JP2002325566A - Nucleic acid sensor - Google Patents

Nucleic acid sensor

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JP2002325566A
JP2002325566A JP2001134745A JP2001134745A JP2002325566A JP 2002325566 A JP2002325566 A JP 2002325566A JP 2001134745 A JP2001134745 A JP 2001134745A JP 2001134745 A JP2001134745 A JP 2001134745A JP 2002325566 A JP2002325566 A JP 2002325566A
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JP
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nucleic acid
sensor
insulating film
laser
probe
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Application number
JP2001134745A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Yukimasa
哲男 行政
Hiroaki Oka
弘章 岡
Nobuhiko Ozaki
亘彦 尾崎
Hirokazu Sugihara
宏和 杉原
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nucleic acid sensor having a small size and excellent in operating property. SOLUTION: This nucleic acid sensor equipped with an electrode zone in which a nucleic acid probe is fixed, is to detect the presence of an objective nucleic acid by measuring a generated potential change caused by a double chain formation between the objective nucleic acid and the fixed nucleic acid probe. The nucleic acid sensor comprises a semiconductor base substrate, an insulating film arranged on the above base substrate, and as necessary a protective film arranged on the above insulating film, and is equipped with a means for holding a liquid specimen arranged on the sensor base substrate; a functioning electrode arranged on the above semiconductor base substrate; and the above insulating film or protective film, in which the means for holding the liquid specimen prescribes the electrode zone on the sensor base substrate, and the electrode zone is equipped with the means for fixing the nucleic acid probe. The sensor takes out the generated potential change caused by the double chain formation between the nucleic acid probe and the objective nucleic acid in the liquid specimen corresponding to an irradiation of a light, as a corresponding signal from the functioning electrode.

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、目的とする特定配
列をもつ核酸を検出するための、核酸センサおよびこれ
を用いた核酸検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nucleic acid sensor for detecting a nucleic acid having a specific sequence of interest and a nucleic acid detecting device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、遺伝子情報を利用した技術の開発
が盛んである。医療分野では、疾患関連遺伝子を解析す
ることによって、疾患の分子レベルでの治療が可能とな
ってきた。また、遺伝子診断により、各々の患者に対応
したテーラーメード医療も可能となってきている。製薬
分野では、遺伝子情報を利用して、抗体やホルモンなど
のタンパク分子を特定し、それらを薬品として利用して
いる。その他農業や食品分野などにおいても、遺伝子情
報を用いた多くの製品が作り出されている。
2. Description of the Related Art In recent years, technology utilizing genetic information has been actively developed. In the medical field, analysis of disease-related genes has made it possible to treat diseases at the molecular level. In addition, tailor-made medical treatment corresponding to each patient has become possible by genetic diagnosis. In the pharmaceutical field, genetic information is used to identify protein molecules such as antibodies and hormones, and use them as drugs. Many other products using genetic information have also been produced in the agricultural and food fields.

【0003】これらの遺伝子情報を得るために、従来、
サザンハイブリダイゼーション法などの解析法が用いら
れてきたが、これに代わり、DNAチップまたはDNA
マイクロアレイが多く使われるようになってきた。これ
らの集積型DNAセンサは、数万から数十万のDNA断
片を一度に処理し得るが、得られた大量のデータをいか
にして解析処理を行うかが一つの課題となっている。
In order to obtain such genetic information, conventionally,
Analysis methods such as the Southern hybridization method have been used, but instead, DNA chips or DNA
Microarrays have come into wide use. These integrated DNA sensors can process tens of thousands to hundreds of thousands of DNA fragments at one time, but one problem is how to analyze a large amount of obtained data.

【0004】その一方、DNAセンサの集積化が進むに
つれ、センサ一枚の価格は非常に高額なものとなってい
る。また、一般に、DNAセンサの集積化において、セ
ンサの感度は犠牲にされる傾向にある。そのため、測定
の前段階で、例えばPCR法などを用いて、DNAを増
幅するステップを必要とし、装置が複雑かつ大型化する
とともに測定に要する時間が長くなっている。
On the other hand, as the integration of DNA sensors progresses, the price of one sensor becomes extremely high. Also, in general, in the integration of a DNA sensor, the sensitivity of the sensor tends to be sacrificed. Therefore, a step of amplifying DNA is required before the measurement, for example, by using a PCR method or the like, and the apparatus is complicated and large, and the time required for the measurement is long.

【0005】このような観点から、電気化学的方式を用
いた核酸センサが開発されている(特表平9−5033
07を参照のこと)。このような電気化学的方式を用い
た核酸センサにおいては、蛍光方式と比較し、高感度で
低コストの核酸センサが得られると期待されている。し
かし、この方式によれば、電極と端子との間の配線が必
要である。例えば、図5は、特表平9−503307に
開示されている核酸センサである。図示されるように、
この核酸センサでは、電極と端子との間に多くの例えば
アルミニウムなどによる金属配線が必要である。そして
電極の高密度化を実現するために、配線の高密度化およ
び高精度化をも行う必要があり、集積化が困難である。
[0005] From such a viewpoint, a nucleic acid sensor using an electrochemical system has been developed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-5033).
07). In a nucleic acid sensor using such an electrochemical method, it is expected that a nucleic acid sensor with higher sensitivity and lower cost can be obtained as compared with a fluorescent method. However, according to this method, wiring between the electrode and the terminal is required. For example, FIG. 5 shows a nucleic acid sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 9-503307. As shown,
In this nucleic acid sensor, many metal wirings, for example, made of aluminum or the like are required between the electrodes and the terminals. Further, in order to realize a high density of electrodes, it is necessary to increase the density and precision of the wiring, and it is difficult to integrate the wiring.

【0006】医療分野における診断で用いられる小型で
操作性の高い装置の例として、半導体基板を用いた、L
APS(Light−Addressable Pot
entiometric Sensor:米国モレキュ
ラーデバイス社、米国特許第4,758,786号およ
び第4,963,815号参照のこと)が挙げられる。
LAPSの構造を図6に示す。図6に示すように、この
LAPSは、半導体シリコン基板101、およびその上
に形成された酸化膜102および窒化膜103からなる
センサ基板を備え、例えば、このセンサ基板の上に接触
させた溶液(電解液)104のpHを測定するセンサー
として用いられる。LAPSのpH測定原理は以下の通
りである。
[0006] As an example of a small and highly operable device used for diagnosis in the medical field, an L-type device using a semiconductor substrate is used.
APS (Light-Addressable Pot)
entometric Sensor: see Molecular Devices, Inc., U.S. Pat. Nos. 4,758,786 and 4,963,815).
FIG. 6 shows the structure of LAPS. As shown in FIG. 6, the LAPS includes a semiconductor silicon substrate 101 and a sensor substrate including an oxide film 102 and a nitride film 103 formed thereon. It is used as a sensor for measuring the pH of the (electrolyte solution) 104. The principle of measuring the pH of LAPS is as follows.

