JP2002168864A - 生体高分子検出装置及びカートリッジ - Google Patents
生体高分子検出装置及びカートリッジInfo
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Abstract
ンプルを含めた全体的な解析を行うことができる生体高
分子(DNA)検出装置を提供すること。 【解決手段】 電極71にDNAプローブ73を固定
し、電極71、72間に直流電圧を印加することで、相
補鎖サンプルDNA75と非相補鎖サンプルDNA76
を分離することができ、反応系全体の割合から解析を行
うことで、より明確な結果を得ることが可能になった。
さらに、ゲルによる電気泳動を併用することで、反応サ
ンプルと未反応サンプルを分離して同じ反応場で測定す
ることが可能になった。
Description
RNA及びタンパク質等の生体高分子の有無、存在量、
又は濃度の測定を行うことができる生体高分子検出装置
及びその検出に用いるカートリッジに関する。
(放射性同位元素)や蛍光等の技術を用い、DNAを放
射性物質や蛍光色素等で修飾し、外部からの刺激によっ
て励起させ、発光による応答を見る方法が一般的であ
る。また、電気化学的に、DNA二本鎖に特異的に結合
する挿入剤を用いて、その酸化還元電位により判定する
電荷検出法が考案されている。さらに、修飾等を必要と
しない方法として、表面プラズモン共鳴現象を用いた方
法がある。電極にDNAを固定化させる技術には、チオ
ール修飾DNAプローブを用い、DNA末端のフリーな
チオール基の単分子膜が、金表面上に自己形成する作用
を利用したものなどがある。
術において、RIや蛍光を用いた方法は、DNAを修飾
する必要があった。
検出装置は、2つの電極間に生体高分子を収容するカー
トリッジの各電極間に電圧を印加する電圧供給手段と、
前記カートリッジを保持する保持手段と、該保持手段に
よって保持されているカートリッジに光を照射する照射
手段と、前記保持手段によって保持されているカートリ
ッジからの前記照射手段によって照射した光を受光する
受光手段とを備える。
直流電圧を選択的に供給することで、生体高分子を一方
の電極に引き寄せたり両方の電極に引き寄せたりするこ
とができる。また、前記保持手段は、前記照射手段によ
って照射される光の光軸に対して直角な平面内で前記カ
ートリッジを2次元に移動可能であることで、カートリ
ッジ内各位置における生体高分子の存在を検出すること
ができる。
光を照射することで、検出感度を向上することができ
る。また、前記受光手段によって受光した光量から、生
体高分子の存在量、塩基長、濃度、ハイブリ率又はハイ
ブリ量を算出する演算手段をさらに備えることで、生体
高分子の各種特徴量を測定することができる。
た生体高分子を一本鎖に解離する熱を前記電極に加える
加熱手段をさらに備えることで、相補鎖生体高分子及び
非相補鎖生体高分子のそれぞれの存在を検出することが
できる。また、本発明に係るカートリッジは、下底面内
側に第1電極を有し側面の少なくとも一部が透明で上底
面が開放されていて生体高分子溶液を収容し得る柱状の
ベース部と、下底面外側に第2電極を有し前記ベース部
の上側から内部にその途中まで挿入されて係止されるキ
ャップ部とを備える。
子プローブが固定されていることで、相補鎖生体高分子
と非相補鎖生体高分子とを別々に存在検出することがで
きる。また、前記ベース部の柱状断面が正方形で、前記
キャップ部の柱状断面が円形であることで、光の入射面
が平面であるので、光の散乱を抑制し、キャップ部をベ
ース部に簡単に挿入することができる。また、前記ベー
ス部の上部には生体高分子溶液が柱状の部分からあふれ
ても外にあふれないように溶液溜を有することで、溶液
をあふれないようにすることができる。
る電極間に注入するだけでよい。またこの技術では、D
NAの存在量を物理的に測定することができるため、濃
度等を測定することも可能である。さらに、本装置は電
場による外力を対面する電極間にかけることにより、電
極表面に固定化された一本鎖プローブDNAとハイブリ
ダイズしなかったサンプルDNAを、前記プローブDN
Aを固定化していない電極にひきつけることで、洗浄を
