JP2003516165A - Methods and compositions for electrical detection of nucleic acid reactions - Google Patents

Methods and compositions for electrical detection of nucleic acid reactions

Info

Publication number
JP2003516165A
JP2003516165A JP2001544379A JP2001544379A JP2003516165A JP 2003516165 A JP2003516165 A JP 2003516165A JP 2001544379 A JP2001544379 A JP 2001544379A JP 2001544379 A JP2001544379 A JP 2001544379A JP 2003516165 A JP2003516165 A JP 2003516165A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
microelectrode
probe
microelectrodes
target molecule
nucleic acid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001544379A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ビ−エン・チョーン
ショーン・ギャラガー
マイク・ギャスキン
チャンミン・リ
ジョージ・マラカス
シ・ソン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motorola Solutions Inc
Original Assignee
Motorola Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US09/458,533 external-priority patent/US20020051975A1/en
Priority claimed from US09/459,685 external-priority patent/US6518024B2/en
Application filed by Motorola Inc filed Critical Motorola Inc
Publication of JP2003516165A publication Critical patent/JP2003516165A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438Electrodes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6816Hybridisation assays characterised by the detection means
    • C12Q1/6825Nucleic acid detection involving sensors

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 本発明は、生物学分子間の分子相互作用の検出に関する。詳しくは、本発明は、ペプチドもしくはオリゴヌクレオチドのアレイを用いて、核酸間又はペプチド抗原−抗体間のハイブリダイゼーションのような相互作用の電気的検出に関する。特に、本発明は、ACインピーダンスを含む電気的方法を用いて核酸のハイブリダイゼーションもしくはペプチド結合を検出するための装置および方法に関する。いくつかの態様では、電気化学的又は他のラベルを使用しない。換言すれば、単一塩基伸長反応のような遺伝子型化反応を含む、ヒドロゲル・アレイ上の反応を検出するために、電気化学的に活性なラベル(又は標識)を使用する。   (57) [Summary] The present invention relates to the detection of molecular interactions between biological molecules. In particular, the invention relates to the electrical detection of interactions, such as nucleic acid or peptide antigen-antibody hybridization, using arrays of peptides or oligonucleotides. In particular, the invention relates to devices and methods for detecting nucleic acid hybridization or peptide binding using electrical methods including AC impedance. In some embodiments, no electrochemical or other labels are used. In other words, an electrochemically active label is used to detect a reaction on the hydrogel array, including a genotyping reaction such as a single base extension reaction.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 本発明は、1999年12月9日に出願された米国特許出願第09/458,
501号;1999年12月13日に出願された米国特許出願第09/459,
685号および1999年12月9日に出願された米国特許出願第09/458
,533号の継続出願であり、それらは、ここに参照することによって、明確に
組み込まれる。
The present invention is directed to US patent application Ser. No. 09/458, filed Dec. 9, 1999,
501; U.S. Patent Application No. 09/459, filed December 13, 1999,
No. 685 and US patent application Ser. No. 09/458, filed Dec. 9, 1999
, 533, which are expressly incorporated by reference herein.

【0002】 発明の技術分野 本発明は、生物学分子間の分子相互作用の検出に関する。詳しくは、本発明は
、ペプチドもしくはオリゴヌクレオチドのアレイを用いて、核酸間又はペプチド
抗原−抗体間のハイブリダイゼーションのような相互作用の電気的検出に関する
。特に、本発明は、ACインピーダンスを含む電気的方法を用いて核酸のハイブ
リダイゼーションもしくはペプチド結合を検出するための装置および方法に関す
る。いくつかの態様では、電気化学的ラベル又は他のラベルを使用しない。換言
すれば、単一塩基伸長反応のような遺伝子型化反応を含む、ヒドロゲル・アレイ
(array)上の反応を検出するために、電気化学的に活性なラベル(又は標識)
を使用する。
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the detection of molecular interactions between biological molecules. In particular, the present invention relates to the electrical detection of interactions such as nucleic acid or peptide antigen-antibody hybridization using arrays of peptides or oligonucleotides. In particular, the invention relates to devices and methods for detecting nucleic acid hybridization or peptide binding using electrical methods including AC impedance. In some embodiments, no electrochemical label or other label is used. In other words, an electrochemically active label (or label) to detect reactions on the hydrogel array, including genotyping reactions such as single base extension reactions.
To use.

【0003】 発明の背景技術 例えば、遺伝子疾患の診断、配列多形性の解析およびレセプター/リガンド相
互作用の研究を含む、一般的に利用される数多くの生物学的応用は、プローブと
標的分子間の相互作用に関連する出来事をすぐさま検出するための分析技術の能
力に依存する。これらの分子検出技術は、プローブと標的分子間の相互作用をモ
ニターするために、放射性アイソトープ又は蛍光物質を従来から利用してきたが
、分子間相互作用の電気的検出方法は、放射性ラベル又は蛍光ラベルに依存する
検出技術の魅力的な代替方法を提供した。
BACKGROUND OF THE INVENTION Numerous commonly used biological applications, including, for example, the diagnosis of genetic disorders, the analysis of sequence polymorphisms and the study of receptor / ligand interactions, are between probe and target molecules. Rely on the ability of analytical techniques to quickly detect events related to the interaction of These molecular detection techniques have conventionally utilized radioactive isotopes or fluorescent substances to monitor the interaction between the probe and the target molecule, but the electrical detection method of the intermolecular interaction is the radioactive label or fluorescent label. It provides an attractive alternative to detection technology that relies on.

【0004】 電気的および電気化学的検出技術は、電極表面上のプローブ分子と反応混合物
中の標的分子との間の相互作用から生じる電極の電気特性変化を検出することに
基づく。電気的又は電気化学的検出は、分子間の相互作用を識別するために放射
性又は蛍光ラベルを使用する場合に固有の短所の多くを除去する。例えば、この
プロセスは、安全で、安価で、敏感であり、複雑なかつ面倒な規則による取締り
の必要に悩まされない検出技術を提供する。
Electrical and electrochemical detection techniques are based on detecting changes in the electrical properties of the electrode that result from the interaction between probe molecules on the electrode surface and target molecules in the reaction mixture. Electrical or electrochemical detection eliminates many of the disadvantages inherent in using radioactive or fluorescent labels to identify interactions between molecules. For example, this process provides a detection technique that is safe, inexpensive, sensitive, and does not suffer from the need for crackdown due to complex and cumbersome rules.

【0005】 しかしながら、これらの長所があるにもかかわらず、分子間の相互作用を解析
するための電気的又は電気化学的検出技術を用いるには、数多くの障害がある。
いくつかの方法の中で、そのような障害の一つは、電気化学的ラベルを標的分子
中に組み込むという要件である。例えば、ラベルを付けられた標的分子は、ハイ
ブリダイゼーション試験(又はアッセイ)中に核酸二本鎖の形成に基づいて発生
する信号を、増加させるために使用された。
Despite these advantages, however, there are numerous obstacles to using electrical or electrochemical detection techniques to analyze intermolecular interactions.
Among some methods, one such obstacle is the requirement to incorporate an electrochemical label into the target molecule. For example, labeled target molecules have been used to increase the signal generated during hybridization tests (or assays) based on the formation of nucleic acid duplexes.

【0006】 例えば、Meadeら(米国特許第5,591,578号、第5,705,3
48号、第5,770,369号、第5,780,234号および第5,824
,473号)は、遷移金属錯体のようなレドックス活性体を用いて、核酸を選択
的に共有結合性修飾する方法を提案する。Meadeらは、さらに、そのような
共有結合性修飾した核酸分子を用いる核酸ハイブリダイゼーション試験を開示し
ている。さらに、同様の研究は、米国特許第6,090,933号、国際公開W
O98/20162号、国際公開WO98/12430号、国際公開WO00/
16089号、国際公開WO99/57317号、国際公開WO99/6742
5号、国際公開WO99/37819号、国際公開WO00/38836号、国
際出願PCTUS00/19889号および国際公開WO99/57319に開
示されている。
For example, Meade et al. (US Pat. Nos. 5,591,578, 5,705,3
48, 5,770,369, 5,780,234 and 5,824.
, 473) propose a method of selectively covalently modifying nucleic acids using redox activators such as transition metal complexes. Meade et al. Further disclose nucleic acid hybridization tests using such covalently modified nucleic acid molecules. Further, a similar study was conducted in US Pat. No. 6,090,933, International Publication W.
O98 / 20162, International Publication WO98 / 12430, International Publication WO00 /
16089, International Publication WO99 / 57317, International Publication WO99 / 6742
5, International Publication WO99 / 37819, International Publication WO00 / 38836, International Application PCTUS00 / 19889 and International Publication WO99 / 57319.

【0007】 Hellerら(米国特許第5,605,662号および第5,632,95
7号)は、自己アドレス可能で、自己組み立て可能な超小型電子装置を利用する
顕微鏡フォーマット中で、分子生物学反応を制御する方法を提案している。さら
に、Hellerらは、自由電場電気泳動法により、蛍光染料を用いてラベル(
又はラベル付け)された標的分子を、特異的試験サイトに移動させる装置を提案
しており、このサイトでは、標的分子は、それにより濃縮され、かつ試験サイト
に結びつけられた特異的プローブと反応する。結合していない又は非特異的に相
互作用する標的分子は、その後試験サイトの電気極性を逆転することで除去され
る。プローブと標的分子間の相互作用は、光学手段を用いてその後アッセイされ
る。
Heller et al. (US Pat. Nos. 5,605,662 and 5,632,95
No. 7) proposes a method for controlling molecular biology reactions in a microscope format that utilizes self-addressable, self-assembling microelectronic devices. Furthermore, Heller et al. Used a fluorescent dye to label (
(Or labeled) target molecule is transferred to a specific test site, where the target molecule reacts with a specific probe that is thereby enriched and bound to the test site. . Unbound or non-specifically interacting target molecules are then removed by reversing the electrical polarity of the test site. The interaction between probe and target molecule is then assayed using optical means.

【0008】 ラベル付けされた標的核酸を用いない、ある別の方法が、先行技術で開示され
てきた。例えば、Hollisら(米国特許第5,653,939号および第5
,846,708号)は、サンプル物質が使用されている基板上に形成された試
験サイトのモノリシックアレイを用いて、サンプル物質内の分子構造を同定する
ための方法および装置を提案する。Hollisらの方法では、サンプル物質の
添加に引き続く試験サイトの電磁特性あるいは音響特性の変化−例えば、共鳴周
波数の変化−は、どのプローブが、サンプル物質中の標的分子と相互作用したか
を測定するために、検出される。
Certain alternative methods have been disclosed in the prior art that do not use labeled target nucleic acids. For example, Hollis et al. (US Pat. Nos. 5,653,939 and 5
, 846, 708) propose a method and apparatus for identifying molecular structures within a sample material using a monolithic array of test sites formed on a substrate on which the sample material is used. In the method of Hollis et al., The change in the electromagnetic or acoustic properties of the test site following the addition of the sample substance-eg the change in resonance frequency-determines which probe interacted with the target molecule in the sample substance. For being detected.

【0009】 さらに、Eggersら(米国特許第5,532,128号、第5,670,
322号および第5,891,630号)は、サンプル物質内の分子構造を同定
するための方法および装置を提案する。Eggersらの方法では、プローブが
結びついた複数の試験サイトが、サンプル物質にさらされ、その後電気信号が試
験サイトに加えられる。試験サイトの誘電特性は、どのプローブが、サンプル物
質中の標的分子と相互作用したかを測定するために、つづいて検出される。
Further, Eggers et al. (US Pat. Nos. 5,532,128, 5,670,
322 and 5,891,630) propose methods and apparatus for identifying molecular structures within sample material. In the method of Eggers et al., Multiple test sites with attached probes are exposed to the sample material and an electrical signal is then applied to the test sites. The dielectric properties of the test site are subsequently detected to determine which probe interacted with the target molecule in the sample material.

【0010】 分子相互作用を検出するための単純で、かつ費用効果の高い電気的又は電気化
学的検出装置を開発する際のその他の障害は、マイクロ電極又はマイクロアレイ
の基板に対して、プローブ分子を付着される(又は張り付ける)ことを含む。例
えば、従来技術は、オリゴヌクレオチドプローブを固体担体に張り付けるために
ポリアクリルアミド・パッドを用いたマイクロアレイを提案するが、従来技術は
、電気的又は電気化学的検出装置と結び付けたパッドを、提案しなかった。
Another obstacle in developing simple and cost-effective electrical or electrochemical detection devices for detecting molecular interactions is to probe molecules onto the substrate of microelectrodes or microarrays. Including being attached (or attached). For example, the prior art proposes a microarray that uses a polyacrylamide pad to attach an oligonucleotide probe to a solid support, whereas the prior art proposes a pad associated with an electrical or electrochemical detection device. There wasn't.

【0011】 Guschinら(Anal.Biochem.Vol.250:203−1
1(1997))は、生物試料(又は生物サンプル)溶液中の標的分子とガラス
基板上にポリアクリルアミド・ゲルで固定化されたプローブとの間の分子相互作
用を検出するための技術を記載する。Guschinらにより開示された技術で
は、プローブと標的分子間の分子相互作用は、光学的レポーターを用いて検出さ
れる。Guschinらの参考文献では、標的分子と固定化プローブ間のハイブ
リダイゼーションを検出するための電気的又は電気化学的検出技術はなんら教示
も、示唆もされていない。
Guschin et al. (Anal. Biochem. Vol. 250: 203-1
1 (1997)) describes a technique for detecting molecular interactions between a target molecule in a biological sample (or biological sample) solution and a probe immobilized on a glass substrate by polyacrylamide gel. . In the technique disclosed by Guschin et al., The molecular interaction between probe and target molecule is detected using an optical reporter. The Guschin et al. Reference does not teach or suggest any electrical or electrochemical detection techniques for detecting hybridization between a target molecule and an immobilized probe.

【0012】 Guschinら(Appl.Environ.Microbiol.Vol
.63:2397−402(1997))も、ガラス基板上に接触して配置され
たポリアクリルアミド・ゲル・パッド上に、オリゴヌクレオチドプローブの固定
化を経由してマイクロアレイを組み立てることを記載する。Guschinらに
より開示されたこの技術では、標的核酸と固定されたプローブの間の平行ハイブ
リダイゼーションは、光学的レポーター部分を用いて検出される。このGusc
hinらの参考文献でも、ポリアクリルアミド・ゲル・パッド上でのプローブの
固定化と組み合わせた電気的又は電気化学的検出技術は、なんら教示も示唆もさ
れていない。
Guschin et al. (Appl. Environ. Microbiol. Vol.
. 63: 2397-402 (1997)) also describes assembling a microarray via immobilization of oligonucleotide probes on a polyacrylamide gel pad placed in contact with a glass substrate. In this technique disclosed by Guschin et al., Parallel hybridization between target nucleic acid and immobilized probe is detected using an optical reporter moiety. This Gusc
The Hin et al. reference also does not teach or suggest any electrical or electrochemical detection technique in combination with immobilization of the probe on a polyacrylamide gel pad.

【0013】 さらに、Yangら(Anal.Chim.Acta.、Vol.346:2
59−75(1997))は、ポリアクリルアミド・ゲル・パッド上に、核酸プ
ローブの固定化を経由してマイクロアレイを組み立て、かつその後プローブと標
的分子との間の分子相互作用は、光学的レポーター部分を用いて検出することを
記載する。Yangらは、さらに直接固体電極に張り付けた核酸プローブとラベ
ルされた標的分子との間の分子相互作用が、電気的手段あるいは電気化学的手段
を用いて検出されるという代替技術を記載する。しかしながら、Yangらは、
ポリアクリルアミド・ゲル・パッド上でのプローブの固定化と組み合わせた電気
的検出技術あるいは電気化学的検出技術を用いることを示唆してはいない。
Furthermore, Yang et al. (Anal. Chim. Acta., Vol. 346: 2).
59-75 (1997)) assembled a microarray on a polyacrylamide gel pad via immobilization of a nucleic acid probe, and then the molecular interaction between the probe and the target molecule was determined by an optical reporter moiety. It describes that it detects using. Yang et al. Further describe an alternative technique in which the molecular interaction between the nucleic acid probe attached directly to the solid electrode and the labeled target molecule is detected using electrical or electrochemical means. However, Yang et al.
It does not suggest the use of electrical or electrochemical detection techniques in combination with immobilization of the probe on a polyacrylamide gel pad.

【0014】 核酸中の単一塩基突然変異および遺伝子多形性の検出は、近代の診断薬および
生物学的研究において、重要な道具(又はツール)である。さらに、核酸−塩基
のアッセイも、バクテリアおよびウイールスなどの感染性微生物の同定に重要な
役割を果たすとともに、正常なおよび欠失した遺伝子発現のレベルを試験するこ
とに重要な役割を果たし、オンコジェーンなどの疾患に関連する突然変異体を検
出しかつ同定することに重要な役割を果たす。従って、このようなアッセイの速
度、効率、経済性および特異性の改良は、医療技術において重要な要求である。
Detection of single base mutations and genetic polymorphisms in nucleic acids is an important tool (or tool) in modern diagnostic and biological research. In addition, nucleic acid-base assays also play an important role in identifying infectious organisms such as bacteria and viruses, as well as testing levels of normal and deleted gene expression, and oncogenes. Plays an important role in detecting and identifying mutants associated with diseases such as. Therefore, improving the speed, efficiency, economy and specificity of such assays is an important requirement in medical technology.

【0015】 理想的には、これらのアッセイが高感度であり、特異的であり、かつ容易に自
動化できることである。核酸のアッセイでの感度を向上する努力は、先行技術で
知られている。例えば、ポリメラーゼ鎖反応(Mullis、米国特許第4,6
83,195号、1987年7月28日発行)は、元の特異的核酸の量が本質的
に少ない(約1ピコグラム)サンプル中で、特異的核酸の有効量(約1マイクロ
グラム)を産出する能力を提示した。しかしながら、この先行技術は、核酸ハイ
ブリダイゼーション試験の特異性を改良するには、あまりうまくいかなかった。
Ideally, these assays are sensitive, specific, and easily automated. Efforts to improve the sensitivity of nucleic acids in assays are known in the prior art. For example, the polymerase chain reaction (Mullis, US Pat.
83,195, issued July 28, 1987, produced an effective amount of specific nucleic acid (about 1 microgram) in a sample with essentially low amount of original specific nucleic acid (about 1 picogram). Presented the ability to do. However, this prior art has not been very successful in improving the specificity of nucleic acid hybridization tests.

【0016】 核酸アッセイの特異性は、プローブと標的配列との間のハイブリダイゼーショ
ンの分子相補性の程度により求められる。厳密に規定された条件下では、1つあ
るいは2つのミスマッチ標的から相補性標的を識別することは、理論的には可能
であるが、標的/プローブ濃度およびハイブリダイゼーション条件へのハイブリ
ダイゼーションの依存性は、ハイブリダイゼーションミスマッチが、とりわけ突
然変異および遺伝子多形性を確実に検出するのに使用出来る程度を制限する。
The specificity of a nucleic acid assay is determined by the degree of molecular complementarity of hybridization between the probe and target sequence. Although it is theoretically possible to distinguish complementary targets from one or two mismatched targets under tightly defined conditions, the dependence of hybridization on target / probe concentration and hybridization conditions Limits the extent to which hybridization mismatches can be used to reliably detect mutations and genetic polymorphisms, among others.

【0017】 単一塩基伸長の検出は、先行技術では、突然変異および遺伝子多形性のために
使用されてきた。
Detection of single base extensions has been used in the prior art for mutations and genetic polymorphisms.

【0018】 米国特許第5,925,520号は、少なくとも2つのタイプのジデオキシ鎖
停止ヌクレオチドトリフォスフェートであって、各々は検出可能でかつ識別可能
な蛍光ラベル基でラベル付けられた鎖停止ヌクレオチドトリフォスフェートを用
いて、オリゴヌクレオチドプローブ上の捕捉グループ及び単一塩基伸長を用いる
遺伝子多形性を検出する方法を開示する。
US Pat. No. 5,925,520 describes at least two types of dideoxy chain terminating nucleotide triphosphates, each chain terminating nucleotide labeled with a detectable and distinguishable fluorescent labeling group. Disclosed is a method of using triphosphates to detect genetic polymorphisms using capture groups and single base extensions on oligonucleotide probes.

【0019】 米国特許第5,710,028号は、各々は検出可能で識別可能な蛍光ラベル
基でラベル付けられており、検出可能にラベル付けされた鎖停止ヌクレオチドを
用いて、関心のある核酸中の特異的位置におけるヌクレオチド塩基を同定する方
法(又はヌクレオチド塩基の同一性を求める方法)を開示する。
US Pat. No. 5,710,028, each labeled with a detectable and distinguishable fluorescent labeling group, uses detectably labeled chain-terminating nucleotides to detect the nucleic acid of interest. Disclosed is a method for identifying a nucleotide base at a specific position in (or a method for determining the identity of nucleotide bases).

【0020】 米国特許第5,547,839号は、光学的に除去可能な保護基を有して成る
鎖停止ヌクレオチドを用いて、関心のある核酸中の特異的位置におけるヌクレオ
チド塩基を同定する方法を開示する。
US Pat. No. 5,547,839 discloses a method of identifying a nucleotide base at a specific position in a nucleic acid of interest using a chain-terminating nucleotide having an optically removable protecting group. Is disclosed.

【0021】 米国特許第5,534,424号は、伸長プライマーにアニールされ、4つの
鎖停止種の1つとともに伸長し、さらには4つのすべての鎖伸長ヌクレオチドと
ともに伸長する、標的核酸の4等分の1つを用いて、関心のある核酸中の特異的
位置におけるヌクレオチド塩基を同定する方法を開示し、それにより関心のある
位置におけるヌクレオチドの同定(又は同一性)は、単一塩基以上に伸長される
プライマーの不十分により行われる。
US Pat. No. 5,534,424 describes a target nucleic acid, such as 4 which is annealed to an extension primer and extends with one of the four chain terminating species and further with all four chain extending nucleotides. Disclosed is a method of identifying nucleotide bases at specific positions in a nucleic acid of interest using one of the methods whereby the identification (or identity) of nucleotides at the position of interest is more than a single base. This is done due to insufficient primer being extended.

【0022】 米国特許第4,988,617号は、2つの隣接するヌクレオチドプライマー
を標的核酸にアニールすること、並びに2つのオリゴヌクレオチドを共有結合で
結ぶリガーゼのような連結剤(もしくは架橋剤)であって、2つのオリゴヌクレ
オチドは、第1のオリゴヌクレオチドの3’の範囲(extent)で、及び第2のオ
リゴヌクレオチドの5’ の範囲で、核酸に完全にマッチするという状況下での
み第3の結合されたオリゴヌクレオチドを生ずる連結剤を提供することによって
、関心のある核酸中の特異的位置におけるヌクレオチド塩基を同定する方法を開
示した。
US Pat. No. 4,988,617 describes the annealing of two adjacent nucleotide primers to a target nucleic acid, as well as a linking agent (or crosslinker) such as a ligase that covalently links two oligonucleotides. The two oligonucleotides are in the 3'extent of the first oligonucleotide and 5'of the second oligonucleotide only in the context of a perfect match to the nucleic acid. Disclosed a method for identifying a nucleotide base at a specific position in a nucleic acid of interest by providing a linking agent that results in a linked oligonucleotide of

【0023】 米国特許第4,656,127号は、抗エキソヌクリアーゼ結合を有して成る
鎖停止ヌクレオチドもしくは他のヌクレオチドを用いたプライマー伸長を用い、
さらにそれにより、抵抗種を検出するために複数の伸長生成物を、エキソヌクリ
アーゼ処理することにより、関心のある核酸中の特異的位置におけるヌクレオチ
ド塩基を同定する方法を開示した。
US Pat. No. 4,656,127 uses primer extension with chain terminating nucleotides or other nucleotides having anti-exonucleose linkages,
Furthermore, it disclosed a method for identifying nucleotide bases at specific positions in a nucleic acid of interest by subjecting multiple extension products to exonucleases to detect resistant species.

【0024】 この先行技術の1つの共通の特徴は、伸長された核酸種中に蛍光ラベルを組み
入れることにより、単一塩基伸長は検出されてきたということである。
One common feature of this prior art is that single base extension has been detected by incorporating a fluorescent label in the extended nucleic acid species.

【0025】 蛍光ラベル検出に基づく単一塩基伸長法の重大な短所は、蛍光ラベルを検出す
るための高価なかつ技術的に複雑な光学部品を必要とすることである。このよう
な方法に使用される蛍光プローブは、オリゴヌクレオチドアレイ中の伸長位置お
よび未伸長位置間の充分なレベルの識別を与えるが、これらの方法は、典型的に
は、4つの異なる蛍光ラベルであって、各ラベルはユニークな励起周波数と蛍光
発光周波数をもっているラベルに至るまでの検出を必要とする。これらの特徴の
結果として、このようなアッセイシステムは、これらの異なる励起周波数と発光
周波数の全ての光を発生し、識別することができ、それらが実際に使用される装
置を生産し、操作するコストと複雑さを極めて増加させるにちがいない。
A significant disadvantage of single-base extension methods based on fluorescent label detection is the need for expensive and technically complex optics for detecting fluorescent labels. Although the fluorescent probes used in such methods provide a sufficient level of discrimination between extended and unextended positions in the oligonucleotide array, these methods typically use four different fluorescent labels. Therefore, each label requires detection down to a label that has a unique excitation frequency and fluorescence emission frequency. As a result of these features, such assay systems are capable of generating and distinguishing all of these different excitation and emission frequencies of light, producing and operating the devices in which they are actually used. It must add significant cost and complexity.

【0026】 標的核酸分子を検出するための別の方法は、サイクリックボルタンメトリーな
どのような電気化学的手段(それらのいくつかは、上記した)を組み合わせて、
レドックス(又は酸化還元)部分のような電気化学的付せん(又はタグ)を使用
することである。
Another method for detecting a target nucleic acid molecule is to combine electrochemical means such as cyclic voltammetry, some of which are described above,
The use of an electrochemical tag (or tag) such as a redox (or redox) moiety.

【0027】 さらに、DNAおよび蛋白質のような生物学的分子を検出する同様な方法の開
示を、“イハラ他、核酸研究24巻:4273−4280(1996年);Li
vache他、Synthetic Metals 71巻:2143−214
6(1995年);ハシモト、Supramolecular Chem.,2
巻:265−270(1993年)、Millan他、Anal.Chem.、
65巻:2317−2323(1993年)”に見出すことが出来る。
Further, a disclosure of similar methods for detecting biological molecules such as DNA and proteins is provided in “Ihara et al., Nucleic Acids Research 24: 4273-4280 (1996); Li.
vache et al., Synthetic Metals 71: 2143-214.
6 (1995); Hashimoto, Supramolecular Chem. , 2
Volume: 265-270 (1993), Millan et al., Anal. Chem. ,
65: 2317-2323 (1993) ".

【0028】 しかしながら、先行技術で公知の電気化学的付せんに依存する方法の多くは、
レドックス挿入剤の存在下、プローブ/標的のハイブリダイゼーションを必要と
する。レドックス挿入剤に基づく電気化学的検出は、組み入れられる部分に共有
結合する電気化学的付せん程の再現性が一般的にはない。このレドックス挿入剤
法は、実際の信号を減少させないが、過剰のラベルを除去するための洗浄条件に
ことのほか依存する。結果として、これらの方法を使用して偽のポジティブがし
ばしば得られる。レドックス挿入剤法の特異性は、共有結合したレドックス付せ
んを用いて達成できる特異性よりもしばしば悪くなる。
However, many of the methods known in the prior art that rely on electrochemical tags include
It requires probe / target hybridization in the presence of a redox intercalating agent. Electrochemical detection based on redox intercalating agents is generally not reproducible for electrochemical attachment to covalently attach moieties. This redox intercalator method does not diminish the actual signal but relies notably on washing conditions to remove excess label. As a result, false positives are often obtained using these methods. The specificity of the redox intercalator method is often less than that achievable with covalently linked redox sticks.

【0029】 現在の技術では、関心のある核酸を含む生物サンプル(又は生物試料)中の突
然変異と遺伝子多形性を検出するための核酸アッセイの単一塩基伸長生成物を検
出するための簡単で、経済的でかつ効率的な方法に対するニーズが有る。
The current technology provides a simple method for detecting single base extension products in nucleic acid assays for detecting mutations and gene polymorphisms in a biological sample (or biological sample) containing a nucleic acid of interest. There is a need for economical and efficient methods.

【0030】 同様に、現在の技術では、生物学的分子、特に核酸およびペプチド間の相互作
用を検出するために使用される電流検出法に対する別法を開発する必要がある。
特に、現在の技術では、レポーター(又はリポーター)ラベルを有する標的ある
いはプローブ分子を修飾する必要がない生物学的分子間の相互作用を検出するた
めの電気的方法あるいは電気化学的方法を開発する必要がある。このような方法
の開発は、医療技術、遺伝子技術および分子生物学技術に広く応用される。さら
に、現在の技術では、電気的素子(もしくはデバイス)又は電気化学的素子のマ
イクロ電極又は基板に、そのような生物学的分子を張り付けるための代替技術を
開発する必要がある。
Similarly, current technology requires the development of alternatives to amperometric detection methods used to detect interactions between biological molecules, especially nucleic acids and peptides.
In particular, current technology requires the development of electrical or electrochemical methods for detecting interactions between biological molecules that do not require modification of target or probe molecules bearing reporter (or reporter) labels. There is. The development of such methods is widely applied to medical technology, genetic technology and molecular biology technology. Furthermore, current technology requires the development of alternative techniques for attaching such biological molecules to the microelectrodes or substrates of electrical (or device) or electrochemical devices.

【0031】 発明の要約 本発明は、電解質溶液中のカチオンを用いて、プローブと標的分子との間の分
子相互作用の性質および程度を検出するための装置および方法を提供するもので
ある。本発明の方法のうち最も好ましい態様は、該検出用のACインピーダンス
を利用することである。本発明の装置および方法は、標的分子をさらにレポータ
ー(リポーター又はリポータ)分子でラベル(又は標識)する必要が無い電気的
検出法を提供するという利点を持っている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an apparatus and method for detecting the nature and extent of molecular interactions between a probe and a target molecule using cations in an electrolyte solution. The most preferable aspect of the method of the present invention is to utilize the AC impedance for the detection. The devices and methods of the present invention have the advantage of providing an electrical detection method that does not require the target molecule to be further labeled with a reporter (reporter or reporter) molecule.

【0032】 本発明の好ましい態様では、この装置および方法は、整然と並んだアレイ(or
dered array)の限定された(又は特定の)領域に結合されているオリゴヌクレ
オチドプローブ分子とプローブ分子と相互作用できる核酸標的分子との間の核酸
ハイブリダイゼーション(又はハイブリッド化)などのような分子相互作用を検
出するために有用である。本発明の他の態様では、この装置および方法は、ペプ
チド間(例えば、リセプタ−リガンド間の結合もしくは、抗原の抗体認識)の相
互作用を検出するために有用である。
In a preferred embodiment of the invention, the apparatus and method comprises an ordered array (or
Molecular interactions such as nucleic acid hybridization (or hybridization) between an oligonucleotide probe molecule bound to a defined (or specific) region of a dered array and a nucleic acid target molecule capable of interacting with the probe molecule. Useful for detecting effects. In another aspect of the invention, the devices and methods are useful for detecting peptide-to-peptide (eg, receptor-ligand binding or antibody recognition of antigen) interactions.

【0033】 本発明のさらに好ましい態様では、本発明の装置は、支持基板(支持基体又は
支持基材)、プローブが固定された支持基板と接触しているマイクロ電極(又は
微小電極)のアレイ(array)、支持基板と電気化学的に接触している少なくと
も1つの対電極(又は対向電極、counter-electrode)、各マイクロ電極におけ
る電気的インピーダンス生成手段、標的分子の存在下もしくは不存在下における
各マイクロ電極でのインピーダンス変化の検出手段、および複数のマイクロ電極
と接触している電解質溶液を有して成る。
In a further preferred aspect of the invention, the device of the invention comprises a support substrate (support substrate or support substrate), an array of microelectrodes (or microelectrodes) in contact with a support substrate to which probes are immobilized ( array), at least one counter electrode (or counter-electrode) in electrochemical contact with the support substrate, means for generating electrical impedance in each microelectrode, each in the presence or absence of a target molecule. It comprises means for detecting impedance changes at the microelectrodes, and an electrolyte solution in contact with the plurality of microelectrodes.

【0034】 別の好ましい態様では、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接触している
マイクロ電極、マイクロ電極と接触しかつそこへプローブが固定化されている複
数のポリアクリルアミド・ゲル・パッド、支持基板と電気化学的接触している少
なくとも1つの対向電極、各マイクロ電極における電気的インピーダンス生成手
段、標的分子の存在下もしくは不存在下における各マイクロ電極でのインピーダ
ンス変化の検出手段、並びに複数のマイクロ電極と接触している電解質溶液を有
して成る。かわりに、多重電極を基板上に規定することができ、それはポリアク
リルアミドあるいは他のポリマーの連続したパターンの無い層でカバーすること
が出来る。
In another preferred embodiment, the device of the present invention comprises a support substrate, a microelectrode in contact with the support substrate, a plurality of polyacrylamide gels in contact with the microelectrode and having probes immobilized thereon. A pad, at least one counter electrode in electrochemical contact with a support substrate, means for generating electrical impedance at each microelectrode, means for detecting impedance changes at each microelectrode in the presence or absence of target molecules, and It comprises an electrolyte solution in contact with a plurality of microelectrodes. Alternatively, multiple electrodes can be defined on the substrate, which can be covered with a continuous unpatterned layer of polyacrylamide or other polymer.

【0035】 本発明のさらに好ましい態様では、マイクロ電極は、限定されるものではない
が、例えば、金、白金、チタンもしくは銅等の稠密なもしくは多孔質のフィルム
の金属、金属酸化物、金属窒化物、金属カーバイド又は炭素から調製されている
In a further preferred embodiment of the invention, the microelectrodes include, but are not limited to, dense or porous film metals such as gold, platinum, titanium or copper, metal oxides, metal nitrides. Prepared from metal, metal carbide or carbon.

【0036】 本発明のさらに好ましい態様では、電解質溶液は、イオン伝導性でかつプロー
ブもしくはプローブ−標的錯体と反応することが出来る金属カチオン又は高分子
カチオンを含んで成る。さらに好ましい態様では、電解質溶液は、リチウムカチ
オンの塩、さらに最も好ましくは過塩素酸リチウムを含んで成る。
In a further preferred embodiment of the invention, the electrolyte solution comprises a metal cation or a polymeric cation which is ionically conductive and capable of reacting with the probe or probe-target complex. In a more preferred embodiment, the electrolyte solution comprises a salt of a lithium cation, and most preferably lithium perchlorate.

【0037】 本発明の装置は、さらに少なくとも1つの参照電極を有して成る。本発明の別
の態様では、本発明の装置は、さらに複数のくぼみ(又はウェル)を有して成り
、その各々は、少なくとも1つのマイクロ電極および全アレイに応答指令信号を
送る(interrogare)のに充分な少なくとも1つの対電極を含む。
The device of the present invention further comprises at least one reference electrode. In another aspect of the invention, the device of the invention further comprises a plurality of depressions (or wells), each of which is interrogare responsive to at least one microelectrode and the entire array. Sufficient for at least one counter electrode.

【0038】 本発明の好ましい方法では、上述した電解質溶液は、好ましくはその間に中性
のポリピロール層を有する核酸プローブを固定化した複数のマイクロ電極と接し
て配置される。マイクロ電極のACインピーダンスは、添加される標的核酸の不
存在下で、まず測定される。その後マイクロ電極を、最も好ましくは、サンプル
を電解質溶液に添加するか、あるいは電解質溶液中に含まれるあるいは希釈され
たサンプルで、この電解質溶液を置換することにより、標的核酸分子を含む生物
試料(又は生物サンプル)物質と接触させる。プローブおよび標的分子を、好ま
しくはハイブリダイゼーションにより相互作用させ、その後ACインピーダンス
を測定する。
In a preferred method of the present invention, the above-mentioned electrolyte solution is preferably placed in contact with a plurality of microelectrodes on which nucleic acid probes having a neutral polypyrrole layer are immobilized. The AC impedance of the microelectrode is first measured in the absence of added target nucleic acid. The microelectrode is then added to the biological sample containing the target nucleic acid molecule (or, most preferably, by adding the sample to the electrolyte solution, or replacing the electrolyte solution with a sample contained or diluted in the electrolyte solution). (Biological sample) Contact with material. The probe and target molecule are allowed to interact, preferably by hybridization, after which the AC impedance is measured.

【0039】 本発明の方法の他の態様では、上述した電解質溶液は、複数のマイクロ電極お
よび核酸プローブを固定化したポリアクリルアミド・ゲル・パッドと接して配置
される。マイクロ電極のACインピーダンスは、添加される標的核酸の不存在下
で、まず測定される。その後マイクロ電極を、最も好ましくは、サンプルを電解
質溶液に添加するか、あるいは電解質溶液中に含まれるあるいは希釈されたサン
プルで、この電解質溶液を置換することにより、標的核酸分子を含む生物サンプ
ル物質と接触させる。プローブおよび標的分子を、好ましくはハイブリダイゼー
ションにより相互作用させ、その後ACインピーダンスを測定する。
In another aspect of the method of the present invention, the above-mentioned electrolyte solution is placed in contact with a polyacrylamide gel pad having a plurality of microelectrodes and nucleic acid probes immobilized thereon. The AC impedance of the microelectrode is first measured in the absence of added target nucleic acid. A microelectrode is then added to the biological sample material containing the target nucleic acid molecule, most preferably by adding the sample to the electrolyte solution or by replacing the electrolyte solution with a sample contained or diluted in the electrolyte solution. Contact. The probe and target molecule are allowed to interact, preferably by hybridization, after which the AC impedance is measured.

