JP2004045376A - Substrate for bioassay - Google Patents

Substrate for bioassay Download PDF

Info

Publication number
JP2004045376A
JP2004045376A JP2003105704A JP2003105704A JP2004045376A JP 2004045376 A JP2004045376 A JP 2004045376A JP 2003105704 A JP2003105704 A JP 2003105704A JP 2003105704 A JP2003105704 A JP 2003105704A JP 2004045376 A JP2004045376 A JP 2004045376A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
detection
substrate
bioassay
nucleotide chain
reaction
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.)
Granted
Application number
JP2003105704A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4200801B2 (en
JP2004045376A5 (en
Inventor
Takayoshi Mamine
眞峯 隆義
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.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2003105704A priority Critical patent/JP4200801B2/en
Publication of JP2004045376A publication Critical patent/JP2004045376A/en
Publication of JP2004045376A5 publication Critical patent/JP2004045376A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4200801B2 publication Critical patent/JP4200801B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for bioassay having high accuracy of a hybridization reaction. <P>SOLUTION: This substrate 1(4) for bioassay is equipped with at least a detection surface 21(51) to which surface processing is applied, capable of immobilizing a terminal portion of a nucleotide chain D for detection on a disc-shaped substrate capable of optically reading record information, positive and negative electrodes 22(52) for forming an electric field for elongating the nucleotide chain D for detection in the immobilized state on the detection surface 21(51), and a reaction area 23(53) which is a field for the hybridization reaction between the nucleotide chain D for detection and a target nucleotide chain T. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオインフォマティクス(生命情報科学)分野において特に有用なバイオアッセイツールとなる円盤状の情報記録媒体に関する。より詳細には、検出用のヌクレオチド鎖が固定された基板表面部位に、標的ヌククレオチド鎖を含む溶液を滴下することによって、ハイブリダイゼーション反応が高精度に行われるように工夫されたバイオアッセイ用基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
【0003】
本発明の主たる従来技術を以下説明する。現在、マイクロアレイ技術によって所定のDNAが微細配列された、いわゆるDNAチップ又はDNAマイクロアレイ(以下、「DNAチップ」と総称。)と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板が、遺伝子の変異解析、SNPs(一塩基多型)分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されており、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の分野において広範囲に活用され始めている。
【0004】
このDNAチップは、ガラス基板やシリコン基板上に多種・多数のDNAオリゴ鎖やcDNA(complementary DNA)等が集積されていることから、ハイブリダイゼーション等の分子間相互反応の網羅的解析が可能となる点が特徴とされている。
【0005】
DNAチップによる解析手法の一例を簡潔に説明すれば、ガラス基板やシリコン基板上に固相化されたDNAプローブに対して、細胞、組織等から抽出したmRNAを逆転写PCR反応等によって蛍光プローブdNTPを組み込みながらPCR増幅し、前記基板上においてハイブリダイゼーションを行い、所定の検出器で蛍光測定を行うという手法である。
【0006】
ここで、DNAチップは二つのタイプに分類できる。第1のタイプは、半導体露光技術を応用したフォトリソグラフィーの技術を用いて、所定の基板上に直接オリゴヌクレオチドを合成していくものであり、アフィメトリクス社(Affymetrix社)によるものが代表的である(例えば、特表平4−505763号報参照)。この種のチップは、集積度は高いが、基板上でのDNA合成には限界があって、数十塩基程度の長さである。
【0007】
第2のタイプは、「スタンフォード方式」とも称されるもので、先割れピンを用いて、予め用意されたDNAを基板上に分注・固相化していくことによって作製されるものである(例えば、特許第3272365公報参照)。この種のチップは、集積度は前者に比べて低いが、1kb程度のDNA断片を固相化できるという利点がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のDNAチップ技術では、該DNAチップ自体の集積数、集積密度が少なかったので、一度のアッセイで達成できる解析量が充分とは言えず、検出用物質の種類と数、更にはその基板上における配置分け(グルーピング)を、ユーザーが自由に設定することが困難であった。
【0009】
また、従来のDNAチップでは、基板表面に予め固定され、検出用として用いられるヌクレオチド鎖は、必ずしも直鎖状に保持されているわけではないことから、立体障害等によって、標的ヌクレオチドとのハイブリダイゼーション反応の精度にばらつきがあり、反応にも長時間を要していた。
【0010】
更には、Tm(melting Temperature)又はGC含有率が揃っていないDNAプローブが二次元の平面的な広がりを持つ基板表面上に検出用物質が配列された構成の従来のDNAチップにおいては、同一のハイブリダイゼーション条件、洗浄条件に晒されて偽陽性又は偽陰性を示す危険性が高いという問題があった。
【0011】
そこで、本発明は、固定化される検出用物質の集積量が多く、また、該物質のグルーピングが自在で、かつ安価なバイオアッセイ基板であって、ハイブリダイゼーション反応の精度が高いバイオアッセイ用基板を提供することを主な目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、まず、本願においては、以下の「バイオアッセイ用基板」を提供する。なお、本願において「バイオアッセイ」とは、ハイブリダイゼーションその他の物質間の相互反応に基づく生化学的分析を意味する。
【0013】
本発明に係る「バイオアッセイ用基板」は、光学的に記録情報の読み取りが可能とされた円盤状基板上に、少なくとも、(1)検出用ヌクレオチド鎖の末端部位が固定可能に表面処理が施された検出表面、(2)前記検出表面に固定された状態の出用ヌクレオチド鎖を伸長させる電場を形成する正負電極、(3)前記検出用ヌクレオチド鎖と標的ヌクレオチド鎖との間のハイブリダイゼーション反応の場となる反応領域、を備える「検出部」が設けられている。
【0014】
この「検出部」を有するバイオアッセイ基板では、検出表面に固定された検出用ヌクレオチドに電界をかけることによって、該ヌクレオチド鎖を直鎖状に伸長させた上で、標的ヌクレオド鎖を含むサンプル溶液を、検出部の前記反応領域を狙って正確に滴下し、検出用ヌクレオチド鎖と標的ヌクレオチド鎖との間のハイブリダイゼーション反応を進行させることができる。この結果、ハイブリダイゼーション反応を短時間で効率良く行うことができるという有利な効果が得られる。
【0015】
前記効果は、リン酸イオン等を備えるヌクレオチド鎖の陰電荷とイオン化した水素原子の陽電荷で構成される多数の分極ベクトルからなるヌクレオチド鎖が、電界の印加により伸長して、塩基同士が重層することが無くなる結果、反応時の立体障害がなくなり、近在する標的ヌクレオチドと検出用ヌクレオチドとのハイブリダイゼーション反応が円滑に行われるようになることによってもたらされる。
【0016】
ここで、ヌクレオチド鎖が伸長又は移動する原理を詳説すると、ヌクレオチド鎖の骨格をなすリン酸イオン(陰電荷)とその周辺にある水がイオン化した水素原子(陽電荷)とによってイオン曇を作っていると考えられ、これらの陰電荷及び陽電荷により生じる分極ベクトル(双極子)が、高周波高電圧の印加により全体として一方向を向き、その結果としてヌクレオチド鎖が伸長すると考えられる。加えて、電気力線が一部に集中する不均一電界が印加された場合、ヌクレオチド鎖は電気力線が集中する部位に向かって移動する(Seiichi Suzuki,Takeshi Yamanashi,Shin−ichi Tazawa,Osamu Kurosawa and Masao Washizu:“Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric field using fluorescence anisotropy”,IEEE Transaction on Industrial Applications,Vol.34,No.1,P75−83(1998)参照)。
【0017】
ここで、本願において「ヌクレオチド鎖」とは、プリンまたはピリミジン塩基と糖がグリコシド結合したヌクレオシドのリン酸エステルの重合体を意味し、DNAプローブを含むオリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチオドが重合したDNA(全長あるいはその断片)、逆転写により得られるcDNA(cDNAプローブ)、RNA等を広く含む。
【0018】
「検出表面」は、ヌクレオチド鎖の末端を、カップリング反応その他の化学結合によって固定化できる好適な表面処理が施された表面部位を意味し、狭く解釈されない。一例を挙げれば、ストレプトアビジンによって表面処理された検出表面の場合には、ビオチン化されたヌクレオチド鎖の固定化に適する。
【0019】
ここで、前記検出表面に電気力線が集中するような電界を印加すると、結果的に、電界により伸長処理(前述)されたヌクレオチド鎖が該検出表面に向かって移動し、その末端部位が検出表面に衝突することによって、検出用のヌクレオチド鎖を検出表面に確実に固定することができる。
【0020】
「反応領域」は、液相中でのハイブリダイゼーション反応の場を提供できる区画された領域又は空間であって、かつ上記正負電極間に電位差が生じることで、液相に電場が形成される領域である。
【0021】
なお、この反応領域では、一本鎖ヌクレオチド間の相互反応、即ちハイブリダイゼーションに加え、検出用ヌクレオチド鎖から所望の二本鎖ヌクレオチドを形成し、該二本鎖ヌクレオチドとペプチド(又はタンパク質)の相互反応、酵素応答反応その他の分子間相互反応も行わせることができる。例えば、前記二本鎖ヌクレオチドを用いる場合は、転写因子であるホルモンレセプター等のレセプター分子と応答配列DNA部分の結合等を分析することができる。
【0022】
次に、本発明に係るバイオアッセイ用基板では、上記した「検出部」を、一壁面に検出表面が形成されたセル構造を備えるセル検出部とし、このセル検出部を円盤状基板上に複数配設させた形態を採用することができる。なお、「セル検出部」とは、周辺の基板領域とは区画された小室状の反応領域を備える部位と定義する。
【0023】
この「セル検出部」は、基板上の適宜な位置に配設することが可能であるが、上方視放射状を呈するように並べて配設すれば、基板上のスペースを有効に利用できるので、情報の集積密度を高めることができる。即ち、記録情報の集積量が多い(円盤状の)DNAチップを提供できる。
【0024】
また、セル検出部は、互いにコンタミネーションしないように区画されているので、セル検出部単位又はグルーピングされた複数のセル検出部単位で、異なる検出用ヌクレオチド鎖を固定し、検出用ヌクレオチド鎖ごとに別個独立の条件を設定して、ハイブリダイゼーション反応を進行させることができる。
【0025】
例えば、疾病発症のマーカー遺伝子を基板上にグルーピングして固定できる。これにより、一つの基板を用いて、同時に複数の疾病の発現状況を確認することができる。
【0026】
また、Tm又はGC含有率の違いに基づいて、固定化する検出用ヌクレオチド鎖をグルーピングしておくことが可能となる。これにより、アクティブなハイブリダイゼーション反応が得られるバッファー組成、濃度等の反応条件、洗浄条件、滴下するサンプル溶液濃度等を、検出用ヌクレオチド鎖の性質に応じてきめ細かく選択することが可能になるので、解析作業において偽陽性又は偽陰性が示される危険性を格段に減少させることができる。
【0027】
次に、本発明に係るバイオアッセイ用基板では、前記検出部の反応領域を、円盤状基板上に放射状に延設された条溝内に形成又は配置し、該条溝の内壁面には、前記検出表面を配設するという構成も採用できる。
【0028】
なお、基板に形成される「条溝」とは、筋状に延設された細長のマイクロチャンネル構造を意味し、この条溝を備えるバイオアッセイ用基板が属する一つの分野は、円盤状のマイクロチャネルアレイと言える。以下、反応領域が条溝内に設けられている構成の検出部を、上記「セル検出部」にならって、便宜上「条溝検出部」と称することにする。
【0029】
この「条溝検出部」を採用した場合は、毛細管現象を利用した送液や、円盤状の基板を所定の方法で回転させることによって生じる遠心力を生かした送液方法を利用することができる。例えば、サンプル溶液や反応後にアクティブに結合しなかった余分な標的物質を除去するための洗浄液等を、基板中心領域から条溝内(即ち反応領域)に、円滑かつ確実に送液することが可能となる。
【0030】
なお、条溝検出部の場合でも、前記条溝単位又はグルーピングされた複数の条溝単位に、異なる検出用ヌクレオチド鎖を固定することができる。
【0031】
以上説明したバイオアッセイ用基板において、前記検出表面部位の位置情報と回転同期情報を提供する手段を備えた場合、前記位置情報と回転同期情報に基づいて、検出用ヌクレオチド含有溶液並びに標的ヌクレオチド含有溶液を、所定の反応領域に正確に追従させて滴下することができる。
【0032】
前記手段は、前記基板上に設けられたウォブリングまたはアドレスピットによるものとすることができる。なお、「ウォブリング」とは、ディスク上の物理的な番地(アドレス)の情報を予めディスク上に記録するために、ユーザーによるデータを記録するグルーブ(案内溝)をトラックの中心に対してわずかに左右に蛇行させることである。通常、トラッキングサーボ帯域より高い周波数に対し、わずかな周波数の偏向(Deviation)を有するFM変調を行われ、正弦波変調信号振幅をグルーブ半径方向変位として基板上に刻まれる。
【0033】
以上説明したバイオアッセイ用基板上に設けられた上記反応領域に対しては、室温と反応至適温度との間で、ゲル、ゾルの可逆相変化が起こりえる物質(「相変化物質」と称する。)を充填することも可能である。相変化物質の一例としては、アガロースゲルを挙げることができる。
【0034】
この手段では、相変化物質を高温下で前記相変化物質をゾル化し、この状態で電圧を印加してDNA等のヌクレオチド鎖を配列した後に、温度を低下させてゲル化し、更に続いてハイブリダイゼーション時には、反応至適温度条件でゾル化する手順を実行でき、ハイブリダイゼーション時において前記相変化物質をゲル状態に保持しておけば、DNA等のヌクレオチド鎖を伸長させた状態でハイブリダイゼーションさせることができるので好適である。なお、前記相変化物質がゲル化した状態のときには、標的ヌクレオチド鎖を含む試料溶液を検出部に滴下した際に、ハイブリダイゼーションがうまく進行しないおそれがあるので、電気泳動の場合と同様に、滴下ポイントに縦方向の溝を予め形成しておき、この溝の中に試料溶液を滴下してもよい。
【0035】
本発明において、標的ヌクレオチド鎖は、蛍光色素で標識する手段か、インターカレータを用いる手段のいずれも採用できる。「インターカレータ」は、検出用ヌクレオチド鎖と標的ヌクレオチド鎖との塩基間の水素結合中に挿入されるようにして、ハイブリダイゼーションした二本鎖ヌクレオチド鎖に取り込まれる。これにより、長波長側に蛍光波長がシフトし、かつ、蛍光強度と二本鎖ヌクレオチド鎖に取り込まれたインターカレータの量との間には相関関係があるので、この相関関係に基づいて、定量的な検出が可能になる。
【0036】
以上のように、本発明は、遺伝子の変異解析、SNPs(一塩基多型)分析、遺伝子発現頻度解析等に利用できる新規なバイオアッセイ用基板を、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の関連産業界に提供するという技術的意義を有している。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について説明する。まず、図1は、本発明に係るバイオアッセイ用基板の第1実施形態の外観斜視図である。
【0038】
図1において符号1で示されるバイオアッセイ用基板(以下、「基板」と略称する。)は、CD、DVD、MD等の光情報記録媒体に用いられる円盤状基板(ディスク)に採用される基材から形成されている。即ち、基板1は、光学的に記録情報の読み取りが可能とされている。
【0039】
前記基材は、石英ガラスやシリコン、ポリカーボネート、ポリスチレンその他の円盤状に成形可能な合成樹脂、好ましくは射出成形可能な合成樹脂によって円盤状に形成されている。なお、安価な合成樹脂基板を用いることで、従来のガラスチップに比して低ランニングコストを実現できる。
