JP2004271384A - Dna analytical device and analytical method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently perform the hybridization of a sample DNA fragment even during electrophoresis. <P>SOLUTION: A first electrode 74 is provided on the left wall of a bathtub 71 into which an electrophoretic medium 82 is injected, and a second electrode 75 is provided on the right wall thereof. A solid imaging device 2 comprising pixels of nine rows and nine columns is provided on the bottom of the bathtub 71. Nine probe electrodes 35 are formed on the surface of a solid imaging device 25. Nine spots 60 are arrayed per probe electrode 35. A temperature adjustment element 72 abuts on the probe electrode 35, and the heat of the temperature adjustment element 72 is conducted through the probe electrodes 35, to thereby heat or cool the electrophoretic medium 82. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプルDNA断片を分析するために用いられるDNA分析装置及び分析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、医療分野、農業分野等の幅広い分野で生物の遺伝子情報が利用されるようになってきているが、遺伝子情報の利用に際しては、DNAの構造解明が不可欠である。DNAは螺旋状によじれあった二本のポリヌクレオチド鎖を有し、それぞれのポリヌクレオチド鎖は4種の塩基(アデニン:A、グアニン:G、シトシン:C、チミン:T)が一次元的に並んだ塩基配列(ヌクレオチド配列)を有し、アデニンとチミン、グアニンとシトシンという相補性に基づいて一方のポリヌクレオチド鎖の塩基が他方のポリヌクレオチド鎖の塩基に結合している。
【0003】
DNAの構造解明とは、塩基配列を特定することであるが、DNAの塩基配列を特定するためにDNAマイクロアレイ及びその読取装置が開発されている。従来では、DNAマイクロアレイ及びその読取装置を用いて次のようにしてサンプルDNAの塩基配列を特定する。
【0004】
まず、既知の塩基配列を有した一本鎖のプローブDNA断片を複数種類調製し、複数種のプローブDNA断片をスポットとしてスライドガラス等の固体担体に整列固定させる。得られたDNAマイクロアレイ上には、複数のスポットがアレイ上に配列されるが、一つのスポットは一種類のプローブDNA断片の群集であり、スポットごとにプローブDNA断片の塩基配列が異なる。
【0005】
次に、検体から採取したサンプルDNAを一本鎖のサンプルDNA断片に変性して、変性したサンプルDNA断片に蛍光物質等を結合させる。一般的にサンプルDNA断片は複数種ある。
【0006】
次に、複数種のサンプルDNA断片をDNAマイクロアレイ上に添加すると、複数種のサンプルDNA断片はそれぞれの相補的なプローブDNA断片とハイブリダイズする。つまり、或る種類のサンプルDNA断片は、複数種類のプローブDNA断片のうち相補性を有するプローブDNA断片とハイブリダイズするが、相補性を有しないプローブDNA断片とはハイブリダイズしない。サンプルDNA断片に蛍光物質でマーキングを施しているため、サンプルDNA断片と結合したプローブDNA断片が蛍光を発することになる。
例えば、TCGGGAAという塩基配列を有するサンプルDNA断片は、AGCCCTTという塩基配列を有するプローブDNA断片と結合し、そのプローブDNA断片からなるスポットから蛍光が発する。
【0007】
次いで、DNAマイクロアレイを読取装置にセッティングして、読取装置にて解析する。読取装置は、DNAマイクロアレイ上の蛍光強度分布を計測するものである。DNAマイクロアレイ上の蛍光強度分布は二次元の画像として出力される。出力された画像内で蛍光強度が大きいスポットには、サンプルDNA断片の塩基配列と相補的な塩基配列を有したプローブDNA断片が含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどのスポットの蛍光強度が大きいかによってサンプルDNA断片の塩基配列を確定することができる。
【0008】
ところが、上記DNAマイクロアレイでは、単にサンプルDNA断片をDNAマイクロアレイ上に添加するだけであるため、サンプルDNA断片の分布が不均一である。つまり、DNAマイクロアレイ上の一部のスポット上ではサンプルDNA断片が高濃度になるが、別のスポットではサンプルDNA断片が低濃度となる場合がある。従って、スポットのプローブDNA断片が複数種のサンプルDNA断片のうちの何れかと相補性を有する場合、そのスポット上のサンプルDNA断片の濃度によって蛍光の発光輝度が異なってしまう恐れがある。
【0009】
以上の問題を解決するために、特許文献1では、基板上に電極をマトリクス状に配列し、それぞれの電極上にプローブDNA断片からなるスポットを固定し、分散媒をこれら電極及びスポットを全て被覆するように基板一面に塗布してなるDNAマイクロアレイについて記載されている。
【0010】
特許文献1に記載されたDNAマイクロアレイを用いた同定方法は以下のようになる。まず、分散媒にサンプルDNA断片を注入する。そして、電極一つずつに順次正電圧を印加していくことによって、点走査を行う。複数の電極のうち正電圧を印加されて選択されている電極に向かって、分散媒中のサンプルDNA断片が泳動していくから、選択されている電極のスポットではサンプルDNA断片が高濃度になる。このような点走査が行われることによって、スポットは一つずつ順次サンプルDNA断片が高濃度な状態となる。従って、サンプルDNA断片と相補性を有するスポットはどれも蛍光強度がほぼ等しくなる。以上のように、特許文献1に記載されている技術では、サンプルDNA断片が分散媒中を電気泳動することを利用している。
【0011】
【特許文献1】
特表平11−512605号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のDNAマイクロアレイは、複数種のサンプルDNA断片の中に一部に相補的な塩基配列を有しているものがある場合、サンプルDNA断片同士が電気泳動中に一部ハイブリダイズして結合してしまう。そのため、一部ハイブリダイズしたサンプルDNA断片が相補的なスポットにまで泳動しても、そのスポットでハイブリダイズしないため、複数種のサンプルDNA断片の塩基配列を特定することができない。したがって、サンプルDNA断片を変成して一本鎖状態にするために電気泳動媒体全体が加熱されているが、その後ハイブリダイズするために電気泳動媒体全体を冷却し効率が悪かった。また任意の箇所のスポットのみをハイブリダイズすることもできなかった。
【0013】
そこで、本発明の目的は、電気泳動中でもサンプルDNA断片が効率よくハイブリダイズすることである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明のDNA分析装置は、例えば図1、図2に示すように
電気泳動媒体が入った浴槽(例えば、浴槽71)と、
前記浴槽に並んだ複数のプローブ電極(例えば、プローブ電極35,35,…)と、
既知の塩基配列を有したプローブDNA断片からなるとともに、前記複数のプローブ電極に配列された複数のスポット(例えば、スポット60,60,…)と、
前記プローブ電極を介して前記複数のスポットの温度を調節する温度調節素子(例えば、温度調節素子72)と、
を備えることを特徴とする。
【0015】
請求項1に記載の発明では、浴槽中の電気泳動媒体中のサンプルDNA断片をプローブ電極により電気泳動で引きつけられることができる。このときサンプルDNA断片はプローブDNA断片とハイブリダイズする前の段階の変成した状態を維持するために、スポット、つまりプローブDNA断片及びその周囲の電気泳動媒体が比較的高温状態になっているので、このままの温度が続くとサンプルDNA断片及びプローブDNA断片はハイブリダイズできないが、温度調節素子がプローブ電極を介して複数のスポットの温度を調節するので、ハイブリダイゼーションが行われるスポット近傍を局所的に冷却することで効率よく冷やすことができ、これにより互いに相補的なサンプルDNA断片及びプローブDNA断片が容易にハイブリダイズできる。
【0016】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のDNA分析装置において、前記温度調節素子が前記複数のプローブ電極のそれぞれに当接し、前記複数のプローブ電極の一部を介して前記複数のスポットの一部の温度を選択的に調節することを特徴とする。
【0017】
請求項2に記載の発明では、温度調節素子が任意のプローブ電極に選択的に熱伝導することによって任意の箇所のスポットのみをハイブリダイズすることができる。すなわち、所定のプローブ電極のスポットのプローブDNA断片がハイブリダイズしていることが好ましく、所定のプローブ電極以外のプローブ電極のスポットのプローブDNA断片がハイブリダイズしていないことが好ましい場合(例えばステップS19において、第7〜9列目のプローブ電極35上のプローブDNA断片61がハイブリダイズしていることが好ましく、第4〜6列目のプローブ電極35上のプローブDNA断片61がハイブリダイズしていることがハイブリダイズしていないことが好ましい場合)、所定のプローブ電極のスポットのプローブDNA断片がハイブリダイズできる程度に温度を下げ、所定のプローブ電極以外のプローブ電極のスポットのプローブDNA断片がハイブリダイズできない程度に温度を上げることによって、撹拌したときに、分散されにくいスポットと分散されやすいスポットを選択的に形成することができる。
【0018】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のDNA分析装置において、例えば図1、図2に示すように、
前記浴槽中に配置され、前記浴槽の幅方向に対向配置した第一電極(例えば、第一電極74)及び第二電極(例えば、第二電極75)を備えることを特徴とする。
【0019】
請求項3に記載の発明では、第一電極及び第二電極に電圧を印加することによりサンプルDNA断片が効率よく電気泳動できる。
【0020】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のDNA分析装置において、
前記複数のプローブ電極は、一つのプローブ電極又は隣り合う幾つかのプローブ電極からなる複数の電極組に分けられ、
前記複数の電極組のうちの所定の電極組に配列されたスポット同士は、プローブDNA断片の塩基配列が互いに異なり、且つ一本のプローブDNA断片の塩基数が互いに同一であるか又は前記所定の電極組以外のプローブ電極に配列されたスポットの一本のプローブDNA断片の塩基数よりも互いにより近似し、
前記第二電極側に位置する一本のプローブDNA断片は、前記第一電極側に位置する一本のプローブDNA断片より塩基数が少ないことを特徴とする。
【0021】
DNA断片は塩基数が少なくなるにつれて電気泳動移動度が大きくなる。そのため、電気泳動媒体の第一電極側に塩基数の異なる複数種のサンプルDNA断片を注入すると、塩基数の少ないサンプルDNA断片は第二電極側に泳動しやすく、塩基数の多いサンプルDNA断片は流体抵抗が高くなるので第二電極側に泳動しにくい。ここで、請求項4に記載の発明では、複数のスポットは電極組が第二電極に近づくにつれてプローブDNA断片の塩基数が小さくなるから、サンプルDNA断片は第一電極及び第二電極間の電圧によって塩基数のほぼ同じプローブDNA断片のある電極組の上へと泳動する。複数のプローブ電極及び複数のスポットが第一電極及び第二電極よりも深い位置に配置されているため、サンプルDNA断片が第一電極から第二電極に向けて泳動している時には、サンプルDNA断片がスポットにまで至らないが、プローブ電極にサンプルDNA断片を引きつけるような第一電極の電圧より高い電圧が印加されると、サンプルDNA断片は深さ方向にも泳動する。
従って、サンプルDNA断片は、塩基数のほぼ同じプローブDNA断片のスポットまで泳動する。そのため、サンプルDNA断片を同じ塩基数の相補的なプローブDNA断片のみとハイブリダイズさせることができるから、塩基数の異なるために電気泳動の移動速度が異なる複数種のサンプルDNA断片それぞれの塩基配列を効率よく分析することができる。
【0022】
請求項5に記載の発明は、図5、図10〜図12に示すように、請求項3又は4に記載のDNA分析装置において、
前記第二電極の電位が前記第一電極の電位より高くなるように電圧を所定時間印加する電圧印加工程(ステップSS1、ステップS6、ステップS11)を前記電極組の組数だけ繰り返す電圧制御回路(例えば、電圧制御回路73)を備えることを特徴とする。
【0023】
請求項5に記載の発明では、第二電極の電位が第一電極の電位より高くなるように電圧を所定時間印加する電圧印加工程が繰り返されることによって、サンプルDNA断片が第一電極から第二電極に向けて泳動する。これにより移動可能なサンプルDNA断片を適宜移動することができる。
【0024】
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載のDNA分析装置において、前記電圧制御回路による電圧印加工程が繰り返されている時に、前記温度調節素子に発熱動作を行わせ、前記電圧制御回路による電圧印加工程の繰り返しが終了した後には、前記温度調節素子の発熱動作を終了する温度制御回路を備えることを特徴とする。
【0025】
請求項6に記載の発明では、温度制御回路が発熱動作を温度調節素子に行わせているため、ハイブリダイズしないために電気泳動媒体中のサンプルDNA断片が泳動しやすい。その後に、温度制御回路が発熱素子の発熱動作を終了させているため、電気泳動媒体の温度が下がり、サンプルDNA断片がハイブリタイズしやすい。
【0026】
請求項7に記載の発明は、請求項5に記載のDNA分析装置において、
前記電圧制御回路は、電圧印加工程のそれぞれの後に、前記複数の電極組のうち前記第二電極から近い順に一つの電極組を選択して、その選択した電極組中の一又は複数のプローブ電極の電位が前記第一電極及び第二電極の少なくとも一方の電位よりも高くなるように電圧を印加することを特徴とする。
【0027】
請求項7に記載の発明では、電圧印加工程においてサンプルDNA断片が第一電極から第二電極に向けて泳動するが、泳動距離はサンプルDNA断片の塩基数が小さくなるにつれて長くなる。例えば、塩基数の少ないサンプルDNA断片は最初の電圧印加工程では第二電極に最も近い電極組に最も近く泳動しているから、その後に電極組が選択されるとその電極組中のプローブ電極の電位が前記第一電極及び第二電極の少なくとも一方の電位よりも高いからその塩基数の少ないサンプルDNA断片は選択された電極組へと深さ方向に泳動する。
このように、電圧印加工程が繰り返され、電圧印加工程のそれぞれの間に前記複数の電極組のうち前記第二電極から近い順に一つの電極組を選択すると、サンプルDNA断片は、第二電極に近い電極組になるにつれて塩基数が少なくなるように、各電極組に振り分けられる。
その後、温度制御回路が温度調節素子の発熱動作を終了させているため、電気泳動媒体の温度が下がり、サンプルDNA断片が同じ塩基数の相補的なプローブDNA断片とハイブリダイズしやすい。
【0028】
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のDNA分析装置において、
前記電圧制御回路は、全ての電極組を選択した後に前記第一電極及び前記第二電極の少なくとも一方の電位が前記複数のプローブ電極の電位よりも高くなるように電圧を印加することを特徴とする。
【0029】
請求項8に記載の発明では、全ての電極組を選択した後に前記第一電極及び前記第二電極の少なくとも一方の電位が複数のプローブ電極の電位よりも高くなるように電圧を印加することによって、ハイブリダイズしていないサンプルDNA断片がスポットから離れて、第一電極及び第二電極の少なくとも一方へと泳動する。しかし、相補的なプローブDNA断片とハイブリダイズしたサンプルDNA断片はスポットから離れない。
従って、サンプルDNA断片は相補的なプローブDNA断片のスポットにのみ分布しているので正確にハイブリダイズしたスポットのみを検知することができる。
【0030】
請求項9に記載の発明は、請求項1から8の何れか一項に記載のDNA分析装置において、前記複数のプローブ電極に配列された複数のスポットに対応して設けられた複数のフォトセンサ素子を有することを特徴とする。
【0031】
請求項9に記載の発明では、各フォトセンサ素子がスポット毎にハイブリダイゼーションの有無を検知することができるので複数のスポットを同時に検知することができる。
【0032】
請求項10記載の発明の分析方法は、
電気泳動媒体が入った浴槽に設けられた複数のプローブ電極に電圧を印加して前記電気泳動媒体中のサンプルDNA断片を前記プローブ電極に設けられたプローブDNA断片に引き寄せる電気泳動ステップと、
前記プローブ電極を介して前記プローブDNA断片及びその周囲の電気泳動媒体の温度を調節する温度調節ステップと、
を含むことを特徴とする。
【0033】
請求項10記載の発明では、必要に応じてプローブ電極を介してプローブDNA断片及びその周囲の電気泳動媒体の温度を調節することができるので、任意のプローブDNA断片を選択的にハイブリダイゼーションできる状況にするとともに任意のプローブDNA断片以外のプローブDNA断片近傍のサンプルDNA断片を変成状態を維持することで速やかに電気泳動できるようにすることができる。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【0035】
図1は、DNAを分析するDNA同定装置100を破断して示した正面図であり、図2は、DNA同定装置100の上面図である。
【0036】
このDNA同定装置100は、浴槽71と、浴槽71の上方に配置された紫外線照射器77と、浴槽71の内側の上部で且つ浴槽71の幅方向に水平対向配置された第一電極74及び第二電極75と、浴槽71の底に対して着脱自在なDNAセンサ1と、を備える。
【0037】
DNAセンサ1について図3及び図4を参照して説明する。図3は、DNAセンサ1の平面図であり、図4(a)は、DNAセンサ1の一画素を示した平面図であり、図4(b)は、図4(a)の破断線II−IIで破断して示した断面図である。
DNAセンサ1は、撮像デバイスである光検知デバイス2と、光検知デバイス2の表面全体に成膜された電磁シールド層32と、電磁シールド層32上に形成されたオーバコート層33と、オーバコート層33上に成膜された紫外線遮蔽層34と、紫外線遮蔽層34の表面に配列された複数のプローブ電極35,35,…と、それぞれが一本鎖プローブDNA断片61の群集であるとともにプローブ電極35,35,…上に配列されて固定された複数のスポット60,60,…と、を備える。
【0038】
光検知デバイス2は、略平板状の透明基板17と、透明基板17の表面上にn行m列(m、nともに2以上の整数である。)のマトリクス状に配列された複数のダブルゲート型電界効果トランジスタで構成されたフォトセンサ素子20,20,…と、を備える。なお、行とは、後述するソースライン42、ドレインライン43に沿って横方向に一直線に並んだm個のフォトセンサ素子20,20,…の並びをいう。列とは、後述するトップゲートライン44、ボトムゲートライン41に沿って縦方向に一直線に並んだn個のフォトセンサ素子20,20,…の並びをいう。
【0039】
透明基板17は、光に対して透過性(以下、単に透光性という。)を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート等といったプラスチック基板である。この透明基板17の裏面が、光検知デバイス2の裏面を成している。なお、透光性を有した透明基板17の代わりに、遮光性を有した基板であっても良い。
【0040】
これらフォトセンサ素子20,20,…は、画素となる光電変換素子である。フォトセンサ素子20は、透明基板17上に形成されたボトムゲート電極21と、ボトムゲート電極21上に形成されたボトムゲート絶縁膜22と、ボトムゲート電極21との間にボトムゲート絶縁膜22を挟むとともにボトムゲート電極21に対向した半導体膜23と、半導体膜23の中央部上に形成されたチャネル保護膜24と、半導体膜23の両端部上に互いに離間して形成された不純物半導体膜25,26と、一方の不純物半導体膜25上に形成されたソース電極27と、他方の不純物半導体膜26上に形成されたドレイン電極28と、ソース電極27及びドレイン電極28上に形成されたトップゲート絶縁膜29と、半導体膜23との間にトップゲート絶縁膜29及びチャネル保護膜24を挟むとともに半導体膜23に対向したトップゲート電極30と、を具備する。
【0041】
透明基板17上には、ボトムゲート電極21がフォトセンサ素子20ごとに形成されている。また、透明基板17上には、縦方向に延在するm本のボトムゲートライン41,41,…が一列につき一本ずつ形成されており、縦方向に配列された同じ列の各フォトセンサ素子20のボトムゲート電極21は共通のボトムゲートライン41と一体となって形成されている。ボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【0042】
ボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41上には、全てのフォトセンサ素子20,20,…に共通したボトムゲート絶縁膜22が形成されている。ボトムゲート絶縁膜22は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン(SiN)又は酸化シリコン(SiO)からなる。
【0043】
ボトムゲート絶縁膜22上には、半導体膜23がフォトセンサ素子20ごとに形成されている。半導体膜23は、平面視して略矩形状を呈しており、アモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。半導体膜23上には、チャネル保護膜24が形成されている。チャネル保護膜24は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜23の界面を保護する機能を有し、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。半導体膜23は光に対して感度を示し、半導体膜23に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜24と半導体膜23との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜23側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜24側には電子が発生するようになっている。
【0044】
半導体膜23の一端部上には、不純物半導体膜25が一部チャネル保護膜24に重なるようにして形成されており、半導体膜23の他端部上には、不純物半導体膜26が一部チャネル保護膜24に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜25,26は、フォトセンサ素子20ごとにパターニングされている。不純物半導体膜25,26は、n型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン(nシリコン)からなる。
【0045】
不純物半導体膜25上には、フォトセンサ素子20ごとにパターニングされたソース電極27が形成されている。不純物半導体膜26上には、フォトセンサ素子20ごとにパターニングされたドレイン電極28が形成されている。また、ボトムゲート絶縁膜22上には、横方向に延在するm本のソースライン42,42,…が一行につき一本ずつ形成されているとともに、横方向に延在するm本のドレインライン43,43,…が一行につき一本ずつ形成されている。そして、横方向に配列された同じ行の各フォトセンサ素子20のソース電極27は共通のソースライン42と一体に形成されており、横方向に配列された同じ行の各フォトセンサ素子20のドレイン電極28は共通のドレインライン43と一体に形成されている。ソース電極27、ドレイン電極28、ソースライン42及びドレインライン43は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