【0040】 本発明の方法の好ましい態様では、この方法の感度を向上させるために、種々
の周波数でACインピーダンスを測定する。プローブ−標的相互作用は、そのよ
うな相互作用の前後における個々のマイクロ電極でのACインピーダンス信号の
差により、検出される。最も好ましくは、マイクロ電極上に固定されたオリゴヌ
クレオチドプローブと相補性(又は相補的)標的核酸(「完全なる」ハイブリダ
イゼーション)との間のハイブリダイゼーションと、固定されたオリゴヌクレオ
チドとミスマッチした標的核酸(「ミスマッチ」ハイブリダイゼーション)との
間のハイブリダイゼーションとの差を識別するために、この方法は使用される。
各マイクロ電極で固定されたオリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列(nucleoti
de sequence)に関する情報は、サンプル中に特定の標的核酸が存在するか、不
存在かを求めるために、本発明の方法によって検出される「完全なる」ハイブリ
ダイゼーションあるいは「ミスマッチ」ハイブリダイゼーションと共に使用され
る。
In a preferred embodiment of the method of the present invention, the AC impedance is measured at various frequencies in order to improve the sensitivity of the method. Probe-target interactions are detected by the difference in AC impedance signal at individual microelectrodes before and after such interactions. Most preferably, hybridization between the oligonucleotide probe immobilized on the microelectrode and the complementary (or complementary) target nucleic acid ("complete" hybridization) and the target nucleic acid mismatched with the immobilized oligonucleotide. This method is used to distinguish differences between ("mismatch" hybridizations) and hybridizations.
Nucleotide sequence of oligonucleotides immobilized on each microelectrode (nucleoti
The information about de sequence) is used in conjunction with the “complete” or “mismatch” hybridization detected by the method of the invention to determine the presence or absence of a particular target nucleic acid in a sample. It

【0041】 他の態様では、本発明は、プローブ分子と電気化学的に活性なリポータ−ラベ
ル付けされた(reporter-labeled)標的分子との間の分子相互作用の性質および
程度を、電気的にもしくは電気化学的に検出するための装置および方法を提供す
るものである。本発明の好ましい態様では、この装置及び方法は、整然と並んだ
アレイの限定された(又は特定の)領域に結合されているオリゴヌクレオチドプ
ローブ分子と、プローブ分子と相互作用できる電気化学的に活性なリポータ−ラ
ベル付けされた核酸標的分子との間の核酸ハイブリダイゼーション等のような分
子相互作用を検出するために有用である。本発明の他の態様では、この装置およ
び方法は、ペプチド間(例えば、リセプタ−リガンド間の結合あるいは、抗原の
抗体認識)の相互作用を検出するために有用である。
In another aspect, the invention electrically determines the nature and extent of molecular interactions between a probe molecule and an electrochemically active reporter-labeled target molecule. Alternatively, it provides an apparatus and method for electrochemical detection. In a preferred embodiment of the invention, the device and method provide an oligonucleotide probe molecule bound to a defined (or specific) region of an ordered array and an electrochemically active molecule capable of interacting with the probe molecule. It is useful for detecting molecular interactions such as nucleic acid hybridization between reporter-labeled nucleic acid target molecules. In another aspect of the invention, the devices and methods are useful for detecting peptide-to-peptide (eg, receptor-ligand binding or antigen antibody recognition) interactions.

【0042】 本発明のさらに好ましい態様では、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接
触しているマイクロ電極アレイ、マイクロ電極と接触しておりかつプローブが固
定化されている複数のポリマー・ヒドロゲル・パッド、支持基板と電気化学的に
接触している少なくとも1つの対電極、各マイクロ電極にて電気信号を発生させ
る手段、電気化学的に活性なリポータ−ラベル付けされた標的分子の存在下ある
いは不存在下における各マイクロ電極での電気信号の変化の検出手段、および複
数のヒドロゲル多孔質マイクロ電極および対電極と接触している電解質溶液を有
して成る。これとは別に、多重電極を基板上に規定することができ、これは連続
したパターンの無いポリマーヒドロゲルの層でカバーすることが出来る。
In a further preferred aspect of the invention, the device of the invention comprises a support substrate, a microelectrode array in contact with the support substrate, a plurality of polymer contacts in contact with the microelectrodes and having probes immobilized thereon. Hydrogel pad, at least one counter electrode in electrochemical contact with a supporting substrate, means for generating an electrical signal at each microelectrode, in the presence of an electrochemically active reporter-labeled target molecule Alternatively, it comprises means for detecting changes in the electrical signal at each microelectrode in the absence and a plurality of hydrogel porous microelectrodes and an electrolyte solution in contact with the counter electrode. Alternatively, multiple electrodes can be defined on the substrate, which can be covered with a continuous layer of unpatterned polymer hydrogel.

【0043】 本発明の好ましい具体例では、マイクロ電極は、金、白金、チタンもしくは銅
などの稠密なもしくは多孔質のフィルムの金属、金属酸化物、金属窒化物、金属
カーバイド、又はグラファイト炭素から調製されている。
In a preferred embodiment of the invention, the microelectrodes are prepared from a dense or porous film of metal such as gold, platinum, titanium or copper, metal oxides, metal nitrides, metal carbides or graphitic carbon. Has been done.

【0044】 本発明のいくつかの態様では、このプローブは、約10〜約100のヌクレオ
チド残基からなる配列をもつオリゴヌクレオチドプローブであり、かつ該プロー
ブは、当業者には公知の技術を用いて、ポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付
着させられる。他の態様では、このプローブは、レセプタ、リガンド、抗体、抗
原、もしくは合成ペプチド等のペプチドであり、該プローブは、当業者には公知
の技術を用いて、ポリマー・ハイドロゲル・パッドに取り付けられる。
In some aspects of the invention, the probe is an oligonucleotide probe having a sequence of about 10 to about 100 nucleotide residues, and the probe uses techniques known to those of skill in the art. Applied to a polyacrylamide gel pad. In another aspect, the probe is a receptor, ligand, antibody, antigen, or peptide such as a synthetic peptide, and the probe is attached to the polymer hydrogel pad using techniques known to those of skill in the art. .

【0045】 本発明の装置は、さらに少なくとも1つの参照電極を有して成る。本発明の別
の態様では、この装置は、さらに複数の窪みを有して成り、その各々は、少なく
とも1つのハイドロゲル多孔質マイクロ電極および全アレイに応答指令信号を送
る(又は質問する)に充分な少なくとも1つの対電極を含む。
The device of the present invention further comprises at least one reference electrode. In another aspect of the invention, the device further comprises a plurality of depressions, each of which is adapted to send (or interrogate) a response command signal to at least one hydrogel porous microelectrode and the entire array. Sufficient at least one counter electrode.

【0046】 本発明の方法では、プローブ分子と電気化学的に活性なリポータ−ラベル付け
された標的分子との間の分子相互作用は、例えばACインピーダンス等のような
従来の電気的にあるいは電気化学的検出方法を用いて検出される。1つの態様で
は、核酸プローブが固定化された複数のハイドロゲル多孔質マイクロ電極のAC
インピーダンスは、電気化学的にラベル付けされた標的核酸の不存在下で、まず
測定される。その後ハイドロゲル多孔質マイクロ電極を、電気化学的に活性なリ
ポータ−ラベル付けされた標的分子を含む生物サンプル物質と接触させる。プロ
ーブおよび標的分子を、好ましくはハイブリダイゼーションにより相互作用させ
、その後ACインピーダンスを測定する。
In the method of the present invention, the molecular interaction between the probe molecule and the electrochemically active reporter-labeled target molecule is determined by conventional electrical or electrochemical reactions such as AC impedance. It is detected using a static detection method. In one embodiment, AC of a plurality of hydrogel porous microelectrodes with immobilized nucleic acid probes
Impedance is first measured in the absence of electrochemically labeled target nucleic acid. The hydrogel porous microelectrode is then contacted with a biological sample material containing an electrochemically active reporter-labeled target molecule. The probe and target molecule are allowed to interact, preferably by hybridization, after which the AC impedance is measured.

【0047】 本発明の方法の好ましい態様では、この方法の感度を向上させるために、種々
の周波数でACインピーダンスを測定する。プローブ分子と電気化学的にラベル
付けされた標的分子との間の相互作用は、そのような相互作用の前における個々
のハイドロゲル多孔質マイクロ電極でのACインピーダンス信号の差により、検
出される。最も好ましくは、ハイドロゲル多孔質マイクロ電極上の固定されたオ
リゴヌクレオチドプローブと相補性標的核酸(「完全なる」ハイブリダイゼーシ
ョン)との間のハイブリダイゼーションと、固定されたオリゴヌクレオチドとミ
スマッチした標的核酸(「ミスマッチ」ハイブリダイゼーション)との間のハイ
ブリダイゼーションとの差を識別するために、この方法は使用される。各ハイド
ロゲル多孔質マイクロ電極で固定されたオリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列
に関する情報は、サンプル中に特定の標的核酸が存在するか、不存在かを求める
ために、本発明の方法によって検出される「完全なる」ハイブリダイゼーション
あるいは「ミスマッチ」ハイブリダイゼーションと共に使用される。
In a preferred embodiment of the method of the present invention, the AC impedance is measured at various frequencies to improve the sensitivity of the method. Interactions between probe molecules and electrochemically labeled target molecules are detected by the difference in AC impedance signals at the individual hydrogel porous microelectrodes prior to such interactions. Most preferably, hybridization between the immobilized oligonucleotide probe on the hydrogel porous microelectrode and the complementary target nucleic acid ("complete" hybridization) and target nucleic acid mismatched with the immobilized oligonucleotide ( This method is used to distinguish between hybridization and non-matching hybridization. Information about the nucleotide sequence of the oligonucleotides immobilized on each hydrogel porous microelectrode is detected by the method of the invention to determine the presence or absence of a particular target nucleic acid in the sample. Used in conjunction with "consisting" or "mismatch" hybridization.

【0048】 本発明の他の態様では、限定されるものではないが、サイクリックボルタンメ
トリ、ストリッピングボルタンメトリ、パルスボルタンメトリ、スクエアウエイ
ブボルタンメトリ、ACボルタンメトリ、流体力学的変調ボルタンメトリ、電位
ステップ法、電位差測定、電流測定、電流ステップ法、およびそれらの組み合わ
せ法を含み、他の電気的および/もしくは電気化学的方法が、プローブ分子−電
気化学的にラベル付けされた標的分子との間の相互作用を検出するために使用さ
れる。
Other aspects of the invention include, but are not limited to, cyclic voltammetry, stripping voltammetry, pulse voltammetry, square wave voltammetry, AC voltammetry, hydrodynamic modulation voltammetry. , Electropotentiation, potentiometry, amperometry, amperometry, and combinations thereof, and other electrical and / or electrochemical methods include probe molecules-electrochemically labeled target molecules. Used to detect interactions between.

【0049】 さらに本発明は、関心のある核酸を含む生物サンプル中の突然変異と遺伝子多
形性を検出するための方法および装置を含んで成る。本発明の方法および装置を
用いた単一塩基伸長の検出は、電気化学的種を用いて化学的にラベル付けされた
鎖停止ヌクレオチド種を配列特異的に取り込むことにより、達成される。好まし
い態様では、単一塩基伸長は、オリゴヌクレオチドアレイ、さらに最も好ましく
は、アドレス可能なアレイに対してハイブリダイゼーションを用いて実行され、
そこでは、アレイ中の各オリゴヌクレオチドの配列が、公知であり、かつアレイ
中の特定のアドレスに関連する。さらに好ましい態様では、単一塩基伸長は、電
気化学的レポータ基でラベル付けされた伸長生成物を用いて検出され、そこでは
電気化学的レポータ基は、遷移金属錯体を有して成り、さらに最も好ましくは、
ルテニュウム、コバルト、鉄あるいはオスミウムである遷移金属イオンを含む。
The present invention further comprises methods and devices for detecting mutations and genetic polymorphisms in a biological sample containing a nucleic acid of interest. Detection of single base extension using the methods and devices of the invention is accomplished by sequence-specific incorporation of a chemically-terminated chain-terminating nucleotide species with an electrochemical species. In a preferred embodiment, single base extension is performed using hybridization to an oligonucleotide array, and most preferably an addressable array,
There, the sequence of each oligonucleotide in the array is known and associated with a particular address in the array. In a more preferred embodiment, single base extensions are detected using extension products labeled with an electrochemical reporter group, wherein the electrochemical reporter group comprises a transition metal complex, and most Preferably,
Contains transition metal ions which are ruthenium, cobalt, iron or osmium.

【0050】 本発明の方法の実行においては、本発明は、第1電極を定める表面に対して固
定されたオリゴヌクレオチドプローブのアレイを提供する。好ましくは、アレイ
中の特定の同定された位置(もしくは、「アドレス」)の各々における各オリゴ
ヌクレオチド配列は、理解され、かつ少なくとも1つの該オリゴヌクレオチドが
、試験されることになっている(「標的」あるいは「標的核酸」と名付ける)生
物サンプルに含まれる核酸中の配列に対して相補的である。1つの好ましい態様
では、少なくとも1つの該オリゴヌクレオチドの配列は、応答指令信号を送るべ
き(すなわち突然変異あるいは遺伝子多形性に対して)サンプル核酸中のヌクレ
オチド位置のすぐ隣接した位置に対してハイブリダイズするように選択される。
本明細書中の「隣接」という用語は、応答指令信号を送るべき塩基の1ヌクレオ
チド塩基上流の位置すなわち標的DNAの鋳型染色分体に関して3’の位置に含
むことを意図している。サンプル中の核酸に対するアレイ中のオリゴヌクレオチ
ドのハイブリダイゼーションは、反応室中およびハイブリダイゼーション緩衝液
中で、サンプル中の核酸とそれに相補的であるアレイ中のオリゴヌクレオチドと
の間でハイブリダイゼーションを引き起こす温度で、ある時間行われる。単一塩
基伸長は、ポリメラーゼを用いて行われ、さらに最も好ましくは、電気化学的ラ
ベルに対して共有結合で結ばれる鎖停止プライマー伸長ユニットの存在下で、熱
的に安定なポリメラーゼを用いて行われる。好ましい態様では、各鎖停止ヌクレ
オチド種(例えば、ジデオキシddATP、ddGTP、ddCTP、およびd
dTTP)は、種々の電気化学的ラベルでラベル付けされ、さらに最も好ましく
は、種々の、明白な、かつ特異的に検出可能な酸化/還元電位を有するラベルで
ラベル付けされる。単一塩基伸長は、サイクリックボルタンメトリもしくはスト
リッピングボルタンメトリなどの常套の電気化学的検出方法を適用して検出され
る。使用しても良いその他の電気的および/あるいは電気化学的方法には、限定
されるものではないが、ACインピーダンス、パルスボルタンメトリ、方形波ボ
ルタンメトリ、ACボルタンメトリ(ACV)、流体力学的変調ボルタンメトリ
、電位ステップ法、電位差測定、電流測定、電流ステップ法、およびそれらの組
み合わせ法が含まれる。
In practicing the methods of the invention, the invention provides an array of oligonucleotide probes immobilized to a surface defining a first electrode. Preferably, each oligonucleotide sequence at each of the particular identified positions (or "addresses") in the array is understood and at least one such oligonucleotide is to be tested (""Target" or "target nucleic acid") is complementary to a sequence in a nucleic acid contained in a biological sample. In one preferred embodiment, the sequence of at least one of said oligonucleotides hybridizes to a position immediately adjacent to a nucleotide position in the sample nucleic acid that should send a response command signal (ie for mutations or genetic polymorphisms). Selected to soybean.
The term "contiguous" in the present specification is intended to include a position 1 nucleotide base upstream of the base to which a response command signal is to be sent, that is, a position 3'with respect to the template chromatid of the target DNA. The hybridization of the oligonucleotides in the array to the nucleic acids in the sample is carried out in the reaction chamber and in the hybridization buffer at a temperature that causes hybridization between the nucleic acids in the sample and their complementary oligonucleotides in the array. Then, it will be held for a certain time. Single base extension is performed with a polymerase, and most preferably with a thermostable polymerase in the presence of a chain terminating primer extension unit covalently attached to an electrochemical label. Be seen. In a preferred embodiment, each chain terminating nucleotide species (eg dideoxy ddATP, ddGTP, ddCTP, and d.
dTTP) is labeled with various electrochemical labels, and most preferably with various, distinct and specifically detectable oxidation / reduction potentials. Single base extensions are detected by applying conventional electrochemical detection methods such as cyclic voltammetry or stripping voltammetry. Other electrical and / or electrochemical methods that may be used include, but are not limited to, AC impedance, pulse voltammetry, square wave voltammetry, AC voltammetry (ACV), hydrodynamically modulated voltammetry. , Potential step method, potentiometric measurement, amperometric measurement, current step method, and combinations thereof.

【0051】 別の態様では、突然変異あるいは遺伝子多形性に対して応答指令信号を送るべ
き(又は質問するべき)サンプル核酸中のヌクレオチド位置に対してオリゴヌク
レオチドの3’残基がハイブリダイズする位置で、少なくとも1つの該オリゴヌ
クレオチドの配列は、標的核酸にハイブリダイズするように選択される。このア
レイ中では、3’残基で標的核酸にハイブリダイズするオリゴヌクレオチドに対
する配列同一性を有するオリゴヌクレオチドも、標的に対してハイブリダイズす
るが、このようなオリゴヌクレオチドの3’残基は、標的と「ミスマッチ」を生
じ、かつ3’残基においては、ハイブリダイズしない。単一塩基伸長は、ミスマ
ッチを認識しないポリメラーゼを用いて行われ、3’残基を含めた標的に対して
ハイブリダイズするオリゴヌクレオチドのみが、伸長される。本発明のこれらの
態様では、もし、アレイ中の各オリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列が、理解
され、かつアレイ中の位置と正しく関連しているとすれば、電気化学的種でラベ
ル付けされた単一鎖停止種のみを使用することが出来、もしくは同一電気化学的
種が、4つの鎖停止種全てに使用できる。従って、サイクリックボルタンメトリ
などの常套の電気化学的検出方法を用いて、アレイ中の特定の位置で、レドック
ス種から電気化学的信号を検出することは、プローブの3’残基を同定すること
になり、それゆえ、標的核酸中の対応する位置での相補的ヌクレオチドを同定す
る(又は相補的ヌクレオチドの同一性を提供する)ことになる。
In another embodiment, the 3'residue of the oligonucleotide hybridizes to a nucleotide position in the sample nucleic acid that should (or interrogate) for a mutation or genetic polymorphism. At position, at least one sequence of said oligonucleotide is selected to hybridize to the target nucleic acid. In this array, oligonucleotides having sequence identity to the oligonucleotide that hybridizes to the target nucleic acid at the 3'residue will also hybridize to the target, but the 3'residue of such oligonucleotide will Results in a "mismatch" and does not hybridize at the 3'residue. Single base extension is performed using a polymerase that does not recognize mismatches and only oligonucleotides that hybridize to the target including the 3'residue are extended. In these aspects of the invention, if the nucleotide sequence of each oligonucleotide in the array is understood and is correctly associated with a position in the array, a single electrochemical species-labeled single Only chain terminating species can be used, or the same electrochemical species can be used for all four chain terminating species. Therefore, detecting an electrochemical signal from a redox species at a particular position in the array using conventional electrochemical detection methods such as cyclic voltammetry identifies the 3'residue of the probe. And will therefore identify (or provide the identity of complementary nucleotides) with complementary nucleotides at corresponding positions in the target nucleic acid.

【0052】 本発明の方法の好ましい態様の実施および本発明の装置の使用において、電流
は、電気化学的に活性なリポーターでラベル付けされた各特定の鎖停止ヌクレオ
チド種に対して特異的な第1電極に対する掃引電圧の関数として記録される。好
ましい態様において、各特異的電位における電流は、特定の電気化学的リポータ
ー基でラベル付けされた対応する鎖停止ヌクレオチド種を用いて単一塩基伸長が
生じるアレイ中での各アドレスで検出される。その位置を占拠するオリゴヌクレ
オチドのヌクレオチド配列が知られているアレイ中での特定の位置における電気
信号の検出は、測定すべき伸長されたヌクレオチドの同定(又は同一性を求める
こと)を可能にし、従って、測定すべき突然変異もしくは遺伝子多形性の同定を
可能にする。
In practicing the preferred embodiments of the method of the present invention and using the device of the present invention, an electric current is applied to each specific chain-terminating nucleotide species labeled with an electrochemically active reporter. Recorded as a function of sweep voltage for one electrode. In a preferred embodiment, the current at each specific potential is detected at each address in the array where a single base extension occurs with the corresponding chain terminating nucleotide species labeled with a particular electrochemical reporter group. Detection of the electrical signal at a particular position in the array, where the nucleotide sequence of the oligonucleotide occupying that position is known, allows the identification (or identity) of the extended nucleotide to be measured, It thus allows the identification of the mutation or gene polymorphism to be measured.

【0053】 [発明の詳細な説明] 本発明は、サンプル中の標的検体、特に核酸の存在を検出するために使用され
る種々の電気的および電気化学的技術を対象としている。一般的に、この方法は
、捕獲結合リガンドのアレイを持った固体担体上で行われる核酸ハイブリダイゼ
ーションあるいは蛋白−蛋白結合反応などの分子相互作用に依存している。この
ような相互作用の結果として、システムのいくつかの電気特性は変化し、検出が
達成される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is directed to various electrical and electrochemical techniques used to detect the presence of target analytes, particularly nucleic acids, in a sample. Generally, this method relies on molecular interactions such as nucleic acid hybridization or protein-protein binding reactions performed on a solid support with an array of capture binding ligands. As a result of such interactions, some electrical properties of the system change and detection is achieved.

【0054】 これは、種々の方法で行われよう。好ましい態様では、本発明の方法は、検出
用にACインピーダンスを利用する。いくつかの態様では、本発明の装置および
方法は、標的分子をさらにリポータ分子でラベル付けする必要が無い電気的検出
法を提供するという利点を持っている。すなわち、対応する捕獲結合リガンドに
対する標的検体の特異的結合の結果として(本明細書では、検体が核酸であると
き、捕獲プローブとする)、システムの電気的インピーダンスは変化する。
This may be done in various ways. In a preferred embodiment, the method of the present invention utilizes AC impedance for detection. In some embodiments, the devices and methods of the invention have the advantage of providing an electrical detection method that does not require the target molecule to be further labeled with a reporter molecule. That is, the electrical impedance of the system changes as a result of the specific binding of the target analyte to the corresponding capture binding ligand (herein referred to as the capture probe when the analyte is a nucleic acid).

【0055】 代わりに、電気化学的活性ラベルの使用により、公知の蛍光システムと類似の
方法で、特異的相互作用を検出できる。この態様では、例えば、標的が核酸であ
るとき、PCR等の増幅反応中において電気化学的活性ラベル(ECA)を用い
てラベル付けすることができるか、または、第2のラベル付けシステム(または
ラベリング・システム)を用いてラベル付けできる。
Alternatively, the use of an electrochemically active label allows the detection of specific interactions in a manner similar to known fluorescence systems. In this aspect, for example, when the target is a nucleic acid, it can be labeled with an electrochemically active label (ECA) during an amplification reaction such as PCR, or a second labeling system (or labeling).・ System) can be used for labeling.

【0056】 好ましい態様では、標的が核酸であるとき、これらのECAラベルは、一般的
に以下概略するように、標的配列内の特定の塩基を同定できるように開発されて
いる。
In a preferred embodiment, when the target is a nucleic acid, these ECA labels have been developed to allow identification of specific bases within the target sequence, generally as outlined below.

【0057】 本発明の方法および組成物は、サンプル中の標的検体を検出するために使用さ
れる。検出すべき分子、化合物、あるいは粒子は、ここでは、「標的検体」ある
いは「検体」を意味する。以下概略するように、標的検体は、上述で十分説明し
た結合リガンドに結合することが好ましい。当業者に認識されているように、数
多くの検体は、現在の方法を用いて検出してもよい;基本的には、本明細書で述
べるように、結合リガンドが作られる標的検体は、本発明の方法を用いて検出さ
れよう。
The methods and compositions of the invention are used to detect target analytes in a sample. The molecule, compound or particle to be detected here means the “target analyte” or “analyte”. As outlined below, the target analyte preferably binds to the binding ligand fully described above. As will be appreciated by those in the art, numerous analytes may be detected using current methods; basically, as described herein, the target analyte for which the binding ligand is made is It will be detected using the method of the invention.

【0058】 適当な検体としては、バイオ分子を含めた有機分子および無機分子が挙げられ
る。好ましい態様では、検体は、環境汚染物(殺菌剤、殺虫剤、毒素などを含む
);化学品(溶媒、ポリマー、有機物質などを含む);治療分子(治療薬、乱用
薬、抗生物質などを含む);バイオ分子(ホルモン、サイトカイン、蛋白質、脂
質、炭水化物、細胞膜抗原、およびレセプター(中性の、ホルモン性の、栄養薬
および細胞表面レセプター)あるいはそれらのリガンドなどを含む);全細胞(
原核生物細胞(病原性バクテリアなど)および真核生物細胞、ほ乳動物腫瘍細胞
を含む);ウイルス(レトロウイルス、ヘルペスウイルス、アデノウイルス、レ
ンチウイルスなどを含む);胞子類などであってもよい。
Suitable analytes include organic and inorganic molecules, including biomolecules. In a preferred embodiment, analytes include environmental contaminants (including fungicides, insecticides, toxins, etc.); chemicals (including solvents, polymers, organic substances, etc.); therapeutic molecules (therapeutic agents, drugs of abuse, antibiotics, etc.). Biomolecules (including hormones, cytokines, proteins, lipids, carbohydrates, cell membrane antigens, and receptors (neutral, hormonal, nutrients and cell surface receptors) or their ligands); whole cells (
Prokaryotic cells (including pathogenic bacteria) and eukaryotic cells, including mammalian tumor cells); viruses (including retroviruses, herpesviruses, adenoviruses, lentiviruses, etc.); spores and the like.

【0059】 特に好ましい検体は、環境汚染物;核酸;蛋白質(酵素、抗体、抗原、成長因
子、サイトカインなどを含む);治療薬および乱用薬;細胞;ウイルスである。
Particularly preferred analytes are environmental pollutants; nucleic acids; proteins (including enzymes, antibodies, antigens, growth factors, cytokines, etc.); therapeutic agents and drugs of abuse; cells; viruses.

【0060】 好ましい態様では、標的検体は、核酸である。「核酸」あるいは「オリゴヌク
レオチド」あるいは文法上の同等物(またはそれらと実質的に同じもの)は、共
有結合で結合された少なくとも2つのヌクレオチドを意味する。本発明の核酸は
、一般的にホスホジエステル結合を含んでいるが、以下に概略するように、いく
つかのケースでは、交互の主鎖を持ち、かつ例えばリン酸アミド(Beauca
geら Tetrahedron 49(10):1925(1993)および
その中での参考文献;Letsinger,J.Org.Chem.35:38
00(1970);Sprinzlら,Eur.J.Biochem.81:5
79(1977);Letsingerら,Nucl.Acids Res.1
4:3487(1986);Sawaiら,Chem.Lett.805(19
84);Letsingerら,J.Am.Chem.Soc.110:447
0(1988);およびPauwelsら,Chemica Scripta
26:1419(1986))、ホスフォロチオエート(Magら,Nucle
ic Acids Res.19:1437(1991),および米国特許番号
5644048),ホスフォロジチオエート(Briuら,J.Am.Chem
.Soc.111:2321(1989))、O−メチルホスホロアミダイト結
合(Eckstein,オリゴヌクレオチドおよび類縁体:実際のアプローチ:
オックスフォード大出版)、およびペプチド核酸主鎖および結合(Eghorm
ら,J.Am.Chem.Soc.114:1895(1992);Meier
ら,Chem.Int.Ed.Engl.31:1008(1992);Nie
lsen,Nature 365:566(1993);Carlssonら,
Nature 380:207(1996)、全ては引用によって本明細書の開
示内容に含まれる)を有して成る核酸類縁体(nucleic acid an
alog)を含んでいる。その他の類縁体核酸は、ポジチブ(positive
)な主鎖を持った核酸(Denpcyら,Proc.Natl.Acad.Sc
i.USA92:6097(1995);非イオン性主鎖(米国特許番号538
6023、 5637684、 560240、 5216141および446
9863);Kiedrowshiら,Angew.Chem.Intl.Ed
.English 30:423(1991);Letsingerら,J.A
m.Chem.Soc.110:4470(1988);Letsingerら
,Nucleoside & Nucleotide 13:1597(199
4);ACSシンポジュウム、シリーズ580、第2および3章「アンチセンス
研究における炭水化物の改質」Ed.Y.S.SanghuiおよびP.Dan
Cook、Mesmaekerら,Bioorganic & Medici
nal Chem.Lett.,4:395(1994);Jeffsら,J.
Biomolecular NMR 34:17(1994);Tetrahe
dron Lett.37:743(1996))および米国特許番号5235
033および5034506およびACSシンポジュウム、シリーズ580、第
6および7章「アンチセンス研究における炭水化物の改質」(Ed.Y.S.S
anghuiおよびP.Dan Cook出版)を含めた非リボース主鎖を包含
する。1つ以上の炭素環式砂糖(carbocyclic sugar)を含有
する核酸も、核酸の定義の中に含まれる(Jenkinsら,Chem.Soc
.Rev.(1995)169−176頁)。いくつかの核酸類縁体は、Raw
ls、C&E News1997年6月2日35頁に記載されている。核酸類縁
体は、「ロックされた核酸(locked nucleic acids)」を
も包含する。これらの参考文献の全てを明確に参考として組み入れた。リボース
−ホスフェート主鎖のこのような改質は、電子遷移部分の添加を容易にするため
に行われてもよいし、あるいは生理学的環境下にある分子の安定性および半減寿
命を増加させるために行われてもよい。
In a preferred embodiment, the target analyte is a nucleic acid. "Nucleic acid" or "oligonucleotide" or grammatical equivalents (or substantially the same as them) means at least two nucleotides covalently linked together. Nucleic acids of the invention generally contain phosphodiester bonds, but, as outlined below, in some cases have alternating backbones and include, for example, phosphoramide (Beauca).
ge et al. Tetrahedron 49 (10): 1925 (1993) and references therein; Letsinger, J. et al. Org. Chem. 35:38
00 (1970); Sprinzl et al., Eur. J. Biochem. 81: 5
79 (1977); Letsinger et al., Nucl. Acids Res. 1
4: 3487 (1986); Sawai et al., Chem. Lett. 805 (19
84); Letsinger et al. Am. Chem. Soc. 110: 447
0 (1988); and Pauwels et al., Chemica Scripta.
26: 1419 (1986)), phosphorothioates (Mag et al., Nucle.
ic Acids Res. 19: 1437 (1991), and U.S. Pat. No. 5,644,048), phosphorodithioate (Briu et al., J. Am. Chem.
. Soc. 111: 2321 (1989)), O-methyl phosphoramidite linkage (Eckstein, oligonucleotides and analogs: a practical approach:
Oxford Press), and peptide nucleic acid backbones and bonds (Eghorm)
Et al., J. Am. Chem. Soc. 114: 1895 (1992); Meier.
Chem. Int. Ed. Engl. 31: 1008 (1992); Nie
lsen, Nature 365: 566 (1993); Carlsson et al.
Nature 380: 207 (1996), all of which are incorporated by reference herein, for nucleic acid analogs.
log) is included. Other analog nucleic acids are positive (positive).
) Having a main chain (Denpcy et al., Proc. Natl. Acad. Sc)
i. USA 92: 6097 (1995); nonionic backbone (US Pat. No. 538).
6023, 5637684, 560240, 5216141 and 446.
9863); Kiedrowshi et al., Angew. Chem. Intl. Ed
. English 30: 423 (1991); Letsinger et al., J. Am. A
m. Chem. Soc. 110: 4470 (1988); Letsinger et al., Nucleoside & Nucleotide 13: 1597 (199).
4); ACS Symposium, Series 580, Chapters 2 and 3, "Modification of Carbohydrates in Antisense Studies," Ed. Y. S. Sanghui and P.M. Dan
Cook, Mesmaeker et al., Bioorganic & Medici.
nal Chem. Lett. 4: 395 (1994); Jeffs et al.
Biomolecular NMR 34:17 (1994); Tetrahhe.
dron Lett. 37: 743 (1996)) and US Pat. No. 5235.
033 and 5034506 and ACS Symposium, Series 580, Chapters 6 and 7 "Modification of Carbohydrates in Antisense Studies" (Ed.YS.S.
anghui and P. Non-ribose backbone, including Dan Cook). Nucleic acids containing one or more carbocyclic sugars are also included within the definition of nucleic acids (Jenkins et al., Chem. Soc.
. Rev. (1995) 169-176). Some nucleic acid analogs are RAW
Is, C & E News, June 2, 1997, p. 35. Nucleic acid analogs also include "locked nucleic acids". All of these references are expressly incorporated by reference. Such modification of the ribose-phosphate backbone may be done to facilitate the addition of electronic transition moieties, or to increase the stability and half-life of the molecule in a physiological environment. May be done.

【0061】 当業者により評価されているように、これらの核酸類縁体は、本発明において
も使用される。さらに天然産の核酸と類縁体との混合物も例えば、伝導性オリゴ
マーのサイトあるいは電子遷移部分の付帯サイトで調製できるし、類縁構造も使
用できる。別法では、異なった核酸類縁体の混合物、および天然産の核酸と類縁
体との混合物も調製できる。
As appreciated by those of skill in the art, these nucleic acid analogs are also used in the present invention. Furthermore, a mixture of a naturally occurring nucleic acid and an analog can be prepared, for example, at a site of a conductive oligomer or an accessory site of an electronic transition part, and an analog structure can also be used. Alternatively, mixtures of different nucleic acid analogs as well as mixtures of naturally occurring nucleic acids and analogs can be prepared.

【0062】 ここで概略するように、核酸は、特定の(または特異的な)一本鎖構造であっ
ても良いし、二本鎖構造であっても良いし、あるいは二本鎖構造と一本鎖構造の
配列の双方の部分を含んでいても良い。核酸は、DNA、ゲノムおよびcDNA
、RNA、あるいはハイブリッドであっても良く、そこでは、核酸は、デオキシ
リボヌクレオチドおよびリボヌクレオチド、およびウラシル、アデニン、チミン
、シトシン、グアニン、イノシン、キササニンハイポキササニン、イソシトシン
、イソグアニンなどを含めた塩基の組み合わせであっても良い。本明細書で使用
されるように、「ヌクレオシド」という言葉は、ヌクレオチド、ヌクレオシドお
よびヌクレオシド類縁体、アミノ改質ヌクレオシドなどのような改質ヌクレオシ
ドを含む。さらに「ヌクレオシド」は、天然産でない類縁構造を含む。このよう
にして、例えば、各々が塩基を含むペプチド核酸の個々のユニット(unit)
は、ここではヌクレオシドとする。
As outlined herein, a nucleic acid may have a specific (or specific) single-stranded structure, a double-stranded structure, or a double-stranded structure and a single-stranded structure. It may include both parts of the double-stranded structure sequence. Nucleic acid includes DNA, genome and cDNA
, RNA, or hybrids, in which the nucleic acid is a base including deoxyribonucleotides and ribonucleotides, and uracil, adenine, thymine, cytosine, guanine, inosine, xanthanine hypoxasanine, isocytosine, isoguanine, and the like. May be a combination of. As used herein, the term "nucleoside" includes modified nucleosides such as nucleotides, nucleosides and nucleoside analogs, amino modified nucleosides and the like. In addition, "nucleoside" includes non-naturally occurring analog structures. Thus, for example, individual units of peptide nucleic acid, each containing a base.
Is here a nucleoside.

【0063】 好ましい態様では、本発明は、標的核酸の検出法を提供する。「標的核酸」あ
るいは「標的配列」あるいは文法上での等価物(または実質的にそれらに等しい
物)とは、核酸の一本鎖構造での核酸配列を意味する。標的配列は、遺伝子、規
定配列(または制御配列)、ゲノムDNA、cDNA、mRNAおよびrRNA
を含むRNA、あるいはその他の部分であっても良い。より長い配列は、より特
異的であるということを理解した上で、核酸はどのような長さでもよい。サンプ
ル核酸を、100〜10000の塩基対のフラグメントに切断したり、いくつか
の好ましい態様では、ほぼ500塩基対のフラグメントを持った核酸に開裂した
り、分断したりすることが望ましい。当業者により認識されているように、相補
的標的配列は、多くの形態をとってもよい。例えば、それは、より大きい核酸配
列内、即ち、特に、遺伝子あるいはmRNAの一部、プラスミドあるいはゲノム
DNAの制限フラグメントに含まれてもよい。
In a preferred aspect, the present invention provides a method for detecting a target nucleic acid. By "target nucleic acid" or "target sequence" or grammatical equivalents (or substantially equivalents) is meant a nucleic acid sequence in the single-stranded structure of a nucleic acid. Target sequences include genes, regulatory sequences (or regulatory sequences), genomic DNA, cDNA, mRNA and rRNA.
It may be RNA containing or other part. Nucleic acids can be of any length, with the understanding that longer sequences are more specific. It may be desirable to cleave the sample nucleic acid into fragments of 100-10,000 base pairs, and in some preferred embodiments cleave or split into nucleic acids with fragments of approximately 500 base pairs. As will be appreciated by those in the art, complementary target sequences may take many forms. For example, it may be comprised within a larger nucleic acid sequence, ie in particular in a part of a gene or mRNA, a restriction fragment of a plasmid or genomic DNA.

【0064】 以下で更に十分に説明するが、プローブ(プライマーを含む)は、サンプル中
の標的配列の有無を決定(または測定)するために、標的配列にハイブリダイズ
させられる。一般的にいえば、当業者にとっては、この用語は良く理解されてい
る。
As will be more fully described below, probes (including primers) are hybridized to a target sequence to determine (or measure) the presence or absence of the target sequence in a sample. Generally speaking, this term is well understood by those skilled in the art.