【0040】
この基板1の一方の表面には、反射膜である厚さ40nm程度のアルミ蒸着層が形成されており、該層は反射膜として機能している。この反射膜は、屈折率1.5以上の基盤単体からの表面反射4%以上とする。この反射膜の上層には、透明なガラスや透明樹脂等からなる光透過層が成膜されている。
【0041】
なお、基材が高反射率の材料である場合には、基材表面自体が反射面として機能するので前記反射膜は形成しなくてもかまわない。金属膜などの高反射率膜を形成すれば蛍光標識された標的物質の蛍光強度を、感度良く検出することができる。以上説明した基板1の材質や層構造は、後述する基板4(図4参照)においても同様である。
【0042】
ここで、前記光透過層には、基板1の中心の周辺領域から上方視放射状に延びるように、セル検出部2が多数配設されている。図2は、このセル検出部2の一つを拡大して示す外観斜視図である。
【0043】
セル検出部2には、符号Dで示す検出用ヌクレオチド鎖の末端部位が固定できるように表面処理が施されている検出表面21と、この検出表面21に予め固定された検出用ヌクレオチド鎖Dを伸長させる電場(電界)を形成する正電極22aと負電極22bと、前記検出用ヌクレオチド鎖Dと標的ヌクレオチド鎖Tとの間のハイブリダイゼーション反応の場となる反応領域23とを備えている。この反応領域23は、上方に開口する上方視矩形状のセル、例えば、深さ1μm、長さ100μm、幅50μのセルとして形成されているが、図示された形状、サイズに限定されない。
【0044】
検出表面21は、負電極22bの反応領域23側に向く内壁面部位に形成されている。この検出表面21は、検出用ヌクレオチド鎖Dの末端がカップリング反応等の化学結合によって固定されるように表面処理されている。
【0045】
即ち、検出表面21は、DNAプローブ等の検出用ヌクレオチド鎖Dの予め加工された末端部位を固定化するのに好適な表面処理が施されていればよいのであって、狭く限定されない。一例を挙げれば、ストレプトアビジンによって表面処理された検出表面21の場合には、ビオチン化されたヌクレオチド鎖末端の固定化できる。
【0046】
具体的には、前記検出表面21に電気力線が集中するような電界を印加すると、高周波高電圧の印加によって伸長処理されたヌクレオチド鎖が検出表面21に向かって移動し、その末端部位が検出表面21に衝突することによって、検出用ヌクレオチド鎖Dを検出表面21に確実に固定化することができる。このため、負電極22bが櫛形とされている(図2参照)。
【0047】
図2中の符号3は、試料溶液S(S’)を滴下するノズルの先端部位を示している。ノズル3は、基板1から提供される位置情報と回転同期情報に基づいて、検出用ヌクレオチド鎖Dを含有する試料溶液S並びに標的ヌクレオチド鎖Tを含有する試料溶液S’を、反応領域23に正確に追従して滴下する構成とされている。
【0048】
前記反応領域23に滴下されてきた検出用ヌクレオチド鎖Dの多くは、塩基が重層した状態で検出表面21に固定されるので、後から滴下された標的ヌクレオチド鎖Tとのハイブリダイゼーション反応の際には、立体障害の問題が発生する。
【0049】
そこで、本発明では、セル検出部2に配設された上記正負電極22(22a,22b)間に電位差を生ぜしめることによって、反応領域23に貯留保持されている液相(塩溶液)に電場(電界)を形成し、電界の向きに沿って検出用ヌクレオチド鎖Dが直鎖状に伸長する作用を得る。なお、電界の条件は、1×106V/m、約1MHzという条件が、好適条件例と考えられる(Masao Washizu and Osamu Kurosawa:“Electrostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures”,IEEE Transaction on Industrial Application Vol.26,No.26,P.1165−1172(1900)参照)。
【0050】
なお、基板1上にセル検出部2が列設された場合においては、セル検出部2ごとに正負電極22a,22bを設ける構成、正負電極22a,22bをそれぞれ共通電極とする構成のいずれを採用してもよい。
【0051】
直鎖状に伸長された検出用ヌクレオチド鎖Dと蛍光色素等によって標識された標的ヌクレオチド鎖Tの塩基間の水素結合(相補結合)は、立体障害が少なくなるので、効率良く進行することになる。即ち、検出用ヌクレオチド鎖Dと前記標的ヌクレオチド鎖Tとのハイブリダイゼーション反応が効率良く進行するという結果が得られる。この結果、ハイブリダイゼーションの反応時間が短縮されるとともに、擬陽性又は偽陰性を示す確率も減少するという好ましい結果が得られる。
【0052】
ここで、図3は、セル検出部2の反応領域23の検出表面21付近を拡大して示す模式図である。この図3では、検出表面21にその末端部位が固定された検出用ヌクレオチド鎖Dと該検出用ヌクレオチド鎖Dの塩基配列と相補性のある塩基配列を備える標的ヌクレオチド鎖Tがハイブリダイゼーションし、二重鎖を形成している状態が模式的に表されている。
【0053】
反応領域23(後述する反応領域53についても同様。)に対しては、室温と反応至適温度との間で、ゲル、ゾルの可逆相変化が起こりえるアガロースゲル等の相変化物質(図示せず。)を充填することも可能である。この実施形態では、前記相変化物質を高温下で前記相変化物質をゾル化し、この状態で電圧を印加してDNA等のヌクレオチド鎖を配列した後に、温度を低下させてゲル化し、更に続いてハイブリダイゼーション時には、反応至適温度条件でゾル化する手順を行うことができるという利点がある。また、ハイブリダイゼーション時において前記相変化物質をゲル状態に保持しておけば、DNA等のヌクレオチド鎖を伸長させた状態でハイブリダイゼーションさせることができるので好適である。
【0054】
なお、前記相変化物質がゲル化した状態のときには、標的ヌクレオチド鎖Tを含む試料溶液S’を検出部2に滴下した際に、ハイブリダイゼーションの進行がうまくいかないおそれがあるので、電気泳動の場合と同様に、滴下ポイントに縦方向の溝を予め形成しておき、この溝の中に試料溶液を滴下してもよい。
【0055】
ここで、標的ヌクレオチド鎖Tは、蛍光色素で標識してもよく、インターカレータを用いてもよい。インターカレータは、検出用ヌクレオチド鎖Dと標的ヌクレオチド鎖Tとの塩基間の水素結合中に挿入されるように、ハイブリダイゼーションした二本鎖ヌクレオチド鎖に取り込まれる。これにより、長波長側に蛍光波長がシフトし、かつ、蛍光強度と二本鎖DNAに取り込まれたインターカレータの量との間の相関関係に基づいて、定量的な検出が可能になる。インターカレータとして用いる蛍光色素としては、POPO−1やTOTO−3等が考えられる。
【0056】
これは、例えば、所定の細胞等から抽出された試料溶液S’中に、特定の疾病が起こると発現することが知られているマーカー遺伝子を含む検出用ヌクレオチド鎖Dと相補性を有する標的ヌクレオチド鎖が存在するという事実が認識でき、その結果、前記細胞には前記疾病が発生していることが予測されることになる。
【0057】
次に、図4を参照して、本発明に係る基板の第2実施形態について説明する。図4(A)は、第2実施形態である基板の上方視平面図、図4(B)は、図4(A)中のX部の拡大平面図、である。
【0058】
図4に符号4で示された基板は、条溝検出部5を備える。条溝検出部5は、反応領域53が円盤状基板上に放射状に延設された条溝を備え、該条溝を形成する長手方向の片側の内壁面Iには、上記検出表面21と同様の構成を備える検出表面51が、所定間隔で配設されている。また、検出表面51が形成された各部位には、反応領域53を挟むように正負電極52a,52bが対設されている(図4(B)参照)。なお、互いに離間するように配設された正電極52a,52a・・・(図4(B)参照)を共通電極化することも可能であり、同様に、互いに離間するように配設された負電極52b,52b・・・(図4(B)参照)についても共通電極化することができる。即ち、正の共通電極と負の共通電極を、反応領域53を挟むように対向させて、基板上に、放射状をなすように並設することができる。この構成により、針状のプローブを正負の共通電極に上方から押し当てて、通電させることができる。
【0059】
反応領域53は、各条溝内に配列形成したピット(図示せず)に形成してもよく、このピットの反応領域に微小滴を滴下することによって、ほぼ同一のスポットサイズを実現し、再現性の良い蛍光強度検出を実現できる。
【0060】
また、上記構成の条溝検出部5を採用した場合は、毛細管現象を利用した送液や、円盤状の基板を所定の方法で回転させることによって生じる遠心力を生かした送液手段も利用することができる。
【0061】
具体的には、基板4の中央部に液溜部6を設け、この液溜部6に、試料溶液S(S’)や反応後にアクティブに結合しなかった余分な標的物質を除去するための洗浄液等を注入し、基板4を回転させることによって、基板中心領域から条溝内(即ち反応領域53)に、円滑かつ確実に送液することができる。
【0062】
上記セル検出部2又は条溝検出部5のいずれの場合でも、検出部単位又はグルーピングされた複数の検出部単位に、異なる検出用ヌクレオチド鎖を固定することができる。
【0063】
以下、基板1(4)の位置情報及び回転同期情報について簡潔に説明すると、基板1(4)の回転方向には、予め光ディスクマスタリングプロセスにより形成された多数のアドレスピットが形成されている。基板1(4)を光ディスクとして考えた場合、滴下検出位置である反応領域23(53)をユーザーデータ領域と考え、他の領域は、サンプルサーボ方式等により同期ピットを配列し、かつトラッキングサーボとしても利用し、更に、直後にアドレス部(ディスク上の地理的な番地)を挿入することによって位置情報を与える。
【0064】
アドレス部は、先頭パターンであるセクターマークから始まり、実際に回転しているディスクの回転位相を与えるVFO(Variable Frequency Oscillator)とアドレスデータの開始位置を与えるアドレスマークとトラックとセクタのナンバーが入ったID(Identifer)などが組み合わされてなる。
【0065】
上記構成の基板1(4)を用いてバイオアッセイを行うためには、少なくとも次の手段及び機構を備える装置を使用する。即ち、前記基板1(4)を回転可能に保持する基板回転手段と、この基板回転手段によって、前記基板1(4)を回転させながら検出用ヌクレオチド鎖含有溶液S並びに標的ヌクレオチド鎖含有溶液S‘を反応領域23(53)に対して、定の順序、タイミングで滴下する滴下手段と、該滴下手段(のノズル)と基板1(4)との間の距離を一定に保持するためのフォーカスサーボ機構と、基板1(4)から提供される位置情報と回転同期情報に基づいて、前記溶液S,S’の滴下を基板1(4)の反応領域23(53)に追従させるトラッキングサーボ機構を少なくとも備えている装置(図示せず。)である。
【0066】
なお、上記アドレスピットを用いる代わりにトラック上にウォブリングを形成し、位置に応じたクロック情報を持たせるようにウォブリングの蛇行を調節して、ディスク上の位置情報を取得してアドレッシングを行うようにしても良い。同時に、ウォブリング周波数成分を利用することでトラッキングサーボを行うことができる。さらに、アドレスピットとウォブリングを併せて形成することにより、より高精度のアドレッシングおよびトラッキングサーボが可能となる。
【0067】
なお、前記滴下手段には、インクジェットプリンティング法を用いるのが好ましい。その理由は、所定の反応領域23(53)部位に正確に追従して、微小滴微小滴を、正確に滴下することができるからである。
【0068】
「インクジェットプリンティング法」は、インクジェットプリンターで用いられるノズルを応用する方法であって、電気を用いてインクジェットプリンターのようにプリンターヘッドから基板に検出用物質を噴射し、固定する方法である。この方法には、圧電式インクジェット法、バブルジェット(登録商標)(登録商標)(登録商標)(登録商標)法、超音波ジェット法がある。
【0069】
圧電式インクジェット法は、圧電体にパルスを印加することによって生じる変位の圧力によって液滴を飛ばす方法である。バブルジェット(登録商標)(登録商標)(登録商標)(登録商標)法は、熱方式であって、ノズル中のヒーターを熱して発生させた気泡の圧力によって液滴を飛ばす方式である。ノズル内にヒーターとなるシリコン基板を埋め込み、約300℃/sで制御して一様な気泡を作成し、液滴を押し出す。しかしながら、高温に液体が曝されることになることから、生体物質試料に用いる際には注意を要する。超音波ジェット法は、超音波ビームを液体の自由面に当てて、局所的に高い圧力を与えることによってその箇所から小滴を放出させる方式である。ノズルを必要とせず、高速で直径約1μmの小滴を形成できる。
【0070】
本発明においては、「インクジェットプリンティング法」として、「圧電式インクジェッティング法」を好適に採用できる。印加するパルスの形状を変えることによって、液滴(微小滴)のサイズを制御することができるので、解析精度向上に好適である。液滴表面の曲率半径が小さいときは液滴を小さくし、液滴の曲率半径が大きいときは、液滴を大きくすることができる。また、パルスを急激に負の方向に変化させることにより液滴表面を内側に引っ張り、曲率半径を小さくすることも可能である。
【0071】
次に、基板情報の読み取りは、基板1(4)にレーザー光(例えば、青色レーザー光)を照射して各反応領域23(53)を励起させ、蛍光強度の大きさを検出器(図示せず。)によって検出し、検出用ヌクレオチド鎖Dと標識された標的ヌクレオチド鎖の間の結合反応状況を判断する。最後に、各反応領域23(53)に対する蛍光強度を、A/D変換して結合反応割合をコンピュータCの画面に分布表示することによって、視覚化する。
【0072】
【発明の効果】
(1)本発明に係るバイオアッセイ用基板は、多量・多数の検出部を形成できるので情報の集積量が多い。
【0073】
(2)検出部の検出表面に固定された検出用ヌクレオチドに電界をかけることによって、該ヌクレオチド鎖を直鎖状に伸長させた上で、標的ヌクレオド鎖を含むサンプル溶液を、検出部の前記反応領域を狙って正確に滴下し、検出用ヌクレオチド鎖と標的ヌクレオチド鎖との間のハイブリダイゼーション反応を進行させる構成であるので、ハイブリダイゼーション反応を短時間で効率良く行うことができる。
【0074】
(3)検出部単位又はグルーピングされた検出部単位で、至適な反応条件等を選択してアッセイを行うことができるので、偽陽性、偽陰性の結果の発生率を格段に減少させることができる。従って、前記バイオアッセイ用基板によれば、網羅的かつ効率的で、しかも高精度な解析を行うことができ、記録情報当りのコストも安価である。
【0075】
(4)本発明に係るバイオアッセイ用基板は、DNAチップやバイオセンサーチップとして、特に有用である。また、新規構造を備える円盤状のマイクロチャネルアレイを提供できる。本基板をDNAチップとして利用する場合は、遺伝子の変異解析、SNPs(一塩基多型)分析、遺伝子発現頻度解析等に利用でき、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の分野において広範囲に活用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る好適な実施形態であるバイオアッセイ用基板(1)を上方視したときの外観斜視図
【図2】基板(1)に設けられたセル検出部(2)の一つを拡大して示す外観斜視図
【図3】同セル検出部(2)の反応領域(23)の検出表面(21)付近を拡大して示す図
【図4】(A)第2実施形態であるバイオアッセイ用基板(4)の上方視平面図
(B)前図(A)中のX部の拡大平面図
【符号の説明】
1,4 バイオアッセイ用基板
21,51 検出表面
23,53 反応領域
D 検出用ヌクレオチド鎖
T (標識された)標的ヌクレオチド鎖
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a disc-shaped information recording medium which is a particularly useful bioassay tool in the field of bioinformatics (bioinformatics). More specifically, the present invention relates to a bioassay substrate that is devised so that a hybridization reaction is performed with high accuracy by dropping a solution containing a target nucleotide chain onto a substrate surface portion on which a nucleotide chain for detection is immobilized. .
[0002]
[Prior art]
[0003]
The main prior art of the present invention will be described below. At present, an integrated substrate for a bioassay called a DNA chip or a DNA microarray (hereinafter, collectively referred to as “DNA chip”) in which predetermined DNAs are finely arranged by microarray technology is used for gene mutation analysis, SNPs (single nucleotide). (Polymorphism) analysis, gene expression frequency analysis, etc., and have begun to be widely used in drug discovery, clinical diagnosis, pharmacogenomics, forensic medicine and other fields.
[0004]
This DNA chip has a large number of DNA oligo chains and cDNA (complementary DNA) integrated on a glass substrate or a silicon substrate, so that comprehensive analysis of intermolecular reactions such as hybridization can be performed. It is characterized by points.
[0005]
