JP2001235474A - Substrate for biochemical reaction detection chip and its manufacturing method, biochemical reaction detection chip, apparatus and method for executing biochemical reaction, and recording medium - Google Patents

Substrate for biochemical reaction detection chip and its manufacturing method, biochemical reaction detection chip, apparatus and method for executing biochemical reaction, and recording medium

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JP2001235474A JP2000056775A JP2000056775A JP2001235474A JP 2001235474 A JP2001235474 A JP 2001235474A JP 2000056775 A JP2000056775 A JP 2000056775A JP 2000056775 A JP2000056775 A JP 2000056775A JP 2001235474 A JP2001235474 A JP 2001235474A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biochemical reaction detection chip and its substrate whereby a temperature of a biochemical reaction including hybridization can be adjusted for every reaction system on the same chip. SOLUTION: In this substrate for biochemical reaction detection chips, a plurality of islands of thermal conductors are formed on a thin film, which are separated from each other by spaces. Each of the islands is provided with a temperature regulator. This biochemical reaction chip has a probe fixed on the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、生化学反応検出チ
ップ用基板およびその製造方法、生化学反応検出チッ
プ、生化学反応を行うための装置および方法、ならびに
記録媒体に関する。
The present invention relates to a biochemical reaction detection chip substrate and a method for producing the same, a biochemical reaction detection chip, an apparatus and method for performing a biochemical reaction, and a recording medium.

【0002】[0002]

【従来の技術】核酸の塩基配列を測定する技術として、
予め設計した塩基配列の1本鎖オリゴヌクレオチドプロ
ーブを塩基配列の種類毎に領域を分けて固定したポリヌ
クレオチド検出チップを用いて、測定対象である1本鎖
ポリヌクレオチドと1本鎖オリゴヌクレオチドプローブ
との相補鎖結合(ハイブリダイゼーション)の有無を検
出する方法が知られている。ポリヌクレトチド検出チッ
プの例としては、関心のある特定の変異配列に相補的な
DNAを配置した診断用のポリヌクレオチド検出チップ
(Science Vol.270, 467-470 (1995))、測定対象に存
在し得る全ての塩基配列に相補鎖結合するオリゴヌクレ
オチドプローブを準備し、測定対象の塩基配列決定を行
うSBH(sequencing by hybridization)法が知られて
いる(J. DNA Sequencing and Mapping, Vol. 1, 375-3
88 (1991))。
2. Description of the Related Art As a technique for measuring the base sequence of a nucleic acid,
Using a polynucleotide detection chip in which a single-stranded oligonucleotide probe of a previously designed base sequence is divided and fixed for each type of base sequence, a single-stranded polynucleotide to be measured and a single-stranded oligonucleotide probe A method for detecting the presence or absence of a complementary strand bond (hybridization) is known. Examples of the polynucleotide detection chip include a polynucleotide detection chip for diagnosis in which DNA complementary to a specific mutant sequence of interest is arranged (Science Vol. 270, 467-470 (1995)), which can be present in a measurement object. An SBH (sequencing by hybridization) method for preparing an oligonucleotide probe that binds to a complementary strand to all base sequences and determining the base sequence of a measurement target is known (J. DNA Sequencing and Mapping, Vol. 1, 375- Three
88 (1991)).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】オリゴヌクレオチドプ
ローブと1本鎖ポリヌクレオチドの相補鎖結合の熱安定
性は配列毎に異なる。その理由は以下のように考えられ
る。アデニン(A)とチミン(T)の結合又はアデニン(A)
とウラシル(U)の結合は、1塩基あたり2カ所の水素結
合であるのに対して、グアニン(G)とシトシン(C)
の結合は1塩基あたり3カ所の水素結合である(図11)。
その結果、結合力に差異が生じる。G−C結合はA−T
結合又はA−U結合より結合力が強い(図12(a))ため
に、熱安定性が高い。従って、同じ塩基長で熱安定性を
比較する場合、A−T結合又はA−U結合のみが存在す
る2重結合の熱安定性は最も低く、G−C結合のみが存
在する2重結合の熱安定性は最も高い。相補鎖結合の熱
安定性は、一般的に、結合とその解離が50%ずつ生じ
る温度(融解温度)(Tm)で示される(図12(b))。
The thermal stability of the binding of the complementary strand between the oligonucleotide probe and the single-stranded polynucleotide varies from sequence to sequence. The reason is considered as follows. Binding of adenine (A) and thymine (T) or adenine (A)
The bond between uracil (U) and uracil (U) is two hydrogen bonds per base, whereas guanine (G) and cytosine (C)
Are three hydrogen bonds per base (FIG. 11).
As a result, a difference occurs in the bonding strength. GC bond is AT
Since the bonding strength is stronger than the bonding or the AU bonding (FIG. 12 (a)), the thermal stability is high. Therefore, when comparing the thermal stability at the same base length, the thermal stability of the double bond having only the AT bond or the AU bond is the lowest, and the thermal stability of the double bond having only the GC bond is the lowest. Thermal stability is highest. The thermal stability of complementary strand binding is generally indicated by the temperature (melting temperature) (Tm) at which binding and dissociation occur by 50% (FIG. 12 (b)).

【0004】8量体のオリゴヌクレオチドDNAプロー
ブを例にとると、すべてがA−T結合からなる2本鎖D
NAのTmは15.2℃(%GC法(Breslauer K.J.,e
t.al.:"Predicting DNA duplexstability from the bas
e sequence", Proc.Natl.Acad,Sci.USA83,3746-3750)
による計算値)であるのに対して、すべてがG−C結合
からなる2本鎖DNAのTmは56.2℃であり、その
差は41.0℃である(図12(c))。
Taking an octamer oligonucleotide DNA probe as an example, a double-stranded D consisting entirely of AT bonds
The Tm of NA is 15.2 ° C. (% GC method (Breslauer KJ, e
t.al.:"Predicting DNA duplexstability from the bas
e sequence ", Proc. Natl. Acad, Sci. USA83, 3746-3750)
In contrast, the Tm of a double-stranded DNA consisting entirely of GC bonds is 56.2 ° C., and the difference is 41.0 ° C. (FIG. 12 (c)).

【0005】このように、オリゴヌクレオチドプローブ
の相補鎖結合のTm値が大きく変化する場合には、各プ
ローブの相補鎖結合のTm値の温度でハイブリダイゼー
ションを行う必要がある。Tmより高温の条件では、1
本鎖ポリヌクレオチドはプローブと結合しにくく、有効
な効果が得られない。一方、Tmより低温の条件では、
ミスマッチ結合によるバックグラウンドのノイズが増加
し、測定分解能の低下を招く。そのため、ポリヌクレオ
チド検出チップ上に複数種類のプローブを固定した場
合、ポリヌクレオチド検出チップ上の温度を一定にし
て、検査対象の1本鎖ポリヌクレオチド試料とのハイブ
リダイゼーションを行うと、プローブ毎に熱安定性が異
なるため、プローブの相補鎖結合の生成量の差異及びミ
スマッチ確率の差異が生じる問題がある。
As described above, when the Tm value of the complementary strand binding of the oligonucleotide probe changes greatly, it is necessary to perform hybridization at the temperature of the Tm value of the complementary strand binding of each probe. Under the condition of higher temperature than Tm, 1
The single-stranded polynucleotide hardly binds to the probe, and an effective effect cannot be obtained. On the other hand, under conditions lower than Tm,
Background noise due to mismatch binding increases, leading to a decrease in measurement resolution. Therefore, when a plurality of types of probes are immobilized on the polynucleotide detection chip, when the temperature on the polynucleotide detection chip is kept constant and the hybridization with the single-stranded polynucleotide sample to be tested is performed, the heat of each probe is increased. Since the stability is different, there is a problem that a difference occurs in the amount of complementary strand binding of the probe and a difference in mismatch probability.

【0006】従来の検出チップでは、検出チップ上の全
てのプローブについてハイブリダイゼーションを行う温
度は一定に設定し、溶媒の塩濃度の調整や検出チップに
固定するプローブ密度やプローブ塩基長を種類毎に変化
させる手法により、プローブ毎の熱安定性の差異による
プローブの相補鎖結合の生成量の差異及びミスマッチ確
率の差異を解消する試みがなされてきた。しかし、Tm
の差異による影響を十分解消するには至っていない。
In a conventional detection chip, the temperature at which hybridization is performed for all the probes on the detection chip is set to be constant, and the salt concentration of the solvent is adjusted, and the probe density and probe base length fixed to the detection chip are set for each type. Attempts have been made to eliminate the difference in the amount of complementary strand binding generated by the probe and the difference in the mismatch probability due to the difference in the thermal stability of each probe by using the changing method. However, Tm
The effects of the differences have not been fully resolved.

【0007】この問題を解決する例として、特開平11
−127900号では、個々の分析電極のまわりに導電
性加熱トラックを設ける、又は、個々の分析電極をレー
ザで加熱する構成を開示する。しかし、特開平11−1
27900号は、分析電極を加熱することだけであり、
例えば、分析電極の温度を一定に保つ、というような制
御を行うことはできなかった。
As an example for solving this problem, Japanese Patent Application Laid-Open
No. -127900 discloses a configuration in which a conductive heating track is provided around each analysis electrode, or each analysis electrode is heated by a laser. However, Japanese Patent Laid-Open No. 11-1
No. 27900 only heats the analysis electrode,
For example, it was not possible to perform control such as keeping the temperature of the analysis electrode constant.

【0008】従って、本発明は、オリゴヌクレオチドプ
ローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーション
をはじめとする生化学反応の温度を調節できる生化学反
応検出チップおよびその基板を提供することを目的とす
る。また、本発明は、複数の反応系において生化学反応
を反応系毎に温度調節して同時に行うための装置および
方法、ならびに記録媒体を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a biochemical reaction detection chip and a substrate thereof, which can control the temperature of a biochemical reaction including hybridization between an oligonucleotide probe and a polynucleotide. Another object of the present invention is to provide an apparatus and a method for simultaneously performing a biochemical reaction in a plurality of reaction systems by adjusting the temperature for each reaction system, and a recording medium.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、熱伝導体で構
成される複数のアイランドが薄膜上に形成されており、
前記アイランドは空間によって互いに分離され、かつ、
前記アイランドの各々は温度調節器を備えている生化学
反応検出チップ用基板を提供する。
According to the present invention, a plurality of islands composed of a heat conductor are formed on a thin film,
The islands are separated from each other by a space, and
Each of the islands provides a substrate for a biochemical reaction detection chip provided with a temperature controller.

【0010】薄膜は、絶縁性、断熱性および強度に優れ
た材料で形成するとよい。薄膜材料の電気伝導度は、10
8Ω・m以上であるとよく、好ましくは、1010Ω・m以
上である。薄膜材料の熱伝導度は、10w/mk以下であると
よく、好ましくは、1w/mk以下である。
The thin film is preferably formed of a material having excellent insulating properties, heat insulating properties and strength. The electrical conductivity of the thin film material is 10
The resistance is preferably 8 Ω · m or more, and more preferably 10 10 Ω · m or more. The thermal conductivity of the thin film material is preferably 10 w / mk or less, and preferably 1 w / mk or less.

【0011】薄膜を絶縁性および断熱性に優れた材料で
形成することにより、個々のアイランドの温度が調節し
やすくなる。薄膜の例としては、Si窒化膜、Si酸化
膜、Al酸化膜およびTa25からなる群より選択され
る少なくとも1種の材料で形成される薄膜、すなわち、
Si窒化膜、Si酸化膜、Al23、Ta25などの薄
膜およびそれらの複合膜を挙げることができる。これら
のうち、SiNとSiO2との複合膜が好ましい。Si
Nはアルカリ耐性があるので、アルカリ溶液中でシラン
カップリングによりSiN膜上にプローブを固定するこ
とができる。また、SiN膜はその下に形成される温度
調節のための電子回路をサンプル溶液などの溶液から保
護することができる。
When the thin film is formed of a material having excellent insulating properties and heat insulating properties, the temperature of each island can be easily adjusted. Examples of the thin film include a thin film formed of at least one material selected from the group consisting of a Si nitride film, a Si oxide film, an Al oxide film, and Ta 2 O 5 ,
Examples include a thin film such as a Si nitride film, a Si oxide film, Al 2 O 3 , and Ta 2 O 5 , and a composite film thereof. Among these, a composite film of SiN and SiO 2 is preferable. Si
Since N has alkali resistance, the probe can be fixed on the SiN film by silane coupling in an alkaline solution. Further, the SiN film can protect an electronic circuit formed thereunder for temperature control from a solution such as a sample solution.

【0012】薄膜の厚さは、1〜500μmであるとよ
く、好ましくは、5〜20μmである。薄膜上でプローブ
を固定するための領域には窪みが設けられているとよ
い。窪みが設けられていると、サンプル溶液をプローブ
と接触させて生化学反応を行うにあたって、サンプル溶
液をチップ上に保持できるので有利である。
[0012] The thickness of the thin film is preferably 1 to 500 µm, and more preferably 5 to 20 µm. It is preferable that a recess is provided in a region for fixing the probe on the thin film. The provision of the depression is advantageous because the sample solution can be held on the chip when the sample solution is brought into contact with the probe to perform a biochemical reaction.

【0013】また、薄膜上でアイランドが形成されてい
る表面の反対側の表面上にレジスト膜が形成されていて
もよい。レジスト膜としては、感光性ポリイミドなどを
挙げることができる。
Further, a resist film may be formed on a surface opposite to a surface on which the island is formed on the thin film. Examples of the resist film include photosensitive polyimide.

