JP2003156471A - 生体物質検出用素子、生体物質検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】遺伝子やタンパク質などの荷電した生体物質を
含む試料液中の生体物質を検出する生体物質検出装置を
提供する 【解決手段】生体物質検出用素子は、基板とその上に形
成された少なくとも一つの第１電極、および、基板上の
第１電極の周囲に円周方向に沿って所定間隔で配列さ
れ、所定の生体物質と反応するリガンドをそれぞれ固定
化した複数の第２電極を有する。基板上の第１電極に向
けて試料液を導入する。導入された試料液を、電気的な
制御により、第２電極の方向に向けて放射状に移動させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば遺伝子やタ
ンパク質などの生体物質を検出するための生体物質検出
用素子、生体物質検出方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、遺伝子やタンパク質のような生体
物質の検出システムの開発が進められている。例えば、
遺伝子の検出はインターフェロンによる治療効果予測に
利用されている。このインターフェロンによる治療効果
予測を例に、従来の生体物質検出技術について述べる。

【０００３】Ｃ型肝炎に感染すると、肝硬変を経て肝癌
に進行することが知られており、その治療法の一つにイ
ンターフェロンを用いる方法がある。ただ、日本人では
インターフェロンの照射は約２〜３割の人にしか効果が
なく、効果があっても非常に強い副作用が報告されてい
る。そのため、あらかじめインターフェロンの治療効果
を予測し、効果が期待できるときだけ使うテイラーメイ
ド医療が最近注目され始めた。

【０００４】インターフェロンによる治療効果の予測に
は、これまでウイルスの型およびウイルス量を遺伝子レ
ベルで調べる方法が知られている。これは日本人に多い
１ｂ型には効果が少ないが、２ａ型には効果的に作用
し、またウイルス量が１０^６copy/mL以上と多い場合に
も効果が少ないと考えられている。実際の診断ではこれ
らの組み合わせによることが多く、予測が難しい場合が
あった。また最近、インターフェロンによる治療効果を
予測する方法として、ＭｘＡたんぱく質をコードする遺
伝子のプロモータ領域に存在する一塩基多型（ＳＮＰ）
を指標にした方法が報告された。これはＧ／Ｇ型ではイ
ンターフェロンの効果が低く、逆にＧ／Ｔ型、Ｔ／Ｔ型
には効果的に作用するというものである。

【０００５】このように遺伝子レベルの解析で、インタ
ーフェロンの治療効果予測が可能になりつつあるが、こ
れまでは全て煩雑で高価な従来技術（電気泳動やマイク
ロプレート＋ＥＩＡ等）を利用して検出を行う方法であ
り、臨床検査として行う場合はより簡便な手法が求めら
れていた。

【０００６】このような背景の下で最近、ＤＮＡチップ
と呼ばれる生体物質検出素子による遺伝子検査技術が注
目を集めている(Beattie et al. 1993, Fodor et al. 1
991,Khrapko et al. 1989, Southern et al. 1994)。Ｄ
ＮＡチップは、複数種の配列が異なるＤＮＡプローブを
固定化した数ｃｍ角の硝子やシリコンのチップからでき
ており、チップ上で蛍光色素や放射線同位元素（ＲＩ）
等で標識した試料遺伝子、あるいは未標識の試料遺伝子
と標識オリゴヌクレオチドの混合物を反応させる。試料
中にチップ上のＤＮＡプローブと相補的な配列が存在す
ると、チップ上の特定部位で標識に由来する信号が得ら
れる。固定化しておいたＤＮＡプローブの配列と位置が
あらかじめ分っていれば、試料遺伝子中に存在する塩基
配列を簡単に調べることができる。こうしたＤＮＡチッ
プは、１回の試験で塩基配列に関する多くの情報が得ら
れることから、臨床診断技術として利用できる可能性が
ある(Pease et al. 1994, Parinov et al. 1996)。

【０００７】図１４に、ＤＮＡチップを用いる電気化学
的な遺伝子検出法の原理を摸式的に示す。

【０００８】従来の代表的なＤＮＡチップでは、チップ
面の一方の端部に配置された試料液導入部から、遺伝子
の水溶液からなる試料液が導入され、マトリクスの升目
の中に固定化された種々のＤＮＡプローブの上を流れた
後、チップ面上の他方の端部に配置された試料液排出部
から排出される。ＤＮＡチップ全体は樹脂製のケースで
被覆されており、ＤＮＡプローブが固定化されている部
分は、蛍光などの光学信号を読み取るために透明になっ
ている。

【０００９】上述したような従来のＤＮＡチップでは、
試料液がチップ面の一方の端部から他方の端部に流れる
過程で、マトリクス状に配列されたＤＮＡプローブ上を
案内される構成となっており、試料液が均一にＤＮＡプ
ローブの上を流れ難いため、遺伝子をＤＮＡプローブと
確実に反応させることが難しく、検出結果のばらつきが
発生しやすいという問題がある。

【００１０】また、一般的には試料液中の遺伝子濃度が
薄いため、特に遺伝子の濃縮作用を持たない従来のＤＮ
Ａチップを用いた場合には、ＰＣＲ法などの遺伝子増幅
法により、予め検出対象となる遺伝子を増幅する必要が
あった。

【００１１】ＤＮＡチップを用いて電気化学的な測定に
より遺伝子を検出する生体物質検出装置においては、従
来、図１６に示すように容器１００に収容した適当な電
解質溶液中で電極に電圧を印加しながら電流測定を行っ
ている。すなわち、容器１００内には対極、参照極及び
作用極とそれぞれ呼ばれる電極１０１，１０２，１０３
が挿入されている。

【００１２】参照極１０２は、対極１０１に基準電位を
与えるための電極であり、所定の電位に維持される。参
照極１０２と対極１０１との間には電圧計１０６が接続
される。該電圧計１０６は対極１０１の電位を測定す
る。対極１０１と作用極１０３との間には可変直流電圧
源１０４が接続される。この可変直流電圧源１０４によ
って電圧を印加する。この可変直流電圧源１０４による
印加電圧を変化（具体的には掃引）させると電流変化が
生じる。これを電流計１０５によって測定し、遺伝子が
存在するか否かの検出を行なう。

【００１３】図１７に、図１６のような構成の生体物質
検出装置により電気化学的な核酸挿入剤を用いて遺伝子
を検出する手順を示す。まず、試料液の供給を行う（ス
テップＳ１）。これにより作用極に固定化されたＤＮＡ
プローブ（特定遺伝子に反応する１本鎖ＤＮＡ）に試料
液を付着させ、試料液中のＤＮＡを１本鎖状態にしてハ
イブリダイゼーションを行う。次に、ＤＮＡプローブに
付着しなかった試料液の洗浄を行い（ステップＳ２）、
引き続き検出感度向上のために２本鎖ＤＮＡに特異的に
反応する挿入剤（核酸挿入剤）の供給を行い（ステップ
Ｓ３）、さらに不要な挿入剤の洗浄を行う（ステップＳ
４）。最後に、対極１０１と作用極１０３間に電圧を印
加して、挿入剤から得られる酸化電流の測定、すなわち
挿入剤による電気化学的信号の測定を行う（ステップＳ
５）。

【００１４】図１５に挿入剤としてへキスト３３２５８
を用いた場合の電流−電位特性曲線を示す。

【００１５】従来の生体物質検出装置では、一つの作用
極（ＤＮＡチップ）に対して一度しか電流測定を行うこ
とができないため、遺伝子検出の感度を向上させること
が難しい。図１８に、電気化学的なＤＮＡチップを使っ
て、あるプラスミド(pYRB259)を測定した際の電流値の
濃度変化を示す。バックグラウンド電流が高いために、
低濃度の遺伝子を検出できていないことが分かる。ま
た、一般的には試料液の遺伝子濃度が薄いために、ＰＣ
Ｒ法などの遺伝子増幅法により予め対象となる遺伝子を
増幅する必要がある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、検出対象の
物質とリガンドとを均一な条件で反応させることができ
る生体物質検出用素子及び検出装置及び方法を提供する
ことを目的とする。また、本発明は検出時に試料液中の
生体物質の濃縮をも可能とすることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の実施形態によれ
ば、荷電した生体物質を含む試料液中の該生体物質を検
出する生体物質検出装置が提供される。この生体物質検
出装置は、基板とその上に円周方向に沿って所定間隔で
配列される生体物質検出用素子を含む。該生体物質検出
用素子は、所定の生体物質と反応するリガンドをそれぞ
れ固定化した複数の電極を有する。基板上の前記電極配
列の中央部に試料液を導入し、この試料液を該電極の方
向に向けて放射状に移動させる。