【0007】図示されるような、電解液(Electr
olyte)、絶縁膜(Insulator)、および
半導体(Semiconductor)からなるEIS
構造に、ポテンショスタット105によって直流バイア
ス電圧を印加する。この状態で、EIS構造の裏面か
ら、所定の周波数で変調した光を照射すると、図7に示
すような光交流電流が流れる。このとき、直流バイアス
電圧Vと光交流電流Iとの関係を示すI−V曲線は、溶
液のpHに応じて、図7に示すように横軸(直流バイア
ス電圧)方向にシフトすることが知られている。従っ
て、所定の直流バイアス電圧を印加している状態で、光
交流電流Iを検出することによって電解液のpHを測定
することが可能となる。
As shown in the figure, an electrolytic solution (Electr)
EIS composed of an insulating film, an insulator, and a semiconductor.
A DC bias voltage is applied to the structure by potentiostat 105. In this state, when light modulated at a predetermined frequency is irradiated from the back surface of the EIS structure, an optical alternating current flows as shown in FIG. At this time, it is known that the IV curve indicating the relationship between the DC bias voltage V and the optical AC current I shifts in the horizontal axis (DC bias voltage) direction as shown in FIG. 7 according to the pH of the solution. Have been. Therefore, it is possible to measure the pH of the electrolyte by detecting the photo-current AC while a predetermined DC bias voltage is being applied.

【0008】I−V曲線が溶液のpHに応じてシフトす
る理由は次のように考えられている。EIS構造に電圧
が印加されると、半導体と絶縁膜との界面でエネルギー
バンドの曲りが生ずるが、この曲りは、絶縁膜に接して
いる溶液のpHにも依存する。つまり、絶縁膜の表面に
はシラノール基(Si−OH)とアミノ基(Si−NH
2)が形成されているが、これらの官能基がプロトン
(H+)と選択的に結合して、溶液中に存在するプロト
ンと結合したプロトンとの平衡状態が維持されている。
従って、溶液のpHが変化すれば絶縁膜上の電荷が変わ
り、それによってエネルギーバンドの曲りも変化する。
その結果、半導体と絶縁膜との界面に存在する空乏層の
幅、従って空乏層容量が変化し、流れる光交流電流も変
化するのである。このLAPSはまた、光を照射するこ
とにより電気伝導度が高くなる半導体の光伝導現象をも
利用している。
The reason why the IV curve shifts according to the pH of the solution is considered as follows. When a voltage is applied to the EIS structure, an energy band bends at the interface between the semiconductor and the insulating film, and this bend also depends on the pH of the solution in contact with the insulating film. That is, a silanol group (Si-OH) and an amino group (Si-NH) are formed on the surface of the insulating film.
Although 2 ) is formed, these functional groups are selectively bonded to protons (H + ), and the equilibrium between the protons present in the solution and the bonded protons is maintained.
Therefore, when the pH of the solution changes, the charge on the insulating film changes, and accordingly, the bending of the energy band also changes.
As a result, the width of the depletion layer existing at the interface between the semiconductor and the insulating film, that is, the capacitance of the depletion layer changes, and the flowing optical AC current also changes. The LAPS also utilizes the photoconduction phenomenon of a semiconductor whose electric conductivity is increased by light irradiation.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】現在開発されている大
部分の核酸センサは、検出蛍光色素で標識されたプロー
ブを検出する方式を採用しているため、励起光を放出し
て蛍光を測定する必要があり、装置が大掛かりとなる欠
点を有している。一般に、医療分野における遺伝子診断
等において、このような核酸分子間のハイブリダイゼー
ションを検出する装置は、汎用の検出装置として用いる
ことが可能なように、小型かつ操作性の高い装置が強く
望まれている。また、PCR法による核酸増幅ステップ
を省略するために、微量の核酸を検出し得る高感度の検
出装置が望まれている。さらに、多くの医療機関で手軽
に使用できるために、低価格の検出装置に対する必要性
が存在している。
Most of the nucleic acid sensors that have been developed at present use a method of detecting a probe labeled with a fluorescent dye for detection, and thus emit fluorescence and measure fluorescence. And has the drawback that the device is bulky. In general, in gene diagnosis and the like in the medical field, there is a strong demand for a small and highly operable device for detecting such hybridization between nucleic acid molecules so that it can be used as a general-purpose detection device. I have. Further, in order to omit the nucleic acid amplification step by the PCR method, a highly sensitive detection device capable of detecting a trace amount of nucleic acid is desired. In addition, there is a need for low cost detection devices due to their ease of use at many medical institutions.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は、核酸プローブ
が固定化される電極領域を備えた核酸センサに関し、こ
の核酸センサは、目的の核酸と、固定化された核酸プロ
ーブとの間の二本鎖形成に起因して発生する電位変化を
測定することによって、該目的の核酸の存在を検出す
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a nucleic acid sensor provided with an electrode region on which a nucleic acid probe is immobilized. The presence of the nucleic acid of interest is detected by measuring the change in potential generated due to the formation of the main strand.

【0011】本発明はまた、半導体基板、およびこの基
板上に配置された絶縁膜を含むセンサ基板;上記半導体
基板の表面に配置された作用電極;および上記絶縁膜上
に配置される、液体試料を保持するための手段を備えた
核酸センサに関し、この核酸センサは、上記液体試料を
保持するための手段がセンサ基板上の電極領域を規定
し、この電極領域が核酸プローブを固定する手段を備
え、核酸プローブと該液体試料中の目的の核酸との間の
二本鎖形成に起因して発生する電位変化を、光の照射に
応じて、対応する信号として該作用電極から取り出す。
The present invention also provides a sensor substrate including a semiconductor substrate and an insulating film disposed on the substrate; a working electrode disposed on the surface of the semiconductor substrate; and a liquid sample disposed on the insulating film. The nucleic acid sensor has a means for holding the liquid sample, the means for holding the liquid sample defines an electrode region on the sensor substrate, and the electrode region has means for fixing the nucleic acid probe. Then, a change in potential generated due to double-strand formation between the nucleic acid probe and the target nucleic acid in the liquid sample is extracted from the working electrode as a corresponding signal in response to light irradiation.

【0012】好ましくは、さらに上記絶縁膜上に保護膜
を含み、上記半導体基板はSiを含み、上記絶縁膜はS
iO2を含み、そして上記保護膜はSi34を含む。
Preferably, the semiconductor device further includes a protective film on the insulating film, the semiconductor substrate includes Si, and the insulating film includes S
It contains iO 2 and the protective film contains Si 3 N 4 .

【0013】本発明は、1つの局面で、上記の核酸セン
サ;この核酸センサにレーザビームを照射するレーザデ
バイス;上記核酸センサに直流バイアス電圧を印加する
直流電源;および上記核酸センサからの信号を処理する
手段を備える核酸検出装置に関する。
According to one aspect of the present invention, there is provided a nucleic acid sensor, a laser device for irradiating the nucleic acid sensor with a laser beam, a DC power supply for applying a DC bias voltage to the nucleic acid sensor, and a signal from the nucleic acid sensor. The present invention relates to a nucleic acid detection device provided with a processing unit.

【0014】好ましくは、上記核酸検出装置は、上記レ
ーザデバイスを高周波駆動する手段をさらに備え、上記
信号を処理する手段が光交流電流の振幅の変化を検出す
る。
[0014] Preferably, the nucleic acid detecting apparatus further comprises means for driving the laser device at a high frequency, and the means for processing the signal detects a change in the amplitude of the optical alternating current.

【0015】好ましくは、上記核酸検出装置は、上記レ
ーザデバイスから照射されるレーザビームを、上記核酸
センサの所定の領域を走査するようにする手段をさらに
備える。
[0015] Preferably, the nucleic acid detection device further includes means for scanning a predetermined region of the nucleic acid sensor with a laser beam emitted from the laser device.

【0016】好ましくは、上記レーザデバイスは、2次
元でマトリックス状に配列された複数のレーザ光源を備
えるレーザアレイである。
Preferably, the laser device is a laser array including a plurality of laser light sources arranged two-dimensionally in a matrix.