Briefly describing an example of an analysis method using a DNA chip, a DNA probe immobilized on a glass substrate or a silicon substrate is subjected to reverse transcription PCR reaction of mRNA extracted from cells, tissues, and the like to a fluorescent probe dNTP. This is a technique in which PCR amplification is carried out while the DNA is incorporated, hybridization is performed on the substrate, and fluorescence measurement is performed using a predetermined detector.
[0006]
Here, DNA chips can be classified into two types. The first type synthesizes oligonucleotides directly on a predetermined substrate by using a photolithography technique to which a semiconductor exposure technique is applied, and is typically obtained by Affymetrix (Affymetrix). (For example, see Japanese Patent Publication No. 4-5055763). This type of chip has a high degree of integration, but has a limit in DNA synthesis on a substrate, and is about several tens of bases long.
[0007]
The second type is also referred to as a “Stanford method”, and is produced by dispensing and solidifying DNA prepared in advance on a substrate using a split pin ( For example, see Japanese Patent No. 3272365). This type of chip has a lower degree of integration than the former, but has the advantage that a DNA fragment of about 1 kb can be immobilized.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional DNA chip technology, the number of integration and the integration density of the DNA chip itself were low, so that the amount of analysis that can be achieved in one assay is not sufficient, and the type and number of the substance for detection, and It is difficult for the user to freely set the arrangement (grouping) on the substrate.
[0009]
Further, in a conventional DNA chip, a nucleotide chain fixed in advance on a substrate surface and used for detection is not necessarily kept in a linear form, and therefore, hybridization with a target nucleotide is caused by steric hindrance or the like. The accuracy of the reaction varied, and the reaction required a long time.
[0010]
Further, in a conventional DNA chip having a structure in which a detection substance is arranged on a substrate surface having a two-dimensional planar spread of DNA probes having Tm (melting Temperature) or GC contents not uniform, the same is used. There is a problem that there is a high risk of showing false positives or false negatives when exposed to hybridization conditions and washing conditions.
[0011]
Therefore, the present invention provides a bioassay substrate in which the amount of a detection substance to be immobilized is large, the substance can be freely grouped, and the cost is low. The main purpose is to provide.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above technical problems, the present application first provides the following “substrate for bioassay”. In the present application, “bioassay” means a biochemical analysis based on hybridization or other interaction between substances.
[0013]
The “substrate for bioassay” according to the present invention is surface-treated on a disc-shaped substrate from which recorded information can be read optically so that at least (1) the terminal portion of the nucleotide chain for detection can be fixed. (2) Positive and negative electrodes forming an electric field for extending the outgoing nucleotide chain immobilized on the detection surface, (3) Hybridization reaction between the detection nucleotide chain and the target nucleotide chain A “detection unit” including a reaction region serving as a field for the detection is provided.
[0014]
In the bioassay substrate having the “detection portion”, the electric field is applied to the detection nucleotide immobilized on the detection surface to elongate the nucleotide chain in a linear manner, and then a sample solution containing the target nucleotide chain is applied. It is possible to allow the hybridization reaction between the nucleotide chain for detection and the target nucleotide chain to proceed by accurately dropping the droplet at the reaction region of the detection section. As a result, an advantageous effect that the hybridization reaction can be efficiently performed in a short time is obtained.
[0015]
The effect is as follows: a nucleotide chain consisting of a large number of polarization vectors composed of a negative charge of a nucleotide chain having a phosphate ion and the like and a positive charge of an ionized hydrogen atom is elongated by application of an electric field, and bases are overlaid. As a result, steric hindrance during the reaction is eliminated and the hybridization reaction between the nearby target nucleotide and the detection nucleotide is smoothly performed.
[0016]
Here, the principle of the extension or movement of the nucleotide chain is explained in detail. Ion cloud is formed by the phosphate ion (negative charge) forming the skeleton of the nucleotide chain and the hydrogen atom (positive charge) formed by the water around it. It is considered that the polarization vector (dipole) generated by these negative and positive charges is directed in one direction as a whole by applying a high frequency high voltage, and as a result, the nucleotide chain is elongated. In addition, when a non-uniform electric field in which the electric lines of force are partially concentrated is applied, the nucleotide chain moves toward the site where the lines of electric force are concentrated (Seiichi Suzuki, Takeshi Yamanishi, Shin-ichi Tagawa, Osamuro Kurosawa). and Masao Washizu: "Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA instationary AC electic field using on fluoresce ancestry, Ecosystem, USA.
[0017]
Here, in the present application, the term “nucleotide chain” means a polymer of a phosphate ester of a nucleoside in which a purine or pyrimidine base and a sugar are glycoside-linked, and an oligonucleotide including a DNA probe, a polynucleotide, a purine nucleotide and a pyrimidine nucleotide. Widely includes DNA (full length or a fragment thereof), cDNA (cDNA probe) obtained by reverse transcription, RNA, and the like.
[0018]
“Detection surface” refers to a surface site that has been subjected to a suitable surface treatment that is capable of immobilizing the end of a nucleotide chain by a coupling reaction or other chemical bond, and is not to be construed narrowly. For example, a detection surface that has been surface-treated with streptavidin is suitable for immobilizing a biotinylated nucleotide chain.
[0019]
Here, when an electric field is applied to the detection surface so that the lines of electric force are concentrated, as a result, the nucleotide chain extended (described above) moves toward the detection surface due to the electric field, and the terminal site is detected. By colliding with the surface, the nucleotide chain for detection can be reliably fixed to the detection surface.
[0020]
The “reaction region” is a partitioned region or space that can provide a field for a hybridization reaction in a liquid phase, and a region where an electric field is formed in the liquid phase by generating a potential difference between the positive and negative electrodes. It is.
[0021]
In this reaction region, in addition to the interaction between single-stranded nucleotides, that is, hybridization, a desired double-stranded nucleotide is formed from the nucleotide chain for detection, and the interaction between the double-stranded nucleotide and the peptide (or protein) is performed. Reactions, enzyme response reactions and other intermolecular interactions can also be performed. For example, when the double-stranded nucleotide is used, binding between a receptor molecule such as a hormone receptor as a transcription factor and a response element DNA portion can be analyzed.
[0022]
Next, in the bioassay substrate according to the present invention, the aforementioned “detection unit” is a cell detection unit having a cell structure in which a detection surface is formed on one wall surface, and a plurality of the cell detection units are provided on a disc-shaped substrate. It is possible to adopt a form in which they are arranged. Note that the “cell detection unit” is defined as a region having a small chamber-like reaction region partitioned from the surrounding substrate region.
[0023]
This “cell detector” can be disposed at an appropriate position on the substrate. However, if the “cell detector” is disposed side by side so as to exhibit a radial view from above, the space on the substrate can be effectively used. Can be increased. That is, it is possible to provide a (disk-shaped) DNA chip having a large amount of accumulated recording information.