【００１８】このように、試料液を生体物質検出用素子
における円周方向に沿って配列された電極の配列の中央
部である試料液受入部上に導入し、生体物質検出用素子
の周辺部に設けられたリガンド固定化部である該電極上
に均一に供給することにより、試料液中の生体物質の検
出を均一な条件で行うことが可能となる。

【００１９】基板上の試料液受入部（試料液を導入する
位置）に少なくとも一つの第１電極を設け、基板上の第
１電極の周囲に円周方向に沿って所定間隔で配列され、
所定の生体物質と反応するリガンドをそれぞれ固定化し
た複数の第２電極を設けて生体物質検出用素子を構成
し、この生体物質検出用素子を駆動する駆動回路によっ
て、第１電極に生体物質の荷電極性と同極性の電圧を印
加し、第２電極の少なくとも一部に荷電極性と逆極性の
電圧を印加する駆動動作を行うことにより、静電気力を
利用して生体物質を第１電極上に効果的に移動させるこ
とができる。

【００２０】また、生体物質検出用素子を駆動する駆動
回路によって、第２電極のうち円周方向の一部の電極に
荷電極性と逆極性の電圧、他の一部に荷電極性と同極性
の電圧をそれぞれ印加し、かつ該逆極性及び同極性の電
圧を印加する電極の位置を順次変化させる駆動動作をさ
らに行うことにより、試料液中の検出対象生体物質を、
第２電極配列上の円周方向に沿って移動させ、該第２電
極の各々に固定されているリガンドと均一に効率よく反
応させることもできる。

【００２１】本発明の実施形態においては、生体物質検
出用素子において第１電極と第２電極の配列との間に同
心円状に配置された少なくとも二つの環状環状電極をさ
らに設け、生体物質検出用素子を駆動する駆動回路によ
って、これら少なくとも二つの環状電極に極性が制御さ
れた電圧を印加する駆動動作を行うことにより、試料液
中の生体物質を濃縮させつつ第２電極の方向に移動させ
てもよい。

【００２２】このように生体物質検出用素子の中央部に
導入された試料液中の検出対象生体物質を、濃縮させな
がら順次周辺部に移動させ、最終的にリガンドが固定さ
れた第２電極上に濃縮状態で供給することにより、従来
のように遺伝子増幅法によって予め検出対象生体物質を
増幅することなく、検出対象生体物質とリガンドとを効
率よく反応させることができ、検出効率が向上する。

【００２３】本発明の実施形態に基づく生体物質検出用
素子から得られる検出信号は、電流、電位などの電気的
信号であってもよく、蛍光、発光、発色などの光学的な
信号であってもよい。

【００２４】また、本発明は、生体物質とリガンドとを
均一な条件で反応させることがさせることができ、かつ
試料中の検出対象物質の濃縮による検出感度のさらなる
向上を図ることができる生体物質検出方法を提供するこ
とを目的とする。

【００２５】本発明の実施形態によれば、荷電した生体
物質を含む試料液中の該生体物質を検出する生体物質検
出方法が提供される。該生体物質検出方法においてにお
いては、基板上に所定の生体物質と反応するリガンドを
それぞれ固定化した電極を配列してなる生体物質検出用
素子上に試料液を供給した後、（ａ）生体物質検出用素
子上への挿入剤の供給、（ｂ）所定の生体物質とリガン
ドとの反応に基づく挿入剤の電気化学的信号測定、及び
（ｃ）リガンドに付着した挿入剤の除去、からなる一連
の工程を繰り返すことにより、生体物質の検出を行う。

【００２６】したがって、基板上に所定の生体物質と反
応するリガンドをそれぞれ固定化した電極を配列してな
る生体物質検出用素子を用いると、この生体物質検出用
素子上に試料液や挿入剤を洗浄工程を経て繰り返し供給
することができることに着目して、（ａ）生体物質検出
用素子上への挿入剤の供給、（ｂ）所定の生体物質とリ
ガンドとの反応に基づく挿入剤の電気化学的信号測定、
及び（ｃ）リガンドに付着した挿入剤の除去、という一
連の工程を繰り返して電気的化学信号の積算を行うこと
により、生体物質の検出を高感度に行うことができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２８】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す断面図であ
る。基台１は、中央上部に後に詳しく説明する生体物質
検出用素子５を載せるための突出した素子載置部２を有
し、さらに図中両側に試料液通過孔３、中央下部に試料
液通過孔３に連通した試料液排出口４をそれぞれ有す
る。

【００２９】基台１上には、素子載置部２に載せられた
生体物質検出用素子５を上下両側から保持すると共に、
素子５への試料液の案内と、素子５を通過した試料液の
試料液通過孔３への案内を主として行うための上部ホル
ダ６及び下部ホルダ７が配置されている。上部ホルダ６
及び下部ホルダ７の構造については、後に詳しく説明す
る。

【００３０】上部ホルダ６の中央部には試料液導入部８
が設けられており、この試料液導入部８には試料液供給
パイプ１０の先端が接続されている。試料液供給パイプ
１０の図示しない基端部は、図示しない試料液源が接続
されており、この試料液源から適当な正圧を受けた試料
液が試料液導入部８に導入される。試料液導入部８に導
入された試料液は、生体物質検出用素子５上に案内さ
れ、ここで生体物質の検出に供された後、下部ホルダ６
と上部ホルダ７とによって形成された試料液案内ダクト
９及び基台１に形成された試料液通過孔３を経て、試料
液排出口４から適当な負圧により外部へ排出される。

【００３１】上部ホルダ６には長方形状の貫通孔１１が
形成されており、この貫通孔１１を通して接触電極１５
を挿入することにより、接触電極１５の先端を生体物質
検出用素子５上の作用極として機能する電極に接触させ
ることが可能である。この接触電極１５を用いることに
より、生体物質検出用信号を電流、電位などの電気的信
号として取り出すことができる。

【００３２】図２（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は、上部
ホルダ６の上面図、断面図及び下面図をそれぞれ示して
いる。また、図２（ｃ）においては試料液の通過経路を
矢印で表している。上部ホルダ６は、生体物質検出用素
子５に対向する下面の中央部１２（基台１の素子載置部
２に対向する部分）が下側にやや突出しており、この中
央部１２の周囲に、図１に示した試料液案内ダクト９へ
と連通するリング状の試料液通路１３が形成されてい
る。上部ホルダ６の下面には、試料液案内ダクト９を形
成する凹部９Ａが設けられている。

【００３３】上部ホルダ６の中央部に形成された試料液
導入部８は、先細り形状の孔となっており、この試料液
導入部８に導入された試料液は、まず放射状に周囲へと
広がり、この過程で生体物質検出用素子５のリガンド固
定化部上に案内される。この後、試料液は試料液通路１
３を経て試料液案内ダクト９に導かれ、前述したように
基台１に形成された試料液通過孔３を経て試料液排出口
４から外部へ排出されることになる。

【００３４】図３（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は、下部
ホルダ７の上面図、断面図、及び下面図をそれぞれ示し
ている。下部ホルダ７は、中央部に図１に示した基台１
の素子載置部２が挿入される孔１４が形成されている。
また、下部ホルダ７の図中左右両側に、図１に示した試
料液案内ダクト９の他の一部を形成する矩形状の凹部９
Ｂ及び凹部９Ｂに連通する円形の孔９Ｃが形成されてい
る。

【００３５】このように試料液供給パイプ１０から供給
される試料液は、上部ホルダ６及び下部ホルダ７により
案内されて生体物質検出用素子５に中央部から導入さ
れ、素子５の周辺部に設けられたリガンド固定化部上に
均一に供給された後、下方から排出される。従って、試
料液中の生体物質の検出を均一な条件で行うことが可能
である。

【００３６】生体物質検出用素子５は、図１に示したよ
うに上部ホルダ６と下部ホルダ７とで保持されている。
この場合、生体物質検出用素子５は生体物質検出装置に
対して固定的に、つまり電極一体型構成であってもよい
が、例えば上部ホルダ６を取り外すことにより、生体物
質検出装置に対して着脱可能に構成された電極分離型構
成であってもよい。

【００３７】次に、図４を参照して本実施形態における
生体物質検出用素子５の具体的な構成について説明す
る。

【００３８】生体物質検出用素子５は、図４に示される
ように素子基板２０上に電極２１，２２，２３及び電極
パッド２４を形成して構成される。電極２１，２２，２
３は表面が素子基板２０の表面と同一面となるか、もし
くは素子基板２０の表面より若干引っ込むように埋め込
まれて形成されていてもよい。電極２１，２２，２３と
電極パッド２４とは、素子基板２０上に形成された例え
ば多層配線により接続される。

