JP2003149238A - バイオチップおよびそれを用いた遺伝子配列測定装置 - Google Patents
バイオチップおよびそれを用いた遺伝子配列測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】蛍光強度増強チップの金属層を電極に用いた電
界ハイブリダイゼーション方式によりハイブリダイゼー
ションの高速化と高感度化を図った遺伝子解析チップを
実現する。 【解決手段】複数の生体高分子を配置したバイオチップ
において、ハイブリダイゼーションを行うための一方の
電極として兼用される金属層の上に蛍光強度増強の機能
を有する透明層を持つ。
界ハイブリダイゼーション方式によりハイブリダイゼー
ションの高速化と高感度化を図った遺伝子解析チップを
実現する。 【解決手段】複数の生体高分子を配置したバイオチップ
において、ハイブリダイゼーションを行うための一方の
電極として兼用される金属層の上に蛍光強度増強の機能
を有する透明層を持つ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＮＡや蛋白等の
生体高分子の遺伝子の配列を調べるためのバイオチップ
およびそれを用いた遺伝子配列測定装置に関するもので
ある。
生体高分子の遺伝子の配列を調べるためのバイオチップ
およびそれを用いた遺伝子配列測定装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】既知のＤＮＡを固定した基板上に未知の
ＤＮＡを流してハイブリダイゼーションすることによ
り、対応するＤＮＡ配列に未知のＤＮＡを結合させるこ
とができる。この場合、未知のＤＮＡ側に蛍光試薬を結
合しておくことにより、既知のＤＮＡと結合した未知の
ＤＮＡ配列を知ることができる。
ＤＮＡを流してハイブリダイゼーションすることによ
り、対応するＤＮＡ配列に未知のＤＮＡを結合させるこ
とができる。この場合、未知のＤＮＡ側に蛍光試薬を結
合しておくことにより、既知のＤＮＡと結合した未知の
ＤＮＡ配列を知ることができる。
【０００３】図４（ａ）に示すように、既知のＤＮＡ２
が固定された電極１に正の電圧を印加すると、ＤＮＡが
負に帯電しているため、未知のＤＮＡ３は同図（ｂ）に
示すように電極１側に引き寄せられる。これにより数時
間かかっていたハイブリダイゼーションは数十秒で完了
することになる。
が固定された電極１に正の電圧を印加すると、ＤＮＡが
負に帯電しているため、未知のＤＮＡ３は同図（ｂ）に
示すように電極１側に引き寄せられる。これにより数時
間かかっていたハイブリダイゼーションは数十秒で完了
することになる。
【０００４】この原理を応用してハイブリダイゼーショ
ンを高速化するものとして、例えば、特願平２０００−
２７１３５７号に記載の遺伝子配列を計測するための測
定装置がある。この測定装置は図５のように構成されて
いる。絶縁体で形成されたカートリッジ１１の内部に
は、既知のＤＮＡ２と未知のＤＮＡ３が混入した液体が
密封状に充填されている。
ンを高速化するものとして、例えば、特願平２０００−
２７１３５７号に記載の遺伝子配列を計測するための測
定装置がある。この測定装置は図５のように構成されて
いる。絶縁体で形成されたカートリッジ１１の内部に
は、既知のＤＮＡ２と未知のＤＮＡ３が混入した液体が
密封状に充填されている。
【０００５】既知のＤＮＡ２は同図（ａ）のようにカー
トリッジ１１の壁面に固定化されている。カートリッジ
１１を挟んで配置された正電極１２と負電極１３に電圧
源１４から電圧が印加されると、浮遊している未知のＤ
ＮＡ３は負に帯電しているため同図（ｂ）に示すように
正電極１２側に引き寄せられて既知のＤＮＡ２に接近す
る。このようにしてハイブリダイゼーションの高速化が
可能となる。
トリッジ１１の壁面に固定化されている。カートリッジ
１１を挟んで配置された正電極１２と負電極１３に電圧
源１４から電圧が印加されると、浮遊している未知のＤ