[0024]
In addition, since the cell detection units are partitioned so as not to contaminate each other, different detection nucleotide chains are fixed for each cell detection unit or for each of a plurality of grouped cell detection units, and for each detection nucleotide chain. Separate and independent conditions can be set to allow the hybridization reaction to proceed.
[0025]
For example, a marker gene for disease onset can be grouped and fixed on a substrate. Thus, it is possible to simultaneously confirm the occurrence of a plurality of diseases using one substrate.
[0026]
In addition, it is possible to group detection nucleotide chains to be immobilized based on the difference in Tm or GC content. This makes it possible to precisely select reaction conditions such as buffer composition, concentration, etc., washing conditions, the concentration of the sample solution to be dropped, and the like, in which an active hybridization reaction is obtained, according to the properties of the nucleotide chain for detection. The risk of showing false positives or false negatives in the analysis work can be significantly reduced.
[0027]
Next, in the bioassay substrate according to the present invention, the reaction region of the detection unit is formed or arranged in a groove extending radially on the disc-shaped substrate, and on the inner wall surface of the groove, A configuration in which the detection surface is provided can also be adopted.
[0028]
The term "groove" formed on the substrate means a strip-shaped elongated microchannel structure. One field to which a bioassay substrate provided with the groove belongs is a disc-shaped microchannel. It can be called a channel array. Hereinafter, the detection unit having a configuration in which the reaction region is provided in the groove will be referred to as a “line detection unit” for convenience, following the “cell detection unit”.
[0029]
When this "groove detecting unit" is adopted, it is possible to use a liquid sending method utilizing a capillary phenomenon or a liquid sending method utilizing a centrifugal force generated by rotating a disk-shaped substrate by a predetermined method. . For example, it is possible to smoothly and reliably transfer a sample solution or a cleaning solution for removing excess target substances that did not bind actively after the reaction from the substrate central region into the groove (that is, the reaction region). It becomes.
[0030]
Note that, even in the case of the groove detecting unit, different nucleotide chains for detection can be fixed to the groove unit or a plurality of grouped groove units.
[0031]
In the bioassay substrate described above, when a means for providing the position information and the rotation synchronization information of the detection surface portion is provided, based on the position information and the rotation synchronization information, the detection nucleotide-containing solution and the target nucleotide-containing solution are used. Can be dropped while accurately following a predetermined reaction region.
[0032]
The means may be by wobbling or address pits provided on the substrate. Note that "wobbling" means that a groove (guide groove) for recording data by a user is slightly shifted from the center of the track in order to record information of a physical address (address) on the disk in advance on the disk. Meandering from side to side. Normally, FM modulation having a slight frequency deviation is performed on a frequency higher than the tracking servo band, and the amplitude of the sine wave modulation signal is carved on the substrate as a groove radial displacement.
[0033]
For the above-described reaction region provided on the bioassay substrate described above, a substance capable of causing a reversible phase change of a gel or sol between room temperature and an optimal reaction temperature (referred to as a “phase change substance”) .) Is also possible. An example of a phase change material is agarose gel.
[0034]
In this means, the phase change material is converted into a sol under a high temperature, the voltage is applied in this state to arrange nucleotide chains such as DNA, and then the temperature is lowered to gelate. Sometimes, a procedure of sol formation can be carried out under the optimal temperature condition of the reaction, and if the phase change substance is kept in a gel state during hybridization, the hybridization can be performed with the nucleotide chain of DNA or the like extended. It is preferable because it can be performed. When the phase change substance is in a gel state, hybridization may not proceed well when the sample solution containing the target nucleotide chain is dropped onto the detection unit. A vertical groove may be formed at a point in advance, and the sample solution may be dropped into this groove.
[0035]
In the present invention, either a means for labeling the target nucleotide chain with a fluorescent dye or a means using an intercalator can be employed. The “intercalator” is incorporated into the hybridized double-stranded nucleotide chain such that it is inserted into a hydrogen bond between the bases of the detection nucleotide chain and the target nucleotide chain. As a result, the fluorescence wavelength shifts to the longer wavelength side, and since there is a correlation between the fluorescence intensity and the amount of the intercalator incorporated into the double-stranded nucleotide chain, quantification is performed based on this correlation. Detection becomes possible.
[0036]
As described above, the present invention provides a novel bioassay substrate that can be used for gene mutation analysis, SNPs (single nucleotide polymorphism) analysis, gene expression frequency analysis, and the like, for drug discovery, clinical diagnosis, pharmacogenomics, forensic medicine, and the like. Has the technical significance of providing it to related industries.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, FIG. 1 is an external perspective view of a first embodiment of a bioassay substrate according to the present invention.
[0038]
In FIG. 1, a bioassay substrate (hereinafter abbreviated as “substrate”) denoted by reference numeral 1 is a substrate used for a disc-shaped substrate (disk) used for an optical information recording medium such as a CD, DVD, or MD. It is formed from a material. That is, the substrate 1 can optically read recorded information.
[0039]
The base material is formed in a disc shape using quartz glass, silicon, polycarbonate, polystyrene, or another disc-shaped synthetic resin, preferably a synthetic resin that can be injection-molded. By using an inexpensive synthetic resin substrate, a lower running cost can be realized as compared with a conventional glass chip.
[0040]
On one surface of the substrate 1, an aluminum deposition layer having a thickness of about 40 nm as a reflection film is formed, and this layer functions as a reflection film. This reflection film has a surface reflection of 4% or more from a substrate having a refractive index of 1.5 or more. A light transmitting layer made of transparent glass, transparent resin, or the like is formed on the reflective film.
[0041]
In the case where the base material is a material having a high reflectance, the surface of the base material itself functions as a reflection surface, so that the reflection film need not be formed. If a high reflectance film such as a metal film is formed, the fluorescence intensity of the fluorescent-labeled target substance can be detected with high sensitivity. The material and layer structure of the substrate 1 described above are the same in the substrate 4 (see FIG. 4) described later.
[0042]
Here, a large number of cell detectors 2 are arranged in the light transmitting layer so as to extend radially upward from a peripheral region at the center of the substrate 1. FIG. 2 is an external perspective view showing one of the cell detectors 2 in an enlarged manner.
[0043]
The cell detector 2 includes a detection surface 21 that has been subjected to a surface treatment so that the terminal portion of the nucleotide chain for detection indicated by the symbol D can be immobilized, and a nucleotide chain D for detection that has been immobilized on the detection surface 21 in advance. It has a positive electrode 22a and a negative electrode 22b that form an electric field (electric field) to be extended, and a reaction region 23 that is a field for a hybridization reaction between the detection nucleotide chain D and the target nucleotide chain T. The reaction region 23 is formed as a rectangular cell that opens upward, as viewed from above, for example, a cell having a depth of 1 μm, a length of 100 μm, and a width of 50 μ, but is not limited to the illustrated shape and size.