【００３９】ここで、中央部に設けられた円形の電極２
１は、対極として機能する。この電極２１を中心とする
円環状に形成された電極２３は、対極の電位の基準を与
えるための参照極として機能する。この電極２３の内周
側の円周上に、所定ピッチで複数の円形状の電極２２が
配置されており、これらの電極２２は生体物質を検出す
るための作用極として機能する。電極２１，２２，２３
の表面は図示しない絶縁性薄膜によって被覆され、さら
にこの絶縁性薄膜にはリソグラフィ処理が施される。こ
れにより電極２１，２２，２３の表面の一部は電気信号
が取り出されるよう導体部分が露出する。絶縁性薄膜へ
のリソグラフィ処理については後述する。

【００４０】作用極である電極２２には、少なくとも一
種類の特異的検出用リガンドが固定されている。すなわ
ち、電極２２はリガンド固定化部を兼ねている。電極２
２の各々に固定化されるリガンドは、検出対象の生体物
質に応じて、例えば遺伝子、遺伝子プローブ、タンパク
質、タンパク質断片、補酵素、レセプタ及び糖鎖のいず
れかから選択される。

【００４１】ここで、電極２２の各々に異なったリガン
ドを固定化すれば、一度に複数の生体物質を検出するこ
とができる。また、電極２２の各々に同じリガンドを固
定化することで、一度に多数の生体物質の検出を行うこ
とも可能である。フォトリソグラフィを利用して、予め
素子基板２０上に多数の電極２２（リガンド固定化部）
をパターニングしておくと、生体物質検出用素子５の量
産性が向上する。

【００４２】検出対象生体物質が遺伝子の場合、電極２
２にはリガンドとしてＤＮＡプローブが固定される。Ｄ
ＮＡプローブとは、周知のように特定の遺伝子と反応す
る１本鎖遺伝子である。試料液中の遺伝子を１本鎖状態
にしておくと、電極２２に固定されているＤＮＡプロー
ブに対応して特定の配列を持つ遺伝子のみが電極２２に
トラップされ、やがてＤＮＡプローブとその遺伝子とが
相補的な結合を行う（ハイブリダイゼーション）。

【００４３】以上の構成をさらに具体的に説明すると、
まず、素子基板２０に用いる基板材料は特に限定される
ものではないが、例えばガラス、石英ガラス、アルミ
ナ、サファイア、フォルステライト、炭化珪素、酸化珪
素、窒化珪素、等の無機絶緑材料を使用できる。また、
ポリエチレン、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブ
チレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレ
フタレート、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ
塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポ
リビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル
樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセター
ル樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹
脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレ
ン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリルブタ
ジエンスチレン共重合体、シリコーン樹脂、ポリフェニ
レンオキサイド、ポリスルホン等の有機材料を基板材料
に用いることもできる。さらに、後述する光学的手法で
生体物質検出を行う場合であれば、基板材料としてナイ
ロンやセルロースなどの繊維薄膜を適用することも可能
である。

【００４４】電極２１，２２，２３に用いる電極材料に
ついても、特に限定されるものではないが、特に作用極
となる電極２２の材料（リガンド固定化スポットを含
む）については、生体物質の検出を電気化学的に検出す
る場合、例えば、金、金の合金、銀、プラチナ、水銀、
ニッケル、パラジウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリ
ウム、タングステン等の金属単体及びこれらの金属を少
なくとも２種以上含む合金、あるいはグラファイト、グ
ラシーカーボン等の炭素等、またはこれらの酸化物、化
合物、あるいは酸化珪素等の半導体化合物や、ＣＣＤ、
ＦＥＴ、ＣＭＯＳなど各種半導体デバイスを用いること
が可能である。

【００４５】電極２１，２２，２３の作製法としては、
メッキ、印刷、スパッタ、蒸着などを用いることができ
る。蒸着法としては、抵抗加熱法、高周波加熱法及び電
子ビーム加熱法のいずれかを用いることができる。スパ
ッタリング法としてとしては、直流２極スパッタリン
グ、バイアススパッタリング、非対称交流スパッタリン
グ、ゲッタスパッタリング及び高周波スパッタリングの
いずれかを用いることが可能である。さらに、電極とし
てポリピロール、ポリアニリンなどの電解重合膜や導電
性高分子も用いることが可能である。

【００４６】電極２１，２２，２３の表面を覆う絶縁性
薄膜に用いる絶縁材料については、特に限定されるもの
ではないが、例えばフォトポリマやフォトレジスト材料
が好ましい。フォトレジスト材料としては、光露光用フ
ォトレジスト、遠紫外用フォトレジスト、Ｘ線用フォト
レジスト、電子線用フォトレジストが用いられる。光露
光用フォトレジストには、主原料が環化ゴム、ポリけい
皮酸、ノボラック樹脂が挙げられる。遠紫外用フォトレ
ジストには、環化ゴム、フェノール樹脂、ポリメチルイ
ソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ），ポリメチルメタク
リレート（ＰＭＭＡ）等が用いられる。また、Ｘ線用レ
ジストには、ＣＯＰ、メタルアクリレートほか、薄膜ハ
ンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることがで
きる。電子線用レジストには、ＰＭＭＡ等のような薄膜
ハンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることが
可能である。ここで用いるレジストの厚さは１０ｎｍ以
上、１ｍｍ以下であることが望ましい。

【００４７】作用極である電極２２をフォトレジストに
よって被覆し、リソグラフィを行うことで、電極２２の
面積を一定にすることが可能になる。これによって、Ｄ
ＮＡプローブなどのリガンド固定化量がそれぞれの電極
２２間で均一になり、再現性に優れた生体物質検出を可
能にする。従来、レジスト材料は最終的には除去するの
が一般的であるが、電極２２がＤＮＡプローブの固定さ
れた遺伝子検出用である場合においては、レジスト材料
を除去することなく電極２２の一部として用いることも
可能である。この場合は、用いるレジスト材料に耐水性
の高い物質を使用する必要がある。

【００４８】電極２１，２２，２３の上部に形成する絶
緑薄膜には、フォトレジスト材料以外の材料を用いるこ
とも可能である。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐ
ｂ、Ｃｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｉ等の酸化物、窒
化物、炭化物、そのの他合金を用いることも可能であ
る。これらの材料をスパッタ、蒸着あるいはＣＶＤ等を
用いて薄膜を形成した後、フォトリソグラフィで電極露
出部のパターニングを行い、面積を一定に制御する。

【００４９】これらの電極２１，２２，２３は、電極パ
ッド２４を介して駆動回路２５に接続される。駆動回路
２５は、各電極２１，２２，２３に所定極性の電圧を印
加することにより、生体物質検出用素子５上の中央部に
導入された試料液を放射状に周囲に拡散させて、作用極
である電極２２上に導き、さらには電極２２上で試料液
中の検出対象生体物質を順次電極２２の配列方向（円周
方向）に移動させる。

【００５０】この動作を図５を参照して説明する。検出
対象生体物質が遺伝子の場合、遺伝子の水溶液である試
料液が試料液供給パイプ１０から試料液導入部８を介し
て生体物質検出用素子５上に導入され、中央部の電極２
１上に供給される。遺伝子の荷電極性は、負である。

【００５１】試料液を導入する際には、駆動回路２５に
よって図５（ａ）に示すように、対極である電極２１に
遺伝子の荷電極性と同極性である負極性の電圧、作用極
である電極２２に遺伝子の荷電極性と逆極性である正極
性の電圧、参照極である電極２３に負極性の電圧をそれ
ぞれ印加する。従って、電極２１上に供給された試料液
は、遺伝子の荷電極性と同極性である負極性の電圧が印
加されている電極２１によって静電反発力を受け、周辺
部に向かって放射状に移動する。この際、前述のように
試料液に若干の負圧を与えると、試料液はより速やかに
移動することができる。

【００５２】電極２１上から周辺部に向かって移動した
試料液は、やがて電極２２上に到達する。ここで、電極
２２には試料液中の遺伝子の荷電極性と逆極性である正
極性の電圧が印加されているため、遺伝子は静電吸引力
によって電極２２上にトラップされる。この場合、電極
２２のさらに外周側に配置された参照極であるリング状
の電極２３は、電極２１と同様に遺伝子の荷電極性と同
極性である負極性の電圧が印加されているので、電極２
２上の遺伝子は電極２３による静電反発力を受けて電極
２２上に閉じこめられる形となり、電極２３より外部へ
は向かわない。