【0014】薄膜の上には、熱伝導体で構成される複数
のアイランドが形成される。「複数のアイランド」と
は、少なくとも2個のアイランドをいい、アイランドの
数は特に限定されないが、好ましくは、10〜1000個であ
る。複数のアイランドは、直線状に配列されてもよい
し、第1方向(行)と第2方向(列)とに二次元に配列され
てもよい。
On the thin film, a plurality of islands made of a heat conductor are formed. “A plurality of islands” refers to at least two islands, and the number of islands is not particularly limited, but is preferably 10 to 1,000. The plurality of islands may be arranged linearly, or may be two-dimensionally arranged in a first direction (row) and a second direction (column).

【0015】アイランドは、熱伝導体で構成される。熱
伝導体の例としては、結晶Si、Ag、Au、Cuなど
の金属、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどを挙
げることができる。また、アイランドを構成する熱伝導
体は、温度調節器との間で電気的な絶縁が可能なもので
あるとよい。熱伝導性が良好であり、かつ、温度調節器
との間で電気的な絶縁が可能であることから、アイラン
ドを構成する熱伝導体としては、シリコンが好ましい。
シリコン中にpn接合を形成することにより熱伝導体と
温度調節器との間の絶縁を確保することができる。
The island is composed of a heat conductor. Examples of the heat conductor include metals such as crystalline Si, Ag, Au, and Cu, polysilicon, and amorphous silicon. Further, it is preferable that the heat conductor constituting the island is capable of electrically insulating the heat conductor from the temperature controller. Silicon is preferred as the heat conductor constituting the island, since it has good thermal conductivity and can be electrically insulated from the temperature controller.
By forming a pn junction in silicon, insulation between the heat conductor and the temperature controller can be ensured.

【0016】アイランドは空間によって互いに分離され
ている。アイランド間の空間は断熱材の役割を果すの
で、個々のアイランドを独立に温度調節することが容易
になる。アイランドの大きさは、10〜1000μm2である
とよく、好ましくは、50〜500μm2である。アイランド
の間隔は、50〜1000μmであるとよく、好ましくは、10
0〜500μmである。
The islands are separated from each other by a space. The space between the islands acts as a thermal insulator, which facilitates independent temperature control of the individual islands. The size of the island is preferably 10 to 1000 μm 2 , and more preferably 50 to 500 μm 2 . The distance between the islands is preferably 50 to 1000 μm, and preferably 10 to 1000 μm.
It is 0 to 500 μm.

【0017】アイランドの形状は特に限定されない。例
えば、100面を表面にもつSi結晶の平板からKOHに
よるエッチングで不要な部分を除去してSi結晶のアイ
ランドを形成する場合には、その製造過程において、11
1面が露出し、アイランドの形状は四角錘の様になる。
The shape of the island is not particularly limited. For example, when an unnecessary portion is removed by etching with KOH from a flat plate of Si crystal having a surface of 100 to form an island of Si crystal, in the manufacturing process, 11
One surface is exposed, and the shape of the island becomes like a quadrangular pyramid.

【0018】複数のアイランドの各々は温度調節器を備
えている。具体的には、アイランドの各々に、加熱回路
および温度検出回路を形成するとよい。加熱回路および
温度検出回路は、アイランド毎に独立に動作するように
制御されてもよいし、グループ分けしたアイランドのグ
ループ毎に独立に動作するように制御されてもよい。
Each of the plurality of islands has a temperature controller. Specifically, a heating circuit and a temperature detection circuit may be formed in each of the islands. The heating circuit and the temperature detection circuit may be controlled to operate independently for each island, or may be controlled to operate independently for each group of islands.

【0019】また、複数のアイランドが第1方向と第2
方向とに二次元に配列されている場合には、第1方向ま
たは第2方向のいずれかの方向に配置されたアイランド
毎に独立に動作するように制御されてもよい。生化学反
応検出チップ用基板の大きさは、25mm2〜100cm2
あるとよく、好ましくは、100mm2〜14cm2である。
Further, the plurality of islands are formed in the first direction and the second direction.
When two-dimensionally arranged in the directions, the islands may be controlled to operate independently for each of the islands arranged in either the first direction or the second direction. The size of the substrate for biochemical reaction detection chip may When it is 25 mm 2 100 cm 2, preferably from 100mm 2 ~14cm 2.

【0020】本発明の生化学反応検出チップ用基板にプ
ローブを固定して作製した生化学反応検出チップを用い
れば、隣接するプローブ固定面(反応系)の温度の影響
を少なくして、個々のプローブ固定面(反応系)で適切
な温度で生化学反応を行うことができる。
By using a biochemical reaction detection chip manufactured by fixing a probe to the substrate for a biochemical reaction detection chip of the present invention, the influence of the temperature of the adjacent probe fixing surface (reaction system) is reduced, and individual A biochemical reaction can be performed at an appropriate temperature on the probe fixing surface (reaction system).

【0021】本発明の生化学反応検出チップ用基板は、
アイランドからの熱を流出する熱流出器をアイランド間
に備えるとよい。熱流出器はアイランドと直接接するこ
とがないような構造(例えば、メッシュ構造)にすると
よい。熱流出器は第1方向または第2方向のいずれかの
1方向だけに設けてもよいし、第1方向および第2方向
の両方向に設けてもよい。生化学反応の適温が近似して
いるプローブをグループ分けして薄膜に固定した場合に
は、そのグループの領域毎に熱流出器を設けてもよい。
The biochemical reaction detection chip substrate of the present invention comprises:
A heat extruder for draining heat from the islands may be provided between the islands. The heat extruder may have a structure that does not directly contact the island (for example, a mesh structure). The heat outflow device may be provided in only one of the first direction and the second direction, or may be provided in both the first direction and the second direction. When the probes whose biochemical reactions have similar optimum temperatures are grouped and fixed to a thin film, a heat outlet may be provided for each region of the group.

【0022】熱流出器は、熱伝導性の良好な材料、例え
ば、Si、Au、Ag、Cuなどの金属などで形成され
るとよい。アイランド間に熱流出器を形成することによ
り、熱が隣のアイランドから伝わる前に逃がすことがで
きるようになる。アイランドから熱流出器までの距離
は、10〜500μmであるとよく、好ましくは、10〜250μ
mである。
The heat outlet is preferably made of a material having good heat conductivity, for example, a metal such as Si, Au, Ag, or Cu. Forming a heat sink between the islands allows the heat to escape before it travels from the adjacent island. The distance from the island to the heat sink is preferably between 10 and 500 μm, preferably between 10 and 250 μm
m.

【0023】また、本発明は、生化学反応検出チップ用
基板を製造する方法であって、(a)熱伝導体の平板の一
方の表面上に薄膜を形成し、そして、(b)熱伝導体の平
板のもう一方の表面の側から不要な部分を除去して熱伝
導体のアイランドを形成する方法を提供する。上記の方
法において、熱伝導体の平板の一方の表面上に温度調節
器を形成し、その上に薄膜を形成してもよい。
The present invention also provides a method for producing a substrate for a biochemical reaction detection chip, comprising: (a) forming a thin film on one surface of a flat plate of a heat conductor; A method is provided for removing unwanted portions from the other surface side of a body slab to form thermal conductor islands. In the above method, a temperature controller may be formed on one surface of the flat plate of the heat conductor, and a thin film may be formed thereon.

【0024】生化学反応検出チップ用基板の製造方法の
一態様として、熱伝導体の平板の薄膜が形成された表面
の反対側の表面上に所望のパターンのマスクを設け、反
対側の面に形成された薄膜が露出するまでマスクを設け
た側の面をエッチングして、薄膜上にマスクのパターン
で熱伝導体のアイランドを形成してもよい。マスクは、
例えば、Si窒化膜の薄膜であるとよい。
As one embodiment of a method for manufacturing a substrate for a biochemical reaction detection chip, a mask having a desired pattern is provided on a surface opposite to a surface on which a flat thin film of a heat conductor is formed, and a mask is provided on the opposite surface. The surface on the side provided with the mask may be etched until the formed thin film is exposed, and the island of the heat conductor may be formed on the thin film in a pattern of the mask. The mask is
For example, a thin film of a Si nitride film may be used.

【0025】さらに、本発明は、上記の生化学反応検出
チップ用基板にプローブを固定した生化学反応検出チッ
プを提供する。基板上でプローブを固定する面はSi窒
化膜薄膜の表面であるとよい。この場合、アミノ基を設
けたプローブをSi窒化膜薄膜のシラン化した表面にシ
ランカップリングにより固定することができる。
Further, the present invention provides a biochemical reaction detection chip in which a probe is fixed to the above substrate for a biochemical reaction detection chip. The surface on which the probe is fixed on the substrate is preferably the surface of the Si nitride thin film. In this case, the probe provided with the amino group can be fixed to the silanized surface of the Si nitride thin film by silane coupling.

【0026】「プローブ」とは、特定の物質、部位、状
態などを特異的に検出できる物質をいい、その例とし
て、オリゴヌクレオチドDNA・RNAプローブ、抗体
等のタンパク質プローブなどを挙げることができる。オ
リゴヌクレオチドDNA・RNAプローブの場合、その
塩基数は、4〜500nt(ヌクレオチド)であるとよ
く、好ましくは、8〜200nt(ヌクレオチド)であ
る。オリゴヌクレオチドプローブは1本鎖でも2本鎖で
もよいが、プローブと測定対象との結合効率の点から、
1本鎖であることが好ましい。
The term "probe" refers to a substance capable of specifically detecting a specific substance, site, state, etc., and examples thereof include oligonucleotide DNA / RNA probes and protein probes such as antibodies. In the case of an oligonucleotide DNA / RNA probe, the number of bases is preferably 4 to 500 nt (nucleotide), and preferably 8 to 200 nt (nucleotide). The oligonucleotide probe may be single-stranded or double-stranded, but from the viewpoint of the binding efficiency between the probe and the measurement target,
It is preferably single-stranded.

【0027】プローブは、公知の方法により、生化学反
応検出チップ用基板の薄膜の上に固定することができ
る。例えば、薄膜のプローブ固定面をシラン化し、プロ
ーブにアミノ基を設けておけば、シランカップリングで
プローブを薄膜上に固定することができる。薄膜のプロ
ーブ固定面の下にアイランドが存在するようにする。
The probe can be fixed on the thin film of the biochemical reaction detection chip substrate by a known method. For example, if the probe fixing surface of the thin film is silanized and an amino group is provided on the probe, the probe can be fixed on the thin film by silane coupling. An island exists below the probe fixing surface of the thin film.

【0028】また、薄膜上のプローブ固定面以外の領域
はプローブ固定後に、ポリリジンでコートし、プローブ
と結合していないシランコート面の結合サイトをつぶし
た方がよい。これにより、使用時に、サンプルDNA、RNA
等がシランコート面に非特異的に結合するのをさけるこ
とができる。
It is preferable that the area other than the probe-immobilized surface on the thin film is coated with polylysine after the probe is immobilized, and the binding sites on the silane-coated surface not bonded to the probe are crushed. This allows sample DNA and RNA to be used at the time of use.
And the like can be prevented from non-specifically binding to the silane-coated surface.

【0029】プローブの種類は、特に限定されず、1種
類でもよいし、複数種でもよい。例えば、1枚のチップ
用基板に複数種のプローブを固定したチップを用いれ
ば、1つのサンプルにおける複数個の検出対象物を同時
に検出することができる。また、1枚のチップ用基板に
1種類のプローブを多数固定したチップを用いれば、複
数のサンプルにおける1個の検出対象物を同時に検出す
ることができる。
The type of probe is not particularly limited, and may be one type or a plurality of types. For example, if a chip in which a plurality of types of probes are fixed to one chip substrate is used, a plurality of detection targets in one sample can be simultaneously detected. In addition, when a chip in which a large number of one type of probes are fixed to one chip substrate is used, one detection target in a plurality of samples can be simultaneously detected.

【0030】本発明の検出チップは、DNA、cDNA、RNAな
どの検出、抗原抗体反応の検出、タンパク質の検出など
の生化学反応の検出に用いることができる。本発明の生
化学反応検出チップを用いれば、隣接するプローブ固定
面(反応系)の温度の影響を少なくして、個々のプロー
ブ固定面(反応系)で適切な温度で生化学反応を行うこ
とができる。
The detection chip of the present invention can be used for detecting biochemical reactions such as detection of DNA, cDNA, RNA, etc., detection of antigen-antibody reaction, detection of protein and the like. By using the biochemical reaction detection chip of the present invention, it is possible to reduce the influence of the temperature of the adjacent probe fixing surface (reaction system) and perform a biochemical reaction at an appropriate temperature on each probe fixing surface (reaction system). Can be.

【0031】さらに、本発明は、生化学反応検出チップ
上で複数の反応系により生化学反応を行う装置であっ
て、各生化学反応に適した温度よりも高い温度に生化学
反応検出チップ全体を加熱する加熱装置と、各生化学反
応に適した温度に各反応系の温度を調節する温度調節装
置とを備える生化学反応装置を提供する。前記温度調節
装置は、時分割で各反応系の温度を調節するとよい。
Further, the present invention relates to an apparatus for performing a biochemical reaction by a plurality of reaction systems on a biochemical reaction detection chip, wherein the entire biochemical reaction detection chip is heated to a temperature higher than a temperature suitable for each biochemical reaction. And a temperature control device for controlling the temperature of each reaction system to a temperature suitable for each biochemical reaction. The temperature controller may adjust the temperature of each reaction system in a time sharing manner.

【0032】さらにまた、本発明は、コンピュータに、
生化学反応検出チップ上で複数の反応系により生化学反
応を行う装置であって、各生化学反応に適した温度より
も高い温度に生化学反応検出チップ全体を加熱する加熱
装置と、各生化学反応に適した温度に各反応系の温度を
調節する温度調節装置とを備える生化学反応装置、を機
能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み
取り可能な記録媒体を提供する。
Furthermore, the present invention provides a computer
A device for performing a biochemical reaction using a plurality of reaction systems on a biochemical reaction detection chip, wherein the heating device heats the entire biochemical reaction detection chip to a temperature higher than a temperature suitable for each biochemical reaction; Provided is a computer-readable recording medium on which a program for causing a biochemical reaction device including a temperature control device for adjusting the temperature of each reaction system to a temperature suitable for a chemical reaction is recorded.