【0065】 標的配列は、隣接している(即ち、接触している)か、あるいは離れていてい
ることもある異なった標的ドメインから構成されていてもよい。例えば、ライゲ
ーション連鎖反応(LCR、ligation chain reaction
)技術を使用するとき、第1プライマーは、第1標的ドメインにハイブリダイズ
してもよく、また第2プライマーは、第2標的ドメインにハイブリダイズしても
よい。ドメインは、隣接しているか、あるいはポリメラーゼとdNTPとの使用
を組み合わせた1つ以上のヌクレオチドによって分離されていてもよく、以下で
さらに充分に概説する。
The target sequence may be composed of different target domains, which may be contiguous (ie, in contact) or separated. For example, ligation chain reaction (LCR, ligation chain reaction)
Method), a first primer may hybridize to a first target domain and a second primer may hybridize to a second target domain. Domains may be contiguous or separated by one or more nucleotides in combination with the use of polymerase and dNTPs, as more fully outlined below.

【0066】 「第1」および「第2」という用語は、標的配列の5’−3’配向に関して、
配列の配向を与える(または授与する)ことを意味するものではない。例えば、
相補的標的配列の5’−3’配向を仮定すると、第1標的ドメインは、第2ドメ
インに対して5’に位置しても良いし、第2ドメインに対して3’に位置しても
良い。
The terms “first” and “second” refer to the 5′-3 ′ orientation of a target sequence.
It does not mean to give (or to give) the orientation of the array. For example,
Given the 5'-3 'orientation of the complementary target sequence, the first target domain may be located 5'to the second domain or 3'to the second domain. good.

【0067】 好ましい態様では、標的検体は、蛋白質である。当業者により理解されている
ように、本発明を用いて検出される可能性のある蛋白の標的検体は、多数存在す
る。ここでは、「蛋白質」あるいは文法上の等価物(または実質的にそれらに等
しいもの)は、蛋白質、オリゴペプチドおよびペプチドを意味し、天然産でない
アミノ酸およびアミノ酸類縁体およびペプチドの構造を含む誘導体および類縁体
を意味する。この側鎖は、(R)または(S)構造でもよい。好ましい態様では
、アミノ酸は、(S)またはL−構造(または体)である。以下で述べるように
、蛋白質を結合リガンドとして使用すると、サンプル汚染物質による分解が遅く
なるため、蛋白質類縁体を利用することが好ましい。
In a preferred embodiment, the target analyte is a protein. As will be appreciated by those in the art, there are numerous target analytes for proteins that may be detected using the present invention. As used herein, “protein” or grammatical equivalents (or substantially equivalent thereto) means proteins, oligopeptides and peptides, including non-naturally occurring amino acids and amino acid analogs and derivatives containing the structure of peptides and Means an analog. This side chain may have an (R) or (S) structure. In a preferred embodiment, the amino acid is (S) or L-structure (or body). As described below, the use of proteins as binding ligands slows down degradation by sample contaminants, so it is preferable to utilize protein analogs.

【0068】 適当な蛋白質標的検体は、以下に限定されるものではないが、(1)免疫グロ
ブリン、特にIgEs、IgGs、およびIgMs、さらに特に治療上あるいは
診断上関係する抗体、限定されるものではないが、例えば、ヒトアルブミンに対
する抗体、アポリポ蛋白質(アポリポ蛋白質Eを含む)、ヒト絨毛性性腺刺激ホ
ルモン、コーチゾル、α−フェトプロテイン、チロキシン、チロイド刺激性ホル
モン(TSH)、抗トロンビン、医薬に対する抗体(抗糜爛薬(フェニトン、プ
リミドン、カルバリエゼピン、エトスクシミド、バルプロ酸、およびフェノバル
ビトール)、心臓活性薬(ジゴキシン,リドカイン、プロカイナミド,およびジ
ソピラミド)、気管支拡張剤(セオフィリン)、抗生物質(クロラムフェニコー
ル、スルフォンアミド)、抗鬱薬、免疫抑制剤、乱用薬(アンフェタミン、メタ
アンフェタミン、カナビノイド、コカインおよびアヘン薬)および数多くのウイ
ルスに対する抗体(オルソミクソウイルス(例えばインフルエンザウイルス)を
含む)、パラミクソウイルス(例えば、気管シンシチウムウイルス、ムンプスウ
イルス、はしかウイルス)、アデノウイルス、リノウイルス、コロナウイルス、
レオウイルス、トガウイルス(例えば、風疹ウイルス)、パルボウイルス、ポク
スウイルス(例えば、天然痘ウイルス、牛痘ウイルス)、腸内ウイルス(例えば
、ポリオウイルス、コクサキエウイルス)、肝炎ウイルス(A,B、C型を含む
)、疱疹ウイルス(例えば、疱疹シンプレックスウイルス、水痘−帯状疱疹ウイ
ルス、サイトメガロウイルス、エプシュタイン−バーウイルス)、ロタウイルス
、ノウオークウイルス、ハンタウイルス、アレナウイルス、ラブドウイルス(例
えば、狂犬病ウイルス)、レトロウイルス(HIV,HTLV−IおよびHTL
V−IIを含む)、パポバウイルス(例えば、パピロマウイルス)、ポリオマウ
イルス、およびピコマウイルス、など)、およびバクテリア(バシラス;ビブリ
オ例えばコレラ;エシェリキア例えば腸管毒産性大腸菌、シゲラ例えば赤痢;サ
ルモネラ例えばチフス;マイコバクテリア例えば結核、ハンセン病;クロストリ
ジウム例えばボトリヌス菌、破傷風、ジフィシル、ペルフリンゲン;コーニバク
テリア例えばジフテリア;連鎖状球菌、化膿菌、結核菌;ブドウ状球菌例えばア
ウレウス;ヘモフィルス例えばインフルエンザ;ナイセリア例えば髄膜炎,りん
病;エルシニア例えば、ランブリア、ペスト、シュードモナス例えばエルギノー
ザ、プチダ;クラミジア例えばトラコーマ;ボルデテラ例えば、百日ぜき;トレ
ポネーマ、例えばパラジウムなど)を含む広範囲の病原性あるいは非病原性原核
生物、)、(2)酵素(そして、他の蛋白)、以下に限定されるものではないが
、心疾患のためのインジケータおよび治療として使用される酵素を含む酵素、ク
レアチンキナーゼ、乳酸エステル脱水素酵素、アスパラギン酸アミノトランスフ
ェラーゼ、トロポニンT、ミオグロビン、フィブリノーゲン、コレステロール、
トリグリセライド、スロンビン、組織プラスミノゲンアクチベーター(tPA)
;アミラーゼ、リパーゼ、キモトリプシンとトリプシンを含む膵疾患インジケー
タ;コリンエステラーゼ、ビリルビンとアルカリ性ホスハターゼを含む肝機能酵
素とタンパク質:アルドラーゼ、前立腺酸ホスファターゼ、末端デオキシヌクレ
オチジルトランスフェラーゼ、とHIVプロテアーゼのような細菌性でウイルス
性の酵素;(3)ホルモンおよびサイトカイン(それらの多くは、細胞の受容体
に対するリガンドとして役立っている)エリスロポエチン(EPO)、トロンボ
ポエチン(TPO)、インターロイキン(IL−1からIL−17を含む)、イ
ンスリン、インスリン様成長因子(IGF−lとIGF−2を含む)、上皮成長
因子(EGF)、形質転換成長因子(TGF−αとTGF−βを含む)、ヒト成
長ホルモン、トランスフェリン、上皮成長因子(EGF)、低密度リポ蛋白、高
密度リポ蛋白、レプチン、VEGF,PDGF、繊毛状神経栄養因子、プロラク
チン、副腎皮質刺激ホルモン(ACTH)、カルシトニン、ヒト絨毛膜性腺刺激
ホルモン、コツリゾル、エストラジオール、卵胞刺激ホルモン(FSH)、甲状
腺刺激ホルモン(TSH)、黄体形成ホルモン(LH)、プロゲステロンおよび
テストステロン;および(4)他のタンパク質(α−フェトプロテイン、癌胎児
性抗原CEA、ガン標識などを含む)。
Suitable protein target analytes include, but are not limited to, (1) immunoglobulins, particularly IgEs, IgGs, and IgMs, and more particularly therapeutically or diagnostically relevant antibodies, including, but not limited to: However, for example, antibodies against human albumin, apolipoproteins (including apolipoprotein E), human chorionic gonadotropin, cortisol, α-fetoprotein, thyroxine, thyroid stimulating hormone (TSH), antithrombin, antibodies against drugs ( Anti-erosion drugs (phenitone, primidone, carbaryzepine, ethosuximide, valproic acid, and phenobarbitol), cardioactive drugs (digoxin, lidocaine, procainamide, and disopyramide), bronchodilators (theophylline), antibiotics (chloramphenicol, Sur Lonamide), antidepressants, immunosuppressants, drugs of abuse (amphetamines, methamphetamines, cannabinoids, cocaine and opium drugs) and antibodies against numerous viruses (including orthomyxoviruses (eg influenza virus)), paramyxoviruses (eg, Trachea syncytium virus, mumps virus, measles virus), adenovirus, rhinovirus, coronavirus,
Reovirus, togavirus (for example, rubella virus), parvovirus, poxvirus (for example, smallpox virus, cowpox virus), enteric virus (for example, poliovirus, Kokusakievirus), hepatitis virus (A, B, Type C), herpes virus (eg, herpes simplex virus, varicella-zoster virus, cytomegalovirus, Epstein-Barr virus), rotavirus, noouk virus, hantavirus, arenavirus, rhabdovirus (eg, Rabies virus), retroviruses (HIV, HTLV-I and HTL)
V-II), papovaviruses (eg papiromavirus), polyomaviruses, and picomaviruses, etc.), and bacteria (bacillus; Vibrio such as cholera; Escherichia such as enterotoxic E. coli, Shigella such as dysentery; Salmonella). Typhus; Mycobacteria such as tuberculosis, leprosy; Clostridium such as Botrynus, tetanus, Difficile, Perfringen; Cornibacterium such as Diphtheria; Streptococcus, Pseudomonas, Mycobacterium tuberculosis; Staphylococcus such as Aureus; Haemophilus such as influenza; Neisseria such as meninges Flame, phospora; Yersinia, eg Lambria, plague, Pseudomonas, eg Elginosa, Putida; Chlamydia, eg Trachoma; Bordetella, eg Pertussis; Treponema, eg pa A wide range of pathogenic or non-pathogenic prokaryotes, including (), (2) enzymes (and other proteins), including but not limited to, indicators and treatments for heart disease Enzymes including creatine kinase, creatine kinase, lactate dehydrogenase, aspartate aminotransferase, troponin T, myoglobin, fibrinogen, cholesterol,
Triglyceride, thrombin, tissue plasminogen activator (tPA)
Pancreatic disease indicators including amylase, lipase, chymotrypsin and trypsin; liver function enzymes and proteins including cholinesterase, bilirubin and alkaline phosphatase: aldolase, prostatic acid phosphatase, terminal deoxynucleotidyl transferase, and bacterial and viral such as HIV protease Sex enzymes; (3) hormones and cytokines, many of which serve as ligands for cellular receptors, erythropoietin (EPO), thrombopoietin (TPO), interleukins (including IL-1 to IL-17) , Insulin, insulin-like growth factor (including IGF-1 and IGF-2), epidermal growth factor (EGF), transforming growth factor (including TGF-α and TGF-β), human growth hormone, trans Ferrin, epidermal growth factor (EGF), low density lipoprotein, high density lipoprotein, leptin, VEGF, PDGF, ciliary neurotrophic factor, prolactin, adrenocorticotropic hormone (ACTH), calcitonin, human chorionic gonadotropin, Koturisol, estradiol, follicle stimulating hormone (FSH), thyroid stimulating hormone (TSH), luteinizing hormone (LH), progesterone and testosterone; and (4) other proteins (α-fetoprotein, carcinoembryonic antigen CEA, cancer marker, etc.) including).

【0069】 それに加えて、抗体が発見され得る生体分子、または、同様に直接発見され得
る生体分子;すなわち、ウイルスあるいは細菌性の細胞、治療薬および乱用薬等
の検出が直接行なわれてもよい。
In addition, biomolecules for which antibodies can be discovered, or biomolecules for which antibodies can likewise be discovered directly; that is, detection of viral or bacterial cells, therapeutic agents, drugs of abuse, etc., can be performed directly. .

【0070】 適当な標的検体は、以下に限定されるものではないが、乳癌のための標識(C
A15−3、CA549、CA27.29)、ムチン(mucin)状癌腫関連
抗原(MCA)、卵巣癌(CA125)、膵臓癌(DE−PAN−2)、前立腺
癌(PSA)、CEAおよび結腸直腸癌および膵臓のガン(CA19、CA50
、CA242)を含めた炭水化物を含む。
Suitable target analytes include, but are not limited to, labels for breast cancer (C
A15-3, CA549, CA27.29), mucin-like carcinoma associated antigen (MCA), ovarian cancer (CA125), pancreatic cancer (DE-PAN-2), prostate cancer (PSA), CEA and colorectal cancer. And pancreatic cancer (CA19, CA50
, CA 242).

【0071】 適当な標的検体は、以下に限定されるものではないが、アルミニウム、砒素、
カドミウム、セレン、コバルト、銅、クロム、鉛、銀およびニッケルを含む金属
イオン、とりわけ重金属および/あるいは毒性金属を含む。
Suitable target analytes include, but are not limited to, aluminum, arsenic,
It contains metal ions including cadmium, selenium, cobalt, copper, chromium, lead, silver and nickel, especially heavy metals and / or toxic metals.

【0072】 これらの標的検体は、以下に限定されるものではないが、血液、リンパ液、唾
液、膣および肛門の分泌、尿、大便、汗、涙を含む体液、および肝臓、脾臓、骨
髄、肺、筋肉、脳などを含む固体の組織(tissue)の数多くの異なったサ
ンプルタイプであってもよい。
These target analytes include, but are not limited to, blood, lymph, saliva, vaginal and anal secretions, body fluids including urine, stool, sweat, tears, and liver, spleen, bone marrow, lungs. There may be many different sample types of solid tissue, including muscle, brain, etc.

【0073】 それゆえに、本発明は、固体基板を含んで成る標的検体の検出用のデバイスを
提供する。本明細書で説明するように、この固体基板は、様々な物質から作るこ
とができて、多数の方法で構成することができ、そのことは当業者には明らかで
ある。それに加えて、単一のデバイスが、1以上の基板で構成されても良く、例
えば、その別々の「検出」カセットとインターフェイス(または界接する、in
terface)する「サンプル処理」カセットがあってもよい。原料サンプル
をサンプル処理カセットに加えて、検出用サンプルを調製するべく操作し、それ
(または検出用サンプル)をサンプル処理カセットから除去し、検出カセットに
加える。このデバイスがフィットする付加的な機能性を有するカセットがあって
もよく、例えば、PCR等の反応に作用をさせるためにサンプル・カセットと接
触して置かれた加熱要素(または発熱体、heating element)で
あってもよい。ある場合には、基板の1部は、除去可能であり得;例えば、全体
のサンプル・カセットが検出装置と接触しないように、取り外し可能な検出カセ
ットをサンプル・カセットは有している。例えば、引用することにより本明細書
に組み込まれている米国特許番号5,603,351とPCT US96/17
116を参照のこと。
Therefore, the present invention provides a device for the detection of target analytes comprising a solid substrate. As described herein, this solid substrate can be made from a variety of materials and can be constructed in a number of ways, as will be apparent to those skilled in the art. In addition, a single device may be composed of more than one substrate, eg, interfaced (or interfaced with,) in its separate “detection” cassette.
There may be "sample processing" cassettes that are terfaced. The source sample is added to the sample processing cassette and manipulated to prepare the detection sample, which (or the detection sample) is removed from the sample processing cassette and added to the detection cassette. There may be cassettes with additional functionality to which this device fits, eg heating elements (or heating elements, heating elements) placed in contact with the sample cassette to effect a reaction such as PCR. ) May be sufficient. In some cases, a portion of the substrate may be removable; for example, the sample cassette has a removable detection cassette so that the entire sample cassette does not contact the detection device. For example, US Pat. No. 5,603,351 and PCT US96 / 17, which are incorporated herein by reference.
See 116.

【0074】 固体基板の組成は、そのデバイスを作るために使われている技術、デバイスの
使用法、サンプルの組成、検出される検体、ウェル(またはくぼみ)およびマイ
クロチャネルのサイズ、電子部品(electronic component
)の存在の有無等の様々な因子に依存している。また、一般的に、本発明の器具
は、簡単に減菌させる必要がある。
The composition of the solid substrate depends on the technique used to make the device, the device usage, the composition of the sample, the analytes to be detected, the size of the wells (or wells) and microchannels, the electronic components. component
) Depending on various factors such as the presence or absence of. Also, in general, the device of the present invention needs to be easily sterilized.

【0075】 好ましい態様では、固体基板は、多種の物質から作ることができる。好ましい
態様は、以下でより一般的に概説するように本発明のデバイスは、他の材料を含
んでいるが、当業者により理解されているように、固体基板としてセラミック部
品を利用している。これらは、以下に限定されるものではないが、シリコンウエ
ハ、二酸化シリコン、窒化シリコン、ガラスおよび溶融シリカ、ガリウムヒ素、
燐化インジウム、アルミニウム、セラミックス、ポリイミド、石英、プラスチッ
ク、樹脂およびポリメチルメタクリレート、アクリル、ポリエチレン、ポリエチ
レンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレンおよび他のスチレン共重
合体(またはスチレン・コポリマー)、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエ
チレンを含む重合体(またはポリマー)、超合金、ジルカロイ、鋼(またはスチ
ール)、金、銀、銅、タングステン、モリブデン、タンタル、コバール(KOV
AR)、ケブラー(KEVLAR)、カプトン、マイラー(MYLAR)、真鍮
、サファイヤなどを含む。サンプル操作工程で、光ベースの技術(または光に関
連する技術)が必要とされるとき、高融点硼珪酸塩あるいは溶融シリカのような
高品質ガラスは、ガラスのUV透過性に好ましいものであり得る。さらに、本明
細書で概説するように、デバイスの内側表面は、必要に応じて、生体適合性、ま
たは流れ耐性(flow resistance)に対する非特異的結合を減少
させるべく、結合リガンドが付着できるような種々のコーティングを行っても良
い。
In a preferred embodiment, the solid substrate can be made from a wide variety of materials. Preferred embodiments utilize ceramic components as the solid substrate, as will be appreciated by those skilled in the art, although the devices of the present invention include other materials, as outlined more generally below. These include, but are not limited to, silicon wafers, silicon dioxide, silicon nitride, glass and fused silica, gallium arsenide,
Indium phosphide, aluminum, ceramics, polyimide, quartz, plastics, resins and polymethylmethacrylate, acrylics, polyethylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polystyrene and other styrene copolymers (or styrene copolymers), polypropylene, polytetrafluoroethylene Containing polymer (or polymer), superalloy, zircaloy, steel (or steel), gold, silver, copper, tungsten, molybdenum, tantalum, kovar (KOV)
AR), Kevlar, Kapton, Mylar, brass, sapphire, etc. When light-based technology (or light-related technology) is required in the sample handling process, high quality glass such as high melting point borosilicate or fused silica is preferred for UV transparency of the glass. obtain. Further, as outlined herein, the inner surface of the device is optionally such that a binding ligand can be attached to it to reduce biocompatibility or nonspecific binding to flow resistance. Various coatings may be applied.

【0076】 好ましい態様では、固体の支持体は、米国特許出願番号09/235081;
09/337086;09/464490;09/492013;09/466
325;09/460281;09/460283;09/387691;09
/438600;09/506178および09/458534に概説されてい
るようなセラミックス材料を有して成り、本明細書ではそのまま引用することに
より組み込まれている。この態様では、このデバイスは、実質的にモノリシック
構造を形成させるために、積層され、一体に焼結されたグリーンシートの層から
形成されている。グリーンシートは、ガラス、ガラスセラミック、セラミックあ
るいはそれらの混合物の無機粒子を含むコンポジット材料であり、ポリマーバイ
ンダー中で分散され、また可塑剤および分散剤のような添加剤を含んでいても良
い。そのグリーン・シートは、好ましくは、厚さ50〜250ミクロンのシート
形状である。セラミック粒子は、典型的には、酸化アルミニウムまたは酸化ジル
コニウムのような金属酸化物である。ガラス−セラミック粒子を含むこのような
グリーンシートの例としては、E.I.デュポン・ド・ネモアーズ・アンド・カ
ンパニー(E.I.Du Pont de Nemours and Comp
any)により販売されている「AX951」がある。酸化アルミニウム粒子を
含むグリーンシートの例としては、フェロ社(Ferro Crop)から販売
されている「フェロアルミナ(Ferro Alumina)」がある。グリー
ンシートの組成は、特定の用途に適合するように客先で配合(custom f
ormulate)しても良い。グリーンシート層を一体に積層し、焼成させて
、実質的にモノシリックな多層積層構造を形成させる。セラミックのグリーンシ
ートの製造、加工および用途は、リチャード・E・ミスチヤー(Richard
E.Mistler)の「テープ鋳造(Tape Casting):電子産
業のニーズを満たす基礎プロセス(The Basic Process fo
r Meeting the Needs of Electronics I
ndustry)」セラミック・ブレチン(Ceramic Bulletin
)、69巻(No.6)1022−26(1990)および米国特許番号399
1029(引用することにより本明細書に組み込まれている)中で、一般的に説
明されている。
In a preferred embodiment, the solid support is US patent application Ser. No. 09/235081;
09/337086; 09/464490; 09/492013; 09/466
325; 09/460281; 09/460283; 09/387691; 09
/ 438600; 09/506178 and 09/458534, which are incorporated herein by reference in their entirety. In this aspect, the device is formed from layers of green sheets that are laminated and sintered together to form a substantially monolithic structure. The green sheet is a composite material containing inorganic particles of glass, glass ceramics, ceramics or mixtures thereof, dispersed in a polymeric binder and may also contain additives such as plasticizers and dispersants. The green sheet is preferably in sheet form with a thickness of 50-250 microns. Ceramic particles are typically metal oxides such as aluminum oxide or zirconium oxide. Examples of such green sheets containing glass-ceramic particles include E.I. I. DuPont de Nemours and Company (EI Du Pont de Nemours and Comp
There is "AX951" sold by Any. An example of a green sheet containing aluminum oxide particles is "Ferro Alumina" sold by Ferro Crop. The composition of the green sheet is customized by the customer to suit the specific application.
It is also possible to do). The greensheet layers are laminated together and fired to form a substantially monolithic multilayer laminate structure. The production, processing and application of ceramic green sheets is carried out by Richard E. Richard.
E. Mistler's “Tape Casting: The Basic Process fo” that meets the needs of the electronics industry.
r Meeting the Needs of Electronics I
ndustry "Ceramic Bulletin (Ceramic Bulletin)
), Volume 69 (No. 6) 1022-26 (1990) and U.S. Pat. No. 399.
1029 (incorporated herein by reference).

【0077】 (デバイス100および200として図27〜図30に示したデバイスのよう
な)デバイスを製造する方法は、好ましくは厚さ50〜250ミクロンのグリー
ンシートのシートを供給することから始める。必要に応じて、より小さなデバイ
スあるいはより大きなデバイスが使用されるが、このグリーンシートのシートは
典型的には従来の加工では6インチ×6インチのような所望の大きさにカットさ
れている。所望の構造を形成させるために、各グリーンシート層を、バイアス(
vias)、溝型(またはチャネル)、キャビテイ(cavity)などの種々
の技術を用いて、最終多層構造中で表面加工(texture)してよい。
The method of manufacturing a device (such as the devices shown in FIGS. 27-30 as devices 100 and 200) begins by providing a sheet of green sheet, preferably 50-250 microns thick. Sheets of this greensheet are typically cut into desired sizes, such as 6 inches by 6 inches, in conventional processing, although smaller or larger devices may be used as desired. Each greensheet layer is biased () to form the desired structure.
Various techniques such as vias, channels (or channels), cavities, etc. may be used to texture the final multilayer structure.

【0078】 グリーンシートを作るために、種々の技術を用いてもよい。例えば、グリーン
シート層の部分は、バイアスあるいは溝型を形成するために打ち抜かれる(また
はパンチされる、punch)。この操作は、パシフィック・トリネチック社(
Pacific Trinetics Corp.)のモデルAPS8718自
動パンチングシステム(Model APS−8718 Automated
Punch System)のような従来の多層セラミックパンチを用いて行な
われる。材料の1部を打ち抜く替わりに、溝型およびウェルのような形状(fe
ature)によって、所望の構造のネガ像(またはネガティブ・イメージ、n
egative image)を持つエンボス板に対して、グリーンシートを押
しつけることにより、グリーンシートの表面に浮き彫り細工を施してもよい(ま
たはエンボスもしくは型押してもよい、emboss)。また、このような細工
(または表面加工、texturing)は、パシフィック・トリネチック社の
LVS−3012等のシステムにより、レーザーを有するレーザー装置(または
レーザー設備)により達成しても良い。
Various techniques may be used to make the green sheets. For example, portions of the greensheet layer are punched (or punched) to form a bias or groove pattern. This operation is carried out by Pacific Trinetics (
Pacific Trends Corp. ) Model APS-8718 Automated Punching System (Model APS-8718 Automated)
It is performed using a conventional multilayer ceramic punch such as the Punch System). Instead of punching out a portion of the material, groove-like and well-like shapes (fe
A negative image of the desired structure (or negative image, n
The surface of the green sheet may be embossed (or may be embossed or embossed) by pressing the green sheet against an embossed plate having an aggressive image. Further, such work (or surface processing, texturing) may be achieved by a laser device (or laser equipment) having a laser by a system such as LVS-3012 manufactured by Pacific Trinetics.

【0079】 そして、各々の細工を施した(または表面加工された)グリーンシート層に対
して、多種類の材料を好ましくは厚膜ペーストの形状で用いても良い。例えば、
グリーンシート層上に金属含有厚膜ペーストを蒸着(または付着、deposi
t)させて、電気伝導性の経路を提供しても良い。厚膜ペーストは、典型的には
、有機ビヒクル(または有機賦形剤、organic vehicle)中に分
散する粉末の形状で、金属あるいは誘電体のような所望の材料を含んでいても良
いし、さらにこのペーストは、スクリーン印刷法のような所望の蒸着技術に対し
て適当な粘度をもつように構成されている。この有機ビヒクルは、樹脂、溶媒、
界面活性剤、および流動制御剤を含んでいても良い。厚膜ペーストも、焼結に適
するようにガラス・フリット等のフラックスを少量含んでいても良い。この厚膜
技術は、J.D.プロヴァンス(J.D.Provance)、「厚膜材料の特
性レビュー(Performance Review of Thick Fi
lm Materials)」絶縁/回路(1977年4月)、およびモートン
.L.トファー(Morton L.Topfer)、「厚膜マイクロエレクト
ロニクス、組み立て、設計、応用(Thick Film Microelec
tronics、Febrication、Design and Appli
cations)」(1977年)41−59頁(引用することにより本明細書
に組み込まれている)にて更に記載されている。
Then, various kinds of materials may be used, preferably in the form of a thick film paste, for each of the crafted (or surface-treated) green sheet layers. For example,
A metal-containing thick film paste is deposited (or deposited, deposi) on the green sheet layer.
t) to provide an electrically conductive path. Thick film pastes may typically include a desired material such as a metal or a dielectric, in the form of a powder that is dispersed in an organic vehicle (or organic vehicle). The paste is constructed to have the proper viscosity for the desired vapor deposition technique such as screen printing. This organic vehicle contains resin, solvent,
It may contain a surfactant and a flow control agent. The thick film paste may also contain a small amount of flux such as glass frit so as to be suitable for sintering. This thick film technology is described in J. D. Provence, “Performance Review of Thick Fi
lm Materials ”Isolation / Circuit (April 1977), and Morton. L. Morton L. Topfer, “Thick Film Microelectronics, Assembly, Design, Applications (Thick Film Microelec)
tronics, February, Design and Appli
"Cations)" (1977) pp. 41-59 (incorporated herein by reference).

【0080】 厚膜ペースト中に存在する有機ビヒクルの量を調節することによって、生成し
た厚膜の多孔性を調節できる。詳しくは、厚膜ペースト中の有機ビヒクルの割合
を増加することによって、厚膜の多孔性を増加させることができる。同様に、有
機バインダーの割合を増加させることによって、グリーンシート層の多孔性を増
加させることができる。厚膜およびグリーンシート層の多孔性を増加させる他の
方法は、有機ビヒクル、有機バインダー中で、有機ビヒクル中に溶解しない別の
有機相中を分散させることである。ポリマーの微小粒子(またはマイクロ球、m
icrosphere)は、この目的のために有利に使用できる。
By adjusting the amount of organic vehicle present in the thick film paste, the porosity of the thick film produced can be adjusted. In particular, the porosity of the thick film can be increased by increasing the proportion of organic vehicle in the thick film paste. Similarly, increasing the proportion of organic binder can increase the porosity of the greensheet layer. Another way to increase the porosity of thick film and greensheet layers is to disperse them in an organic vehicle, an organic binder, in another organic phase that is not soluble in the organic vehicle. Polymer microparticles (or microspheres, m
Microspheres) can advantageously be used for this purpose.

【0081】 電気伝導性の経路を加えるために、厚膜ペーストは、典型的には、銀、白金、
パラジュウム、金、銅、タングステン、ニッケル、スズ、またはそれらの合金の
ような金属粒子を含む。銀ペーストが好ましい。適当な銀ペーストの例は、イー
.アイ.デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニイにより販売されている
銀導電性組成物No.7025および7713である。
To add an electrically conductive pathway, the thick film paste is typically silver, platinum,
Includes metal particles such as palladium, gold, copper, tungsten, nickel, tin, or alloys thereof. Silver paste is preferred. An example of a suitable silver paste is E.I. Eye. Silver conductive composition No. 7 sold by DuPont de Nemours and Company. 7025 and 7713.

【0082】 厚膜ペーストは、スクリーン印刷によりグリーンシート層に好ましく用いられ
る。スクリーン印刷プロセスでは、厚膜ペーストは、グリーンシート層に対応す
るパターンで沈着するように、パターン形成されたシルクスクリーンを通して押
しつけられる。典型的には、シルクスクリーン・パターンは、露光することによ
り写真法でマスクに形成される。このようにして、導電性のトレースは、グリー
ンシート層の表面に付与される。グリーンシート層に存在するバイアスは、厚膜
−充填ペーストで充填しても良い。電気伝導性の材料を含む厚膜ペーストで充填
されていると、このバイアスは、層間の電気的接続を提供するように作用する。
The thick film paste is preferably used for the green sheet layer by screen printing. In the screen printing process, the thick film paste is pressed through a patterned silk screen to deposit in a pattern corresponding to the greensheet layer. Typically, the silkscreen pattern is photolithographically formed in the mask by exposure. In this way, conductive traces are applied to the surface of the greensheet layer. The bias present in the green sheet layer may be filled with a thick film-filling paste. When filled with a thick film paste containing an electrically conductive material, this bias acts to provide an electrical connection between the layers.

【0083】 所望の構造が、グリーンシートの各層に形成された後、接着層が、グリーンシ
ートのどちらか一方の表面に付与されることが好ましい。好ましくは、接着剤は
室温接着剤である。このような室温接着剤は、室温以下、即ち約20℃以下のガ
ラス転移点をもつから、室温で基板を結合する事が出来る。さらに、化学変化を
受けること、あるいは基板の成分と化学反応すること、あるいは基板の成分を溶
解することよりもむしろ、そのような室温接着剤は、基板表面にまで侵入してい
くことにより、基板を一体に接合する。ときには、室温接着剤は、「感圧接着剤
」とも呼ばれる。適当な室温接着剤は、典型的には、水系エマルジョンとして供
給され、ローム・アンド・ハース社およびエア・プロダクト(Air Products)社
から入手できる。例えば、エアプロダクト社から「フレックスクリル(Flexcryl
)1653」として販売されている材料は、具合良く作用することが解った。
After the desired structure is formed in each layer of the green sheet, it is preferable that the adhesive layer is applied to either surface of the green sheet. Preferably the adhesive is a room temperature adhesive. Since such a room temperature adhesive has a glass transition point below room temperature, that is, below about 20 ° C., it is possible to bond substrates at room temperature. Moreover, rather than undergoing a chemical change, or chemically reacting with a component of the substrate, or dissolving the component of the substrate, such room temperature adhesives penetrate the substrate surface, thereby causing Are joined together. Room temperature adhesives are sometimes also referred to as "pressure sensitive adhesives". Suitable room temperature adhesives are typically supplied as water-based emulsions and are available from Rohm and Haas and Air Products. For example, "Flexcryl" from Air Products
) 1653 "was found to work well.

【0084】 室温接着剤は、常套のコーティング技術でグリーンシートに適用(または塗布
)される。コーティングをしやすくするために、使用するコーティング技術、な
らびに出発材料の粘度および固形分に応じて、供給される感圧接着剤を水で希釈
することが、しばしば望ましい。コーティング後、室温接着剤は、乾燥させる。
室温接着剤の膜の乾燥厚さは、好ましくは1〜10ミクロンであり、また、厚さ
は、グリーンシートの全表面で均一であるべきである。15ミクロンを越える膜
厚さは、望ましくはない。このような接着剤の厚い膜の場合には、除去しなけれ
ばならない大量の有機材料のために、燃焼中にボイドあるいは剥離が起こる。乾
燥したとき、約0.5ミクロン以下のような膜では、層間の接着が不十分になる
から、薄すぎる。
The room temperature adhesive is applied (or applied) to the green sheet by conventional coating techniques. Depending on the coating technique used and the viscosity and solids of the starting materials, it is often desirable to dilute the supplied pressure sensitive adhesive with water to facilitate coating. After coating, the room temperature adhesive is dried.
The dry thickness of the room temperature adhesive film is preferably 1 to 10 microns and the thickness should be uniform over the entire surface of the greensheet. Film thicknesses above 15 microns are not desirable. With such thick films of adhesive, voids or delaminations occur during combustion due to the large amount of organic material that must be removed. When dried, a film of about 0.5 micron or less is too thin because of poor adhesion between layers.

【0085】 従来のコーティング技術の中から、スピンコーティングおよびスプレー法が、
好ましい方法である。スピンコーテイングを使用する場合、10gの「フレック
スクリル(1653)」に対して、1gの脱イオン水を添加することが好ましい
。スプレー法を使用する場合、噴霧しやすくするために、さらに高い希釈レベル
が好ましい。さらに、室温接着剤を噴霧する場合には、グリーンシート上に接着
剤が沈着したときに材料がすぐに乾燥するように、高い温度、例えば60〜70
℃にグリーンシートを保持することが好ましい。瞬間乾燥は、より均一で均質な
接着剤膜をもたらす。
Among conventional coating techniques, spin coating and spraying are
This is the preferred method. When using spin coating, it is preferable to add 1 g of deionized water to 10 g of "Flexcryl (1653)". When using the spray method, higher dilution levels are preferred for ease of atomization. Furthermore, when spraying the room temperature adhesive, a high temperature, for example 60-70, is used so that the material dries immediately when the adhesive is deposited on the green sheet.
It is preferable to keep the green sheet at ℃. Flash drying results in a more uniform and homogeneous adhesive film.

【0086】 室温接着剤をグリーンシート層に適用した後、この膜を重ね合わせ、多層グリ
ーンシート構造体を形成する。各層の構造間で所望の位置合わせを維持するよう
に、この層は、整列金型(または位置合わせダイ)中に積み重ねることが好まし
い。この整列金型を使用するとき、整列穴を各グリーンシート層に加えなければ
ならない。室温接着剤を使用する場合、典型的には、重ね合わせプロセスのみが
、グリーンシート層を一体に結合するのに十分である。換言すれば、層を一体に
結合させるのに、ほとんど圧力を必要としないか、全く必要としない。しかしな
がら、層の結合をより確実なものとするために、層を積み重ねた後にそれらを一
緒にラミネートすることが好ましい。
After applying the room temperature adhesive to the greensheet layer, the films are laminated to form a multilayer greensheet structure. The layers are preferably stacked in an alignment mold (or alignment die) to maintain the desired alignment between the structures of each layer. When using this alignment mold, alignment holes must be added to each greensheet layer. When using room temperature adhesives, typically only the overlay process is sufficient to bond the greensheet layers together. In other words, little or no pressure is required to bond the layers together. However, in order to make the bonding of the layers more secure, it is preferred to stack the layers and then laminate them together.

【0087】 ラミネート・プロセスは、積み重ねられた層に対して圧力を加えることを含む
。例えば、常套のラミネート・プロセスでは、約1000〜1500psiの1
軸方向の圧力が、積み重ねられたグリーンシート層に対して加えられ、その後7
0℃のような高い温度で、約10〜15分間、約3000〜5000psiの均
衡圧力(または等圧)が加えられる。常套のラミネート・プロセスを使用すると
きには、グリーンシート層を結合するのに接着剤を用いる必要が無い。
The laminating process involves applying pressure to the stacked layers. For example, in the conventional laminating process, about 1000-1500 psi 1
Axial pressure is applied to the stacked greensheet layers, then 7
At elevated temperature, such as 0 ° C., an equilibrium pressure (or isobar) of about 3000-5000 psi is applied for about 10-15 minutes. There is no need to use an adhesive to bond the greensheet layers when using the conventional laminating process.