【００５３】こうして電極２２上に試料液中の遺伝子が
トラップされると、電極２２に固定されているリガンド
であるＤＮＡプローブと試料液中の特定の遺伝子とが反
応し結合する。これがハイブリダイゼーションである。
この場合、電極２２上の遺伝子は上述のように電極２３
による静電反発力で閉じこめられることにより濃縮され
るため、リガンドとの反応、すなわちハイブリダイゼー
ションは効率的に行われる。

【００５４】次に、図５（ｂ）に示すように、電極２１
及び電極２２の印加電圧の極性は図５（ａ）と同じまま
とし、電極２３の印加電圧のみを遺伝子の荷電極性と逆
極性である正極性とすることにより、電極２２上の試料
液中の遺伝子のうち、リガンドとの反応に寄与しなかっ
た遺伝子は電極２３による静電吸引力で電極２２から離
脱し、電極２３上にトラップされる。

【００５５】この後、電極２２及び電極２３に共に負極
性の電圧を印加とすれば、電極２３上にトラップされて
いた、つまりリガンドとの反応に寄与しなかった遺伝子
はさらに外側に向かい、素子基板２０上から試料液と共
に試料液案内ダクト９及び試料液通過孔３を経て、試料
液排出口４から排出されることになる。

【００５６】なお、図５（ａ）の状態から図５（ｂ）で
はなく図５（ｃ）に示す状態に印加電圧の極性を制御し
てもよい。すなわち、電極２１への印加電圧の極性を正
極性とし、電極２２への印加電圧を負極性とするととも
に電極２３への印加電圧を正極性とする。なお、電極２
１の極性を負極性としてもよい。電極２１が正極性であ
ることにより、電極２２に絡みついている遺伝子を該電
極２２から引き離す効果が強まる。ただし、中央に不要
な遺伝子が残留することになるから、後にこれを洗い流
す工程が必要になる。なお、電極２１を負極性とした場
合、電極２２に絡みついた不要な遺伝子は外側の電極２
３に引き寄せられることになるから、後の洗浄工程が容
易化する。電極２１の極性を正負どちらの極性にするか
については、洗浄工程を含むシステム全体を考慮して決
定することが好ましい。この図５（ｃ）の場合によって
も、電極２２上において未結合の遺伝子を排除してハイ
ブリダイゼーションを効率的に行うことができる。

【００５７】上記の動作説明では、図５（ａ），（ｂ）
に示したように複数の電極２２に全て検出対象である遺
伝子の荷電極性と同極性（負極性）の電圧が印加した
が、電極２２が円周上に配列されていることを利用し
て、電極２２への印加電圧の極性を動的に切り替えるこ
とにより、試料液中の遺伝子が電極２２上を配列方向
（円周方向）に順次移動するようにしてもよい。

【００５８】図６を参照して説明すると、まず図６
（ａ）に示すように電極２２のうち点線で囲んだ隣接す
る２個の電極の組に正極性の電圧を印加し、この組の電
極に隣接する電極に負極性の電圧を印加する。電極２２
の印加電圧の極性を電極２２の配列方向である円周方向
で見ると、、…正−正−負−正−正−負−正−正−負−
正…のようになる。

【００５９】次に、所定の単位時間後に、図６（ｂ）に
示すように正極性の電圧を印加する２個の電極の組の位
置を電極１個分だけずらせ、それに伴い２個の電極の組
に隣接した負極性の電圧を印加する電極の位置も電極１
個分だけずらす。さらに所定の単位時間経過後に、図６
（ｃ）に示すように正極性の電圧を印加する２個の電極
の組の位置と極性の電圧を印加する電極の位置を電極１
個分だけずらす。図６（ｂ），（ｃ）の例では、正極性
の電圧を印加する２個の電極の組の位置と極性の電圧を
印加する電極の位置を時計回りにずらせている。以下、
このような印加電圧の極性の切り替えを単位時間毎に、
つまり所定周期で行う。

【００６０】このように電極２２に電圧を極性を切り替
えながら印加することにより、試料液中の検出対象生体
物質（例えば遺伝子）が隣接する電極２２の配列上を円
周方向に移動し、電極２２の各々に固定されているリガ
ンド（例えばＤＮＡプローブ）と均一に効率よく反応す
ることができる。すなわち、検出対象生体物質は電極２
２の配列上を移動する過程で、その検出対象生体物質と
相補的な関係にあるリガンドが固定されている電極上に
必ず位置することになり、そのときに当該リガンドと反
応することができる。

【００６１】この場合、リガンド固定化部である電極２
２にトラップされた検出対象生体物質（この例では遺伝
子）は、電極２２のうち検出対象生体物質の荷電極性と
同極性の電圧が印加された電極による静電反発力によ
り、非特異的に結合しているものが強制的に排除される
ことになるので、検出精度を著しく向上させることが可
能となる。

【００６２】なお、図６の例では電極２２のうち隣接す
る２個の電極に第１の極性（上記の例では負極性）の電
圧を印加し、当該２個の電極の組に隣接する電極にこれ
と逆の第２の極性（上記の例では正極性）の電圧を印加
する動作を電極２２の配列方向において電極１個分ずつ
ずらせて行うようにしたが、これに限られるものではな
い。第１の極性の電圧を印加する電極の数をｎ、第２の
電極を印加する電極の数をｍ、印加電圧の極性を切り替
える際にずらす電極数をｐとしたとき、ｎ，ｍ，ｐは全
て１以上の任意の数に選ぶことができる。最も単純に
は、ｎ＝ｍ＝ｐ＝１でもよく、その場合、電極２２の一
つに注目すると、印加電圧の極性を周期的に正極性と負
極性とに交互に切り替えることになる。

【００６３】次に、図７を参照して第１実施形態の変形
例に係る生体物質検出用素子における電極構成について
説明する。

【００６４】図７に示す生体物質検出用素子において
は、中央部に対極として機能する円形の電極３１が配置
され、その外周側に所定距離隔てて円環状の電極３４Ａ
が配置され、さらにその外周側に所定距離隔ててもう一
つの円環状の電極３４Ｂが配置されている。電極３４Ｂ
の外周側所定距離隔てた位置の円周上には、先の実施形
態と同様に複数個の円形状の電極３２が所定ピッチで配
列されており、これらの電極３２は作用極として機能す
る。さらに、電極３２の外周側に順次所定距離隔てて円
環状の電極３３Ａ，３３Ｂが配置されており、これらの
電極３３Ａ，３３Ｂは参照極として機能する。

【００６５】このような構成において、図示しない回路
により図７に示すように各電極３１、３４Ａ，３４Ｂ、
３２、３３Ａ，３３Ｂに印加する電圧の極性を切り替え
ることにより、試料液中の検出対象生体物質を濃縮させ
つつ周辺部に移動させることができる。

【００６６】すなわち、まず図７（ａ）に示すように電
極３１に負極性、電極３４Ａに正極性、電極３４Ｂに負
極性の電圧を印加し、さらに電極３２に正極性、電極３
３Ａ，３３Ｂに負極性の電圧を印加する。このとき、先
の実施形態と同様に、生体物質検出用素子の中央部上に
導入された試料液中の負の荷電極性を持つ検出対象生体
物質（例えば遺伝子）は、この荷電極性と同極性の電圧
が印加された中央部の電極３１による静電反発力によっ
て、周辺部へと移動する。

【００６７】ここで、電極３１より外周側に位置する電
極３４Ａには、検出対象生体物質の荷電極性と逆極性の
電圧が印加され、さらに電極３４Ａより外周側に位置す
る電極３４Ｂには、荷電極性と同極性の電圧が印加され
ているため、電極３１上から電極３４Ａ上に移動した検
出対象生体物質は、電極３４Ａによる静電吸引力と電極
３４Ａの両側に位置する電極３１及び電極３４Ｂによる
静電反発力とによって、電極３４Ａ上に閉じこめられ、
濃縮される。

【００６８】次に、駆動回路により図７（ｂ）に示すよ
うに電極３４Ａに印加する電圧を負極性、電極３４Ｂに
印加する電圧を正極性にそれぞれ反転させる。他の電極
３１，３２，３３Ａ，３３Ｂに印加する電圧の極性は、
図７（ａ）と同じに保つ。図７（ａ）の状態で電極３４
Ａ上に閉じこめられていた検出対象生体物質は、図７
（ｂ）の状態では電極３４Ａによる静電反発力と電極３
４Ｂによる静電吸引力により電極３４Ｂ上に移動する。