【0033】本発明は、また、複数の反応系で行われる
複数の生化学反応を反応系毎に温度調節して同時に行う
方法であって、(a)各反応系の生化学反応に適した温度
よりも高い温度になるまで、複数の反応系のすべてを加
熱し、そして、(b)各反応系について、その反応系の温
度を生化学反応に適した温度まで下げ、その温度を一定
時間維持する方法を提供する。
The present invention also relates to a method for simultaneously performing a plurality of biochemical reactions carried out in a plurality of reaction systems by controlling the temperature for each reaction system. (A) The method is suitable for the biochemical reactions of each reaction system. Heating all of the plurality of reaction systems to a temperature higher than the temperature, and (b) for each reaction system, lowering the temperature of the reaction system to a temperature suitable for a biochemical reaction, and reducing the temperature for a certain period of time. Provide a way to maintain.

【0034】(a)の加熱操作は恒温槽で行われるとよ
い。(b)の各反応系について、その反応系の温度を生化
学反応に適した温度まで下げる操作は、(a)の加熱操作
を停止するだけでもよいし、冷却装置を用いて行っても
よい。
The heating operation (a) is preferably performed in a constant temperature bath. For each reaction system of (b), the operation of lowering the temperature of the reaction system to a temperature suitable for a biochemical reaction may be performed by simply stopping the heating operation of (a) or by using a cooling device. .

【0035】本発明の複数の生化学反応を同時に行う方
法の一態様において、生化学反応はポリヌクレオチドと
オリゴヌクレオチドとのハイブリダイゼーションであ
り、生化学反応に適した温度は前記オリゴヌクレオチド
とその相補鎖とが形成する2本鎖の融解温度である。ポ
リヌクレオチドはサンプル中のDNAであり、オリゴヌ
クレオチドは生化学反応検出チップのオリゴヌクレオチ
ドプローブであってもよい。
In one embodiment of the method for simultaneously carrying out a plurality of biochemical reactions according to the present invention, the biochemical reaction is hybridization between a polynucleotide and an oligonucleotide, and the temperature suitable for the biochemical reaction is a temperature at which the oligonucleotide and its complement are complementary. It is the melting temperature of the double strand formed by the strand. The polynucleotide may be DNA in a sample, and the oligonucleotide may be an oligonucleotide probe of a biochemical reaction detection chip.

【0036】生化学反応に適した温度がオリゴヌクレオ
チドプローブとその相補鎖とが形成する2本鎖の融解温
度である場合、生化学反応に適した温度より高い温度と
は、好ましくは、2本鎖のヌクレオチドが完全に解離す
る温度であり、例えば、90℃〜99℃である。生化学
反応に適した温度は、融解温度前後の温度であればよ
く、例えば、融解温度±2℃の範囲にある温度である。
When the temperature suitable for the biochemical reaction is the melting temperature of the duplex formed by the oligonucleotide probe and its complementary strand, the temperature higher than the temperature suitable for the biochemical reaction is preferably The temperature at which the nucleotides of the strand are completely dissociated, for example, between 90C and 99C. The temperature suitable for the biochemical reaction may be a temperature around the melting temperature, for example, a temperature in the range of the melting temperature ± 2 ° C.

【0037】本発明の方法の一態様について説明する。
サンプルを生化学反応検出チップの上に分注し、チップ
に覆いをした後、チップを恒温槽に入れ、最高温度(例
えば、90℃)に加熱する。恒温槽は、通常、ヒーター
と冷却器を有し、内部が設定温度になる様に動作でき
る。その後、恒温槽の温度を最低温度(例えば、15
℃)に設定し、すべての反応系の温度を下げ、各反応系
(例えば、プローブ固定面)の温度が設定温度(例え
ば、各プローブとその相補鎖とが形成する2本鎖の融解
温度)以下になったところで電熱ヒーターを起動させ、
各反応系の設定温度を維持した状態で、生化学反応を進
行させる(例えば、12時間)。反応終了後、反応系
(例えば、プローブ固定面)を洗浄し、次いで、生化学
反応の検出を行い、その検出結果のデータ処理を行う。
One embodiment of the method of the present invention will be described.
After dispensing the sample onto the biochemical reaction detection chip and covering the chip, the chip is placed in a thermostat and heated to the highest temperature (for example, 90 ° C.). A thermostat usually has a heater and a cooler, and can operate so that the inside may be at a set temperature. Thereafter, the temperature of the thermostat is lowered to the lowest temperature (for example, 15
° C), lower the temperature of all the reaction systems, and set the temperature of each reaction system (for example, the probe fixed surface) to the set temperature (for example, the melting temperature of the duplex formed by each probe and its complementary strand). Start the electric heater when
While maintaining the set temperature of each reaction system, a biochemical reaction is allowed to proceed (for example, 12 hours). After completion of the reaction, the reaction system (for example, the surface on which the probe is immobilized) is washed, and then a biochemical reaction is detected, and data processing of the detection result is performed.

【0038】検出は、あらかじめサンプルに蛍光標識し
ておき、プローブに結合した標識の蛍光量を共焦点顕微
鏡により測定し、その蛍光量から結合したサンプル量を
計算するのが一般的な方法である。
For detection, a general method is to label a sample in advance with a fluorescent label, measure the amount of fluorescence of the label bound to the probe with a confocal microscope, and calculate the amount of bound sample from the amount of fluorescence. .

【0039】通常、生化学反応は、反応系を加熱して生
化学反応の適温になったところで反応を進行させるが、
このやり方だとプローブがその検出対象物以外の物質と
結合することがしばしば起こり、それが検出対象物の検
出におけるノイズとなる。しかし、反応系の温度を一度
生化学反応の適温より高い温度まで上げてから、生化学
反応の適温まで下げることにより、プローブがその検出
対象物以外の物質と結合する確率が減り、検出対象物の
検出におけるノイズが減る。例えばオリゴヌクレオチド
プローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーショ
ンの場合、相補鎖結合の適温はプローブとその相補鎖が
形成する2本鎖の融解温度である。反応系を加熱して融
解温度になったところで反応を進行させると、オリゴヌ
クレオチドプローブがその相補鎖を有するヌクレオチド
(検出対象物)以外のヌクレオチドと結合する(いわゆ
る、ミスマッチ)ことがあり、それが検出対象物の検出
におけるノイズとなる。しかし、反応系の温度を一度融
解温度より高い温度まで上げてから、融解温度まで下げ
ることにより、プローブがその相補鎖を有するヌクレオ
チド以外のヌクレオチドと結合する確率が減り、検出対
象物の検出におけるノイズが減る。
Usually, the biochemical reaction proceeds when the temperature of the reaction system reaches an appropriate temperature by heating the reaction system.
In this manner, the probe often binds to a substance other than the object to be detected, which becomes noise in the detection of the object to be detected. However, by raising the temperature of the reaction system once to a temperature higher than the appropriate temperature for the biochemical reaction and then lowering it to the appropriate temperature for the biochemical reaction, the probability that the probe will bind to a substance other than the target substance is reduced, and the target substance is detected. The noise in the detection of is reduced. For example, in the case of hybridization between an oligonucleotide probe and a polynucleotide, the appropriate temperature for binding a complementary strand is the melting temperature of the duplex formed by the probe and its complementary strand. When the reaction system is heated to the melting temperature and the reaction is allowed to proceed, the oligonucleotide probe may bind to nucleotides other than the nucleotide having the complementary strand (the target for detection) (so-called mismatch). It becomes noise in the detection of the detection target. However, once the temperature of the reaction system is raised to a temperature higher than the melting temperature and then lowered to the melting temperature, the probability that the probe binds to a nucleotide other than the nucleotide having the complementary strand is reduced, and noise in the detection of the detection target is reduced. Is reduced.

【0040】本発明の方法においては、最初にすべての
反応系の温度を反応の適温より高い温度まで上げてか
ら、各反応系の温度を反応の適温まで下げて、その温度
を一定時間維持する(例えば、必要な熱をヒーターで一
定時間供給する)。
In the method of the present invention, first, the temperature of all the reaction systems is raised to a temperature higher than the appropriate temperature for the reaction, and then the temperature of each reaction system is reduced to the appropriate temperature for the reaction, and the temperature is maintained for a certain time. (For example, the necessary heat is supplied by a heater for a certain period of time).

【0041】その結果、各反応系の温度を個別に反応の
適温まで上げ、その温度を維持して反応を進行させる場
合と比較して、反応系に供給する熱の総量が減るばかり
でなく、各反応系の温度調節も容易になる。この方法
は、大量の生化学反応を並列処理で行う場合に有利であ
る。また、上記の方法を同一の反応を行う複数の反応系
に適用し、反応系毎に異なる温度条件で生化学反応を行
えば、その反応に対する最適の温度を調べることができ
る。
As a result, not only does the total amount of heat supplied to the reaction system decrease, but also the temperature of each reaction system is individually raised to an appropriate temperature for the reaction and the temperature is maintained to advance the reaction. Temperature control of each reaction system is also facilitated. This method is advantageous when a large amount of biochemical reactions are performed in parallel. In addition, if the above method is applied to a plurality of reaction systems performing the same reaction, and a biochemical reaction is performed under different temperature conditions for each reaction system, the optimum temperature for the reaction can be determined.

【0042】本発明は、コンピュータに、複数の反応系
で行われる複数の生化学反応を反応系毎に温度調節して
同時に行う方法であって、(a)各反応系の生化学反応に
適した温度よりも高い温度になるまで、複数の反応系の
すべてを加熱し、そして、(b)各反応系について、その
反応系の温度を生化学反応に適した温度まで下げ、その
温度を一定時間維持する方法を実行させるためのプログ
ラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も
提供する。
The present invention relates to a method in which a computer simultaneously performs a plurality of biochemical reactions performed in a plurality of reaction systems by controlling the temperature for each reaction system. (A) The method is suitable for the biochemical reactions of each reaction system. Heating all of the reaction systems to a temperature higher than the temperature of the reaction system, and (b) reducing the temperature of the reaction system to a temperature suitable for biochemical reactions for each reaction system, and keeping the temperature constant. There is also provided a computer-readable recording medium on which a program for executing the time keeping method is recorded.

【0043】[0043]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。 〔実施例1:DNAチップ用基板の構成〕図1は、オリ
ゴヌクレオチドDNAを固定するための生化学反応検出
チップ用基板(以下、「DNAチップ用基板」という。)
の概要を示す図である。なおDNAチップ用基板にプロ
ーブを固定したものをDNAチップと呼ぶ。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Example 1 Configuration of DNA Chip Substrate FIG. 1 shows a substrate for a biochemical reaction detection chip for immobilizing oligonucleotide DNA (hereinafter, referred to as “DNA chip substrate”).
FIG. Note that a probe in which a probe is fixed to a DNA chip substrate is called a DNA chip.

【0044】図1(a)は、横方向に10行、縦方向に10
列の合計100個のプローブ固定面2を有するDNAチッ
プ用基板1の上面図である。DNAチップ用基板1の縦
方向の長さhyおよび横方向の長さhxは、それぞれ、
10〜100mmであるとよい。左から右へ横方向に並んだ10
個のプローブ固定面の第1番目のプローブ固定面の左端
から第10番目のプローブ固定面の右端までの距離Lxお
よび上から下へ縦方向に並んだ10個のプローブ固定面の
第1番目のプローブ固定面の上端から第10番目のプロー
ブ固定面の下端までの距離Lyは、それぞれ、5〜100m
mであるとよい。
FIG. 1A shows 10 rows in the horizontal direction and 10 rows in the vertical direction.
1 is a top view of a DNA chip substrate 1 having a total of 100 probe fixing surfaces 2 in a row. The longitudinal length hy and the lateral length hx of the DNA chip substrate 1 are respectively:
It is good to be 10-100 mm. 10 horizontally arranged from left to right
The distance Lx from the left end of the first probe fixing surface of the first probe fixing surface to the right end of the tenth probe fixing surface and the first L of the ten probe fixing surfaces arranged vertically from top to bottom. The distance Ly from the upper end of the probe fixing surface to the lower end of the tenth probe fixing surface is 5 to 100 m, respectively.
m is good.

【0045】図1(b)は、図1(a)の枠で囲った領域の拡
大図である。DNAチップ基板1上で各プローブを固定す
るプローブ固定面の横幅Xおよび縦幅Yは、それぞれ、
10〜1000μmであるとよい。プローブ固定面の間隔Dは5
0〜1000μmであるとよい。
FIG. 1B is an enlarged view of a region surrounded by the frame of FIG. 1A. The horizontal width X and the vertical width Y of the probe fixing surface for fixing each probe on the DNA chip substrate 1 are respectively
It is good to be 10 to 1000 μm. Probe spacing D is 5
The thickness is preferably from 0 to 1000 μm.