ＮＡ３は負に帯電しているため同図（ｂ）に示すように
正電極１２側に引き寄せられて既知のＤＮＡ２に接近す
る。このようにしてハイブリダイゼーションの高速化が
可能となる。
【０００６】また、未知のＤＮＡを蛍光物質で標識して
おき、これに励起光を照射して蛍光を発生させる場合、
検出される蛍光強度が強ければ強いほどその系における
検出感度は高くなる。すなわち、より微量の蛋白質や核
酸を定量することが可能となる。このため、等量の蛍光
物質からの蛍光を増強することは極めて有意義なことで
ある。
おき、これに励起光を照射して蛍光を発生させる場合、
検出される蛍光強度が強ければ強いほどその系における
検出感度は高くなる。すなわち、より微量の蛋白質や核
酸を定量することが可能となる。このため、等量の蛍光
物質からの蛍光を増強することは極めて有意義なことで
ある。
【０００７】米国特許４，６４９，２８０には、図６に
示すようにガラス基板２１の上に金属２２、誘電体２
３，蛍光物質２４を重ねた構造として、蛍光物質２４か
ら発生する蛍光の強度を増幅できるようにした蛍光強度
増強チップが記載されている。
示すようにガラス基板２１の上に金属２２、誘電体２
３，蛍光物質２４を重ねた構造として、蛍光物質２４か
ら発生する蛍光の強度を増幅できるようにした蛍光強度
増強チップが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
これらチップには次のような課題があった。高速ハイブ
リダイゼーション用のチップの場合、 （ａ）カートリッジにはある程度の厚みが必要であるた
め、電極間距離が長くなり、電界強度が低下する。 （ｂ）カートリッジや電極などの部品が必要となる構成
であるため部品点数が多くなる。 （ｃ）ハイブリダイゼーションの速度は速くなるが感度
が向上するわけではない。
これらチップには次のような課題があった。高速ハイブ
リダイゼーション用のチップの場合、 （ａ）カートリッジにはある程度の厚みが必要であるた
め、電極間距離が長くなり、電界強度が低下する。 （ｂ）カートリッジや電極などの部品が必要となる構成
であるため部品点数が多くなる。 （ｃ）ハイブリダイゼーションの速度は速くなるが感度
が向上するわけではない。
【０００９】他方、蛍光強度増強チップの場合は、感度
は向上するがハイブリダイゼーション速度が速くなるわ
けではない。
は向上するがハイブリダイゼーション速度が速くなるわ
けではない。
【００１０】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、特有の蛍光強度増強部および蛍光強度増強部の金
属層を電極に兼用してハイブリダイゼーションを行うこ
とによりハイブリダイゼーションの高速化と高感度化を
図ることのできるバイオチップおよび遺伝子配列測定装
置を実現することにある。
ので、特有の蛍光強度増強部および蛍光強度増強部の金
属層を電極に兼用してハイブリダイゼーションを行うこ
とによりハイブリダイゼーションの高速化と高感度化を
図ることのできるバイオチップおよび遺伝子配列測定装
置を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明では、複数の生体高分子を配
置したバイオチップにおいて、ハイブリダイゼーション
を行うための一方の電極として兼用される金属層の上に
蛍光強度増強の機能を有する透明層を持つことを特徴と
する。このようなバイオチップによれば、ハイブリダイ
ゼーションの高速化と高感度化を実現できる。また、金
属層がハイブリダイゼーション用の一方の電極を兼ねる
ため従来のバイオチップに比べて部品点数が減り、また
薄い透明層により絶縁されるため電極間距離を短くする
ことができるという効果がある。
るために、請求項１の発明では、複数の生体高分子を配
置したバイオチップにおいて、ハイブリダイゼーション
を行うための一方の電極として兼用される金属層の上に