【００６９】次に、駆動回路により図７（ｃ）に示すよ
うに図７（ｂ）の状態から電極３４Ｂに印加する電圧の
極性だけを負極性へと反転させると、電極３４Ｂ上に移
動していた検出対象生体物質は、電極３４Ａ，３４Ｂに
よる静電反発力と電極３２による静電吸引力により電極
３２上に移動する。この状態では、電極３２上の検出対
象生体物質は３２による静電引力と電極３２の両側に位
置する電極３４Ａと電極３３Ａによる静電反発力とによ
って電極３２上に閉じこめられ、濃縮される。

【００７０】このようにして、生体物質検出用素子の中
央部に導入された試料液中の検出対象生体物質を濃縮さ
せながら順次周辺部に移動させ、最終的にリガンドが固
定された電極３２上に濃縮状態で供給することが可能と
なる。すなわち、本実施形態によるとリガンドが固定化
された電極３２上で検出対象生体物質が濃縮状態となる
ため、従来のようにＰＣＲ法などの遺伝子増幅法によっ
て予め検出対象生体物質を増幅することなく、検出対象
生体物質とリガンドを効率よく反応させることができ、
検出効率が向上する。

【００７１】また、第１実施形態の別の変形例に係る生
体物質検出用素子においても、先の実施形態と同様に図
８（ａ）乃至（ｃ）に示すように作用極である電極３２
への印加電圧の極性を動的に切り替えることにえること
により、試料液中の遺伝子が電極３２上を配列方向（円
周方向）に順次移動するようにしてもよい。

【００７２】すなわち、まず図８（ａ）に示すように電
極３２のうち点線で囲んだ隣接する２個の電極の組に正
極性の電圧を印加し、この組の電極に隣接する電極に負
極性の電圧を印加する。次に、所定の単位時間後に、図
８（ｂ）に示すように正極性の電圧を印加する２個の電
極の組の位置を電極１個分だけずらせ、それに伴い２個
の電極の組に隣接した負極性の電圧を印加する電極の位
置も電極１個分だけずらす。さらに所定の単位時間経過
後に、図８（ｃ）に示すように正極性の電圧を印加する
２個の電極の組の位置と極性の電圧を印加する電極の位
置を電極１個分だけずらす。以下、このような印加電圧
の極性の切り替えを単位時間毎に、つまり所定周期で行
うことにより、試料液中の検出対象生体物質（例えば遺
伝子）が隣接する電極３２の配列上を円周方向に移動
し、電極３２の各々に固定されているリガンドと均一に
効率よく反応することができる。

【００７３】図９は、第１実施形態の別の変形例に係る
生体物質検出用素子の構成を示す平面図である。

【００７４】本実施形態の生体物質検出用素子では、素
子基板４０上の中央部に対極となる円形状の第１電極４
１が配置され、周辺部に円環状の参照極となる第３電極
４３が配置されている点は先の二つの実施形態と同様で
あるであるが、作用極となる電極は第２電極４２Ａ，４
２Ｂで示すように同心の円周上に２列にわたって配列さ
れている点が先の実施形態と異なっている。この例では
作用極となる電極が２列形成されているが、３列以上で
あってもよい。

【００７５】このように作用極となる電極を複数列にわ
たって形成することにより、これらの電極に固定化され
ているリガンドと検出対象生体物質をより確実に反応さ
せることが可能となり、検出効率をさらに向上させるこ
とができる。

【００７６】図１０は、本発明のさらに別の実施形態に
おける生体物質検出用素子と駆動回路の構成を示す。本
実施形態の生体物質検出用素子５では、先の実施形態で
説明した第１の電極２１が除去され、この電極２１が除
去された位置、すなわち第２の電極２２の配列の中央部
を試料液受入部２５としている。また、電極２１の除去
に伴い、電極２１と駆動回路５との結線も除去されてい
る。

【００７７】先の実施形態では、例えば図５（ａ）にお
いて説明したように、第１電極２１に遺伝子の荷電極性
と同極性である負極性の電圧、第２電極２２に遺伝子の
荷電極性と逆極性である正極性の電圧をそれぞれ印加す
ることによって、電極２１上に供給された試料液が遺伝
子の荷電極性と電極２１により静電反発力を受けて、周
辺部の電極２２に向かって放射状に移動し易くするよう
にした。

【００７８】しかし、例えば前述の試料液排出口４から
試料液を外部へ排出するときに試料液に与える負圧をあ
る程度大きくすると、試料液受入部２５に供給されてき
た試料液は、先の実施形態で述べたような第１電極２１
による静電反発力を利用しなくとも、第２電極２２によ
る静電吸引力のみによっても電極２２側に移動させるこ
とができる。

【００７９】また、同様の変形は図７〜図９に示した構
成にも適用でき、例えば図７〜図８における第１電極３
１あるいは図９に示した第１電極４１を除去し、それら
の電極３１または４１が除去された位置を試料液受入部
とした構成とすることも可能である。

【００８０】本発明による生体物質検出用素子ないしは
生体物質検出装置が対象とする試料検体は、特に限定さ
れるものではなく、例えば、血液、血清、白血球、尿、
便、精液、唾液、組織、培養細胞、喀痰等を用いること
ができる。ここで、検出対象物質が遺伝子の場合、これ
らの試料検体から例えば遺伝子の抽出を行う。抽出方法
は特に限定されるものではなく、フェノール−クロロホ
ルム法等の液一液抽出法や、担体を用いる固液抽出法を
用いることができる。また、市販の核酸抽出方法ＱＩＡ
ａｍｐ（ＱＩＡＧＥＮ社製）、スマイテスト（住友金属
社製）等を利用することも可能である。

【００８１】次に、こうして抽出した遺伝子の試料溶液
を前述の実施形態で説明した生体物質検出用素子（ＤＮ
Ａチップ）上に導入し、リガンドであるＤＮＡプローブ
が固定化された電極上でハイブリダイゼーション反応を
行う。反応溶液は、例えばイオン強度０.０１〜５の範
囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液とする。この溶液中
にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキスト
ランや、サケ精子ＤＮＡ、牛胸腺ＤＮＡ、ＥＤＴＡ、界
面活性剤などを適宜添加することが可能である。ここに
抽出した試料遺伝子を添加し、生体物質検出用素子への
導入前に９０℃以上で熱変性させることが必要となる。
未反応の試料遺伝子は、試料液排出口４から回収され、
必要に応じて再度、生体物質検出用素子に導入すること
もできる。

【００８２】抽出した遺伝子は、あらかじめＦＩＴＣや
Ｃｙ３、Ｃｙ５、ローダミンなどの蛍光色素やビオチ
ン、ハプテン、オキシダーゼやポスファターゼ等の酵素
や、フェロセンやキノン類等の電気化学的に活性な物質
で標識するか、あるいは、これらの物質で標識したセカ
ンドプローブを用いることで検出が可能になる。蛍光色
素で標識した場合には、光学的検出が可能になる。

【００８３】電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を用い
た検出を行う場合は、以下のような手順で検出を行う。

【００８４】ＤＮＡプローブが固定化された電極（作用
極）の表面に形成された二本鎖ＤＮＡ部分に、選択的に
結合するＤＮＡ結合物質を作用させ、電気化学的な測定
を行う。ここで用いられるＤＮＡ結合物質は特に限定さ
れるものではないが、例えば、ヘキスト３３２５８、ア
クリジンオレンジ、キナクリン、ドウノマイシン、メタ
ロインターカレータ、ビスアクリジン等のビスインター
カレータ、トリスインターカレータ、ポリインターカレ
ータ等を用いることが可能である。さらに、これらのイ
ンターカレータを電気化学的に活性な金属錯体、例え
ば、フェロセン、ビオロゲン等で修飾しておくことも可
能である。

【００８５】ＤＮＡ結合物質の濃度は、その種類によっ
て異なるが、一般的には１ｎｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌの
範囲で使用する。この際、イオン強度０.００１〜５の
範囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液を用いる。

【００８６】作用極としての電極をＤＮＡ結合物質と反
応させた後、洗浄し、電気化学的な測定を行う。電気化
学的な測定は、３電極タイプ、すなわち参照極、対極、
作用極、あるいは２電極タイプ、すなわち対極、作用極
で行う。測定では、ＤＮＡ結合物質が電気化学的に反応
する電位以上の電位を印加し、ＤＮＡ結合物質に由来す
る反応電流値を測定する。この際、電位は定速で掃引す
るか、あるいはパルスで印加するか、あるいは、定電位
を印加することができる。測定には、ポテンショスタッ
ト、デジタルマルチメータ、ファンクションジェネレー
タ等の装置を用いて電流、電圧を制御する。

【００８７】［実施例(Example)１］図１〜図３と図７
及び図８で説明した生体物質検出用素子を電極一体型の
インターフェロン治療効果予測用ＤＮＡチップとして構
成し、以下の実験を行った。