[0044]
The detection surface 21 is formed on an inner wall portion of the negative electrode 22b facing the reaction region 23 side. The detection surface 21 is surface-treated so that the terminal of the detection nucleotide chain D is fixed by a chemical bond such as a coupling reaction.
[0045]
That is, the detection surface 21 is not limited to a narrow one, as long as it has been subjected to a surface treatment suitable for immobilizing a previously processed terminal portion of the nucleotide chain D for detection such as a DNA probe. For example, in the case of the detection surface 21 that has been surface-treated with streptavidin, the end of the biotinylated nucleotide chain can be immobilized.
[0046]
Specifically, when an electric field is applied to the detection surface 21 so that the lines of electric force are concentrated, the nucleotide chain that has been subjected to elongation by the application of a high-frequency high voltage moves toward the detection surface 21, and the terminal site is detected. By colliding with the surface 21, the detection nucleotide chain D can be reliably immobilized on the detection surface 21. For this reason, the negative electrode 22b has a comb shape (see FIG. 2).
[0047]
Reference numeral 3 in FIG. 2 indicates a tip portion of a nozzle into which the sample solution S (S ′) is dropped. The nozzle 3 accurately transfers the sample solution S containing the detection nucleotide chain D and the sample solution S ′ containing the target nucleotide chain T to the reaction region 23 based on the position information and the rotation synchronization information provided from the substrate 1. And is configured to be dropped.
[0048]
Many of the detection nucleotide chains D dropped into the reaction region 23 are fixed to the detection surface 21 in a state where bases are superimposed, and therefore, during the hybridization reaction with the target nucleotide chain T dropped later. Causes the problem of steric hindrance.
[0049]
Therefore, in the present invention, an electric field is generated between the positive and negative electrodes 22 (22a, 22b) provided in the cell detection unit 2 so that an electric field is generated in the liquid phase (salt solution) stored and held in the reaction region 23. (Electric field), and the action of the detection nucleotide chain D extending linearly along the direction of the electric field is obtained. The condition of the electric field is considered to be 1 × 106 V / m and about 1 MHz as a preferable example of the condition (Masao Washizu and Osamu Kurosawa: “Electrostatic Manipulation of DNA in Microelectronics Structured Electronic Equipment. , No. 26, P. 1165-1172 (1900)).
[0050]
When the cell detectors 2 are arranged in a row on the substrate 1, either the configuration in which the positive and negative electrodes 22a and 22b are provided for each cell detector 2 or the configuration in which the positive and negative electrodes 22a and 22b are used as common electrodes are adopted. May be.
[0051]
The hydrogen bond (complementary bond) between the base of the linearly extended detection nucleotide chain D and the target nucleotide chain T labeled with a fluorescent dye or the like progresses efficiently because steric hindrance is reduced. . That is, the result is obtained that the hybridization reaction between the detection nucleotide chain D and the target nucleotide chain T proceeds efficiently. As a result, it is possible to obtain a favorable result that the reaction time of the hybridization is shortened and the probability of showing a false positive or false negative is also reduced.
[0052]
Here, FIG. 3 is an enlarged schematic view showing the vicinity of the detection surface 21 of the reaction region 23 of the cell detection unit 2. In FIG. 3, a detection nucleotide chain D whose terminal portion is fixed to the detection surface 21 and a target nucleotide chain T having a base sequence complementary to the base sequence of the detection nucleotide chain D are hybridized. The state of forming a heavy chain is schematically shown.
[0053]
For the reaction region 23 (similarly for a reaction region 53 described later), a phase change substance such as agarose gel or the like, which can cause a reversible phase change of a gel or sol between room temperature and an optimum reaction temperature (shown in FIG. ) Can also be filled. In this embodiment, the phase-change material is converted into a sol under a high temperature, the voltage is applied in this state to arrange nucleotide chains such as DNA, and then the temperature is lowered to gel, and further, At the time of hybridization, there is an advantage that a sol-forming procedure can be performed under the optimal reaction temperature condition. In addition, it is preferable that the phase change substance is kept in a gel state during hybridization, so that hybridization can be performed in a state where nucleotide chains such as DNA are extended.
[0054]
When the phase change substance is in a gelled state, when the sample solution S ′ containing the target nucleotide chain T is dropped onto the detection unit 2, the hybridization may not proceed properly. Similarly, a vertical groove may be formed in advance at the drop point, and the sample solution may be dropped into this groove.
[0055]
Here, the target nucleotide chain T may be labeled with a fluorescent dye, or an intercalator may be used. The intercalator is incorporated into the hybridized double-stranded nucleotide chain so as to be inserted into a hydrogen bond between the bases of the detection nucleotide chain D and the target nucleotide chain T. As a result, the fluorescence wavelength shifts to the longer wavelength side, and quantitative detection becomes possible based on the correlation between the fluorescence intensity and the amount of the intercalator incorporated into the double-stranded DNA. As the fluorescent dye used as the intercalator, POPO-1 and TOTO-3 can be considered.
[0056]
This is, for example, a target nucleotide complementary to a detection nucleotide chain D containing a marker gene known to be expressed when a specific disease occurs in a sample solution S ′ extracted from a predetermined cell or the like. The fact that a chain is present is recognizable, so that the cell is expected to have the disease.
[0057]
Next, a second embodiment of the substrate according to the present invention will be described with reference to FIG. 4A is a plan view of the substrate according to the second embodiment as viewed from above, and FIG. 4B is an enlarged plan view of a portion X in FIG. 4A.
[0058]
The substrate indicated by reference numeral 4 in FIG. The groove detecting section 5 includes a groove in which the reaction region 53 is radially extended on a disk-shaped substrate, and the inner surface I on one side in the longitudinal direction forming the groove has the same shape as the detection surface 21 described above. Are arranged at predetermined intervals. In addition, positive and negative electrodes 52a and 52b are provided opposite to each other where the detection surface 51 is formed so as to sandwich the reaction region 53 (see FIG. 4B). Note that the positive electrodes 52a, 52a,... (See FIG. 4B) disposed so as to be separated from each other can be used as a common electrode, and similarly, the positive electrodes 52a, 52a are disposed so as to be separated from each other. The negative electrodes 52b, 52b... (See FIG. 4B) can also be made common electrodes. That is, the positive common electrode and the negative common electrode can be arranged side by side on the substrate so as to face each other with the reaction region 53 interposed therebetween. According to this configuration, the needle-shaped probe can be pressed against the positive and negative common electrodes from above to supply electricity.
[0059]
The reaction area 53 may be formed in pits (not shown) arranged in each groove. By dropping a small droplet on the reaction area of the pit, almost the same spot size is realized and reproduced. Good fluorescence intensity detection can be realized.
[0060]