【0017】好ましくは、上記核酸検出装置は、上記核
酸センサの位置を、水平方向および鉛直方向に制御する
手段をさらに備える。
Preferably, the nucleic acid detection device further includes a means for controlling a position of the nucleic acid sensor in a horizontal direction and a vertical direction.

【0018】好ましくは、上記制御する手段は、X−Y
ステージである。
Preferably, the means for controlling is XY
The stage.

【0019】本発明は、1つの局面で、目的の核酸を検
出する方法に関し、この方法は、核酸プローブを、セン
サ基板上の電極領域内の少なくとも1つの領域に固定化
する工程;固定化された核酸プローブと、目的の核酸を
含むと疑われる試料を、上記核酸プローブと上記目的の
核酸とがハイブリダイズして二本鎖を形成するような条
件下で、接触させる工程;上記二本鎖の形成に起因して
発生する電位変化を測定する工程;および上記電位変化
の有無によって、目的の核酸が存在するか否かを決定す
る工程、を包含する。
The present invention, in one aspect, relates to a method for detecting a nucleic acid of interest, the method comprising the steps of: immobilizing a nucleic acid probe on at least one of electrode regions on a sensor substrate; Contacting the nucleic acid probe with a sample suspected of containing the nucleic acid of interest under conditions such that the nucleic acid probe and the nucleic acid of interest hybridize to form a double strand; Measuring the potential change caused by the formation of the nucleic acid; and determining whether or not the target nucleic acid is present based on the presence or absence of the potential change.

【0020】上記核酸プローブと上記目的の核酸とがハ
イブリダイズして二本鎖を形成するような条件は、通
常、反応に先立って、目的の核酸を一本鎖に変性するこ
とにより達成され得る。
The conditions under which the above-mentioned nucleic acid probe and the above-mentioned target nucleic acid hybridize to form a double strand can be usually achieved by denaturing the target nucleic acid into a single strand prior to the reaction. .

【0021】好ましくは、上記センサ基板は、半導体お
よび絶縁膜を備え、上記電位変化を測定する工程が:上
記試料を含む溶液、上記絶縁膜、および上記半導体を含
む構造に直流バイアス電圧を印加すること;上記電極領
域内の少なくとも1つの領域にレーザビームを照射する
こと;空乏層を通る光交流電流を測定することを包含す
る。
Preferably, the sensor substrate includes a semiconductor and an insulating film, and the step of measuring the potential change includes: applying a DC bias voltage to the solution including the sample, the insulating film, and the structure including the semiconductor. Irradiating at least one region in the electrode region with a laser beam; and measuring an optical alternating current passing through a depletion layer.

【0022】好ましくは、上記レーザビームを照射する
工程は、レーザビームを変調することを包含する。
Preferably, the step of irradiating the laser beam includes modulating the laser beam.

【0023】好ましくは、上記電位変化は、二本鎖核酸
に特異的に結合する物質によって増幅される。好ましく
は、この二本鎖核酸に特異的に結合する物質は、エチジ
ウムブロマイド、アクリジンオレンジ、ヘキスト332
58(モレキュラープローブ社)等の他、トリス(フェ
ナントロン)コバルト錯体、トリス(ビピリジル)ルテ
ニウム錯体等の金属錯体をインタカレータとして用い
る。なお、インタカレータはこれらに限定されるもので
はない。
Preferably, the change in potential is amplified by a substance that specifically binds to a double-stranded nucleic acid. Preferably, the substance that specifically binds to the double-stranded nucleic acid is ethidium bromide, acridine orange, Hoechst 332
Metal complexes such as Tris (phenanthrone) cobalt and tris (bipyridyl) ruthenium in addition to 58 (Molecular Probes) are used as intercalators. The intercalator is not limited to these.

【0024】好ましくは、上記電位変化は、核酸を標識
し得る物質によって増幅される。
Preferably, the potential change is amplified by a substance capable of labeling a nucleic acid.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を詳細に説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail.

【0026】本発明は、半導体基板、該基板上に配置さ
れた絶縁膜を含む、センサ基板;該半導体基板の表面に
配置された作用電極;および該絶縁膜上に配置される、
液体試料を保持するための手段を備えた、核酸センサに
関し、ここで、該液体試料を保持するための手段は、セ
ンサ基板上の電極領域を規定し、該電極領域が核酸プロ
ーブを固定する手段を備え、核酸プローブと該液体試料
中の目的の核酸との間の二本鎖形成に起因して発生する
電位変化を、光の照射に応じて、対応する信号として該
作用電極から取り出す。
According to the present invention, there is provided a sensor substrate including a semiconductor substrate, an insulating film disposed on the substrate, a working electrode disposed on a surface of the semiconductor substrate, and a sensor electrode disposed on the insulating film.
A nucleic acid sensor comprising means for holding a liquid sample, wherein the means for holding the liquid sample defines an electrode region on a sensor substrate, the electrode region fixing the nucleic acid probe. A potential change generated due to double-strand formation between the nucleic acid probe and the target nucleic acid in the liquid sample is extracted from the working electrode as a corresponding signal in response to light irradiation.

【0027】好ましくは、さらに上記絶縁膜上に保護膜
を含み、上記半導体基板はSiを含み、上記絶縁膜はS
iO2を含み、そして上記保護膜はSi34を含む。
Preferably, the semiconductor device further includes a protective film on the insulating film, the semiconductor substrate includes Si, and the insulating film includes S
It contains iO 2 and the protective film contains Si 3 N 4 .

【0028】上記核酸プローブは、イオン結合、共有結
合など、当該分野で公知の手順に従って上記電極領域に
固定化される。イオン結合による核酸プローブの固定化
は、ポリリジン、ポリオルニチン、ポリエチレンイミン
などのポリカチオンを、センサ基板表面にコーティング
し、核酸プローブと接触させることにより達成され得
る。共有結合による核酸プローブの固定化は、ヒドロキ
シシラン、アミノアルキルトリアルコキシシランなどの
シラン、ポリカルボジイミドなどをセンサ表面にコーテ
ィングすることによって、センサ基板表面に水酸基、ア
ミノ基などの官能基を導入し、その後、核酸プローブと
接触させることにより達成され得る。上記核酸プローブ
とセンサ基板との接触は、例えば、核酸プローブを含む
溶液を、センサ基板の電極領域内の少なくとも1つの所
定の位置にスポットすることにより実施され得る。この
電極内の少なくとも1つの所定の位置は、用いる核酸プ
ローブの種類、その濃度などに応じて適宜選択され、例
えば、図4に黒丸で示されるように、電極領域内に複数
のマトリックス状に配列されたスポットであり得る。図
4は、電極領域内に核酸プローブをスポットすることに
よって形成された69個の核酸プローブ固定化領域を示
す。これらの核酸プローブ固定化領域は、測定の目的に
応じて、同じ種類の核酸プローブを固定化してもよく、
または1つ以上の種類の核酸プローブを固定化してもよ
い。この構成は、高密度に配列された多種の核酸プロー
ブによる、目的の核酸の高感度の検出を可能にする。
The nucleic acid probe is immobilized on the electrode region according to procedures known in the art, such as ionic bonding and covalent bonding. Immobilization of a nucleic acid probe by ionic bonding can be achieved by coating a polycation such as polylysine, polyornithine, or polyethyleneimine on the surface of a sensor substrate and bringing the polycation into contact with the nucleic acid probe. Immobilization of nucleic acid probe by covalent bond, hydroxysilane, aminoalkyl trialkoxysilane and other silanes, polycarbodiimide and the like by coating the sensor surface, to introduce a hydroxyl group, a functional group such as an amino group on the sensor substrate surface, Thereafter, it can be achieved by contacting with a nucleic acid probe. The contact between the nucleic acid probe and the sensor substrate can be performed, for example, by spotting a solution containing the nucleic acid probe on at least one predetermined position in the electrode region of the sensor substrate. At least one predetermined position in the electrode is appropriately selected depending on the type of the nucleic acid probe to be used, its concentration, and the like. For example, as shown by black circles in FIG. Spot. FIG. 4 shows 69 nucleic acid probe-immobilized regions formed by spotting nucleic acid probes in the electrode region. These nucleic acid probe-immobilized regions, depending on the purpose of measurement, may be immobilized nucleic acid probes of the same type,
Alternatively, one or more types of nucleic acid probes may be immobilized. This configuration enables high-sensitivity detection of a target nucleic acid by using various nucleic acid probes arranged at high density.