蛍光強度増強の機能を有する透明層を持つことを特徴と
する。このようなバイオチップによれば、ハイブリダイ
ゼーションの高速化と高感度化を実現できる。また、金
属層がハイブリダイゼーション用の一方の電極を兼ねる
ため従来のバイオチップに比べて部品点数が減り、また
薄い透明層により絶縁されるため電極間距離を短くする
ことができるという効果がある。
【００１２】また、請求項６の発明では、複数の生体高
分子を配置し、ハイブリダイゼーションを行って生体高
分子の遺伝子配列を測定するように構成された遺伝子配
列測定装置において、生体高分子を含んだ溶液が充填さ
れたカートリッジと、このカートリッジの内に取り付け
られ、ハイブリダイゼーションを行うための電極として
兼用される金属層とその上に積層された蛍光強度増強の
機能を有する透明層から形成され、この透明層に既知の
生体高分子が固定化されるバイオチップと、前記カート
リッジに取付けられたハイブリダイゼーション用の負の
電極と、前記バイオチップの金属層と前記負の電極の間
に電圧を印加する手段を備え、前記透明層に固定化され
た既知の生体高分子に前記溶液中に浮遊した蛍光標識付
きの未知の生体高分子をハイブリダイゼーションにより
相補的に結合させて生体高分子の遺伝子配列を測定する
ことができるようにしたことを特徴とする。このような
構成によれば、特有の構造の蛍光強度増強部を使用した
ことおよびその金属層を電極としても兼用したことによ
り、従来の遺伝子配列測定装置に比べてハイブリダイゼ
ーションの高速化と高感度化が同時に実現できると共に
部品点数の少ない遺伝子配列測定装置を容易に得ること
ができる。
分子を配置し、ハイブリダイゼーションを行って生体高
分子の遺伝子配列を測定するように構成された遺伝子配
列測定装置において、生体高分子を含んだ溶液が充填さ
れたカートリッジと、このカートリッジの内に取り付け
られ、ハイブリダイゼーションを行うための電極として
兼用される金属層とその上に積層された蛍光強度増強の
機能を有する透明層から形成され、この透明層に既知の
生体高分子が固定化されるバイオチップと、前記カート
リッジに取付けられたハイブリダイゼーション用の負の
電極と、前記バイオチップの金属層と前記負の電極の間
に電圧を印加する手段を備え、前記透明層に固定化され
た既知の生体高分子に前記溶液中に浮遊した蛍光標識付
きの未知の生体高分子をハイブリダイゼーションにより
相補的に結合させて生体高分子の遺伝子配列を測定する
ことができるようにしたことを特徴とする。このような
構成によれば、特有の構造の蛍光強度増強部を使用した
ことおよびその金属層を電極としても兼用したことによ
り、従来の遺伝子配列測定装置に比べてハイブリダイゼ
ーションの高速化と高感度化が同時に実現できると共に
部品点数の少ない遺伝子配列測定装置を容易に得ること
ができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係るバイオチップを用いた測
定装置の一実施例を示す要部構成図である。図１におい
て、図５と同等部分には同一符号を付してある。図５と
異なるところは、透明材料で形成されたカートリッジ１
１ａの底面が蛍光強度増強部３０で形成され、カートリ
ッジ１１ａの上面には着脱可能に構成された負電極１３
が取り付けられた構造になっている点である。
説明する。図１は本発明に係るバイオチップを用いた測
定装置の一実施例を示す要部構成図である。図１におい
て、図５と同等部分には同一符号を付してある。図５と
異なるところは、透明材料で形成されたカートリッジ１
１ａの底面が蛍光強度増強部３０で形成され、カートリ
ッジ１１ａの上面には着脱可能に構成された負電極１３
が取り付けられた構造になっている点である。
【００１４】図２は蛍光強度増強部３０の部分拡大図で
ある。この蛍光強度増幅部３０は、ガラス基板３１の上
に金属層３２と透明層３３が積層された構造であり、カ
ートリッジ１１ａの底面に、透明層３３が内側になるよ