必要としない遺伝子検出が可能となる。また、この方法
を用いることにより、反応したものと反応していないも
のを共に計測対象にしているため、より明確な結果を得
ることができる。
発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図1
は、本発明の一実施の形態による生体高分子検出装置の
構成を示す概略図である。装置は、吸光度、透過率、反
射率等の光エネルギー等の測定を行うための光学系と、
蛍光や放射性物質等の有機物、又は無機物でDNAを修
飾した場合の修飾部を検出するための光学系からなる。
等の測定を行うための光学系は、レーザー及び光源、ス
リット、フィルタ、回折格子、受光部等からなる。ディ
スプレイ2を有するコンピュータ1に制御部3を接続
し、さらに制御部3によって制御されるレーザー及び光
源4から発生した光は、フィルタ5で波長選択された
後、光源スリット6を通過する。この光は、入射スリッ
ト7を通過し、回折格子8において260nm及び280nmに波
長変換される。さらに、カートリッジ11(図2で詳述
する)直前に置かれた出射フィルタ10を通過させる。
カートリッジ11内では、DNAが吸光するため、DN
Aの存在量に応じて光エネルギーが減少する。つまり、
受光部12では減少後の光エネルギーが得られる。結果
の解析はコンピュータ1で行い、ある位置における入射
光に対する受光部で得られた光エネルギーの減少分か
ら、DNA存在量の分布を求める。透過率はカートリッ
ジ11内に溶液を満たしてDNAが全く存在しない場合
に対する受光量の比として得られる。反射率は同様にD
NAが全く存在しない場合に対する反射光の光量の比と
して得られる。この反射率を測定するには反射光を受光
する光学系が必要になる。吸光度は(反射率−透過率)
として得られる。
でDNAを修飾した場合の修飾部を検出するための光学
系は、レーザー及び光源、ピンホール、レンズ等からな
る。レーザー及び光源16から発生した光は、フィルタ
21を通り波長選択された後、レンズ22によって集光
され、焦点においてピンホール23を通過する。ピンホ
ール23を通過した光は、測定部を焦点とするレンズ2
4によって再度集光される。これによって励起された物
質の示す光は、レンズ24へと向かい、偏光ビームスプ
リッタ17において、受光部18側へ向かう。フィルタ
20を通り波長選択された光は、焦点においてピンホー
ル19を通り、受光部18へ達する。受光部18からの
信号により、修飾部位の分布を解析する。
トリッジの構成を示す図である。カートリッジ11は、
キャップ部25とベース部27からなる。キャップ部2
5は、底面が開放されていて断面が大きな外円柱25a
の中に同心円状に断面が小さな内円柱25bが上底面で
接合されている。内円柱25bの底面全面には外側に電
極26を有する。ベース部27は、断面が正方形の中空
四角柱27aの底面内側に円形の電極28を有し、上底
面はDNA溶液を注入し、さらにキャップ部25を挿入
するために開放されていて、さらにその四角柱27aの
上部にはDNA溶液が多少あふれても外部にあふれない
ように円柱形の溶液溜27bを有する。カートリッジ1
1には、両方の電極にDNAプローブを固定化させたも
の、片方の電極にDNAプローブを固定化させたもの、
どちらの電極にもDNAプローブを固定化していないも
のがある。カートリッジ11は、装置のカートリッジ挿
入部に挿入する。装置には、カートリッジ11内に電界
を作り出すための電極が存在し、電源部から送られる直
流電圧及び/又は交流電圧をカートリッジ11内の電極
間にかけることができる。
過率、反射率等の光エネルギーを計測することによって
行われる。測定方法は、複数の範囲による比較、又は、
ごく微小な範囲をスキャニングすることによって行われ
る。これによって得られた、吸光度、透過率、反射率等
の光エネルギーの分布を基に、電極間に存在するDNA
の分布を得ることができ、DNAの存在量及び濃度、ハ
イブリ率、ハイブリ効率等を測定することができる。
挙動を示す図である。電極71、72間に直流電圧をか
けた場合、DNAは電界方向に引っ張られ、一方の電極
(この場合は電極72)側に引き寄せられる。このた
め、電極71にプローブDNA73を固定してハイブリ