【0029】上記液体試料を保持するための手段は、例
えば、目的とする核酸を含む測定液、および参照電極を
入れる囲いの形態であり得る。本発明の核酸センサは、
その囲いによって規定される電極領域に固定されたプロ
ーブ核酸と、目的の核酸との二本鎖形成に起因して発生
する電位変化を直接測定し、それによって核酸検出装置
の小型化および高感度化を達成する。
The means for holding the liquid sample may be, for example, in the form of an enclosure for accommodating a measuring solution containing a target nucleic acid and a reference electrode. The nucleic acid sensor of the present invention,
The potential change caused by the double-strand formation between the probe nucleic acid fixed to the electrode region defined by the enclosure and the target nucleic acid is directly measured, thereby reducing the size and sensitivity of the nucleic acid detection device. To achieve.

【0030】本発明の核酸センサでは、LAPSを用い
たpHセンサーのように、絶縁膜表面に形成されたシラ
ノール基およびアミノ基とプロトンとの結合によって絶
縁膜表面に電位が発生するのではなく、絶縁膜表面に接
するプローブ核酸の、目的の核酸との二本鎖形成に起因
して、直接的に絶縁膜表面に電位が発生し、これによっ
て半導体と絶縁膜との界面の空乏層の幅、従って静電容
量が変化する。そして、さらに光が照射された部分の電
気伝導度が高くなることを利用し、主として光が照射さ
れた部分の電位変化に対応する信号を作用電極から取り
出す。
In the nucleic acid sensor of the present invention, unlike the pH sensor using LAPS, a potential is not generated on the surface of the insulating film due to the bond between the proton and the silanol group and the amino group formed on the surface of the insulating film. The potential of the probe nucleic acid in contact with the insulating film surface is directly generated on the insulating film surface due to the double-strand formation with the target nucleic acid, and thereby the width of the depletion layer at the interface between the semiconductor and the insulating film, Therefore, the capacitance changes. By utilizing the fact that the electric conductivity of the light-irradiated portion is further increased, a signal corresponding to the potential change of the light-irradiated portion is mainly extracted from the working electrode.

【0031】本発明の核酸センサを用いた核酸検出装置
は、センサ基板の裏面に光ビームを照射する光源を備え
るデバイスと、センサ基板の裏面側の作用電極と表面側
の囲いに配置された参照電極との間に直流バイアス電圧
を印加する直流電源と、両電極間に得られる信号を処理
する処理手段とを備え得る。
A nucleic acid detection apparatus using a nucleic acid sensor according to the present invention comprises a device having a light source for irradiating a light beam on the back surface of a sensor substrate, a working electrode on the back surface of the sensor substrate, and a reference electrode disposed on the front surface. The apparatus may include a DC power supply for applying a DC bias voltage between the electrodes, and processing means for processing a signal obtained between the electrodes.

【0032】好ましくは、上記光源はレーザ光源であり
得、上記光源を備えるデバイスはレーザデバイスであり
得る。レーザ光源は、照射スポットの位置決めが正確で
あり、スポット径を絞ることができ、それによって核酸
検出装置の感度を増大する。
Preferably, the light source may be a laser light source, and the device including the light source may be a laser device. The laser light source can accurately position the irradiation spot and narrow the spot diameter, thereby increasing the sensitivity of the nucleic acid detection device.

【0033】上記光源を備えるデバイスは、例えば、レ
ーザ光源を高周波駆動して高周波変調光を照射させる光
源駆動手段を備え得、それによって上記信号を処理する
手段が、作用電極と参照電極との間に流れる光交流電流
の振幅の変化を検出することを可能にする。つまり、前
述のように、絶縁膜表面に固定化されたプローブ核酸と
目的の核酸との間の二本鎖形成に起因して生ずる電位変
化によって生じる、半導体と絶縁膜との界面の空乏層の
幅(容量)の変化を光交流電流の振幅の変化として検出
する。
The device including the light source may include, for example, light source driving means for driving the laser light source at high frequency to emit high-frequency modulated light, whereby the means for processing the signal is provided between the working electrode and the reference electrode. It is possible to detect a change in the amplitude of the optical alternating current flowing through the optical path. That is, as described above, the depletion layer at the interface between the semiconductor and the insulating film, which is caused by a potential change caused by the formation of a double strand between the probe nucleic acid immobilized on the insulating film surface and the target nucleic acid, as described above. A change in the width (capacity) is detected as a change in the amplitude of the optical alternating current.

【0034】また、本発明の核酸検出装置は、レーザデ
バイスから発せられるレーザビームを、センサの裏面の
所定領域内を走査するようにする手段を備え、これによ
って、所定領域内の複数箇所における核酸の二本鎖形成
に起因する電位変化をほぼ同時に測定し得る。
Further, the nucleic acid detecting apparatus of the present invention is provided with a means for scanning a laser beam emitted from a laser device in a predetermined area on the back surface of the sensor, whereby the nucleic acid is detected at a plurality of locations in the predetermined area. Can be measured almost simultaneously.

【0035】上記レーザデバイスは、複数のレーザ光源
を備え得る。これらのレーザ光源から発せられるレーザ
ビームは、核酸センサの裏面に対してほぼ垂直照射され
得る。これら複数のレーザ光源は、レーザデバイス内
で、2次元でマトリックス状に配列されレーザアレイで
あり得る。このレーザアレイ内の複数のレーザ光源を、
時間に依存して、所定の順序または様式で駆動させるこ
とによって、上記電位変化の迅速な検出を可能にする。
The laser device may include a plurality of laser light sources. The laser beams emitted from these laser light sources can be applied almost perpendicularly to the back surface of the nucleic acid sensor. The plurality of laser light sources may be a laser array arranged in a two-dimensional matrix in a laser device. A plurality of laser light sources in this laser array are
Driving in a predetermined order or manner, depending on the time, allows for a rapid detection of the potential change.

【0036】あるいは、本発明の核酸検出装置は、核酸
センサを水平方向および鉛直方向に移動する手段を備え
ていてもよく、それによって、レーザビームを移動する
ことなくして、上記プローブ固定化領域を走査し得る。
この核酸センサを移動する手段は、例えば、上記核酸セ
ンサを載せるXYステージであり得る。
Alternatively, the nucleic acid detecting device of the present invention may include a means for moving the nucleic acid sensor in the horizontal direction and the vertical direction, whereby the probe-immobilized region can be moved without moving the laser beam. Can scan.
The means for moving the nucleic acid sensor may be, for example, an XY stage on which the nucleic acid sensor is mounted.