【0088】 しかしながら、内部又は外部のキャビテイおよびチャンネルのような構造の寸
法(またはディメンジョン)にわたって、良好な制御を行うためには、2500
psi以下の圧力が好ましい。キャビテイおよびチャンネルのような、より大き
い構造の形成を許容するためには、さらにより低い圧力がより好ましい。例えば
、2500psiのラミネート圧力を使用すると、形の良い内部キャビテイおよ
びチャンネルのサイズは、ほぼ20ミクロン以下に制限される。したがって、1
000psi未満の圧力は、ある程度寸法が制御されて、約100ミクロンより
大きなサイズを持つ構造が形成されることを可能にするから、より好ましい。3
00psi未満の圧力は、ある程度寸法が制御されて、250ミクロンより大き
なサイズを持つ構造が形成されることを可能にするから、さらにより好ましい。
ここでは「ゼロ近傍の圧力」としている100psi未満の圧力は、多層構造物
中に形成され得る内部および外部のキャビテイおよびチャンネルのサイズに関し
て、このような圧力では殆ど制約が存在しないことから、最も好ましい。
However, for good control over the dimensions (or dimensions) of structures such as internal or external cavities and channels, 2500
Pressures below psi are preferred. Even lower pressures are more preferred to allow the formation of larger structures such as cavities and channels. For example, using a lamination pressure of 2500 psi limits the size of well-formed internal cavities and channels to approximately 20 microns or less. Therefore, 1
Pressures less than 000 psi are more preferred as they allow some dimensional control to form structures with sizes greater than about 100 microns. Three
Pressures below 00 psi are even more preferred as they allow some dimensional control to form structures with sizes greater than 250 microns.
A pressure of less than 100 psi, referred to herein as a "near zero pressure", is most preferred, as there is little constraint on such internal and external cavities and channel sizes that can be formed in the multilayer structure at such pressures. .

【0089】 ラミネート・プロセスにおいて、圧力は、1軸方向プレスにより適用すること
が好ましい。
In the laminating process, pressure is preferably applied by uniaxial pressing.

【0090】 別法として、100psi未満の圧力は手で加えてよい。半導体素子組み立て
のように、多くのデバイスが各シートに存在していてよい。
Alternatively, a pressure below 100 psi may be applied manually. Many devices may be present on each sheet, such as semiconductor device assembly.

【0091】 したがって、ラミネート後、多層構造物は、個々のデバイスを分離するために
、常套のグリーンシートダイシング装置あるいは切断装置を用いて、さいの目に
切ってもよい。室温接着剤により付与された高いレベルのピーリング耐性および
せん断抵抗のために、ダイシング工程で、エッジからの層剥離が起こることはほ
とんどない。ダイシングの後、数層がエッジ近辺で分離した場合、デバイスの残
りの部分に悪影響を与えることなく、影響を受けたエッジに手で圧力を加えるこ
とにより、簡単に再積層ができる。
Thus, after lamination, the multi-layer structure may be diced using conventional green sheet dicing or cutting equipment to separate the individual devices. Due to the high level of peeling resistance and shear resistance imparted by the room temperature adhesive, delamination from the edges rarely occurs during the dicing process. If, after dicing, several layers separate near the edge, they can be easily re-laminated by manually applying pressure to the affected edge without affecting the rest of the device.

【0092】 最終加工工程は、積層された多層グリーンシート構造物を「グリーン状態」か
ら転換して、完成された実質的にモノリシックな多層積層構造物を形成するため
に、焼成する(または火に当てる)ことである。この焼成工程は、温度が上昇す
るにしたがって、2つの重要な段階で起きる。第1の重要な段階は、250〜5
00℃の温度範囲で起きるバインダー焼尽(またはバーンアウト)段階であり、
この間グリーンシート層中のバインダーおよび適用された厚膜ペースト中の有機
成分のような他の有機材料は、構造物から除去される。
The final processing step is firing (or burning) to convert the laminated multi-layer greensheet structure from the “green state” to form the completed substantially monolithic multi-layer laminated structure. That's right). This firing process occurs in two important stages as the temperature increases. The first important step is 250-5
A binder burnout (or burnout) stage that occurs in the temperature range of 00 ° C.,
During this time, the binder in the greensheet layer and other organic materials such as organic components in the applied thick film paste are removed from the structure.

【0093】 次の重要な段階、すなわち、より高温で起きる焼結段階では、多層構造物が緻
密になり、実質的にモノリシックになるように、無機粒子が一緒に焼結する。使
用される焼結温度は、グリーンシートに存在する無機粒子の性質に応じて決まる
。多くのタイプのセラミックに対して、適当な焼結温度は、材料にもよるが、9
50〜1600℃の範囲である。例えば、酸化アルミニウムを含むグリーンシー
トに対しては、1400〜1600℃の焼結温度が、代表的である。窒化シリコ
ン、窒化アルミニウムおよび炭化シリコンなどのような他のセラミック材料は、
さらに高温の焼結温度、すなわち1700〜2200℃を必要とする。ガラスセ
ラミック粒子を持つグリーンシートに対しては、750〜950℃の焼結温度が
一般的である。ガラス粒子は、一般的にただ約350〜700℃だけの範囲の焼
結温度を必要とする。最後に、金属粒子は、金属にもよるが、概して550〜1
700℃の範囲の焼結温度を必要とする。
In the next important step, the sintering step that occurs at higher temperatures, the inorganic particles are sintered together so that the multilayer structure becomes compact and substantially monolithic. The sintering temperature used depends on the nature of the inorganic particles present in the greensheet. For many types of ceramics, the appropriate sintering temperature depends on the material, but 9
It is in the range of 50 to 1600 ° C. For example, a sintering temperature of 1400 to 1600 ° C. is typical for a green sheet containing aluminum oxide. Other ceramic materials such as silicon nitride, aluminum nitride and silicon carbide,
Further higher sintering temperatures are required, i.e. 1700-2200 ° C. For green sheets with glass-ceramic particles, sintering temperatures of 750-950 ° C are common. Glass particles generally require sintering temperatures in the range of only about 350-700 ° C. Finally, the metal particles, depending on the metal, generally range from 550 to 1
A sintering temperature in the range of 700 ° C. is required.

【0094】 典型的には、デバイスは、材料にもよるが、約4時間〜約12時間の間、焼成
される。一般的に、構造物から有機材料を除去するために、また無機粒子を完全
に焼結するために、充分な期間、焼成を続けるべきである。特に、ポリマーが、
グリーンシート中にバインダーとして存在し、かつ室温接着剤中に存在する。こ
れらのポリマーを分解し、また多層構造物からそれらを除去するために、十分な
温度と時間で焼成すべきである。
Typically, the device is fired for about 4 hours to about 12 hours, depending on the material. Generally, firing should be continued for a sufficient period of time to remove the organic material from the structure and to completely sinter the inorganic particles. In particular, the polymer
It is present as a binder in the green sheet and in the room temperature adhesive. Sufficient temperature and time should be used to decompose these polymers and to remove them from the multilayer structure.

【0095】 典型的には、多層構造物は、焼成プロセスの間に体積減少することとなる。バ
インダー焼尽段階の間、約0.5%〜1.5%の体積減少が通常観察される。よ
り高い温度では、焼結段階の間に、約14%〜17%の更なる体積減少が一般的
に観察される。
Typically, the multilayer structure will undergo a volume reduction during the firing process. During the binder burn-out stage, a volume loss of about 0.5% to 1.5% is usually observed. At higher temperatures, further volume reduction of about 14% to 17% is generally observed during the sintering stage.

【0096】 一方、焼成による体積変化は、制御できる。特に、グリーンシートおよび厚膜
ペーストのような、2つの材料中での体積変化を一致させるために、(1)粒子
の大きさ;(2)燃焼工程中に除去される有機成分(例えばバインダー)のパー
センテージ(または割合)を合わせるべきである。さらに、体積変化は、正確に
合わせる必要はないが、不一致はいずれも、デバイス中に内部応力をもたらす。
しかし、デバイスの両側に同一の材料あるいは構造を配置するという対称加工は
、ある程度まで材料の収縮の不一致を吸収できる。焼結温度または体積変化のい
ずれかにおいてずれが大きすぎると、幾つかの又は全てのデバイスの欠陥または
破損を招く。例えば、デバイスが、その個々の層に分離することがあり、あるい
は曲がったり、ねじれたりすることがある。
On the other hand, the volume change due to firing can be controlled. In particular, (1) particle size; (2) organic components (eg, binders) removed during the combustion process to match volume changes in two materials, such as green sheets and thick film pastes. The percentages (or proportions) of should be combined. In addition, the volume changes need not be precisely matched, but any mismatch will result in internal stress in the device.
However, the symmetrical processing of placing the same material or structure on both sides of the device can absorb the material shrinkage mismatch to some extent. Excessive misalignment in either sintering temperature or volume change can lead to defects or damage to some or all devices. For example, the device may separate into its individual layers, or may bend or twist.

【0097】 上記したように、グリーンシート層に添加される異種材料は、グリーンシート
層とともに共焼成されるのが好ましい。このような異種材料は、厚膜ペーストと
して、または他のグリーンシート層として添加したり、あるいは焼結後組み立て
工程で後に添加してもよい。共焼成の利点は、添加した材料が、グリーンシート
層に焼結され、一体となって実質的にモノシリックなマイクロ流動デバイス(Mi
crofluidic device)となることである。しかしながら、共焼成可能であるため
には、添加される材料は、グリーンシート層と一致する焼結温度および焼成に起
因する体積変化を有するべきである。焼結温度は、主として材料依存性であり、
このため焼結温度を一致させることは、ただ単に材料の適切な選択を必要とする
。例えば、銀は、電気伝導性の経路を提供するための好ましい金属であるが、も
しグリーンシート層が、1400〜1600℃の範囲の焼結温度を必要とするア
ルミナ粒子を含んでいると、銀の融点(961℃)が相対的に低いために、白金
のような他の金属を使用しなければならない。
As described above, the different materials added to the green sheet layer are preferably co-fired with the green sheet layer. Such dissimilar materials may be added as a thick film paste, or as another greensheet layer, or later in the post-sintering assembly process. The advantage of co-firing is that the added material is sintered into the greensheet layer and is integrated into a substantially monolithic microfluidic device (Mi
crofluidic device). However, to be co-fireable, the added material should have a sintering temperature and volume change due to firing that is consistent with the greensheet layer. The sintering temperature is mainly material dependent,
Therefore, matching the sintering temperatures simply requires proper selection of materials. For example, silver is the preferred metal for providing an electrically conductive pathway, but if the greensheet layer contains alumina particles that require sintering temperatures in the range of 1400-1600 ° C, silver Due to its relatively low melting point (961 ° C.), other metals such as platinum must be used.

【0098】 別法として、他の基板の追加あるいは2つの焼結後のピースの結合を、種々の
接着技術を用いて行うことが出来る。例えば、デバイスの「半分」を2つ、接着
するか、融着することが出来る。例えば、特定の検出プラットフォーム、および
高温で不安定なヒドロゲルまたは生物学的成分のような試薬混合物を、2つの「
半分」のものの間にサンドイッチすることもできる。別法として、開放チャンネ
ルまたはくぼみ(またはウェル;well)を含むセラミックデバイスを作り、追加
の基板または材料をデバイスの中に置き、その後それらを他の材料でシールして
もよい。
Alternatively, the addition of another substrate or the joining of the two post-sintered pieces can be done using various bonding techniques. For example, two "halves" of the device can be glued or fused together. For example, specific detection platforms and reagent mixtures such as high temperature labile hydrogels or biological components may be combined with two "
You can even sandwich between "half" ones. Alternatively, a ceramic device containing open channels or depressions (or wells) may be made and additional substrates or materials placed in the device after which they are sealed with other materials.

【0099】 基板は、捕獲結合リガンドのアレイからなる。当業者に理解されるように、い
ずれの数の異なる捕獲結合リガンドまたは捕獲プローブ(標的検体が核酸である
とき)を使用でき、種々様々なフォーマットで使用できる。好ましい態様は、マ
イクロ電極アレイまたはヒドロゲルアレイを利用する。これらは公知の技術であ
り、例えば、米国特許出願番号09/458553;09/458501;09
/572187;09/495992;09/344217;WO00/311
48;09/439889;09/438209;09/344620;PCT
US00/17422;09/478727に開示されており、全てこれらは、
明白に引用により全体が組み入れられる。
The substrate consists of an array of capture binding ligands. As will be appreciated by those in the art, any number of different capture binding ligands or probes (when the target analyte is a nucleic acid) can be used and can be used in a wide variety of formats. Preferred embodiments utilize microelectrode arrays or hydrogel arrays. These are known techniques, for example, U.S. patent application Ser. Nos. 09 / 458,553; 09/458501; 09.
/ 572187; 09/495992; 09/344217; WO00 / 311
48; 09/439889; 09/438209; 09/344620; PCT
US00 / 17422; 09/478727, all of which
Explicitly incorporated by reference in its entirety.

【0100】 本発明のいくつかの態様において、プローブは、約10〜約30のヌクレオチ
ド残基を含む配列を有するオリゴヌクレオチドプローブであり、そこでは、該プ
ローブは、マイクロ電極と接している共役ポリマーあるいは共重合体に付着させ
られている。プローブアタッチメントに使用される共役ポリマーあるいは共重合
体は、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン、ポリピリジ
ン、ポリカルバゾール、ポリフェニレン、ポリ(フェニレンビニレン)、ポリフ
ルオレン、ポリインドール、それらの誘導体、それらの共重合体、およびそれら
の組み合わせを含むが、これらに限定されるものではない。好ましい態様では、
オリゴヌクレオチドプローブは、中性のポリピロールマトリックスを介してマイ
クロ電極に付けられる。
In some aspects of the invention, the probe is an oligonucleotide probe having a sequence comprising from about 10 to about 30 nucleotide residues, wherein the probe is a conjugated polymer in contact with a microelectrode. Alternatively, it is attached to the copolymer. Conjugated polymers or copolymers used for probe attachment include polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyfuran, polypyridine, polycarbazole, polyphenylene, poly (phenylene vinylene), polyfluorene, polyindole, their derivatives, and their copolymers. , And combinations thereof, but are not limited thereto. In a preferred embodiment,
The oligonucleotide probe is attached to the microelectrode through a neutral polypyrrole matrix.

【0101】 本発明の他の態様では、プローブは、約10〜約30のヌクレオチド残基を含
む配列を有するオリゴヌクレオチドプローブであって、該プローブは、マイクロ
電極と接しているポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付着させられている。
In another aspect of the invention, the probe is an oligonucleotide probe having a sequence comprising from about 10 to about 30 nucleotide residues, the probe comprising a polyacrylamide gel contacting a microelectrode. It is attached to the pad.

【0102】 当該分野で知られているように、試料は、種々の方法で調製され、かつ本発明
のデバイスに適用される。好ましい態様は、ECA標識の使用を必要としないシ
ステムの使用を指向しており、図1から14および実施例1から6を参照にして
、以下に説明する。
As is known in the art, samples are prepared by various methods and applied to the devices of the invention. The preferred embodiment is directed to the use of a system that does not require the use of ECA labeling and is described below with reference to Figures 1-14 and Examples 1-6.

【0103】 この態様では、本発明の装置と方法を、ここでマイクロ電極上で固定化したオ
リゴヌクレオチドプローブと、生物試料中に含まれる標的核酸分子との間のハイ
ブリダイゼーション(またはハイブリッド形成)を用いて説明する。核酸のホス
フェート基は、生物学的に関係する全てのpH値において、負に帯電している。
このようにして、核酸の二重鎖(nucleic acid duplex)は、高い負の電荷密度
を持っている。核酸の電気的摂動に続いて、金属イオンの核酸へのインタカレー
ションあるいは結合のような強い相互作用が起きる。これらの相互作用は、核酸
の構造と電荷密度に依存している。(プローブのような)核酸分子の構造と電気
的性質は、プローブが適当な標的分子とハイブリダイズするときに変化するので
、この分子相互作用の結果は、ACインピーダンスの変化となる。この変化を本
発明の装置および方法において用いて、固定化されたオリゴヌクレオチドプロー
ブと標的核酸分子との間の「完全な」ハイブリダイゼーションと、不完全な又は
「ミスマッチ」なハイブリダイゼーションとを識別する。
In this aspect, the device and method of the present invention provides for hybridization (or hybridization) between an oligonucleotide probe, now immobilized on a microelectrode, and a target nucleic acid molecule contained in a biological sample. It demonstrates using. The phosphate groups of nucleic acids are negatively charged at all biologically relevant pH values.
In this way, the nucleic acid duplex has a high negative charge density. Following electrical perturbation of the nucleic acid, strong interactions such as intercalation or binding of metal ions to the nucleic acid occur. These interactions depend on the structure and charge density of the nucleic acid. The result of this molecular interaction is a change in AC impedance, since the structure and electrical properties of nucleic acid molecules (such as probes) change as the probe hybridizes to the appropriate target molecule. This change is used in the devices and methods of the invention to discriminate between "perfect" and imperfect or "mismatch" hybridizations between immobilized oligonucleotide probes and target nucleic acid molecules. .

【0104】 1つの態様では、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接触している、プロ
ーブが固定化された複数のマイクロ電極、支持基板と接触している少なくとも1
つの対電極、各マイクロ電極における電気インピーダンス生成手段、標的分子の
存在下または不存在下における各マイクロ電極でのインピーダンス変化の検出手
段、および前記複数のマイクロ電極と接触している電解質溶液を含む。
In one aspect, the device of the invention comprises a support substrate, a plurality of microelectrodes having a probe immobilized thereon, in contact with the support substrate, at least one in contact with the support substrate.
One counter electrode, an electrical impedance generating means at each microelectrode, a means for detecting impedance change at each microelectrode in the presence or absence of a target molecule, and an electrolyte solution in contact with the plurality of microelectrodes.

【0105】 別の態様では、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接触している複数のマ
イクロ電極、マイクロ電極と接触しかつプローブが固定化されている複数のポリ
アクリルアミド・ゲル・パッド、支持基板と接触している少なくとも1つの対電
極、各マイクロ電極における電気インピーダンス生成手段、標的分子の存在下あ
るいは不存在下における各マイクロ電極でのインピーダンス変化の検出手段、お
よび前記複数のマイクロ電極と接触している電解質溶液を含む。
In another aspect, the device of the invention comprises a support substrate, a plurality of microelectrodes in contact with the support substrate, a plurality of polyacrylamide gel pads in contact with the microelectrodes and having probes immobilized thereon. , At least one counter electrode in contact with the supporting substrate, electric impedance generating means in each microelectrode, means for detecting impedance change in each microelectrode in the presence or absence of a target molecule, and the plurality of microelectrodes With an electrolyte solution in contact with.

【0106】 1つの態様において、装置は、オリゴヌクレオチドプローブが付着させられた
マイクロ電極を少なくとも5個、単一基板上に含むマイクロ・アレイ(または配
列)である。あるいは、配列されたオリゴヌクレオチドプローブは、本発明の装
置のマイクロ電極と接しているポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付着させら
れる。最も好ましくは、特定のヌクレオチド配列を有するオリゴヌクレオチド、
または関連する(例えば、オーバーラップした)ヌクレオチド配列を有するオリ
ゴヌクレオチドの群が、複数のマイクロ電極の各々で固定化されている。さらに
好ましい態様では、各マイクロ電極で固定化されたオリゴヌクレオチドのヌクレ
オチド配列、および特定のマイクロ電極とそれに固定化されたオリゴヌクレオチ
ドのヌクレオチド配列との間の同一性と対応がわかる。
In one embodiment, the device is a microarray (or array) comprising at least five microelectrodes having oligonucleotide probes attached to them on a single substrate. Alternatively, the arrayed oligonucleotide probes are attached to a polyacrylamide gel pad in contact with the microelectrodes of the device of the invention. Most preferably, an oligonucleotide having a particular nucleotide sequence,
Alternatively, groups of oligonucleotides with related (eg, overlapping) nucleotide sequences are immobilized on each of the plurality of microelectrodes. In a further preferred embodiment, the nucleotide sequence of the oligonucleotide immobilized on each microelectrode and the identity and correspondence between the particular microelectrode and the nucleotide sequence of the oligonucleotide immobilized on it are known.

【0107】 好ましい態様において、プローブは、約10〜約100のヌクレオチド残基を
含むオリゴヌクレオチドであり、より好ましくは約10〜約50のヌクレオチド
残基を含むオリゴヌクレオチドであり、最も好ましくは約15〜約30のヌクレ
オチド残基を含むオリゴヌクレオチドである。別の態様では、プローブは、約1
0〜約5000の塩基対を含む核酸であり、より好ましくは約00〜約1000
の塩基対を含む核酸であり、最も好ましくは約200〜約500の塩基対を含む
核酸である。さらに好ましい態様では、固定化されているプローブは、約5〜約
500アミノ酸の残基を含むペプチドである。
In a preferred embodiment, the probe is an oligonucleotide containing from about 10 to about 100 nucleotide residues, more preferably an oligonucleotide containing from about 10 to about 50 nucleotide residues, and most preferably about 15 nucleotides. Is an oligonucleotide containing about 30 nucleotide residues. In another aspect, the probe is about 1
A nucleic acid containing 0 to about 5000 base pairs, more preferably about 00 to about 1000.
Is a nucleic acid containing about 200 to about 500 base pairs. In a more preferred embodiment, the immobilized probe is a peptide containing residues of about 5 to about 500 amino acids.

【0108】 本発明の装置の好ましい態様では、基板は、シリコンから成る。別の態様では
、基板は、限定するものではないが、ガラス、プラスチック、ゴム、繊維、また
はセラミックを含む物質から作製される。マイクロ電極は、基板に埋め込まれて
おり、あるいは基板と接するように配置されている。
In a preferred embodiment of the device of the present invention, the substrate consists of silicon. In another aspect, the substrate is made from materials including, but not limited to, glass, plastic, rubber, fibers, or ceramics. The microelectrode is embedded in the substrate or arranged so as to be in contact with the substrate.

【0109】 好ましい態様では、マイクロ電極は、限定するものではないが、中実または多
孔質の形態であって、好ましくは箔もしくはフイルムである、金、銀、白金、チ
タンまたは銅のような金属、金属酸化物、金属窒化物、金属カーバイドあるいは
炭素を含む物質から作製される。ある好ましい態様では、このプローブは、限定
されるものではないが、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフ
ラン、ポリピリジン、ポリカルバゾール、ポリフェニレン、ポリ(フェニレンビ
ニレン)、ポリフルオレン、ポリインドール、それらの誘導体、それらの共重合
体、およびそれらの組み合わせを含む、共役ポリマーまたは共重合体に付着させ
られる。別の態様では、プローブは、マイクロ電極と接しているポリアクリルア
ミド・ゲル・パッドに付着させられている。
In a preferred embodiment, the microelectrode is a metal such as, but not limited to, gold, silver, platinum, titanium or copper, in solid or porous form, preferably a foil or film. It is made of a material containing metal oxide, metal oxide, metal nitride, metal carbide or carbon. In certain preferred embodiments, the probe includes, but is not limited to, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyfuran, polypyridine, polycarbazole, polyphenylene, poly (phenylene vinylene), polyfluorene, polyindole, their derivatives, and their derivatives. It is attached to conjugated polymers or copolymers, including copolymers, and combinations thereof. In another aspect, the probe is attached to a polyacrylamide gel pad in contact with the microelectrode.

【0110】 本発明の基板は、0.01mm〜5cmの表面積を有し、1〜1×10 個のマイクロ電極を含む。1つの態様では、基板は、100mmの表面積を有
し、かつ10個のマイクロ電極を含み、各マイクロ電極は、それに固定化され
た特定の配列を有するオリゴヌクレオチドを有している。他の態様において、基
板は、100mmの表面積を有し、かつ10個のマイクロ電極を含み、各マ
イクロ電極は、特定の配列を有するオリゴヌクレオチドが、それに固定化された
ポリアクリルアミド・ゲル・パッドと接触している。好ましい態様において、マ
イクロ電極は、0.05mm〜0.5mmの間隔で離れるように基板上に配列さ
れている。最も好ましくは、マイクロ電極は、電極間の間隔が一定となるように
、中実の基板上で規則的に間隔をあけて配置される。
The substrate of the present invention has a surface area of 0.01 mm 2 to 5 cm 2 and contains 1 to 1 × 10 8 microelectrodes. In one aspect, the substrate has a surface area of 100 mm 2 and comprises 10 4 microelectrodes, each microelectrode having an oligonucleotide having a particular sequence immobilized thereon. In another aspect, the substrate has a surface area of 100 mm 2 and comprises 10 4 microelectrodes, each microelectrode having a polyacrylamide gel gel having oligonucleotides having a specific sequence immobilized thereon. It is in contact with the pad. In a preferred embodiment, the microelectrodes are arranged on the substrate so as to be separated by a distance of 0.05 mm to 0.5 mm. Most preferably, the microelectrodes are regularly spaced on the solid substrate so that the spacing between the electrodes is constant.

【0111】 本発明のいくつかの態様では、マイクロ電極は、基板の表面から突出しており
、その突出は、基板表面から1×10−8〜1×10−5cmだけ延びている。
他の態様においては、マイクロ電極は、基板に埋め込まれて、基板表面にて露出
している導電性材料の平坦なディスクから成り、基板は、マイクロ電極間のスペ
ースで絶縁体として作用する。
In some aspects of the invention, the microelectrodes project from the surface of the substrate, the projections extending from the substrate surface by 1 × 10 −8 to 1 × 10 −5 cm.
In another aspect, the microelectrodes consist of a flat disk of conductive material embedded in the substrate and exposed at the substrate surface, the substrate acting as an insulator in the spaces between the microelectrodes.

【0112】 本発明の好ましい態様では、マイクロ電極は、金の導電体およびガラス絶縁体
を含む。他の態様では、マイクロ電極は、銀、白金、チタン、銅の中実または多
孔質の膜、あるいは金属酸化物、金属窒化物、金属カーバイドあるいは炭素(グ
ラファイト)のような導電性基板を含む。別の態様では、マイクロ電極は、基板
ならびに/あるいはガラス、シリコン、プラスチック、ゴム、ファブリック(も
しくは繊維製品)、またはセラミックなどの絶縁体基板を含んで成る。本発明の
マイクロ電極は、0.01mm〜5cmの露出した導電性表面を有する。好
ましい態様では、露出した導電性材料は、100〜10000mmである。本
発明の1つの態様は、図1Aに示されており、そこでは、マイクロ電極は、ガラ
スキャピラリ管1を含み、超微細な白金線2を含み、そこには遷移(または連絡
)ワイヤー3が、ハンダづけ6されている。遷移ワイヤー3は、次にフックアッ
プワイヤー4にハンダづけ6されており、ワイヤー4が、キャピラリ管をシール
しているエポキシプラグ5から突出している。本発明の1つの態様では、ポリア
クリルアミド・ゲル材料7が、白金線2の露出表面にエッチングにより形成され
た凹部(またはリセス;recess)に充填される。
In a preferred embodiment of the invention, the microelectrode comprises a gold conductor and a glass insulator. In other embodiments, the microelectrode comprises a solid or porous film of silver, platinum, titanium, copper, or a conductive substrate such as metal oxide, metal nitride, metal carbide or carbon (graphite). In another aspect, the microelectrode comprises a substrate and / or an insulating substrate such as glass, silicon, plastic, rubber, fabric (or textile), or ceramic. The microelectrode of the present invention has an exposed conductive surface of 0.01 mm 2 to 5 cm 2 . In a preferred embodiment, the exposed conductive material is 100-10000 mm 2 . One embodiment of the present invention is shown in FIG. 1A, in which the microelectrode comprises a glass capillary tube 1 and an ultrafine platinum wire 2 in which a transition (or communication) wire 3 is located. It has been soldered 6. The transition wire 3 is then soldered 6 to the hook-up wire 4, the wire 4 protruding from the epoxy plug 5 which seals the capillary tube. In one aspect of the invention, polyacrylamide gel material 7 is filled into recesses (or recesses) formed in the exposed surface of platinum wire 2 by etching.

【0113】 幾つかの態様では、オリゴヌクレオチドプローブは、オリゴヌクレオチドとマ
イクロ電極との間の中性層を用いて、本発明の装置のマイクロ電極上に固定化さ
れている。好ましい態様において、この層は中性のポリピロールから成る。別の
態様において、この層は、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン、ポリピ
リジン、ポリカルバゾール、ポリフェニレン、ポリ(フェニレンビニレン)、ポ
リフルオレン、ポリインドール、それらの誘導体、それらの共重合体、およびそ
れらの組み合わせのような物質を含む。この層は、好ましくは、少なくとも約0
.001〜50mmの厚みであり、より好ましくは少なくとも約0.01〜10
mmの厚みであり、最も好ましくは少なくとも約0.5mmの厚みである。
In some embodiments, the oligonucleotide probe is immobilized on the microelectrode of the device of the invention using a neutral layer between the oligonucleotide and the microelectrode. In a preferred embodiment, this layer consists of neutral polypyrrole. In another embodiment, this layer is made of polythiophene, polyaniline, polyfuran, polypyridine, polycarbazole, polyphenylene, poly (phenylene vinylene), polyfluorene, polyindole, their derivatives, their copolymers, and combinations thereof. Including various substances. This layer is preferably at least about 0.
. 001 to 50 mm thick, more preferably at least about 0.01 to 10 mm.
mm thickness, and most preferably at least about 0.5 mm thickness.

【0114】 他の態様では、オリゴヌクレオチドプローブは、本発明の装置のマイクロ電極
と接触しているポリアクリルアミド・ゲル・パッド上に固定化されている。好ま
しい態様では、ポリアクリルアミド・ゲル・パッドは、マイクロ電極表面にエッ
チングにエッチングにより形成された凹部に埋め込まれている。ポリアクリルア
ミド・ゲル・パッドは、好ましくは、少なくとも約0.1〜30mmの厚みであ
り、より好ましくは少なくとも約0.5〜10mmの厚みであり、最も好ましく
は約0.5mmの厚みである。
In another aspect, the oligonucleotide probe is immobilized on a polyacrylamide gel pad that is in contact with the microelectrodes of the device of the invention. In a preferred embodiment, the polyacrylamide gel pad is embedded in a recess etched in the microelectrode surface. The polyacrylamide gel pad is preferably at least about 0.1-30 mm thick, more preferably at least about 0.5-10 mm thick, and most preferably about 0.5 mm thick.

【0115】 本発明の装置は、少なくとも1つの対電極を含む。本発明の好ましい態様では
、対電極は導電性材料を含み、個々のマイクロ電極の表面より有意に大きな露出
表面を有する。好ましい態様では、対電極は白金を含む。別の態様では、対電極
は、銀、金、白金、チタン、銅の中実または多孔質の膜、あるいは金属酸化物、
金属窒化物、金属カーバイドまたは炭素を含む。
The device of the present invention comprises at least one counter electrode. In a preferred embodiment of the invention, the counter electrode comprises a conductive material and has an exposed surface that is significantly larger than the surface of the individual microelectrodes. In a preferred embodiment, the counter electrode comprises platinum. In another aspect, the counter electrode is a solid or porous membrane of silver, gold, platinum, titanium, copper, or a metal oxide,
Includes metal nitride, metal carbide or carbon.

【0116】 本発明の他の態様では、装置は、少なくとも1つの参照電極を含む。この参照
電極は、標的分子のさらなる定量化を希望する場合に、アッセイに使用される。
好ましい態様では、参照電極は、銀/塩化銀電極を含む。別の態様では、参照電
極は、金、白金、チタンもしくは銅の中実または多孔質の膜、あるいは金属酸化
物、金属窒化物、金属カーバイドまたは炭素を含む。本発明の装置を構成する電
解質溶液は、イオン伝導性であり、且つバイオ分子、最も好ましくは核酸または
ペプチドと反応し得る重合したカチオンあるいは金属カチオンを含む少なくとも
1つの塩を含む電解質溶液である。最も好ましくは、この塩は、マイクロ電極の
表面に対して少ない特異吸着を示すアニオンを更に含み、それにより、プローブ
と標的分子間の分子相互作用を検出する間のノイズを減少させる。
In another aspect of the invention, the device comprises at least one reference electrode. This reference electrode is used in the assay if further quantification of the target molecule is desired.
In a preferred embodiment, the reference electrode comprises a silver / silver chloride electrode. In another aspect, the reference electrode comprises a solid or porous film of gold, platinum, titanium or copper, or a metal oxide, metal nitride, metal carbide or carbon. The electrolyte solution that constitutes the device of the present invention is an electrolyte solution that is ionically conductive and contains at least one salt containing polymerized cations or metal cations that is capable of reacting with biomolecules, most preferably nucleic acids or peptides. Most preferably, the salt further comprises an anion that exhibits low specific adsorption to the surface of the microelectrode, thereby reducing noise during detection of molecular interactions between probe and target molecule.

【0117】 本発明の好ましい態様では、核酸ハイブリダイゼーションを検出するために使
用される電解質溶液は、0.1M LiClOを含む。この電解質は、 Cl
が電極表面上に特異的に吸着せず、したがって低いバックグラウンドノイ
ズを発生させるので好ましい。さらに、Liは、その小さな寸法が、核酸の2
重鎖中へのLiカチオンのインタカレーションを促進し、且つより小さい拡散
抵抗を有するために好ましい。しかしながら、他の態様では、ACインピーダン
スは、1×SSCのようなハイブリダイゼーションバッファー中で測定されて、
プローブと標的分子との間の分子相互作用を追跡する。
In a preferred aspect of the invention, the electrolyte solution used to detect nucleic acid hybridization comprises 0.1 M LiClO 4 . This electrolyte is Cl
O 4 is not specifically adsorbed on the surface of the electrode, and thus generates low background noise, which is preferable. In addition, Li + has the
It is preferred because it promotes the intercalation of Li + cations into the heavy chain and has a smaller diffusion resistance. However, in other embodiments, the AC impedance is measured in a hybridization buffer such as 1 × SSC,
Track the molecular interactions between the probe and the target molecule.

【0118】 本発明の装置では、各マイクロ電極での電気インピーダンスを生成する手段は
、モデル1287電気化学インタフェース(ソラトロン(Solartron)社、ヒュ
ーストン、テキサス州)を有する1260インピーダンス/ゲイン−相解析器を
使用して行われ得る。他の電気インピーダンス測定手段は、限定されるものでは
ないが、ACブリッジおよびACボルタンメトリなどの電気化学セルに対して印
加されるDC電位に重ねられるAC信号摂動を用いた過渡的方法(transient me
thod)を含む。測定は、最大信号を生成する周波数を確かめるために、周波数を
スキャンすることにより求められたある周波数で行われ得る。標的分子の存在下
または不存在下での各マイクロ電極でのインピーダンス変化を検出する手段は、
上記した装置の1つを用いて行われ得る。
In the device of the present invention, the means for generating electrical impedance at each microelectrode was a 1260 impedance / gain-phase analyzer with a model 1287 electrochemical interface (Solartron, Houston, Tex.). Can be done using. Other means of measuring electrical impedance include, but are not limited to, a transient method using AC signal perturbation superimposed on a DC potential applied to an electrochemical cell such as an AC bridge and AC voltammetry.
thod) is included. Measurements can be made at certain frequencies determined by scanning the frequencies to ascertain the frequency that produces the maximum signal. Means for detecting impedance changes at each microelectrode in the presence or absence of target molecule are:
It can be done using one of the devices described above.

【0119】 本発明のさらに別の態様では、装置は、複数のくぼみをさらに含み、各くぼみ
は、少なくとも1つのマイクロ電極と少なくとも1つの対電極を含む。「くぼみ
」という言葉は、ここでは、通常の意味において使用され、マイクロ電極と少な
くとも1つの対電極が定められた容積の中に含まれる基板の部分を説明するため
に使用されている。
In yet another aspect of the invention, the device further comprises a plurality of wells, each well comprising at least one microelectrode and at least one counter electrode. The term "recess" is used herein in the conventional sense and is used to describe the portion of the substrate that contains the microelectrode and at least one counter electrode in a defined volume.

【0120】 本発明は、核酸ハイブリダイゼーションと関連したカチオン相互作用を検出す
ることにより、分子相互作用を検出するための装置および方法を提供する。使用
される検出方法は、最も好ましくはACインピーダンスであるが、測定可能な信
号を得るために、レポーターでラベル付けした部分を使用しないかあるいは必要
としない、いずれかの検出方法を含む。インピーダンスは、オリゴヌクレオチド
プローブと検出されるべき標的分子との間のミスマッチなハイブリダイゼーショ
ンを許容するのに十分に敏感であるハイブリダイゼーション反応の「識別特性」
(signature)を得るために、種々の周波数で測定される。ここで開示される本
発明の方法は、整然と並んだアレイ(通常、「バイオチップ」と呼ばれる)の規
定された領域に結合したプローブ分子と、プローブ分子と相互作用することが許
容されている試料中の標的分子との間の分子相互作用を、電気的に検出するのに
有用である。バイオチップ上で個々のプローブ分子を付着したマイクロ電極を配
列することにより、多くのプローブの平行測定を、単一のアッセイで行うことが
出来る。
The present invention provides devices and methods for detecting molecular interactions by detecting cation interactions associated with nucleic acid hybridization. The detection method used is most preferably AC impedance, but includes any detection method that does not use or require the reporter labeled moiety to obtain a measurable signal. The impedance is sensitive enough to allow mismatched hybridization between the oligonucleotide probe and the target molecule to be detected. The "discriminating property" of the hybridization reaction.
It is measured at various frequencies to obtain a (signature). The methods of the invention disclosed herein provide for probe molecules bound to defined regions of an ordered array (usually referred to as a "biochip") and samples that are allowed to interact with the probe molecules. It is useful for electrically detecting molecular interactions with target molecules therein. By arraying the microelectrodes with attached individual probe molecules on the biochip, parallel measurements of many probes can be performed in a single assay.

【0121】 本発明は、さらに、ACインピーダンスを用いて、ペプチド結合と関連するカ
チオン相互作用を検出するための装置および方法を提供するが、測定可能な信号
を得るために、レポーターでラベル付けされた部分を使用しない。この方法は、
整然と並んだペプチド・アレイの規定された領域に結合したプローブ分子と、プ
ローブ分子と相互作用することが許容されている試料中の標的分子との間の分子
相互作用を、電気的に検出するために使用される。バイオチップ上で個々のプロ
ーブ分子を付着したマイクロ電極を配列することにより、多くのプローブの平行
測定を、単一のアッセイで行うことが出来る。
The invention further provides devices and methods for detecting cation interactions associated with peptide binding using AC impedance, but labeled with a reporter to obtain a measurable signal. Not used. This method
To electrically detect molecular interactions between a probe molecule bound to a defined region of an ordered peptide array and a target molecule in a sample that is allowed to interact with the probe molecule Used for. By arraying the microelectrodes with attached individual probe molecules on the biochip, parallel measurements of many probes can be performed in a single assay.