ダイゼーション反応後に直流電圧をかけると、ハイブリ
した相補鎖サンプルDNA75は電極71側に固定され
て引き延ばされるが、ハイブリしなかった非相補鎖サン
プルDNA76は電極72側に引き寄せられて縮まった
状態になる。この状態で各位置におけるDNAの量を測
定することでハイブリした相補鎖サンプルDNA75の
量とその塩基長(DNAの先端がどこまで延びて存在し
ているかを測定する)、及びハイブリしなかった非相補
鎖サンプルDNA76の量を測定することができる。
挙動を示す図である。電極77、78間に交流電圧をか
けた場合、ある範囲の周波数及び電圧により(本装置で
は106V/m、1MHz)、DNAは伸長した状態で、電圧をか
ける直前における位置から、より近くにある電極側に伸
長した状態で引き寄せられる。カートリッジ11にかけ
る電圧を直流電圧と交流電圧とを繰り返し使い分けるこ
とにより、DNAの位置を制御することができる。本装
置では、サンプル注入時にDNAを電極間に引き寄せる
段階、ハイブリダイゼーション反応前においてプローブ
側にサンプルを引き寄せる段階、ハイブリダイゼーショ
ン反応後にプローブと二本鎖を形成しているサンプルと
未反応サンプルを分離する段階のそれぞれにおいて電極
間に直流電圧を印加している。また、塩基長等を測定時
等のDNAを分離させたまま伸長させるときに、交流電
圧を印加している。
高分子検出装置の概観を示す図である。装置本体29の
中に回転式カートリッジ挿入部30を設けて複数のカー
トリッジ11を装填して装置カバー部31を閉める。こ
れにより、測定対象となるカートリッジ11を自動的に
交換して次々にDNA検出を行うことができるようにし
ている。
分子検出装置の構成を示す概略図である。板状カートリ
ッジの詳細は図5に示す。吸光度、透過率、反射率等の
光エネルギー等の測定を行うための光学系は、レーザー
及び光源、スリット、フィルタ、回折格子、受光部等か
らなる。レーザー及び光源35から発生した光は、フィ
ルタ36で波長選択された後、光源スリット37を通過
する。この光は、入射スリット38を通過し、回折格子
39において260nm及び280nmに波長変換される。さら
に、カートリッジ直前に置かれた出射スリット41を通
過させる。板状カートリッジ42内では、DNAが吸光
するため、DNAの存在量に応じて光エネルギーが減少
する。つまり、受光部45では減少後の光エネルギーが
得られる。結果の解析はコンピュータ32で行い、ある
位置における入射光に対する受光部45で得られた光エ
ネルギーの減少分から、DNA存在量の分布を求める。
でDNAを修飾した場合の修飾部を検出するための光学
系は、レーザー及び光源、ピンホール、レンズ等からな
る。レーザー及び光源47から発生した光は、フィルタ
48を通り波長選択された後レンズ49によって集光さ
れ、焦点においてピンホール50を通過する。反射鏡5
1により板状カートリッジ42方向に向けられ、測定部
を焦点とするレンズ53によって再度集光される。これ
によって励起された物質の示す光は、レンズ53へと向
かい、偏光ビームスプリッタ52において、受光部56
側へ向かう。フィルタ54を通り波長選択された光は、
焦点においてピンホール55を通り、受光部56へ達す
る。受光部56からの信号により、修飾部位の分布の解
析をコンピュータ32により行う。
である。図5(a) に示す板状カートリッジ42は、板材
に微小幅、微小深さの貯留溝59を設けて、貯留溝59
の両端に電極57、58を有する構造である。吸光度、
透過率等を測定する場合、底面は透明である必要があ
る。測定は、吸光度、透過率、反射率等の光エネルギー
を計測する。また、従来の蛍光による検出も可能であ
る。
ジを示す図である。貯留溝の中間部にゲル65を入れ、
電極61、62を加熱可能にすることにより、時間差測
定を行うことができる。これは、片方の電極61に一本
鎖DNAプローブをあらかじめ固定化させておき、プロ
ーブを固定化した電極61側のウェル63にサンプルD
NA溶液を注入する。これらをハイブリダイゼーション
反応させ、未反応サンプルを従来の方法で電気泳動を行
い測定する。ゲル部65のDNA及び修飾物質が対面す