【0037】以下、図面を参照しながら本発明の実施例
を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0038】図1に、本発明による核酸センサの断面図
(図1の(a))、および平面図(図1の(b))を示
す。
FIG. 1 shows a cross-sectional view (FIG. 1A) and a plan view (FIG. 1B) of a nucleic acid sensor according to the present invention.

【0039】図1の(a)に示されるように、本発明の
核酸検出装置は、Si、SiO2、およびSi34の3層
からなるセンサ基板のSi側の、センサ基板裏面に作用
電極用の金アンチモン薄膜1aを蒸着し、Si3N側の
センサ基板表面に、測定液、および参照電極を入れる囲
い1bを備えている。なお、図1の(a)に示す断面図
は、厚さ方向に誇張して描いてあり、実際には全体の厚
さが約200μm、そのうち、SiO2が約50nm以
下の厚さ、Si34膜が100nm以下の厚さを持つ。
シリコン(Si)基板には、厚さが約200μmで抵抗
率が10オームcmのN型半導体であって、表面および
裏面を鏡面研磨したものを用いた。センサ基板の裏面に
蒸着によって500Åの金アンチモン薄膜1aを形成
し、その後熱処理によってアロイ化して該半導体とオー
ミックコンタクトを形成するようにした。測定液等を収
容する囲い1bは、内径約26mmのポリカーボネイト
製円筒体であって、Si34膜の表面に、例えば接着剤
を用いて接着される。
As shown in FIG. 1A, the nucleic acid detecting device of the present invention acts on the back side of the sensor substrate on the Si side of the sensor substrate composed of three layers of Si, SiO 2 and Si 3 N 4. A gold antimony thin film 1a for an electrode is vapor-deposited, and an enclosure 1b for accommodating a measurement liquid and a reference electrode is provided on the sensor substrate surface on the Si 3 N side. The cross-sectional view is Yes exaggerated in the thickness direction, actually about 200μm thickness of the whole, of which, SiO 2 of about 50nm or less thick, Si 3 shown in FIG. 1 (a) The N 4 film has a thickness of 100 nm or less.
The silicon (Si) substrate used was an N-type semiconductor having a thickness of about 200 μm and a resistivity of 10 ohm cm, and whose front and rear surfaces were mirror-polished. A 500 ° gold antimony thin film 1a was formed on the back surface of the sensor substrate by vapor deposition, and then alloyed by heat treatment to form an ohmic contact with the semiconductor. The enclosure 1b for accommodating the measurement liquid or the like is a polycarbonate cylindrical body having an inner diameter of about 26 mm, and is adhered to the surface of the Si 3 N 4 film using, for example, an adhesive.

【0040】本発明の核酸センサを採用した核酸検出装
置の1つの実施形態の構成を 図2に示す。
FIG. 2 shows the configuration of one embodiment of the nucleic acid detection device employing the nucleic acid sensor of the present invention.

【0041】この核酸検出装置は、図2に示されるよう
に、センサ基板1の表面に配置された囲い内に配置され
る参照電極(RE)と、センサ基板の裏面に配置される
作用電極との間に直流バイアス電圧を印加するためのポ
テンショスタット8を備える。なお、核酸センサ1の囲
い内には、測定液に浸された参照電極(RE)と同じポ
テンショスタット8に接続された対向電極(CE)が備
えられている。参照電極と作用電極極との間に流れる電
流信号は、アンプ9を介して処理手段であるコンピュー
タ10に入力される。コンピュータ10には16ビット
A/D変換器が装着されている。
As shown in FIG. 2, the nucleic acid detecting device includes a reference electrode (RE) disposed in an enclosure disposed on the front surface of the sensor substrate 1 and a working electrode disposed on the back surface of the sensor substrate. And a potentiostat 8 for applying a DC bias voltage between them. Note that, in the enclosure of the nucleic acid sensor 1, a counter electrode (CE) connected to the same potentiostat 8 as the reference electrode (RE) immersed in the measurement solution is provided. A current signal flowing between the reference electrode and the working electrode is input to a computer 10 as processing means via an amplifier 9. The computer 10 is equipped with a 16-bit A / D converter.

【0042】核酸センサ1の裏面には、レーザビームを
核酸センサ1に照射するレーザデバイス11およびその
駆動装置12を備える。レーザデバイス11から出たレ
ーザビームは、ミラーやレンズ(例えば、倒立顕微鏡の
対物レンズを使用し得る)による光学系で、数μm程度
のビーム径に集光されて、核酸センサ1の裏面に照射さ
れる。また、レーザ駆動装置12はレーザビームを数k
Hz〜10kHz程度の高周波で変調する変調器を含ん
でいる。
On the back surface of the nucleic acid sensor 1, there are provided a laser device 11 for irradiating the nucleic acid sensor 1 with a laser beam and a driving device 12 therefor. The laser beam emitted from the laser device 11 is condensed to a beam diameter of about several μm by an optical system including a mirror and a lens (for example, an objective lens of an inverted microscope can be used), and is irradiated on the back surface of the nucleic acid sensor 1. Is done. Further, the laser driving device 12 generates a laser beam of several k
A modulator that modulates at a high frequency of about 10 Hz to 10 kHz is included.

【0043】また、この核酸検出装置は、核酸センサ1
の裏面のレーザビームが照射される領域を変更するため
の手段として、インキュベータ部3とともに核酸センサ
1を水平方向に変位させるXYステージ13を備えてい
る。このXYステージ13は、コンピュータ10からの
指令に従ってステップモータが駆動されることにより、
核酸センサ1のレーザビームが照射される位置を1μm
単位でXY方向に変位させることができる。
Further, the nucleic acid detecting device comprises a nucleic acid sensor 1
An XY stage 13 for displacing the nucleic acid sensor 1 in the horizontal direction together with the incubator unit 3 is provided as means for changing the area on the back surface of the substrate irradiated with the laser beam. The XY stage 13 is driven by a step motor in accordance with a command from the computer 10,
The position where the laser beam of the nucleic acid sensor 1 is irradiated is 1 μm
It can be displaced in the XY directions in units.

【0044】このように、本実施形態では、レーザビー
ムの位置を固定して、核酸センサ1をXY方向に変位さ
せた。あるいは、それに代わって、核酸センサ1の位置
を固定してレーザビームを走査させて、高速スキャン
(走査)を実現し得る。これは、例えば、光学系に、X
Yガルバノミラーを使用することにより実現できる。あ
るいは、レーザデバイスとして、核酸センサの裏面に対
してほぼ垂直にレーザ光を照射する複数のレーザ光源を
2次元でマトリックス状に配列したレーザアレイを用い
得、これらの複数のレーザ光源を所定の順序および様式
の時分割で駆動させ、高速スキャン(走査)を実現し得
る。
As described above, in the present embodiment, the position of the laser beam is fixed, and the nucleic acid sensor 1 is displaced in the XY directions. Alternatively, high-speed scanning (scanning) can be realized by fixing the position of the nucleic acid sensor 1 and scanning the laser beam. This means that, for example, X
This can be realized by using a Y galvanometer mirror. Alternatively, as the laser device, a laser array in which a plurality of laser light sources that irradiate laser light substantially perpendicularly to the back surface of the nucleic acid sensor can be used is two-dimensionally arranged in a matrix, and the plurality of laser light sources are arranged in a predetermined order. And in a time-sharing manner to achieve high-speed scanning.