【0046】各プローブ固定面の下にはアイランドが形
成されている。図1(c)は、図1(b)に示すプローブ固定
面2の領域の部分拡大図である。また、各プローブ固定
面は、n型拡散層で形成されたヒーター回路5と、p型
拡散層とn型拡散層のpn接合により形成された温度検
出素子6が、形成されている。ヒーター回路5の両端に
は、ヒーター端子(+)1001とヒーター端子(−)1002
が形成される。両端子間に1001側を正極となるように電
圧を印加すると、n型拡散層で形成されたヒーター回路
5に電流が流れ、ジュール熱が発生する。ジュール熱の
発生量は、印加電圧を制御することにより、あるいは電
圧印加時間を制御することにより調節できる。また、温
度検出素子6には、p型拡散層に温度検出端子(+)10
03、n型拡散層に温度検出端子(−)1004が形成され
る。温度検出素子6のpn接合における電流−電圧特性
は、pn接合部の温度に大きく依存時する。そのため、
素子間の電流−電圧特性を検出すれば、pn接合部の温
度を決定できる。また、アイランド4は熱伝導体で構成
されるので、pn接合部の温度とアイランド4の温度は
ほぼ等しく、そのため、pn接合素子間の電流−電圧特
性を測定することにより、アイランド4の上にあるプロ
ーブ固定面2の温度が検出できる。pn接合間の電流−
電圧特性の温度依存性は、例えば1003を正側とする順バ
イアス方向で電圧固定の場合、流れる電流はpn接合部
の温度により指数関数的に変化する。また、同様な順バ
イアス方向で電流固定とすると、温度と電位差はほぼ1
次関数で近似できる。
An island is formed below each probe fixing surface. FIG. 1C is a partially enlarged view of a region of the probe fixing surface 2 shown in FIG. 1B. On each probe fixing surface, a heater circuit 5 formed of an n-type diffusion layer and a temperature detection element 6 formed by a pn junction of a p-type diffusion layer and an n-type diffusion layer are formed. At both ends of the heater circuit 5, a heater terminal (+) 1001 and a heater terminal (-) 1002
Is formed. When a voltage is applied between both terminals so that the 1001 side becomes a positive electrode, a current flows through the heater circuit 5 formed of the n-type diffusion layer, and Joule heat is generated. The amount of Joule heat generated can be adjusted by controlling the applied voltage or by controlling the voltage application time. The temperature detection element 6 has a temperature detection terminal (+) 10
03. A temperature detection terminal (-) 1004 is formed in the n-type diffusion layer. The current-voltage characteristic at the pn junction of the temperature detecting element 6 greatly depends on the temperature of the pn junction. for that reason,
If the current-voltage characteristics between the elements are detected, the temperature of the pn junction can be determined. Further, since the island 4 is made of a heat conductor, the temperature of the pn junction and the temperature of the island 4 are almost equal. Therefore, by measuring the current-voltage characteristics between the pn junction elements, The temperature of a certain probe fixing surface 2 can be detected. Current between pn junctions-
The temperature dependence of the voltage characteristic is such that, for example, when the voltage is fixed in the forward bias direction with 1003 as the positive side, the flowing current varies exponentially with the temperature of the pn junction. If the current is fixed in the same forward bias direction, the temperature and the potential difference are almost one.
It can be approximated by the following function.

【0047】図18は、プローブ固定面におけるヒータ
ー回路及び温度検出素子の他の形状例である。図18で
は、n型基板(n-sub)を用いており、プローブ固定面
のヒーター回路5及び温度検出素子6を別々のp-wellで
分けることにより、ヒーター回路側とpn接合素子を電
気的に独立させている。これは、n型拡散層で形成され
たヒーター回路5と温度検出素子6との電気的干渉を防
止するためである。図18に示す通り、プローブ固定面
は、ヒーター電源回路181及び温度検出回路182で構成さ
れるコントローラ105に接続する。コントローラ105は、
1つのプローブ固定面の温度を検出し、ヒーターによる
加熱を制御する回路の例である。ヒーター電源回路181
は、ヒーター電源Vpと、出力調整器111と、スイッチ1
09で構成され、プローブ固定面のヒーター端子1001、10
02に接続する。ヒーター電源Vpoと出力調整器111を制
御することにより、プローブ固定面のヒーター端子100
1、1002間の電圧及び電流を制御し、プローブ固定面の
ヒーター回路5で生じるジュール熱を制御できる。温度
検出回路182は、電源Vc、抵抗R、及び電圧計110で構
成される。温度検出端子1003をゼロ電位とし、1004をマ
イナス電位に接続する。この場合、順バイアスである。
回路抵抗Rをpn接合間抵抗rと比較して十分大きく設
定すると、温度検出回路182に流れる電流は、ほぼ電源
Vcと抵抗Rで決定され、電流I=Vc/Rの定電流条
件で近似できる。また、温度検出素子間の電位差vは、
電圧計110で測定できる。
FIG. 18 shows another example of the shape of the heater circuit and the temperature detecting element on the probe fixing surface. In FIG. 18, an n-type substrate (n-sub) is used, and the heater circuit 5 and the temperature detecting element 6 on the probe fixing surface are separated by separate p-wells, so that the heater circuit side and the pn junction element are electrically connected. Independent. This is to prevent electrical interference between the heater circuit 5 formed of the n-type diffusion layer and the temperature detecting element 6. As shown in FIG. 18, the probe fixing surface is connected to a controller 105 including a heater power supply circuit 181 and a temperature detection circuit 182. The controller 105 is
This is an example of a circuit that detects the temperature of one probe fixing surface and controls heating by a heater. Heater power supply circuit 181
Are the heater power supply Vp, the output adjuster 111, and the switch 1
09, heater terminals 1001, 10 on the probe fixed surface
Connect to 02. By controlling the heater power supply Vpo and the output adjuster 111, the heater terminal 100 on the probe fixed surface is controlled.
By controlling the voltage and current between 1, 1002, Joule heat generated in the heater circuit 5 on the probe fixing surface can be controlled. The temperature detection circuit 182 includes a power supply Vc, a resistor R, and a voltmeter 110. The temperature detection terminal 1003 is set to zero potential, and 1004 is connected to negative potential. In this case, it is a forward bias.
When the circuit resistance R is set sufficiently large as compared with the resistance r between the pn junctions, the current flowing through the temperature detection circuit 182 is substantially determined by the power supply Vc and the resistance R, and can be approximated by the constant current condition of current I = Vc / R. . The potential difference v between the temperature detecting elements is
It can be measured by the voltmeter 110.

【0048】温度検出の原理を説明する。図19は、図
18の温度検出回路における、プローブ固定面の温度
(t)と温度検出素子6間の電位差(v)との関係(表
1を参照)を示すグラフである。図19での条件は、R
=800(KΩ)、Vc=8(V)、I=10(μA)
とし、pn接合部の温度を20℃から60℃まで変化さ
せた。
The principle of temperature detection will be described. FIG. 19 is a graph showing the relationship (see Table 1) between the temperature (t) of the probe fixing surface and the potential difference (v) between the temperature detection elements 6 in the temperature detection circuit of FIG. The condition in FIG.
= 800 (KΩ), Vc = 8 (V), I = 10 (μA)
The temperature of the pn junction was changed from 20 ° C. to 60 ° C.

【0049】[0049]

【表1】 温度検出素子の温度(℃) 温度検出素子の電圧差(mV) 20.0 537 25.0 524 30.0 512 35.0 500 40.0 489 45.0 477 50.0 465 55.0 453 60.0 442Table 1 Temperature of temperature detection element (° C.) Voltage difference of temperature detection element (mV) 20.0 537 25.0 524 30.0 512 35.0 500 40.0 489 45.0 477 50.0 465 55 0.0 453 60.0 442

【0050】この実験例より、電位差Vxと温度Txの
関係を、傾き約−2.37(mV/℃)の1次関数で近似する
ことができ、次の関係式を得る。 Tx=20+(537−Vx)/2.37 上式を用いれば、温度検出素子において、電圧差の測定
値より温度を求めることができる。
From this experimental example, the relationship between the potential difference Vx and the temperature Tx can be approximated by a linear function having a slope of about −2.37 (mV / ° C.), and the following relational expression is obtained. Tx = 20 + (537−Vx) /2.37 By using the above expression, the temperature can be obtained from the measured value of the voltage difference in the temperature detecting element.

【0051】つぎに、作用電極に印加する電圧とヒータ
による加熱タイミングを、図20を用いて説明する。ア
イランド4の設定温度、すなわち、pn接合部の目標温
度をT0とすると、そのときのpn接合部の電位差v0
pn接合部分の目標電位差となる。初期条件として、十
分温度が高い場合とすると、アイランドを加熱するヒー
タはOFFとなっており、温度が下がると図19の特性に
従ってpn接合部の電位差は増加する。pn接合部の電
位差がv0を越えたタイミングt1でヒータがONとな
り、アイランドが加熱される。それにより、アイランド
の温度が上昇し、pn接合部の電位差が減少する。目標
電位差v0を下回ったタイミングt2でアイランドを加熱
するヒータがOFFとなり、アイランドの加熱は止まり、
アイランドの温度の下降に伴い、pn接合部の電位差が
再び増大する。このような制御を繰り返しつつ、アイラ
ンドのpn接合部の電位差v0、すなわち目標温度T0
保たれる。
Next, the voltage applied to the working electrode and the timing of heating by the heater will be described with reference to FIG. Assuming that the set temperature of the island 4, that is, the target temperature of the pn junction is T 0 , the potential difference v 0 of the pn junction at that time becomes the target potential difference of the pn junction. As an initial condition, when the temperature is sufficiently high, the heater for heating the island is turned off, and when the temperature decreases, the potential difference at the pn junction increases according to the characteristics shown in FIG. heater is turned ON at the timing t1 when the potential difference of the pn junction exceeds the v 0, islands are heated. Thereby, the temperature of the island increases and the potential difference at the pn junction decreases. Heater is turned OFF to heat the island at time t 2 falls below the target potential difference v 0, the heating of the island stops,
As the island temperature decreases, the potential difference at the pn junction increases again. While repeating such control, the potential difference v 0 at the pn junction of the island, that is, the target temperature T 0 is maintained.

【0052】以上に説明した構成により、プローブ固定
面2の温度を測定し、ジュール熱の発熱量を調節するこ
とにより、その温度を制御することができる。図2は、
薄膜上に形成されたアイランドの形状を説明する図であ
る。図2(a)は、DNAチップ用基板の裏面拡大図で
ある。Siアイランド21がSiN/SiO2薄膜22
の上に形成されている。Siアイランド21の横幅およ
び縦幅はどちらもほぼ500μmである。Siアイラン
ドの間隔はプローブ固定面の間隔とほぼ等しい。
With the configuration described above, the temperature of the probe fixing surface 2 is measured, and the temperature can be controlled by adjusting the amount of generated Joule heat. FIG.
It is a figure explaining the shape of the island formed on the thin film. FIG. 2A is an enlarged rear view of the DNA chip substrate. Si island 21 is SiN / SiO 2 thin film 22
Is formed on. Both the horizontal width and the vertical width of the Si island 21 are approximately 500 μm. The distance between the Si islands is substantially equal to the distance between the probe fixing surfaces.

【0053】図2(b)は、図1(b)の破線部A−
A’の縦断面図である。Siアイランド21の高さは2
50μmである。Siアイランド21の底面の幅は、ほ
ぼ150μmである。Siアイランド21の傾斜側面の
傾斜角はほぼ55°である。Siアイランド21にはn型拡散
層で形成されたヒーター回路5が組み込まれている。S
iアイランド間の距離Dは500〜700μmである。 SiN/S
iO2薄膜22の膜厚は、アイランドが形成される領域(すな
わち、プローブ固定面を有する領域)ではほぼ5μmで
ある。周辺部(薄膜の末端から3〜5mmまでの領域)で
は250μmのSi層がある。
FIG. 2B is a sectional view taken along line A-A of FIG.
It is a longitudinal cross-sectional view of A '. The height of the Si island 21 is 2
50 μm. The width of the bottom surface of Si island 21 is approximately 150 μm. The inclination angle of the inclined side surface of the Si island 21 is approximately 55 °. A heater circuit 5 formed of an n-type diffusion layer is incorporated in the Si island 21. S
The distance D between the i-islands is 500-700 μm. SiN / S
The thickness of the iO 2 thin film 22 is approximately 5 μm in a region where an island is formed (that is, a region having a probe fixing surface). There is a 250 μm Si layer in the periphery (the region from 3 to 5 mm from the end of the thin film).

【0054】下面にSiアイランド21が形成されているSi
N/SiO2薄膜22の上面の領域が温度設定領域24となる。
この領域にプローブ25が固定される。薄膜上のプローブ
固定面(Si窒化膜面)をシラン化し、プローブにはアミノ
基を設けることにより、シランカップリングでプローブ
を薄膜上に固定することができる。サンプル溶液26は、
溶液の層の厚さが10〜1000μmとなるような量で添加さ
れるとよい。サンプル溶液26を添加した後、その上にカ
バーガラス27をのせる。
Si having a Si island 21 formed on the lower surface
A region on the upper surface of the N / SiO 2 thin film 22 is a temperature setting region 24.
The probe 25 is fixed in this area. By silanizing the probe fixing surface (Si nitride film surface) on the thin film and providing the probe with an amino group, the probe can be fixed on the thin film by silane coupling. Sample solution 26
It may be added in an amount such that the thickness of the solution layer is 10 to 1000 μm. After adding the sample solution 26, a cover glass 27 is placed thereon.

【0055】図3は、DNAチップの温度設定の例を示
す図である。各アイランドの温度をそれぞれ15〜90℃に
設定する。図3にプローブ固定面の設定温度を示したよ
うに、プローブの配置の仕方としては、Tmが高いもの
をDNAチップの中心部に置き、Tmが低くなる順に周
辺部に置くようにするとよいし、Tmが高いプローブか
ら低いプローブを、プローブ固定面の一辺から対抗する
面に向かって配置してもよい。
FIG. 3 is a diagram showing an example of setting the temperature of the DNA chip. The temperature of each island is set at 15 to 90 ° C. As shown in FIG. 3, the setting temperature of the probe fixing surface is such that the probe may be arranged such that a probe having a high Tm is placed at the center of the DNA chip, and a probe having a higher Tm is placed at the periphery in the order of decreasing Tm. , A probe having a high Tm and a probe having a low Tm may be arranged from one side of the probe fixing surface toward the opposing surface.