【００８８】まず、ヒトの白血球から染色体ＤＮＡを採
取し、適当なプライマを用いてＭｘＡ遺伝子部分の１０
０ｂｐ程度の断片をＰＣＲ増幅した。増幅後、熱変性さ
せたものをＤＮＡチップに導入した。なお、予めＤＮＡ
チップの電極３２上にはＭｘＡ遺伝子中に存在するＳＮ
Ｐ（一塩基多型）に関連するＤＮＡプローブが固定化さ
れている。試料導入後、２時間放置してから緩衝液で洗
浄し、ＤＮＡ結合物質（ヘキスト３３２５８）を作用さ
せたところ、電気的に荷電を制御しない場合でも、イン
ターフェロン治療効果を予測できることが分かったが、
液の流れ方により結果にばらつきが生じることが明らか
となった。

【００８９】これに対し、図８で説明したように各電極
に印加する電圧の極性を切り替えることにより、導入し
た遺伝子を濃縮させつつ周辺部に移動させ、遺伝子が電
極３２上にトラップされた状態で、図７に示すように個
々の電極３２に印加する電圧の極性を切り替えて、遺伝
子を電極３２の配列上を移動させることにより、ＰＣＲ
増幅を行わなくとも、精度良く治療効果予測ができるこ
とが分かった。

【００９０】［実施例(Example)２］実施形態で説明し
た同様の生体物質検出用素子を電極分離型生体物質検出
用チップとして構成し、以下の実験を行った。

【００９１】予めナイロン膜に、各種ヒト腫瘍マーカに
対する抗体を固定化した。この膜と接触する形で、膜下
部に各電極を配した。ヒト血清を試料にして腫瘍マーカ
の検出を行ったところ、０.１ｎｇ／ｍＬオーダーまで
高感度に再現性良く検出できることが確認された。な
お、この際には第２抗体として西洋大根由来ペルオキシ
ダーゼで標識したものを使用し、発光検出系用の基質を
適用した。

【００９２】（第２実施形態）図１１は、本発明の第２
実施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す断面図で
ある。基台１は、中央上部に生体物質検出用素子５を載
せるための突出した素子載置部２を有し、さらに図中両
側に試料液や挿入剤、洗浄剤などを通過させる液通過孔
３、中央下部に液通過孔３に連通した液排出口４をそれ
ぞれ有する。基台１上には、素子載置部２に載せられた
生体物質検出用素子５を上下両側から保持すると共に、
素子５への液の案内と、素子５を通過した液の液通過孔
３への案内を主として行うための上部ホルダ６及び下部
ホルダ７が配置されてされている。上部ホルダ６の中央
部には液導入部８が設けられており、この液導入部８に
は液供給パイプ１０が接続されている。液供給パイプ１
０には、制御部５０によって制御される試料液供給部５
１、挿入剤供給部５２及び洗浄液供給部５３のいずれか
が選択的に接続される。さらに、制御部５０によって制
御される測定部５４は、後に説明するように挿入剤によ
る電気化学的信号の測定を行って、生体物質の検出結果
を出力する。液供給パイプ１０から液導入部８に導入さ
れた試料液は、生体物質検出用素子５上に案内され、こ
こで生体物質の検出に供された後、下部ホルダ６と上部
ホルダ７とによって形成された液案内ダクト９及び基台
１に形成された液通過孔３を経て、液排出口４から外部
へ排出される。上部ホルダ６には長方形状の貫通孔１１
が形成されており、この貫通孔１１を通して接触電極１
５を挿入することにより、接触電極１５の先端を生体物
質検出用素子５上の作用極として機能する電極に接触さ
せることが可能である。この接触電極１５を用いること
により、生体物質検出信号を電流、電位などの電気的信
号として取り出すことができる。

【００９３】なお、図１１に示された生体物質検出装置
において、上部ホルダ６、下部ホルダ７の詳細な構成
は、図２、図３に示したものと同様である。また、生体
物質検出用素子５の詳細な構成についても、図４に示し
たものと同様である。上述したように、検出対象生体物
質が遺伝子の場合、電極２２にはリガンドとしてＤＮＡ
プローブが固定される。試料液中の遺伝子を１本鎖状態
にしておく。電極２２に固定されているＤＮＡプローブ
に対応して特定の配列を持つ遺伝子のみが電極２２にト
ラップされる。やがて、ＤＮＡプローブとその遺伝子と
が相補的な結合を行う（ハイブリダイゼーション）。そ
の他、図４において、素子基板２０に用いる基板材料、
電極２１，２２，２３に用いる電極材料、電極２１，２
２，２３の作製法、電極２１，２２，２３の表面を覆う
絶縁性薄膜に用いる絶縁材料等についても上述したもの
と同様であり、ここでは詳細な説明を省略する。

【００９４】ここで、図１２に示すフローチャートを参
照して本実施形態における生体物質の検出手順を説明す
る。

【００９５】まず最初に、制御部５０からの制御の下、
試料液供給部５１は、検出対象生体物質を含んだ試料液
を供給パイプ１０に供給する（ステップＳ１）。液供給
パイプ１０に供給された試料液は、液導入部８を介して
生体物質検出用素子５上に導入され、駆動回路２５によ
り所定の電圧が印加される電極２１〜２３による静電力
によって、電極２１上から電極２２上、さらに電極２３
上へと移動してゆく（図４参照）。最終的には、該試料
液は、生体物質検出用素子５上から離脱し、液案内ダク
ト９及び液通過孔３を経て液排出口４から排出される。

【００９６】この過程で、電極２２に固定化されている
リガンドに試料液が付着し、ハイブリダイゼーションが
行われる。具体的に、例えば検出対象生体物質が遺伝子
であり、リガンドがＤＮＡプローブ、つまり特定遺伝子
に反応する１本鎖ＤＮＡの場合、ＤＮＡプローブに試料
液が付着することにより試料液中のＤＮＡが１本鎖状態
となる。

【００９７】次に、第１回目の洗浄を行う（ステップＳ
２）。この第１洗浄工程においては、制御部５０からの
制御の下、洗浄液供給部５３が洗浄液を供給パイプ１０
に供給する。これにより生体物質検出装置内の不要な試
料液、具体的には電極２２上に付着している試料液（生
体物質）以外の試料液が洗浄され、除去される。除去さ
れた不要な試料液は、洗浄液と共に排出される。

【００９８】次に、制御部５０による制御の下、挿入剤
供給部５２は、生体物質の検出感度を向上させるための
挿入剤、例えば２本鎖ＤＮＡに特異的に反応する核酸挿
入剤を供給パイプ１０に供給する（ステップＳ３）。続
いて、第２回目の洗浄が行われる（ステップＳ４）。

【００９９】この第２洗浄工程では、制御部５０による
制御の下、洗浄液供給部５３が、洗浄液を供給パイプ１
０に供給する。これにより不要な挿入剤、つまり電極２
２上に付着している以外の挿入剤を洗浄して除去する。
除去された不要な試料液は、ステップＳ１の試料液供給
工程における洗浄液の排出経路を介して洗浄液と共に排
出される。

【０１００】次に、制御部５０による制御の下、測定部
５４は、対極である電極２１と作用極である電極２２と
の間に電圧を印加する。そして測定部５４は、両電極２
１，２２を介して流れる電流、すなわち、電極２２に固
定化されているリガンドと試料液中の特定の生体物質と
の結合部分に入り込み、該結合部分に付着している挿入
剤から得られる酸化電流を測定する。かくして挿入剤を
用いた電気化学的信号の測定が行われる。（ステップＳ
５）。

【０１０１】次に、第３回目の洗浄を行う（ステップＳ
６）。この第３洗浄工程では、制御部５０による制御の
下、洗浄液供給部５３が洗浄液を供給パイプ１０に供給
する。特にここでは、電極２２に固定化されているリガ
ンドに付着し、電気化学的信号の測定に寄与した挿入剤
も含め、全ての挿入剤を洗浄、除去する。

【０１０２】さらに、上述したステップＳ１〜Ｓ６のう
ち、ステップＳ３〜Ｓ６の工程を、予め決定した規定回
数に達したとステップＳ７で判断されるまで繰り返す。
すなわち、（ａ）挿入剤の供給、（ｂ）電流測定（挿入
剤による電気化学的信号の測定）、及び（ｃ）リガンド
に付着した挿入剤の除去、の一連の工程を繰り返す。