When the groove detecting section 5 having the above configuration is employed, a liquid sending means utilizing a capillary phenomenon or a liquid sending means utilizing a centrifugal force generated by rotating a disk-shaped substrate by a predetermined method is also used. be able to.
[0061]
More specifically, a liquid reservoir 6 is provided at the center of the substrate 4, and the liquid reservoir 6 is used to remove the sample solution S (S ′) and excess target substances that have not been actively bonded after the reaction. By injecting a cleaning liquid or the like and rotating the substrate 4, the liquid can be smoothly and reliably fed from the central region of the substrate into the groove (ie, the reaction region 53).
[0062]
In either case of the cell detection unit 2 or the groove detection unit 5, different detection nucleotide chains can be fixed to the detection unit or the plurality of grouped detection units.
[0063]
Hereinafter, the position information and the rotation synchronization information of the substrate 1 (4) will be briefly described. In the rotation direction of the substrate 1 (4), a number of address pits formed in advance by an optical disk mastering process are formed. When the substrate 1 (4) is considered as an optical disk, the reaction area 23 (53), which is a drop detection position, is considered as a user data area, and other areas are arranged with synchronous pits by a sample servo method or the like, and are used as tracking servos. Also, the position information is given by inserting an address part (geographical address on the disk) immediately afterwards.
[0064]
The address portion starts from a sector mark which is a head pattern, and includes a VFO (Variable Frequency Oscillator) for giving a rotation phase of a disk which is actually rotating, an address mark for giving a start position of address data, and a track and sector number. An ID (Identifier) and the like are combined.
[0065]
In order to perform a bioassay using the substrate 1 (4) having the above configuration, an apparatus having at least the following means and mechanism is used. That is, a substrate rotating means for rotatably holding the substrate 1 (4), and a solution S 'containing a nucleotide chain for detection and a solution S' containing a target nucleotide chain while rotating the substrate 1 (4) by the substrate rotating means. And a focus servo for maintaining a constant distance between (the nozzle of) the dropping means and the substrate 1 (4) in a predetermined order and timing to the reaction region 23 (53). A tracking servo mechanism for causing the drops of the solutions S and S ′ to follow the reaction region 23 (53) of the substrate 1 (4) based on the position information and the rotation synchronization information provided from the substrate 1 (4). It is a device (not shown) provided at least.
[0066]
Instead of using the above address pits, wobbling is formed on the track, the wobbling meander is adjusted so as to have clock information corresponding to the position, and addressing is performed by acquiring position information on the disk. May be. At the same time, tracking servo can be performed by using the wobbling frequency component. Further, by forming address pits and wobbling together, more accurate addressing and tracking servo become possible.
[0067]
In addition, it is preferable to use an inkjet printing method for the dropping unit. The reason is that the minute droplet can be accurately dropped by accurately following the predetermined reaction region 23 (53).
[0068]
The “ink-jet printing method” is a method in which a nozzle used in an ink-jet printer is applied, and is a method in which a substance for detection is ejected from a printer head to a substrate using electricity to fix the same as in an ink-jet printer. This method includes a piezoelectric ink jet method, a bubble jet (registered trademark) (registered trademark) (registered trademark) (registered trademark) method, and an ultrasonic jet method.
[0069]
The piezoelectric ink jet method is a method in which a droplet is ejected by a displacement pressure generated by applying a pulse to a piezoelectric body. The bubble jet (registered trademark) (registered trademark) (registered trademark) method is a thermal method in which droplets are ejected by the pressure of bubbles generated by heating a heater in a nozzle. A silicon substrate serving as a heater is buried in the nozzle, and a uniform bubble is created by controlling the temperature at about 300 ° C./s to eject a droplet. However, care must be taken when using it for biological material samples, since the liquid will be exposed to high temperatures. The ultrasonic jet method is a method in which an ultrasonic beam is applied to a free surface of a liquid to apply a locally high pressure to discharge droplets from the portion. A droplet having a diameter of about 1 μm can be formed at a high speed without the need for a nozzle.
[0070]
In the present invention, a "piezoelectric ink-jetting method" can be suitably adopted as the "ink-jet printing method". By changing the shape of the pulse to be applied, the size of a droplet (microdroplet) can be controlled, which is suitable for improving analysis accuracy. When the radius of curvature of the surface of the droplet is small, the droplet can be made small, and when the radius of curvature of the droplet is large, the droplet can be made large. Further, it is also possible to reduce the radius of curvature by pulling the droplet surface inward by rapidly changing the pulse in the negative direction.
[0071]
Next, the substrate information is read by irradiating the substrate 1 (4) with laser light (for example, blue laser light) to excite each reaction region 23 (53), and detecting the magnitude of the fluorescence intensity with a detector (not shown). ) To determine the binding reaction status between the detection nucleotide chain D and the labeled target nucleotide chain. Finally, the fluorescence intensity for each reaction region 23 (53) is visualized by A / D conversion and the distribution of the binding reaction ratio is displayed on the screen of the computer C.
[0072]
【The invention's effect】
(1) Since the bioassay substrate according to the present invention can form a large number and a large number of detection parts, the amount of accumulated information is large.
[0073]
(2) By applying an electric field to the nucleotide for detection fixed on the detection surface of the detection section to extend the nucleotide chain in a linear manner, the sample solution containing the target nucleotide chain is subjected to the reaction in the detection section. Since the configuration is such that the droplet is accurately dropped onto the region and the hybridization reaction between the detection nucleotide chain and the target nucleotide chain proceeds, the hybridization reaction can be performed efficiently in a short time.
[0074]
(3) Since the assay can be performed by selecting an optimal reaction condition or the like in units of detection units or grouped detection units, the incidence of false positive and false negative results can be significantly reduced. it can. Therefore, according to the bioassay substrate, comprehensive and efficient analysis can be performed with high accuracy, and the cost per recorded information is low.
[0075]
(4) The bioassay substrate according to the present invention is particularly useful as a DNA chip or a biosensor chip. Further, a disk-shaped microchannel array having a novel structure can be provided. When this substrate is used as a DNA chip, it can be used for gene mutation analysis, SNPs (single nucleotide polymorphism) analysis, gene expression frequency analysis, etc., and is widely used in drug discovery, clinical diagnosis, pharmacogenomics, forensic medicine and other fields. Can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external perspective view of a bioassay substrate (1) according to a preferred embodiment of the present invention when viewed upward.
FIG. 2 is an external perspective view showing, on an enlarged scale, one of cell detectors (2) provided on a substrate (1).
FIG. 3 is an enlarged view showing the vicinity of a detection surface (21) of a reaction area (23) of the cell detector (2).
FIG. 4A is a plan view of a bioassay substrate (4) according to a second embodiment as viewed from above.
(B) An enlarged plan view of a portion X in the previous figure (A).
[Explanation of symbols]
1,4 Bioassay substrate
21, 51 Detection surface
23,53 Reaction zone
D nucleotide chain for detection
T (labeled) target nucleotide chain