うにして密封状に取り付けられている。この場合、金属
層３２は蛍光強度増強用の反射ミラーの作用効果を持つ
が、ハイブリダイゼーションの正電極としても兼用され
る。また、透明層３３はハイブリダイゼーションにおけ
る絶縁体としても兼用される。
ある。この蛍光強度増幅部３０は、ガラス基板３１の上
に金属層３２と透明層３３が積層された構造であり、カ
ートリッジ１１ａの底面に、透明層３３が内側になるよ
うにして密封状に取り付けられている。この場合、金属
層３２は蛍光強度増強用の反射ミラーの作用効果を持つ
が、ハイブリダイゼーションの正電極としても兼用され
る。また、透明層３３はハイブリダイゼーションにおけ
る絶縁体としても兼用される。
【００１５】この場合、透明層３３は、所定の厚さ、例
えば蛍光の波長の１／４あるいはこれに１／２波長の整
数倍を加えた厚さ[すなわち、蛍光の波長の１／４＋ｉ
／２（ただしｉ＝０，１，２，．．．）の厚さ]であれ
ば、蛍光強度を増強する作用があり、ガラス、ゲルある
いは樹脂などの材質で形成されたものである。金属層３
２はＡｇあるいはＡｌなどで形成されている。
えば蛍光の波長の１／４あるいはこれに１／２波長の整
数倍を加えた厚さ[すなわち、蛍光の波長の１／４＋ｉ
／２（ただしｉ＝０，１，２，．．．）の厚さ]であれ
ば、蛍光強度を増強する作用があり、ガラス、ゲルある
いは樹脂などの材質で形成されたものである。金属層３
２はＡｇあるいはＡｌなどで形成されている。
【００１６】このような構成における動作を次に説明す
る。既知のＤＮＡ２は蛍光強度増強部３０の透明層３３
の表面に固定化されている。溶液と絶縁された蛍光強度
増強用の金属層３２は正電極として利用する。この正電
極と負電極１３は対向しており、この電極に挟まれた領
域に、荷電したＤＮＡなどの生体高分子溶液が存在する
形である。
る。既知のＤＮＡ２は蛍光強度増強部３０の透明層３３
の表面に固定化されている。溶液と絶縁された蛍光強度
増強用の金属層３２は正電極として利用する。この正電
極と負電極１３は対向しており、この電極に挟まれた領
域に、荷電したＤＮＡなどの生体高分子溶液が存在する
形である。
【００１７】電圧源１４より上記電極に電圧を印加し、
電界をかける。ＤＮＡは負に荷電しているため正電極側
に引き寄せられ、未知のＤＮＡ３が相補的な関係にある
既知のＤＮＡとハイブリダイゼーションする。ハイブリ
ダイゼーション後は電極への電圧印加を取りやめ、負電
極１３をカートリッジ１１ａから取り外す。
電界をかける。ＤＮＡは負に荷電しているため正電極側
に引き寄せられ、未知のＤＮＡ３が相補的な関係にある
既知のＤＮＡとハイブリダイゼーションする。ハイブリ
ダイゼーション後は電極への電圧印加を取りやめ、負電
極１３をカートリッジ１１ａから取り外す。
【００１８】既知のＤＮＡに結合した未知のＤＮＡ３に
は蛍光標識がしてあるので、カートリッジ１１ａの蛍光
強度増強部３０を蛍光測定するとその未知のＤＮＡの配
列を測定することができる。
は蛍光標識がしてあるので、カートリッジ１１ａの蛍光
強度増強部３０を蛍光測定するとその未知のＤＮＡの配
列を測定することができる。
【００１９】本発明は、上記実施例に限定されることな
く、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変
形をも含むものである。例えば、負電極１３を透明電極
とすれば、ハイブリダイゼーション後のＤＮＡ配列測定
時には電極を取り外さなくても測定することができる。
また、金属膜３２としては、ＡｇまたはＡｌが使用でき
る。
く、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変
形をも含むものである。例えば、負電極１３を透明電極
とすれば、ハイブリダイゼーション後のＤＮＡ配列測定
時には電極を取り外さなくても測定することができる。
また、金属膜３２としては、ＡｇまたはＡｌが使用でき
る。
【００２０】また、上記実施例は溶液に電界を印加して