【０１０３】測定部３４は、この一連の工程において測
定された複数の測定結果、すなわち検出対象物質に依存
する電流（酸化電流）の値を積算する。これにより検出
対象物質に依存した挿入剤による電気化学的信号のみが
積算され、他のバックグラウンド電流のようなランダム
なノイズ成分は積算の過程でキャンセルされる。したが
って、特定の生体物質を高感度に検出することが可能と
なる。

【０１０４】図１３は、第２実施形態の変形例に係る生
体物質検出用素子の構成を示す平面図である。

【０１０５】この生体物質検出用素子では、素子基板４
０上の一方の端部（図中左端）に液導入部４１、他方の
端部（図中右端）に液排出部４３がそれぞれ配置され、
中央部にマトリクス状に作用極となる電極４２が配列さ
れている。液導入部４１から試料液、挿入剤、洗浄液の
いずれかが導入され、電極４２上を移動した後に、液排
出部４３から排出される。

【０１０６】このような構成の生体物質検出用素子を用
いた場合でも、図１２に示したような手順の工程を行う
ことにより、特定の生体物質を高感度に検出することが
できるという上述と同様の効果を得ることができる。

【０１０７】本発明による生体物質検出用素子ないしは
生体物質検出装置が対象とする試料検体は、特に限定さ
れるものではなく、例えば、血液、血清、白血球、尿、
便、精液、唾液、組織、培養細胞、喀痰等を用いること
ができる。ここで、検出対象物質が遺伝子の場合、これ
らの試料検体から例えば遺伝子の抽出を行う。抽出方法
は特に限定されるものではなく、フェノール−クロロホ
ルム法等の液−液抽出法や、担体を用いる固液抽出法を
用いることができる。また、市販の核酸抽出方法ＱＩＡ
ａｍｐ（ＱＩＡＧＥＮ社製）、スマイテスト（住友金属
社製）等を利用することも可能である。

【０１０８】次に、こうして抽出した遺伝子の試料溶液
を前述の実施形態で説明した生体物質検出用素子（ＤＮ
Ａチップ）上に導入し、リガンドであるＤＮＡプローブ
が固定化された電極上でハイブリダイゼーション反応を
行う。反応溶液は、例えばイオン強度０.０１〜５の範
囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液とする。この溶液中
にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキスト
ランや、サケ精子ＤＮＡ、牛胸腺ＤＮＡ、ＥＤＴＡ、界
面活性剤などを適宜添加することが可能である。ここに
抽出した試料遺伝子を添加し、生体物質検出用素子への
導入前に９０℃以上で熱変性させることが必要となる。
未反応の試料遺伝子は、試料液排出口４から回収され、
必要に応じて再度、生体物質検出用素子用素子に導入す
ることもできる。

【０１０９】抽出した遺伝子は、あらかじめＦＩＴＣや
Ｃｙ３、Ｃｙ５、ローダミンなどの蛍光色素やビオチ
ン、ハプテン、オキシダーゼやポスファターゼ等の酵素
や、フェロセンやキノン類等の電気化学的に活性な物質
で標識するか、あるいは、これらの物質で標識したセカ
ンドプローブを用いることで検出が可能になる。蛍光色
素で標識した場合には、光学的検出が可能になる。

【０１１０】電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を用い
た検出を行う場合は、以下のような手順で検出を行う。

【０１１１】ＤＮＡプローブが固定化された電極（作用
極）の表面に形成された二本鎖ＤＮＡ部分に、選択的に
結合するＤＮＡ結合物質を作用させ、電気化学的な測定
を行う。ここで用いられるＤＮＡ結合物質は特に限定さ
れるものではないが、例えば、ヘキスト３３２５８、ア
クリジンオレンジ、キナクリン、ドウノマイシン、メタ
ロインターカレータ、ビスアクリジン等のビスインター
カレータ、トリスインターカレータ、ポリインターカレ
ータ等を用いることが可能である。さらに、これらのイ
ンターカレータを電気化学的に活性な金属錯体、例え
ば、フェロセン、ビオロゲン等で修飾しておくことも可
能である。

【０１１２】ＤＮＡ結合物質の濃度は、その種類によっ
て異なるが、一般的には１ｎｇ／ｍｌ〜１mg／ｍｌの範
囲で使用する。この際、イオン強度０.００１〜５の範
囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液を用いる。

【０１１３】作用極としての電極をＤＮＡ結合物質と反
応させた後、洗浄し、電気化学的な測定を行う。電気化
学的な測定は、３電極タイプ、すなわち参照極、対極、
作用極、あるいは２電極タイプ、すなわち対極、作用極
で行う。測定では、ＤＮＡ結合物質が電気化学的に反応
する電位以上の電位を印加し、ＤＮＡ結合物質に由来す
る反応電流値を測定する。この際、電位は定速で掃引す
るか、あるいはパルスで印加するか、あるいは、定電位
を印加することができる。測定には、ポテンショスタッ
ト、デジタルマルチメータ、ファンクションジェネレー
タ等の装置を用いて電流、電圧を制御する。

【０１１４】［実施例(Example)３］図１１に示した生
体物質検出用素子５を電流検出型のインターフェロン治
療効果予測用ＤＮＡチップとして構成し、以下の実験を
行った。

【０１１５】まず、ヒトの白血球から染色体ＤＮＡを採
取し、適当なプライマを用いてＭｘＡ遺伝子部分の１０
０ｂｐ程度の断片をＰＣＲ増幅した。増幅後、熱変性さ
せたものをＤＮＡチップに導入した。なお、予めＤＮＡ
チップの電極３２上にはＭｘＡ遺伝子中に存在するＳＮ
Ｐ（一塩基多型）に関連するＤＮＡプローブが固定化さ
れている。試料導入後、２時間放置してから緩衝液で洗
浄し、ＤＮＡ結合物質（ヘキスト３３２５８）を作用さ
せたところ、高濃度であれば電気的に荷電を制御しない
場合でも、インターフェロン治療効果を予測できること
が分かったが、液の流れ方により結果にばらつきが生じ
ることが明らかとなった。

【０１１６】これに対し、図８で説明したように各電極
に印加する電圧の極性を切り替えることにより、導入し
た遺伝子を濃縮させつつ周辺部に移動させ、遺伝子が電
極３２上にトラップされた状態で、図７に示すように個
々の電極３２に印加する電圧の極性を切り替えて、遺伝
子を電極３２の配列上を移動させるようにし、さらに図
１２で説明したようにステップＳ３〜Ｓ６で示した一連
の工程を複数回繰り返すことにより、最終的にはＰＣＲ
増幅を行わなくとも、高感度かつ高精度に治療効果予測
ができることが分かった。

【０１１７】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず種々変形して実施可能である。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出対象の物質とリガンドとを均一な条件で反応させる
ことができる生体物質検出用素子及び検出装置及び方法
を提供できる。また、本発明によれば検出時に試料液中
の生体物質の濃縮することも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態に係る生体物質検出用
素子を含む生体物質検出装置の構成を示す断面図

【図２】 （ａ）は第１実施形態における上部ホルダの
上面図、（ｂ）は第１実施形態における上部ホルダの断
面図、（ｃ）は第１実施形態における上部ホルダの下面
図

【図３】 （ａ）は第１実施形態における下部ホルダの
上面図、（ｂ）は第１実施形態における下部ホルダの断
面図、（ｃ）は第１実施形態における下部ホルダの下面
図

【図４】 第１実施形態に係る生体物質検出用素子の平
面図と生体物質検出用素子の駆動回路の結線を示す図

【図５】 第１実施形態に係る生体物質検出用素子の基
本動作を説明するための図

【図６】 第１実施形態に係る生体物質検出用素子にお
ける検出対象生体物質の作用極上での移動動作を説明す
るための図

【図７】 第１実施形態の変形例に係る素子の電極構成
と該生体物質検出用素子における検出対象生体物質の濃
縮及び周辺部への移動動作を説明するための図

【図８】 第１実施形態の別の変形例に係る生体物質検
出用素子における検出対象生体物質の作用極上での移動
動作を説明するするための図

【図９】 第１実施形態のさらに別の変形例に係る生体
物質検出用素子の構成を示す平面図

【図１０】 第１実施形態のさらに別の変形例に係る生
体物質検出用素子の平面図と生体物質検出用素子の駆動
回路の結線を示す図

【図１１】 本発明の第２実施形態に係る生体物質検出
装置の構成を示す断面図

【図１２】 第２実施形態における生体物質の検出手順
を説明するためのフローチャート

【図１３】 第２実施形態の変形例に係る生体物質検出
用素子の構成を示す平面図

【図１４】 電気化学的遺伝子検出法の原理説明図

【図１５】 電気化学的遺伝子検出法におけるＤＮＡ結
合物質（へキスト３３２５８）の電流−電位応答の例を
示す図

【図１６】 従来の電気化学的測定を用いる生体物質検
出装置の構成を示す断面図

【図１７】 従来の電気化学的測定による生体物質検出
手順を示すフローチャート

【図１８】 従来の電気化学的測定を用いる生体物質検
出による遺伝子検出結果の例を示す図

【符号の説明】

１…基台 ２…素子載置部 ３…試料液通過孔 ４…試料液排出口 ５…生体物質検出用素子 ６…上部ホルダ ７…下部ホルダ ８…試料液導入部 ９…試料液案内ダクト １３…試料液通路 １５…接触電極 ２０…素子基板 ２１…第１電極（対極） ２２…第２電極（作用極） ２３…第３電極（参照極） ２５…試料液受入部 ３１…第１電極（対極） ３２…第２電極（作用極） ３３Ａ，３３Ｂ…第３電極（参照極） ３４Ａ，３４Ｂ…環状電極 ４１…第１電極（対極） ４２Ａ，４２Ｂ…第２電極（作用極） ４３…第３電極（参照極）