【0122】 さらに本発明の装置および方法は、カチオンで、最も好ましくはリチウムカチ
オンで呼び出し得る(または識別し得る)分子相互作用に関与できる物質のアレ
イとともに使用されるようにすることができる。そのような相互作用は、リガン
ド−リセプタ相互作用、酵素−阻害剤相互作用および抗原−抗体相互作用を含む
Furthermore, the devices and methods of the present invention can be adapted for use with arrays of substances capable of participating in molecular interactions with cations, most preferably lithium cations, which can be (or can be distinguished). Such interactions include ligand-receptor interactions, enzyme-inhibitor interactions and antigen-antibody interactions.

【0123】 本発明の装置および方法の重要な利点は、それらが、標的分子をラベル付けす
ることに依存していないことである。ラベル付け工程を無くすことにより、アッ
セイのコストは、簡略化される上に削減され、それにより電気的検出を容易にし
、使用にあたって、コスト効率が良い。さらに、標的分子がラベル付けされるこ
とを必要としないので、本発明の方法が用いられるアッセイの範囲が広がった。
例えば、本発明は、化学的に不安定なRNAをラベル付けすることなく、あるい
はRNAをcDNAに転換することを必要とせずに、遺伝子発現の研究において
RNA濃度の高感度且つ高分解能の測定を可能にしている。本発明の方法は、新
しいタイプのアッセイが開発されることを可能にし得る。
An important advantage of the devices and methods of the invention is that they do not rely on labeling the target molecule. By eliminating the labeling step, the cost of the assay is simplified and reduced, which facilitates electrical detection and is cost effective to use. Moreover, the target molecule does not need to be labeled, thus expanding the range of assays in which the methods of the invention can be used.
For example, the present invention provides for sensitive and high-resolution measurement of RNA concentration in gene expression studies without the need to label chemically labile RNA or the need to convert RNA into cDNA. It is possible. The method of the present invention may allow new types of assays to be developed.

【0124】 別の態様において、本発明は、ECAラベルの使用およびヒドロゲル・アレイ
での検出を基にする。本発明の装置および方法は、マイクロ電極(ヒドロゲル多
孔質マイクロ電極)に接するように配置されたポリマーヒドロゲルに固定された
オリゴヌクレオチドプローブと、生物試料中に含まれる電気化学的にラベル付け
された標的核酸分子との間のハイブリダイゼーションを使用して、説明する。
In another aspect, the invention is based on the use of ECA labels and detection on hydrogel arrays. The device and method of the present invention include an oligonucleotide probe immobilized on a polymer hydrogel placed in contact with a microelectrode (hydrogel porous microelectrode) and an electrochemically labeled target contained in a biological sample. Hybridization between nucleic acid molecules will be used to explain.

【0125】 好ましい態様において、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接触している
複数のマイクロ電極、マイクロ電極と接触しており且つプローブが固定化されて
いる複数のポリアクリルアミド・ゲル・パッド、支持基板と接触している少なく
とも1つの対電極、各マイクロ電極における電気信号生成手段、電気化学的に活
性なレポーターでラベル付けされた標的分子の存在下または不存在下における各
マイクロ電極での電気信号の変化を検出する手段、および前記複数のマイクロ電
極とポリマーヒドロゲル・パッドと対電極と接触している電解質溶液を含む。こ
のポリマーヒドロゲルは、特に限定されるものではないが、ポリアクリルアミド
、アガロースゲル、ポリエチレングリコール、細胞およびゾルゲルを含む、親水
性ポリマー材料から作られる。
In a preferred embodiment, the device of the present invention comprises a support substrate, a plurality of microelectrodes in contact with the support substrate, a plurality of polyacrylamide gels in contact with the microelectrodes and having probes immobilized thereon. A pad, at least one counter electrode in contact with a support substrate, means for generating an electrical signal at each microelectrode, each microelectrode in the presence or absence of a target molecule labeled with an electrochemically active reporter Means for detecting changes in the electrical signal of the electrolyte, and an electrolyte solution in contact with the plurality of microelectrodes, the polymer hydrogel pad, and the counter electrode. The polymer hydrogel is made from a hydrophilic polymeric material including, but not limited to, polyacrylamide, agarose gel, polyethylene glycol, cells and sol-gel.

【0126】 1つの態様においては、装置は、オリゴヌクレオチドプローブが付着させられ
たヒドロゲル多孔質マイクロ電極を少なくとも10個含むマイクロアレイであ
る。最も好ましくは、特定のヌクレオチド配列を有するオリゴヌクレオチド、あ
るいは関連する(例えば、オーバーラップする)ヌクレオチド配列を有するオリ
ゴヌクレオチドの群が、複数のヒドロゲル多孔質マイクロ電極の各々で固定化さ
れている。さらに好ましい態様では、各ヒドロゲル多孔質マイクロ電極で固定化
されたオリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列、および特定のヒドロゲル多孔質
マイクロ電極とそこに固定化されたオリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列との
間の同一性と対応がわかる。
In one aspect, the device is a microarray comprising at least 10 3 hydrogel porous microelectrodes having oligonucleotide probes attached thereto. Most preferably, an oligonucleotide having a particular nucleotide sequence, or a group of oligonucleotides having related (eg, overlapping) nucleotide sequences, is immobilized on each of a plurality of hydrogel porous microelectrodes. In a more preferred embodiment, the nucleotide sequence of the oligonucleotide immobilized on each hydrogel porous microelectrode and the identity and correspondence between the particular hydrogel porous microelectrode and the nucleotide sequence of the oligonucleotide immobilized thereon. I understand.

【0127】 好ましい態様では、プローブは、約10〜約100のヌクレオチド残基、より
好ましくは約10〜約50のヌクレオチド残基、最も好ましくは約15〜約30
のヌクレオチド残基を含むオリゴヌクレオチドである。別の態様において、プロ
ーブは、約10〜約5000の塩基対、より好ましくは約100〜約1000の
塩基対、最も好ましくは約200〜約500の塩基対を含む核酸である。さらに
好ましい態様において、固定化されているプローブは、約5〜約500のアミノ
酸残基を含むペプチドである。
In a preferred embodiment, the probe is from about 10 to about 100 nucleotide residues, more preferably from about 10 to about 50 nucleotide residues, most preferably from about 15 to about 30.
Is an oligonucleotide containing the nucleotide residue of. In another embodiment, the probe is a nucleic acid comprising about 10 to about 5000 base pairs, more preferably about 100 to about 1000 base pairs, and most preferably about 200 to about 500 base pairs. In a more preferred embodiment, the immobilized probe is a peptide containing about 5 to about 500 amino acid residues.

【0128】 本発明の装置の好ましい態様では、基板は、シリコンから成る。別の態様では
、基板は、ガラス、プラスチック、ゴム、ファブリック(もしくは繊維製品)、
またはセラミックを含む物質から作製されるが、これらに限定されない。ヒドロ
ゲル多孔質マイクロ電極は、基板に埋め込まれており、あるいは基板と接するよ
うに配置される。
In a preferred embodiment of the device of the present invention, the substrate consists of silicon. In another aspect, the substrate is glass, plastic, rubber, fabric (or textile),
Alternatively, it is made of materials including but not limited to ceramics. The hydrogel porous microelectrode is embedded in the substrate or placed in contact with the substrate.

【0129】 好ましい態様において、マイクロ電極は、限定するものではないが、中実また
は多孔質の形態であって、好ましくは箔もしくはフイルムである金、銀、白金、
チタンまたは銅のような金属、金属酸化物、金属窒化物、金属カーバイドあるい
は炭素を含む物質から作製される。本発明の装置において、プローブは、マイク
ロ電極と接するように配置されているポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付着
させられている。
In a preferred embodiment, the microelectrodes include, but are not limited to, gold, silver, platinum, in solid or porous form, preferably foils or films.
It is made from a material containing a metal such as titanium or copper, a metal oxide, a metal nitride, a metal carbide or carbon. In the device of the invention, the probe is attached to a polyacrylamide gel pad that is placed in contact with the microelectrode.

【0130】 本発明の基板は、1〜1×10個のヒドロゲル多孔質マイクロ電極を含む、
0.01mm〜5cmの表面積を有する。1つの態様において、基板は、1
0000mmの表面積を有し、かつ10個のヒドロゲル多孔質マイクロ電極
を含み、各マイクロ電極は、そこに固定された特定の配列を持つオリゴヌクレオ
チドを有する。好ましい態様において、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極は、0.
05mm〜0.5mmの間隔で離れるように基板上に配列される。最も好ましく
は、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極は、中実の基板上で、電極間の間隔が一定と
なるように規則的に間隔をあけられる。
The substrate of the present invention comprises 1-1 × 10 8 hydrogel porous microelectrodes,
It has a surface area of 0.01 mm 2 to 5 cm 2 . In one aspect, the substrate is 1
It has a surface area of 0000 mm 2 and contains 10 4 hydrogel porous microelectrodes, each microelectrode having an oligonucleotide with a specific sequence immobilized thereon. In a preferred embodiment, the hydrogel porous microelectrode has a density of 0.
They are arranged on the substrate so as to be separated by a distance of 05 mm to 0.5 mm. Most preferably, the hydrogel porous microelectrodes are regularly spaced on the solid substrate such that the spacing between the electrodes is constant.

【0131】 本発明のいくつかの態様例では、ヒドロゲル多孔質マイクロ(微小)電極は、
基板の表面から突出しており、その突出は、基板表面から5×10−8〜1×1
−5cmの範囲にわたっている。他の態様例では、ヒドロゲル多孔質マイクロ
電極は、基板に埋設され、基板表面に露出する導電性材料の平らなディスクを有
しており、基板はヒドロゲル多孔質マイクロ電極どうしの間の空間で絶縁体とし
て機能している。
In some example embodiments of the invention, the hydrogel porous microelectrodes are
It projects from the surface of the substrate, and the projection is 5 × 10 −8 to 1 × 1 from the surface of the substrate.
And over a range of 0 -5 cm. In another embodiment, the hydrogel porous microelectrode has a flat disk of electrically conductive material embedded in the substrate and exposed at the surface of the substrate, the substrate being insulated in the space between the hydrogel porous microelectrodes. It functions as a body.

【0132】 本発明の好ましい態様例では、マイクロ電極は、金の導電体およびガラス絶縁
体を有している。他の態様例では、マイクロ電極は、銀、白金、チタン若しくは
銅の中実(solid)膜あるいは多孔質膜あるいは金属酸化物、金属窒化物、金属炭
化物あるいは炭素等の導電性基板を有している。別の態様例では、マイクロ電極
は、ガラス、シリコン、プラスチック、ゴム、繊維あるいはセラミックなどの絶
縁性物質及び/又は基板を有している。本発明のマイクロ電極は、0.01mm 〜0.5cmの範囲の露出した導電性表面を有している。好ましい態様例で
は、露出した導電性材料は100〜160000mmの範囲である。
[0132]   In a preferred embodiment of the invention, the microelectrodes are gold conductors and glass insulation.
Have a body. In other example embodiments, the microelectrodes are silver, platinum, titanium or
Copper solid film or porous film or metal oxide, metal nitride, metal carbon
It has a conductive substrate such as a compound or carbon. In another example embodiment, a microelectrode
Is made of glass, silicone, plastic, rubber, fibers or ceramics.
It has a limbal material and / or a substrate. The microelectrode of the present invention is 0.01 mm Two ~ 0.5 cmTwoHas an exposed conductive surface in the range of. In a preferred embodiment
The exposed conductive material is 100 to 160000 mmTwoIs the range.

【0133】 本発明の1つの態様例を図1Aに示しているが、そこでは、マイクロ電極は、
ガラスキャピラリ管1を有し、超微細な白金線2を含んでおり、そこには遷移ワ
イヤー3がハンダ6づけされている。遷移ワイヤー3は次にフックアップワイヤ
ー4にハンダ6づけされており、キャピラリ管をシールしているエポキシプラグ
5から突出している。本発明の1つの態様例では、ポリアクリルアミド・ゲル材
料7は、白金線2の露出表面にエッチングにより設けられた凹部に充填されてい
る。好ましい態様例において、ポリアクリルアミド・ゲル・パッドはマイクロ電
極表面にエッチングにより設けられた凹部に埋設されている。高分子ヒドロゲル
・パッドは、好ましくは、少なくとも約0.1〜30mmの厚みであり、さらに
好ましくは、少なくとも約0.5〜10mmの厚みであり、また最も好ましくは
約0.5mmの厚みである。本発明のヒドロゲル多孔質マイクロ電極の1つの態
様例では、オリゴヌクレオチドプローブはポリアクリルアミド・ゲル・パッド上
に固定されている。
One exemplary embodiment of the present invention is shown in FIG. 1A, in which the microelectrodes are
It has a glass capillary tube 1 and contains an ultrafine platinum wire 2 to which a transition wire 3 is soldered. The transition wire 3 is then soldered 6 to the hook-up wire 4 and protrudes from the epoxy plug 5 which seals the capillary tube. In one embodiment of the present invention, the polyacrylamide gel material 7 is filled in the recesses formed by etching the exposed surface of the platinum wire 2. In a preferred embodiment, the polyacrylamide gel pad is embedded in a recess formed by etching the surface of the microelectrode. The polymeric hydrogel pad is preferably at least about 0.1-30 mm thick, more preferably at least about 0.5-10 mm thick, and most preferably about 0.5 mm thick. . In one exemplary embodiment of the hydrogel porous microelectrode of the present invention, the oligonucleotide probe is immobilized on a polyacrylamide gel pad.

【0134】 本発明の装置は、少なくとも1つの対向電極を有している。本発明の好ましい
態様例では、対向電極は、個々のマイクロ電極の表面積より著しく大きな露出表
面積を有する導電性材料を有している。好ましい態様例では、対向電極は、白金
を有している。別の態様例では、対向電極は、銀、金、白金、チタン、銅の中実
膜あるいは多孔質膜あるいは金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物あるいは炭素
からなっている。
The device of the present invention has at least one counter electrode. In a preferred embodiment of the present invention, the counter electrode comprises a conductive material having an exposed surface area significantly greater than the surface area of the individual microelectrodes. In a preferred embodiment, the counter electrode has platinum. In another embodiment, the counter electrode is made of silver, gold, platinum, titanium, copper solid film or porous film or metal oxide, metal nitride, metal carbide or carbon.

【0135】 本発明の他の態様例では、装置は、少なくとも1つの参照電極を有する。この
参照電極は、標的分子のさらなる定量化を希望する場合には、アッセイに使用さ
れる。好ましい態様例では、参照電極は、銀/塩化銀電極を有している。別の態
様例では、、参照電極は、金、白金、チタン、銅の中実膜あるいは多孔質膜ある
いは金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物あるいは炭素からなっている。
In another exemplary aspect of the invention, the device has at least one reference electrode. This reference electrode is used in the assay if further quantification of the target molecule is desired. In a preferred embodiment, the reference electrode comprises a silver / silver chloride electrode. In another embodiment, the reference electrode comprises gold, platinum, titanium, copper solid or porous film or metal oxide, metal nitride, metal carbide or carbon.

【0136】 本発明のさらなる別の態様例では、装置は、さらに複数の窪みからなり、その
窪みの各々は、少なくとも1つのヒドロゲル多孔質マイクロ電極と少なくとも1
つの対向電極を有する。「窪み(well)」という用語は、本明細書において、一般
的な意味で用いられており、基板の一部であって、所定の空間の中にマイクロ電
極と少なくとも1つの対向電極を収容している部分を示すべく用いられている。
In yet another exemplary embodiment of the present invention, the device further comprises a plurality of depressions, each depression having at least one hydrogel porous microelectrode and at least one.
It has two counter electrodes. The term "well" is used herein in a general sense and is part of the substrate that houses the microelectrode and at least one counter electrode in a given space. It is used to indicate the part where

【0137】 本発明の方法では、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極に結合されたプローブ分子
と電気化学的にラベル付けされた標的分子との間の分子間相互作用が検出される
。本発明の方法で有用な電気化学的にラベル付けされた標的分子は、検出する分
子間相互作用に干渉しない電気化学的特異的レドックスレポーターを用いて、好
適な標的分子にラベル付けすることにより調製しても良い。本発明の方法の好ま
しい態様例では、標的分子は遷移金属錯体、最も好ましくはルテニウム、コバル
ト、鉄あるいはオスミウム等の遷移金属イオンを含む遷移金属錯体を有する電気
化学的レポーター群によりラベル付け(標識)される。
The method of the invention detects intermolecular interactions between probe molecules bound to hydrogel porous microelectrodes and electrochemically labeled target molecules. Electrochemically labeled target molecules useful in the methods of the invention are prepared by labeling a suitable target molecule with an electrochemically specific redox reporter that does not interfere with the intermolecular interaction being detected. You may. In a preferred embodiment of the method of the invention, the target molecule is labeled with a group of electrochemical reporters having a transition metal complex, most preferably a transition metal complex containing a transition metal ion such as ruthenium, cobalt, iron or osmium. To be done.

【0138】 本発明の方法の他の態様例では、標的分子は、以下のような電気化学的活性部
分を用いてラベル付けしてもよいが、これに限定されるものではない。
In another exemplary embodiment of the method of the present invention, the target molecule may be labeled with, but not limited to, an electrochemically active moiety as follows.

【0139】 水性飽和カロメル参照電極に対して有用なレドックス部分には、遷移金属錯体
、1、4−ベンゾキノン、フェロセン、テトラシアノキノジメタン、N,N,N
’,N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミンあるいはテトラチアフルバレ
ンが含まれるが、これに限定されるものではない。
Redox moieties useful for aqueous saturated calomel reference electrodes include transition metal complexes, 1,4-benzoquinone, ferrocene, tetracyanoquinodimethane, N, N, N
Examples include, but are not limited to, ', N'-tetramethyl-p-phenylenediamine or tetrathiafulvalene.

【0140】 Ag/AgCl参照電極に対して有用なレドックス部分には、9−アミノアク
リジン、アクリジンオレンジ、アクラルビシン、ダウノマイシン、ドキソルビシ
ン、ピラルビシン、エチジウムブロマイド、エチジウムモノアジド、クロロテト
ラサイクリン、テトラサイクリン、ミノサイクリン、ヘキスト33258、ヘキ
スト33342、7−アミノアクチノマイシンD、クロモマイシンA、ミトラ
マイシンA、ヴィンブラスチン、リファンピシン、Os(ビピリジン)(ジピ
リドフェナジン) 、Co(ビピリジン)3 3+、あるいはFe−ブレオマイ
シンが含まれる。
Redox moieties useful for Ag / AgCl reference electrodes include 9-aminoacridine, acridine orange, aclarubicin, daunomycin, doxorubicin, pirarubicin, ethidium bromide, ethidium monoazide, chlorotetracycline, tetracycline, minocycline, Hoechst 33258. , Hoechst 33342, 7-aminoactinomycin D, chromomycin A 3 , mithramycin A, vinblastine, rifampicin, Os (bipyridine) 2 (dipyridophenazine) 2 + , Co (bipyridine) 3 3+ , or Fe-. Includes bleomycin.

【0141】 本発明の方法の電気化学的活性なレポーターでラベル付けされた標的分子から
なる電気化学的活性部分は、場合により、約10〜約20オングストロームの長
さを有するリンカーを介して、標的分子に結合することが好ましい。このリンカ
ーは、炭化水素鎖(CH等の有機部分であってもよいし、あるいはエーテ
ル、エステル、カルボキシアミド、あるいはチオエーテル部分あるいはそれらの
組み合わせからなっていてもよい。このリンカーは、シロキサン(O−Si−O
)等等の無機部分であってもよい。リンカーの長さは、検出される分子間相互作
用に電気化学的活性部分が干渉しないように選択される。
The electrochemically active portion of the targeting molecule labeled with the electrochemically active reporter of the method of the present invention is a targeting molecule, optionally via a linker having a length of about 10 to about 20 angstroms. It is preferably bound to a molecule. The linker may be an organic moiety such as a hydrocarbon chain (CH 2 ) n , or may be an ether, ester, carboxamide, or thioether moiety or a combination thereof. This linker is a siloxane (O-Si-O
) Etc. may be an inorganic part. The length of the linker is chosen so that the electrochemically active moiety does not interfere with the intermolecular interactions that are detected.

【0142】 電気化学的接触は、本発明のヒドロゲル多孔質マイクロ電極の各々と接触する
電解質溶液を用いて有利に行われる。本発明の装置および方法において有用な電
解質溶液には、(約0.15M NaClに相当する)生理学的に適切なイオン
強度および中性pHのいずれかにの電解質溶液が含まれる。本発明の装置および
方法において有用な電解質溶液の例には、限定するものではないが、リン酸塩緩
衝生理食塩水、HEPES緩衝生理食塩水、および重炭酸ナトリウム緩衝生理食
塩水が含まれる。
Electrochemical contact is advantageously made with an electrolyte solution in contact with each of the hydrogel porous microelectrodes of the present invention. Electrolyte solutions useful in the devices and methods of the invention include electrolyte solutions at either physiologically relevant ionic strength (corresponding to about 0.15 M NaCl) and neutral pH. Examples of electrolyte solutions useful in the devices and methods of the present invention include, but are not limited to, phosphate buffered saline, HEPES buffered saline, and sodium bicarbonate buffered saline.

【0143】 好ましい態様例では、本発明は、ACインピーダンスにおける変化を検出する
ことにより、分子間相互作用を検出するための装置および方法を提供する。イン
ピーダンスは種々の周波数で測定して、検出する標的分子とオリゴヌクレオチド
プローブとの間のミスマッチハイブリダイゼーションを許容するのに充分な感度
のハイブリダイゼーション反応の「識別特性(signature)」が得られる。ここで
開示される本発明の方法は、整然と並んだ配列(通常は「バイオチップ・アレイ
」と称される)配列されたアレイの規定された領域に結合するプローブ分子と、
プローブ分子と相互作用させられる試料中の電気化学的にラベル付けされた標的
分子との間の分子間相互作用を電気化学的に検出するために有用である。個々の
プローブ分子がバイオチップ上に付されているマイクロ電極を配列することによ
り、単一のアッセイにて多数のプローブの並列測定を行うことができる。
In an exemplary embodiment, the invention provides an apparatus and method for detecting intermolecular interactions by detecting changes in AC impedance. Impedance is measured at various frequencies to provide a "signature" of the hybridization reaction that is sufficiently sensitive to allow mismatch hybridization between the target molecule to be detected and the oligonucleotide probe. The methods of the invention disclosed herein include probe molecules that bind to defined regions of an ordered array (usually referred to as a "biochip array") array;
It is useful for electrochemically detecting intermolecular interactions between a probe molecule and an electrochemically labeled target molecule in a sample that is allowed to interact. By arranging the microelectrodes in which individual probe molecules are attached on the biochip, it is possible to perform parallel measurement of many probes in a single assay.

【0144】 本発明の装置の1つの態様例では、各マイクロ電極での電気インピーダンスを
生成するための手段は、モデル1287電気化学インタフェース(ソラトロン社
、ヒューストン、TX)を備えた1260インピーダンス/ゲイン−相解析器を
使用して行われる。他の電気インピーダンス測定手段には、ACブリッジおよび
ACボルタンメトリーなどの電気化学セルに印加されるDC電位に重畳されるA
C信号摂動を用いる過渡的方法が含まれるが、これに限定されるものではない。
測定は、最大の信号を生じる周波数を確認するために、周波数をスキャンするこ
とにより求められる特定の周波数にて行うことができる。電気化学的にラベル付
けされた標的分子の存在下あるいは不存在下での各マイクロ電極でのインピーダ
ンス変化を検出する手段は、上述したいずれか1つの装置を用いて行われる。
In one exemplary embodiment of the device of the present invention, the means for generating electrical impedance at each microelectrode is 1260 impedance / gain-equipped with a model 1287 electrochemical interface (Soratron, Houston, TX). This is done using a phase analyzer. Another means of measuring electrical impedance is A superposed on a DC potential applied to an electrochemical cell such as an AC bridge and AC voltammetry.
Includes, but is not limited to, transient methods using C signal perturbation.
Measurements can be made at a particular frequency determined by scanning the frequency to identify the frequency that produces the maximum signal. The means for detecting the impedance change at each microelectrode in the presence or absence of the electrochemically labeled target molecule is performed using any one of the above-mentioned devices.

【0145】 本発明のもう1つの態様例では、限定されるものではないが、サイクリックボ
ルタンメトリ、ストリッピングボルタンメトリ、パルスボルタンメトリ、矩形波
ボルタンメトリ、ACボルタンメトリ、流体力学的変調ボルタンメトリ、電位ス
テップ法、電位差測定、電流測定、電流ステップ法、およびそれらの組み合わせ
法を含む他の電気的及び/又は電気化学的方法を用いて、プローブ分子と電気化
学的にラベル付けされた標的分子との間の分子間相互作用を検出することができ
る。これらの態様例において、電気信号は、電気化学的ラベル(標識)の酸化還
元電位で印加された電圧に対応する電流の流れである。
In another example embodiment of the present invention, without limitation, cyclic voltammetry, stripping voltammetry, pulse voltammetry, square wave voltammetry, AC voltammetry, hydrodynamic modulation voltammetry. , Probe molecules and electrochemically labeled target molecules using other electrical and / or electrochemical methods including The intermolecular interaction between and can be detected. In these example embodiments, the electrical signal is the flow of current corresponding to the applied voltage at the redox potential of the electrochemical label.

【0146】 本発明は、特定の標的核酸を有する核酸試料中の単一ヌクレオチド多形性(S
NP)を検出する装置および方法をも提供する。
The present invention provides for single nucleotide polymorphisms (S
An apparatus and method for detecting NP) is also provided.

【0147】 本発明のデバイスは、感染性疾患および遺伝的疾患の診断用の標的核酸を分析
するために特に有用である。標的核酸は、一般的に、感染剤疾患および遺伝的疾
患と関連する既知のヌクレオチド配列を有する遺伝子の一部である。さらに詳し
くは、疾患は、単一のヌクレオチドの突然変異(あるいは点突然変異)が原因で
起こるものである。このデバイスには、標的遺伝子に特異的な核酸オリゴヌクレ
オチド配列、並びに(「3’オフセット法」と称する)オリゴヌクレオチド配列
中の少なくとも1つのプローブのハイブリダイゼーションサイトに隣接する標的
配列中の特定の1つの塩基の同一性を検出及び測定するための、あるいは(「3
’包含法」と称する)配列中の少なくとも1つのオリゴヌクレオチドプローブの
3’残基を含むための手段が組み込まれている。
The device of the present invention is particularly useful for analyzing target nucleic acids for the diagnosis of infectious and genetic disorders. The target nucleic acid is generally the part of the gene that has a known nucleotide sequence that is associated with infectious disease and genetic disorders. More specifically, the disease is caused by a single nucleotide mutation (or point mutation). The device includes a nucleic acid oligonucleotide sequence specific for the target gene, as well as a specific one in the target sequence adjacent to the hybridization site of at least one probe in the oligonucleotide sequence (referred to as the “3 ′ offset method”). To detect and measure the identity of two bases, or ((3
Means for including the 3'residue of at least one oligonucleotide probe in the sequence (referred to as the "inclusion method") is incorporated.

【0148】 本発明は、第1電極を規定する表面に固定されたオリゴヌクレオチドプライマ
ー又はプローブの配列を提供する。配列中の各アドレスにおける各オリゴヌクレ
オチド配列は既知のものであり、かつ該オリゴヌクレオチド配列中の少なくとも
1つのオリゴヌクレオチドは、アッセイする試料の核酸中の配列の部分に対して
相補的であることが好ましい。少なくとも1つのオリゴヌクレオチドの配列は、
調べるべき(例えば突然変異又は遺伝子多形性について調べるべき)試料核酸中
のヌクレオチド位置のすぐ隣接位置へ伸長するように選択することが最も好まし
い。別法では、オリゴヌクレオチドは、突然変異あるいは遺伝子多形性のサイト
を含むように選択される;この後者の態様例では、配列中の少なくとも1つのオ
リゴヌクレオチドを試料中の核酸へ確実にハイブリダイゼーションさせるために
、多形の位置にある可能性あるヌクレオチドの1種を含むオリゴヌクレオチドの
多様性(multiplicity)を提供することが一般に好ましい。ハイブリダイゼーショ
ンおよび伸長反応は、反応チャンバー中およびハイブリダイゼーションバッファ
ー中で、試料中の核酸とそれに相補的である配列中のオリゴヌクレオチドとの間
でハイブリダイゼーションを生じさせる温度にて所定の時間行われる。
The present invention provides a sequence of oligonucleotide primers or probes immobilized on the surface defining the first electrode. Each oligonucleotide sequence at each address in the sequence is known and at least one oligonucleotide in the oligonucleotide sequence is complementary to a portion of the sequence in the nucleic acid of the sample to be assayed. preferable. The sequence of at least one oligonucleotide is
Most preferably, it is chosen to extend to a position immediately adjacent to the nucleotide position in the sample nucleic acid to be investigated (eg to be examined for mutations or genetic polymorphisms). Alternatively, the oligonucleotides are selected to contain sites of mutations or genetic polymorphisms; this latter example embodiment ensures that at least one oligonucleotide in the sequence hybridizes to the nucleic acid in the sample. In order to make it possible, it is generally preferred to provide a multiplicity of oligonucleotides which comprises one of the possible nucleotides at the polymorphic position. The hybridization and extension reactions are carried out in the reaction chamber and in the hybridization buffer for a period of time at a temperature that causes hybridization between the nucleic acid in the sample and the oligonucleotide in the sequence that is complementary thereto.

【0149】 1つの態様例では、本発明の装置は、支持基板、プローブが固定された支持基
板に接触している複数の第1電極(あるいはマイクロ電極の配列)、少なくとも
1つの対向電極および場合により参照電極、並びに複数のマイクロ電極、対向電
極および参照電極に接触する電解質溶液を有してなる。
In one embodiment, the device of the present invention comprises a support substrate, a plurality of first electrodes (or an array of microelectrodes) in contact with the support substrate to which the probe is immobilized, at least one counter electrode and a case. By means of a reference electrode and a plurality of microelectrodes, an counter electrode and an electrolyte solution in contact with the reference electrode.

【0150】 別の態様例では、本発明の装置は、支持基板、支持基板と接触している複数の
第1電極(あるいはマイクロ電極の配列)、マイクロ電極と接触しかつプローブ
が固定されている複数のポリアクリルアミド・ゲル・パッド、少なくとも1つの
対向電極および場合により参照電極、並びに複数のマイクロ電極、対向電極およ
び参照電極と接触する電解質溶液を有している。本発明の装置の好ましい態様例
では、基板は、シリコンで構成されている。他の態様例では、基板は、限定する
ものではないが、ガラス、プラスチック、ゴム、繊維、あるいはセラミックを含
む物質から調製される。
In another exemplary embodiment, the device of the present invention comprises a support substrate, a plurality of first electrodes (or an array of microelectrodes) in contact with the support substrate, in contact with the microelectrodes and having probes fixed thereto. It has a plurality of polyacrylamide gel pads, at least one counter electrode and optionally a reference electrode, and a plurality of microelectrodes, an electrolyte solution in contact with the counter electrode and the reference electrode. In a preferred embodiment of the device of the present invention, the substrate is composed of silicon. In other example embodiments, the substrate is prepared from materials including, but not limited to, glass, plastic, rubber, fibers, or ceramics.

【0151】 オリゴヌクレオチドあるいはその配列が付けられている第1の表面を有する電
極は、次の材料の少なくとも1種から形成されている;銀、金、白金、銅などの
金属、それら金属の電気導電性の合金;酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸
化亜鉛などの導電性金属酸化物;およびカーボンブラック、導電性エポキシなど
その他の導電性材料。
The electrode having the first surface to which the oligonucleotide or its sequence is attached is formed from at least one of the following materials; metals such as silver, gold, platinum, copper, etc., and electricity of those metals. Conductive alloys; conductive metal oxides such as indium oxide, indium tin oxide, zinc oxide; and other conductive materials such as carbon black and conductive epoxy.

【0152】 好ましい態様例では、マイクロ電極は、限定するものではないが、固体若しく
は多孔質形態、さらに好ましくは、箔又はフィルムの形態の、金、銀、白金、チ
タン又は銅などの金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物又は炭素を含む基
板から形成される。ある好ましい態様例では、プローブは、限定されるものでは
ないが、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン、ポリピリ
ジン、ポリカルバゾール、ポリフェニレン、ポリ(フェニレンビニレン)、ポリ
フルオレン、ポリインドール、それらの誘導体、共重合体、およびそれらの組み
合わせを含む共役ポリマーあるいは共重合体に付けられている。別の態様例では
、プローブは、マイクロ電極と接触するポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付
けられている。
In a preferred embodiment, the microelectrodes include, but are not limited to, metals, metals such as gold, silver, platinum, titanium or copper in solid or porous form, more preferably in the form of foils or films. It is formed from a substrate containing oxide, metal nitride, metal carbide or carbon. In certain preferred embodiments, the probe includes, but is not limited to, polypyrrole, polythiophene, polyaniline, polyfuran, polypyridine, polycarbazole, polyphenylene, poly (phenylenevinylene), polyfluorene, polyindole, their derivatives, copolyenes. Attached to conjugated polymers or copolymers, including coalesces, and combinations thereof. In another example embodiment, the probe is attached to a polyacrylamide gel pad in contact with the microelectrode.

【0153】 本発明の基材は、0.01mm〜5cmの表面積を有し、1〜1×10 個のマイクロ電極を有する。1つの態様例では、基板は、100mmの表面積
を有し、かつ10個のマイクロ電極を有し、各マイクロ電極はそこに固定され
た特定の配列を有するオリゴヌクレオチドを有している。他の態様例では、基板
は、100mmの表面積を有し、10個のマイクロ電極を有し、各マイクロ
電極は、特定の配列を有するオリゴヌクレオチドが固定されたポリアクリルアミ
ド・ゲル・パッドに接触している。好ましい態様例では、マイクロ電極は基材上
において、0.05mm〜0.5mmの間隔で隔てられるように配されている。
最も好ましくは、マイクロ電極は固体の基板上において、互いに均一な間隔をお
いて規則的に隔てられている。
The substrate of the present invention has a surface area of 0.01 mm 2 to 5 cm 2 and has 1 to 1 × 10 8 microelectrodes. In one exemplary embodiment, the substrate has a surface area of 100 mm 2 and has 10 4 microelectrodes, each microelectrode having oligonucleotides having a particular sequence immobilized thereto. In another exemplary embodiment, the substrate has a surface area of 100 mm 2 and has 10 4 microelectrodes, each microelectrode being on a polyacrylamide gel pad immobilized with an oligonucleotide having a particular sequence. Are in contact. In a preferred embodiment, the microelectrodes are arranged on the base material so as to be separated by an interval of 0.05 mm to 0.5 mm.
Most preferably, the microelectrodes are regularly spaced apart from one another on a solid substrate.

【0154】 1つの態様例では、装置は、オリゴヌクレオチドプローブが付けられている単
一基板上に少なくとも10個のマイクロ電極を有するマイクロアレイを有して
いる。あるいは、配列されたオリゴヌクレオチドプローブは、本発明の装置のマ
イクロ電極に接触するポリアクリルアミド・ゲル・パッドに付けられている。最
も好ましくは、特定のヌクレオチド配列を持つオリゴヌクレオチド、あるいは関
連する(例えば、オーバーラップする)ヌクレオチド配列を有するオリゴヌクレ
オチドの群が、複数のマイクロ電極の各々に固定されている。さらに好ましい態
様例では、各マイクロ電極上に固定されているオリゴヌクレオチドのヌクレオチ
ド配列、および特定のマイクロ電極と、そこに固定されているオリゴヌクレオチ
ドのヌクレオチド配列との間の一致性及び対応関係が見出されている。
In one example embodiment, the device comprises a microarray having at least 10 3 microelectrodes on a single substrate to which oligonucleotide probes are attached. Alternatively, the arrayed oligonucleotide probes are attached to a polyacrylamide gel pad that contacts the microelectrodes of the device of the invention. Most preferably, an oligonucleotide having a particular nucleotide sequence, or a group of oligonucleotides having related (eg, overlapping) nucleotide sequences, is immobilized on each of the plurality of microelectrodes. In a further preferred embodiment, the nucleotide sequence of the oligonucleotides immobilized on each microelectrode and the correspondence and correspondence between the particular microelectrode and the nucleotide sequence of the oligonucleotides immobilized thereon is found. Has been issued.

【0155】 本発明に使用されるプライマーあるいはプローブは、上限の長さおよび下限の
長さが経験的に決められる所定の長さを有するオリゴヌクレオチドであるのが好
ましい。プローブ長さの下限は、安定なハイブリダイゼーションである;短すぎ
るプローブは、アッセイのハイブリダイゼーション条件下では、単一塩基伸長の
ために充分な熱力学的に安定な2本鎖を形成しないことは、当業者に知られてい
る。プローブ長さの上限は、電気的に活性な部分によりラベル(標識)されたプ
ライマー伸長ユニットの人為的な組み込みをもたらす所定の応答標的領域以外の
領域で2本鎖を形成するプローブである。本発明に使用される好ましいオリゴヌ
クレオチドプライマーあるいはプローブは、約8〜約50、より好ましくは約1
0〜約40、さらに好ましくは約12〜約30、最も好ましくは約15〜約25
ヌクレオチド長を有する。しかしながら、より長いプローブ、すなわち40ヌク
レオチド長以上の長さのプローブを使用しても良い。
The primer or probe used in the present invention is preferably an oligonucleotide having a predetermined length whose upper limit length and lower limit length are empirically determined. The lower limit of probe length is stable hybridization; probes that are too short may not form thermodynamically stable duplexes sufficient for single base extension under the hybridization conditions of the assay. , Known to those skilled in the art. The upper limit of probe length is a probe that forms a duplex in a region other than the predetermined response target region that results in artificial incorporation of the primer extension unit labeled with an electrically active moiety. Preferred oligonucleotide primers or probes used in the present invention are about 8 to about 50, more preferably about 1
0 to about 40, more preferably about 12 to about 30, most preferably about 15 to about 25.
Has a nucleotide length. However, longer probes may be used, i.e. probes 40 nucleotides or more in length.