【0046】
チャネル保護膜24、ソース電極27及びドレイン電極28並びにソースライン42,42,…及びドレインライン43,43,…上には、全てのフォトセンサ素子20,20,…に共通したトップゲート絶縁膜29が形成されている。トップゲート絶縁膜29は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【0047】
トップゲート絶縁膜29上には、フォトセンサ素子20ごとにパターニングされたトップゲート電極30が形成されている。また、トップゲート絶縁膜29上には縦方向に延在するn本のトップゲートライン44が一列につき一本ずつ形成されており、縦方向に配列された同じ列の各フォトセンサ素子20のトップゲート電極30は共通のトップゲートライン44と一体に形成されている。トップゲート電極30及びトップゲートライン44は、導電性及び透光性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物(例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム)で形成されている。
以上のように構成されたフォトセンサ素子20は、半導体膜23を受光部とした光電変換素子である。これらフォトセンサ素子20,20,…は共通の保護絶縁膜31によってまとめて被覆されており、保護絶縁膜31はトップゲート電極30及びトップゲートライン44上に形成されている。この保護絶縁膜31は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【0048】
保護絶縁膜31上には、電磁シールド層32が全てのフォトセンサ素子20,20,…に共通して一面に形成されている。電磁シールド層32は、導電性及び透光性を有し、例えば酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物で形成されている。
【0049】
電磁シールド層32上には、オーバコート層33が全てのフォトセンサ素子20,20,…に共通して一面に形成されている。オーバコート層33は、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【0050】
オーバコート層33上には、紫外線遮蔽層34が全てのフォトセンサ素子20,20,…に共通して一面に形成されている。紫外線遮蔽層34は、後述する蛍光物質を励起させる紫外線を遮光し、紫外線によって励起される蛍光物質から発する蛍光(主に、可視光線)を透過する性質を有する。紫外線遮蔽層34としては、アナターゼ型又はルチル型の酸化チタンからなる層が挙げられる。その他に、高屈折率の誘電体H層と、誘電体H層より低屈折率の誘電体L層とが紫外線波長の1/4の光学膜厚で交互に積層された誘電体多層膜が挙げられる。
【0051】
紫外線遮蔽層34上には、縦方向に延在するm本のプローブ電極35,35,…が一列につき一本ずつ形成されている。これらプローブ電極35は長手方向が互いに平行となるように配列されている。また、それぞれのプローブ電極35は同じ列のn個のフォトセンサ素子20,20,…をまとめて被覆するように形成されている。
【0052】
プローブ電極35,35,…上には、プローブ電極35一つにつきn種類のスポット60が列になって固定されており、全体で(m×n)種類のスポット60がマトリクス状になって配列されている。そして、平面視して一つのフォトセンサ素子20に一種類のスポット60が重なるようにして、一つのフォトセンサ素子20につき一種類のスポット60が配列されている。一つのスポット60は一本鎖プローブDNA断片61が多数集まった群集であり、一つのスポット60に含まれる多数の一本鎖プローブDNA断片61は同じ塩基配列(ヌクレオチド配列)を有し、スポット60ごとに一本鎖プローブDNA断片61の塩基配列は異なっている。何れのスポット60も、塩基配列が既知のものである。
【0053】
更には、同じ列のn種類のスポット60は互いに異なる塩基配列の一本鎖プローブDNA断片61からなるが、互いにほぼ同じ塩基数の一本鎖DNA断片61となっている。つまり、同じ列のn種類のスポット60の一本鎖DNA断片61は、何れも塩基の数がほぼ同じである。スポット60の一本鎖プローブDNA断片61の塩基数が列ごとに大幅に異なっても良いが、m列のうち幾つかの隣接しあった列はほぼ同じ塩基数の一本鎖DNA断片61とされていても良い。また、スポット60,60,…のm列のうち一列又は隣り合う幾つかの列から成る列組は、ほぼ同じ塩基数の一本鎖DNA断片61とされており、ほぼ同じ塩基数の一本鎖DNA断片61とされた列組が幾つかある。ほぼ同じ塩基数の一本鎖プローブDNA断片61とされた列組が左に寄るにつれてその塩基数が増えるように、且つ、ほぼ同じ塩基数一本鎖プローブDNA断片61とされた列組が右に寄るにつれて塩基数が減るようにスポット60,60,…が配列されている。
従って、複数のプローブ電極35,35,…もプローブDNA断片61の塩基数の数によって分別される。つまり、複数のプローブ電極35,35,…は一つのプローブ電極35又は隣り合う幾つかのプローブ電極35からなる電極組に分けられ、共通の電極組に配列されたスポット60,60,…はそれぞれ一本鎖プローブDNA断片61の塩基数がほぼ同じであるが、塩基配列が異なる。ここで、「ほぼ同じ」とは、複数の電極組のうちの所定の電極組に配列された複数のスポット同士において、一本のプローブDNA断片の塩基数が、互いに同一であるか又はこの所定の電極組以外のプローブ電極に配列されたスポットの一本のプローブDNA断片の塩基数よりも互いに近似していることを意味する。
【0054】
以下では、説明を簡単にするために、81個のフォトセンサ素子20,20,…が9行9列にマトリクス状に配列されており、9列のプローブ電極35,35,…が互いに平行となって形成されており、それぞれのプローブ電極35上には9種類のスポット60,60,…が配列されているものとする。また、左側3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61は、スポット60ごとに互いに異なる塩基配列であるが、ほぼ同じ塩基数である。中央3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61は、スポット60ごとに互いに異なる塩基配列であるが、ほぼ同じ塩基数である。右側3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61は、スポット60ごとに互いに異なる塩基配列であるが、ほぼ同じ塩基数である。また、左側3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数は、中央3列のプローブ電極35,35,35の電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数より多く、中央3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数は、右側3列のプローブ電極35,35,35からなる電極組上に形成されているスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数より多い。また、最も左の列プローブ電極35を第1列目とし、最も右の列のプローブ電極35を第9列目とし、プローブ電極35の順番を左から順とする。つまり、第1列目〜第3列目が一つの共通の電極組となり、第4列目〜第6列目が一つの共通の電極組となり、第7列目〜第9列目が一つの共通の電極組となり、各電極組内では、一本鎖プローブDNA断片61の塩基数が同一であるか又は当該電極組以外の電極組に配列されたスポットの一本のプローブDNA断片の塩基数よりも互いに近似している。
【0055】
スポット60,60,…をプローブ電極35に固定する方法としては、予め調製したプローブDNA断片を、ポリ陽イオン(ポリ−L−リシン、ポリエチレンイミン等)で表面処理したプローブ電極35に分注装置を用いて点着して、DNAの荷電を利用して光検知デバイス2の表面に静電結合させる方法が適用される。
その他の固定方法として、アミノ基、アルデヒド基、エポキシ基等を有するシランカップリング剤を用いる方法も利用されている。この場合には、アミノ基、アルデヒド基等は、共有結合によりプローブ電極35の表面に導入されるため、ポリ陽イオンによる場合と比較して安定にプローブ電極35に存在する。
その他の固定方法として、反応活性基を導入したオリゴヌクレオチドを合成し、表面処理したプローブ電極35に該オリゴヌクレオチドを点着し、共有結合させる方法もある。
【0056】
以上のようなDNAセンサ1は、スポット60,60,…を上側にしてDNA読取装置100の浴槽71の底に対して着脱自在となっている。なお、浴槽71の深さ方向は、水平方向に対して直交する。
【0057】
この浴槽71の上が開放しており、浴槽71内に所定の粘度の電気泳動媒体82を注入できるようになっている。電気泳動媒体82としては、粒子が分散媒に分散してなるコロイド溶液(ゾル)、ゲルを含有した電解溶液、その他の電解溶液等である。
【0058】
この浴槽71は振とう器83の上に載置されており、振とう器83によって浴槽71が振とうされることによって電気泳動媒体82が攪拌されるようになっている。振とう器83は超音波によって浴槽71を振とうするものであっても良いし、ロータリー式で浴槽71を振とうするものであっても良いし、往復式で浴槽71を振とうするものであっても良い。
【0059】
また、浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合、浴槽71を上から見ると複数のプローブ電極35,35,…は第一電極74と第二電極75との間で配列され、左端のプローブ電極35は、浴槽71の左壁に形成された第一電極74寄りに位置し、右端のプローブ電極35は、浴槽71の右壁に形成された第二電極75寄りに位置する。
【0060】
浴槽71内であって浴槽71の前壁面には、温度調節を行える温度調節素子72がプローブ電極35一つにつき一つ設けられている。温度調節素子72,72,…は、浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合に、それぞれのプローブ電極35,35,…の端部に当接するように設けられており、それぞれのプローブ電極35,35,…を介してスポット60,60,…の温度を調節するものである。温度調節素子72としては、加熱・冷却を行えるペルチェ素子や、加熱を行えるヒータと冷却を行えるヒートシンクとを組み合わせたもの等が挙げられるが、発熱によりプローブ電極35,35,…を選択的に加熱するとともに吸熱によりプローブ電極35,35,…を選択的に冷却することによってプローブ電極35,35,…及びその近傍の温度を調節できるものであれば良い。なお、温度調節素子72は、発熱抵抗体、その他の発熱体といった単に加熱のみを行えるものでもよい。
【0061】
また、浴槽71内であって浴槽71の後ろ壁面には、電圧制御を行うための電圧制御回路73(図5に図示)の端子73a,73a,…が複数配設されている。そして、端子73a,73a,…は、浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合に、プローブ電極35,35,…にそれぞれ接触するように設けられており、電圧制御回路73によってプローブ電極35,35,…に電圧が個別に印加されるようになっている。
【0062】
また、浴槽71内には、光検知デバイス2を駆動するためのドライバ回路76(図5に図示)の端子が複数配設されている。ドライバ回路76は、図6に示すように、トップゲートドライバ76A、ボトムゲートドライバ76B、ドレインドライバ76Cで構成される。そして、浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合にトップゲートドライバ76A、ボトムゲートドライバ76B、及びドレインドライバ76Cの各端子がトップゲートライン44,44,…、ボトムゲートライン41,41,…及びドレインライン43,43,…にそれぞれ接続するように設けられており、ドライバ回路76によって電圧がトップゲートライン44,44,…、ボトムゲートライン41,41,…及びドレインライン43,43,…に適宜印加されるようになっている。また、ソースライン42は全て電位Vssに保持され、浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合、ソースライン42,42,…及び電磁シールド層32の電位Vssが接地電位でもよい。
【0063】
ドライバ回路76によって適宜電圧が所定のタイミングでトップゲートライン44,44,…、ボトムゲートライン41,41,…及びドレインライン43,43,…に印加されることによって、光検知デバイス2が駆動される。光検知デバイス2が駆動されるとそれぞれのフォトセンサ素子20で入射した光量が電気信号に変換され、電気信号がドライバ回路76によって検知されることによって、撮像が行われるようになっている。
【0064】
上述したフォトセンサ素子20の駆動制御方法について、図面を参照して説明する。図7は、フォトセンサ素子20の基本的な駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートであり、図8は、フォトセンサ素子20の動作概念図であり、図9は、フォトセンサ素子20の出力電圧の光応答特性を示す図である。ここでは、上述したフォトセンサ素子20の構成(図1、図4)を適宜参照しながら説明する。
【0065】
まず、リセット動作(初期化動作)においては、図7、図8(a)に示すように、コントローラ78の制御により、任意のi列目(1≦i≦m)のトップゲートライン44を介して、i列目のフォトセンサ素子20のトップゲート電極30にパルス電圧(以下、「リセットパルス」と記す;例えば、Vtg=+15Vのハイレベル)φTiを印加して、半導体層23、及び、チャネル保護膜24における半導体層23との界面近傍に蓄積されているキャリア(ここでは、正孔)を放出する(リセット期間Trst)。
【0066】
次いで、光蓄積動作(電荷蓄積動作)においては、図7、図8(b)に示すように、i列目のトップゲートライン44を介して、i列目のフォトセンサ素子20のトップゲート電極30にローレベル(例えば、Vtg=−15V)のバイアス電圧φTiを印加することにより、リセット動作を終了し、キャリア蓄積動作による光蓄積期間Taがスタートする。光蓄積期間Taにおいては、トップゲート電極21側から入射した光量に応じて半導体層23の入射有効領域、すなわち、キャリア発生領域で電子−正孔対が生成され、生成された電子−正孔対のうちの正孔が、半導体層23、及び、チャネル保護膜24における半導体層23との界面近傍、すなわち、チャネル領域周辺に蓄積される。
【0067】
そして、プリチャージ動作においては、図7、図8(c)に示すように、光蓄積期間Taに並行して、プリチャージ信号φpgに基づいてi列目のフォトセンサ素子20のドレイン電極28に所定の電圧(プリチャージ電圧)Vpgを印加するために各ドレインライン43に電荷を保持させる(プリチャージ期間Tprch)。次いで、読み出し動作においては、図7、図8(d)に示すように、プリチャージ期間Tprchを経過した後、ボトムゲート電極21にハイレベル(例えば、Vbg=+10V)のバイアス電圧(読み出し選択信号;以下、「読み出しパルス」と記す)φBiを印加すること(選択状態)により、フォトセンサ素子20をON状態にする(読み出し期間Tread)。
【0068】
ここで、読み出し期間Treadにおいては、光が入射されたフォトセンサ素子20のチャネル領域に蓄積されたキャリア(正孔)が逆極性のトップゲート電極30に印加されたVtg(−15V)を緩和する方向に働くため、ボトムゲート電極21のVbg(+15V)によりnチャネルが形成され、ドレイン電流に応じてドレイン電極28及びドレインライン43の電圧(ドレイン電圧)VDは、図9(a)に示すように、プリチャージ電圧Vpgから時間の経過とともに徐々に低下する傾向を示す。
【0069】
すなわち、光蓄積期間Taにおける光蓄積状態が明状態の場合には、図8(d)に示すように、チャネル領域に入射光量に応じたキャリア(正孔)が捕獲されているため、トップゲート電極30の負バイアスを打ち消すように作用し、この打ち消された分だけボトムゲート電極21の正バイアスによって、フォトセンサ素子20はON状態となる。そして、この入射光量に応じたON抵抗に従って、図9(a)に示すように、ドレイン電圧VDは、低下することになる。
【0070】
一方、光蓄積状態が暗状態で、チャネル領域にキャリア(正孔)が蓄積されていない場合には、図8(e)に示すように、トップゲート電極30の負バイアスによって、ボトムゲート電極21の正バイアスが打ち消され、フォトセンサ素子20はOFF状態となり、図9(a)に示すように、ドレイン電圧VDが、ほぼそのまま保持されることになる。
【0071】
したがって、図9(a)に示したように、ドレイン電圧VDの変化傾向は、トップゲート電極30へのリセットパルスφTiの印加によるリセット動作の終了時点から、ボトムゲート電極21に読み出しパルスφBiが印加されるまでの時間(光蓄積期間Ta)に受光した光量に深く関連し、蓄積されたキャリアが多い場合(明状態)には急峻に低下する傾向を示し、また、蓄積されたキャリアが少ない場合(暗状態)には緩やかに低下する傾向を示す。そのため、読み出し期間Treadがスタートして、所定の時間経過後のドレイン電圧VD(=Vrd)を検出することにより、あるいは、所定のしきい値電圧を基準にして、その電圧に至るまでの時間を検出することにより、フォトセンサ素子20に入射した光(照射光)の光量が換算される。
【0072】
なお、図7に示したタイミングチャートにおいて、プリチャージ期間Tprchの経過後、図8(f)、(g)に示すように、ボトムゲート電極21にローレベル(例えば、Vbg=0V)を印加した状態(非選択状態)を継続すると、フォトセンサ素子20はOFF状態を持続し、図9(b)に示すように、ドレイン電圧VDは、プリチャージ電圧Vpgに近似する電圧を保持する。このように、ボトムゲート電極21への電圧の印加状態により、フォトセンサ素子20の読み出し状態を選択、非選択状態に切り替える選択機能が実現される。
【0073】
浴槽71内であって左壁面の上部には第一電極74が設けられており、右壁面の上部には第二電極75が設けられており、電極74,75は浴槽71の内側において露出している。また、電極74,75は、浴槽71の底に位置したプローブ電極35,35,…よりも上方に位置している。電極74,75も電圧制御回路73によって個別に電圧が印加されるようになっている。
【0074】
浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合、浴槽71を上から見た(浴槽71の高さ方向に見た)とき、光検知デバイス2の配置位置は、第一電極74と第二電極75との間になる。浴槽71の底にDNAセンサ1が装着された場合、浴槽71を右又は左から見た(浴槽71の幅方向に見た)とき、光検知デバイス2の配置高さは、第一電極74及び第二電極75の配置高さより低い。
【0075】
浴槽71よりも上方には、下方に向けて光を照射する紫外線照射器77が設けられている。紫外線照射器77から発光される光は、紫外線の波長域を含み、蛍光の波長域を殆ど含まない。
【0076】
次に、DNA同定装置100の制御構成について図5を用いて説明する。
このDNA同定装置100は、表示装置81と、全体の制御を司るコントローラ78と、紫外線照射器77を駆動するための照射駆動回路79と、温度調節素子72,72,…を駆動するための温度制御回路80と、を備える。
【0077】
コントローラ78は、専用の論理回路であるか、又は、CPU(central processing unit)等を有する演算処理装置であり、所定のタイミングで電圧制御回路73、ドライバ回路76、照射駆動回路79、温度制御回路80、表示装置81及び振とう器83を動作させるものである。
【0078】
ドライバ回路76は、図6〜図9を用いて説明したように、コントローラ78からの指示によって光検知デバイス2を駆動して、光検知デバイス2に撮像動作を行わせるものである。光検知デバイス2によって撮像された画像は、ドライバ回路76によってA/D変換されて、ドライバ回路76からコントローラ78に画像データとして出力されるようになっている。
【0079】
照射駆動回路79は、コントローラ78からの指示によって紫外線照射器77を駆動して、紫外線照射器77に発光動作を行わせるものである。
【0080】
温度制御回路80は、コントローラ78からの指示によって温度調節素子72,72,…を駆動して、温度調節素子72,72,…に加熱・冷却動作を行わせるものである。
【0081】
電圧制御回路73は、コントローラ78からの指示によって端子73a,73a,…、第一電極74、第二電極75に個別に電圧を印加するものである。
【0082】
表示装置81は、コントローラ78からの指示によって光検知デバイス2で撮像された画像を表示するものである。
【0083】
次に、図10〜図12を用いてDNA同定装置100の動作について説明する。ここで、図10〜図12は、DNA同定装置100の動作の流れを示すフローチャートである。
【0084】
まず、検体からDNAを採取して変性し、塩基数が異なる複数種の一本鎖DNA断片を得るが、塩基数が同じで塩基配列の異なる一本鎖DNA断片が複数種含まれていても良い。一本鎖DNA断片に蛍光物質を結合させ一本鎖DNA断片を蛍光物質で標識する。得られた一本鎖DNA断片をサンプルDNA断片という。サンプルDNA断片に標識する蛍光物質としては、例えばCyDyeのCy2やCy3(アマシャム社製)がある。蛍光物質は、DNA同定装置100の紫外線照射器77から出射される紫外線の波長で励起されるものを選択する。蛍光物質は紫外線によって励起されることによって蛍光を発するが、その蛍光の波長は、フォトセンサ素子20の半導体膜23にキャリアを発生させる波長であり、紫外線に対してより長波長の光線が好ましい。
【0085】
次いで、DNAセンサ1を浴槽71の底に装着し、浴槽71内に電気泳動媒体82を注入する。
次いで、DNA同定装置100の電源を入れて、DNA同定装置100を起動させる。
【0086】
そして、DNA同定装置100のコントローラ78が温度制御回路80を制御し、これによって温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って温度調節素子72,72,…を駆動し、温度調節素子72,72,…に加熱動作を行わせる。これにより、温度調節素子72,72,…が発熱し、温度調節素子72,72,…の熱がプローブ電極35,35,…に伝導する。温度調節素子72,72,…によってプローブ電極35,35,…が加熱されることによって、浴槽71内の電気泳動媒体82も95℃以上に加熱される。以降も温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って温度調節素子72を制御することによって、電気泳動媒体82が95℃以上に保温される。電気泳動媒体82が95℃以上に加熱されることによって一つのスポット60中のプローブDNA断片61が一部ハイブリダイズすることがない。
【0087】
なお、電気泳動媒体82が保温される温度は95℃以上に限らず、一本鎖DNA断片が相補的に結合しないで一本鎖を維持するような温度であれば良い。また、浴槽71内に電気泳動媒体82の温度を検出する温度検出器を設け、温度検出器による検出温度をコントローラ78にフィードバックし、コントローラ78が検出温度に従って温度制御回路80を制御することによって、温度制御回路80が電気泳動媒体82を95℃以上に保温するように温度調節素子72,72,…を制御しても良い。
【0088】
そして、上述のように得られた複数種の一本鎖サンプルDNA断片を浴槽71の上から浴槽71内に入れる。但し、浴槽71全体にサンプルDNA断片を入れるのではなく、第一電極74寄りの平面視してプローブ電極35,35,…が無い部分にサンプルDNA断片を入れ(図1、図2を参照。)、特に第一電極74から離れた部分にサンプルDNA断片が拡散しないように静かに入れる。このとき、一本鎖サンプルDNA断片はPCR増幅に用いられる試薬を一部に含む溶液ごと浴槽71に注入されてもよい。なお、図1では、複数種の一本鎖サンプルDNA断片のうち、最も塩基数が少ない一本鎖サンプルDNA断片151、最も塩基数が多い一本鎖サンプルDNA断片153、一本鎖サンプルDNA断片151よりも塩基数が多く一本鎖サンプルDNA断片153よりも塩基数が少ない一本鎖サンプルDNA断片152を示す。