Claims (10)

光学的に記録情報の読み取りが可能とされた円盤状基板の上に、
少なくとも次の(1)〜(3)を備える検出部が設けられたことを特徴とするバイオアッセイ用基板。
(1)検出用ヌクレオチド鎖の末端部位が固定可能に表面処理が施された検出表面。
(2)前記検出表面に固定された状態の前記検出用ヌクレオチド鎖を伸長させる電場を形成する正負電極。
(3)前記検出用ヌクレオチド鎖と標的ヌクレオチド鎖との間のハイブリダイゼーション反応の場となる反応領域。
On a disc-shaped substrate that allows optically reading recorded information,
A bioassay substrate provided with a detection unit including at least the following (1) to (3).
(1) A detection surface that has been subjected to a surface treatment so that the terminal site of the nucleotide chain for detection can be fixed.
(2) Positive and negative electrodes that form an electric field for extending the detection nucleotide chain fixed to the detection surface.
(3) A reaction region where a hybridization reaction between the detection nucleotide chain and the target nucleotide chain takes place.
前記検出部は、前記検出表面が一壁面に形成されたセル検出部であって、該セル検出部が前記円盤状基板上に複数配設されたことを特徴とする請求項1記載のバイオアッセイ用基板。The bioassay according to claim 1, wherein the detection unit is a cell detection unit having the detection surface formed on one wall surface, and a plurality of the cell detection units are arranged on the disc-shaped substrate. Substrate. 前記セル検出部は、前記円盤状基板上に、上方視放射状を呈するように配設されたことを特徴とする請求項2記載のバイオアッセイ用基板。The bioassay substrate according to claim 2, wherein the cell detection unit is disposed on the disc-shaped substrate so as to exhibit a radial view from above. 前記セル検出部単位又はグルーピングされた複数のセル検出部単位に、異なる検出用ヌクレオチド鎖が固定されたことを特徴とする請求項3記載のバイオアッセイ用基板。4. The bioassay substrate according to claim 3, wherein different detection nucleotide chains are fixed to the cell detection unit or the plurality of grouped cell detection units. 前記検出部の反応領域は、円盤状基板上に放射状に延設された条溝内に設けられ、該条溝の内壁面には、前記検出表面が配設されたことを特徴とする請求項1記載のバイオアッセイ用基板。The reaction region of the detection unit is provided in a groove extending radially on a disk-shaped substrate, and the detection surface is provided on an inner wall surface of the groove. 2. The substrate for bioassay according to 1. 前記条溝単位又はグルーピングされた複数の条溝単位に、異なる検出用ヌクレオチド鎖が固定されたことを特徴とする請求項5記載のバイオアッセイ用基板。The bioassay substrate according to claim 5, wherein different detection nucleotide chains are immobilized on the groove units or on a plurality of grouped groove units. 前記検出表面部位の位置情報と回転同期情報を提供する手段を備えることを特徴とする請求項1記載のバイオアッセイ用基板。2. The bioassay substrate according to claim 1, further comprising means for providing position information and rotation synchronization information of the detection surface portion. 前記手段は、前記基板上に設けられたウォブリングまたはアドレスピットによることを特徴とする請求項7記載のバイオアッセイ用基板。The bioassay substrate according to claim 7, wherein the means is based on wobbling or address pits provided on the substrate. 前記反応領域に対して、室温と反応至適温度との間で、ゲル、ゾルの可逆相変化が起こりえる物質を充填したことを特徴とする請求項1記載のバイオアッセイ用陽基板。The positive substrate for bioassay according to claim 1, wherein the reaction region is filled with a substance capable of causing a reversible phase change of a gel or a sol between room temperature and an optimum reaction temperature. インターカレータを用いて前記前ハイブリダイゼーション反応を検出することを特徴とする請求項1記載のバイオアッセイ用基板。The bioassay substrate according to claim 1, wherein the prehybridization reaction is detected using an intercalator.
JP2003105704A 2002-05-21 2003-04-09 Bioassay substrate Expired - Fee Related JP4200801B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003105704A JP4200801B2 (en) 2002-05-21 2003-04-09 Bioassay substrate