【0056】このような配置により、熱の拡散と供給の
バランスが良くなり、温度調節が容易になる。図4は、
薄膜上に形成されたアイランドの形状およびメッシュ構
造を説明する図である。図4(a)は、DNAチップ用基
板の裏面拡大図である。Siアイランド21に加えアイ
ランド間にはSiメッシュ構造41がSiN/SiO2薄膜22の
上に形成されている。
With such an arrangement, the balance between the diffusion and supply of heat is improved, and the temperature is easily adjusted. FIG.
It is a figure explaining the shape and mesh structure of the island formed on the thin film. FIG. 4A is an enlarged back view of the DNA chip substrate. In addition to the Si islands 21, a Si mesh structure 41 is formed on the SiN / SiO 2 thin film 22 between the islands.

【0057】図4(b)は、図4(a)の破線部B−B’の縦
断面図である。メッシュ構造を形成するSiの峰の高さは
ほぼ250μmであり、幅はほぼ350μmである。本実施例
において、メッシュ構造を形成するSiの峰の傾斜側面の
傾斜角はほぼ55°である。メッシュ構造を形成するSiの
峰とSiアイランド21との距離はほぼ75μmである。
FIG. 4B is a longitudinal sectional view taken along a broken line BB 'in FIG. 4A. The height of the peak of Si forming the mesh structure is approximately 250 μm, and the width is approximately 350 μm. In the present embodiment, the inclination angle of the inclined side surface of the peak of Si forming the mesh structure is approximately 55 °. The distance between the Si peak forming the mesh structure and the Si island 21 is approximately 75 μm.

【0058】このようにアイランド21の間に熱伝導体
の層(メッシュ構造)41を形成することにより、熱が隣
のアイランドからそのアイランドに伝わる前にメッシュ
を利用して熱を逃がすことができるようになる。すなわ
ち、メッシュ構造は熱のドレインの役目を果たす。
By forming the heat conductor layer (mesh structure) 41 between the islands 21 as described above, the heat can be released using the mesh before the heat is transmitted from the adjacent island to the island. Become like That is, the mesh structure serves as a heat drain.

【0059】図5は、メッシュ構造の効果を説明するた
めの図である。条件は以下の通りである。Siアイランド
21の横幅および縦幅はどちらも500μmである。Siアイラ
ンド21の高さは250μmである。Siアイランド21の底面
の一辺は150μmである。また、メッシュ構造を形成す
るSiの高さはほぼ250μmであり、幅は350μmである。
メッシュ構造を形成するSiの峰とSiアイランド21との距
離はほぼ75μmである。SiN/SiO2薄膜22の膜厚は5μ
mである。水(サンプル溶液のモデル)の層51の厚さは20
μmである。アクリル板52の厚さは5μmである。
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the mesh structure. The conditions are as follows. Si island
The width and height of 21 are both 500 μm. The height of the Si island 21 is 250 μm. One side of the bottom surface of the Si island 21 is 150 μm. The height of Si forming the mesh structure is approximately 250 μm, and the width is 350 μm.
The distance between the Si peak forming the mesh structure and the Si island 21 is approximately 75 μm. The thickness of the SiN / SiO 2 thin film 22 is 5 μm
m. The thickness of the layer 51 of water (model of the sample solution) is 20
μm. The thickness of the acrylic plate 52 is 5 μm.

【0060】A点(Siアイランドの底面の中心点)からB
点(隣のSiアイランドの底面の中心点)への熱の伝わりや
すさと、A点からC点(A点とB点との中点Mから2m
mにある距離)への熱の伝わりやすさを比較する。A点
からM点までは熱の伝わりやすさは同等であるので省略
する。薄膜の熱伝達係数を10、Si層の熱伝達を150、
単位時間あたりにM点からB点に伝導する熱UMBとM点
からC点に伝導する熱UMCを比較すると、 UMB:UMC=10×(薄膜の断面積)/150:150×(メッシュの断面積)/2000 =10×(5×500)/150:150×(175×250)/2000 =1:20
From point A (the center of the bottom of the Si island) to B
It is easy to transfer heat to the point (the center point of the bottom of the adjacent Si island), and it is 2m from point A to point C (the middle point M between points A and B).
m at a distance). From point A to point M, the easiness of conducting heat is the same, so the description is omitted. Heat transfer coefficient of thin film is 10, heat transfer of Si layer is 150,
Comparing the heat UMB conducted from point M to point B and the heat UMC conducted from point M to point C per unit time, UMB: UMC = 10 × (cross-sectional area of thin film) / 150: 150 × (mesh breakage) (Area) / 2000 = 10 x (5 x 500) / 150: 150 x (175 x 250) / 2000 = 1:20

【0061】この結果、M点からC点への熱伝導は、M
点からB点への熱伝導の約20倍であることがわかる。図
6は、メッシュの外周部に冷却機能を設ける態様を説明
する図である。例えば、DNAチップ用基板1を金属の
枠61に嵌め込んで、この金属枠61をペリチエ素子に
接続する。メッシュの外周部に冷却機能を設けることに
より、廃熱の効果が高くなる。
As a result, the heat conduction from point M to point C is M
It can be seen that the heat conduction from point to point B is about 20 times. FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment in which a cooling function is provided on the outer peripheral portion of the mesh. For example, the DNA chip substrate 1 is fitted into a metal frame 61, and the metal frame 61 is connected to the Pellitier element. By providing the cooling function on the outer periphery of the mesh, the effect of waste heat is enhanced.

【0062】〔実施例2:チップ製作プロセス〕図7〜
9を用いて、SiO2とSiNの複合膜の上でメッシュ構造の
中にアイランドが形成されているDNAチップ用基板の
製造方法を説明する。図7は、DNAチップ用基板の製
造の第1のプロセスを説明する図である。基板として
は、(100)面を表面とする厚さ500μmのn型Si基板(N-su
b)71を用いる。表面にSiO2膜74でp-wellパターン形成
後、Bドープ及び拡散によりp-well(1018個/cm3)72,73
を、深さ3μmで形成する。これは後にn+拡散により作
製する温度検出素子6とヒーター回路5とを電気的に絶
縁するためである。素子分離および拡散マスクとしてSi
O2膜74を形成する。p-well拡散にはホウ酸などのドープ
を用いる。次に、SiO2酸化膜で回路パターン形成後、リ
ン(高濃度n型不純物)の拡散により高濃度n型拡散層75,
76,77(n+,1020個/cm3)及び、高濃度p型拡散層78,79
(p+,1020個/cm3)を、深さ100nmで形成した。n+(n型
拡散層)76は温度検出素子6を構成する。n+(n型拡散
層)77はヒーター回路5を構成する。n+(n型拡散層)75
はn型基板の基準電極端子75である。基板71の電位は、
基準電極端子75で設定でき、p-well72,p-well73の電位
はそれぞれ78,79で設定できる。p-wellの基準電位を与
えるための端子として、ホウ素(高濃度p型不純物)の拡
散によりp+(p型拡散層)78および79が形成されてい
る。
Embodiment 2 Chip Manufacturing Process FIGS.
9, a method for manufacturing a DNA chip substrate in which islands are formed in a mesh structure on a composite film of SiO 2 and SiN will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a first process of manufacturing a DNA chip substrate. As the substrate, a 500 μm-thick n-type Si substrate (N-su
b) Use 71. After forming a p-well pattern on the surface with an SiO 2 film 74, p-wells (1018 / cm 3 ) 72, 73 by B doping and diffusion
Is formed at a depth of 3 μm. This is to electrically insulate the temperature detecting element 6 and the heater circuit 5 which are manufactured later by n + diffusion. Si as element isolation and diffusion mask
An O 2 film 74 is formed. A dope such as boric acid is used for p-well diffusion. Next, after forming a circuit pattern with an SiO 2 oxide film, the high-concentration n-type diffusion layer 75,
76,77 (n +, 1020 / cm 3 ) and high-concentration p-type diffusion layers 78,79
(p +, 1020 / cm 3 ) was formed at a depth of 100 nm. The n + (n-type diffusion layer) 76 forms the temperature detecting element 6. The n + (n-type diffusion layer) 77 forms the heater circuit 5. n + (n-type diffusion layer) 75
Denotes a reference electrode terminal 75 of the n-type substrate. The potential of the substrate 71 is
The potential can be set at the reference electrode terminal 75, and the potentials of the p-well 72 and p-well 73 can be set at 78 and 79, respectively. As terminals for applying a p-well reference potential, p + (p-type diffusion layers) 78 and 79 are formed by diffusion of boron (high-concentration p-type impurity).

【0063】図8は、DNAチップ用基板の製造の第2
のプロセスを説明する図である。第1のプロセスの次
に、表面の回路を保護および絶縁する第1層間絶縁膜
(例えば、SiO2膜)81を形成する。CVD酸化膜(SiO2)400nm
を形成後、その上にBPSG膜500nmを積層したものであ
る。
FIG. 8 shows a second example of the manufacture of the DNA chip substrate.
FIG. Subsequent to the first process, a first interlayer insulating film for protecting and insulating a surface circuit
(Eg, SiO 2 film) 81 is formed. CVD oxide film (SiO 2 ) 400nm
Is formed, and a BPSG film of 500 nm is laminated thereon.

【0064】その後、第1層間絶縁膜81に各端子の孔を
作成した後、第1層配線82(801,802,803,804)を以下の
通りにWで形成する。75,76を導通し、センサcommon配
線801とする。78は、PN接合温度センサの正極802に接続
する。基板の温度は、p-wellを介して802−801間に流れ
る電流量を検出することにより、評価できる。ヒータ回
路を構成するn型拡散層77は、2つの電極803,804につ
ながる。804は、p型拡散層79と導通する。804は、ヒー
ター回路のcommon配線を構成する。803−804間に803側
を正極とした電源に接続すると、ヒーター電流が77を通
り、ジュール熱が発生する。
Then, after forming holes for the respective terminals in the first interlayer insulating film 81, the first layer wirings 82 (801, 802, 803, 804) are formed of W as follows. 75 and 76 are electrically connected to form a sensor common wiring 801. Reference numeral 78 connects to the positive electrode 802 of the PN junction temperature sensor. The temperature of the substrate can be evaluated by detecting the amount of current flowing between 802 and 801 via the p-well. The n-type diffusion layer 77 constituting the heater circuit is connected to the two electrodes 803 and 804. 804 conducts with the p-type diffusion layer 79. 804 constitutes a common wiring of the heater circuit. When connected to a power supply with the positive electrode on the 803 side between 803 and 804, the heater current passes 77 and Joule heat is generated.

【0065】次に、配線保護膜として第2層間絶縁膜
(例えば、SiN膜)83を形成する。83は、プラズマCVDのSi
O2膜600nmと、プラズマCVDのSiN膜1200nmの積層膜であ
る。その後、第2層間絶縁膜83に第1配線の接続孔を形
成した後、第2層配線(例えば、Au)84を形成する。84
は、801に接続するセンサcommon電極805、802に接続す
る温度センサ正極(図示せず)、803に接続するヒーター
正極(図示せず)、804に接続するヒーターcommon電極806
から構成される。このうち、805及び806は、複数のアイ
ランド間で共通にすることが可能である。
Next, a second interlayer insulating film is used as a wiring protection film.
(Eg, SiN film) 83 is formed. 83 is plasma CVD Si
It is a laminated film of an O 2 film of 600 nm and a plasma CVD SiN film of 1200 nm. Then, after forming a connection hole for the first wiring in the second interlayer insulating film 83, a second-layer wiring (for example, Au) 84 is formed. 84
A sensor common electrode 805 connected to 801; a temperature sensor positive electrode (not shown) connected to 802; a heater positive electrode (not shown) connected to 803; a heater common electrode 806 connected to 804
Consists of Among them, 805 and 806 can be common among a plurality of islands.

【0066】最後に、裏面のアイランドを形成する例を
説明する。図9は、DNAチップ用基板の製造の第3の
プロセスを説明する図である。まず、n型基板71の裏面
を機械研磨して、基板の厚さを500μmから250μmにす
る。これは、アイランドの厚さは250μm以下で十分であ
り、厚さの減少はエッチング行程の所要時間の短縮につ
ながるためである。研磨面を、ケミカルエッチングによ
り平滑化した後、プラズマCVDのSi窒化膜(Si3
4膜)91をエッチングマスクとして、120nm積層する。
Finally, an example of forming an island on the back surface will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating a third process of manufacturing a DNA chip substrate. First, the back surface of the n-type substrate 71 is mechanically polished to reduce the thickness of the substrate from 500 μm to 250 μm. This is because the island thickness of 250 μm or less is sufficient, and a decrease in the thickness leads to a reduction in the time required for the etching step. After the polished surface is smoothed by chemical etching, an Si nitride film (Si 3 N
4 ) Using the 91 as an etching mask, 120 nm is laminated.

【0067】両面アライナを用い、先に作製したヒータ
ー及び温度センサ回路等の表面のデバイスに対応する裏
面パターン(アイランドのパターン)を裏面にあわせ、Si
窒化膜91を部分的にドライエッチングする。
Using a double-sided aligner, align the back surface pattern (island pattern) corresponding to the devices on the front surface such as the heater and temperature sensor circuit previously prepared with the back surface.
The nitride film 91 is partially dry-etched.