───────────────────────────────────────────────────── 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 33/53 Ｃ１２Ｍ 1/40 Ｂ 37/00 １０２ Ｇ０１Ｎ 27/46 ３３６Ｍ // Ｃ１２Ｍ 1/40 27/26 ３０１Ａ ３３１Ｄ Ｆターム(参考） 2G045 BB14 BB20 CA26 CB01 CB03 CB04 CB07 CB08 CB14 DA12 DA13 DA14 DA36 FA34 FB02 FB05 FB07 GC15 GC18 GC20 HA10 HA14 JA07 4B029 AA07 BB20 CC03 FA15

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電した生体物質を含む試料液を導入
   し、該生体物質を検出する生体物質検出装置であって、 基板と、 該基板上の前記試料液を導入する位置に設けられた少な
   くとも一つの第１電極、及び該基板上の該第１電極の周
   囲に円周方向に沿って所定間隔で配列され、所定の生体
   物質と反応するリガンドをそれぞれ固定化した複数の第
   ２電極を有する生体物質検出用素子と、 前記第１電極に前記生体物質の荷電極性と同極性の電圧
   を印加し、電極の少なくとも一部に前記荷電極性と逆極
   性の電圧を印加する駆動動作を行うことにより前記生体
   物質検出用素子を駆動する駆動回路と、を具備する生体
   物質検出装置。
2. 【請求項２】 前記生体物質検出用素子は、前記第１電
   極と第２電極の配列との間に同心円状に配置された少な
   くとも二つの環状電極をさらに有し、 前記駆動回路は、前記試料液中の生体物質を前記第２電
   極の方向に移動させるために前記少なくとも二つの環状
   電極に極性が制御された電圧を印加する駆動動作をさら
   に行う請求項１記載の生体物質検出装置。
3. 【請求項３】 前記駆動回路は、前記第２電極のうち前
   記円周方向の一部の電極に前記荷電極性と逆極性の電
   圧、他の一部に前記荷電極性と同極性の電圧をそれぞれ
   印加し、かつ該逆極性及び同極性の電圧を印加する電極
   の位置を順次変化させる駆動動作をさらに行う請求項１
   記載の生体物質検出装置。
4. 【請求項４】 前記生体物質検出用素子は、前記第１電
   極と第２電極の配列との間に同心円状に配置された少な
   くとも二つの環状電極をさらに有し、 前記駆動回路は、前記試料液中の生体物質を前記第２電
   極の方向に移動させるために前記少なくとも二つの環状
   電極に極性が制御された電圧を印加する駆動動作をさら
   に行う請求項３記載の生体物質検出装置。
5. 【請求項５】 荷電した生体物質を含む試料液を導入
   し、該生体物質を検出するための生体物質検出用素子で
   あって、 基板と、 前記基板上の前記試料液を導入する位置に設けられた少
   なくとも一つの第１電極と、 前記基板上の前記第１電極の周囲に所定間隔で円周方向
   に沿って配列され、所定の生体物質と反応するリガンド
   をそれぞれ固定化した複数の第２電極と、を具備する生
   体物質検出素子。
6. 【請求項６】 前記第１電極と第２電極の配列との間に
   同心円状に配置された少なくとも二つの環状電極をさら
   に具備する請求項５記載の生体物質検出用素子。
7. 【請求項７】 基板上の前記第２電極の配列の外周側に
   配置された少なくとも一つの第３電極をさらに具備する
   請求項６記載の生体物質検出用素子。
8. 【請求項８】 前記第１電極と第２電極の配列との間に
   同心円状に配置された少なくとも二つの環状電極をさら
   に具備する請求項７記載の生体物質検出用素子。
9. 【請求項９】 荷電した生体物質を含む試料液中の該生
   体物質を検出する生体物質検出装置であって、 基板と、 該基板上に円周方向に沿って所定間隔で配列され、所定
   の生体物質と反応するリガンドをそれぞれ固定化した複
   数の電極を有する生体物質検出用素子と、 前記基板上の前記電極の配列の中央部に前記試料液を導
   入するための試料液導入器と、 前記生体物質検出用素子を電気的に制御することによ
   り、導入器によって前記基板上の前記中央部に導入され
   た試料液を前記電極の方向に向けて放射状に移動させる
   試料液移動機構と、を具備する生体物質検出装置。
10. 【請求項１０】 荷電した生体物質を含む試料液中の該
    生体物質を検出する生体物質検出方法であって、 基板上に所定の生体物質と反応するリガンドをそれぞれ
    固定化した電極を配列してなる生体物質検出用素子上に
    前記試料液を供給した後、 （ａ）前記生体物質検出用素子上への挿入剤の供給、 （ｂ）前記所定の生体物質と前記リガンドとの反応に基
    づく前記挿入剤の電気化学的信号測定、及び （ｃ）前記リガンドに付着した挿入剤の除去、からなる
    一連の工程を繰り返すことにより前記生体物質の検出を
    行う生体物質検出方法。
11. 【請求項１１】 荷電した生体物質を含む試料液中の該
    生体物質を検出する生体物質検出装置であって、 基板と、 該基板上に円周方向に沿って所定間隔で配列され、所定
    の生体物質と反応するリガンドをそれぞれ固定化した複
    数の電極を有する生体物質検出用素子と、 前記基板上の前記電極の配列の中央部に前記試料液を導
    入するため試料液導入器と、 前記試料液導入器によって前記基板上の前記中央部に導
    入された試料液を前記電極の方向に向けて放射状に移動
    させるための試料液移動機構と、 （ａ）前記生体物質検出用素子上への挿入剤の供給、 （ｂ）前記所定の生体物質と前記リガンドとの反応に基
    づく前記挿入剤の電気化学的信号測定、及び （ｃ）前記リガンドに付着した挿入剤の除去、からなる
    一連の工程を繰り返し行わせる制御を行う制御器と、を
    具備する生体物質検出装置。
12. 【請求項１２】 荷電した生体物質を含む試料液を導入
    し、該生体物質を検出する生体物質検出装置であって、 基板と、 該基板上の前記試料液を導入する位置に設けられた少な
    くとも一つの第１電極、及び該基板上の該第１電極の周
    囲に円周方向に沿って所定間隔で配列され、所定の生体
    物質と反応するリガンドをそれぞれ固定化した複数の第
    ２電極を有する生体物質検出用素子と、 前記第１電極に前記生体物質の荷電極性と同極性の電圧
    を印加し、電極の少なくとも一部に前記荷電極性と逆極
    性の電圧を印加する駆動動作を行うことにより前記生体
    物質検出用素子を駆動する駆動回路と、 （ａ）前記生体物質検出用素子上への挿入剤の供給、 （ｂ）前記所定の生体物質と前記リガンドとの反応に基
    づく前記挿入剤の電気化学的信号測定、及び （ｃ）前記リガンドに付着した挿入剤の除去、からなる
    一連の工程を繰り返し行わせる制御を行う制御器と、を
    具備する生体物質検出装置。
13. 【請求項１３】 前記駆動回路は、前記第２電極のうち
    前記円周方向の一部の電極に前記荷電極性と逆極性の電
    圧、他の一部に前記荷電極性と同極性の電圧をそれぞれ
    印加し、かつ該逆極性及び同極性の電圧を印加する電極
    の位置を順次変化させる駆動動作をさらに行う請求項１
    ２記載の生体物質検出装置。
14. 【請求項１４】 前記生体物質検出用素子は、前記第１
    電極と第２電極の配列との間に同心円状に配置された少
    なくとも二つの環状電極をさらに有する請求項１２記載
    の生体物質検出装置。