【0045】上記のようにして、核酸センサ1のレーザ
光が照射された部分には正孔・電子の対が発生し、参照
電極と作用電極との間に印加されている直流バイアス電
圧に応じた光電流が流れる。核酸センサ1の表面には絶
縁膜(SiO2およびSi3 4)が形成されているので
直流電流は流れないが、前述のようにレーザビームが高
周波変調されていることにより交流電流が流れる。
As described above, the laser of the nucleic acid sensor 1
A hole-electron pair is generated in the part irradiated with light,
DC bias voltage applied between the electrode and the working electrode
A photocurrent flows according to the pressure. The surface of the nucleic acid sensor 1 is
Edge film (SiOTwoAnd SiThreeN Four) Is formed
No DC current flows, but the laser beam is high as described above.
An alternating current flows due to the frequency modulation.

【0046】ここで、絶縁膜の静電容量(以下、単に容
量という)をCi、半導体と絶縁膜との界面の空乏層の
容量をCd、高周波変調されたレーザビームによる光励
起によって空乏層に生成される光交流電流をiPとする
と、この核酸検出装置は、図3に示す等価回路で置き換
えられ、そして外部で検出可能な参照電極と作用電極と
の間に流れる光交流電流iは以下の式(1)で表され
る。
Here, the capacitance of the insulating film (hereinafter simply referred to as capacitance) is Ci, the capacitance of the depletion layer at the interface between the semiconductor and the insulating film is Cd, and the depletion layer is generated in the depletion layer by photoexcitation with a high-frequency modulated laser beam. Assuming that the photo alternating current to be detected is i P , the nucleic acid detection device is replaced by the equivalent circuit shown in FIG. 3, and the photo alternating current i flowing between the externally detectable reference electrode and the working electrode is as follows. It is represented by equation (1).

【0047】 i=Ci・iP/(Ci+Cd)・・・・・(1) 絶縁膜表面に固定化された核酸プローブと、目的の核酸
との間で二本鎖が形成され、絶縁膜表面に電位が発生す
ると、これによって半導体と絶縁膜との界面付近におけ
るエネルギーバンドの曲りが生じ、その結果、半導体と
絶縁膜との界面の空乏層の幅、従って空乏層容量Cdが
変化する。すると、上記の式(1)に従って、外部に検
出される光交流電流iも変化する。
I = Ci · i P / (Ci + Cd) (1) A double strand is formed between the nucleic acid probe immobilized on the insulating film surface and the target nucleic acid, and the insulating film surface , A bending of the energy band occurs near the interface between the semiconductor and the insulating film, and as a result, the width of the depletion layer at the interface between the semiconductor and the insulating film, that is, the capacitance Cd of the depletion layer changes. Then, according to the above equation (1), the optical alternating current i detected outside also changes.

【0048】本実施例のようにN型半導体を用いたセン
サの場合、絶縁膜表面に発生する電位が正であれば空乏
層容量Cdが大きくなって光交流電流iは小さくなる。
逆に絶縁膜表面に発生する電位が負であれば空乏層容量
Cdが小さくなって光交流電流iは大きくなる。
In the case of a sensor using an N-type semiconductor as in this embodiment, if the potential generated on the surface of the insulating film is positive, the capacitance Cd of the depletion layer increases and the optical alternating current i decreases.
Conversely, if the potential generated on the surface of the insulating film is negative, the capacitance Cd of the depletion layer decreases and the photo-current AC increases.

【0049】[0049]

【実施例】(実施例1)以下に、本発明の核酸デバイス
を採用した核酸検出装置を用いて核酸の検出を行った実
験例について説明する。
EXAMPLES (Example 1) Hereinafter, an example of an experiment in which a nucleic acid is detected using a nucleic acid detection device employing the nucleic acid device of the present invention will be described.

【0050】核酸プローブとして、12塩基よりなるオ
リゴヌクレオチドプローブ(5’−GCC−ACC−A
GC−TCC−3’)を上記核酸センサの囲いの中に電
極領域に固定した。要約すれば、核酸プローブ溶液を、
以下のようにポリリジンで処理した核酸センサ表面と接
触させて固定化した。
As a nucleic acid probe, an oligonucleotide probe consisting of 12 bases (5'-GCC-ACC-A
GC-TCC-3 ′) was immobilized in the electrode region inside the above-described nucleic acid sensor enclosure. In summary, the nucleic acid probe solution is
It was immobilized by contact with the surface of a nucleic acid sensor treated with polylysine as follows.

【0051】−センサ表面のポリリジン処理− まず、センサ基板表面を、アルカリ溶液(50gの水酸
化ナトリウムを、150mlの蒸留水に溶解し、95%
エタノールを200ml加えて作成した)を用いて、2
時間浸漬処理した。蒸留水で少なくとも3回センサ基板
表面をリンスした後、さらに、センサ基板を、ポリリジ
ン希釈液(70mlのポリ−L−リジン溶液(P892
0、シグマ社製))を用いて1時間浸漬処理した。最後
に、500rpmで1分間遠心することによりポリ−L
−リジン希釈液をセンサ基板から取り除き、40℃で5
分間乾燥した。乾燥後、室温で2時間放置した後使用し
た。
-Polylysine treatment of sensor surface- First, the surface of the sensor substrate was dissolved in an alkaline solution (50 g of sodium hydroxide in 150 ml of distilled water and 95%
Using 200 ml of ethanol).
It was immersed for hours. After rinsing the sensor substrate surface at least three times with distilled water, the sensor substrate was further rinsed with a polylysine diluent (70 ml of a poly-L-lysine solution (P892).
0, Sigma)) for 1 hour. Finally, the poly-L was centrifuged at 500 rpm for 1 minute.
-Remove the lysine diluent from the sensor substrate and
Dried for minutes. After drying, it was left at room temperature for 2 hours before use.

【0052】ここまでの操作を行ったセンサ基板をセン
サ試料1と呼ぶ。
The sensor substrate on which the above operation has been performed is referred to as a sensor sample 1.

【0053】さらにセンサ試料1を純水で洗浄した後、
10μM オリゴヌクレオチドリガンド(5’−GGA
−GCT−GGT−GGC−3’)/TEバッファー溶
液を50μl加えて1時間浸漬処理し、ハイブリダイゼ
ーションを行って、センサ基板表面に、核酸の二本鎖を
形成した。ここまでの操作を行ったセンサ基板をセンサ
試料2と呼ぶ。
After washing the sensor sample 1 with pure water,
10 μM oligonucleotide ligand (5′-GGA
-GCT-GGT-GGC-3 ′) / TE buffer solution (50 μl) was added thereto, followed by immersion treatment for 1 hour, and hybridization was performed to form a double-stranded nucleic acid on the sensor substrate surface. The sensor substrate on which the operations up to this point have been performed is referred to as a sensor sample 2.

【0054】表1に上記の測定装置で検出された各サン
プルに対する光交流電流の値を示す。表1に示した数値
は、センサ試料1における光交流電流の値を1.00と
して規格化してある。なお、測定液としては、50mM
塩化カリウム溶液を用いた。表1に示すように、二本鎖
を形成したセンサ試料2では、光交流電流の値が5%大
きくなっており、絶縁膜表面の電位が低くなっていたこ
とが示された。
Table 1 shows the values of the optical alternating current for each sample detected by the above measuring apparatus. The numerical values shown in Table 1 are standardized by setting the value of the optical alternating current in the sensor sample 1 to 1.00. In addition, as a measuring solution, 50 mM
A potassium chloride solution was used. As shown in Table 1, in the sensor sample 2 in which the double strand was formed, the value of the optical alternating current was increased by 5%, indicating that the potential of the insulating film surface was decreased.