【0068】次に、残ったSi34膜91をマスクとし
て、水酸化カリウム水溶液がn型基板71を溶解してSiO2
膜74が露出するまで、すなわち、表面側のSi酸化膜74に
到達するまで、エッチングした。Si窒化膜91は水酸化カ
リウム水溶液に対し、極めて耐性が高く、250μmのSi基
板71をエッチングする際のSi窒化膜の削れ量は10nm以
下である。また、Si基板71の(111)面方向のエッチング
速度は、(100)面方向のエッチング速度と比較し約1/100
程度と遅い。その結果、チップは、Si窒化膜91の保護面
より(111)面に沿ってエッチングされ、(111)面をアイラ
ンドの側面901として露出した形で形成される。(111)面
は、(100)面に対し約55度となる。そのため、250μm厚
のSi基板のエッチングでは、そのスロープは横に約175
μm広がって得られる。
Next, the remaining the Si 3 N 4 film 91 as a mask, SiO 2 aqueous potassium hydroxide to dissolve the n-type substrate 71
The etching was performed until the film 74 was exposed, that is, until the film 74 reached the surface side Si oxide film 74. The Si nitride film 91 has extremely high resistance to an aqueous solution of potassium hydroxide, and the amount of shaving of the Si nitride film when etching the 250 μm Si substrate 71 is 10 nm or less. Further, the etching rate in the (111) plane direction of the Si substrate 71 is about 1/100 of that in the (100) plane direction.
Degree and slow. As a result, the chip is etched along the (111) plane from the protective surface of the Si nitride film 91, and the chip is formed with the (111) plane exposed as the side surface 901 of the island. The (111) plane is about 55 degrees with respect to the (100) plane. Therefore, when etching a 250 μm thick Si substrate, the slope is about 175
It can be obtained by spreading μm.

【0069】〔実施例3:プローブ固定プロセス〕作製
したチップにオリゴヌクレオチドプローブを固定する手
順を説明する。まず、チップ表面のSi窒化膜にOH基をた
てる。この目的には、H2SO4・H2O2混合液や、NaOH・H2O
2混合液などを用いた加水分解による方法が一般的であ
る。また、単に浸水状態で一定時間放置することによっ
ても可能である。
[Example 3: Probe immobilization process] A procedure for immobilizing an oligonucleotide probe on a prepared chip will be described. First, an OH group is formed on the Si nitride film on the chip surface. For this purpose, and H 2 SO 4 · H2O 2 mixture, NaOH · H 2 O
A method by hydrolysis using a mixture of two or the like is generally used. It is also possible to simply leave the apparatus in a flooded state for a certain period of time.

【0070】次に、エポキシ等のシランカップリング剤
をチップ表面に注入し、Si窒化膜をシラン化処理する。
この際、先のOH基とシランカップリング剤が結合する。
今回は、シランカップリング剤として、3-グリシドキシ
プロピルトリメトキシシラン(glycidoxypropiltrimeth
oxy silane)を用いた。また、反応条件として、常温反
応30分、120℃でのベーク1時間とした。
Next, a silane coupling agent such as epoxy is injected into the chip surface, and the Si nitride film is silanized.
At this time, the OH group and the silane coupling agent are bonded.
This time, as a silane coupling agent, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (glycidoxypropiltrimeth
oxy silane). The reaction conditions were room temperature reaction for 30 minutes and baking at 120 ° C. for 1 hour.

【0071】次に、予めアミノ基を末端に導入したオリ
ゴヌクレオチドプローブを、所定のプローブ固定面にス
ポットする。乾燥を防ぐため、高湿度条件下で50℃15分
反応させると、シランカップリングによりプローブがチ
ップ表面に固定される。次に、過剰のポリリジンをチッ
プに注入し、高湿度条件下で50℃10分反応させてプロー
ブと結合していない官能基にリジンを結合させる。この
処理は、実際に試料とハイブリダイゼーションを行う際
の非特異的吸着によるバックグラウンドの低減に有効で
ある。最後に、トリスEDTAを用い、DNAチップ表面を洗
浄して乾燥保存する。
Next, an oligonucleotide probe having an amino group introduced into the terminal in advance is spotted on a predetermined probe-fixed surface. When the reaction is performed at 50 ° C. for 15 minutes under high humidity conditions to prevent drying, the probe is fixed to the chip surface by silane coupling. Next, excess polylysine is injected into the chip and reacted at 50 ° C. for 10 minutes under high humidity conditions to bind lysine to a functional group that is not bound to a probe. This treatment is effective in reducing the background due to non-specific adsorption when actually performing hybridization with the sample. Finally, the surface of the DNA chip is washed with Tris EDTA, and stored by drying.

【0072】〔実施例4:温度制御〕本発明のDNAチッ
プを制御する装置について説明する。図10は、生化学
反応検出装置の一例の構成を示す図である。DNAチップ1
01は、各プローブ固定面ごとにヒーター端子(+)100
1、ヒーター端子(−)1002、温度検出端子(+)100
3、温度検出端子(−)1004を有し、それらの各端子と
コントローラ105との配線は、図18と同じである。コ
ントローラ105は、電圧計110と電源Vc及び抵抗Rを有す
る温度検出回路182と、ヒーター電源Vpoと出力調節器11
1とスイッチ109を有するヒーター電源回路181を、独立
に温度設定したいプローブ固定面の数だけ有する。図1
8には、1組のみ図示してある。これらの端子への配線
は、プリント基板102を介してホルダー103に接続さ
れ、さらに、ホルダー103からは、ケーブル104を介し、
コントローラ105に接続される。なお、簡単のため、コ
ントローラ105側のアースに接続する端子の配線は、複
数の固定面において兼用することが可能である。
[Embodiment 4: Temperature Control] An apparatus for controlling a DNA chip of the present invention will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of an example of a biochemical reaction detection device. DNA chip 1
01 is heater terminal (+) 100 for each probe fixed surface
1, heater terminal (-) 1002, temperature detection terminal (+) 100
3. It has a temperature detection terminal (-) 1004, and the wiring between these terminals and the controller 105 is the same as in FIG. The controller 105 includes a voltmeter 110, a temperature detection circuit 182 having a power supply Vc and a resistance R, a heater power supply Vpo, and an output controller 11.
The number of heater power supply circuits 181 each having 1 and the switch 109 is equal to the number of probe fixing surfaces whose temperature is to be independently set. FIG.
8, only one set is shown. The wiring to these terminals is connected to a holder 103 via a printed circuit board 102, and further from the holder 103 via a cable 104,
Connected to controller 105. For the sake of simplicity, the wiring of the terminal connected to the ground on the controller 105 side can be shared on a plurality of fixing surfaces.

【0073】温度の制御方法は、各プローブ固定面ごと
に独立に図18を用いて上述した方法により行う。プロ
ーブ固定面の温度は、組み込まれている温度検出素子の
電位差を測定することにより決定できる。そして、温度
の測定値から、ヒーターへの電圧接続をスイッチ109
によりon/off制御する。スイッチ109及び出力調節器111
は、温度検出回路で得られた温度が、予め設定した値よ
り低い場合、ヒーター電源Vpoの出力を調節してヒータ
ー電流を流す。以上の制御を、各固定面ごと、独立に制
御する。
The temperature is controlled by the method described above with reference to FIG. 18 independently for each probe fixing surface. The temperature of the probe fixing surface can be determined by measuring the potential difference of the incorporated temperature detecting element. Then, based on the measured temperature, the voltage connection to the heater is switched to the switch 109.
On / off control. Switch 109 and output adjuster 111
When the temperature obtained by the temperature detection circuit is lower than a preset value, the output of the heater power supply Vpo is adjusted to flow the heater current. The above control is independently controlled for each fixed surface.

【0074】DNAチップ101、プリント基板102および
ホルダー103は、恒温槽106の中で使用され、必要に応じ
ファン107を用いてDNAチップ101の下部から送風して
冷却したり、ペリチエ素子108を用いて、DNAチップ
周辺部を冷却する。本実施例では、後述の実施例のとお
り、恒温層の温度をチップで必要とする各温度設定値の
最低値に調整し、チップの温度上昇や、近接している各
プローブ固定面の温度分布に応じて、ペリチエ素子108
及びファン107を利用する。
The DNA chip 101, the printed circuit board 102 and the holder 103 are used in a thermostat 106, and are cooled by blowing air from below the DNA chip 101 by using a fan 107 as necessary, or by using a Peltier device 108. To cool the periphery of the DNA chip. In this embodiment, as in the embodiments described later, the temperature of the thermostatic layer is adjusted to the minimum value of each temperature set value required for the chip, and the temperature of the chip rises and the temperature distribution of each probe fixing surface in the vicinity is adjusted. Depending on the Peltier element 108
And the fan 107 is used.

【0075】なおまた、上記したDNAチップの温度制
御を、コンピュータで制御させてもよい。この場合、コ
ンピュータは温度制御プログラムにより温度制御装置と
なり、このプログラムはコンピュータ読み取り可能な記
録媒体に格納される。この記録媒体は、例えば、RAM
メモリ、ROMメモリ、磁気ディスク、CD−ROM、
磁気テープ、ICカード等のいかなるタイプの記録媒体
であってもよい。
The above-mentioned temperature control of the DNA chip may be controlled by a computer. In this case, the computer becomes a temperature control device according to the temperature control program, and this program is stored in a computer-readable recording medium. This recording medium is, for example, a RAM
Memory, ROM memory, magnetic disk, CD-ROM,
Any type of recording medium such as a magnetic tape and an IC card may be used.

【0076】〔実施例5:測定〕本実施例では、17塩基
長のDNA断片を、4種類の8塩基長のプローブを用いて
測定する場合について説明する。配列番号1は、17塩基
長のDNA断片(以下、試料DNAとする)の例である。 TGACCGGCAGCAAAATG (配列番号1) この17塩基長の試料DNAを、以下の4種類の8塩基長プ
ローブにハイブリダイゼーションさせる。 CCGTCGTT (配列番号2) GCCGTCGT (配列番号3) GGCCGTCG (配列番号4) TGGCCGTC (配列番号5)
[Example 5: Measurement] In this example, a case in which a DNA fragment having a length of 17 bases is measured using four types of probes having a length of 8 bases will be described. SEQ ID NO: 1 is an example of a DNA fragment having a length of 17 bases (hereinafter, referred to as sample DNA). TGACCGGCAGCAAAATG (SEQ ID NO: 1) The 17-base sample DNA is hybridized to the following four 8-base probes. CCGTCGTT (SEQ ID NO: 2) GCCGTCGT (SEQ ID NO: 3) GGCCGTCG (SEQ ID NO: 4) TGGCCGTC (SEQ ID NO: 5)

【0077】配列番号2のプローブ(以下、プローブ2
とする)は、試料DNAの6番目から13番目の塩基に相
補的な配列となっている。同様に、配列番号3(以下、
プローブ3とする)は5番目から12番目に、配列番号
4(以下、プローブ4とする)は4番目から11番目
に、配列番号5(以下、プローブ5とする)は3番目か
ら10番目に、それぞれ相補的な配列となっている。本
発明のDNAチップを用い、これらのプローブが試料DNAと
ハイブリダイゼーションする場合のTm温度を測定した。
The probe of SEQ ID NO: 2 (hereinafter referred to as probe 2
Is a sequence complementary to the 6th to 13th bases of the sample DNA. Similarly, SEQ ID NO: 3 (hereinafter, referred to as
Probe 3) is the fifth to twelfth, SEQ ID NO: 4 (hereinafter, probe 4) is the fourth to eleventh, and SEQ ID NO: 5 (hereinafter, probe 5) is the third to tenth. , Respectively, are complementary sequences. Using the DNA chip of the present invention, the Tm temperature when these probes hybridized with the sample DNA was measured.

【0078】まず、プローブ2〜5の4種類を、各種9
個の固定面に固定した、4×9=36個の固定面を有す
る本発明のDNAチップを作製する。図13は、チップを
上面より見た模式図である。このチップに、予め標識化
された試料を注入し、ハイブリダイゼーションさせる。
この際、図13のa列〜i列の各固定面におけるハイブ
リダイゼーション温度設定値を、列ごとにそれぞれ10〜
50℃まで、5℃間隔で設定する(a列=10,b列=15,
c列=20,・・,h列=45,i列=50℃)。
First, the four types of probes 2 to 5 were
The DNA chip of the present invention having 4 × 9 = 36 fixed surfaces fixed to the fixed surfaces is prepared. FIG. 13 is a schematic view of the chip viewed from above. A pre-labeled sample is injected into the chip and hybridized.
At this time, the hybridization temperature set value on each fixed surface in rows a to i in FIG.
Set at 5 ° C intervals up to 50 ° C (row a = 10, row b = 15,
row c = 20, row h = 45, row i = 50 ° C.).

【0079】反応の手順は、以下の通りである。図14
は、例として、a列、c列、g列,i列に属する固定面
の温度遷移を模式的に示した図である。まず、恒温層の
温度を90℃に上昇させた。つぎに、恒温層の温度を10℃
に設定すると、各固定面の温度は下降しはじめる。固定
面の温度が50℃付近に達すると、まずi列のヒーターに
電源が入り、それ以下の温度にならないように温める。
同様に、各列のヒーターは、予め設定されたハイブリダ
イゼーション温度設定値の温度を検出すると、その温度
を維持するようにヒーターのON/OFF制御を行う。この
結果、各列のプローブ固定面は、設定した温度を維持
し、試料とプローブのハイブリダイゼーションを行う。
一定時間経過後、DNAチップを洗浄溶液で洗浄し、ハイ
ブリダイゼーションしていない試料等を排除する。ハイ
ブリダイゼーションの評価は、レーザー蛍光共焦点顕微
鏡を用いて、チップ面上を走査し、各固定面の蛍光発光
量を測定して行う。
The procedure of the reaction is as follows. FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically showing, as an example, temperature transitions of fixed surfaces belonging to columns a, c, g, and i. First, the temperature of the thermostat was raised to 90 ° C. Next, the temperature of the thermostat is set to 10 ° C.
, The temperature of each fixed surface begins to drop. When the temperature of the fixed surface reaches about 50 ° C., the power is first turned on to the heater in row i, and the heater is heated so that the temperature does not become lower.
Similarly, when the heaters in each row detect the temperature of the preset hybridization temperature set value, they perform ON / OFF control of the heaters to maintain the temperature. As a result, the probe-fixed surfaces in each row maintain the set temperature and perform hybridization between the sample and the probe.
After a certain period of time, the DNA chip is washed with a washing solution to remove unhybridized samples and the like. The evaluation of hybridization is performed by scanning the chip surface using a laser fluorescence confocal microscope and measuring the amount of fluorescence emitted from each fixed surface.