【0156】 本発明では、プライマーあるいはプローブは、アンカーリング基を介して第1
電極の表面に直接固定することが好ましい。当業者により理解されているように
、有利なアンカーリング基には、例えば、チオール類、カルボキシレート類、ヒ
ドロキシル類、アミン類、ヒドラジン類、エステル類、アミド類、ハライド類、
ビニル基、ビニルカルボキシレート類、リン酸塩類、シリコン含有有機化合物お
よびその誘導体を含む基又は部分が含まれる。例えば、標的DNAに対して相補
的なオリゴヌクレオチドは、チオール含有アンカーリング基を介して、金属の金
電極に共有結合的に結合する。好ましい態様例では、これらのアンカーリング基
の長さは、これらの分子の導電度が、ハイブリダイズしたプローブおよび標的D
NAおよびこれらのアンカーリング基を直列に介して、電気化学的レポーター群
から電極への電子の移動を妨げないように選択される。換言すれば、これらのア
ンカーリング基は、2本鎖の核酸より高い導電性を有することが好ましい。導電
度Sは、約10−6〜10−4−1cm−1、より好ましくは約10−5〜1
−1cm−1であり、これは約5オングストローム〜約200オングスト
ロームの長さのアンカーリング基に相当する。
In the present invention, the primer or probe is attached to the first group via the anchoring group.
It is preferably fixed directly on the surface of the electrode. As will be appreciated by those skilled in the art, advantageous anchoring groups include, for example, thiols, carboxylates, hydroxyls, amines, hydrazines, esters, amides, halides,
Included are groups or moieties that include vinyl groups, vinyl carboxylates, phosphates, silicon-containing organic compounds and their derivatives. For example, an oligonucleotide complementary to the target DNA is covalently attached to a metal gold electrode via a thiol-containing anchoring group. In a preferred embodiment, the length of these anchoring groups is such that the conductivity of these molecules is such that the hybridized probe and target D
It is chosen so as not to interfere with the transfer of electrons from the electrochemical reporter group to the electrode via NA and these anchoring groups in series. In other words, these anchoring groups preferably have higher conductivity than double-stranded nucleic acid. The conductivity S is about 10 −6 to 10 −4 W −1 cm −1 , more preferably about 10 −5 to 1.
0 3 W -1 cm -1 , which corresponds to an anchoring group with a length of about 5 Å to about 200 Å.

【0157】 別法では、プライマーあるいはプローブは、第1電極の頂部に配置された中間
支持体に共有結合的に結合させることができる。この支持体は、TiOx、Si
、NOxなどの多孔質の無機材料の薄層、あるいはポリアクリルアミド、ア
ガロース、ニトロセルロース膜、ナイロン、およびデキストラン支持体などの多
孔質の有機ポリマーの薄層であることが好ましい。プライマーは、リンカーを介
して支持体に共有結合的に結合している。好ましいリンカー部分は、限定するも
のではないが、チオエーテル類、エーテル類、エステル類、アミド類、アミン類
、ヒドラジン類、カルボキシレート類、ハライド類、ヒドロキシル類、ビニル類
、ビニルカルボキシレート類、チオール類、リン酸塩類、シリコン含有有機化合
物およびその誘導体、およびその他のカルボキシレート部分を含む。さらに好ま
しくはビオチン−ストレプトアビジン対は中間支持体に結合するプローブ結合を
提供するのに遊離に配される。
Alternatively, the primer or probe can be covalently bound to an intermediate support located on top of the first electrode. This support is made of TiOx, Si
It is preferably a thin layer of a porous inorganic material such as O 2 or NOx, or a thin layer of a porous organic polymer such as polyacrylamide, agarose, nitrocellulose membrane, nylon, and dextran support. The primer is covalently attached to the support via a linker. Preferred linker moieties include, but are not limited to, thioethers, ethers, esters, amides, amines, hydrazines, carboxylates, halides, hydroxyls, vinyls, vinylcarboxylates, thiols. , Phosphates, silicon-containing organic compounds and their derivatives, and other carboxylate moieties. More preferably, the biotin-streptavidin pair is placed free to provide probe binding to the intermediate support.

【0158】 本発明の装置は、電流を流す第2電極および参照電極を有する。第2電極は、
例えば、金、銀、白金、銅などの金属及びそれらの合金;酸化インジウム、酸化
インジウム錫、酸化亜鉛などの導電性金属酸化物;又はカーボンブラック、導電
性エポキシなどの他の導電性材料を含む導電性材料を有することが最も好ましい
。この中で最も好ましいのは、白金(Pt)線補助電極である。参照電極は、銀
線電極、銀/塩化銀(Ag/AgCl)参照電極、あるいは飽和カロメル電極で
あることが好ましい。
The device of the present invention has a second electrode carrying a current and a reference electrode. The second electrode is
For example, metals such as gold, silver, platinum, copper and alloys thereof; conductive metal oxides such as indium oxide, indium tin oxide, zinc oxide; or other conductive materials such as carbon black and conductive epoxy. It is most preferred to have a conductive material. The most preferable of these is a platinum (Pt) wire auxiliary electrode. The reference electrode is preferably a silver wire electrode, a silver / silver chloride (Ag / AgCl) reference electrode, or a saturated calomel electrode.

【0159】 この装置は、1個あるいは複数の反応チャンバーよりなり、各反応チャンバー
は前述の各電極の少なくとも1つと電気化学的に接触しており、各電極は電源お
よび電源制御手段に接続されている。本発明の目的のために、「電気化学的に接
触」という用語は、特に、2つの電極間に電位が生じたときには、電極を通して
電流が流れるように構成要素を接続することを意味する。
This device consists of one or more reaction chambers, each reaction chamber being in electrochemical contact with at least one of the above-mentioned electrodes, each electrode being connected to a power supply and a power supply control means. There is. For the purposes of the present invention, the term “electrochemically contacting” means connecting components so that a current flows through the electrodes, especially when an electrical potential develops between the two electrodes.

【0160】 電気化学的接触は、本発明の電極配列あるいはマイクロ電極配列の各々と接し
ている電解質溶液を用いて有利に提供される。本発明の装置および方法に有用な
電解質溶液には、(約0.15M NaClに相当する)生理学的に適切なイオ
ン強度および中性pHのいずれかの電解質溶液が含まれる。本発明の装置および
方法において有用な電解質溶液の例には、限定するものではないが、リン酸塩緩
衝生理食塩水、HEPES緩衝生理食塩水、および重炭酸ナトリウム緩衝生理食
塩水が含まれる。
Electrochemical contact is advantageously provided using an electrolyte solution in contact with each of the electrode arrays or microelectrode arrays of the present invention. Electrolyte solutions useful in the devices and methods of the present invention include electrolyte solutions of either physiologically relevant ionic strength (corresponding to about 0.15 M NaCl) and neutral pH. Examples of electrolyte solutions useful in the devices and methods of the present invention include, but are not limited to, phosphate buffered saline, HEPES buffered saline, and sodium bicarbonate buffered saline.

【0161】 本発明の装置および方法を用いて単一塩基伸長を行うための好ましいポリメラ
ーゼは、エクソヌクリアーゼ活性をほとんど示さないかあるいは全く示さないポ
リメラーゼである。生理学的温度より高い温度、すなわち、50℃あるいは60
℃あるいは70℃で耐えてかつ生合成的に活性を示すポリメラーゼ、あるいは少
なくとも90℃〜約95℃までの温度に耐えるポリメラーゼが、より好ましい。
好ましいポリメラーゼとしては、T.aquaticus(パーキンエルマー社
、フォスター市、カリフォルニア州から商業的に入手可能)から得られるTaq
ポリメラーゼ、セクエナーゼ(登録商標)およびサーモ・セクエナーゼ(登録商
標)(USバイオケミカル社、クリーブランド市、オハイオ州から商業的に入手
可能)、Exo−Pfuポリメラーゼ(ニューイングランド・バイラボ社、バー
バリー市、マサチュセッツ州から商業的に入手可能)が挙げられる。
Preferred polymerases for performing single base extensions using the devices and methods of the present invention are those that exhibit little or no exonuclease activity. Higher than physiological temperature, ie 50 ° C or 60
More preferred are polymerases that withstand temperatures of 70 ° C or 70 ° C and are biosynthetically active, or polymerases that withstand temperatures of at least 90 ° C up to about 95 ° C.
Preferred polymerases include T. Taq obtained from aquaticus (commercially available from Perkin Elmer, Inc., Foster City, CA)
Polymerase, Sequenase (R) and Thermo Sequenase (R) (commercially available from US Biochemicals, Inc., Cleveland, Ohio), Exo-Pfu Polymerase (New England By Labo, Burberry, Mass.) Commercially available from).

【0162】 本発明により提供されるSNP検出の方法は、(1)特定の位置を広げる1本
鎖核酸を得るために問題の標的核酸を含む試料を調製すること(典型的には、試
料を変性すること);(2)1本鎖の標的核酸を、応答するヌクレオチド塩基に
隣接する標的核酸中のヌクレオチド配列の部分とハイブリダイズする既知の配列
のオリゴヌクレオチドプライマーに接触させること(それにより、応答すべきヌ
クレオチド塩基が、2本鎖のプライマーの3’末端でアニールされるヌクレオチ
ド塩基の5’末端に隣接する、標的中において対を形成しない第1の塩基となる
ように、プライマーと標的の間に2本鎖を形成し;このオリゴヌクレオチドはア
ドレス可能な配列中で特定のアドレスを占拠する特定のオリゴヌクレオチドであ
ることが好ましい。); (3)2本鎖を、水性担体、ポリメラーゼ、および少なくとも1つのプライマー
伸長ユニットであって、伸長部分、場合により用いるリンカー、および電気化学
的検出部分を有してなるプライマー伸長ユニットを含む試薬と接触させること(
この場合に、ポリメラーゼによる触媒作用によるプライマー伸長反応によって、
プライマーの3’末端においてプライマー伸長ユニットの伸長部分が組み込まれ
、単一塩基によるプライマーの伸長が生じる);(4)組み込まれなかったプラ
イマー伸長ユニットを除くこと;並びに(5)伸長した2本鎖中の組み込まれた
プライマー伸長ユニットの同一性を、特異的な電気化学的検出部分によって測定
すること。
The method of SNP detection provided by the present invention comprises: (1) preparing a sample containing a target nucleic acid of interest (typically Denaturing); (2) contacting the single-stranded target nucleic acid with an oligonucleotide primer of known sequence that hybridizes to the portion of the nucleotide sequence in the target nucleic acid that flanks the responding nucleotide bases (and thereby The primer and target of the target should be such that the nucleotide base to be responded to is the first unpaired base in the target adjacent to the 5'end of the nucleotide base that anneals at the 3'end of the double-stranded primer. It forms a double strand in between; this oligonucleotide is preferably a particular oligonucleotide that occupies a particular address in the addressable sequence. (3) A double-stranded aqueous carrier, a polymerase, and at least one primer extension unit comprising an extension moiety, an optional linker, and an electrochemical detection moiety. Contact with a reagent containing
In this case, by the primer extension reaction catalyzed by polymerase,
(The extension part of the primer extension unit is incorporated at the 3'end of the primer, resulting in extension of the primer by a single base); (4) Excluding unincorporated primer extension unit; and (5) Extended double strand Measuring the identity of the incorporated primer extension unit in the specific electrochemical detection moiety.

【0163】 プライマー伸長ユニット中の伸長部分は、鎖停止部分であることが好ましく、
最も好ましくは、ddATP、ddCTP、ddGTP、およびddTTPなど
のジデオキシヌクレオチドトリホスフェート(ddNTP)である;しかし、ヌ
クレオチド同族体、あるいはアラビノシドトリホスフェートなどの当業者に既知
の他のターミネータも、本発明の範囲内のものである。これらのddNTPは、
それらが、糖成分の3’位置でヒドロキシル基を欠いているという点で、通常の
デオキシヌクレオチドトリホスフェート(dNTP)とは異なっている。このこ
とによって、組み入れられたddNTPの鎖伸長を妨げ、かつ鎖が停止する。蛍
光染料あるいは放射性ラベルであった従来の検出部分とは異なり、本発明は、電
気化学的に検出され、最も好ましくは酸化還元反応によって検出される電気化学
レポーター基により標識された伸長ユニットを提供する。ヌクレオチド鎖中への
ddNTPの組み込みを干渉しない電気化学的識別型酸化還元標識化が好ましい
The extension portion in the primer extension unit is preferably a chain termination portion,
Most preferred are dideoxynucleotide triphosphates (ddNTPs) such as ddATP, ddCTP, ddGTP, and ddTTP; Within the range of. These ddNTPs are
They differ from normal deoxynucleotide triphosphates (dNTPs) in that they lack a hydroxyl group at the 3'position of the sugar moiety. This prevents chain extension of the incorporated ddNTP and causes chain termination. Unlike conventional detection moieties that were fluorescent dyes or radioactive labels, the present invention provides extension units labeled with an electrochemical reporter group that is detected electrochemically, most preferably by a redox reaction. . Electrochemically discriminating redox labeling that does not interfere with the incorporation of ddNTPs into the nucleotide chain is preferred.

【0164】 場合により、調べるべき試料中の標的DNAは、当業者に既知のポリメラーゼ
鎖反応技術(PCR)など等のin vitroでの増幅反応によって増幅できる。本発
明の方法に使用する生物試料中の標的DNAを増加させることによって、ポリメ
ラーゼによる鋳型指向合成をより早くより正確に行われる。PCRなどのin vit
ro増幅法を用いることは、本発明の方法では任意であり、その特徴は、一般に検
出するのに充分な信号を発生させるためにそのような増幅を必要とする従来の検
出技術と比べて、本発明に開示する方法を有利に特徴付ける。本発明の方法の感
度が高いので、PCR後に必要とされる精製工程及び他のin vitro増幅法は不要
であり、このことによって本発明の方法の実施は簡略化される。
Optionally, the target DNA in the sample to be investigated can be amplified by an in vitro amplification reaction such as the polymerase chain reaction technique (PCR) known to those skilled in the art. By increasing the target DNA in the biological sample used in the method of the present invention, template-directed synthesis by the polymerase is performed faster and more accurately. In vit such as PCR
The use of the ro amplification method is optional in the method of the present invention, a feature of which is that, compared to conventional detection techniques that generally require such amplification to generate sufficient signal to detect, Advantageously characterizes the method disclosed in the present invention. Due to the high sensitivity of the method of the invention, the purification steps and other in vitro amplification methods required after PCR are unnecessary, which simplifies the implementation of the method of the invention.

【0165】 単一塩基伸長は、ポリメラーゼの生化学的活性に対して適当なバッファー中で
、少なくとも1つのプライマー伸長ユニットの存在下で、ポリメラーゼを使用す
ることにより行われる。プライマー伸長ユニットの好ましい態様例の一般式は、 ddNTP−L−R [式中、ddNTPは、ddATP、ddGTP、ddCTP、およびddTT
Pを含むジデオキシリボヌクレオチド・トリホスフェートを表し、Lは任意のリ
ンカー部分を示し、Rは電気化学的レポーター基、好ましくは電気化学的活性部
分、最も好ましくは酸化還元部分を示す。]
Single base extension is performed by using the polymerase in the presence of at least one primer extension unit in a buffer suitable for the biochemical activity of the polymerase. The general formula of a preferred embodiment of the primer extension unit is: ddNTP-LR where ddNTP is ddATP, ddGTP, ddCTP, and ddTT.
Represents a dideoxyribonucleotide triphosphate containing P, L represents any linker moiety, and R represents an electrochemical reporter group, preferably an electrochemically active moiety, most preferably a redox moiety. ]

【0166】 好ましい態様例では、各鎖停止ヌクレオチド種(例えば、ジデオキシ(dd)
ATP、ddGTP、ddCTP、およびddTTP)は、異なる電気化学的レ
ポーター基によりラベル付けされ、その場合に各レポーター基はそれぞれ電気化
学的に識別可能な異なる還元/酸化(レドックス)電位を有することが尤も好ま
しい。この点に関しては、DNA分子を含むヌクレオチドはそれ自身は電気的に
活性であり;例えば、グアニンおよびアデニンはそれぞれ、約0.75Vおよび
1.05Vで電気化学的に酸化されるということが理解されるであろう。従って
、本発明のプライマー伸長ユニットを有する電気化学的レポーター基の還元/酸
化電位は、組み込まれるヌクレオチド自身の固有の還元/酸化電位から識別でき
ることが一般に好ましい。以下の電気化学的種は、本発明の電気化学的レポータ
ー基として提供される電気化学的活性部分の例であるが、これに限定されない(
酸化(+)電位又は還元(−)電位(ボルト単位)をカッコ内に示す)。
In a preferred embodiment, each chain terminating nucleotide species (eg dideoxy (dd))
ATP, ddGTP, ddCTP, and ddTTP) are labeled with different electrochemical reporter groups, in which case it is likely that each reporter group will have a different electrochemically distinguishable different redox potential. preferable. In this regard, it is understood that nucleotides containing DNA molecules are themselves electrically active; for example, guanine and adenine are electrochemically oxidized at about 0.75V and 1.05V, respectively. Will Therefore, it is generally preferred that the reduction / oxidation potential of the electrochemical reporter group bearing the primer extension unit of the invention be distinguishable from the intrinsic reduction / oxidation potential of the nucleotide itself to be incorporated. The following electrochemical species are examples of, but not limited to, the electrochemically active moieties provided as the electrochemical reporter group of the present invention (
Oxidation (+) or reduction (-) potential (in volts) is shown in parentheses).

【0167】 水性飽和カロメル参照電極に有用な酸化還元部分には、1、4−ベンゾキノン
(−0.54V)、フェロセン(+0.307)、テトラシアノキノジメタン(
+0.127V、−0.291V)、N,N,N’,N’−テトラメチル−p−
フェニレンジアミン(+0.21)、テトラチアフルバレン(+0.30V)が
含まれる。 Ag/AgCl参照電極に有用な酸化還元部分には、9−アミノアクリジン(
+0.85V)、アクリジンオレンジ(+0.830V)、アクラルビシン(+
0.774V)、ダウノマイシン(+0.446V)、ドキソルビシン(+0.
440V)、ピラルビシン(+0.446V)、エチジウムブロマイド(+0.
678V)、エチジウムモノアジド(+0.563V)、クロロテトラサイクリ
ン(+0.650V)、テトラサイクリン(+0.674V)、ミノサイクリン
(+0.385V)、ヘキスト33258(+0.586V)、ヘキスト333
42(+0.571V)、7−アミノアクチノマイシンD(+0.651V)、
クロモマイシンA(+0.550V)、ミトラマイシンA(+0.510V)
、ヴィンブラスチン(+0.552V)、リファンピシン(+0.103V)、
Os(ビピリジン)(ジピリドフェナジン)(+0.72V)、Co(ビピ
リジン)(+0.11V)、あるいはFe−ブレオマイシン(−0.08V)
が含まれる。 (このレドックスデータは、バード&フォールクナー、Ellectroche
mical Method(1980)、JohnWiley & Sons社
、および橋本ら、Analytica Chimica Acta 286:2
19−224(1994)から転載)
Redox moieties useful for aqueous saturated calomel reference electrodes include 1,4-benzoquinone (-0.54V), ferrocene (+0.307), tetracyanoquinodimethane (
+ 0.127V, -0.291V), N, N, N ', N'-tetramethyl-p-
It includes phenylenediamine (+0.21) and tetrathiafulvalene (+ 0.30V). Useful redox moieties for Ag / AgCl reference electrodes include 9-aminoacridine (
+ 0.85V), acridine orange (+ 0.830V), aclarubicin (+
0.774V), daunomycin (+ 0.446V), doxorubicin (+0.
440V), pirarubicin (+ 0.446V), ethidium bromide (+0.
678V), ethidium monoazide (+ 0.563V), chlorotetracycline (+ 0.650V), tetracycline (+ 0.674V), minocycline (+ 0.385V), Hoechst 33258 (+ 0.586V), Hoechst 333.
42 (+ 0.571V), 7-aminoactinomycin D (+ 0.651V),
Chromomycin A 3 (+ 0.550V), Mitramycin A (+ 0.510V)
, Vinblastine (+ 0.552V), Rifampicin (+ 0.103V),
Os (bipyridine) 2 (dipyridophenazine) 2 (+ 0.72V), Co (bipyridine) 3 (+ 0.11V), or Fe-bleomycin (-0.08V)
Is included. (This redox data is from Bird & Falkner, Electroche
medical Method (1980), John Wiley & Sons, and Hashimoto et al., Analyticala Chimica Acta 286 : 2.
(Reproduced from 19-224 (1994))

【0168】 本発明の電気化学的レポーター基を有する電気化学的活性部分の選択は、溶液
中に存在する他のレドックス部分を除く部分を検出するため、並びに、生物試料
の核酸とアレイに含まれるオリゴヌクレオチドとの間のハイブリダイゼーション
による標識化への干渉を避けるために最適化される。
The selection of electrochemically active moieties having an electrochemical reporter group of the present invention is for detecting moieties other than other redox moieties present in solution as well as included in nucleic acids and arrays of biological samples. Optimized to avoid interference with labeling due to hybridization with the oligonucleotide.

【0169】 本発明の鎖停止ヌクレオチドを含む電気化学的活性部分は、場合により、リン
カー、好ましくは約10〜約20オングストロームの長さを有するリンカー(L
)を介して伸長ヌクレオチドに結合する。このリンカーは、炭化水素鎖(CH等の有機部分であってもよいし、あるいはエーテル、エステル、カルボキシ
アミド、あるいはチオエーテル部分あるいはそれらの組み合わせを有していても
よい。このリンカーは、シロキサン(O−Si−O)等等の無機部分であっても
よい。リンカーの長さは、電気化学的活性部分Rが、結合されたオリゴヌクレオ
チドプライマーと標的核酸との間の核酸ハイブリダイゼーション、あるいはポリ
メラーゼによる鎖伸長を干渉しないように選択される。
The electrochemically active moiety comprising a chain-terminating nucleotide of the present invention optionally comprises a linker, preferably a linker (L) having a length of about 10 to about 20 angstroms.
) To the extended nucleotide. This linker may be an organic moiety such as a hydrocarbon chain (CH 2 ) n , or may have an ether, ester, carboxamide, or thioether moiety or a combination thereof. The linker may be an inorganic moiety such as siloxane (O-Si-O). The length of the linker is chosen such that the electrochemically active moiety R does not interfere with nucleic acid hybridization between the bound oligonucleotide primer and the target nucleic acid or chain extension by the polymerase.

【0170】 好ましい態様例では、単一塩基伸長は、サイクリックボルタンメトリ(CV)
、あるいはストリッピングボルタンメトリ等の標準電気化学的手段により検出さ
れる。例えば、電流は、特定のラベル付けされたプライマー伸長ユニットの各々
に対して特異的な第1電極に対する掃印電圧の関数として記録される。特定の塩
基の組み込みおよび伸長は、適当な酸化還元電位での電極中の電流量として検出
されるプライマー伸長ユニットに特有の酸化あるいは還元ピークにより、同定さ
れる。
In a preferred embodiment, the single base extension is cyclic voltammetry (CV).
, Or by standard electrochemical means such as stripping voltammetry. For example, the current is recorded as a function of the sweep voltage for the first electrode specific for each particular labeled primer extension unit. Specific base incorporation and extension is identified by the oxidation or reduction peaks characteristic of the primer extension unit, which is detected as the amount of current in the electrode at the appropriate redox potential.

【0171】 さらなる態様例では、本発明の方法および装置の実施に有用な他の電気的及び
/又は電気化学的方法には、限定されるものではないが、ACインピーダンス、
パルスボルタンメトリ、方形波ボルタンメトリ、ACボルタンメトリ(ACV)
、流体力学的変調ボルタンメトリ、電位ステップ法、電位差測定、電流測定、電
流ステップ法、およびそれらの組み合わせ法が含まれる。これらの全ての方法に
おいて、電流は、特定のラベル付けしたプライマー伸長ユニットの各々に対して
特異的な第1電極に対する掃印電圧の関数として記録される。差は、電圧範囲を
掃印するのに用いられる入力/プローブ信号の型及び/又は入力/プローブ信号
の形状である。例えば、サイクリックボルタンメトリでは、DC電圧掃印が行わ
れる。ACVでは、AC信号が、電圧掃印に重ねあわされる。方形波ボルタンメ
トリでは、方形波が、電圧掃印に重ね合わされる。伸長した種の一致性を測定す
ることができるように、オリゴヌクレオチド配列中のそれぞれの位置(「アドレ
ス」)から信号が記録されることが最も好ましい。伸長ユニットを含むヌクレオ
チドの一致性は、電流が検出される酸化還元電位から求められる。
In further exemplary embodiments, other electrical and / or electrochemical methods useful in practicing the methods and devices of the invention include, but are not limited to, AC impedance,
Pulse voltammetry, square wave voltammetry, AC voltammetry (ACV)
, Hydrodynamic modulation voltammetry, potential step method, potentiometric, amperometric, current step method, and combinations thereof. In all of these methods, the current is recorded as a function of the sweep voltage for the first electrode specific for each particular labeled primer extension unit. The difference is the type of input / probe signal and / or the shape of the input / probe signal used to sweep the voltage range. For example, in cyclic voltammetry, DC voltage sweeping is performed. In ACV, the AC signal is superimposed on the voltage sweep. In square wave voltammetry, a square wave is superimposed on a voltage sweep. Most preferably, the signal is recorded from each position ("address") in the oligonucleotide sequence so that the identity of the extended species can be measured. The identity of the nucleotides containing the extension unit is determined from the redox potential at which the current is detected.

【0172】 単一塩基伸長反応を行うために本発明の装置を使用するにあたり、(レドック
スラベルの付いたddNTP等の)電気化学的ラベルでラベル付けされた少なく
とも1つの鎖停止ヌクレオチド、ポリメラーゼと相溶性を有し試験条件下で標的
核酸とプライマーオリゴヌクレオチドとの間のハイブリダイゼーションを許容す
るのに充分な塩濃度を有するハイブリダイゼーションバッファー、およびTaq
DNAポリメラーゼあるいはサーモ・セクエナーゼなどのDNAポリメラーゼを
含む反応混合物が調製される。例えば、90℃以上の温度で培養して変性した1
本鎖標的核酸を脱イオン水で、ハイブリダイゼーションに適した濃度になるまで
希釈して反応混合物に添加する。得られるハイブリダイゼーション混合物を、電
極がそれに連結される既知の配列を有するプライマーの多様性を有する第1電極
を有する本発明の装置の反応チャンバーに封入する。プライマーの少なくとも1
つは、試験に使われるハイブリダイゼーション条件下で応答するヌクレオチド塩
基にすぐ隣接した標的のヌクレオチド配列の一部とハイブリダイズすることがで
きるヌクレオチド配列を有している。
In using the apparatus of the present invention to perform a single base extension reaction, at least one chain-terminating nucleotide labeled with an electrochemical label (such as redox-labeled ddNTP) is used in combination with a polymerase. A hybridization buffer that is soluble and has a salt concentration sufficient to allow hybridization between the target nucleic acid and the primer oligonucleotide under test conditions, and Taq
A reaction mixture containing a DNA polymerase or a DNA polymerase such as Thermo Sequenase is prepared. For example, 1 denatured by culturing at a temperature of 90 ° C or higher
The double-stranded target nucleic acid is diluted with deionized water to a concentration suitable for hybridization and added to the reaction mixture. The resulting hybridization mixture is enclosed in the reaction chamber of the device of the invention having a first electrode having a diversity of primers having a known sequence to which the electrode is linked. At least one of the primers
One has a nucleotide sequence capable of hybridizing with the portion of the target nucleotide sequence immediately adjacent to the responding nucleotide base under the hybridization conditions used in the test.

【0173】 プライマーと標的との間の2本鎖が形成され、その場合に応答すべきヌクレオ
チド塩基は、2本鎖中のプライマーの3’末端にてアニールされる5’ヌクレオ
チド塩基の5’側に隣接する標的内の第1の不対塩基である。アニールされたプ
ライマーの3’末端の単一塩基伸長は、電気化学的活性な部分によりラベル付け
された停止ヌクレオチドをプライマー中に組み込むことにより達成される。プラ
イマー配列およびラベル付けされた鎖停止ヌクレオチドは、ヌクレオチドの組み
入れが、標的中の応答するヌクレオチドの一致性(すなたち、突然変異体、野生
型、あるいは多形性)の情報を提供するように選択される。
A double strand is formed between the primer and the target, in which case the nucleotide base to respond to is the 5'side of the 5'nucleotide base that is annealed at the 3'end of the primer in the double strand. Is the first unpaired base in the target adjacent to. Single base extension at the 3'end of the annealed primer is achieved by incorporating into the primer a terminating nucleotide labeled with an electrochemically active moiety. The primer sequences and labeled chain-terminating nucleotides allow the incorporation of nucleotides to provide information about the identity (ie, mutant, mutant, wild-type, or polymorphic) of the responding nucleotides in the target. To be selected.

【0174】 あるいは、プローブは、応答する塩基に対応し及びハイブリダイズする3’末
端残基を有する。この態様例では、3’末端残基に「ミスマッチ」を有するオリ
ゴヌクレオチドは、ハイブリダイズするが、ポリメラーゼにより伸長することは
ない。オリゴヌクレオチドプローブの配列が配列中のそれぞれの位置において既
知であることを条件として、レドックスラベルに応答するプライマー伸長ユニッ
トの組み入れを検出することによって、応答するヌクレオチド塩基の一致性につ
いての情報が提供される。
Alternatively, the probe has a 3'terminal residue that corresponds and hybridizes to the responsive base. In this example embodiment, oligonucleotides with a "mismatch" at the 3'terminal residue hybridize but do not extend by the polymerase. Detecting incorporation of a primer extension unit responsive to a redox label, provided that the sequence of the oligonucleotide probe is known at each position in the sequence, provides information about the identity of the responsive nucleotide bases. It

【0175】 SBE反応を行った後、電極を厳密に(すなわち、低塩および低誘電定数(例
えば、0.1×SSC:0.015M NaCl、15mM クエン酸ナトリウ
ム,pH7.0)の溶液中で、場合によりドデシル硫酸ナトリウム等の洗浄剤を
含み、約10〜65℃の温度にて、標的核酸が除かれる温度にて所定の時間洗浄
する。洗浄の条件は、プローブ長さおよびプローブの複雑さ等のファクターに応
じて変動する。電気化学的検出は、従来のサイクリックボルタンメトリにより電
解質溶液中で行われる。
After performing the SBE reaction, the electrode was placed in a solution of strict (ie low salt and low dielectric constant (eg 0.1 × SSC: 0.015M NaCl, 15 mM sodium citrate, pH 7.0)). If necessary, wash with a detergent such as sodium dodecyl sulfate, and wash for a predetermined time at a temperature of about 10 to 65 ° C. and at a temperature at which the target nucleic acid is removed. It depends on factors such as: Electrochemical detection is performed in electrolyte solution by conventional cyclic voltammetry.

【0176】 以下の例は、上述した本発明を使用する方法のより充分な説明を提供するもの
であって、本発明の種々の態様の実施を意図した最良の形態を示している。 これらの実施例は、説明の目的で提示するものであって、本発明の範囲をなんら
制限するものではないことを理解されたい。引用した全ての文献は、参照するこ
とによって本明細書に包含する。
The following examples provide a more complete description of the methods of using the invention described above and illustrate the best mode contemplated for practicing the various aspects of the invention. It should be understood that these examples are provided for purposes of illustration and are not intended to limit the scope of the invention in any way. All references cited are incorporated herein by reference.

【0177】[0177]

【実施例】【Example】

実施例1 ポリピロールマイクロ電極の作製 ポリピロールマイクロ電極を次のようにして作製した。直径50mmの超微細
白金線を直径2mmのガラスキャピラリー管に挿入し、加熱によってシールして
、固体マイクロ電極構造を形成した。この構造の先端部をガンマアルミナ粉(CH Instruments, Inc、オースチン、テキサス州)で研磨し、白金線の平盤を露出
させた。マイクロ電極を、まず0.3mmのガンマアルミナ粉で研磨し、脱イオ
ン水で洗浄し、その後0.005mmの粉で研磨した。研磨後、マイクロ電極を
脱イオン水中で2分間超音波洗浄し、1N HNO硝酸中に20分間浸し、脱
イオン水中で勢いよく洗浄し、アセトン中に10分間浸し、そして再び脱イオン
水中で勢いよく洗浄した。半導体組み立てに採用されているマイクロ製造技術の
使用により、この方法を改変したものを、バイオアレイチップの構成に必要とさ
れるサイズを有するマイクロ電極の作製に適用することが可能である。
Example 1 Production of Polypyrrole Micro Electrode A polypyrrole micro electrode was produced as follows. An ultrafine platinum wire with a diameter of 50 mm was inserted into a glass capillary tube with a diameter of 2 mm and sealed by heating to form a solid microelectrode structure. The tip of this structure was polished with gamma-alumina powder (CH Instruments, Inc, Austin, Tex.) To expose a platinum wire platen. The microelectrodes were first polished with 0.3 mm gamma alumina powder, washed with deionized water, and then 0.005 mm powder. After polishing, the microelectrode was ultrasonically cleaned in deionized water for 2 minutes, soaked in 1N HNO 3 nitric acid for 20 minutes, washed vigorously in deionized water, soaked in acetone for 10 minutes, and again in deionized water. Washed well. Through the use of microfabrication techniques employed in semiconductor fabrication, modifications of this method can be applied to the fabrication of microelectrodes with the size required for bioarray chip construction.

【0178】 核酸プローブをマイクロ電極の露出白金盤に付着させるために、中性のポリピ
ロールマトリックスを使用した。対向電極として白金電極、参照電極として銀/
塩化銀(Ag/AgCl)、およびサイクリックボルタンメトリ(CV)を用い
る、モデル660Aポテンショスタット(CH Instruments, Inc)を使用して電
気化学的析出法を行った。0.05Mのピロール、2.5mMの3−アセテート
−N−ヒドロキシスクシンイミドピロール、および0.1M LiClO/9
5%アセトニトリルを含む溶液を電解液として調製した。CVについての電位範
囲は、第1サイクルではAg/AgClに対して0.2〜1.3V、および10
回の追加のサイクルではAg/AgClに対して−0.1〜1.0Vとした。ス
キャン速度は10mV/秒とした。電気化学的析出法の間中、電解液に窒素パー
ジを行った。あるいは、ポリピロール膜は、上記と同じ溶液中で、0.20〜0
.25mA/cmの一定電流でピロールを酸化して形成することができる。こ
の方法は、参照電極を要しないので、アレイをベースとするマイクロ電極を作製
するのにより便利である。ピロールの電気化学的酸化により、図2Aの矢印の右
に示したポリピロールを調製した。
A neutral polypyrrole matrix was used to attach the nucleic acid probe to the exposed platinum disk of the microelectrode. Platinum electrode as counter electrode, silver as reference electrode /
Electrochemical deposition was performed using a model 660A potentiostat (CH Instruments, Inc) with silver chloride (Ag / AgCl) and cyclic voltammetry (CV). 0.05M of pyrrole, 2.5 mM of 3-acetate -N- hydroxysuccinimide pyrrole and 0.1M LiClO 4/9,
A solution containing 5% acetonitrile was prepared as an electrolytic solution. The potential range for CV is 0.2-1.3 V vs. Ag / AgCl in the first cycle, and 10
In the additional cycles, the voltage was -0.1 to 1.0 V with respect to Ag / AgCl. The scan speed was 10 mV / sec. The electrolyte was nitrogen purged throughout the electrochemical deposition process. Alternatively, the polypyrrole film is 0.20-0 in the same solution as above.
. It can be formed by oxidizing pyrrole with a constant current of 25 mA / cm 2 . This method does not require a reference electrode and is therefore more convenient to make array-based microelectrodes. The polypyrrole shown to the right of the arrow in FIG. 2A was prepared by electrochemical oxidation of pyrrole.

【0179】 酸化状態のポリピロール電極を0.1M LiClO中に入れ、−0.1〜
0.8の電位範囲に亘り20回サイクルさせた。この処理によりポリピロール膜
が安定化する。中和されたポリピロールを作製するために、マイクロ電極を電解
液中に再び入れ、この電気化学システムの還元ゾーンであるAg/AgClに対
して−0.2〜0.3の電位範囲に亘り10回サイクルさせた。プローブ付着マ
トリックスのバックグラウンド電荷(または帯電)を低減し、ハイブリダイゼー
ション電気測定の感度を増大させるために、中和することが望ましい。ポリピロ
ール膜を中和する反応を図2Bに示す。マイクロ電極をコートするポリピロール
膜の中和に続いて、マイクロ電極を脱イオン水で勢いよくすすいだ。
An oxidized polypyrrole electrode was placed in 0.1 M LiClO 4 to give -0.1
It was cycled 20 times over a potential range of 0.8. This treatment stabilizes the polypyrrole film. In order to make the neutralized polypyrrole, the microelectrode was re-immersed in the electrolyte and 10 over a potential range of -0.2 to 0.3 with respect to the reduction zone Ag / AgCl of this electrochemical system. It was cycled twice. Neutralization is desirable to reduce the background charge (or charge) of the probe attachment matrix and increase the sensitivity of hybridization electrometry. The reaction to neutralize the polypyrrole film is shown in Figure 2B. Following neutralization of the polypyrrole film coating the microelectrodes, the microelectrodes were rinsed vigorously with deionized water.