ハイブリダイゼーションを高速化するいわゆる電界促進
型であるが、図３に示すような電流促進型とすることも
できる。図３において、１３ａは負電極、３０ａは金属
層３２と透明層３３から構成される蛍光強度増強部であ
る。負電極１３ａと蛍光強度増強部３０ａの金属層３２
（正電極を兼ねている）は、絶縁体のカートリッジ１１
の内壁面に取付けられている。なお、負電極１３ａは金
属層３２と離れた位置にあればカートリッジ内面の何処
に取り付けても構わない。
ハイブリダイゼーションを高速化するいわゆる電界促進
型であるが、図３に示すような電流促進型とすることも
できる。図３において、１３ａは負電極、３０ａは金属
層３２と透明層３３から構成される蛍光強度増強部であ
る。負電極１３ａと蛍光強度増強部３０ａの金属層３２
（正電極を兼ねている）は、絶縁体のカートリッジ１１
の内壁面に取付けられている。なお、負電極１３ａは金
属層３２と離れた位置にあればカートリッジ内面の何処
に取り付けても構わない。
【００２１】このような構成においても、図１の場合と
同様に蛍光強度増強部３０の透明層３３の表面に既知の
ＤＮＡ２が固定化されていて、電圧源１４から電圧を印
加すると（溶液中に電流は流れるが）、負に帯電した未
知のＤＮＡ３は正電極（金属層３２）側に引き寄せら
れ、相補的な関係にある既知のＤＮＡ２とハイブリダイ
ゼーションする。
同様に蛍光強度増強部３０の透明層３３の表面に既知の
ＤＮＡ２が固定化されていて、電圧源１４から電圧を印
加すると（溶液中に電流は流れるが）、負に帯電した未
知のＤＮＡ３は正電極（金属層３２）側に引き寄せら
れ、相補的な関係にある既知のＤＮＡ２とハイブリダイ
ゼーションする。
【００２２】また、図１および図３に示す透明層３３と
しては、ガラスに限らず、ゲルや樹脂を使用することも
できる。また、電圧源１４からの印加電圧は、直流に限
らず、交流やパルスであっても構わない。また、既知の
ＤＮＡは透明層３３の表面ではなく、下地の金属層３２
に固定してもよい。これは透明層がゲルなどの場合に特
に有効である。
しては、ガラスに限らず、ゲルや樹脂を使用することも
できる。また、電圧源１４からの印加電圧は、直流に限
らず、交流やパルスであっても構わない。また、既知の
ＤＮＡは透明層３３の表面ではなく、下地の金属層３２
に固定してもよい。これは透明層がゲルなどの場合に特
に有効である。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果がある。 （１）蛍光強度増強部の使用および蛍光強度増強部の金
属層を電極に兼用することにより、電界促進型あるいは
電流促進型のハイブリダイゼーションの高速化と高感度
化が同時に実現できる。 （２）蛍光強度増強部の金属層を電極に兼用したため、
従来のように別途正電極を設ける必要はなく、部品点数
は少なくなる。 （３）薄い透明層で絶縁されるため電極間距離を容易に
短くすることができ、カートリッジの小型化、ハイブリ
ダイゼーションの高速化が容易に実現できる。
ような効果がある。 （１）蛍光強度増強部の使用および蛍光強度増強部の金
属層を電極に兼用することにより、電界促進型あるいは
電流促進型のハイブリダイゼーションの高速化と高感度
化が同時に実現できる。 （２）蛍光強度増強部の金属層を電極に兼用したため、
従来のように別途正電極を設ける必要はなく、部品点数
は少なくなる。 （３）薄い透明層で絶縁されるため電極間距離を容易に
短くすることができ、カートリッジの小型化、ハイブリ
ダイゼーションの高速化が容易に実現できる。
【図１】本発明に係るバイオチップを用いた測定装置の
一実施例を示す要部構成図である。
一実施例を示す要部構成図である。
【図２】蛍光強度増強部の部分拡大図である。
【図３】本発明の係るバイオチップを用いた測定装置の
他の実施例を示す要部構成図である。
他の実施例を示す要部構成図である。
【図４】ＤＮＡを電極に引き寄せる場合の説明図であ
る。
る。