【0089】
温度調節素子72,72,…の発熱によって電気泳動媒体82が95℃以上に加熱されているため、サンプルDNA断片の中に一部に相補的な塩基配列を有しているものがあっても、サンプルDNA断片同士が一部ハイブリダイズして結合してしまうことはない。従って、サンプルDNA断片が完全に断片化した状態で電気泳動媒体82中を泳動する。
【0090】
次に、図10のステップS1(一回目の電圧印加工程)に示すように、コントローラ78が電圧制御回路73を制御し、これにより電圧制御回路73はコントローラ78の指示に従って、第一電極74の電位が第二電極75の電位より低くなるように第一電極74と第二電極75との間に電圧を印加する。また、同時に、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、全てのプローブ電極35,35,…の電位が第二電極75の電位以下望ましくは第一電極74の電位以下となるように、プローブ電極35,35,…に電圧を印加する。これにより、第一電極74が陰極となり、第二電極75が陽極となり、全てのプローブ電極35,35,…が第二電極75に対して負電圧又は等電圧となる。ここで、第一電極74の電位は接地電位とするのが望ましく、第一電極74に対する全てのプローブ電極35,35,…それぞれの電圧は等電圧又は負電圧であるのが望ましく、プローブDNA断片にミスハイブリダイズしたサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片から分離するのに要する電圧以上であってプローブDNA断片に完全なハイブリダイズをしたサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片から分離されない電圧以下である。ここでのミスハイブリダイズとは、部分的にハイブリダイズしたことを意味し、サンプルDNA断片とプローブDNA断片とのうちの一方の塩基配列の一部が他方の塩基配列の一部又は全体と相補的である場合に、サンプルDNA断片とプローブDNA断片が部分的に結合したことであり、完全なハイブリダイズとは、サンプルDNA断片の全ての塩基がプローブDNA断片の全ての塩基と相補的に結合されることを意味する。
【0091】
これにより、複数種のサンプルDNA断片が電気泳動媒体82中特に電気泳動媒体82の表層を第二電極75に向けて泳動する。ここで、電圧制御回路73は、以上のような電圧状態を所定時間維持するが、印加時間及び印加電圧は、最も短い第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のために第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61と同程度の体積の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片が第7列目のプローブ電極35の上にまで泳動する程度である。従って、図13に示すように、塩基数の最も少ないサンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるとすると、サンプルDNA断片151が第7列目のプローブ電極35の上まで泳動する。しかしながら、サンプルDNA断片152,153はサンプルDNA断片151よりも体積が大きいためにサンプルDNA断片151よりも電気泳動中の流体抵抗が大きく、第7列目のプローブ電極35の上までは泳動しない。
ここで、プローブ電極35,35,…に電圧が印加されても、接地された電磁シールド層32がプローブ電極35とフォトセンサ素子20との間にあるため、プローブ電極35,35,…の電界がフォトセンサ素子20の動作に悪影響することはない。
【0092】
第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61と等しい塩基数のサンプルDNA断片が第7列目のプローブDNA断片61上方の電気泳動媒体82中に到達すると予想される所定時間経過後、コントローラ78が電圧制御回路73を制御し、電圧制御回路73が電圧印加状態を解除して第一電極74、第二電極75及び全てのプローブ電極35,35,…を等電圧にする。そして、コントローラ78がドライバ回路76及び照射駆動回路79を制御し、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を、上述したフォトセンサ素子20の駆動制御方法にしたがって駆動するとともに照射駆動回路79がコントローラ78の指示に従って紫外線照射器77を駆動する(ステップS2)。
【0093】
これにより紫外線照射器77が発光し、紫外線照射器77で発した紫外線が電気泳動媒体82の表面に面状に照射される。これによって、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61の上方の電気泳動媒体82中を浮遊するサンプルDNA断片に付着している蛍光物質に紫外線が入射することによって蛍光物質から蛍光が発し、紫外線遮蔽層34、オーバコート層33、電磁シールド層32、保護絶縁膜31、トップゲート電極30、トップゲート絶縁膜29及びチャネル保護膜24を透過して、半導体膜23に入射する。フォトセンサ素子20,20,…がそれぞれの半導体膜23に入射した蛍光の強度又は光量に応じて電気信号に光電変換することによって、光検知デバイス2は、それぞれのフォトセンサ素子20,20,…で蛍光の強度又は光量を検知し、二次元的な蛍光強度分布を二次元的な画像として取得する。光検知デバイス2で取得された画像は、ドライバ回路76によってA/D変換されて、画像データとしてドライバ回路76からコントローラ78に出力される。
ここで、紫外線遮蔽層34が設けられているため、紫外線照射器77から発した紫外線はフォトセンサ素子20,20,…に入射せず、フォトセンサ素子20,20,…は紫外線ではほとんど光電変換しない。
【0094】
そして、コントローラ78は上記ステップS2においてドライバ回路76から入力した画像データに基づいて第7列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS3)。
【0095】
ここで、複数種のサンプルDNA断片の中に第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がある場合には、そのほぼ同じ塩基数の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151が図13に示すように上記ステップS1において第7列目のプローブ電極35の上まで泳動していることになる。従って、複数種のサンプルDNA断片の中に第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がある場合には、図14に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第7列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体膜23に高強度で入射するから、コントローラ78は上記ステップS3において第7列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS3:Yes)、コントローラ78の処理はステップS4に移行する。一方、複数種のサンプルDNA断片の中に第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がない場合には、ほぼ同じ塩基数のために相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151がほとんどないので第7列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体膜23には蛍光が低強度で入射するか又は殆ど入射しないため、コントローラ78は上記ステップS3において第7列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しなかったので、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が存在しなかったと判定し(ステップS3:No)、コントローラ78の処理はステップS6に移行する。
なお、図13は、サンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に、上記ステップS1の時の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151の泳動位置を表す図面である。図14は、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61が第7列目近傍まで電気泳動したときに光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。
【0096】
ステップS4においては、コントローラ78が電圧制御回路73を制御し、これにより電圧制御回路73はコントローラ78の指示に従って、第8列目のプローブ電極35の電位が他のプローブ電極35,35,…及び第一電極74より高くなるように電圧を印加する。ここでは、第8列目のプローブ電極35以外のプローブ電極35,35,…及び第一電極74を接地電位とし、第8列目のプローブ電極35を正電圧としている。第8列目のプローブ電極35以外のプローブ電極35,35,…、及び第一電極74の電位に対して第8列目のプローブ電極35を正電圧としている。このようにより高い電圧により、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35からなる電極組が選択され、この後の第一電極74と第二電極75との間の電圧に関わらず、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151を、第8列目のプローブ電極35近傍、つまり第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61近傍に保持することができる。ステップS4及び後述するステップS5では、第二電極75も第一電極74と等電位とする方が、第一電極74−第二電極75方向でのサンプルDNA断片の移動がないので好ましい。
【0097】
次いで、コントローラ78がドライバ回路76を制御し、これによりドライバ回路76が光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第8列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS5)。
【0098】
ここで、上記ステップS4において第8列目のプローブ電極35に第一電極74の電圧より高電圧が印加されると、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片は図15に示すように第7列目のプローブ電極35の上方から第8列目のプローブ電極35に向けて沈むように泳動する。従って、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151が第8列目のプローブ電極35近傍まで泳動すると、図15に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第8列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS5においてコントローラ78が第8列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS5:Yes)、コントローラ78の処理がステップS6に移行する。ステップS4では、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のために相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151を、第8列目のプローブ電極35近傍に保持することが目的であって、この段階で第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61と相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151とが必ずしもハイブリダイズする必要はない。一方、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が第8列目のプローブ電極35まで泳動していない場合には、ステップS5においてコントローラ78が第8列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS5:No)、コントローラ78の処理がステップS4に移行する。コントローラ78の処理がステップS5:No→ステップS4と繰り返されることによって、相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151が第8列目のプローブ電極35近傍まで泳動するまで第8列目のプローブ電極35に第一電極74の電圧より高電圧が印加され続ける。
なお、図15は、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のため相対的に小さい体積のサンプルDNA断片151が、上記ステップS4の時のサンプルDNA断片151の泳動位置を表す図面である。図16は、サンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。
【0099】
ステップS6(二回目の電圧印加工程)では、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って第一電極74の電位が第二電極75の電位より低くなるように第一電圧74と第二電圧75との間に電圧を印加する。また、同時に、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、ステップS16の直前まで、第8列目以外の列のプローブ電極35,35,…の電位が第二電極75の電位以下、望ましくは第一電極74の電位以下となるようにプローブ電極35,35,…に電圧を印加し、ステップS16の直前まで、第8列目のプローブ電極35,35,…の電位は、第一電極74の印加電圧以上第二電極75の印加電圧以下に設定されるが、サンプルDNA断片151保持の観点から第二電極75と等電位であることが望ましい。
【0100】
これにより、電気泳動媒体の表層にある相対的に中程度の体積のサンプルDNA152及び相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153が電気泳動媒体82中を第二電極75に向けて泳動するが、相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片152は相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153よりも相対的に流体抵抗が低いので、相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153よりも速い速度で泳動する。ここで、電圧制御回路73は、以上のような電圧状態を所定時間維持するが、印加時間及び印加電圧は第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のために相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片152が第4列目のプローブ電極35の上にまで泳動する程度である。このとき、相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153は第4列目のプローブ電極35の上にまで達していない。従って、図17に示すように、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるとすると、サンプルDNA断片152が第4列目の上まで泳動する。また、相対的に小さい体積サンプルDNA断片151は、以前のステップS4において浴槽71の底に沈むように第8列目のプローブ電極35の電界によりにより第8列目のプローブ電極35近傍に保持されているため、このステップS6においては殆ど泳動しない。なお、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、ステップS6以降ステップS15までも第8列目のプローブ電極35にサンプルDNA断片151の保持のための第一電極74の電圧より高電圧が電圧制御回路73によって印加され続ける。
【0101】
相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片が第4列目プローブDNA断片61の上方の電気泳動媒体82まで到達すると予想される所定時間経過後、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って電圧印加状態を解除して第一電極74、第二電極75及びプローブ電極35,35,…(但し、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、第8列目のプローブ電極35を除く。)を等電圧にする。そして、コントローラ78がドライバ回路76及び照射駆動回路79を制御し、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動するとともに照射駆動回路79がコントローラ78の指示に従って紫外線照射器77を駆動する(ステップS7)。これによりドライバ回路76が光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される。
【0102】
そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第4列目のフォトセンサ素子20,20,…で相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片152による蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS8)。
【0103】
ここで、電気泳動媒体82の表層に第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に中程度の体積のサンプルDNA152がある場合には、そのほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が図17に示すように上記ステップS6において第4列目のプローブ電極35の上まで泳動していることになる。従って、複数種のサンプルDNA断片の中に第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に中程度の体積のサンプルDNA152がある場合には、図18に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第4列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、コントローラ78は上記ステップS8において第4列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS8:Yes)、コントローラ78の処理はステップS9に移行する。一方、複数種のサンプルDNA断片の中に第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片152がない場合には、第4列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体膜23には蛍光が低強度で入射するか又は殆ど入射しないため、コントローラ78は上記ステップS8において第4列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しなかったと判定し(ステップS8:No)、コントローラ78の処理はステップS11に移行する。
なお、図17は、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に、上記ステップS6の時のサンプルDNA断片152の泳動位置を表す図面である。図18は、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。図17、図18においては最も塩基数の少ない相対的に体積の小さいサンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるものとしている。
【0104】
ステップS9においては、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って、第5列目のプローブ電極35の電位が他のプローブ電極35,35,…(但し、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、ステップS9及び後述するステップS10における第5列目のプローブ電極35の電位及び第8列目のプローブ電極35の電位は互いに等しく且つ第5列目のプローブ電極35の電位と異なる。)、及び第一電極74より高くなるように電圧を印加する。ここでは、第5列目のプローブ電極35以外のプローブ電極35,35,…(但し、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、第8列目のプローブ電極35を除く。)、及び第一電極74を接地電位とし、第5列目のプローブ電極35を接地電位に対して高電圧としている。このとき、第二電極75は第一電極74と等電位であることが望ましいが第一電極74の電圧より高くてもよい。これにより、第4列目〜第6列目のプローブ電極35,35,35からなる電極組が選択され、この後の第一電極74と第二電極75との間の電圧に関わらず、第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片152を、第5列目のプローブ電極35近傍、つまり第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61近傍に保持することができる。ステップS9及び後述するステップS10では、第二電極75も第一電極74と等電位とする方が、第一電極74−第二電極75方向でのサンプルDNA断片の移動がないので好ましい。
【0105】
次いで、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第5列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS10)。
【0106】
ここで、上記ステップS9において第5列目のプローブ電極35に第一電極75より高い電圧が印加されると、第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片は図19に示すように第4列目のプローブ電極35の上方から第5列目のプローブ電極35に向けて沈むように泳動する。第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が第5列目のプローブ電極35近傍まで泳動し、保持されると、図20に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第5列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS10においてコントローラ78が第5列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS10:Yes)、コントローラ78の処理がステップS11に移行する。一方、第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が第5列目のプローブ電極35まで泳動していない場合には、ステップS10においてコントローラ78が第5列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS10:No)、コントローラ78の処理がステップS9に移行する。コントローラ78の処理がステップS9:No→ステップS10と繰り返されることによって、相対的に中程度の体積のサンプルDNA断片152が第5列目のプローブ電極35近傍まで泳動するまで第5列目のプローブ電極35に第一電極74より高い電圧が印加され続ける。