【0080】図15は、試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性である。各温度
は、各列の測定結果である。ハイブリダイゼーション温
度が10℃の場合の発光量を1として規格化した。温度の
上昇とともに、ハイブリダイゼーション量が減少してい
ることがわかる。縦軸値の0.5における温度がTm温度で
ある。この結果、プローブ2〜5と試料DNAのTm値は、
それぞれ25℃,34℃,42℃,31℃であることが得られ
る。この様に、本チップは、4種のプローブについて、
9種類の温度条件におけるハイブリダイゼーションを1
度に、同じ試料で競合して評価できる利点を有する。そ
のため、測定結果には、試料調製の誤差が入らず、測定
精度が格段に向上する。
FIG. 15 shows the temperature dependence of hybridization in the measurement using the sample DNA. Each temperature is a measurement result of each row. The amount of luminescence at a hybridization temperature of 10 ° C. was normalized as 1. It can be seen that the amount of hybridization decreases as the temperature increases. The temperature at 0.5 on the vertical axis is the Tm temperature. As a result, the Tm values of the probes 2 to 5 and the sample DNA are
The obtained temperatures are 25 ° C, 34 ° C, 42 ° C, and 31 ° C, respectively. In this way, this chip, for four types of probes,
Hybridization at 9 different temperature conditions
Each time, there is an advantage that the same sample can be competitively evaluated. Therefore, the measurement result does not include an error in sample preparation, and the measurement accuracy is significantly improved.

【0081】この様に、1種類の試料DNAに対し8塩基
プローブで評価する場合のハイブリダイゼーション温度
の最適値は、各プローブごとに異なる。試料DNAを測定
する場合、プローブ2〜5のうち最適なものを選択する
必要がある。そのため、複数種類のプローブのハイブリ
ダイゼーション温度特性を1度に評価できる本DNAチッ
プは、プローブの検討において非常に有効である。
As described above, the optimum value of the hybridization temperature when one kind of sample DNA is evaluated with an 8-base probe differs for each probe. When measuring a sample DNA, it is necessary to select an optimum probe from probes 2 to 5. Therefore, the present DNA chip, which can evaluate the hybridization temperature characteristics of a plurality of types of probes at one time, is very effective in studying probes.

【0082】本チップでは、同様に1塩基ミスマッチの
条件におけるハイブリダイゼーションの温度依存性も評
価できる。以下の2種類のDNA断片を準備する。 TGACCGGTAGCAAAATG (配列番号6) TGACCGGAAGCAAAATG (配列番号7)
In the present chip, the temperature dependence of hybridization under the condition of single base mismatch can also be evaluated. Prepare the following two types of DNA fragments. TGACCGGGACAAATG (SEQ ID NO: 6) TGACCGGGAAGCAAATG (SEQ ID NO: 7)

【0083】これらは、配列番号1と比べ、3末端より
8番目の塩基のみ異なる2種類の17塩基長1塩基多型DN
A断片の例である。これらの1塩基多型DNA断片に対し、
先のチップを用いて、同様に温度依存性を測定した。図
16及び図17は、それぞれ配列番号6及び配列番号7
の試料を用いた場合の、ハイブリダイゼーション評価結
果である。これらの測定は、1塩基ミスマッチの場合で
あり、理想的にはハイブリダイゼーションが行われない
ことが要求される。しかし、図の示す通り、ある程度の
ハイブリダイゼーションが生じている。一般に、DNAチ
ップを用いる測定では、この様な1塩基ミスマッチを精
度良く判断できる必要がある。そのため、図16や図1
7と同様の評価を行い、その特性から用いるプローブ
と、そのTm温度を決定する。本発明では、プローブごと
のハイブリダイゼーション温度依存性を、精度良く簡単
に測定することが可能となる。
These are two types of 17-mer single nucleotide polymorphism DNs which differ from SEQ ID NO: 1 only by the eighth base from the third end.
This is an example of an A fragment. For these single nucleotide polymorphism DNA fragments,
The temperature dependence was similarly measured using the above-mentioned chip. 16 and 17 show SEQ ID NO: 6 and SEQ ID NO: 7, respectively.
5 shows the results of the hybridization evaluation when the sample No. was used. These measurements are for a single base mismatch and ideally require no hybridization. However, as shown in the figure, some hybridization has occurred. In general, in a measurement using a DNA chip, it is necessary to be able to accurately determine such a single-base mismatch. 16 and FIG.
The same evaluation as in 7 is performed, and the probe to be used and its Tm temperature are determined from the characteristics. According to the present invention, it is possible to easily and accurately measure the hybridization temperature dependency of each probe.

【0084】[0084]

【発明の効果】本発明により、生化学反応の温度を反応
系毎に調節できる生化学反応検出チップおよびその基板
が提供された。また、本発明により、複数の反応系にお
いて生化学反応を反応系毎に温度調節して同時に行うた
めの装置および方法、並びに記録媒体が提供された。
According to the present invention, there is provided a biochemical reaction detection chip and a substrate thereof, which can adjust the temperature of the biochemical reaction for each reaction system. Further, according to the present invention, there have been provided an apparatus and a method, and a recording medium for simultaneously performing a biochemical reaction in a plurality of reaction systems by controlling the temperature for each reaction system.

【0085】[0085]

【配列表】SEQUENCE LISTING <110> HITACHI,LTD. <120> Polynucleotide Detection Chips and Polynuc
leotide Detection Apparatus <130> H000230 <160> 7 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> fluorescently labeled DNA fragment <400> 1 tgaccggcag caaaatg 17 <210> 2 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 2 ccgtcgtt 8 <210> 3 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 3 gccgtcgt 8 <210> 4 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 4 ggccgtcg 8 <210> 5 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 5 tggccgtc 8 <210> 6 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> fluorescently labeled DNA fragment <400> 6 tgaccggtag caaaatg 17 <210> 7 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> fluorescently labeled DNA fragment <400> 7 tgaccggaag caaaatg 17
[Sequence List] SEQUENCE LISTING <110> HITACHI, LTD. <120> Polynucleotide Detection Chips and Polynuc
leotide Detection Apparatus <130> H000230 <160> 7 <210> 1 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> fluorescently labeled DNA fragment <400> 1 tgaccggcag caaaatg 17 <210> 2 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 2 ccgtcgtt 8 <210> 3 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 3 gccgtcgt 8 <210> 4 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 4 ggccgtcg 8 <210> 5 <211> 8 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> DNA probe hybridizing with DNA fragment <400> 5 tggccgtc 8 <210> 6 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> fluorescently labeled DNA fragment <400> 6 tgaccggtag caaaatg 17 <210> 7 <211> 17 <212> DNA <213> Artificial Sequence <223> flu orescently labeled DNA fragment <400> 7 tgaccggaag caaaatg 17

【0086】[0086]

【配列表フリーテキスト】配列番号1、6および7は、
17塩基長の合成DNA断片のヌクレオチド配列である。配
列番号2〜5は、8塩基長のプローブのヌクレオチド配
列である。
[Sequence Listing Free Text] SEQ ID Nos. 1, 6 and 7
It is a nucleotide sequence of a 17-base synthetic DNA fragment. SEQ ID NOs: 2 to 5 are nucleotide sequences of an 8-base long probe.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】オリゴヌクレオチドDNAを固定するための生
化学反応検出チップ用基板(以下、「DNAチップ用基
板」という。)の概要を示す図で、図1(a)は、横方向に
10行、縦方向に10列の合計100個のプローブ固定面
2を有するDNAチップ用基板1の上面図、図1(b)
は、図1(a)の枠で囲った領域の部分拡大図、図1(c)
は、図1(b)に示すプローブ固定面2の領域の部分拡大
図である。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a substrate for a biochemical reaction detection chip for immobilizing oligonucleotide DNA (hereinafter, referred to as a “DNA chip substrate”). FIG. FIG. 1 (b) is a top view of a DNA chip substrate 1 having a total of 100 probe fixing surfaces 2 in ten rows in a vertical direction.
Is a partially enlarged view of a region surrounded by a frame in FIG. 1 (a), and FIG. 1 (c)
FIG. 2 is a partially enlarged view of a region of a probe fixing surface 2 shown in FIG.

【図2】薄膜上に形成されたアイランドの形状を説明す
る図で、図2(a)は、DNAチップ用基板の裏面拡大
図、図2(b)は、図1(b)の破線部A-A'の縦断面図であ
る。
2A and 2B are diagrams for explaining the shape of an island formed on a thin film. FIG. 2A is an enlarged rear view of a DNA chip substrate, and FIG. 2B is a broken line portion in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view of AA '.

【図3】DNAチップの温度設定の一例を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing an example of setting a temperature of a DNA chip.

【図4】薄膜上に形成されたアイランドの形状およびメ
ッシュ構造を説明する図で、図4(a)は、DNAチッ
プ用基板の裏面拡大図、図4(b)は、図1(b)のD
NAチップ用基板1にメッシュ構造を形成した場合の破
線部A-A'の縦断面図である。
4A and 4B are diagrams for explaining the shape and mesh structure of an island formed on a thin film. FIG. 4A is an enlarged rear view of a DNA chip substrate, and FIG. 4B is FIG. 1B. D
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a broken line AA ′ when a mesh structure is formed on the NA chip substrate 1.

【図5】メッシュ構造の効果を説明するための図であ
る。
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the mesh structure.

【図6】メッシュの外周部に冷却機能を設ける態様を説
明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment in which a cooling function is provided on an outer peripheral portion of a mesh.

【図7】DNAチップ用基板の製造の第1のプロセスを
説明する図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a first process of manufacturing a DNA chip substrate.

【図8】DNAチップ用基板の製造の第2のプロセスを
説明する図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a second process of manufacturing a DNA chip substrate.

【図9】DNAチップ用基板の製造の第3のプロセスを
説明する図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a third process of manufacturing a DNA chip substrate.

【図10】生化学反応検出装置の構成の一例を示す図で
ある。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a configuration of a biochemical reaction detection device.

【図11】アデニン(A)とチミン(T)の結合様式およびグ
アニン(G)とシトシン(C)の結合様式を示す図である。分
子構造中のOと分子構造中のHの間をつなぐ点線は水素
結合を表す。
FIG. 11 is a diagram showing a binding mode between adenine (A) and thymine (T) and a binding mode between guanine (G) and cytosine (C). A dotted line connecting between O in the molecular structure and H in the molecular structure represents a hydrogen bond.

【図12】プローブの種類により、相補鎖結合のTm値
が異なる現象を説明するための図で、図12(a)は、D
NAチップ基板上に固定されたプローブとサンプル溶液
中のポリヌクレオチドの結合力がプローブの配列により
異なることを示す図、図12(b)は、相補鎖結合の融解
曲線を示す図。縦軸はDNA2本鎖の解離度で、横軸は
温度である。図12(C)は、8塩基プローブのTmを%
GC法で計算した結果を示す図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining a phenomenon in which the Tm value of complementary strand binding varies depending on the type of a probe. FIG.
FIG. 12B shows that the binding force between the probe immobilized on the NA chip substrate and the polynucleotide in the sample solution differs depending on the probe sequence, and FIG. 12B shows a melting curve of complementary strand binding. The vertical axis is the degree of dissociation of the DNA double strand, and the horizontal axis is the temperature. FIG. 12 (C) shows the Tm of the 8-base probe in%.
It is a figure showing the result computed by the GC method.

【図13】DNAチップを上面より見た模式図である。FIG. 13 is a schematic view of a DNA chip viewed from above.

【図14】DNAチップのa列、c列、g列、i列に属す
る固定面の温度遷移を模式的に示した図である。
FIG. 14 is a diagram schematically showing the temperature transition of the fixed surface belonging to the columns a, c, g, and i of the DNA chip.

【図15】配列番号1の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing the temperature dependence of hybridization in the measurement using the sample DNA of SEQ ID NO: 1.

【図16】配列番号6の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing the temperature dependence of hybridization in the measurement using the sample DNA of SEQ ID NO: 6.

【図17】配列番号7の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing the temperature dependence of hybridization in the measurement using the sample DNA of SEQ ID NO: 7.

【図18】プローブ固定面におけるヒーター回路および
温度検出素子の形状例を示す図である。
FIG. 18 is a diagram illustrating a shape example of a heater circuit and a temperature detection element on a probe fixing surface.

【図19】図18の温度検出回路における、プローブ固
定面の温度(t)と温度検出素子間の電位差(v)との
関係を示すグラフである。
19 is a graph showing the relationship between the temperature (t) of the probe fixing surface and the potential difference (v) between the temperature detection elements in the temperature detection circuit of FIG.