【0055】[0055]

【表1】 このことから、レーザビームが照射された箇所におい
て、核酸の二本鎖形成によって絶縁膜表面に負の電位が
発生していたと考えられる。なお、レーザビームの照射
箇所を核酸プローブ固定場所以外に移動させた場合は、
センサ試料1とセンサ試料2において電位の変化は認め
られなかった。
[Table 1] From this, it is considered that a negative potential was generated on the surface of the insulating film due to the formation of the double strand of the nucleic acid at the position irradiated with the laser beam. If the laser beam irradiation position is moved to a place other than the nucleic acid probe fixing place,
No change in the potential was observed between the sensor sample 1 and the sensor sample 2.

【0056】(実施例2)実施例1と同様に、センサ基
板の表面をポリリジンで処理した。2種類の核酸プロー
ブ溶液を準備し、日本レーザー電子製スポッターを用い
て、センサ基板の電極領域に、各核酸プローブを、約1
00μmのスポット径で、図4に黒丸で示されるマトリ
ックスと同様の様式で、それぞれ10箇所ずつスポット
した。2種類の核酸プローブのうち、一方の核酸プロー
ブ(以下、相補的プローブと呼ぶ)にのみ相補的な塩基
配列を持つ一本鎖核酸溶液をセンサ基板に加え、1時間
浸漬処理しハイブリダイゼーションを行わせた。次い
で、実施例1に記載の核酸検出装置と同じ構成の装置を
用い、上記各スポットに対する光交流電流を測定した。
その結果、相補的プローブが固定化されたスポットにお
ける光交流電流の値が、他方の核酸プローブのスポット
におけるより大きく、そしてそれ故、電位が低かったこ
とが示された。
(Example 2) As in Example 1, the surface of the sensor substrate was treated with polylysine. Two types of nucleic acid probe solutions were prepared, and each nucleic acid probe was applied to the electrode region of the sensor substrate using a spotter made by Japan Laser Electronics Co., Ltd. for about 1 hour.
Four spots were spotted at a spot diameter of 00 μm in the same manner as the matrix indicated by the black circles in FIG. Of the two types of nucleic acid probes, a single-stranded nucleic acid solution having a base sequence complementary to only one of the nucleic acid probes (hereinafter referred to as a complementary probe) is added to the sensor substrate, and immersion treatment is performed for 1 hour to perform hybridization. I let you. Next, using a device having the same configuration as the nucleic acid detection device described in Example 1, the photo-current was measured for each spot.
The results showed that the value of the photo-current at the spot where the complementary probe was immobilized was larger than at the spot of the other nucleic acid probe, and therefore the potential was lower.

【0057】(実施例3)センサ試料2を得るために、
インタカレータとして1μMとなるようにヘキスト33
258を添加したことを除いて、実施例1と同様に、核
酸プロープが固定化された領域の電位変化を測定した。
(Example 3) In order to obtain a sensor sample 2,
Hoechst 33 to 1 μM as intercalator
The potential change of the region where the nucleic acid probe was immobilized was measured in the same manner as in Example 1 except that 258 was added.

【0058】表2に、上記の核酸検出装置を用いて、各
センサ試料について検出された光交流電流の値を示す。
表2における値は、センサ試料1における光交流電流の
値を1.00として規格化してある。表2に示されるよ
うに、インタカレータと結合した二本鎖を形成したセン
サ試料2では、光交流電流の値が、10%小さくなさて
おり、絶縁膜表面の電位が高くなっていることが示され
た。これことから、レーザビームが照射された部位にお
いて、インタカレータによって絶縁膜表面に正の電位が
発生していると考えられた。レーザビームの照射部位を
核酸プローブの固定化領域以外に移動した場合は、セン
サ試料1とセンサ試料2において電位の変化は認められ
なかった。
Table 2 shows the values of the photo alternating current detected for each sensor sample using the above-described nucleic acid detector.
The values in Table 2 are standardized with the value of the optical alternating current in the sensor sample 1 being 1.00. As shown in Table 2, in the sensor sample 2 in which the duplex was formed in combination with the intercalator, the value of the optical alternating current was reduced by 10%, and the potential of the insulating film surface was increased. Indicated. From this, it was considered that a positive potential was generated on the surface of the insulating film by the intercalator at the portion irradiated with the laser beam. When the irradiation site of the laser beam was moved to a position other than the immobilized region of the nucleic acid probe, no change in the potential was observed in the sensor sample 1 and the sensor sample 2.

【0059】[0059]

【表2】 [Table 2]

【0060】[0060]

【発明の効果】核酸プローブが固定化される電極領域を
備えた核酸センサであって、目的の核酸と、電極領域内
の少なくとも1つの領域に固定化し固定化された核酸プ
ローブとの間の二本鎖形成に起因して発生する電位変化
を測定することによって、該目的の核酸の存在を検出す
る、小型で操作性に優れた核酸センサが提供される。こ
の核酸センサは、レーザビームが照射される領域(測定
電極)の位置を複雑な配線を施すことなく任意にしかも
高精度に調節することが可能な核酸センサが提供され
る。
According to the present invention, there is provided a nucleic acid sensor provided with an electrode region on which a nucleic acid probe is immobilized, wherein the nucleic acid probe comprises a target nucleic acid and a nucleic acid probe immobilized on at least one region within the electrode region. By measuring the change in potential generated due to the formation of the main strand, a small-sized nucleic acid sensor excellent in operability, which detects the presence of the target nucleic acid, is provided. This nucleic acid sensor provides a nucleic acid sensor capable of arbitrarily and accurately adjusting the position of a region (measurement electrode) to be irradiated with a laser beam without providing complicated wiring.

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

【図1】本発明の核酸センサの断面模式図および平面
図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view and a plan view of a nucleic acid sensor of the present invention.

【図2】本発明の核酸検出装置の概略を示す図。FIG. 2 is a diagram schematically showing a nucleic acid detection device of the present invention.

【図3】本発明の核酸センサの等価回路を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit of the nucleic acid sensor of the present invention.

【図4】本発明の核酸センサの改変例の平面図。FIG. 4 is a plan view of a modified example of the nucleic acid sensor of the present invention.

【図5】従来技術の核酸センサの平面図。FIG. 5 is a plan view of a conventional nucleic acid sensor.

【図6】LAPSによるpH測定回路を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a pH measurement circuit using LAPS.