なお、図19は、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に、上記ステップS9の時のサンプルDNA断片152の泳動位置を表す図面である。図20は、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。
【0107】
ステップS11(三回目の電圧印加工程)では、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って第一電極74の電位が第二電極75の電位より低くなるように第一電圧74と第二電圧75との間に電圧を印加する。また、同時に、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、第5列目及び第8列目のプローブ電極35,35,…の電位をサンプルDNA断片が保持できる電圧に維持するとともに、それ以外の列のプローブ電極35,35,…の電位を第二電極75の電位以下、望ましくは第一電極74の電位以下となるようにプローブ電極35,35,…に電圧を印加する。第5列目及び第8列目のプローブ電極35,35,…の電位は、第一電極74の印加電圧以上第二電極75の印加電圧以下に設定されるが、それぞれサンプルDNA断片151、サンプルDNA断片152保持の観点から第二電極75と等電位であることが望ましい。
【0108】
これにより、電気泳動媒体の表層にある保持されずに残った相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153が電気泳動媒体82中を第二電極75に向けて泳動する。ここで、電圧制御回路73は、以上のような電圧状態を所定時間維持するが、印加時間及び印加電圧は第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に大きい体積のサンプルDNA断片が第1列目のプローブ電極35の上にまで泳動する程度である。従って、図21に示すように、サンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるとすると、サンプルDNA断片153が第1列目の上まで泳動する。しかしながら、サンプルDNA断片151,152は、それぞれ以前のステップS4,S9以降においてサンプルDNA断片の保持のための電圧がプローブ電極35に印加されて浴槽71の底に沈むように保持されているため、相対的に上方に位置する第一電極74及び第二電極75間の電界に影響されず、このステップS11においては殆ど泳動しない。なお、上記ステップS10からステップS11に移行した場合、ステップS11以降ステップS15までも第5列目のプローブ電極35に第一電極74より相対的に高い電圧が電圧制御回路73によって印加され続ける。
【0109】
相対的に大きい体積のサンプルDNA断片が第1列目プローブDNA断片61の上方の電気泳動媒体82まで到達すると予想される所定時間経過後、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って電圧印加状態を解除して第一電極74、及びプローブ電極35,35,…(但し、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、第8列目のプローブ電極35を除き、上記ステップS10からステップS11に移行した場合、第5列目のプローブ電極35を除く。)を等電圧にする。なお、第二電極75も第一電極74と等電圧であることが望ましい。そして、コントローラ78がドライバ回路76及び照射駆動回路79を制御し、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動するとともに照射駆動回路79がコントローラ78の指示に従って紫外線照射器77を駆動する(ステップS12)。これによりドライバ回路76が光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される。
【0110】
そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第4列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS13)。
【0111】
ここで、電気泳動媒体82の表層に第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がある場合には、そのほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が図21に示すように上記ステップS11において第1列目のプローブ電極35の上まで泳動していることになる。従って、複数種のサンプルDNA断片の中に第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がある場合には、図22に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第1列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、コントローラ78は上記ステップS13において第1列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS13:Yes)、コントローラ78の処理はステップS14に移行する。一方、複数種のサンプルDNA断片153の中に第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片がない場合には、第1列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体膜23には蛍光が低強度で入射するか又は殆ど入射しないため、コントローラ78は上記ステップS13において第1列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しなかったと判定し(ステップS13:No)、コントローラ78の処理は確認ステップSC1に移行する。
なお、図21は、サンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に、上記ステップS11の時のサンプルDNA断片152の泳動位置を表す図面である。図22は、サンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。図21、図22においてはサンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるものとし、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数であるものとしている。
【0112】
ステップS14においては、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って、第2列目のプローブ電極35の電位が他のプローブ電極35,35,…(但し、上記ステップS5からステップS6に移行した場合、第8列目のプローブ電極35を除き、上記ステップS10からステップS11に移行した場合、第5列目のプローブ電極35を除く。)、及び第一電極74より高くなるように電圧を印加する。ここでは、第2列目のプローブ電極35以外のプローブ電極35,35,…、及び第一電極74を接地電位とし、第2列目のプローブ電極35を接地電位に対してより高い電圧としている。これにより、第1列目〜第3列目のプローブ電極35,35,35からなる電極組が選択され、この後の第一電極74と第二電極75との間の電圧に関わらず、第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に大きい体積のサンプルDNA断片153を、第2列目のプローブ電極35近傍、つまり第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61近傍に保持することができる。ステップS14及び後述するステップS15では、第二電極75も第一電極74と等電位とする方が、第一電極74−第二電極75方向でのサンプルDNA断片の移動がないので好ましい。
【0113】
次いで、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第2列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS15)。
【0114】
ここで、上記ステップS14において第2列目のプローブ電極35に第一電極七四に印加される電圧よりも高い電圧が印加されると、第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片は図23に示すように第1列目のプローブ電極35の上から第2列目のプローブ電極35に向けて沈むように泳動する。第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が第2列目のプローブ電極35に保持されると、図24に示すようにそのサンプルDNA断片から発した蛍光が第1列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS15においてコントローラ78が第5列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS15:Yes)、コントローラ78の処理が確認ステップSC1に移行する。一方、第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が第2列目のプローブ電極35まで泳動していない場合には、ステップS15においてコントローラ78が第2列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS15:No)、コントローラ78の処理がステップS14に移行する。コントローラ78の処理がステップS15:No→ステップS14と繰り返されることによって、サンプルDNA断片が第2列目のプローブ電極35まで泳動するまで第2列目のプローブ電極35に正電圧が印加され続ける。
なお、図23は、相対的に体積の大きいサンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に、上記ステップS14の時のサンプルDNA断片153の泳動位置を表す図面である。図24は、サンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数である場合に光検知デバイス2で取得された画像の蛍光強度分布を表すグラフである。
確認ステップSC1では、コントローラ78が、ステップS3で第7列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したか、或いはステップS5で第8列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したかを確認する。ここで蛍光を検知したと確認したらステップS16に移行し、蛍光を検知していないと確認したら確認ステップSC2に移行する。
【0115】
ステップS16においては、コントローラ78が振とう器83を作動させ、振とう器83が第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片に最適な強度で浴槽71内の電気泳動媒体82を攪拌する。この時、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、全てのプローブ電極35,35,…、第一電極74及び第二電極75の電圧を接地電位とし、全て等電圧にしてもよいが、撹拌によりサンプルDNA断片が必要以上に広く分散されてしまうようであれば、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,…を第一電極74より高電圧にしてもよい。
【0116】
次いで、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される(ステップS17)。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第7列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS18)。
【0117】
ここで、上記ステップS16において電気泳動媒体82が攪拌されると、第8列目のプローブ電極35まで泳動したサンプルDNA断片が第7列目のプローブ電極35及び第9列目のプローブ電極35まで拡がる。第7列目のプローブ電極35及び第9列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がると、図25に示すようにサンプルDNA断片から発した蛍光が第7列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS18においてコントローラ78が第7列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS18:Yes)、コントローラ78の処理が確認ステップSC2に移行する。一方、第7列目のプローブ電極35及び第9列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がっていない場合には、ステップS18においてコントローラ78が7、第9列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS18:No)、コントローラ78の処理がステップS16に移行する。コントローラ78の処理がステップS18:No→ステップS16→ステップS17と繰り返されることによって、サンプルDNA断片が7、第9列目のプローブ電極35まで拡がるまで振とう器83が攪拌動作を続ける。
確認ステップSC2では、コントローラ78が、ステップS8で第4列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したか、或いはステップS10で第5列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したかを確認する。ここで蛍光を検知したと確認したらステップS19に移行し、蛍光を検知していないと確認したら確認ステップSC3に移行する。
【0118】
ステップS19においては、コントローラ78が振とう器83を作動させ、振とう器83が第4列目〜第6列目のプローブDNA断片61に最適な強度で浴槽71内の電気泳動媒体82を攪拌する。この時、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35の電位を他のプローブ電極35,35,…、第一電極74及び第二電極75の電位より高くするように電圧を印加するが、特に第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35以外のプローブ電極35,35,…、第一電極74及び第二電極75を接地電位にする。
【0119】
次いで、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される(ステップS20)。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第4列目〜第6列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS21)。
【0120】
ここで、上記ステップS19において電気泳動媒体82が攪拌されると、第5列目のプローブ電極35まで泳動したサンプルDNA断片が第4列目のプローブ電極35及び第6列目のプローブ電極35まで拡がる。第4列目のプローブ電極35及び第6列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がると、図26に示すようにサンプルDNA断片から発した蛍光が第4列目〜第6列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS21においてコントローラ78が第4列目〜第6列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS21:Yes)、コントローラ78の処理が確認ステップSC3に移行する。一方、第4列目のプローブ電極35及び第6列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がっていない場合には、ステップS21においてコントローラ78が4、第6列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS21:No)、コントローラ78の処理がステップS19に移行する。コントローラ78の処理がステップS21:No→ステップS19→ステップS20と繰り返されることによって、サンプルDNA断片が4、第6列目のプローブ電極35まで拡がるまで振とう器83が攪拌動作を続ける。振とう器83による攪拌の時には第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35に第一電極74よりも高電圧が印加されているため、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35にまで泳動して拡散したサンプルDNA断片が第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35からかなり離れたところまで拡がらない。
確認ステップSC3では、コントローラ78が、ステップS13で第1列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したか、或いはステップS15で第2列目のプローブ電極35近傍で蛍光を検知したかを確認する。ここで蛍光を検知したと確認したらステップS22に移行し、蛍光を検知していないと確認したら確認ステップSC4に移行する。
【0121】
ステップS22においては、コントローラ78が振とう器83を作動させ、振とう器83が第1列目〜第3列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数の相対的に体積の大きいサンプルDNA断片に最適な強度で浴槽71内の電気泳動媒体82を攪拌する。この時、電圧制御回路73は、コントローラ78の指示に従って、第4列目〜第9列目のプローブ電極35,35,…の電位を第1列目〜第3列目のプローブ電極35,35,35、第一電極74及び第二電極75の電位より高くするように電圧を印加するが、特に第1列目〜第3列目のプローブ電極35,35,35、第一電極74及び第二電極75を接地電位にする。
【0122】
次いで、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って光検知デバイス2を駆動し、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される(ステップS23)。そして、コントローラ78はその画像データに基づいて第1列目〜第3列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したか否かを判定する(ステップS24)。
【0123】
ここで、上記ステップS22において電気泳動媒体82が攪拌されると、第2列目のプローブ電極35まで泳動したサンプルDNA断片が第1列目のプローブ電極35及び第3列目のプローブ電極35まで拡がる。第1列目のプローブ電極35及び第3列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がると、図27に示すようにサンプルDNA断片から発した蛍光が第1列目〜第3列目のフォトセンサ素子20,20,…の半導体23に高強度で入射するから、上記ステップS24においてコントローラ78が第1列目〜第3列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知したと判定し(ステップS24:Yes)、コントローラ78の処理がステップS25に移行する。一方、第1列目のプローブ電極35及び第3列目のプローブ電極35までサンプルDNA断片が拡がっていない場合には、ステップS24においてコントローラ78が1、第3列目のフォトセンサ素子20,20,…で蛍光を検知しないと判定し(ステップS24:No)、コントローラ78の処理がステップS22に移行する。コントローラ78の処理がステップS24:No→ステップS22→ステップS23と繰り返されることによって、サンプルDNA断片が1、第3列目のプローブ電極35まで拡がるまで振とう器83が攪拌動作を続ける。振とう器83による攪拌の時には第4列目〜第9列目のプローブ電極35,35,…に第一電極74よりも高電圧が印加されているため、第4列目〜第9列目のプローブ電極35,35,…にまで泳動して拡散したサンプルDNA断片が第4列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35からかなり離れたところまで拡がらない。
確認ステップSC4では、コントローラ78が、確認ステップSC1〜確認ステップSC3の少なくともいずれかで蛍光検知されたと確認したかどうかを確認する。ここで蛍光を検知を確認したと確認したらステップS25に移行し、蛍光を検知を確認していないと確認したら動作を終了する。
【0124】
以上のようにコントローラ78の処理がステップS25に移行した時点では、スポット60,60,…には、それぞれのプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が高濃度で到達しており、複数種のサンプルDNA断片が塩基数ごとに分別されている。つまり、例えば図28に示すように、サンプルDNA断片151の塩基数が第7列目〜第9列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数と同じである場合には、サンプルDNA断片151が第7列目〜第9列目のスポット60,60,…まで高濃度で到達しており、サンプルDNA断片152の塩基数が第4列目〜第6列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数と同じである場合には、サンプルDNA断片152が第4列目〜第6列目のスポット60,60,…まで高濃度で到達しており、サンプルDNA断片153の塩基数が第1列目〜第3列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61の塩基数と同じである場合には、サンプルDNA断片153が第1列目〜第3列目のスポット60,60,…まで高濃度で到達している。
【0125】
ステップS25においては、振とう器83による攪拌が終了し、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って全てのプローブ電極35,35,…、第一電極74及び第二電極75を等電圧にする。特に、電圧制御回路73は、プローブ電極35,35,…、第一電極74及び第二電極75を接地電位にすることが好ましい。そして、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って温度調節素子72,72,…を駆動し、温度調節素子72,72,…に冷却動作を行わせる。これにより、温度調節素子72,72,…が吸熱し、熱がプローブ電極35,35,…から温度調節素子72,72,…に伝導し、浴槽71内の電気泳動媒体82が45℃程度に冷却される。なお、温度調節素子72,72,…が単に加熱のみを行えるものである場合、温度制御回路80が温度調節素子72,72,…による発熱を停止し、これにより電気泳動媒体82が自然に冷却される。
【0126】
浴槽71内の電気泳動媒体82が冷却されると、サンプルDNA断片が到達したスポット60のプローブDNA断片61がそのサンプルDNA断片と相補的な場合にはそのサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片61にハイブリダイズする。一方、サンプルDNA断片が到達したスポット60のプローブDNA断片61がそのサンプルDNA断片と相補的でない場合には、そのサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片61にハイブリダイズしない。
【0127】
所定時間経過後、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って、第一電極74の電位及び第二電極75の電位が全てのプローブ電極35,35,…の電位よりも高くなるように所定の電圧を印加する(ステップS26)。特に、電圧制御回路73は、第一電極74及び第二電極75を接地電位とし、第一電極74及び第二電極75に対してプローブ電極35,35,…を負電圧とすることが好ましい。ここで、第一電極74に対するプローブ電極35,35,…それぞれの電圧は、プローブDNA断片にミスハイブリダイズしたサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片から分離する電圧以上であってプローブDNA断片にハイブリダイズしたサンプルDNA断片がそのプローブDNA断片から分離されない電圧以下である。