【図20】作用電極に印加する電圧とヒータによる加熱
タイミングを示す図である。
FIG. 20 is a diagram showing a voltage applied to a working electrode and a heating timing by a heater.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1はDNAチップ用基板、2はプローブ固定面、4はア
イランド、5はヒーター回路、6はpn-接合温度検出素
子、1001はヒーター端子(+)、1002はヒーター端子
(−)、1003は温度検出端子(+)、1004は温度検出端子
(−)、21はSiアイランド、22はSiN/SiO2
薄膜、24は温度設定領域、25はプローブ、26はサ
ンプル溶液、27はカバーガラス、41はメッシュ構造
(熱流出器)、51は水の層、52はアクリル板、61
は金属の枠、71はn型基板、72はp−well、7
3はp−well、74はSiO2膜、75はn型拡散
層、76はn型拡散層、77はn型拡散層、78はp型
拡散層、79はp型拡散層、81は第1層間絶縁膜、8
2は第1層配線、83は第2層間絶縁膜、84は第2層
配線、91はSi34膜、101はDNAチップ、10
2はプリント基板、103はホルダー、104はケーブ
ル、105はコントローラ、106は恒温槽、107は
ファン、108はペリチェ素子、109はスイッチ、1
10は電圧計、111は出力調節器、Vpoはヒーター電
源、Vcは定電圧電源、181はヒーター電源回路、1
82は温度検出回路、801はセンサcommon配線、80
2はPN接合温度センサの正極、803は電極、804
は電極、805はセンサcommon電極、806はヒーター
common電極、901はアイランドの側面である。
1 is a DNA chip substrate, 2 is a probe fixing surface, 4 is an island, 5 is a heater circuit, 6 is a pn-junction temperature detecting element, 1001 is a heater terminal (+), and 1002 is a heater terminal.
(-), 1003 is temperature detection terminal (+), 1004 is temperature detection terminal
(-), 21 is a Si island, 22 is SiN / SiO 2
Thin film, 24 is a temperature setting area, 25 is a probe, 26 is a sample solution, 27 is a cover glass, 41 is a mesh structure (heat outflow device), 51 is a water layer, 52 is an acrylic plate, 61
Is a metal frame, 71 is an n-type substrate, 72 is a p-well, 7
3 is a p-well, 74 is an SiO 2 film, 75 is an n-type diffusion layer, 76 is an n-type diffusion layer, 77 is an n-type diffusion layer, 78 is a p-type diffusion layer, 79 is a p-type diffusion layer, and 81 is a p-type diffusion layer. 1 interlayer insulating film, 8
2 is a first layer wiring, 83 is a second interlayer insulating film, 84 is a second layer wiring, 91 is a Si 3 N 4 film, 101 is a DNA chip,
2 is a printed circuit board, 103 is a holder, 104 is a cable, 105 is a controller, 106 is a thermostat, 107 is a fan, 108 is a Peltier element, 109 is a switch,
10 is a voltmeter, 111 is an output controller, Vpo is a heater power supply, Vc is a constant voltage power supply, 181 is a heater power supply circuit, 1
82 is a temperature detection circuit, 801 is a sensor common wiring, 80
2 is a positive electrode of the PN junction temperature sensor, 803 is an electrode, 804
Is an electrode, 805 is a sensor common electrode, and 806 is a heater
The common electrode 901 is the side of the island.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村川 克二 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 4B024 AA19 AA20 CA01 CA04 CA11 HA12 HA19 4B029 AA07 AA23 CC02 CC08 FA12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Katsuji Murakawa 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo F-term in Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. 4B024 AA19 AA20 CA01 CA04 CA11 HA12 HA19 4B029 AA07 AA23 CC02 CC08 FA12

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁性のある薄膜基板と、該薄膜基板の
片面に設けられた複数のアイランドと、該薄膜基板をは
さんで該アイランドに対抗する位置に生化学反応を検出
するプローブを固定するプローブ固定面と、各々のアイ
ランドには、該アイランドを加熱するヒーターと、該ア
イランドの温度を検出する温度検出部と、該温度検出部
の検出結果を外部へ出力するための温度検出端子と、該
ヒーターの加熱を制御するためのヒーター端子とが設け
られており、該温度検出端子の出力結果に応じて、外部
より該ヒータ端子を通して該アイランドの加熱制御が行
われることを特徴とする生化学反応検出チップ。
1. An insulative thin film substrate, a plurality of islands provided on one surface of the thin film substrate, and a probe for detecting a biochemical reaction at a position opposed to the island with the thin film substrate interposed therebetween. A probe fixing surface, a heater for heating the island, a temperature detection unit for detecting the temperature of the island, and a temperature detection terminal for outputting the detection result of the temperature detection unit to the outside. A heater terminal for controlling the heating of the heater, wherein heating control of the island is performed from the outside through the heater terminal in accordance with an output result of the temperature detecting terminal. Chemical reaction detection chip.
【請求項2】 上記薄膜基板は、Si窒化膜、Si酸化
膜、Al酸化膜、Ta25からなる群より選択される少
なくとも1種の材料で形成された膜か、もしくは、該群
より選択される材料の複合膜であることを特徴とする請
求項1の生化学反応検出チップ。
2. The thin film substrate according to claim 1, wherein the thin film substrate is formed of at least one material selected from the group consisting of a Si nitride film, a Si oxide film, an Al oxide film, and Ta 2 O 5. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein the chip is a composite membrane of a selected material.
【請求項3】 上記薄膜基板上に設けられている複数の
アイランドは、それぞれが独立に温度制御されることを
特徴とする請求項1の生化学反応検出チップ。
3. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein the plurality of islands provided on the thin film substrate are independently temperature-controlled.
【請求項4】 上記ヒーターは、n型拡散層により構成
され、上記温度検出部は、p型拡散層とn型拡散層のp
n接合により形成されていることを特徴とする請求項1
の生化学反応検出チップ。
4. The heater includes an n-type diffusion layer, and the temperature detection unit includes a p-type diffusion layer and a p-type diffusion layer.
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said n-type junction is formed.
Biochemical reaction detection chip.
【請求項5】 上記プローブ固定面は、対応するアイラ
ンドの方向に窪んでいることを特徴とする請求項1の生
化学反応検出チップ。
5. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein the probe fixing surface is depressed in a direction of a corresponding island.
【請求項6】 上記薄膜基板がn型基板の場合には、上
記ヒーター及び上記温度検出部との間にp型拡散層を設
けることを特徴とする請求項1の生化学反応検出チッ
プ。
6. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein when the thin film substrate is an n-type substrate, a p-type diffusion layer is provided between the heater and the temperature detection unit.
【請求項7】 基板の片面の格子点上に個々に温度制御
可能な複数のアイランドと、該基板の他面で該アイラン
ドと対抗する位置にプローブを固定するプローブ固定面
を有し、該プローブ固定面のそれぞれには、プローブが
固定された生化学反応検出チップであって、該プローブ
のTmが高いものから低いものを順に該チップの中央か
ら外側へむけてまたは該チップの一辺から他辺へむけて
配置することを特徴とする生化学反応検出チップ。
7. A probe having a plurality of islands whose temperature can be individually controlled on lattice points on one surface of a substrate, and a probe fixing surface for fixing a probe at a position opposite to the island on the other surface of the substrate. On each of the fixed surfaces, a biochemical reaction detection chip to which a probe is fixed, in which the Tm of the probe is increased from high to low in order from the center of the chip to the outside or from one side of the chip to the other side. A biochemical reaction detection chip characterized by being placed facing away.
【請求項8】 上記プローブが、オリゴヌクレオチドD
NAプローブ、オリゴヌクレオチドRNAプローブ、お
よびタンパク質プローブからなる群より選択される請求
項1〜7の何れかに記載の生化学反応検出チップ。
8. The method according to claim 8, wherein the probe is an oligonucleotide D
The biochemical reaction detection chip according to any one of claims 1 to 7, wherein the chip is selected from the group consisting of an NA probe, an oligonucleotide RNA probe, and a protein probe.
【請求項9】 請求項1〜8のいずれかにおいて、隣接
する上記アイランドの間には、熱伝導体が設けられてい
ることを特徴とする生化学反応検出チップ。
9. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein a heat conductor is provided between the adjacent islands.
【請求項10】 請求項1〜9の何れかにおいて、上記
薄膜基板の外周は金属枠が設けられていることを特徴と
する生化学反応検出チップ。
10. The biochemical reaction detection chip according to claim 1, wherein a metal frame is provided on an outer periphery of the thin film substrate.
【請求項11】 生化学反応検出チップ用基板を製造す
る方法であって、(a)熱伝導体の平板の一方の表面上に
薄膜を形成し、そして、(b)熱伝導体の平板のもう一方
の表面の側から不要な部分を除去して熱伝導体のアイラ
ンドを形成する方法。
11. A method for producing a substrate for a biochemical reaction detection chip, comprising: (a) forming a thin film on one surface of a flat plate of a heat conductor; and (b) forming a thin film on the flat plate of a heat conductor. A method of removing unnecessary portions from the other surface side to form thermal conductive islands.
【請求項12】 熱伝導体の平板の一方の表面上に温度
調節器を形成し、その上に薄膜を形成する請求項11記
載の方法。
12. The method according to claim 11, wherein a temperature controller is formed on one surface of the flat plate of the heat conductor, and a thin film is formed thereon.
【請求項13】 熱伝導体の平板の薄膜が形成された表
面の反対側の表面上に所望のパターンのマスクを設け、
反対側の面に形成された薄膜が露出するまでマスクを設
けた側の面をエッチングして、薄膜上にマスクのパター
ンで熱伝導体のアイランドを形成する請求項12記載の
方法。
13. A mask having a desired pattern is provided on a surface opposite to a surface on which a flat thin film of a heat conductor is formed,
13. The method of claim 12, wherein the masked side is etched until the thin film formed on the opposite side is exposed, thereby forming thermal conductor islands in the pattern of the mask on the thin film.
【請求項14】 マスクがSi窒化膜の薄膜である請求
項13記載の方法。
14. The method according to claim 13, wherein the mask is a thin film of a Si nitride film.
【請求項15】 生化学反応検出チップ上で複数の反応
系により生化学反応を行う装置であって、 各生化学反応に適した温度よりも高い温度に生化学反応
検出チップ全体を加熱する加熱装置と、 各生化学反応に適した温度に各反応系の温度を調節する
温度調節装置とを備える生化学反応装置。
15. An apparatus for performing a biochemical reaction by a plurality of reaction systems on a biochemical reaction detection chip, wherein the heating device heats the entire biochemical reaction detection chip to a temperature higher than a temperature suitable for each biochemical reaction. A biochemical reaction device comprising: a device; and a temperature control device that controls the temperature of each reaction system to a temperature suitable for each biochemical reaction.
【請求項16】 前記温度調節装置は、時分割で各反応
系の温度を調節する請求項15記載の生化学反応装置。
16. The biochemical reaction device according to claim 15, wherein the temperature control device adjusts the temperature of each reaction system in a time sharing manner.
【請求項17】 コンピュータに、 生化学反応検出チップ上で複数の反応系により生化学反
応を行う装置であって、 各生化学反応に適した温度よりも高い温度に生化学反応
検出チップ全体を加熱する加熱装置と、 各生化学反応に適した温度に各反応系の温度を調節する
温度調節装置とを備える生化学反応装置を機能させるた
めのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な
記録媒体。
17. An apparatus for performing a biochemical reaction on a biochemical reaction detection chip by a plurality of reaction systems on a computer, wherein the entire biochemical reaction detection chip is heated to a temperature higher than a temperature suitable for each biochemical reaction. A computer-readable recording medium storing a program for causing a biochemical reaction device to include a heating device for heating and a temperature control device for adjusting the temperature of each reaction system to a temperature suitable for each biochemical reaction.
【請求項18】 複数の反応系により生化学反応を反応
系毎に温度調節して同時に行う方法であって、(a)各反
応系の生化学反応に適した温度よりも高い温度になるま
で、複数の反応系のすべてを加熱し、そして、(b)各反
応系について、その反応系の温度を生化学反応に適した
温度まで下げ、その温度を一定時間維持する方法。
18. A method for simultaneously performing a biochemical reaction with a plurality of reaction systems by controlling the temperature for each reaction system, wherein (a) the temperature is higher than a temperature suitable for the biochemical reaction of each reaction system. Heating all of the plurality of reaction systems, and (b) for each reaction system, lowering the temperature of the reaction system to a temperature suitable for a biochemical reaction and maintaining the temperature for a certain period of time.
【請求項19】 (a)の加熱操作を恒温槽で行う請求項
17記載の方法。
19. The method according to claim 17, wherein the heating operation (a) is performed in a constant temperature bath.
【請求項20】 生化学反応がポリヌクレオチドとオリ
ゴヌクレオチドとのハイブリダイゼーションであり、生
化学反応に適した温度が前記オリゴヌクレオチドとその
相補鎖とが形成する2本鎖の融解温度である請求項18
記載の方法。
20. The biochemical reaction is a hybridization between a polynucleotide and an oligonucleotide, and a temperature suitable for the biochemical reaction is a melting temperature of a duplex formed by the oligonucleotide and a complementary strand thereof. 18
The described method.
【請求項21】 ポリヌクレオチドがサンプル中のDN
Aであり、オリゴヌクレオチドが生化学反応検出チップ
のオリゴヌクレオチドプローブである請求項19記載の
方法。
21. The method according to claim 19, wherein the polynucleotide is DN in the sample.
20. The method according to claim 19, wherein A is the oligonucleotide probe of the biochemical reaction detection chip.
【請求項22】 コンピュータに、 複数の反応系により生化学反応を反応系毎に温度調節し
て同時に行う方法であって、(a)各反応系の生化学反応
に適した温度よりも高い温度になるまで、複数の反応系
のすべてを加熱し、そして、(b)各反応系について、そ
の反応系の温度を生化学反応に適した温度まで下げ、そ
の温度を一定時間維持する方法を実行させるためのプロ
グラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒
体。
22. A method in which a computer performs a biochemical reaction simultaneously by adjusting the temperature of each reaction system by a plurality of reaction systems, wherein (a) a temperature higher than a temperature suitable for the biochemical reaction of each reaction system. Until all the reaction systems are heated, and (b) for each reaction system, reduce the temperature of the reaction system to a temperature suitable for biochemical reactions and maintain the temperature for a certain period of time A computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute is recorded.
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