【0180】 実施例2 核酸プローブのポリピロールマイクロ電極への付着 実施例1で作製したポリピロールマイクロ電極へ核酸プローブを付着させるた
めに、マイクロ電極を、80mLのジメチルホルムアミドおよび20mLの15
nM 5’−アミノでラベル付けした15量体のオリゴヌクレオチド(5’−C
−C−C−T−C−A−A−G−C−A−G−A−G−G−A−3’;SEQ
ID NO:1)からなる溶液中で室温にて4時間インキュベートした。プロー
ブ分子の付着に続いて、マイクロ電極をTBEバッファ(0.89Mのトリス−
ホウ酸塩、0.025MのEDTA)で洗浄し、脱イオン水中で十分にすすぎ、
室温で乾燥させた。
Example 2 Attachment of Nucleic Acid Probe to Polypyrrole Microelectrode To attach the nucleic acid probe to the polypyrrole microelectrode prepared in Example 1, a microelectrode was attached to 80 mL of dimethylformamide and 20 mL of 15
A 15-mer oligonucleotide (5'-C labeled with nM 5'-amino.
-C-C-T-C-A-A-G-C-A-G-A-G-G-A-3 '; SEQ
Incubated for 4 hours at room temperature in a solution consisting of ID NO: 1). Following attachment of the probe molecule, the microelectrode was placed in TBE buffer (0.89M Tris-
Washed with borate, 0.025M EDTA), rinsed thoroughly in deionized water,
It was dried at room temperature.

【0181】 実施例3 ポリピロールマイクロ電極を用いた核酸ハイブリダイゼーションの電気的検出 まず、実施例2で作製したマイクロ電極のACインピーダンスのベースライン
を相補的標的分子の不存在下で決定した。マイクロ電極を、シールされた円錐管
中で、相補的標的分子(5’−T−C−C−T−C−T−G−C−T−T−G−
A−G−G−G−3’;SEQ ID NO:2)がマイクロモル(10−6
;mM)〜アトモル(10−18M;aM)の範囲の濃度で存在する35mLに
曝した。プローブと標的分子のハイブリダイゼーションを1×SSCバッファ(
0.15M NaCl、0.015M クエン酸ナトリウム、pH7.0)中で
37℃にて24〜48時間行った。ハイブリダイゼーションに続いて、マイクロ
電極を過剰量の1×SSC中で室温にて十分にすすぎ、その後ACインピーダン
スを測定した。
Example 3 Electrical Detection of Nucleic Acid Hybridization Using Polypyrrole Microelectrodes First, the AC impedance baseline of the microelectrodes prepared in Example 2 was determined in the absence of complementary target molecules. The microelectrodes were placed in a sealed conical tube with complementary target molecules (5′-T-C-C-T-C-T-G-C-T-T-G-
A-GG-G-3 '; SEQ ID NO: 2) is micromolar (10 -6 M)
, MM) to attomole (10 −18 M; aM), which was exposed to 35 mL present at a concentration range. Hybridization of the probe and target molecule is performed in 1xSSC buffer (
0.15M NaCl, 0.015M sodium citrate, pH 7.0) at 37 ° C. for 24-48 hours. Following hybridization, the microelectrodes were thoroughly rinsed in excess 1 × SSC at room temperature, after which the AC impedance was measured.

【0182】 ACインピーダンスは、モデル1287電気化学インタフェースと共にモデル
1260インピーダンス/ゲイン−相解析器(Solartron Inc.、ヒューストン、
テキサス州)を使用して測定した。対向電極および参照電極は、それぞれ白金お
よびAg/AgClとし、またACインピーダンス測定は、1M LiClO 溶液中で、開路電圧(OCV)条件下にて行った。相補的標的分子の2fM溶液
を用いたハイブリダイゼーション前後における、15量体のオリゴヌクレオチド
を付着させたポリピロールマイクロ電極についての、周波数に対する測定した複
素インピーダンス(Z)を図3Aに示す(複素インピーダンスは、Z=Z’+i
Z’’の式で表され、式中Z’はインピーダンスの実部、iは0〜1であり、ま
たZ’’はインピーダンスの虚部である)。標的分子へのハイブリダイゼーショ
ン前後のマイクロ電極間で有意な差が認められた(図3A)。低濃度の標的分子
(すなわち、標的の2fMは、標的分子の0.1aモルに相当する)で生じた大
きな信号は、オリゴヌクレオチドプローブと標的核酸分子との間のハイブリダイ
ゼーションを検出するための本発明の方法の感度の高さを示すものである。周波
数は、0.1Hz(大きな値のZ’における値)〜1MHz(ほぼゼロ(〜0)
のZ’における値)まで増加させた。
The AC impedance is model 1260 impedance / gain-phase analyzer (Solartron Inc., Houston, Houston, with model 1287 electrochemical interface).
(Texas). The counter electrode and the reference electrode were platinum and Ag / AgCl, respectively, and the AC impedance measurement was performed in a 1M LiClO 4 solution under open circuit voltage (OCV) conditions. The measured complex impedance (Z) vs. frequency for a polypyrrole microelectrode with attached 15-mer oligonucleotides before and after hybridization with a 2 fM solution of complementary target molecules is shown in Figure 3A (complex impedance is Z = Z '+ i
Z ″ is a real part of impedance, i is 0 to 1, and Z ″ is an imaginary part of impedance). A significant difference was observed between the microelectrodes before and after hybridization to the target molecule (Fig. 3A). A large signal generated at low concentrations of the target molecule (ie 2 fM of the target corresponds to 0.1 amol of the target molecule) is a signal for detecting hybridization between the oligonucleotide probe and the target nucleic acid molecule. It shows the high sensitivity of the method of the invention. The frequency is 0.1 Hz (value at large Z ') to 1 MHz (nearly zero (~ 0)
Value at Z ').

【0183】 図3Bは、高周波数領域(Z’<5×10)についての周波数複素曲線(図
3A中に見られる)を示す。周波数依存性半円形インピーダンス曲線が、高周波
数にて、ハイブリダイゼーション前後で観測された。高周波数におけるこのよう
な曲線は、ファラデー抵抗(すなわち、電気化学反応抵抗)がキャパシタンスと
並列に存在することを示している。図3Bに示された曲線などの半円形曲線は、
等価回路シミュレーションによって電気化学反応抵抗および2重層キャパシタン
スを得るために使用し得る。図3Bに示されたデータを用いて得られたシミュレ
ーション結果を表1に示す。これらの結果は、予想していたように、プローブと
標的分子とのハイブリダイゼーション後に高周波数電気化学抵抗が減少し、キャ
パシタンスが増加することを示している。このことはハイブリダイズされたDN
AがLiと強い電気化学的相互作用を有することを明らかにしている。
FIG. 3B shows the frequency complex curve (seen in FIG. 3A) for the high frequency region (Z ′ <5 × 10 4 ). A frequency-dependent semi-circular impedance curve was observed at high frequencies before and after hybridization. Such a curve at high frequency shows that the Faraday resistance (ie the electrochemical reaction resistance) is in parallel with the capacitance. A semi-circular curve, such as the curve shown in Figure 3B,
It can be used to obtain electrochemical reaction resistance and double layer capacitance by equivalent circuit simulation. Table 1 shows the simulation results obtained using the data shown in FIG. 3B. These results show that, as expected, the high frequency electrochemical resistance decreases and the capacitance increases after hybridization of the probe with the target molecule. This means that hybridized DN
It is revealed that A has a strong electrochemical interaction with Li + .

【0184】[0184]

【表1】 高周波数インピーダンスデータから得た等価回路パラメータ [Table 1] Equivalent circuit parameters obtained from high frequency impedance data

【0185】 図3Aに示された複素インピーダンスデータの実部すなわち抵抗(R)に対す
る周波数の平方根(W−1/2)を図4Aおよび図4Bにプロットしている。線
形領域が観察され、このことは、低周波数においてはLiの拡散プロセスが測
定値に対して支配的であることを示している。図4Aおよび図4Bは、抵抗の有
意な変化が、一本鎖プローブと標的分子のハイブリダイゼーション後に生じてい
ることを示している。ハイブリダイゼーションに続いての高周波数抵抗の減少(
図4B)は、ハイブリダイズした核酸のファラデー抵抗の減少により説明できる
。低周波数では、大きなイオン拡散抵抗がインピーダンスに対して支配的であり
、抵抗は、ハイブリダイズしたプローブ−標的2重鎖(duplex)に対して高くな
っている(図4A)。周波数の増加につれて周波数依存性拡散抵抗の寄与が減少
し、よって、小さなファラデー抵抗が支配的となる。
The real part of the complex impedance data shown in FIG. 3A, that is, the square root of the frequency (W −1/2 ) with respect to the resistance (R), is plotted in FIGS. 4A and 4B. A linear region was observed, indicating that at low frequencies the diffusion process of Li + is dominant for the measurements. 4A and 4B show that a significant change in resistance occurs after hybridization of the single-stranded probe and the target molecule. Decrease in high frequency resistance following hybridization (
FIG. 4B) can be explained by the decrease in Faraday resistance of the hybridized nucleic acid. At low frequencies, a large ionic diffusion resistance dominates the impedance and the resistance is higher for the hybridized probe-target duplex (Fig. 4A). As the frequency increases, the contribution of the frequency-dependent diffused resistance decreases, so that the small Faraday resistance dominates.

【0186】 上記した実験での検出限界は標的分子のほぼ0.1アトモルに達した。標的分
子濃度が増加するにつれて、より高いハイブリダイゼーション信号が得られ、こ
のことは、本発明の方法が電極固定化プローブにハイブリダイズされた標的の定
量に使用可能であることを示している。従って、本方法は、テストサンプル中の
核酸の絶対量を測定するために、適当な参照電極と共に使用することができる。
例えば、本発明の方法は、遺伝子発現研究におけるRNAの高感度、高分析能の
測定を可能にする。このような方法を用いて行われる比較遺伝子発現研究は、問
題のRNAとコントロール用のRNAとの比を決定することによるよりも、発現
されたRNAの直接的な定量を可能にする。
The limit of detection in the above experiment reached approximately 0.1 attomole of the target molecule. Higher hybridization signals were obtained as the target molecule concentration increased, indicating that the method of the invention can be used for quantification of target hybridized to electrode-immobilized probes. Thus, the method can be used with a suitable reference electrode to measure the absolute amount of nucleic acid in a test sample.
For example, the method of the present invention enables highly sensitive and highly analytical determination of RNA in gene expression studies. Comparative gene expression studies performed using such methods allow for direct quantification of expressed RNA, rather than by determining the ratio of RNA of interest to control RNA.

【0187】 実施例4 ポリピロールマイクロ電極を用いた電気的検出の特異性 付着させたオリゴヌクレオチドプローブを有するマイクロ電極を実施例1およ
び2で記載したように作製した。4つのマイクロ電極を、付着させたプローブ(
5’−T−C−C−T−C−T−G−C−T−T−G−A−G−G−G−3’;
SEQ ID NO:2)に対して完全に相補的な2pMの15量体の標的分子
を含む溶液中でインキュベートし、また、他の4つのマイクロ電極を、実施例3
に記載した条件を用いて、付着させたプローブ(5’−C−C−C−T−C−A
−A−G−C−A−G−A−G−G−A−3’;SEQ ID NO:1)に対
する3個のミスマッチ塩基を含む15量体の標的分子を2fM含む溶液中でイン
キュベートした。
Example 4 Specificity of Electrical Detection Using Polypyrrole Microelectrodes Microelectrodes with attached oligonucleotide probes were prepared as described in Examples 1 and 2. Four microelectrodes attached to the probe (
5′-T-C-C-T-C-T-G-C-T-T-G-A-G-G-G-3 ';
SEQ ID NO: 2) was incubated in a solution containing 2 pM of the 15-mer target molecule perfectly complementary to SEQ ID NO: 2), and the other four microelectrodes were used in Example 3
The attached probe (5'-C-C-C-T-C-A) using the conditions described in.
-A-G-C-A-G-A-G-G-A-3 '; SEQ ID NO: 1) 15-mer target molecule containing 3 mismatch bases was incubated in a solution containing 2 fM. .

【0188】 ハイブリダイゼーション後、2重鎖の融点を電気的に測定するために、個々の
マイクロ電極を連続的に温度を上昇させて洗浄した。洗浄は、マイクロ電極を1
×SSC中に37℃もしくは38℃のいずれかで30分間配置して行った。ハイ
ブリダイズされていない、標的にハイブリダイズされた、または37℃あるいは
38℃で洗浄された電極のACインピーダンス曲線を図5A(完全に相補的な標
的分子)および図5B(ミスマッチの標的分子)に示す。
After hybridization, the individual microelectrodes were washed by successively increasing the temperature in order to electrically measure the melting point of the double strand. 1 microelectrode for cleaning
It was carried out by placing in SSC at 37 ° C or 38 ° C for 30 minutes. The AC impedance curves of the unhybridized, target-hybridized, or washed at 37 ° C or 38 ° C electrodes are shown in Figure 5A (fully complementary target molecule) and Figure 5B (mismatched target molecule). Show.

【0189】 ACインピーダンス測定は、完全相補的(完璧)およびミスマッチの、ハイブ
リダイズした核酸2重鎖間で明らかな差を示した。完全相補的標的分子について
得られたインピーダンス曲線は、洗浄後も不変であり、これにより、完全な2重
鎖の融点を越えていないことが示される。ミスマッチ標的分子について得られた
インピーダンス曲線は、洗浄後、ベースライン(すなわち、非ハイブリダイズプ
ローブ)の方に移動し、これにより、この2重鎖の融点は、その2重鎖の融点付
近の温度で生じていることが示される。マッチした核酸配列とミスマッチの核酸
配列とを識別する能力は、本発明の方法が遺伝子多形の検出に適用可能であるこ
とを示している。図6は、ミスマッチのDNAシステムが洗浄温度を高くするに
つれて連続的に減少し、単一鎖DNAのベースラインに戻ることを示している。
AC impedance measurements showed clear differences between perfectly complementary (perfect) and mismatched hybridized nucleic acid duplexes. The impedance curves obtained for the perfectly complementary target molecule are unchanged after washing, indicating that the melting point of the perfect duplex is not exceeded. The impedance curve obtained for the mismatched target molecule shifts towards the baseline (ie, non-hybridizing probe) after washing, which causes the melting point of the duplex to be near the melting point of the duplex. It is shown that it occurs in. The ability to discriminate between matched and mismatched nucleic acid sequences indicates that the method of the invention is applicable to the detection of genetic polymorphisms. Figure 6 shows that the mismatched DNA system decreases continuously with increasing wash temperature, returning to the baseline for single-stranded DNA.

【0190】 実施例5 分子相互作用のポリピロールマイクロ電極電気的検出におけるLiレポーター
の使用 マイクロ電極を実施例1および2で記載したようにして作製し、また実施例3
に記載したようにして適切な標的分子にハイブリダイズした。核酸ハイブリダイ
ゼーション前後のACインピーダンスを図7に示す。付着させたオリゴヌクレオ
チドプローブを有するマイクロ電極は、標的分子とのハイブリダイゼーション前
において理想的な分極電極の特性を示した。この状態の等価回路を図8Aに示し
、ACインピーダンス応答を図8Bに示す。この状態においてマイクロ電極は、
式:Z=R−j(wCdl−1により記述できる。式中、Zはインピーダン
ス、Rは溶液の抵抗、jは0〜1、wは2、またCdlは2重層のキャパシタ
ンスである。
Example 5 Polypyrrole Microelectrodes for Molecular Interactions Use of Li + Reporters in Electrical Detection Microelectrodes were prepared as described in Examples 1 and 2, and also Example 3
Hybridized to the appropriate target molecule as described in. AC impedance before and after nucleic acid hybridization is shown in FIG. Microelectrodes with attached oligonucleotide probes showed ideal polarized electrode properties prior to hybridization with the target molecule. The equivalent circuit in this state is shown in FIG. 8A, and the AC impedance response is shown in FIG. 8B. In this state, the microelectrode
Formula: it can be described by Z = R s -j (wC dl ) -1. Where Z is impedance, R s is solution resistance, j is 0 to 1, w is 2, and C dl is double layer capacitance.

【0191】 マイクロ電極の挙動は、電気化学的活性種がなく、特異的吸着もないので、適
切な標的分子へのハイブリダイゼーション前では妥当であり、0.1M LiC
lOを含む電解質溶液の窒素パージを伴う条件下にて「理想的な」分極電極と
して扱われる。しかしながら、適切な標的分子へのハイブリダイゼーション後で
は、同一の電解液にて理想曲線からの大きなずれが観測され、このことはインピ
ーダンスが有意に増加したことを示している。ハイブリダイゼーション後に電極
について測定されたACインピーダンスにより、このような条件下での電気化学
プロセスおよび等価回路が、図8C(図中、Rはファラデー抵抗すなわち電気
化学反応抵抗であり、Rはワールブルグ抵抗である)に示すようなものである
ことがわかる。電気化学反応および拡散プロセスの両者からの抵抗は、ハイブリ
ダイゼーション後の電極の挙動を理想的な分極曲線からずれさせる原因となる。
The behavior of the microelectrode is reasonable prior to hybridization to the appropriate target molecule, as it has no electrochemically active species and no specific adsorption, and 0.1 M LiC
Treated as an “ideal” polarized electrode under conditions with a nitrogen purge of the electrolyte solution containing 10 4 . However, after hybridization to the appropriate target molecule, a large deviation from the ideal curve was observed in the same electrolyte, indicating a significant increase in impedance. With the AC impedance measured on the electrodes after hybridization, the electrochemical process and equivalent circuit under such conditions is shown in FIG. 8C (where R t is the Faraday or electrochemical reaction resistance and R w is the Warburg. It is a resistance). Resistance from both electrochemical reactions and diffusion processes causes the behavior of the electrode after hybridization to deviate from the ideal polarization curve.

【0192】 シミュレーションにより、この状態に対する等価回路の全パラメータの計算が
可能であろうが、等価回路もまたRおよびCについて簡略化出来る。このような
簡略化の結果を図9および10に示すが、これらは、RおよびCの両者からの抵
抗が1桁程度増加していることを示している。上記した実験結果(特に実施例4
に記載したもの)は、電解液中のLiがレポーターとして働くことができ、プ
ローブと標的分子間のミスマッチの検出を可能にすることを示している。本発明
の方法は、電気的検出を可能とするために、カチオン、より好ましくはLi
チオンのインタカーレーションまたは結合によっているので、この方法は、標的
分子をラベル付けすることを必要としない。
Simulations will allow calculation of all parameters of the equivalent circuit for this condition, but the equivalent circuit can also be simplified for R and C. The results of such simplifications are shown in FIGS. 9 and 10, which show that the resistance from both R and C has increased by an order of magnitude. Experimental results described above (particularly Example 4)
(Described in (1) above), Li + in the electrolyte can act as a reporter, allowing detection of mismatches between the probe and the target molecule. Since the method of the invention relies on the intercalation or binding of cations, more preferably Li + cations, to allow electrical detection, this method does not require labeling of the target molecule.

【0193】 実施例6 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極の作製 マイクロ電極を実施例1(図1A)で記載したようにして作製した。その後、
露出した白金の平盤を熱い王水中でエッチングして、特定の深さのリセス(すな
わちミクロ孔の窪み)を形成した。リセスの深さは、白金盤をエッチング材料に
曝している時間の長さにより制御した。その後、このようにして形成したリセス
にポリアクリルアミド・ゲル材料(図1B)を充填して、ヒドロゲル多孔質マイ
クロ電極(図11)を形成した。258mmの直径を有するヒドロゲル多孔質マ
イクロ電極を後続の実施例で使用した。
Example 6 Preparation of Hydrogel Porous Microelectrode A microelectrode was prepared as described in Example 1 (FIG. 1A). afterwards,
The exposed platinum plate was etched in hot aqua regia to form recesses (ie, micro-hole depressions) of specific depth. The depth of the recess was controlled by the length of time the platinum plate was exposed to the etching material. Thereafter, the recess thus formed was filled with a polyacrylamide gel material (FIG. 1B) to form a hydrogel porous microelectrode (FIG. 11). A hydrogel porous microelectrode with a diameter of 258 mm was used in subsequent examples.

【0194】 プローブ分子の付着の前に、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を2%トリフルオ
ロ酢酸中で10分間インキュベートして活性化し、脱イオン水中で2分間すすい
だ。その後、マイクロ電極を0.1M過ヨウ素酸ナトリウム中で15分間インキ
ュベートし、脱イオン水中で2分間すすいだ。この処理に続いて、マイクロ電極
を脱イオン水中での15分間のインキュベーションにより十分に洗浄し、その後
風乾した。続いて、マイクロ電極を2%ジメチルジクロロシラン溶液および2%
オクタメチルシクロテトラシロキサン中で10分間インキュベートし、エタノー
ル中で洗浄し、脱イオン水中ですすぎ、風乾した。
Prior to attachment of probe molecules, hydrogel porous microelectrodes were activated by incubating in 2% trifluoroacetic acid for 10 minutes and rinsed in deionized water for 2 minutes. The microelectrode was then incubated in 0.1 M sodium periodate for 15 minutes and rinsed in deionized water for 2 minutes. Following this treatment, the microelectrodes were thoroughly washed by incubation in deionized water for 15 minutes and then air dried. Subsequently, the microelectrode was treated with 2% dimethyldichlorosilane solution and 2%.
Incubated in octamethylcyclotetrasiloxane for 10 minutes, washed in ethanol, rinsed in deionized water and air dried.

【0195】 実施例7 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極への核酸プローブの付着 実施例6で作製したマイクロ電極に核酸プローブを付着させるために、マイク
ロ電極を、80mLのジメチルホルムアミドおよび20mLの2pM 5’−ア
ミノ−3’フルオレセインでラベル付けした15量体のオリゴヌクレオチド(5
’−C−C−C−T−C−A−A−G−C−A−G−A−G−G−A−3’;S
EQ ID NO:1)からなる溶液中で室温にて4時間インキュベートした。
プローブ分子の付着に続いて、マイクロ電極をTBEバッファで洗浄し、脱イオ
ン水中で十分にすすぎ、室温で乾燥させた。
Example 7 Attachment of Nucleic Acid Probe to Hydrogel Porous Microelectrode To attach the nucleic acid probe to the microelectrode prepared in Example 6, the microelectrode was attached to 80 mL of dimethylformamide and 20 mL of 2 pM 5′-amino. 15-mer oligonucleotide labeled with -3'-fluorescein (5
'-C-C-C-T-C-A-A-G-C-A-G-A-G-G-A-3'; S
Incubated for 4 hours at room temperature in a solution consisting of EQ ID NO: 1).
Following attachment of the probe molecule, the microelectrode was washed with TBE buffer, rinsed thoroughly in deionized water and dried at room temperature.

【0196】 実施例8 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を用いた核酸ハイブリダイゼーションの電気的検
出 まず、実施例7で作製したヒドロゲル多孔質マイクロ電極のベースラインAC
インピーダンスを標的分子の不存在下で決定した。マイクロ電極を、シールされ
た円錐管中で、相補的標的分子(5’−T−C−C−T−C−T−G−C−T−
T−G−A−G−G−G−3’;SEQ ID NO:2)が2pMの濃度で存
在する35mL、またはミスマッチ標的分子(5’−C−C−C−T−C−A−
A−G−C−A−G−A−G−G−A−3’;SEQ ID NO:1)が30
0nMの濃度で存在する35mLに曝した。いずれかの標的分子とプローブとの
ハイブリダイゼーションを1×SSCバッファ中で室温にて1時間行った。ハイ
ブリダイゼーションに続いて、マイクロ電極を過剰量の1×SSC中で室温にて
20分間十分にすすぎ、その後ACインピーダンスを測定した。
Example 8 Electrical Detection of Nucleic Acid Hybridization Using a Hydrogel Porous Microelectrode First, the baseline AC of the hydrogel porous microelectrode prepared in Example 7 was used.
Impedance was determined in the absence of target molecule. The microelectrodes were placed in a sealed conical tube with complementary target molecules (5′-T-C-C-T-C-T-G-C-T-
T-G-A-G-G-G-3 '; SEQ ID NO: 2) was present at a concentration of 2 pM in 35 mL, or the mismatch target molecule (5'-C-C-C-T-C-A-).
A-G-C-A-G-A-G-G-A-3 '; SEQ ID NO: 1) is 30
Exposed to 35 mL present at a concentration of 0 nM. Hybridization of any of the target molecules with the probe was performed in 1 × SSC buffer for 1 hour at room temperature. Following hybridization, the microelectrodes were thoroughly rinsed in excess 1 × SSC for 20 minutes at room temperature, after which the AC impedance was measured.

【0197】 ACインピーダンスは、モデル1287電気化学インタフェースと共にモデル
1260インピーダンス/ゲイン−相解析器を使用して測定した。対向電極およ
び参照電極は、それぞれ白金およびAg/AgClとし、またACインピーダン
ス測定は、1×SSCハイブリダイゼーション溶液中で、開路電圧(OCV)条
件下にて行った。サンプルを50mVの振幅で励起させる。相補的標的分子ある
いはミスマッチ標的分子とのハイブリダイゼーション後における、15量体のオ
リゴヌクレオチドを付着させたヒドロゲル多孔質マイクロ電極についての、周波
数に対する測定した複素インピーダンス(Z)を図12に示す。
AC impedance was measured using a model 1260 impedance / gain-phase analyzer with a model 1287 electrochemical interface. The counter electrode and the reference electrode were platinum and Ag / AgCl, respectively, and the AC impedance measurement was performed in 1 × SSC hybridization solution under open circuit voltage (OCV) conditions. The sample is excited with an amplitude of 50 mV. The measured complex impedance (Z) versus frequency for hydrogel porous microelectrodes with attached 15-mer oligonucleotides after hybridization with complementary or mismatched target molecules is shown in FIG.

【0198】 プローブ分子とミスマッチ標的分子とのハイブリダイゼーション後に生じる信
号は、標的分子の不存在下で生じる信号と区別出来なかった。図12に示すよう
に、この結果は、低周波数では電荷移動が拡散制御することを示している。拡散
インピーダンスは、ワールブルグ要素Wとして表され、また、W1/2に対する
虚部および実部の両者のプロットにおいて線形領域を有する。図12に示した複
素インピーダンスデータの虚部および実部から、W−1/2に対する抵抗(R)
プロットおよびW−1/2に対するキャパシタンス(C)プロットが得られ、図
13および14に示すようにプロットした。線形領域がこれらのプロットで観察
され、拡散プロセスが電子測定に対し支配的であることがわかった。これらのプ
ロットは、抵抗およびキャパシタンスの双方が、一本鎖DNAプローブと標的D
NAとのハイブリダイゼーション後に有意な変化をすることを示している。ハイ
ブリダイゼーション後、抵抗は減少し、キャパシタンスは増加する。これらの結
果は、ポリアクリルアミドゲルに付着したプローブ分子への標的分子のハイブリ
ダイゼーションは、抵抗を下げることにより電荷移動プロセスを向上させること
が出来ることを示している。キャパシタンスの増加は、核酸ハイブリダイゼーシ
ョンの結果である表面電荷の増加に起因する。ヒドロゲル多孔質マイクロ電極に
関して得られた結果は、溶液中で40fMの標的分子を検出するためにこのよう
なマイクロ電極が使用可能であることを示している。
The signal generated after hybridization of the probe molecule with the mismatched target molecule was indistinguishable from the signal generated in the absence of the target molecule. As shown in FIG. 12, this result indicates that at low frequencies charge transfer is diffusion controlled. The diffusion impedance is represented as the Warburg element W and has a linear region in both the imaginary and real part plots for W 1/2 . From the imaginary part and the real part of the complex impedance data shown in FIG. 12, the resistance (R) with respect to W −1/2
Plots and capacitance (C) plots for W- 1 / 2 were obtained and plotted as shown in Figures 13 and 14. A linear region was observed in these plots, indicating that the diffusion process dominates the electronic measurements. These plots show that both resistance and capacitance show single-stranded DNA probe and target D
It shows that there is a significant change after hybridization with NA. After hybridization, resistance decreases and capacitance increases. These results indicate that hybridization of the target molecule to the probe molecule attached to the polyacrylamide gel can improve the charge transfer process by reducing the resistance. The increased capacitance is due to the increased surface charge that is the result of nucleic acid hybridization. The results obtained with hydrogel porous microelectrodes indicate that such microelectrodes can be used to detect 40 fM target molecules in solution.

【0199】 実施例9 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極の作製 マイクロ電極を次のようにして作製した。直径50mmの超微細白金線を直径
2mmのガラスキャピラリー管に挿入し、加熱によってシールして、固体マイク
ロ電極構造を形成した。この構造の先端部をガンマアルミナ粉(CH Instruments
, Inc、オースチン、テキサス州)で研磨し、白金線の平盤を露出させた。マイ
クロ電極を、まず0.3mmのガンマアルミナ粉で研磨し、脱イオン水ですすぎ
、その後0.005mmの粉で研磨した。研磨後、マイクロ電極を脱イオン水中
で2分間超音波洗浄し、1N HNO中に20分間浸し、脱イオン水中で勢い
よく洗浄し、アセトン中に10分間浸し、そして再び脱イオン水中で勢いよく洗
浄した。半導体組み立てに採用されているマイクロ製造技術の使用により、この
方法を改変したものを、バイオアレイチップの構成に必要とされるサイズを有す
るマイクロ電極の作製に適用することが可能である。
Example 9 Preparation of Hydrogel Porous Microelectrode A microelectrode was prepared as follows. An ultrafine platinum wire with a diameter of 50 mm was inserted into a glass capillary tube with a diameter of 2 mm and sealed by heating to form a solid microelectrode structure. Gamma alumina powder (CH Instruments
, Inc, Austin, Tex.) To expose a platinum wire platen. The microelectrodes were first polished with 0.3 mm gamma alumina powder, rinsed with deionized water and then with 0.005 mm powder. After polishing, the microelectrodes were ultrasonically cleaned in deionized water for 2 minutes, soaked in 1N HNO 3 for 20 minutes, washed vigorously in deionized water, soaked in acetone for 10 minutes, and then again in deionized water. Washed. Through the use of microfabrication techniques employed in semiconductor fabrication, modifications of this method can be applied to the fabrication of microelectrodes with the size required for bioarray chip construction.

【0200】 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を、上記のマイクロ電極から次のようにして作
製した。各マイクロ電極の露出した白金平盤を熱い王水中でエッチングして、特
定の深さのリセス(すなわちミクロ孔の窪み)を形成した。リセスの深さは、白
金盤をエッチング材料に曝している時間の長さにより制御した。その後、このよ
うにして形成したリセスにポリアクリルアミド・ゲル材料(図1B)を充填して
、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極(図2)を形成した。258mmの直径をもつ
ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を実施例2で使用した。
A hydrogel porous microelectrode was prepared from the above microelectrode as follows. The exposed platinum plate of each microelectrode was etched in hot aqua regia to form recesses (ie, micro-hole depressions) of a specific depth. The depth of the recess was controlled by the length of time the platinum plate was exposed to the etching material. Then, the recess thus formed was filled with a polyacrylamide gel material (FIG. 1B) to form a hydrogel porous microelectrode (FIG. 2). A hydrogel porous microelectrode with a diameter of 258 mm was used in Example 2.

【0201】 プローブ分子の付着の前に、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を2%トリフルオ
ロ酢酸中で10分間インキュベートして活性化し、脱イオン水中で2分間すすい
だ。その後、マイクロ電極を0.1M過ヨウ素酸ナトリウム中で15分間インキ
ュベートし、脱イオン水中で2分間すすいだ。この処理に続いて、マイクロ電極
を脱イオン水中での15分間のインキュベーションにより十分に洗浄し、その後
風乾した。続いて、マイクロ電極を2%ジメチルジクロロシラン溶液および2%
オクタメチルシクロテトラシロキサン中で10分間インキュベートし、エタノー
ル中で洗浄し、脱イオン水中ですすぎ、風乾した。
Prior to the attachment of probe molecules, the hydrogel porous microelectrodes were activated by incubating in 2% trifluoroacetic acid for 10 minutes and rinsed in deionized water for 2 minutes. The microelectrode was then incubated in 0.1 M sodium periodate for 15 minutes and rinsed in deionized water for 2 minutes. Following this treatment, the microelectrodes were thoroughly washed by incubation in deionized water for 15 minutes and then air dried. Subsequently, the microelectrode was treated with 2% dimethyldichlorosilane solution and 2%.
Incubated in octamethylcyclotetrasiloxane for 10 minutes, washed in ethanol, rinsed in deionized water and air dried.

【0202】 実施例10 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極への核酸プローブの付着 実施例1で作製したマイクロ電極に核酸プローブを付着させるために、マイク
ロ電極を、80mLのジメチルホルムアミドおよび20mLの2pM 5’−ア
ミノ−3’フルオレセインでラベル付けした15量体のオリゴヌクレオチド(5
’−C−C−C−T−C−A−A−G−C−A−G−A−G−G−A−3’;S
EQ ID NO:1)からなる溶液中で室温にて4時間インキュベートした。
プローブ分子の付着に続いて、マイクロ電極をTBEバッファで洗浄し、脱イオ
ン水中で十分にすすぎ、室温で乾燥させた。
Example 10 Attachment of Nucleic Acid Probe to Hydrogel Porous Microelectrode To attach the nucleic acid probe to the microelectrode prepared in Example 1, the microelectrode was attached to 80 mL of dimethylformamide and 20 mL of 2 pM 5′-amino. 15-mer oligonucleotide labeled with -3'-fluorescein (5
'-C-C-C-T-C-A-A-G-C-A-G-A-G-G-A-3'; S
Incubated for 4 hours at room temperature in a solution consisting of EQ ID NO: 1).
Following attachment of the probe molecule, the microelectrode was washed with TBE buffer, rinsed thoroughly in deionized water and dried at room temperature.

【0203】 実施例11 核酸ハイブリダイゼーションの電気的検出 ヒドロゲル多孔質マイクロ電極に結合したプローブと電気化学的にラベル付け
された標的分子との間の核酸ハイブリダイゼーションを次のようにして検出する
。まず、実施例2で作製したヒドロゲル多孔質マイクロ電極のベースラインAC
インピーダンスを電気化学的にラベル付けされた標的分子の不存在下で決定する
。その後、マイクロ電極を、シールされた円錐管中で、相補的標的分子(5’−
T−C−C−T−C−T−G−C−T−T−G−A−G−G−G−3’;SEQ
ID NO:2)が2pMの濃度で存在する35mL、またはミスマッチ標的
分子(5’−T−C−C−T−C−T−G−C−T−T−G−A−G−G−G−
3’;SEQ ID NO:1)が300nMの濃度で存在する35mLに曝す
。いずれかの標的分子とプローブとのハイブリダイゼーションを1×SSCバッ
ファ中で室温にて1時間行う。ハイブリダイゼーションに続いて、マイクロ電極
を過剰量の1×SSC中で室温にて20分間十分にすすぎ、その後ACインピー
ダンスを測定する。
Example 11 Electrical Detection of Nucleic Acid Hybridization Nucleic acid hybridization between a probe bound to a hydrogel porous microelectrode and an electrochemically labeled target molecule is detected as follows. First, the baseline AC of the hydrogel porous microelectrode prepared in Example 2
Impedance is determined in the absence of electrochemically labeled target molecule. Thereafter, the microelectrode was placed in a sealed conical tube and the complementary target molecule (5'-
T-C-C-T-C-T-G-C-T-T-G-A-G-G-G-3 '; SEQ
35 mL in which ID NO: 2) is present at a concentration of 2 pM, or the mismatch target molecule (5′-T-C-C-T-C-T-G-C-T-T-G-A-G-G-G-). G-
3 '; SEQ ID NO: 1) exposed to 35 mL present at a concentration of 300 nM. Hybridization of any of the target molecules with the probe is performed in 1 × SSC buffer for 1 hour at room temperature. Following hybridization, the microelectrodes are thoroughly rinsed in excess 1 × SSC for 20 minutes at room temperature, after which the AC impedance is measured.

【0204】 ACインピーダンスは、モデル1287電気化学インタフェースと共にモデル
1260インピーダンス/ゲイン−相解析器を使用して測定する。対向電極およ
び参照電極は、それぞれ白金およびAg/AgClとし、またインピーダンス測
定は、1×SSCハイブリダイゼーション溶液中で、開路電圧(OCV)条件下
にて行う。サンプルを50mVの振幅で励起させる。相補的標的分子あるいはミ
スマッチ標的分子とのハイブリダイゼーション後における、15量体のオリゴヌ
クレオチドを付着させたヒドロゲル多孔質マイクロ電極についての、周波数に対
する測定した複素インピーダンス(Z)を決定する。
AC impedance is measured using a model 1260 impedance / gain-phase analyzer with a model 1287 electrochemical interface. The counter electrode and the reference electrode are platinum and Ag / AgCl, respectively, and the impedance measurement is performed in 1 × SSC hybridization solution under open circuit voltage (OCV) conditions. The sample is excited with an amplitude of 50 mV. Determine the measured complex impedance (Z) vs. frequency for hydrogel porous microelectrodes with 15-mer oligonucleotides attached after hybridization with complementary or mismatched target molecules.

【0205】 実施例12 単一塩基伸長 本発明の装置を次のようにして製造する。電源に接続される複数の金のマイク
ロ電極からなる規則的なアレイ(ordered array)を備えるガラス基板を準備す
る。基板は、100mmの表面積を有し、10個のマイクロ電極を含んでお
り、各マイクロ電極は、特定の配列を持つオリゴヌクレオチドが固定化される、
厚さ0.5μmのポリアクリルアミド・ゲル・パッドと接触している。マイクロ
電極は、約0.1mmの距離で離れるようにして基板に配置されており、それら
の間に均一な間隔をおいて、固体基板上で規則的に隔間されている。
Example 12 Single Base Extension A device of the invention is made as follows. A glass substrate is prepared with an ordered array of gold microelectrodes connected to a power supply. The substrate has a surface area of 100 mm 2 and contains 10 4 microelectrodes, and each microelectrode is immobilized with an oligonucleotide having a specific sequence,
It is in contact with a 0.5 μm thick polyacrylamide gel pad. The microelectrodes are arranged on the substrate so that they are separated by a distance of about 0.1 mm, and are regularly spaced on the solid substrate with a uniform spacing between them.