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002146904 2002-05-21
JP2003105704A JP4200801B2 (en) 2002-05-21 2003-04-09 Bioassay substrate

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2004045376A true JP2004045376A (en) 2004-02-12
JP2004045376A5 JP2004045376A5 (en) 2006-06-08
JP4200801B2 JP4200801B2 (en) 2008-12-24

Family

ID=31719606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003105704A Expired - Fee Related JP4200801B2 (en) 2002-05-21 2003-04-09 Bioassay substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4200801B2 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005040797A1 (en) * 2003-10-27 2005-05-06 Sony Corporation Bio-assay substrate having a power supply wire configuration
WO2005083448A1 (en) * 2004-03-01 2005-09-09 Yokogawa Electric Corporation Substrate for microarray of biomolecule, hybridization device, and hybridization method
WO2005085848A1 (en) * 2004-03-04 2005-09-15 Ryoichi Imanaka Microarray and spotting apparatus
WO2005113739A1 (en) * 2004-05-20 2005-12-01 Victor Company Of Japan, Limited Bio-chemical chip and method of controlling the same
WO2006018981A1 (en) * 2004-08-05 2006-02-23 Sony Corporation Dna chip manufacturing method, manufacturing system, hybridization detection method, detection system, substrate treatment device, and substrate treatment method
WO2006106741A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-12 Sony Corporation Bioreaction execution apparatus, method of bioreaction execution, dna chip, information processing unit, method of information processing, program and recording medium
JP2006280258A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Cartridge for hybridization, hybridization apparatus and hybridization method
JP2006322819A (en) * 2005-05-19 2006-11-30 Sony Corp Substrate and device for bioassay, and manufacturing method for substrate
JP2007006858A (en) * 2005-07-04 2007-01-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Microorganism examination chip and method for examining microorganism

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005040797A1 (en) * 2003-10-27 2005-05-06 Sony Corporation Bio-assay substrate having a power supply wire configuration
WO2005083448A1 (en) * 2004-03-01 2005-09-09 Yokogawa Electric Corporation Substrate for microarray of biomolecule, hybridization device, and hybridization method
WO2005085848A1 (en) * 2004-03-04 2005-09-15 Ryoichi Imanaka Microarray and spotting apparatus
WO2005113739A1 (en) * 2004-05-20 2005-12-01 Victor Company Of Japan, Limited Bio-chemical chip and method of controlling the same
WO2006018981A1 (en) * 2004-08-05 2006-02-23 Sony Corporation Dna chip manufacturing method, manufacturing system, hybridization detection method, detection system, substrate treatment device, and substrate treatment method
WO2006106741A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-12 Sony Corporation Bioreaction execution apparatus, method of bioreaction execution, dna chip, information processing unit, method of information processing, program and recording medium
JP2006280258A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Cartridge for hybridization, hybridization apparatus and hybridization method
JP4723891B2 (en) * 2005-03-31 2011-07-13 三菱レイヨン株式会社 Hybridization cartridge, hybridization apparatus, and hybridization method
JP2006322819A (en) * 2005-05-19 2006-11-30 Sony Corp Substrate and device for bioassay, and manufacturing method for substrate
JP4591195B2 (en) * 2005-05-19 2010-12-01 ソニー株式会社 Substrate and apparatus for bioassay, and method for producing substrate
JP2007006858A (en) * 2005-07-04 2007-01-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Microorganism examination chip and method for examining microorganism

Also Published As

Publication number Publication date
JP4200801B2 (en) 2008-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8211380B2 (en) Bio-assay substrate, bio-assay apparatus, and reading apparatus
WO2006018981A1 (en) Dna chip manufacturing method, manufacturing system, hybridization detection method, detection system, substrate treatment device, and substrate treatment method
JP4591195B2 (en) Substrate and apparatus for bioassay, and method for producing substrate
JP4329322B2 (en) INTERACTIVE ACTION DETECTION METHOD, BIO ASSAY DEVICE, AND BIO ASSY
JP2005505288A (en) Apparatus and method for detecting gene sequences
JP4200801B2 (en) Bioassay substrate
EP1507146B1 (en) Bioassay method
JP2004093415A (en) Bioassay substrate, substrate information reading apparatus, and substrate information reading method
JP4218257B2 (en) Bioassay method and bioassay device
JP4218274B2 (en) Bioassay device
JP4321085B2 (en) Bioassay substrate, bioassay device and reading device
KR101162365B1 (en) Bioassay Method, Bioassay Device, and Bioassay Substrate
JP2001136964A (en) Method for preparing pcr plate and dna chip
JP2005331431A (en) Interaction detection part and substrate for bioassay using thixotropic gel or/and volume phase transition gel, and method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060407

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060419

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080612

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080624

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080814

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080916

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080929

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111017

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121017

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (prs date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131017

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees