璃基体的钝化

把玻璃基体浸泡在发烟硝酸(100％HNO₃)中10分钟，在去离子(DI)水中清洗，然后在1N NaOH溶液中浸泡另外10分钟，并且在DI水中清洗。彻底干燥清理的玻璃，然后在烷基三氯硅烷(辛基三氯硅烷、t-丁基三氯硅烷等等)与四氯乙烷(1∶5 v/v(体积/体积))的溶液中浸泡c.a.12小时。然后认真用四氯乙烷和异丙醇将玻璃板清洗几次，然后彻底干燥。

实施例7：电极制造

根据如下程序之一制造电极：(i)在基体上的标准光、电、或x射线石版印刷术和导电物质(例如金属)的以后沉积。可选择的是，可以首先沉积导电物质，并且其次加图案。(ii)把电极装配到表面上：使用诸如聚乙烯亚胺、多元醇、多元酸、聚吡啶等等之类的聚合电解质，或诸如硫醇单分子层(由在分子骨架上的相对地点处包含硫羟和硅烷的有机物制造)之类的其他结扎剂，给玻璃表面加图案，随后是导电元件的固定，如金胶体能够把导电电极装配到基体上。

实施例8：基于核酸的网络-基于金属的导电导线的电气功能化

(i)网络的有关部分暴露于包含适当金属离子的溶液，因而在DNA骨架暴露于溶液的磷酸盐基处发生离子交换。在DNA内部的离子相互作用在一定条件下也可能发生。

(ii)然后通过诸如氢醌之类的还原剂还原离子交换DNA复合物。

可按次序重复循环(i)和(ii)，直到实现一根导电导线。可选择的是，导电金属导线的形成包括作为独立过程、或者与步骤(i)和(ii)相结合、或者与如下技术的一种或多种相组合的如下步骤。

(iii)离子交换网络的有关部分暴露于还原剂和金属离子的亚稳定混合物。还原仅发生在由步骤(i)和(ii)形成的金属簇的表面处，因而在金属簇之间的间隙通过金属沉积过程桥接。

(iv)离子交换DNA或部分处理DNA网络暴露于电化学过程，把在DNA聚合电解质上载有的离子转化成金属导体。另外，沿DNA分子的电化学过程加速金属导线沿它的矢量生长。

(v)金属的光化学形成来自其用于金属导线形成的相应离子。

(vi)使用列选择成分，例如，能够结合到DNA上特定地点的特定列；或非列特有结合剂，比如经受与DNA的静电相互作用的聚合电解质，把簇或胶体吸收到DNA网络上。这些簇和/或胶体用作用于以上过程(iii)-(v)的催化剂。

(vii)由以上技术的一种或多种制造的粒状导线的缺陷，可以使用诸如热退火过程、电镀等等之类的种种方法退火。

银功能化网络制造的一个例子如下：

(i)固定在基体上的DNA网络暴露于银离子的碱性溶液(pH＝10.5，NH₄OH，0.1 M AgNO₃)。在由银离子交换DNA聚合电解质之后，用去离子(DI)水认真清洗，并且干燥。

(ii)固定在基体上的载银DNA网络暴露于作为还原剂的氢醌(0.05 M)碱性溶液，pH＝5。顺序重复步骤(i)和(ii)，直到形成导电导线。

(a)互补过程：

在一个或多个(i)+(ii)循环之后，进行步骤(iii)。

(iii)载有银金属簇(在已经进行循环(i)和(ii)之后)且在最终用DI水清洗之后的DNA网络，暴露于氢醌(柠檬酸缓冲剂，pH＝3.5，0.05M氢醌)和AgNO₃(0.1 M)的酸性溶液。当导线宽度达到希望尺寸时，结束循环(iii)。能使该过程是光敏感的，并因而也能通过照射条件控制。

(b)用于改进过程的电化学沉积：

(iv)为了提高金属导体的纵横比，进行一种电化学过程。为此目的，在(i)+(ii)过程之前，进行用链烷硫醇的预处理。这保证金属电极相对于电化学金属沉积的惰性。在一个或多个(i)+(ii)循环之后，把经DNA覆盖金属导线连接的电极连接到一个电流和偏压受控电源上，并且把DNA网络的有关部分暴露于金属离子溶液(根据具体原型有不同的浓度)。通过电化学金属沉积填充导电区域之间的间隙。

(c)用于改进过程的光化学沉积：

(v)为了提高金属导体的纵横比，以类似于上述电化学过程的方式进行一种光化学过程，但把光化学反应用作驱动过程。例如，使用电子供体(三乙醇胺、草酸、DTT等)、光敏剂(Ru-聚吡啶复合物、诸如TiO₂、CdS等之类的呫吨染料半导体颗粒)、诸如不同双吡啶盐和有关金属离子之类的电子替续剂或者金属复合物，可以得到DNA网络的金属化。光敏剂通过涉及在任何可能列中的电子供体和电子受体的电子转移过程，把吸收的光能转换成自由能。还原的电子接收体起电子替续剂的作用，并且用电子充电金属簇/胶体。充电的簇/胶体起用于金属离子还原的催化剂的作用，因而引起金属导体的生长。

(d)金簇、作为成核中心的含金分子和/或胶体：

(vi)代之以进行最初的(i)+(ii)循环，把DNA网络的有关部分暴露于预涂敷(部分)有阳离子硫醇(如吡啶链烷硫醇)的金簇、分子或颗粒的溶液。金粒通过离子配对吸收到DNA骨架上，并且使用以上技术的一种或多种实现导线的生长。

(e)熟化过程：

(vii)使用诸如热退火过程(氢气氛(N₂中10％的H₂)，300C几个小时)之类的种种过程，退火通过以上以上技术的一种或组合得到的粒状导线中的缺陷。

实施例9：由在DNA模板上形成的导电导线连接两根电极、及导线的性能

(a)导线制备：

图3A概述了金属导线的DNA模板装配。首先相对于假DNA结合钝化玻璃盖片。然后，使用标准微电子技术把两根平行金电极沉积在盖片上。然后把一根金电极用包含借助于附着到其3′侧上的硫化物基团衍生的12-碱基特定序列的寡核苷酸的水溶液的微米尺寸液滴湿润。类似地，第二根电极用不同的寡核苷酸序列标记。在清洗之后，用约16μm长λ-DNA的、带有与附着到金电极上的寡核苷酸互补的两个12-碱基粘性末端的溶液涂敷试样。诱导垂直于电极的流动以延伸DNA，允许其与两个远距离表面结合寡核苷酸的杂交。也能以相反顺序实现在两根电极之间延伸DNA，其中在长DNA分子施加到试样上之前，进行二硫化物衍生的寡核苷酸对长DNA分子的杂交和连结。两种方法都同样工作良好。图14描绘桥接两根金电极的荧光标明的λ-DNA。通过观察在垂直流下DNA分子的弯曲，证明它仅附着到电极上。通过除去溶液完成试样制备。

对这些试样进行的两端测量证明，伸展的DNA分子实际上是具有高于10¹³Ω电阻的绝缘体。DNA的绝缘特性与以前的光谱电子转移率测量⁽¹⁸⁾相一致。为了注入电气功能，沿DNA分子定向沉积银金属。三步化学沉积过程基于银离子沿DNA通过Ag⁺/Na⁺离子交换的选择性定位⁽¹⁹⁾、和在银与DNA碱基之间的复合物的形成^(19-22)。通过跟踪标记DNA的荧光信号的萃灭，监视Ag⁺/Na⁺离子交换。当达到完全萃灭时，结束该过程。在清洗之后，使用碱性氢醌溶液还原银离子交换DNA复合物。该步骤导致结合到DNA骨架上的纳米尺寸的金属银团的形成。这些银团起部分定位用于以后导线生长的成核地点的作用。离子交换过程是高度选择性的，并且仅限于DNA模板。在低光条件下使用氢醌和银离子的酸性混合物，使结合到DNA上的银团进一步“生长”，就象在标准摄影过程中那样^{(24、25、32-37)}。氢醌和银离子的酸性溶液是亚稳定的，但自发的金属沉积通常非常慢。金属催化剂的存在(如在DNA上的银成核地点)，显著加速该过程。在这些试验条件下，因此仅沿DNA骨架出现金属沉积，留下实际上没有银的钝化玻璃。当在差示干涉差(DIC)显微镜下金属导线的踪迹可清楚观察时，终止该过程。金属导线准确地跟随DNA骨架的以前荧光图象。金属导线的结构、尺寸及导电性能是可重复的，并且由“生长”条件支配。

结果：

100nm宽、12μm长的导线截面的原子力显微镜(AFM)图象表示在图15A和15B中。如清楚看到的那样，导线包括沿DNA骨架沉积的30-50nm直径的细粒。

为了研究这些导线的电子传送性能，使用具有10¹³Ω内部电阻和10fA电流分辨率的HP参数分析器，在室温下已经测量了两端的I-V曲线。图16A表示在图15A和15B中表示的银导线的I-V曲线。该曲线是高度非线性的，并且相对于零偏压是非对称的。曲线的形状取决于由图16A中箭头指示的电压扫描方向。随着从很大的正或负偏压接近零电压，电流与电压几乎线性地变成零。零电流平稳段然后发展，使微分电阻比10¹³Ω大。在较高偏压下，导线再次转为导通，微分电阻稍低于原始偏压极性中的。在相同扫描方向的重复测量(图16A中的实线)产生可重复的I-V曲线。在不同导线中零偏压平稳段的长度能从不到1伏特至约10伏特。在图12B中的实线描绘例如不同导线的I-V曲线，其中在DNA上的银生长更广泛。结果，平稳段减小到0.5伏特。通过驱动较大电流通过导线，通常能消除平稳段，以相对于电阻在1与30MΩ之间的变化给出欧姆特性(在图16B中的虚线)，这取决于银沉积过程。

实施例10：金在寡核苷酸纤维上的沉积

金增强剂能用来增强实际任何金属的成核中心。

可以按如下制备金增强剂溶液。

把30μl(微升)的KSCN溶液(来自把60mg的KSCN溶解在1ml的H₂O中制备的备用溶液)添加到240μl H₂O中，并且彻底混合。把30μl的KAuCl₄溶液(来自通过把23mg的KAuCl₄溶解在1ml的H₂O中制备的备用溶液)添加到KSCN溶液中，并且混合。在几秒钟内，颜色从深黄色变到非常浅的橙色，并且然后添加60μl氢醌溶液(来自通过把55mg的氢醌溶解在10ml的H₂O中制备的备用溶液)，并且彻底混合溶液。

对于实际任何金属上的金生长，能容易地采用金增强剂。通过用磷酸盐缓冲液pH＝8替代一些水，能把生长率从每几小时100nm调整到每分钟100mn。

实施例11：基于有机共轭聚合物的导电导线

(i)把网络的有关部分暴露于一种溶液，该溶液包含通过化学转换能够形成共轭聚合物的阳离子片段、或通过化学转换能够进行结合的阳离子非共轭聚合物、或阳离子共轭聚合物。因而，离子交换过程发生在DNA骨架暴露于溶液的磷酸盐基处。

(ii)根据结合到聚阴离子骨架上的有机物的特性，处理离子交换DNA复合物。通过以上过程或者通过顺序搀杂过程，实现电气功能化。经常规氧化还原过程、通过质子化-去质子化过程、通过电化学方法或者通过光化学方法，实现搀杂。另外，对于具有明确结构、电亲合力梯度和p/n结的导线的生产，能利用在DNA骨架与基于以上有机共轭聚合物的导电导线之间的序列选择性过程。

I.PPV(聚苯撑乙烯撑)导电导线的制造如下：

(i)把固定在基体上的DNA网络暴露于预PPV水溶性聚合物的溶液。在DNA聚合电解质被预PPV聚合物交换之后，认真清洗基体，并且干燥。

(ii)固定在基体上的DNA网络载有的预PPV聚合物在真空炉中反应(1e-6 bar，300 C，6小时)。

(iii)使用常规方法搀杂生成的发光PPV聚合物，直到表现出导电性。

II.用于PPV导电导线制造的另一个途径如下：

(i)把固定在基体上的DNA网络暴露于二氯化对二亚甲基苯基双-(四氢噻吩鎓)的溶液。在DNA多电解质通过二氯化对二亚甲基苯基双-(四氢噻吩鎓)交换之后，认真清洗基体，并且干燥。