る電極62側のウェル64に完全に流れ出たら、電極6
1を加熱し電極61付近のDNAを一本鎖に解離し、再
度、従来の方法で電気泳動を行い測定する。こうするこ
とで、サンプルDNAの相補鎖DNAの塩基長分布及び
存在量と、非相補鎖DNAの塩基長分布及び存在量を測
定することが可能となる。測定及び検出において、サン
プルDNAは何も修飾されていない状態でも可能だが、
感度を上げるために、蛍光色素等の有機物又は無機物で
修飾することで、外部的刺激等により、感度を上げるこ
とも可能である。
分子検出装置の概観を示す図である。装置本体66の中
に、複数の板状カートリッジ42を電極(1)67及び電
極(2)68にその電極が接触接続するようにして装填し
てスキャン部69によって一括して光学的にスキャンす
る。通常は、ふた70を閉めた状態でハイブリダイゼー
ションや電気泳動を行う。なお、本発明は上記実施の形
態に限定されるものではない。
形状を正方形としたが、正六角柱など他の形状でもよ
い。中を通過する光が散乱しないようにするためには透
明で平行な平面を有することが望ましい。また、電極に
かける温度を種々に変化させてそれぞれにおけるハイブ
リしたDNAの量やハイブリしなかったDNAの量を測
定することにより、DNAの一本鎖解離温度を計測する
ことができる。
及びタンパク質等の生体高分子の有無、存在量、又は濃
度などを簡易に測定することができる。
置の構成を示す概略図である。
成を示す図である。
置の概観を示す図である。
の構成を示す概略図である。
の概観を示す図である。
である。
である。
Claims (10)
- 【請求項1】 2つの電極間に生体高分子を収容するカ
ートリッジの各電極間に電圧を印加する電圧供給手段
と、 前記カートリッジを保持する保持手段と、 該保持手段によって保持されているカートリッジに光を
照射する照射手段と、 前記保持手段によって保持されているカートリッジから
の前記照射手段によって照射した光を受光する受光手段
とを備えることを特徴とする生体高分子検出装置。 - 【請求項2】 前記電圧供給手段は、交流電圧又は直流
電圧を選択的に供給することを特徴とする請求項1記載
の生体高分子検出装置。 - 【請求項3】 前記保持手段は、前記照射手段によって
照射される光の光軸に対して直角な平面内で前記カート
リッジを2次元に移動可能であることを特徴とする請求
項1又は2記載の生体高分子検出装置。 - 【請求項4】 前記照射手段は、所定の単一波長の光を
照射することを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記
載の生体高分子検出装置。 - 【請求項5】 前記受光手段によって受光した光量か
ら、生体高分子の存在量、塩基長、濃度、ハイブリ率又
はハイブリ量を算出する演算手段をさらに備えることを
特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の生体高分子
検出装置。 - 【請求項6】 前記カートリッジ内でハイブリされた生
体高分子を一本鎖に解離する熱を前記電極に加える加熱
手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5い
ずれかに記載の生体高分子検出装置。 - 【請求項7】 下底面内側に第1電極を有し側面の少な
くとも一部が透明で上底面が開放されていて生体高分子
溶液を収容し得る柱状のベース部と、 下底面外側に第2電極を有し前記ベース部の上側から内
部にその途中まで挿入されて係止されるキャップ部とを
備えることを特徴とするカートリッジ。 - 【請求項8】 前記第1又は第2電極には生体高分子プ
ローブが固定されていることを特徴とする請求項7記載
のカートリッジ。 - 【請求項9】 前記ベース部の柱状断面が正方形で、前
記キャップ部の柱状断面が円形であることを特徴とする
請求項7又は8記載のカートリッジ。 - 【請求項10】 前記ベース部の上部には生体高分子溶
液が柱状の部分からあふれても外にあふれないように溶
液溜を有することを特徴とする請求項7乃至9いずれか
に記載のカートリッジ。
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