【0128】
プローブ電極35,35,…に負電圧が印加されると、上記ステップS25において複数種のサンプルDNA断片のうちスポット60,60,…のプローブDNA断片61とミスハイブリダイズしたサンプルDNA断片又はプローブDNA断片61とハイブリダイズしていないサンプルDNA断片は、そのプローブDNA断片61と相補的でないため、そのプローブDNA断片61から分離して、第一電極74及び第二電極75まで泳動する。一方、複数種のサンプルDNA断片のうちスポット60,60,…のプローブDNA断片とハイブリダイズしたサンプルDNA断片は、そのプローブDNA断片61と相補的であるため、そのプローブDNA断片61から分離せずに結合した状態を維持する。
【0129】
従って、ステップS26後では、複数種のサンプルDNA断片それぞれは、塩基数が同じであって相補的なプローブDNA断片61からなるスポット60にのみ残留する。そして、複数種のサンプルDNA断片それぞれは、塩基数が異なるプローブDNA断片61からなるスポット60に残留しないし、相補的でないプローブDNA断片61からなるスポット60にも残留しない。例えば図29に示すように、サンプルDNA断片151が第8列目の何れかのスポット60のプローブDNA断片61と同じ塩基数で且つ相補的である場合には、サンプルDNA断片151が第8列目の何れかのスポット60に残留する。同様に、サンプルDNA断片152が第5列目の何れかのスポット60のプローブDNA断片61と同じ塩基数で且つ相補的である場合には、サンプルDNA断片152が第5列目の何れかのスポット60に残留する。サンプルDNA断片153が第2列目の何れかのスポット60のプローブDNA断片61と同じ塩基数で且つ相補的である場合には、サンプルDNA断片153が第2列目の何れかのスポット60に残留する。サンプルDNA断片151,152,153が図29のように分布している場合には、画像中の行方向に沿った蛍光強度分布が図30のような蛍光強度分布となる。
【0130】
所定時間経過後、電圧制御回路73が、コントローラ78の指示に従って、第一電極74、第二電極75及び全てのプローブ電極35,35,…を等電圧、例えば、接地電位となるように印加する。そして、ドライバ回路76がコントローラ78の指示に従って、例えば、ステップS3又はステップS5で蛍光確認されていた場合、箇所に対応する列、つまり第7列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…を駆動させ、ステップS3又はステップS5、ステップS8又はステップS10、ステップS13又はステップS15、の全てのステップで蛍光確認されていた場合、第1列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…を駆動させ、紫外線照射器77の発光中に光検知デバイス2が蛍光強度分布を表した画像を取得し、その画像データがドライバ回路76からコントローラ78に出力される(ステップS27)。また、温度制御回路80は、上記ステップS25でこのステップS27まで温度調節素子72,72,…を駆動して温度調節素子72,72,…に冷却動作を行わせ、ドライバ回路76による光検知デバイス2の動作が終了した時点で温度調節素子72,72,…による冷却動作を終了する。また、浴槽71内に電気泳動媒体82の温度を検出する温度検出器を設け、温度検出器による検出温度をコントローラ78にフィードバックし、コントローラ78が検出温度に従って温度制御回路80を制御することによって、温度制御回路80がステップS25からステップS27まで電気泳動媒体82を45℃以上に保温するように温度調節素子72,72,…を制御しても良い。なお、ステップS25に移行することが確定したら、ステップS27では、どの列で蛍光を検知したか確認せずに第1列目〜第9列目のフォトセンサ素子20,20,…を駆動させてもよい。
【0131】
そして、コントローラ78が画像データを表示装置81に出力して、どのプローブDNA断片61に完全ハイブリッドが起こったかをフォトセンサ素子20,20,…の光検知した画像データから確認し、予め判っているプローブDNA断片61の塩基配列データからハイブリッドしたサンプルDNA断片の塩基配列をプローブDNA断片61の塩基配列から特定し(ステップS28)、DNA同定装置100の動作が終了する。なおステップS28では、コントローラ78に従って表示装置81がハイブリッドしたサンプルDNA断片の塩基配列を表示するようにしてもよい。
【0132】
以上のように、本実施形態では、スポット60,60,…は、第1列目〜第3列目のプローブ電極35,35,35の電極組、第4列目〜第6列目のプローブ電極35,35,35の電極組、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,35の電極組に分別されている。そして、共通の電極組に配列されたスポット60,60,…は塩基数が同じであるが、塩基配列が異なっている。更に、電極組が第二電極75に向かうにつれてスポット60の塩基数が少なくなっている。
【0133】
以上のように構成された中で、第一電極74側にサンプルDNA断片が注入され、ステップS1、ステップS6、ステップS11のように第二電極75と第一電極74との間に電圧が印加されると、サンプルDNA断片が泳動していくが、塩基数の少ないサンプルDNA断片ほど体積が小さいために流体抵抗が低いので第二電極75寄りに泳動する。従って、複数種のサンプルDNA断片が塩基数ごとに分別される。そして、複数種のサンプルDNA断片から、ステップS1で第7列目〜第9列目のプローブDNA断片61とほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片を分別した後に、ステップS4においてそのサンプルDNA断片を第8列目のプローブ電極35側へと深さ方向に泳動させることによって、第8列目のプローブ電極35周辺ではほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が高濃度になる。ステップS6の後にも同様にステップS9が行われ、ステップS11の後にも同様にステップS14が行われる。
【0134】
その後、ステップS16、S19、S22においてそれぞれの塩基数に最適な攪拌が行われることによって、それぞれのスポット60にはほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が均等且つ高濃度に分布している。そのため、ステップS25において、サンプルDNA断片をほぼ同じ塩基数の相補的なプローブDNA断片61のみとハイブリダイズさせることができる。従って、塩基数の異なる複数種のサンプルDNA断片それぞれの塩基配列をほぼ同時に同定することができる。そのため、本DNA同定装置1を用いれば、検体のサンプルDNAから同一塩基数のサンプルDNA断片を抽出する処理を行わなくても良いため、サンプルDNAの構造をより早く解析することができる。
【0135】
また、処理がステップS25に移行した時点ではそれぞれのスポット60にはほぼ同じ塩基数のサンプルDNA断片が高濃度に分布しているから、その後のステップS25において相補的なプローブDNA断片と結合するサンプルDNA断片の数が多くなる。そのため、その後のステップS27において、サンプルDNA断片と相補的なスポット60から発する蛍光強度が大きくなり、光検知デバイス2によってより効率的に蛍光分布を検出することができる。
【0136】
また、ステップS26においてプローブ電極35,35,…に電極74及び電極75よりも低電圧を印加しているため、相補的でないスポット60に到達したサンプルDNA断片は負極性を有していることから、そのスポット60から離れて第一電極74及び第二電極75に至る。その後のステップS27においては、サンプルDNA断片に相補的でないスポット60から蛍光が発さず、サンプルDNA断片に相補的であるスポット60からは蛍光が発し、その強度がはっきりする。従って、光検知デバイス2によって取得される画像はコントラストの高く、画像中のどの部分が明るいかを容易に判断することができる。
【0137】
また、ステップS26において、サンプルDNA断片が相補的でないスポット60から離れるため、ハイブリダイゼーション後にDNAセンサ1の表面を洗浄する必要がなく、作業効率が向上する。なお、ステップS26では、第一電極74及び第二電極75ともにプローブ電極35,35,…より高い電圧が印加されるが、第一電極74及び第二電極75のいずれか一方のみにプローブ電極35,35,…より高い電圧が印加されてもよい。
【0138】
また、ステップS1〜ステップS24の間に温度制御回路80が温度調節素子72,72,…を制御することによって、電気泳動媒体82の温度が95℃程度となるため、サンプルDNA断片同士がハイブリダイズせずに変性した状態を維持でき、泳動しやすい。
【0139】
また、温度制御回路80が温度調節素子72,72,…を制御することによって、ステップS25において電気泳動媒体82の温度が45℃程度となるため、サンプルDNA断片が相補的なプローブDNA断片61とハイブリダイズしやすい。
【0140】
また、光検知デバイス2の表面に複数種のスポット60,60、…が配列されているため、レンズや顕微鏡が無くとも光検知デバイス2で鮮明な像を撮像することができ、更に走査機構が無くても二次元的な像を撮像することができる。従って、DNA同定装置100にレンズ、顕微鏡、走査機構を設けなくても済み、DNA同定装置100を小型化することができる。
また、光検知デバイス2の表面にスポット60,60,…が配列されているため、相補的なスポット60から発した蛍光が殆ど減衰せずに光検知デバイス2のフォトセンサ素子20に入射する。従って、光検知デバイス2の感度が高くなくても済む。
【0141】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、上記実施形態ではプローブ電極35,35,…は隣り合う三つずつからなる電極組に分けられていたが、一つからなる電極組に分けられていても良いし、二つからなる電極組に分けられていても良いし、四つ以上からなる電極組に分けられていても良い。また、電極組ごとにプローブ電極35の数が異なっていても良い。また、上記実施形態ではフォトセンサ素子20,20,…の縦の列一列につき一つのプローブ電極35が配列されているが、フォトセンサ素子20,20,…の縦の列二列又はそれ以上の列につき一つのプローブ電極35が配列されていても良い。また、上記実施形態では一つのスポット60に対して一つのフォトセンサ素子20が対応しているが、隣り合う二つ以上のフォトセンサ素子20に対応して一つのスポット60が対応していて良い。但し、何れの場合においても、同列に配列されたスポット60,60,…はプローブDNA断片61がほぼ同じ塩基数であり、スポット60ごとにプローブDNA断片61の塩基配列が異なっている。
ステップS4では、第8列目のプローブ電極35,35,…のみがそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位になったが、これに限らず、共通する電極組、つまり、第7列目〜第9列目のプローブ電極35,35,…をそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位にしてもよい。ステップS9では、第5列目のプローブ電極35,35,…のみがそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位になったが、これに限らず、共通する電極組、つまり、第4列目〜第6列目のプローブ電極35,35,…をそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位にしてもよい。ステップS14では、第2列目のプローブ電極35,35,…のみがそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位になったが、これに限らず、共通する電極組、つまり、第1列目〜第3列目のプローブ電極35,35,…をそれ以外のプローブ電極35,35,…より高い電位にしてもよい。
【0142】
上記実施形態では、より塩基数が少ないプローブDNA断片61が設けられたプローブ電極35,35,…上方の電気泳動媒体82に、より塩基数が少ない一本鎖サンプルDNA断片を電気泳動して配置させた後に、より塩基数が多いプローブDNA断片61が設けられたプローブ電極35,35,…上方の電気泳動媒体82に、より塩基数が多い一本鎖サンプルDNA断片を電気泳動して配置させたが、より塩基数が多いプローブDNA断片61が設けられたプローブ電極35,35,…上方の電気泳動媒体82に、より塩基数が多い一本鎖サンプルDNA断片を電気泳動して配置させた後に、より塩基数が少ないプローブDNA断片61が設けられたプローブ電極35,35,…上方の電気泳動媒体82に、より塩基数が少ない一本鎖サンプルDNA断片を電気泳動して配置させるように、複数種のサンプルDNA断片が初期状態で注入される位置と、プローブ電極35,35,…の位置と、を調整してもよい。この場合、ステップS3〜ステップS5とステップS13〜ステップS15が順番を入れ代わり、ステップS16〜ステップS18とステップS22〜ステップS24が順番を入れ代わるように設定される。また塩基数に関わらずサンプルDNA断片が、サンプルDNA断片とほぼ同数の塩基数のプローブDNA断片61が設けられたプローブ電極35,35,…上方の電気泳動媒体82に、ほぼ同時に泳動されるようにしてもよい。このとき、コントローラ78は、ステップS3、ステップS8、ステップS13をほぼ同期してもよく、ステップS4、ステップS9、ステップS14をほぼ同期してもよく、ステップS5、ステップS10、ステップS15をほぼ同期してもよい。
【0143】
また、上記実施形態では、画素の光電変換素子としてフォトセンサ素子20,20,…を用いた光検知デバイス2を例にして説明したが、光電変換素子としてフォトダイオードを用いた光検知デバイス(撮像デバイス)を用いても良い。フォトダイオードを用いた光検知デバイスとしては、ハイブリダイゼーションに要する温度が動作可能温度範囲内であれば、CCDイメージセンサ、ダブルゲートトランジスタ以外のCMOSイメージセンサがある。
CCDイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にn行m列のマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲には、フォトダイオードで光電変換された電気信号を転送するための垂直CCD、水平CCDが形成されている。CMOSイメージセンサにおいては、フォトダイオードが基板上にn行m列のマトリクス状となって配列されており、それぞれのフォトダイオードの周囲にはフォトダイオードで光電変換された電気信号を増幅するための画素回路が設けられている。
【0144】
また、上記実施形態では、DNA分析装置100が起動してからステップS25の開始までの間中、温度制御回路80が温度調節素子72,72,…を駆動して、電気泳動媒体82が95℃以上に保温されていたが、以下の(a)〜(d)のように温度調節素子72,72,…を制御しても良い。
【0145】
(a) 上記ステップS3でYesの場合、上記ステップS4からステップS16が開始するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第8列目の温度調節素子72を駆動し、第8列目の温度調節素子72に冷却動作を行わせる。これにより、第8列目の温度調節素子72が吸熱し、第8列目のプローブ電極35が冷却され、第8列目のスポット60,60,…が局所的に45℃程度に冷却される。これにより第8列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61がハイブリダイズすることができるようになる。更に、上記ステップS3でYesの場合、上記ステップS19からステップS27が終了するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第7〜9列目の温度調節素子72,72,72を駆動し、第7〜9列目の温度調節素子72,72,72に冷却動作を行わせる。
【0146】
(b) 上記ステップS8でYesの場合、上記ステップS9からステップS19が開始するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第5列目の温度調節素子72を駆動し、第5列目の温度調節素子72に冷却動作を行わせる。これにより、第5列目の温度調節素子72が吸熱し、第8列目のプローブ電極35が冷却され、第5列目のスポット60,60,…が局所的に45℃程度に冷却される。これにより第5列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61がハイブリダイズすることができるようになる。更に、上記ステップS8でYesの場合、上記ステップS22からステップS27が終了するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第4〜6列目の温度調節素子72,72,72を駆動し、第4〜6列目の温度調節素子72,72,72に冷却動作を行わせる。
【0147】
(c) 上記ステップS13でYesの場合、上記ステップS14からステップS22が開始するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第2列目の温度調節素子72を駆動し、第2列目の温度調節素子72に冷却動作を行わせる。これにより、第2列目の温度調節素子72が吸熱し、第2列目のプローブ電極35が冷却され、第2列目のスポット60,60,…が局所的に45℃程度に冷却される。これにより第2列目のスポット60,60,…のプローブDNA断片61がハイブリダイズすることができるようになる。更に、上記ステップS13でYesの場合、上記ステップS25からステップS27が終了するまでの間、温度制御回路80がコントローラ78の指示に従って第1〜3列目の温度調節素子72,72,72を駆動し、第1〜3列目の温度調節素子72,72,72に冷却動作を行わせる。
【0148】
(d) 上記(a)〜(c)で冷却動作を行っていない温度調節素子72については、温度制御回路80によって駆動されて、加熱動作を行う。
【0149】
【発明の効果】
本発明によれば、温度調節素子がプローブ電極を介して複数のスポットの温度を調節するので、ハイブリダイゼーションが行われるスポット近傍を局所的に冷却することで効率よく冷やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用されたDNA同定装置を一部破断して示した側面図である。
【図2】上記DNA同定装置を示した上面図である。
【図3】上記DNA同定装置に備わる光検知デバイスの幾つかの画素を示した平面図である。
【図4】図4(a)は上記光検知デバイスの一つの画素を示した平面図であり、図4(b)はII−II破断線で破断して示した断面図である。
【図5】上記DNA同定装置の制御構成を示したブロック図である。
【図6】上記DNA同定装置の光検知デバイス及びドライバ回路を示した回路構成図である。
【図7】フォトセンサ素子の基本的な駆動制御方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図8】フォトセンサ素子の動作概念図である。
【図9】フォトセンサ素子の出力電圧の光応答特性を示す図である。
【図10】上記DNA同定装置の動作を示したフローチャートである。
【図11】図10の続きを示したフローチャートである。
【図12】図11の続きを示したフローチャートである。
【図13】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図14】図13のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図15】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図16】図15のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図17】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図18】図17のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図19】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図20】図19のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図21】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図22】図21のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図23】上記DNA同定装置の動作中における浴槽中のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図24】図23のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図25】一回目の攪拌後のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図26】二回目の攪拌後のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図27】三回目の攪拌後のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【図28】三回目の攪拌後のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図29】ハイブリダイズしていないサンプルDNA断片を第一電極及び第二電極に引き寄せた後のサンプルDNA断片の分布状態を上記DNA同定装置とともに示した図面である。
【図30】図29のサンプルDNA断片の分布状態による蛍光強度分布を表すグラフである。
【符号の説明】
1 DNAセンサ
2 光検知デバイス
20 フォトセンサ素子
34 紫外線遮蔽層
35 プローブ電極
60 スポット
61 プローブDNA断片
71 浴槽
72 温度調節素子
74 第一電極
75 第二電極
73 電圧制御回路
76 ドライバ回路
77 紫外線照射器
80 温度制御回路
82 電気泳動媒体
83 振とう器
100 DNA分析装置
151、152、153 サンプルDNA断片
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a DNA analyzer and an analysis method used for analyzing a sample DNA fragment.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, genetic information of living organisms has been used in a wide range of fields such as the medical field and the agricultural field. When using genetic information, elucidation of the structure of DNA is indispensable. DNA has two helically twisted polynucleotide chains, and each polynucleotide chain is composed of four types of bases (adenine: A, guanine: G, cytosine: C, thymine: T) in one dimension. It has an aligned base sequence (nucleotide sequence), and bases of one polynucleotide chain are linked to bases of the other polynucleotide chain based on complementarity of adenine and thymine and guanine and cytosine.
[0003]
The elucidation of the structure of DNA is to specify the base sequence. In order to specify the base sequence of DNA, a DNA microarray and a reading device therefor have been developed. Conventionally, the base sequence of a sample DNA is specified using a DNA microarray and its reader as follows.
[0004]
First, a plurality of single-stranded probe DNA fragments having a known base sequence are prepared, and the plurality of types of probe DNA fragments are spotted and aligned on a solid support such as a slide glass. On the obtained DNA microarray, a plurality of spots are arranged on the array. One spot is a group of one type of probe DNA fragment, and the base sequence of the probe DNA fragment differs for each spot.
[0005]
Next, the sample DNA collected from the specimen is denatured into a single-stranded sample DNA fragment, and a fluorescent substance or the like is bound to the denatured sample DNA fragment. Generally, there are a plurality of types of sample DNA fragments.
[0006]
Next, when a plurality of types of sample DNA fragments are added to the DNA microarray, the plurality of types of sample DNA fragments hybridize with their complementary probe DNA fragments. That is, a certain type of sample DNA fragment hybridizes with a complementary probe DNA fragment among a plurality of types of probe DNA fragments, but does not hybridize with a non-complementary probe DNA fragment. Since the sample DNA fragment is marked with a fluorescent substance, the probe DNA fragment bonded to the sample DNA fragment emits fluorescence.
For example, a sample DNA fragment having a nucleotide sequence of TCGGGAA binds to a probe DNA fragment having a nucleotide sequence of AGCCCTT, and fluorescence is emitted from a spot composed of the probe DNA fragment.
[0007]
Next, the DNA microarray is set in a reader and analyzed by the reader. The reader measures the fluorescence intensity distribution on the DNA microarray. The fluorescence intensity distribution on the DNA microarray is output as a two-dimensional image. A spot having a high fluorescence intensity in the output image indicates that a probe DNA fragment having a base sequence complementary to the base sequence of the sample DNA fragment is included. Therefore, the base sequence of the sample DNA fragment can be determined based on which spot in the two-dimensional image has the higher fluorescence intensity.
[0008]
However, in the above-mentioned DNA microarray, the distribution of the sample DNA fragments is not uniform because the sample DNA fragments are simply added onto the DNA microarray. That is, the sample DNA fragment may have a high concentration on some spots on the DNA microarray, but may have a low concentration on another spot. Therefore, when the probe DNA fragment of the spot has complementarity with any one of a plurality of types of sample DNA fragments, there is a possibility that the emission luminance of the fluorescence varies depending on the concentration of the sample DNA fragment on the spot.
[0009]
In order to solve the above problems, in Patent Document 1, electrodes are arranged in a matrix on a substrate, spots made of probe DNA fragments are fixed on each electrode, and a dispersion medium covers all of these electrodes and spots. It describes a DNA microarray that is coated on one surface of a substrate.
[0010]
The identification method using the DNA microarray described in Patent Document 1 is as follows. First, a sample DNA fragment is injected into a dispersion medium. Then, point scanning is performed by sequentially applying a positive voltage to each electrode. Since the sample DNA fragment in the dispersion medium migrates toward the selected electrode when a positive voltage is applied among the plurality of electrodes, the sample DNA fragment has a high concentration at the spot of the selected electrode. . By performing such a point scan, the spots are sequentially brought into a high concentration state of the sample DNA fragment one by one. Therefore, all spots having complementarity with the sample DNA fragment have substantially the same fluorescence intensity. As described above, the technique described in Patent Document 1 utilizes the fact that a sample DNA fragment electrophoreses in a dispersion medium.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 11-512605
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional DNA microarray, when a plurality of types of sample DNA fragments have a partially complementary base sequence, the sample DNA fragments partially hybridize during electrophoresis. Will combine. Therefore, even if a partially hybridized sample DNA fragment migrates to a complementary spot, it does not hybridize at that spot, so that the base sequences of a plurality of types of sample DNA fragments cannot be specified. Therefore, the entire electrophoretic medium is heated in order to denature the sample DNA fragment to a single-stranded state, but then the entire electrophoretic medium is cooled to hybridize, resulting in poor efficiency. In addition, it was not possible to hybridize only spots at arbitrary positions.
[0013]
Thus, an object of the present invention is to efficiently hybridize a sample DNA fragment even during electrophoresis.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the DNA analyzer according to the first aspect of the present invention is, for example, as shown in FIGS.
A tub containing the electrophoretic medium (eg, tub 71);
A plurality of probe electrodes (for example, probe electrodes 35, 35, ...) arranged in the bathtub;
A plurality of spots (for example, spots 60, 60,...) Consisting of a probe DNA fragment having a known base sequence and arranged on the plurality of probe electrodes;
A temperature adjusting element (eg, a temperature adjusting element 72) for adjusting the temperature of the plurality of spots via the probe electrode;
It is characterized by having.
[0015]
According to the first aspect of the present invention, the sample DNA fragment in the electrophoresis medium in the bath can be attracted by the probe electrode by electrophoresis. At this time, in order to maintain the denatured state of the sample DNA fragment before it hybridizes with the probe DNA fragment, the spot, that is, the probe DNA fragment and the electrophoresis medium around it are in a relatively high temperature state. If the temperature continues, the sample DNA fragment and the probe DNA fragment cannot hybridize, but the temperature control element controls the temperature of a plurality of spots via the probe electrode, so that the vicinity of the spot where hybridization is performed is locally cooled. By doing so, the sample can be cooled efficiently, and thereby the sample DNA fragment and the probe DNA fragment complementary to each other can be easily hybridized.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the DNA analyzer according to the first aspect, the temperature control element is in contact with each of the plurality of probe electrodes, and the plurality of the plurality of probe electrodes are partially connected to the plurality of probe electrodes. The temperature of a part of the spot is selectively adjusted.
[0017]
According to the second aspect of the invention, the temperature control element selectively conducts heat to an arbitrary probe electrode, so that it is possible to hybridize only an arbitrary spot. That is, it is preferable that the probe DNA fragments at the predetermined probe electrode spots are hybridized, and that the probe DNA fragments at the probe electrode spots other than the predetermined probe electrode are not hybridized (for example, step S19). In the above, the probe DNA fragments 61 on the seventh to ninth column probe electrodes 35 are preferably hybridized, and the probe DNA fragments 61 on the fourth to sixth column probe electrodes 35 are hybridized. Is not hybridized), the temperature is lowered to such an extent that the probe DNA fragments at the predetermined probe electrode spot can hybridize, and the probe DNA fragments at the probe electrode spots other than the predetermined probe electrode are hybridized. Raise the temperature to an extent that Accordingly, when the stirring, it is possible to selectively form a dispersed easily spot and dispersed hard spot.
[0018]
The invention according to claim 3 provides the DNA analyzer according to claim 1 or 2, for example, as shown in FIGS.
A first electrode (for example, a first electrode 74) and a second electrode (for example, a second electrode 75) are disposed in the bathtub and are opposed to each other in the width direction of the bathtub.
[0019]
According to the third aspect of the present invention, the sample DNA fragment can be efficiently electrophoresed by applying a voltage to the first electrode and the second electrode.
[0020]
The invention according to claim 4 is the DNA analyzer according to claim 3,
The plurality of probe electrodes are divided into a plurality of electrode sets including one probe electrode or several adjacent probe electrodes,
The spots arranged on a predetermined electrode set among the plurality of electrode sets have different base sequences of the probe DNA fragments, and the number of bases of one probe DNA fragment is the same as each other or the predetermined number of bases are different. More closely approximate to each other than the number of bases of one probe DNA fragment of the spot arranged on the probe electrode other than the electrode set,
The one probe DNA fragment located on the second electrode side has a smaller number of bases than the one probe DNA fragment located on the first electrode side.
[0021]
The electrophoretic mobility of a DNA fragment increases as the number of bases decreases. Therefore, when a plurality of types of sample DNA fragments having different numbers of bases are injected into the first electrode side of the electrophoretic medium, the sample DNA fragments having a small number of bases are easily migrated to the second electrode side, and the sample DNA fragments having a large number of bases are Since the fluid resistance is high, it is difficult to migrate to the second electrode side. Here, in the invention according to claim 4, since the number of bases of the probe DNA fragment in the plurality of spots decreases as the electrode set approaches the second electrode, the sample DNA fragment has a voltage between the first electrode and the second electrode. Thus migrates onto a set of electrodes having a probe DNA fragment having substantially the same number of bases. Since the plurality of probe electrodes and the plurality of spots are arranged at positions deeper than the first electrode and the second electrode, when the sample DNA fragment migrates from the first electrode to the second electrode, the sample DNA fragment Does not reach the spot, but when a voltage higher than the voltage of the first electrode that attracts the sample DNA fragment is applied to the probe electrode, the sample DNA fragment also migrates in the depth direction.
Therefore, the sample DNA fragment migrates to the spot of the probe DNA fragment having substantially the same number of bases. Therefore, since the sample DNA fragment can be hybridized only with the complementary probe DNA fragment having the same base number, the base sequence of each of a plurality of types of sample DNA fragments having different base numbers and different electrophoresis migration speeds can be obtained. It can be analyzed efficiently.
[0022]
The invention according to claim 5 provides the DNA analyzer according to claim 3 or 4, as shown in FIGS.
A voltage control circuit (Step SS1, Step S6, Step S11) for applying a voltage for a predetermined time so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode for the number of sets of the electrode sets ( For example, a voltage control circuit 73) is provided.
[0023]
In the invention according to claim 5, the voltage application step of applying a voltage for a predetermined time so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode is repeated, so that the sample DNA fragment is moved from the first electrode to the second electrode. Electrophoreses towards electrodes. Thereby, the movable sample DNA fragment can be appropriately moved.
[0024]
According to a sixth aspect of the present invention, in the DNA analyzer according to the fifth aspect, when the voltage application step by the voltage control circuit is repeated, the temperature control element performs a heating operation, and the voltage control circuit After the repetition of the voltage application step is completed, a temperature control circuit for ending the heat generation operation of the temperature adjustment element is provided.
[0025]
In the invention according to claim 6, since the temperature control circuit causes the temperature control element to perform the heat generation operation, the sample DNA fragment in the electrophoresis medium is easily migrated because hybridization does not occur. After that, the temperature control circuit terminates the heating operation of the heating element, so that the temperature of the electrophoretic medium decreases, and the sample DNA fragments are likely to hybridize.
[0026]
The invention according to claim 7 is the DNA analyzer according to claim 5,
The voltage control circuit, after each of the voltage applying step, selects one of the plurality of electrode sets from the second electrode in order from the second electrode, one or more probe electrodes in the selected electrode set Is applied so that the potential of the first electrode and the second electrode is higher than the potential of at least one of the first electrode and the second electrode.
[0027]
In the invention according to claim 7, the sample DNA fragment migrates from the first electrode to the second electrode in the voltage application step, and the migration distance increases as the number of bases of the sample DNA fragment decreases. For example, a sample DNA fragment having a small number of bases migrates closest to the electrode set closest to the second electrode in the first voltage application step. Since the potential is higher than the potential of at least one of the first electrode and the second electrode, the sample DNA fragment having a small number of bases migrates in the depth direction to the selected electrode set.
In this manner, the voltage application step is repeated, and when one of the plurality of electrode sets is selected from the plurality of electrode sets in order of being closer to the second electrode during each of the voltage application steps, the sample DNA fragment is applied to the second electrode. It is distributed to each electrode set so that the number of bases decreases as the electrode set becomes closer.
Thereafter, since the temperature control circuit terminates the heat generation operation of the temperature control element, the temperature of the electrophoretic medium decreases, and the sample DNA fragment easily hybridizes with a complementary probe DNA fragment having the same base number.
[0028]
The invention according to claim 8 is the DNA analyzer according to claim 7,
The voltage control circuit is characterized in that a voltage is applied such that the potential of at least one of the first electrode and the second electrode is higher than the potentials of the plurality of probe electrodes after selecting all the electrode sets. I do.
[0029]
In the invention according to claim 8, by applying a voltage so that the potential of at least one of the first electrode and the second electrode is higher than the potential of a plurality of probe electrodes after selecting all the electrode sets. The unhybridized sample DNA fragment moves away from the spot to at least one of the first electrode and the second electrode. However, the sample DNA fragment hybridized with the complementary probe DNA fragment does not leave the spot.
Therefore, since the sample DNA fragments are distributed only in the spots of the complementary probe DNA fragments, only the hybridized spots can be detected accurately.
[0030]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the DNA analyzer according to any one of the first to eighth aspects, wherein a plurality of photosensors are provided corresponding to the plurality of spots arranged on the plurality of probe electrodes. It has an element.
[0031]
According to the ninth aspect of the present invention, since each photosensor element can detect the presence or absence of hybridization for each spot, a plurality of spots can be simultaneously detected.
[0032]
The analysis method of the invention according to claim 10 is
An electrophoresis step of applying a voltage to a plurality of probe electrodes provided in a bath containing an electrophoresis medium to attract sample DNA fragments in the electrophoresis medium to the probe DNA fragments provided in the probe electrodes;
A temperature adjusting step of adjusting the temperature of the probe DNA fragment and the surrounding electrophoretic medium through the probe electrode,
It is characterized by including.
[0033]
In the invention according to claim 10, the temperature of the probe DNA fragment and the temperature of the electrophoresis medium around the probe DNA fragment can be adjusted via the probe electrode if necessary, so that any probe DNA fragment can be selectively hybridized. In addition, by maintaining the denatured state of the sample DNA fragment near the probe DNA fragment other than the arbitrary probe DNA fragment, the electrophoresis can be quickly performed.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the scope of the invention is not limited to the illustrated example.
[0035]
FIG. 1 is a cutaway front view of a DNA identification device 100 for analyzing DNA, and FIG. 2 is a top view of the DNA identification device 100.
[0036]
The DNA identifying apparatus 100 includes a bathtub 71, an ultraviolet irradiator 77 disposed above the bathtub 71, a first electrode 74 disposed in an upper portion inside the bathtub 71 and horizontally opposed to the width direction of the bathtub 71, and a second electrode 74. It has two electrodes 75 and a DNA sensor 1 that is detachable from the bottom of the bathtub 71.
[0037]
The DNA sensor 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a plan view of the DNA sensor 1, FIG. 4 (a) is a plan view showing one pixel of the DNA sensor 1, and FIG. 4 (b) is a broken line II in FIG. 4 (a). It is sectional drawing fractured | ruptured and shown by -II.
The DNA sensor 1 includes a light detection device 2 that is an imaging device, an electromagnetic shield layer 32 formed on the entire surface of the light detection device 2, an overcoat layer 33 formed on the electromagnetic shield layer 32, An ultraviolet shielding layer 34 formed on the layer 33, a plurality of probe electrodes 35, 35,... Arranged on the surface of the ultraviolet shielding layer 34, each of which is a group of single-stranded probe DNA fragments 61 and a probe. , A plurality of spots 60, 60,... Arranged and fixed on the electrodes 35, 35,.
[0038]
The light detection device 2 includes a substantially flat transparent substrate 17 and a plurality of double gates arranged on the surface of the transparent substrate 17 in a matrix of n rows and m columns (m and n are integers of 2 or more). , Each of which is constituted by a field-effect transistor. Note that a row refers to an arrangement of m photosensor elements 20, 20,... Aligned in a horizontal direction along a source line 42 and a drain line 43 described later. The column refers to an arrangement of n photosensor elements 20, 20,... Aligned in a vertical direction along a top gate line 44 and a bottom gate line 41, which will be described later.
[0039]
The transparent substrate 17 has a light transmitting property (hereinafter, simply referred to as a light transmitting property) and an insulating property, and is a glass substrate such as quartz glass or a plastic substrate such as polycarbonate. The back surface of the transparent substrate 17 forms the back surface of the light detection device 2. Note that a substrate having a light-shielding property may be used instead of the transparent substrate 17 having a light-transmitting property.
[0040]
These photosensor elements 20, 20,... Are photoelectric conversion elements that become pixels. The photo sensor element 20 includes a bottom gate electrode 21 formed on the transparent substrate 17, a bottom gate insulating film 22 formed on the bottom gate electrode 21, and a bottom gate insulating film 22 between the bottom gate electrode 21. A semiconductor film 23 sandwiched and opposed to the bottom gate electrode 21; a channel protective film 24 formed on a central portion of the semiconductor film 23; and an impurity semiconductor film 25 formed on both ends of the semiconductor film 23 so as to be separated from each other. , 26, a source electrode 27 formed on one impurity semiconductor film 25, a drain electrode 28 formed on the other impurity semiconductor film 26, and a top gate formed on the source electrode 27 and the drain electrode 28. The top gate insulating film 29 and the channel protection film 24 are interposed between the insulating film 29 and the semiconductor film 23 and are opposed to the semiconductor film 23. And Pugeto electrode 30 comprises a.
[0041]
On the transparent substrate 17, a bottom gate electrode 21 is formed for each photosensor element 20. Also, on the transparent substrate 17, m bottom gate lines 41, 41,... Extending in the vertical direction are formed, one for each row, and each photo sensor element in the same row arranged in the vertical direction. The 20 bottom gate electrodes 21 are formed integrally with a common bottom gate line 41. The bottom gate electrode 21 and the bottom gate line 41 have conductivity and light shielding properties, and are made of, for example, chromium, a chromium alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an alloy thereof.
[0042]
On the bottom gate electrode 21 and the bottom gate line 41, a bottom gate insulating film 22 common to all the photosensor elements 20, 20,... Is formed. The bottom gate insulating film 22 has an insulating property and a light transmitting property, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxide (SiO 2). 2 ).
[0043]
On the bottom gate insulating film 22, a semiconductor film 23 is formed for each photosensor element 20. The semiconductor film 23 has a substantially rectangular shape in plan view, and is a layer formed of amorphous silicon or polysilicon. On the semiconductor film 23, a channel protection film 24 is formed. The channel protective film 24 has a function of protecting the interface of the semiconductor film 23 from an etchant used for patterning, has insulating properties and translucency, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide. The semiconductor film 23 exhibits sensitivity to light, and when light enters the semiconductor film 23, an amount of electron-hole pairs corresponding to the amount of incident light is centered around the interface between the channel protective film 24 and the semiconductor film 23. Is to occur. In this case, holes are generated as carriers on the semiconductor film 23 side, and electrons are generated on the channel protection film 24 side.
[0044]
On one end of the semiconductor film 23, an impurity semiconductor film 25 is formed so as to partially overlap the channel protective film 24, and on the other end of the semiconductor film 23, an impurity semiconductor film 26 is partially formed on the channel protection film. It is formed so as to overlap with the protective film 24. The impurity semiconductor films 25 and 26 are patterned for each photosensor element 20. The impurity semiconductor films 25 and 26 are made of amorphous silicon (n) containing n-type impurity ions. + Silicon).
[0045]
On the impurity semiconductor film 25, a source electrode 27 patterned for each photosensor element 20 is formed. On the impurity semiconductor film 26, a drain electrode 28 patterned for each photosensor element 20 is formed. Also, on the bottom gate insulating film 22, m source lines 42, 42,... Extending in the horizontal direction are formed, one for each row, and m drain lines extending in the horizontal direction. .. Are formed one per line. The source electrodes 27 of the photosensor elements 20 in the same row arranged in the horizontal direction are formed integrally with the common source line 42, and the drain electrodes of the photosensor elements 20 in the same row arranged in the horizontal direction are formed. The electrode 28 is formed integrally with the common drain line 43. The source electrode 27, the drain electrode 28, the source line 42, and the drain line 43 have conductivity and light-shielding properties, and are made of, for example, chromium, a chromium alloy, aluminum, an aluminum alloy, or an alloy thereof.
[0046]
On the channel protective film 24, the source electrode 27 and the drain electrode 28, and the source lines 42, 42,... And the drain lines 43, 43,. Is formed. The top gate insulating film 29 has an insulating property and a light transmitting property, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide.
[0047]
On the top gate insulating film 29, a top gate electrode 30 patterned for each photosensor element 20 is formed. Also, n top gate lines 44 extending in the vertical direction are formed on the top gate insulating film 29, one for each column, and the top of each photosensor element 20 in the same column arranged in the vertical direction is formed. The gate electrode 30 is formed integrally with a common top gate line 44. The top gate electrode 30 and the top gate line 44 have conductivity and translucency, for example, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, or a mixture containing at least one of them (for example, tin-doped indium oxide ( (ITO) and zinc-doped indium oxide).
The photosensor element 20 configured as described above is a photoelectric conversion element using the semiconductor film 23 as a light receiving unit. The photosensor elements 20, 20,... Are collectively covered by a common protective insulating film 31, and the protective insulating film 31 is formed on the top gate electrode 30 and the top gate line 44. The protective insulating film 31 has an insulating property and a light transmitting property, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide.
[0048]
On the protective insulating film 31, an electromagnetic shield layer 32 is formed on one surface in common to all the photosensor elements 20, 20,. The electromagnetic shield layer 32 has conductivity and translucency, and is formed of, for example, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, or a mixture containing at least one of them.
[0049]
On the electromagnetic shield layer 32, an overcoat layer 33 is formed on one surface in common to all the photosensor elements 20, 20,. The overcoat layer 33 has an insulating property and a light transmitting property, and is made of, for example, silicon nitride or silicon oxide.
[0050]
On the overcoat layer 33, an ultraviolet shielding layer 34 is formed on one surface in common to all the photosensor elements 20, 20,. The ultraviolet shielding layer 34 has a property of shielding ultraviolet rays that excite a fluorescent substance to be described later and transmitting fluorescence (mainly visible light) emitted from the fluorescent substance excited by the ultraviolet rays. Examples of the ultraviolet shielding layer 34 include a layer made of anatase or rutile titanium oxide. In addition, a dielectric multilayer film in which a dielectric H layer having a high refractive index and a dielectric L layer having a lower refractive index than the dielectric H layer are alternately laminated with an optical film thickness of 4 of the ultraviolet wavelength. Can be
[0051]
On the ultraviolet shielding layer 34, m probe electrodes 35, 35,... Extending in the vertical direction are formed, one for each row. These probe electrodes 35 are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other. Further, each probe electrode 35 is formed so as to collectively cover n photosensor elements 20, 20,... In the same row.
[0052]
On the probe electrodes 35, 35,..., N types of spots 60 are fixed in a row for each probe electrode 35, and a total of (m × n) types of spots 60 are arranged in a matrix. Have been. Then, one type of spot 60 is arranged for one photosensor element 20 so that one type of spot 60 overlaps one photosensor element 20 in plan view. One spot 60 is a crowd of many single-stranded probe DNA fragments 61. Many single-stranded probe DNA fragments 61 contained in one spot 60 have the same base sequence (nucleotide sequence). The base sequence of the single-stranded probe DNA fragment 61 is different for each. Each of the spots 60 has a known base sequence.
[0053]
Further, the n types of spots 60 in the same row are composed of single-stranded probe DNA fragments 61 having different base sequences, but are single-stranded DNA fragments 61 having substantially the same number of bases. That is, the single-stranded DNA fragments 61 of the n types of spots 60 in the same row all have substantially the same number of bases. Although the number of bases of the single-stranded probe DNA fragment 61 of the spot 60 may be significantly different from row to row, some adjacent rows of the m rows have the same number of bases as the single-stranded DNA fragment 61 of the same base. It may be. A row set consisting of one row or several adjacent rows among the m rows of spots 60, 60,... Is a single-stranded DNA fragment 61 having substantially the same number of bases, and a single-stranded DNA fragment 61 having substantially the same number of bases. There are several sets of strands designated as strand DNA fragments 61. The set of single-stranded probe DNA fragments 61 having substantially the same number of bases is arranged such that the number of bases increases toward the left, and the set of single-stranded probe DNA fragments 61 having substantially the same number of bases is shifted to the right. Are arranged such that the number of bases decreases as approaching.
Therefore, the plurality of probe electrodes 35 are also classified according to the number of bases of the probe DNA fragment 61. That is, the plurality of probe electrodes 35, 35,... Are divided into one probe electrode 35 or an electrode set composed of several adjacent probe electrodes 35, and the spots 60, 60,. The number of bases of the single-stranded probe DNA fragment 61 is almost the same, but the base sequence is different. Here, “substantially the same” means that the number of bases of one probe DNA fragment is the same among a plurality of spots arranged in a predetermined electrode set among the plurality of electrode sets, or Means that they are closer to each other than the number of bases of one probe DNA fragment of the spots arranged on the probe electrodes other than the above electrode set.
[0054]
In the following, in order to simplify the description, 81 photosensor elements 20, 20,... Are arranged in a matrix of 9 rows and 9 columns, and 9 columns of probe electrodes 35, 35,. It is assumed that nine types of spots 60 are arranged on each probe electrode 35. Also, the probe DNA fragments 61 of the spots 60, 60,... Formed on the electrode set composed of the three rows of probe electrodes 35, 35, 35 have different base sequences for each spot 60, but are substantially the same. The number of bases. The probe DNA fragments 61 of the spots 60, 60,... Formed on the electrode set composed of the three rows of probe electrodes 35, 35, 35 have base sequences different from each other for each spot 60, but have substantially the same number of bases. It is. The probe DNA fragments 61 of the spots 60, 60,... Formed on the electrode set composed of the three rows of probe electrodes 35, 35, 35 have different base sequences for each spot 60, but have substantially the same number of bases. It is. Further, the number of bases of the probe DNA fragment 61 of the spots 60, 60,... Formed on the electrode set composed of the three rows of probe electrodes 35, 35, 35 on the left side is the same as that of the center three rows of probe electrodes 35, 35, 35. , Spots 60, 60,... Formed on the electrode set composed of the three rows of probe electrodes 35, 35, 35 in the center, which are larger than the number of bases of the probe DNA fragment 61 of the spots 60, 60,. The number of bases of the probe DNA fragments 61 of 60,... Is larger than the number of bases of the probe DNA fragments 61 of spots 60, 60,. . Also, the leftmost column probe electrode 35 is the first column, the rightmost column probe electrode 35 is the ninth column, and the order of the probe electrodes 35 is from left to right. That is, the first to third rows form one common electrode set, the fourth to sixth rows form one common electrode set, and the seventh to ninth rows form one common electrode set. It becomes a common electrode set, and in each electrode set, the number of bases of the single-stranded probe DNA fragment 61 is the same or the number of bases of one probe DNA fragment of a spot arranged in an electrode set other than the electrode set Than each other.
[0055]
The spots 60, 60,... Are fixed to the probe electrode 35 by dispensing a probe DNA fragment prepared in advance to the probe electrode 35 surface-treated with a polycation (poly-L-lysine, polyethyleneimine, etc.). And a method of applying electrostatic charge to the surface of the photodetection device 2 using the charge of DNA is applied.
As another fixing method, a method using a silane coupling agent having an amino group, an aldehyde group, an epoxy group or the like is also used. In this case, since amino groups, aldehyde groups, and the like are introduced into the surface of the probe electrode 35 by covalent bonds, they are stably present on the probe electrode 35 as compared with the case of using polycations.
As another fixing method, there is a method in which an oligonucleotide having a reactive group introduced therein is synthesized, the oligonucleotide is spotted on the surface-treated probe electrode 35, and covalently bonded.
[0056]
The DNA sensor 1 as described above is detachable from the bottom of the bathtub 71 of the DNA reader 100 with the spots 60, 60,. Note that the depth direction of the bathtub 71 is orthogonal to the horizontal direction.
[0057]
The bathtub 71 is open at the top so that an electrophoretic medium 82 having a predetermined viscosity can be injected into the bathtub 71. Examples of the electrophoretic medium 82 include a colloid solution (sol) in which particles are dispersed in a dispersion medium, an electrolytic solution containing gel, and other electrolytic solutions.
[0058]
The bathtub 71 is mounted on a shaker 83, and the electrophoresis medium 82 is stirred by shaking the bathtub 71 by the shaker 83. The shaker 83 may be one that shakes the bath tub 71 by ultrasonic waves, one that shakes the bath tub 71 in a rotary manner, or one that shakes the bath tub 71 in a reciprocating manner. There may be.
[0059]
When the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, when the bathtub 71 is viewed from above, a plurality of probe electrodes 35, 35,... Are arranged between the first electrode 74 and the second electrode 75, Is located closer to the first electrode 74 formed on the left wall of the bathtub 71, and the rightmost probe electrode 35 is located closer to the second electrode 75 formed on the right wall of the bathtub 71.
[0060]
In the bathtub 71 and on the front wall surface of the bathtub 71, one temperature control element 72 for controlling the temperature is provided for each probe electrode 35. When the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, the temperature control elements 72, 72,... Are provided so as to come into contact with the ends of the respective probe electrodes 35, 35,. The temperature of the spots 60, 60,... Is adjusted via the electrodes 35, 35,. Examples of the temperature control element 72 include a Peltier element capable of performing heating and cooling, and a combination of a heater capable of performing heating and a heat sink capable of performing cooling. However, the probe electrodes 35 are selectively heated by heat generation. , And the temperature of the probe electrodes 35, 35,... And the vicinity thereof can be adjusted by selectively cooling the probe electrodes 35, 35,. Note that the temperature control element 72 may be one that can only perform heating, such as a heating resistor or another heating element.
[0061]
A plurality of terminals 73a, 73a,... Of a voltage control circuit 73 (shown in FIG. 5) for performing voltage control are provided in the bathtub 71 and on the rear wall surface of the bathtub 71. Are provided so as to come into contact with the probe electrodes 35, 35, respectively when the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71. The voltage control circuit 73 supplies the terminals 73a, 73a,. , 35, 35,... Are individually applied with voltages.
[0062]
In the bathtub 71, a plurality of terminals of a driver circuit 76 (shown in FIG. 5) for driving the light detection device 2 are provided. As shown in FIG. 6, the driver circuit 76 includes a top gate driver 76A, a bottom gate driver 76B, and a drain driver 76C. When the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, the terminals of the top gate driver 76A, the bottom gate driver 76B, and the drain driver 76C are connected to the top gate lines 44, 44,. , And the drain lines 43, 43,..., Respectively, and the voltage is applied by the driver circuit 76 to the top gate lines 44, 44,. .. Are appropriately applied. The source lines 42 are all held at the potential Vss, and when the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, the potentials Vss of the source lines 42, 42,... And the electromagnetic shield layer 32 may be the ground potential.
[0063]
By applying a voltage to the top gate lines 44, 44,..., The bottom gate lines 41, 41,. You. When the light detection device 2 is driven, the amount of light incident on each of the photo sensor elements 20 is converted into an electric signal, and the electric signal is detected by the driver circuit 76 so that imaging is performed.
[0064]
The drive control method of the photo sensor element 20 described above will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a timing chart illustrating an example of a basic drive control method of the photosensor element 20, FIG. 8 is a conceptual diagram of the operation of the photosensor element 20, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing the optical response characteristics of the optical element. Here, a description will be given with reference to the configuration of the photosensor element 20 (FIGS. 1 and 4) as appropriate.
[0065]
First, in the reset operation (initialization operation), as shown in FIG. 7 and FIG. 8A, under the control of the controller 78, through the top gate line 44 of an arbitrary i-th column (1 ≦ i ≦ m). Then, a pulse voltage (hereinafter, referred to as a “reset pulse”; for example, a high level of Vtg = + 15 V) φTi is applied to the top gate electrode 30 of the photosensor element 20 in the i-th column, and the semiconductor layer 23 and the channel Carriers (here, holes) accumulated near the interface with the semiconductor layer 23 in the protective film 24 are released (reset period Trst).
[0066]
Next, in the light accumulation operation (charge accumulation operation), as shown in FIGS. 7 and 8B, the top gate electrode of the photosensor element 20 in the i-th column is connected via the top gate line 44 in the i-th column. By applying a low-level (for example, Vtg = −15 V) bias voltage φTi to 30, the reset operation ends, and the light accumulation period Ta by the carrier accumulation operation starts. In the light accumulation period Ta, electron-hole pairs are generated in the incident effective region of the semiconductor layer 23, that is, the carrier generation region, according to the amount of light incident from the top gate electrode 21 side, and the generated electron-hole pairs are generated. Are accumulated near the interface between the semiconductor layer 23 and the semiconductor layer 23 in the channel protective film 24, that is, around the channel region.