(ii)固定在基体上的DNA网络载有的二氯化对二亚甲基苯基双-(四氢噻吩鎓)在碱性溶液中聚合，以形成附着到DNA骨架上的预PPV聚合物。

(iii)固定在基体上的DNA网络载有的预PPV聚合物在真空炉中反应(1e-6 bar，300 C，6小时)。

(iv)使用常规方法搀杂生成的发光PPV聚合物，直到表现出导电性。

III.按如下进行PANI(聚苯胺)导电导线的制造：

(i)把固定在基体上的DNA网络暴露于酸可溶性PANI聚合物的溶液中。在DNA聚合电解质被PANI聚合物交换之后，认真清洗基体，并且干燥。

(ii)使用常规方法搀杂生成的PANI聚合物，直到表现出导电性。

IV.关于PANI导电导线制造的另一个途径如下：

(i)把固定在基体上的DNA网络暴露于苯胺离子的溶液。在DNA聚合电解质被苯胺离子交换之后，认真清洗基体，并且干燥。

(ii)使用诸如过硫酸盐离子之类的氧化剂，氧化DNA骨架上载有的苯胺离子，产生聚苯胺聚合物。使用常规方法搀杂生成的PANI聚合物，直到表现出导电性。

V.关于PANI导电导线制造的另一个途径如下：

(i)把固定在基体上的DNA网络暴露于PANI的短的寡聚物(＞1个重复单元)的溶液。在DNA聚合电解质被PANI低聚物交换之后，认真清洗基体，并且干燥。

(ii)使用诸如过硫酸盐离子之类的氧化剂，氧化DNA骨架上载有的PANI低聚物离子，产生聚苯胺聚合物。使用常规方法搀杂生成的PANI聚合物，直到表现出导电性。

实施例12：绝缘体的制造

绝缘体可以建造在网络的电气功能化部分上，如在导线和导线与元件之间的连接上。

A.金属元件(包括金属导线)的绝缘：

(1)使用包括绝缘体的表面活性剂，如附着到诸如硫羟或二硫化物基之类的表面结合基上的烷基，可以把金属元件与其周围介质电气绝缘。表面结合基结合到金属的表面上，因而在金属表面处形成电气绝缘分子的致密“两维”层。该层呈现提供屏障物，即一种绝缘体。

(2)选择性氧化物、和形成非导电层和界面的其他衍生物，也形成电气绝缘屏障物。

B.非金属元件(包括基于共轭聚合物的导线)的绝缘

使用基于互补相互作用的分子识别过程，建造能自装配到非金属元件表面上的绝缘层。例如，使用具有长烷基链侧基的多阴离子聚合物，能涂敷诸如PANI之类的带正电聚合物，并且与其周围介质绝缘。

实施例13：含金分子或颗粒对特定核苷酸的连接

通过把与化学活性基团连接的隔离臂连接到碱基中特定位点，来修饰DNA碱基。对于适当的地点和足够长的隔离臂，这种修饰不会干扰酶促机理，留下与重组DNA技术相容的DNA分子。一种这样的修饰是生物素与C或A碱基的连接。在下个步骤，对于链霉抗生物素蛋白涂敷的金颗粒与生物素标记碱基的连接，采用链霉抗生物素蛋白与生物素的特异性结合。图17表示这种操作结果的AFM图象。在这种情况下，长DNA分子中的最后核苷酸由生物素标记的核苷酸置换。然后把模板浸泡在包含链霉抗生物素蛋白涂敷的5nm金胶体的溶液中，导致这些胶体与修饰碱基的特定附着。由于链霉抗生物素蛋白具有四个用于生物素的结合地点，所以涂敷金胶体也能用作标记DNA分子之间的接合点。在两个DNA分子之间的接合点也表示在图17中。除生物素之外的团基也能用来标记。一些例子包括硫醇、地高辛及胺。

实施例14：单电子晶体管(SET)的制备

在下面，概述在SET制造中的主要步骤：

1.根据例6进行基体钝化。

2.进行通过标准微电子技术的金电极定义，例如按例7中规定的那样。对于单个SET的简单情形，仅需要三个电极。

3.例如根据例1(a)进行接合剂合成。接合剂一般由在其3′侧处被二硫化物基团衍生的短(例如12碱基)寡核苷酸制成。对于单个SET的情形，带有三个不同序列的接合剂是最好的。

4.使接合剂经其二硫化物基团与电极相互作用。根据实例2每根电极用不同接合剂标记。

5.把三种不同二硫化物衍生接合剂在其二硫化物侧连接到相同纳米尺度的金颗粒上，并且接合剂之一经大的桥接剂连接，该桥接剂在胶体与该接合剂之间产生很大的屏障物。

6.包含与在金颗粒处的接合剂的序列互补的粘性末端、几个微米长的三个双链DNA分子与和胶体相连的接合剂杂交并连接，以在分支点处与胶体形成三末端接合点。三个DNA分子在其与金颗粒相对侧也包含与电极相连的三个接合剂互补的粘性末端。

7.通过让附着到金颗粒上的双链DNA分子与电极上的三种接合剂杂交来完成网络，接着是缺口的连结。

8.通过如下步骤实现电气功能：

a)由要用作绝缘屏障物的链烷硫醇、和抗金属沉积的钝化层，涂敷金颗粒。

b)用金属涂敷DNA链以形成导电导线，例如实施例8中所述。导线经链烷硫醇层绝缘屏障电气弱联接到金颗粒上，经大的桥接剂联接的一根导线具有对颗粒的更弱联接。

c)图6概述包括金颗粒的最后装置经绝缘屏障连线到三根电极上。

现在通过施加到第三电极(对颗粒联接非常弱的一根)上的小电压，能调节两根电极之间的电流。电路因此起一个SET的作用。SET能作为更复杂电路的一部分制造，其中电极由功能化网络元件代替。

应该认识到，可以改变来自SET制备的步骤顺序，因而例如步骤6可以先于步骤4等。

实施例15：作为光源的PPV功能化纤维

可以按照实施例11中描述的过程，直到且包括步骤I(ii)。生成的PPV成分是高度发光的，并且具有远小于100nm的宽度。在适当工作功能的电极之间制造PPV成分，然后形成一种电发光装置。