【図５】従来の測定装置の一例を示す構成図である。
【図６】従来の蛍光強度増強チップの一例を示す構成図
である。
である。
２ 既知のＤＮＡ
３ 未知のＤＮＡ
１１，１１ａ カートリッジ
１２ 正電極
１３ 負電極
１４ 電圧源
３０，３０ａ 蛍光強度増強部
３１ ガラス基板
３２ 金属層
３３ 透明層
Claims (11)
- 【請求項１】複数の生体高分子を配置したバイオチップ
において、 ハイブリダイゼーションを行うための一方の電極として
兼用される金属層の上に蛍光強度増強の機能を有する透
明層を持つことを特徴とするバイオチップ。 - 【請求項２】前記透明層は、その厚さが前記蛍光の波長
の１／４＋ｉ／２（ｉ＝０，１，２，．．．）であるこ
とを特徴とする請求項１記載のバイオチップ。 - 【請求項３】前記金属層はＡｇまたはＡｌで形成され、
前記透明層はガラスまたはゲルまたは樹脂で形成された
ことを特徴とする請求項１または２記載のバイオチッ
プ。 - 【請求項４】前記ハイブリダイゼーションが電界促進型
または電流促進型で行われるように構成されたことを特
徴とする請求項１ないし３記載のバイオチップ。 - 【請求項５】前記電界促進型における電極への印加電圧
は直流または交流またはパルスであることを特徴とする
請求項４記載のバイオチップ。 - 【請求項６】複数の生体高分子を配置し、ハイブリダイ
ゼーションを行って生体高分子の遺伝子配列を測定する
ように構成された遺伝子配列測定装置において、 生体高分子を含んだ溶液が充填されたカートリッジと、 このカートリッジの内に取り付けられ、ハイブリダイゼ
ーションを行うための電極として兼用される金属層とそ
の上に積層された蛍光強度増強の機能を有する透明層か
ら形成され、この透明層に既知の生体高分子が固定化さ
れるバイオチップと、 前記カートリッジに取付けられたハイブリダイゼーショ
ン用の負の電極と、 前記バイオチップの金属層と前記負の電極の間に電圧を
印加する手段を備え、前記透明層または金属層に固定化
された既知の生体高分子に前記溶液中に浮遊した蛍光標
識付きの未知の生体高分子をハイブリダイゼーションに
より相補的に結合させて生体高分子の遺伝子配列を測定
することができるようにした遺伝子配列測定装置。 - 【請求項７】前記バイオチップの金属層がＡｇまたはＡ
ｌで形成され、透明層がガラスまたはゲルあるいは樹脂
で形成されたことを特徴とする請求項６記載の遺伝子配
列測定装置。 - 【請求項８】前記バイオチップは、透明層の厚さが蛍光
の波長の１／４＋ｉ／２（ｉ＝０，１，２，．．．）で
あることを特徴とする請求項６記載の遺伝子配列測定装
置。 - 【請求項９】前記負の電極は、ハイブリダイゼーション
後にカートリッジから取り外せるかまたは透明電極で形
成されたことを特徴とする請求項６ないし８記載の遺伝
子配列測定装置。 - 【請求項１０】前記電圧を印加する手段は、直流または
交流あるいはパルス電圧を印加することができるように
構成されたことを特徴とする請求項６ないし９記載の遺
伝子配列測定装置。 - 【請求項１１】前記負の電極はカートリッジの内面に取
り付けられ、前記ハイブリダイゼーションが電流促進型
で行われるように構成されたことを特徴とする請求項６
記載の遺伝子配列測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001343020A JP3758183B2 (ja) | 2001-11-08 | 2001-11-08 | バイオチップおよびそれを用いた遺伝子配列測定装置 |
| US10/286,817 US20030087297A1 (en) | 2001-11-08 | 2002-11-04 | Biochip and genetic sequence measuring equipment using the biochip |
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