【0206】 25個のヌクレオチドの長さを有するオリゴヌクレオチドプローブを、金電極
の各々に付着させる。得られたプローブからなる規則的なアレイは、4つのグル
ープに配列されており、それにより、プローブは、最後(大抵は3’)の残基を
除いて同一である。各グループには、アデノシン(A)、グアニン(G)、シト
ニン(C)もしくはチミジン(T)またはウラシル(U)残基で停止するオリゴ
ヌクレオチドが含まれる。オリゴヌクレオチドの5’残基における改質を用いて
、オリゴヌクレオチドがポリアクリルアミド・ゲル・パッドを介して各金電極に
付着している。この残基には、オリゴヌクレオチドをポリアクリルアミドポリマ
ーに共有結合させるチオエステル結合が含まれる。
An oligonucleotide probe having a length of 25 nucleotides is attached to each of the gold electrodes. The regular array of resulting probes is arranged in four groups, whereby the probes are identical except for the last (mostly 3 ') residue. Each group contains oligonucleotides that terminate at adenosine (A), guanine (G), cytonin (C) or thymidine (T) or uracil (U) residues. The oligonucleotide is attached to each gold electrode through a polyacrylamide gel pad using a modification at the 5'residue of the oligonucleotide. This residue contains a thioester bond that covalently attaches the oligonucleotide to the polyacrylamide polymer.

【0207】 この規則的なマイクロ電極アレイを、配列と約10〜100mLのハイブリダ
イゼーション/伸長バッファとを収容するのに十分な寸法を有する反応室に配置
する。反応室もまた、白金線を含む第2対向電極および銀/塩化銀電極である第
3参照電極を備え、各電極は電源に電気的に接続されている。
This regular microelectrode array is placed in a reaction chamber sized sufficiently to accommodate the array and approximately 10-100 mL of hybridization / extension buffer. The reaction chamber also comprises a second counter electrode containing a platinum wire and a third reference electrode which is a silver / silver chloride electrode, each electrode being electrically connected to a power supply.

【0208】 本発明の装置の使用にあたり、約10〜100mLのハイブリダイゼーション
バッファを反応室に加える。この溶液もまた標的分子を、典型的にはマイクロモ
ル(10−6M;μM)〜アトモル(10−18M;aM)の範囲の濃度で含む
。プローブと標的分子のハイブリダイゼーションを、1×SSCバッファ(0.
15M NaCl、0.015M クエン酸ナトリウム、pH7.0)中で37
℃にて24〜48時間行う。ハイブリダイゼーション後、マイクロ電極を過剰量
の1×SSC中で室温にて十分にすすいだ。
In using the device of the present invention, approximately 10-100 mL of hybridization buffer is added to the reaction chamber. This solution also contains the target molecule, typically in a concentration ranging from micromolar (10 −6 M; μM) to attomole (10 −18 M; aM). Hybridization of the probe and the target molecule was performed by using 1 × SSC buffer (0.
37 in 15M NaCl, 0.015M sodium citrate, pH 7.0)
Perform at 48 ° C for 24-48 hours. After hybridization, the microelectrodes were thoroughly rinsed in excess 1 × SSC at room temperature.

【0209】 その後、ポリメラーゼおよび複数の各4個の鎖停止ヌクレオチド種を含む約1
0〜100mLの伸長バッファを反応室に加える。4個の鎖停止ヌクレオチド種
の各々は、マイクロ電極の表面で還元/酸化(レドックス)反応に関与すること
が出来る化学種でラベル付けされている。そのような種の集まりの例には:コバ
ルト(ビピリジン) 3+でラベル付けされているddATP;ミノサイクリン
でラベル付けされているddGTP;アクリジンオレンジでラベル付けされてい
るddCTP;およびエチジウムモノアジドでラベル付けされているddTTP
がある。レドックスラベルは、鎖停止ヌクレオチドに炭化水素リンカー(CH2−8により共有結合する。伸長バッファは、サーモ・セクエナーゼ(Thermo
sequenase)(U.S. Biochemicals、クリーブランド、オハイオ州、から入手)な
どのポリメラーゼを適応させるように選択される。伸長反応は、標的とオリゴヌ
クレチドプローブとがハイブリダイズされた2重鎖を変性しない、ポリメラーゼ
に対して適切な温度、例えば約65℃のような温度で、伸長反応が完結するのに
十分な時間で行う。伸長反応が完結した後、アレイを、0.1×SSC/1%S
DS中、高いストリンジェンシーで、2重鎖を変性しない温度にて洗浄する。
[0209] Thereafter, about 1 comprising a polymerase and a plurality of each 4 chain terminating nucleotide species.
Add 0-100 mL of extension buffer to the reaction chamber. Each of the four chain terminating nucleotide species is labeled with a species that can participate in reduction / oxidation (redox) reactions at the surface of the microelectrode. Examples of such clusters of species are: ddATP labeled with cobalt (bipyridine) 3 3+ ; ddGTP labeled with minocycline; ddCTP labeled with acridine orange; and ethidium monoazide. DdTTP attached
There is. Redox label is covalently bound to the chain terminating nucleotide by a hydrocarbon linker (CH 2) 2-8. The expansion buffer is a thermo-sequenase (Thermo
sequenase) (obtained from US Biochemicals, Cleveland, Ohio). The extension reaction is sufficient to complete the extension reaction at a temperature suitable for the polymerase, such as a temperature of about 65 ° C., that does not denature the duplex with which the target and the oligonucleotide probe are hybridized. Do in time. After the extension reaction was completed, the array was replaced with 0.1 × SSC / 1% S.
Wash in DS at high stringency and at a temperature that does not denature the duplex.

【0210】 洗浄後、約10〜100mLの電解液を反応室に加え、各マイクロ電極は、レ
ドックス信号を検出するために、常套のサイクリック・ボルタンメトリにより信
号が送られる。単一塩基伸長種を含むオリゴヌクレチドの同一性は、それにより
得られる信号のレドックス電位により決定される。
After washing, approximately 10-100 mL of electrolyte is added to the reaction chamber and each microelectrode is signaled by conventional cyclic voltammetry to detect the redox signal. The identity of the oligonucleotide containing the single base extended species is determined by the redox potential of the signal obtained thereby.

【0211】 同じく、ハイブリダイゼーションおよび単一塩基伸長は、ポリメラーゼがハイ
ブリダイゼーションのバッファの条件と矛盾しない限り、同一のバッファ中で行
うことが出来る。
Similarly, hybridization and single base extension can be performed in the same buffer, as long as the polymerase is compatible with the conditions of the hybridization buffer.

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

【図1】 図1Aおよび1Bは、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極(図1A)
のチップ構造(または先端の構造)の概略描写を図示し、かつヒドロゲル多孔質
マイクロ電極(図1B)のチップ構造の概略描写を図示する。
1A and 1B show a hydrogel porous microelectrode (FIG. 1A).
Figure 1 illustrates a schematic depiction of the tip structure (or tip structure) of Figure 1 and illustrates a schematic depiction of the tip structure of a hydrogel porous microelectrode (Figure IB).

【図2】 図2Aおよび2Bは、ピロールの電気化学的酸化(図2A)を図
示し、かつポリピロールの中和(図2B)を図示する。
2A and 2B illustrate the electrochemical oxidation of pyrrole (FIG. 2A) and the neutralization of polypyrrole (FIG. 2B).

【図3】 図3Aおよび3Bは、15量体のオリゴヌクレオチド・プローブ
と相補的核酸標的分子とのハイブリダイゼーション前後のポリピロール・マイク
ロ電極から得た周波数複素曲線(図3A)を図示し、かつ15量体のオリゴヌク
レオチド・プローブと相補的標的分子とのハイブリダイゼーション前後(図2B
)のポリピロール・マイクロ電極からの高周波数ゾーン中で得た周波数複素曲線
を図示する。
3A and 3B illustrate frequency complex curves (FIG. 3A) obtained from a polypyrrole microelectrode before and after hybridization of a 15-mer oligonucleotide probe with a complementary nucleic acid target molecule, and Before and after hybridization of the oligomeric oligonucleotide probe with the complementary target molecule (FIG. 2B).
7) illustrates a frequency complex curve obtained in the high frequency zone from the polypyrrole microelectrode of FIG.

【図4】 図4Aおよび4Bは、低周波数抵抗対W−1/2のプロット(図
4A)を図示し、かつ高周波数抵抗対W−1/2のプロット(図4B)を図示す
る。
4A and 4B illustrate a plot of low frequency resistance versus W −1/2 (FIG. 4A) and a plot of high frequency resistance versus W −1/2 (FIG. 4B).

【図5】 図5Aおよび5Bは、オリゴヌクレオチド・プローブと十分に相
補的な核酸標的分子とのハイブリダイゼーションに対して得た周波数複素曲線(
図5A)を図示し、かつオリゴヌクレオチド・プローブと3つのミスマッチを有
する核酸標的分子とのハイブリダイゼーションに対して得た周波数複素曲線(図
5B;曲線1は、標的分子のプローブへのハイブリダイゼーションの前に得た;
曲線2は、標的分子とプローブとの48時間の引き続くハイブリダイゼーション
により得た;曲線3は、ハイブリダイズされた分子の37℃で30分間の引き続
く洗浄により得た;曲線4は、ハイブリダイズされた分子の38℃で30分間の
引き続く洗浄により得た)を図示する。
5A and 5B are frequency complex curves (() obtained for hybridization of an oligonucleotide probe with a fully complementary nucleic acid target molecule.
FIG. 5A) and shows the frequency complex curve obtained for the hybridization of the oligonucleotide probe with the nucleic acid target molecule having three mismatches (FIG. 5B; curve 1 shows the hybridization of the target molecule to the probe). Got before;
Curve 2 was obtained by subsequent hybridization of the target molecule with the probe for 48 hours; curve 3 was obtained by subsequent washing of the hybridized molecule for 30 minutes at 37 ° C; curve 4 was hybridized. (Obtained by subsequent washing of the molecule for 30 minutes at 38 ° C.).

【図6】 図6は、オリゴヌクレオチド・プローブと3つのミスマッチを有
する核酸標的分子とのハイブリダイゼーションに対して得た低周波数抵抗対W 1/2 のプロットを図示する。(曲線1は、標的分子のプローブへのハイブリダ
イゼーションの前にて得た;曲線2は、標的分子とプローブとの48時間の引き
続くハイブリダイゼーションにより得た;曲線3は、ハイブリダイズされた分子
の37℃で30分間の引き続く洗浄により得た;曲線4は、ハイブリダイズされ
た分子を38℃で30分間の引き続く洗浄により得た)
Figure 6 is a low-frequency resistance versus W was obtained for hybridization with the nucleic acid target molecule with an oligonucleotide probe and three mismatches - illustrates a half of the plot. (Curve 1 was obtained prior to hybridization of the target molecule to the probe; Curve 2 was obtained by subsequent hybridization of the target molecule with the probe for 48 hours; Curve 3 is of the hybridized molecule. Obtained by subsequent washing for 30 minutes at 37 ° C .; curve 4 was obtained by subsequent washing for 30 minutes at 38 ° C.)

【図7】 図7は、0.1M過塩素酸リチウムを含む電解質中での15量体
のオリゴヌクレオチド・プローブと相補的核酸標的分子とのハイブリダイゼーシ
ョン前後のポリピロール・マイクロ電極から得た周波数複素曲線を図示する。
FIG. 7 is a frequency complex obtained from a polypyrrole microelectrode before and after hybridization of a 15-mer oligonucleotide probe with a complementary nucleic acid target molecule in an electrolyte containing 0.1 M lithium perchlorate. A curve is illustrated.

【図8】 図8A〜8Cは、回路の概略描写を図示し(図8A)、標的分子
へのハイブリダイゼーション前にて、付着した一本鎖核酸プローブを持ったポリ
ピロール・マイクロ電極に対するACインピーダンス応答(図8B)を図示し、
標的分子へのハイブリダイゼーション後にて、付着した一本鎖核酸プローブを持
ったポリピロール・マイクロ電極に対する回路の概略描写を図示する(図8C)
8A-8C show a schematic depiction of the circuit (FIG. 8A), AC impedance response to a polypyrrole microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe prior to hybridization to the target molecule. Illustrates (FIG. 8B),
FIG. 8C illustrates a schematic depiction of the circuit for a polypyrrole microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe after hybridization to the target molecule (FIG. 8C).
.

【図9】 図9は、標的分子へのハイブリダイゼーション後、付着した一本
鎖核酸プローブを持ったポリピロール・マイクロ電極に対するキャパシタンス対
周波数のプロットを図示する。
FIG. 9 illustrates a plot of capacitance versus frequency for a polypyrrole microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe after hybridization to a target molecule.

【図10】 図10は、標的分子へのハイブリダイゼーション後、付着した
一本鎖核酸プローブを持ったポリピロール・マイクロ電極に対する抵抗対周波数
のプロットを図示する。
FIG. 10 illustrates a plot of resistance versus frequency for a polypyrrole microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe after hybridization to a target molecule.

【図11】 図11は、ヒドロゲル多孔質マイクロ電極を図示する。FIG. 11 illustrates a hydrogel porous microelectrode.

【図12】 図12は、相補的標的分子の不存在下で、付着した15量体の
オリゴヌクレオチド・プローブを持ったヒドロゲル多孔質マイクロ電極から得た
周波数複素曲線を図示し(曲線1)、続いて2pMの相補的標的分子を用いてイ
ンキュベーションした周波数複素曲線を図示し(曲線2)、および続いて300
nMのミスマッチ標的分子を用いてインキュベーションした周波数複素曲線を図
示している(曲線3)。
FIG. 12 illustrates a frequency complex curve obtained from a hydrogel porous microelectrode with attached 15-mer oligonucleotide probe in the absence of complementary target molecule (curve 1), A frequency complex curve subsequently incubated with 2 pM of the complementary target molecule is illustrated (curve 2) and subsequently 300
A frequency complex curve incubated with nM mismatch target molecule is illustrated (curve 3).

【図13】 図13は、標的分子へのハイブリダイゼーション後、付着した
一本鎖核酸プローブを持ったヒドロゲル多孔質マイクロ電極に対するキャパシタ
ンス対周波数のプロットを図示する。
FIG. 13 illustrates a plot of capacitance versus frequency for a hydrogel porous microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe after hybridization to a target molecule.

【図14】 図14は、標的分子へのハイブリダイゼーション後、付着した
一本鎖核酸プローブを持ったヒドロゲル多孔質マイクロ電極に対する抵抗対周波
数のプロットを図示する。
FIG. 14 illustrates a plot of resistance versus frequency for a hydrogel porous microelectrode with attached single-stranded nucleic acid probe after hybridization to a target molecule.

【図15】 図15は、電気化学的レポータ基(ECA基)でラベル付けさ
れた鎖停止ヌクレオチド種を用いる単一塩基伸長を図示する。
FIG. 15 illustrates single base extension using a chain terminating nucleotide species labeled with an electrochemical reporter group (ECA group).

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedure for Amendment] Submission for translation of Article 34 Amendment of Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成14年3月27日(2002.3.27)[Submission date] March 27, 2002 (2002.3.27)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正の内容】[Contents of correction]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── 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 33/483 G01N 33/53 M 4B063 33/53 37/00 102 37/00 102 C12Q 1/68 A // C12N 15/09 G01N 27/46 336M ZNA C12N 15/00 ZNAF C12Q 1/68 F (31)優先権主張番号 09/459,685 (32)優先日 平成11年12月13日(1999.12.13) (33)優先権主張国 米国(US) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ, VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 マイク・ギャスキン アメリカ合衆国85224アリゾナ州チャンド ラー、ウエスト・モレロス・ストリート 1132番 (72)発明者 チャンミン・リ アメリカ合衆国85048アリゾナ州フェニッ クス、イースト・ミューアウッド・ドライ ブ3138番 (72)発明者 ジョージ・マラカス アメリカ合衆国85048アリゾナ州フェニッ クス、イースト・ビッグホーン・アベニュ ー2613番 (72)発明者 シ・ソン アメリカ合衆国85044アリゾナ州フェニッ クス、イースト・ゴールド・ポピー・ウェ イ4521番 Fターム(参考) 2G042 BD19 CB03 FB05 HA02 2G045 AA35 DA13 FB02 FB05 GC20 2G060 AA06 AF06 FA09 KA05 4B024 AA11 AA19 BA80 CA01 CA09 CA11 HA12 4B029 AA07 BB20 CC03 FA12 FA15 4B063 QA01 QA18 QQ42 QQ52 QR08 QR42 QR55 QR62 QR82 QS25 QS34 QS36 QX04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G01N 33/483 G01N 33/53 M 4B063 33/53 37/00 102 37/00 102 C12Q 1/68 A / / C12N 15/09 G01N 27/46 336M ZNA C12N 15/00 ZNAF C12Q 1/68 F (31) Priority claim number 09 / 459,685 (32) Priority date December 13, 1999 (December 1999. 13) (33) Priority claiming countries United States (US) (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC , NL, PT, SE, TR), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL , AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD , MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Mike Gaskin Amelie United States 85224 West Morelos Street 1132 (72) Chandler, Arizona Inventor Chang Min Li United States 85048 East Muirwood Drive 3138 (72) Inventor George Maracas United States 85048 Arizona Phenix, East Bighorn Avenue 2613 (72) Inventor Si Son United States 85044 East Gold Poppy Way 4521 F Term, Phoenix, Arizona 2G042 BD19 CB03 FB05 HA02 2G045 AA35 DA13 FB02 FB05 GC20 2G060 AA06 AF06 FA09 KA05 4B024 AA11 AA19 BA80 CA01 CA09 CA11 HA12 4B029 AA07 BB20 CC03 FA12 FA15 4B063 QA01 QA18 QQ42 QQ52 QR08 QR42 QR55 QR62 QR82 QS25 QS34 QS36 QX04 QR82

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固定されたプローブと電気化学的に活性なレポーターでラベ
ル付けされた標的分子との間の分子相互作用の電気的もしくは電気化学的検出用
装置であって、 (a)支持基板、 (b)支持基板と接触している複数のマイクロ電極、 (c)マイクロ電極と接触し、かつプローブが固定化されている複数のポリマ
ー・ヒドロゲル・パッド、 (d)支持基板と接触している少なくとも1つの対電極、 (e)各マイクロ電極で電気信号を生ずる手段、 (f)各マイクロ電極での電気信号の変化を検出する手段、並びに (g)複数のマイクロ電極、複数のポリマー・ヒドロゲル・パッド、及び対電
極と接触している電解質溶液 を有して成り、 固定されたプローブと電気化学的に活性なレポーターでラベル付けされた標的
分子との間の分子相互作用は、電気化学的に活性なレポーターでラベル付けされ
た標的分子の存在下もしくは不存在下に、電気信号の変化を検出することにより
検出される装置。
1. A device for electrical or electrochemical detection of molecular interaction between an immobilized probe and a target molecule labeled with an electrochemically active reporter, comprising: (a) a supporting substrate. , (B) a plurality of microelectrodes in contact with the support substrate, (c) a plurality of polymer hydrogel pads in contact with the microelectrode and having probes immobilized thereon, (d) in contact with the support substrate At least one counter electrode, (e) means for generating an electrical signal at each microelectrode, (f) means for detecting changes in the electrical signal at each microelectrode, and (g) a plurality of microelectrodes, a plurality of polymers The component between the immobilized probe and the target molecule labeled with the electrochemically active reporter comprises a hydrogel pad and an electrolyte solution in contact with the counter electrode. Interaction, the presence or absence of labeled target molecules with an electrochemically active reporter, device detected by detecting a change in electrical signal.
【請求項2】 オリゴヌクレオチドアレイを有して成るオリゴヌクレオチド
の単一塩基伸長を検出する装置であって、伸長は、ポリメラーゼにより行われか
つ生物試料中の核酸のヌクレオチド配列により方向付けられ、 該装置は、 基板上にオリゴヌクレオチドのアレイを有して成る第1電極であって、電極は
伝導性表面もしくは半導性表面を有して成る、 水性電解質溶液と接触している伝導性金属を有して成る第2対電極、及び 水性電解質溶液と接触している第3参照電極 を有して成り、 各電極は電源に接続されており、 該装置はさらに、 電解質を含むハイブリダイゼーション溶液及びポリメラーゼを含む反応室であ
って、そこでは、各電極は電気化学的に接触している反応室を更に有して成り、 該溶液はさらに 鎖停止ヌクレオチド種を有して成り、そこでは、複数のプライマー伸長ユニッ
トを有し、各異なる鎖停止ヌクレオチド種は、電位が電極に印加される条件下で
、第1電極表面での還元/酸化反応に関与しうる識別可能な電気化学的ラベルで
ラベル付けされており、 各ラベル付けされた鎖停止ヌクレオチド種は、特異的還元/酸化電位を有し、 オリゴヌクレオチドアレイに含まれるオリゴヌクレオチドにハイブリダイズす
る核酸を有して成る生物試料が、中程度から高いストリンジェンシーのハイブリ
ダイゼーション条件下で反応室でインキュベートされ、かつ前記ハイブリダイズ
されたオリゴヌクレオチドのヌクレオチド配列が、少なくとも1つの鎖停止ヌク
レオチドを組み込むことで伸長され、かつ電気化学的ラベルの還元/酸化電位に
対する特異的な電位で電極に電圧を印加したとき、電流が装置内に生ずる検出装
置。
2. A device for detecting a single base extension of an oligonucleotide comprising an oligonucleotide array, wherein the extension is performed by a polymerase and is directed by a nucleotide sequence of a nucleic acid in a biological sample, The device is a first electrode comprising an array of oligonucleotides on a substrate, the electrode comprising a conducting or semiconducting surface, the conducting metal being in contact with an aqueous electrolyte solution. A second counter electrode comprising, and a third reference electrode in contact with the aqueous electrolyte solution, each electrode being connected to a power source, the device further comprising a hybridization solution containing an electrolyte and A reaction chamber containing a polymerase, wherein each electrode further comprises a reaction chamber in electrochemical contact, the solution further comprising a chain-terminating nucleotide species. Comprising a plurality of primer extension units, each different chain terminating nucleotide species being capable of participating in a reduction / oxidation reaction at the surface of a first electrode under conditions in which a potential is applied to the electrode. Labeled with a distinguishable electrochemical label, each labeled chain-terminating nucleotide species has a specific reduction / oxidation potential and contains nucleic acids that hybridize to the oligonucleotides contained in the oligonucleotide array. Is incubated in a reaction chamber under hybridization conditions of moderate to high stringency, and the nucleotide sequence of the hybridized oligonucleotide is extended by incorporating at least one chain terminating nucleotide. , And at a potential specific to the reduction / oxidation potential of the electrochemical label. When a voltage is applied, the detection device current is generated in the apparatus.
【請求項3】 オリゴヌクレオチドアレイは、アドレス可能なアレイであっ
て、第1電極は、前記アドレス可能なアレイの各アドレスに対応する複数の電極
を有して成り、電気化学的ラベルの還元/酸化電位に特異的な電位で電極に電圧
を印加した場合、アレイの該アドレスにおける、電気化学的レポーターでラベル
付けされた鎖停止ヌクレオチド種とオリゴヌクレオチドによる単一塩基伸長後に
、前記アドレス可能なアレイの特定のアドレスにて電流が発生する請求項2記載
の装置。
3. The oligonucleotide array is an addressable array, the first electrode comprising a plurality of electrodes corresponding to each address of the addressable array, the electrochemical label reducing / reducing electrode. The addressable array after a single base extension with an electrochemical reporter-labeled chain-terminating nucleotide species and an oligonucleotide at the address of the array when a voltage is applied to the electrodes at a potential specific to the oxidation potential. The device of claim 2 wherein the current is generated at a particular address of.
【請求項4】 鎖停止ヌクレオチド種が、遷移金属錯体でラベルされている
請求項2記載の装置。
4. The device of claim 2, wherein the chain-terminating nucleotide species is labeled with a transition metal complex.
【請求項5】 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用の電気
的検出用装置であって、 (a)支持基板、 (b)プローブが固定化されている支持基板と接触している複数のマイクロ
電極、 (c)支持基板と接触している少なくとも1つの対電極、 (d)各マイクロ電極にて電気的インピーダンスを発生させるためのAC/
DC電源、 (e)標的分子の存在下もしくは不存在下に、各マイクロ電極でのインピー
ダンスの変化を検出するための電気的検出器、並びに (f)複数のマイクロ電極及び対電極と接触する電解質溶液 を有して成り、 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用が、標的分子の存在下及
び不存在下での電気的インピーダンスの変化を検出することにより検出される装
置。
5. A device for electrical detection of molecular interaction between a fixed probe and a target molecule, comprising: (a) a supporting substrate; and (b) a probe contacting a supporting substrate on which the probe is immobilized. A plurality of microelectrodes, (c) at least one counter electrode in contact with the supporting substrate, (d) an AC / for generating an electrical impedance at each microelectrode
DC power source, (e) electrical detector for detecting impedance change at each microelectrode in the presence or absence of target molecule, and (f) electrolyte in contact with multiple microelectrodes and counter electrodes A device comprising a solution, wherein molecular interaction between an immobilized probe and a target molecule is detected by detecting changes in electrical impedance in the presence and absence of the target molecule.
【請求項6】 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用の電気
的検出用装置であって、 (a)支持基板、 (b)支持基板と接触している複数のマイクロ電極、 (c)マイクロ電極と接触し、かつプローブが固定化されている複数の共役
ポリマーフィルム、 (d)支持基板と接触している少なくとも1つの対電極、 (e)各マイクロ電極に電気的インピーダンスを発生させるためのAC/D
C電源、 (f)標的分子の存在下もしくは不存在下に、各マイクロ電極でのインピー
ダンスの変化を検出するための電気的検出器、並びに (g)複数のマイクロ電極、複数の共役ポリマーフィルム、および対電極と
接触する電解質溶液 を有して成り、 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用が、標的分子の存在下及
び不存在下での電気的インピーダンスの変化を検出することにより検出される装
置。
6. A device for electrical detection of molecular interaction between a fixed probe and a target molecule, comprising: (a) a supporting substrate, (b) a plurality of microelectrodes in contact with the supporting substrate, (C) a plurality of conjugated polymer films in contact with the microelectrodes and having probes immobilized thereon, (d) at least one counter electrode in contact with the support substrate, (e) an electrical impedance for each microelectrode AC / D to generate
A C power source, (f) an electrical detector for detecting a change in impedance at each microelectrode in the presence or absence of a target molecule, and (g) a plurality of microelectrodes, a plurality of conjugated polymer films, And having an electrolyte solution in contact with the counter electrode, the molecular interaction between the immobilized probe and the target molecule detects changes in electrical impedance in the presence and absence of the target molecule. Device detected by.
【請求項7】 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用の電気
的検出用装置であって、 (a)支持基板、 (b)支持基板と接触している複数のマイクロ電極、 (c)マイクロ電極と接触し、かつプローブが固定化されている複数のポリ
マー・ヒドロゲル・パッド、 (d)支持基板と接触している少なくとも1つの対電極、 (e)各マイクロ電極に電気的インピーダンスを発生させるためのAC/D
C電源、 (f)標的分子の存在下もしくは不存在下に、各マイクロ電極でのインピー
ダンスの変化を検出するための電気的検出器、並びに (g)複数のマイクロ電極、複数のポリアクリルアミド・ゲル・パッド、及
び対電極と接触する電解質溶液 を有して成り 固定されたプローブと標的分子との間の分子相互作用が、標的分子の存在下及
び不存在下での電気的インピーダンスの変化を検出することにより検出される装
置。
7. A device for electrical detection of molecular interaction between a fixed probe and a target molecule, comprising: (a) a supporting substrate, (b) a plurality of microelectrodes in contact with the supporting substrate, (C) a plurality of polymer hydrogel pads in contact with the microelectrodes and having probes immobilized thereon, (d) at least one counter electrode in contact with the support substrate, (e) electrical to each microelectrode. AC / D for generating impedance
C power source, (f) electrical detector for detecting impedance change at each microelectrode in the presence or absence of target molecule, and (g) multiple microelectrodes, multiple polyacrylamide gels · A pad and an electrolyte solution in contact with the counter electrode, and the molecular interaction between the immobilized probe and the target molecule detects changes in electrical impedance in the presence and absence of the target molecule. A device that is detected by doing.
JP2001544379A 1999-12-09 2000-12-11 Methods and compositions for electrical detection of nucleic acid reactions Pending JP2003516165A (en)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US45850199A 1999-12-09 1999-12-09
US09/458,533 1999-12-09
US09/458,533 US20020051975A1 (en) 1999-12-09 1999-12-09 Reporterless genosensors using electrical detection methods
US09/458,501 1999-12-09
US09/459,685 US6518024B2 (en) 1999-12-13 1999-12-13 Electrochemical detection of single base extension
US09/459,685 1999-12-13
PCT/US2000/033497 WO2001042508A2 (en) 1999-12-09 2000-12-11 Methods and compositions relating to electrical detection of nucleic acid reactions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003516165A true JP2003516165A (en) 2003-05-13

Family

ID=27412734

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001544379A Pending JP2003516165A (en) 1999-12-09 2000-12-11 Methods and compositions for electrical detection of nucleic acid reactions

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP1238114A2 (en)
JP (1) JP2003516165A (en)
AU (1) AU2907201A (en)
CA (1) CA2393733A1 (en)
WO (1) WO2001042508A2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005093418A1 (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Toto, Ltd. Method of specifically detecting test substance by using photocurrent and electrodes, measurement cell, measurement device and buffer solution to be used therefor

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6071699A (en) 1996-06-07 2000-06-06 California Institute Of Technology Nucleic acid mediated electron transfer
US6824669B1 (en) 2000-02-17 2004-11-30 Motorola, Inc. Protein and peptide sensors using electrical detection methods
GB0118931D0 (en) * 2001-08-02 2001-09-26 Oxford Biosensors Ltd Voltammetric ion-selective biosensor
DE10210051B4 (en) 2002-03-07 2005-10-13 Siemens Ag Device for the electrochemical detection of a nucleotide sequence, analysis cassette for such a device and method for producing such an analysis cassette
DE10224567B4 (en) 2002-06-03 2014-10-23 Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh Sensor arrangement and method for operating a sensor arrangement
DE10228260A1 (en) * 2002-06-25 2004-01-22 Bayer Ag Method and device for the impedimetric detection of one or more analytes in a sample
GB2391867A (en) * 2002-08-13 2004-02-18 Smartbead Technologies Ltd Analysis system using coded supports
KR100858080B1 (en) * 2002-11-12 2008-09-10 삼성전자주식회사 A method for detecting a PCR product by measuring a electrical signal
WO2004044570A1 (en) * 2002-11-14 2004-05-27 Toyama Prefecture Method of detecting hybridization
DE10259819B4 (en) * 2002-12-19 2006-07-13 Siemens Ag Method for PCR amplification and detection of nucleotide sequences
WO2005016115A2 (en) 2003-01-23 2005-02-24 Montana State University Biosensors utilizing dendrimer-immobilized ligands and their use thereof
AT413214B (en) * 2003-01-24 2005-12-15 Sy Lab Vgmbh MEASUREMENT ARRANGEMENT AND METHOD FOR DETECTING A DNA SEQUENCE
WO2005001122A2 (en) * 2003-06-27 2005-01-06 Adnavance Technologies, Inc. Electrochemical detection of dna binding
JP2006520198A (en) * 2003-03-05 2006-09-07 ユニバーシティ オブ サスカチュワン テクノロジーズ インコーポレイティッド Nucleic acid mismatch detection method
DE10327756B4 (en) * 2003-06-18 2005-12-29 november Aktiengesellschaft Gesellschaft für Molekulare Medizin Method for real-time quantification of a nucleic acid
KR100590569B1 (en) * 2004-02-14 2006-06-15 삼성전자주식회사 Method for real-time detection of Polymerase Chain Reaction
US20080227651A1 (en) * 2004-03-25 2008-09-18 Yanxiu Zhou Cyclic voltammetry (CV) for identifying genomic sequence variations and detecting mismatch base pairs, such as single nucleotide polymorphisms
SG151333A1 (en) 2004-04-01 2009-04-30 Univ Nanyang Addressable chem/bio chip array
KR100613612B1 (en) 2004-04-27 2006-08-18 삼성전자주식회사 Apparatus and method of detecting bio bonding using circuit of inductor and capacitor
JP2008527999A (en) 2005-01-21 2008-07-31 ユニバーシティー オブ ロチェスター Methods for separating short single stranded nucleic acids from long single stranded nucleic acids and double stranded nucleic acids, and related biomolecular assays
WO2009041917A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Agency For Science, Technology And Research Method of electrically detecting a nucleic acid molecule
US9399217B2 (en) 2010-10-04 2016-07-26 Genapsys, Inc. Chamber free nanoreactor system
WO2012047889A2 (en) 2010-10-04 2012-04-12 Genapsys Inc. Systems and methods for automated reusable parallel biological reactions
US9184099B2 (en) 2010-10-04 2015-11-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Biosensor devices, systems and methods therefor
US9926596B2 (en) 2011-05-27 2018-03-27 Genapsys, Inc. Systems and methods for genetic and biological analysis
US8585973B2 (en) 2011-05-27 2013-11-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Nano-sensor array
EP2785868B1 (en) 2011-12-01 2017-04-12 Genapsys Inc. Systems and methods for high efficiency electronic sequencing and detection
US9809852B2 (en) 2013-03-15 2017-11-07 Genapsys, Inc. Systems and methods for biological analysis
US10125393B2 (en) 2013-12-11 2018-11-13 Genapsys, Inc. Systems and methods for biological analysis and computation
US9822401B2 (en) 2014-04-18 2017-11-21 Genapsys, Inc. Methods and systems for nucleic acid amplification
CN116397014A (en) 2016-07-20 2023-07-07 测序健康公司 Systems and methods for nucleic acid sequencing
MX2020003113A (en) 2017-09-21 2020-09-07 Genapsys Inc Systems and methods for nucleic acid sequencing.

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8530715D0 (en) * 1985-12-13 1986-01-22 Unilever Plc Microchemical testing
US5001048A (en) * 1987-06-05 1991-03-19 Aurthur D. Little, Inc. Electrical biosensor containing a biological receptor immobilized and stabilized in a protein film
CS274231B1 (en) * 1988-12-05 1991-04-11 Jan Rndr Krejci Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system
US5776672A (en) * 1990-09-28 1998-07-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Gene detection method
US5849486A (en) * 1993-11-01 1998-12-15 Nanogen, Inc. Methods for hybridization analysis utilizing electrically controlled hybridization
IL103674A0 (en) * 1991-11-19 1993-04-04 Houston Advanced Res Center Method and apparatus for molecule detection
RU2041261C1 (en) * 1993-08-11 1995-08-09 Институт молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН Method for manufacturing of matrix for detecting of mismatches
CA2198489A1 (en) * 1994-08-26 1996-03-07 Igen International, Inc. Biosensor for and method of electrogenerated chemiluminescent detection of nucleic acid adsorbed to a solid surface
US6207369B1 (en) * 1995-03-10 2001-03-27 Meso Scale Technologies, Llc Multi-array, multi-specific electrochemiluminescence testing
US5981268A (en) * 1997-05-30 1999-11-09 Board Of Trustees, Leland Stanford, Jr. University Hybrid biosensors
AU8903998A (en) * 1997-08-12 1999-03-01 Fraunhofer Institut Siliziumtechnologie Electrochemical reporter system for detecting analytical immunoassay and mol ecular biology procedures
DE19741716A1 (en) * 1997-09-22 1999-03-25 Hoechst Ag Recognition system
US6048692A (en) * 1997-10-07 2000-04-11 Motorola, Inc. Sensors for electrically sensing binding events for supported molecular receptors
EP1075541A1 (en) * 1998-05-06 2001-02-14 Clinical Micro Sensors Electronic detection of nucleic acids using monolayers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005093418A1 (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Toto, Ltd. Method of specifically detecting test substance by using photocurrent and electrodes, measurement cell, measurement device and buffer solution to be used therefor

Also Published As

Publication number Publication date
EP1238114A2 (en) 2002-09-11
AU2907201A (en) 2001-06-18
WO2001042508A9 (en) 2002-05-30
WO2001042508A2 (en) 2001-06-14
CA2393733A1 (en) 2001-06-14
WO2001042508A3 (en) 2002-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2003516165A (en) Methods and compositions for electrical detection of nucleic acid reactions
US20030209432A1 (en) Methods and compositions relating to electrical detection of nucleic acid reactions
EP1463576B1 (en) Mesoporous permeation layers for use on active electronic matrix devices
US20050023155A1 (en) Protein and peptide sensors using electrical detection methods
JP2002542461A (en) Use of microfluidic systems in electrochemical detection of target analytes
US20020090649A1 (en) High density column and row addressable electrode arrays
JP3548159B2 (en) Binding promotion method for analyte detection
JP2003520972A (en) Compounds and methods for performing biological reactions
WO2002031463A9 (en) High density column and row addressable electrode arrays
WO1999067628A9 (en) Multi-sensor array for electrochemical recognition of nucleotide sequences and methods
JP2002522748A (en) Detection of targets in samples
Díaz‐González et al. Diagnostics using multiplexed electrochemical readout devices
JP2003517156A (en) Compositions and methods for performing biological reactions
US7642053B2 (en) Method and device for PCR-amplification and detection of nucleotide sequences
TW200936767A (en) Method and device for detection of nucleic acids and/or polypeptides
US20030138845A1 (en) Protein and peptide sensors using electrical detection methods
WO2001057533A2 (en) Detection and differentiation of bacteria using electrical detection methods
US20020051975A1 (en) Reporterless genosensors using electrical detection methods
KR100994752B1 (en) Direct Electrical Detection Method of DNA-Hybridization and chip Fabrication
Cummins et al. CARBON SCREEN PRINTED ELECTRODES ON LOW TEMPERATURE CO-FIRED CERAMICS FOR LABEL FREE MOLECULAR DIAGNOSTICS