【図7】LAPSによるpH測定回路図から得られる、
光交流電流対直流バイアス電圧特性の関係を示す図。
FIG. 7 is obtained from a circuit diagram of pH measurement by LAPS,
The figure which shows the relationship of an optical alternating current vs. DC bias voltage characteristic.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 核酸センサ 1a 作用電極 1b 囲い 2 試料(核酸) 3 インキュベータ部 4 温度制御ユニット 5 ヒータ・ファンユニット 6 流量計 7 電磁弁 8 ポテンショスタット 9 アンプ 10 コンピュータ 11 レーザ光源 12 レーザ駆動装置 13 XYステージ Reference Signs List 1 nucleic acid sensor 1a working electrode 1b enclosure 2 sample (nucleic acid) 3 incubator unit 4 temperature control unit 5 heater / fan unit 6 flow meter 7 solenoid valve 8 potentiostat 9 amplifier 10 computer 11 laser light source 12 laser drive device 13 XY stage

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/566 G01N 27/46 U (72)発明者 尾崎 亘彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 杉原 宏和 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4B029 AA07 AA23 BB20 CC03 CC08 FA12 4B063 QA01 QQ42 QR32 QR55 QS34──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 33/566 G01N 27/46 U (72) Inventor Ozaki Tadahiko 1006 Odakadoma, Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Within Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Hirokazu Sugihara 1006 Kazuma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F-term (reference) 4B029 AA07 AA23 BB20 CC03 CC08 FA12 4B063 QA01 QQ42 QR32 QR55 QS34

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 核酸プローブが固定化される電極領域を
備えた核酸センサであって、目的の核酸と、固定化され
た核酸プローブとの間の二本鎖形成に起因して発生する
電位変化を測定することによって、該目的の核酸の存在
を検出する、核酸センサ。
1. A nucleic acid sensor having an electrode region on which a nucleic acid probe is immobilized, wherein the potential change occurs due to double-strand formation between a target nucleic acid and the immobilized nucleic acid probe. A nucleic acid sensor for detecting the presence of the target nucleic acid by measuring the nucleic acid.
【請求項2】 半導体基板、および該基板上に配置され
た絶縁膜を含む、センサ基板;該半導体基板の表面に配
置された作用電極;および該絶縁膜上に配置される、液
体試料を保持するための手段を備えた、核酸センサであ
って、 該液体試料を保持するための手段がセンサ基板上の電極
領域を規定し、該電極領域が核酸プローブを固定する手
段を備え、核酸プローブと該液体試料中の目的の核酸と
の間の二本鎖形成に起因して発生する電位変化を、光の
照射に応じて、対応する信号として該作用電極から取り
出す、核酸センサ。
2. A sensor substrate including a semiconductor substrate and an insulating film disposed on the substrate; a working electrode disposed on a surface of the semiconductor substrate; and a liquid sample disposed on the insulating film. A nucleic acid sensor, wherein the means for holding the liquid sample defines an electrode region on the sensor substrate, and the electrode region includes means for fixing the nucleic acid probe, A nucleic acid sensor for extracting a potential change generated due to double-strand formation with a target nucleic acid in the liquid sample from the working electrode as a corresponding signal in response to light irradiation.
【請求項3】 さらに、前記絶縁膜上に保護膜を含み、
前記半導体基板がSiを含み、該絶縁膜がSiO2を含
み、そして該保護膜がSi34を含む、請求項2に記載
の核酸センサ。
3. The method according to claim 1, further comprising a protective film on the insulating film,
It said semiconductor substrate comprises Si, the insulating film comprises SiO 2, and the protective film comprises Si 3 N 4, the nucleic acid sensor according to claim 2.
【請求項4】 請求項1または2に記載の核酸センサ;
該核酸センサにレーザビームを照射するレーザデバイ
ス;該核酸センサに直流バイアス電圧を印加する直流電
源;および該核酸センサからの信号を処理する手段を備
える、核酸検出装置。
4. The nucleic acid sensor according to claim 1 or 2;
A nucleic acid detection device, comprising: a laser device that irradiates a laser beam to the nucleic acid sensor; a DC power supply that applies a DC bias voltage to the nucleic acid sensor; and a unit that processes a signal from the nucleic acid sensor.
【請求項5】 前記レーザデバイスを高周波駆動する手
段をさらに備え、前記信号を処理する手段が光交流電流
の振幅の変化を検出する、請求項4に記載の核酸検出装
置。
5. The nucleic acid detection apparatus according to claim 4, further comprising a unit for driving the laser device at a high frequency, wherein the unit for processing the signal detects a change in the amplitude of the photo-current.
【請求項6】 前記レーザデバイスから照射されるレー
ザビームを、前記核酸センサの所定の領域を走査するよ
うにする手段をさらに備える、請求項4に記載の核酸検
出装置。
6. The nucleic acid detecting apparatus according to claim 4, further comprising: means for scanning a predetermined region of the nucleic acid sensor with a laser beam emitted from the laser device.
【請求項7】 前記レーザデバイスが、2次元でマトリ
ックス状に配列された複数のレーザ光源を備えるレーザ
アレイである、請求項4に記載の核酸検出装置。
7. The nucleic acid detection device according to claim 4, wherein the laser device is a laser array including a plurality of laser light sources arranged two-dimensionally in a matrix.
【請求項8】 前記核酸センサの位置を、水平方向およ
び鉛直方向に制御する手段をさらに備える。請求項4に
記載の核酸検出装置。
8. The apparatus further comprises means for controlling the position of the nucleic acid sensor in a horizontal direction and a vertical direction. The nucleic acid detection device according to claim 4.
【請求項9】 前記制御する手段が、X−Yステージで
ある、請求項8に記載の核酸検出装置。
9. The nucleic acid detection device according to claim 8, wherein the control unit is an XY stage.
【請求項10】 目的の核酸を検出する方法であって、 核酸プローブを、センサ基板上の電極領域内の少なくと
も1つの領域に固定化する工程;固定化された核酸プロ
ーブと、目的の核酸を含むと疑われる試料を、該核酸プ
ローブと該目的の核酸とがハイブリダイズして二本鎖を
形成するような条件下で、接触させる工程;該二本鎖の
形成に起因して発生する電位変化を測定する工程;およ
び該電位変化の有無によって、目的の核酸が存在するか
否かを決定する工程、を包含する、方法。
10. A method for detecting a target nucleic acid, comprising the steps of: immobilizing a nucleic acid probe on at least one region within an electrode region on a sensor substrate; Contacting a sample suspected of containing under conditions such that the nucleic acid probe hybridizes with the target nucleic acid to form a double strand; a potential generated due to the formation of the double strand Measuring the change; and determining whether or not the nucleic acid of interest is present based on the presence or absence of the potential change.
【請求項11】 前記センサ基板が、半導体および絶縁
膜を備え、 前記電位変化を測定する工程が:前記試料を含む溶液、
該絶縁膜、および該半導体を含む構造に直流バイアス電
圧を印加すること;前記電極領域内の少なくとも1つの
領域にレーザビームを照射すること;空乏層を通る光交
流電流を測定すること、を包含する、請求項10に記載
の方法。
11. The sensor substrate includes a semiconductor and an insulating film, wherein the step of measuring the potential change includes: a solution containing the sample,
Applying a DC bias voltage to the insulating film and the structure including the semiconductor; irradiating at least one region in the electrode region with a laser beam; and measuring a photo-AC current passing through a depletion layer. The method of claim 10, wherein
【請求項12】 前記レーザビームを照射する工程が、
レーザビームを変調することを包含する、請求項11に
記載の方法。
12. The step of irradiating the laser beam,
The method of claim 11, comprising modulating a laser beam.
【請求項13】 前記電位変化が、二本鎖核酸に特異的
に結合する物質によって増幅される、請求項10に記載
の方法。
13. The method according to claim 10, wherein the change in potential is amplified by a substance that specifically binds to a double-stranded nucleic acid.
【請求項14】 前記電位変化が、核酸を標識し得る物
質によって増幅される、請求項10に記載の方法。
14. The method according to claim 10, wherein the potential change is amplified by a substance capable of labeling a nucleic acid.
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JP2006506644A (en) * 2002-11-15 2006-02-23 アプレラ コーポレイション Nucleic acid sequence detection
JP2011047940A (en) * 2009-08-28 2011-03-10 Korea Electronics Telecommun Optical scan biosensor chip and driving method of the same

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