[0067]
In the precharge operation, as shown in FIGS. 7 and 8C, the drain electrode 28 of the photosensor element 20 in the i-th column is set in parallel with the light accumulation period Ta based on the precharge signal φpg. In order to apply a predetermined voltage (precharge voltage) Vpg, electric charges are held in each drain line 43 (precharge period Tprch). Next, in the read operation, as shown in FIGS. 7 and 8D, after the precharge period Tprch has elapsed, a high-level (for example, Vbg = + 10 V) bias voltage (read select signal) is applied to the bottom gate electrode 21. The photosensor element 20 is turned on by applying φBi (selected state) (reading period Tread).
[0068]
Here, in the read period Tread, carriers (holes) accumulated in the channel region of the photosensor element 20 into which light is incident relax Vtg (−15 V) applied to the top gate electrode 30 having the opposite polarity. 9A, an n-channel is formed by Vbg (+15 V) of the bottom gate electrode 21, and the voltage (drain voltage) VD of the drain electrode 28 and the drain line 43 according to the drain current is as shown in FIG. 2 shows a tendency to gradually decrease from the precharge voltage Vpg over time.
[0069]
That is, when the light accumulation state in the light accumulation period Ta is a bright state, carriers (holes) corresponding to the amount of incident light are captured in the channel region as shown in FIG. It acts to cancel the negative bias of the electrode 30, and the photosensor element 20 is turned ON by the positive bias of the bottom gate electrode 21 by the amount of the cancellation. Then, according to the ON resistance according to the amount of incident light, the drain voltage VD decreases as shown in FIG.
[0070]
On the other hand, when the light accumulation state is a dark state and no carriers (holes) are accumulated in the channel region, the bottom gate electrode 21 is turned off by the negative bias of the top gate electrode 30 as shown in FIG. Is canceled, the photosensor element 20 is turned off, and the drain voltage VD is maintained almost as it is, as shown in FIG. 9A.
[0071]
Therefore, as shown in FIG. 9A, the change tendency of the drain voltage VD is such that the read pulse φBi is applied to the bottom gate electrode 21 from the end of the reset operation by the application of the reset pulse φTi to the top gate electrode 30. Time (light accumulation period Ta), it is closely related to the amount of light received, when there are many accumulated carriers (bright state), it tends to decrease sharply, and when there are few accumulated carriers. (Dark state) shows a tendency to decrease gradually. Therefore, by detecting the drain voltage VD (= Vrd) after a lapse of a predetermined time from the start of the readout period Tread, or by setting a predetermined threshold voltage as a reference, the time required to reach the voltage is detected. By detecting, the amount of light (irradiation light) incident on the photosensor element 20 is converted.
[0072]
In the timing chart shown in FIG. 7, after the precharge period Tprch has elapsed, a low level (for example, Vbg = 0 V) is applied to the bottom gate electrode 21 as shown in FIGS. 8 (f) and 8 (g). When the state (non-selection state) is continued, the photosensor element 20 keeps the OFF state, and as shown in FIG. 9B, the drain voltage VD holds a voltage close to the precharge voltage Vpg. In this manner, a selection function of selecting the read state of the photosensor element 20 and switching the read state to the non-selection state according to the state of application of the voltage to the bottom gate electrode 21 is realized.
[0073]
A first electrode 74 is provided in the upper part of the left wall in the bathtub 71, and a second electrode 75 is provided in the upper part of the right wall. The electrodes 74 and 75 are exposed inside the bathtub 71. ing. Further, the electrodes 74, 75 are located above the probe electrodes 35, 35, ... located at the bottom of the bathtub 71. Voltages are individually applied to the electrodes 74 and 75 by the voltage control circuit 73.
[0074]
When the DNA sensor 1 is attached to the bottom of the bathtub 71, when the bathtub 71 is viewed from above (when viewed in the height direction of the bathtub 71), the arrangement position of the light detection device 2 is the first electrode 74 and the second electrode 74. Between the electrode 75. When the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, when the bathtub 71 is viewed from the right or left (when viewed in the width direction of the bathtub 71), the arrangement height of the light detection device 2 is the first electrode 74 and the height. It is lower than the arrangement height of the second electrode 75.
[0075]
Above the bathtub 71, an ultraviolet irradiator 77 for irradiating light downward is provided. The light emitted from the ultraviolet irradiator 77 includes the ultraviolet wavelength range and hardly includes the fluorescent wavelength range.
[0076]
Next, a control configuration of the DNA identification device 100 will be described with reference to FIG.
This DNA identification device 100 includes a display device 81, a controller 78 for controlling the whole, an irradiation drive circuit 79 for driving an ultraviolet irradiator 77, and a temperature for driving the temperature control elements 72, 72,. And a control circuit 80.
[0077]
The controller 78 is a dedicated logic circuit or an arithmetic processing unit having a CPU (central processing unit) and the like. The voltage control circuit 73, the driver circuit 76, the irradiation drive circuit 79, the temperature control circuit 80, a display device 81 and a shaker 83 are operated.
[0078]
As described with reference to FIGS. 6 to 9, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78 and causes the light detection device 2 to perform an imaging operation. The image captured by the light detection device 2 is A / D-converted by the driver circuit 76 and is output from the driver circuit 76 to the controller 78 as image data.
[0079]
The irradiation drive circuit 79 drives the ultraviolet irradiator 77 in accordance with an instruction from the controller 78, and causes the ultraviolet irradiator 77 to perform a light emitting operation.
[0080]
The temperature control circuit 80 drives the temperature adjusting elements 72, 72,... In accordance with an instruction from the controller 78, and causes the temperature adjusting elements 72, 72,.
[0081]
The voltage control circuit 73 individually applies a voltage to the terminals 73 a, 73 a,..., The first electrode 74, and the second electrode 75 in accordance with an instruction from the controller 78.
[0082]
The display device 81 displays an image captured by the light detection device 2 according to an instruction from the controller 78.
[0083]
Next, the operation of the DNA identification device 100 will be described with reference to FIGS. Here, FIGS. 10 to 12 are flowcharts showing the flow of the operation of the DNA identification device 100.
[0084]
First, DNA is collected from a sample and denatured to obtain a plurality of types of single-stranded DNA fragments having different numbers of bases. However, even if a plurality of types of single-stranded DNA fragments having the same number of bases and different base sequences are contained, good. A fluorescent substance is bound to the single-stranded DNA fragment, and the single-stranded DNA fragment is labeled with the fluorescent substance. The obtained single-stranded DNA fragment is called a sample DNA fragment. Examples of the fluorescent substance for labeling the sample DNA fragment include CyDye Cy2 and Cy3 (manufactured by Amersham). As the fluorescent substance, a substance that is excited by the wavelength of the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiator 77 of the DNA identification device 100 is selected. The fluorescent substance emits fluorescent light when excited by ultraviolet light, and the wavelength of the fluorescent light is a wavelength that generates carriers in the semiconductor film 23 of the photosensor element 20, and a light ray having a longer wavelength than the ultraviolet light is preferable.
[0085]
Next, the DNA sensor 1 is mounted on the bottom of the bathtub 71, and the electrophoresis medium 82 is injected into the bathtub 71.
Next, the power of the DNA identification device 100 is turned on, and the DNA identification device 100 is activated.
[0086]
Then, the controller 78 of the DNA identification device 100 controls the temperature control circuit 80, whereby the temperature control circuit 80 drives the temperature control elements 72, 72,. To perform a heating operation. , Generate heat, and the heat of the temperature control elements 72, 72,... Is conducted to the probe electrodes 35, 35,. When the probe electrodes 35 are heated by the temperature control elements 72, 72,..., The electrophoretic medium 82 in the bathtub 71 is also heated to 95 ° C. or higher. Thereafter, the temperature control circuit 80 controls the temperature adjusting element 72 according to the instruction of the controller 78, so that the temperature of the electrophoretic medium 82 is maintained at 95 ° C. or higher. When the electrophoretic medium 82 is heated to 95 ° C. or higher, the probe DNA fragments 61 in one spot 60 do not partially hybridize.
[0087]
Note that the temperature at which the electrophoretic medium 82 is kept is not limited to 95 ° C. or higher, and may be any temperature at which the single-stranded DNA fragments maintain a single strand without complementary binding. Further, a temperature detector for detecting the temperature of the electrophoretic medium 82 is provided in the bathtub 71, the temperature detected by the temperature detector is fed back to the controller 78, and the controller 78 controls the temperature control circuit 80 according to the detected temperature. The temperature control elements 80 may be controlled so that the temperature control circuit 80 keeps the temperature of the electrophoretic medium 82 at 95 ° C. or higher.
[0088]
Then, the plurality of types of single-stranded sample DNA fragments obtained as described above are put into the bathtub 71 from above the bathtub 71. However, instead of putting the sample DNA fragment in the entire bathtub 71, the sample DNA fragment is put in a portion where there is no probe electrode 35, 35,... In plan view near the first electrode 74 (see FIGS. 1 and 2). 3) In particular, gently insert the sample DNA fragment into the portion away from the first electrode 74 so as not to diffuse. At this time, the single-stranded sample DNA fragment may be injected into the bath 71 together with a solution partially containing a reagent used for PCR amplification. In FIG. 1, among a plurality of types of single-stranded sample DNA fragments, a single-stranded sample DNA fragment 151 having the smallest number of bases, a single-stranded sample DNA fragment 153 having the largest number of bases, and a single-stranded sample DNA fragment A single-stranded sample DNA fragment 152 having a larger number of bases than 151 and a smaller number of bases than a single-stranded sample DNA fragment 153 is shown.
[0089]
Since the electrophoretic medium 82 is heated to 95 ° C. or higher by the heat generated by the temperature control elements 72, 72,..., Even if some of the sample DNA fragments have a complementary base sequence in part. In addition, the sample DNA fragments do not partially hybridize and bind. Therefore, the sample DNA fragments are electrophoresed in the electrophoresis medium 82 in a completely fragmented state.
[0090]
Next, as shown in step S1 (first voltage application step) of FIG. 10, the controller 78 controls the voltage control circuit 73, whereby the voltage control circuit 73 controls the first electrode 74 according to the instruction of the controller 78. A voltage is applied between the first electrode 74 and the second electrode 75 so that the potential is lower than the potential of the second electrode 75. At the same time, the voltage control circuit 73 operates according to the instruction of the controller 78 so that the potentials of all the probe electrodes 35, 35,... Become lower than the potential of the second electrode 75, preferably lower than the potential of the first electrode 74. A voltage is applied to the electrodes 35. As a result, the first electrode 74 becomes a cathode, the second electrode 75 becomes an anode, and all the probe electrodes 35, 35,... Have a negative voltage or an equal voltage with respect to the second electrode 75. Here, the potential of the first electrode 74 is desirably set to the ground potential, the voltage of all the probe electrodes 35, 35,... With respect to the first electrode 74 is desirably the same voltage or a negative voltage. The voltage is higher than the voltage required for separating the mishybridized sample DNA fragment from the probe DNA fragment, and is lower than the voltage at which the sample DNA fragment completely hybridized to the probe DNA fragment is not separated from the probe DNA fragment. The term “mishybridization” as used herein means partial hybridization, in which a part of the base sequence of one of the sample DNA fragment and the probe DNA fragment is complementary to a part or the whole of the other base sequence. In this case, the sample DNA fragment and the probe DNA fragment are partially bound, and complete hybridization means that all the bases of the sample DNA fragment are complementary to all the bases of the probe DNA fragment. Means to be done.
[0091]
As a result, a plurality of types of sample DNA fragments migrate in the electrophoresis medium 82, particularly toward the surface layer of the electrophoresis medium 82 toward the second electrode 75. Here, the voltage control circuit 73 maintains the above voltage state for a predetermined time, but the application time and the applied voltage are substantially the same as the number of bases in the shortest probe DNA fragment 61 in the seventh to ninth columns. For this reason, a relatively small volume of the sample DNA fragment having the same volume as the probe DNA fragment 61 in the seventh to ninth columns migrates onto the probe electrode 35 in the seventh column. . Therefore, as shown in FIG. 13, if the sample DNA fragment 151 having the least number of bases has substantially the same number of bases as the probe DNA fragment 61 in the seventh to ninth columns, the sample DNA fragment 151 Electrophoresis is performed on the probe electrodes 35 in the row. However, since the sample DNA fragments 152 and 153 have a larger volume than the sample DNA fragment 151, the fluid resistance during electrophoresis is larger than that of the sample DNA fragment 151, and the sample DNA fragments 152 and 153 do not migrate above the probe electrodes 35 in the seventh column.
Here, even if a voltage is applied to the probe electrodes 35, 35,..., The grounded electromagnetic shield layer 32 is between the probe electrode 35 and the photosensor element 20, so that the electric field of the probe electrodes 35, 35,. Does not adversely affect the operation of the photosensor element 20.
[0092]
After a lapse of a predetermined time after a sample DNA fragment having the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is expected to reach the electrophoretic medium 82 above the probe DNA fragments 61 in the seventh column, The controller 78 controls the voltage control circuit 73, and the voltage control circuit 73 cancels the voltage application state to make the first electrode 74, the second electrode 75 and all the probe electrodes 35, 35,. Then, the controller 78 controls the driver circuit 76 and the irradiation drive circuit 79, and the driver circuit 76 drives the light detection device 2 according to the instruction of the controller 78 according to the drive control method of the photosensor element 20 and the irradiation drive circuit. 79 drives the ultraviolet irradiator 77 according to the instruction of the controller 78 (step S2).
[0093]
As a result, the ultraviolet irradiator 77 emits light, and the ultraviolet light emitted from the ultraviolet irradiator 77 is irradiated onto the surface of the electrophoretic medium 82 in a planar manner. As a result, the ultraviolet light is incident on the fluorescent substance attached to the sample DNA fragment floating in the electrophoretic medium 82 above the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns, so that the fluorescent substance emits fluorescence. The light is transmitted through the ultraviolet shielding layer 34, the overcoat layer 33, the electromagnetic shielding layer 32, the protective insulating film 31, the top gate electrode 30, the top gate insulating film 29, and the channel protective film 24 and enters the semiconductor film 23. By performing photo-electric conversion of the photo sensor elements 20, 20,... Into electric signals in accordance with the intensity or light amount of the fluorescence incident on the respective semiconductor films 23, the light detection device 2 allows the respective photo sensor elements 20, 20,. To detect the fluorescence intensity or light amount, and acquire a two-dimensional fluorescence intensity distribution as a two-dimensional image. The image acquired by the light detection device 2 is A / D-converted by the driver circuit 76 and output from the driver circuit 76 to the controller 78 as image data.
Here, since the ultraviolet shielding layer 34 is provided, the ultraviolet rays emitted from the ultraviolet irradiator 77 do not enter the photosensor elements 20, 20,..., And the photosensor elements 20, 20,. do not do.
[0094]
Then, the controller 78 determines whether or not the seventh row of photosensor elements 20, 20,... Has detected fluorescence based on the image data input from the driver circuit 76 in step S2 (step S3).
[0095]
Here, when there are sample DNA fragments having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns among a plurality of types of sample DNA fragments, the relative number of bases having the same number of bases is relatively large. As shown in FIG. 13, the sample DNA fragment 151 having a small volume has migrated to the position above the probe electrode 35 in the seventh column in step S1. Therefore, when there is a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns among a plurality of types of sample DNA fragments, as shown in FIG. Since the fluorescent light emitted from the light source enters the semiconductor film 23 of the photosensor elements 20, 20,... Of the seventh column with high intensity, the controller 78 determines in step S3 that the photosensor elements 20, 20,. Is determined to have detected fluorescence (step S3: Yes), and the process of the controller 78 proceeds to step S4. On the other hand, when there is no sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns among a plurality of types of sample DNA fragments, the relative number of bases is relatively small because of the substantially same number of bases Since there is almost no small sample DNA fragment 151 of small volume, the fluorescent light enters the semiconductor film 23 of the photosensor elements 20, 20,. , No fluorescence was detected by the photosensor elements 20, 20,... In the seventh column, so that there was no sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns. Is determined (step S3: No), and the process of the controller 78 proceeds to step S6.
FIG. 13 shows a case where the sample DNA fragment 151 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns and has a relatively small volume of the sample DNA fragment in the step S1. It is a drawing showing the migration position of 151. FIG. 14 shows that a relatively small volume of sample DNA fragment 151 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is used as the probe DNA fragment 61 in the seventh to ninth columns. 11 is a graph illustrating a fluorescence intensity distribution of an image acquired by the light detection device 2 when electrophoresis is performed up to the vicinity of the seventh column.
[0096]
In step S4, the controller 78 controls the voltage control circuit 73, whereby the voltage control circuit 73 changes the potential of the probe electrode 35 in the eighth column to the other probe electrodes 35, 35,. A voltage is applied so as to be higher than the first electrode 74. Here, the probe electrodes 35, 35,... And the first electrode 74 other than the probe electrodes 35 in the eighth column are set to the ground potential, and the probe electrodes 35 in the eighth column are set to the positive voltage. With respect to the potentials of the probe electrodes 35 other than the probe electrodes 35 in the eighth column, 35,. With such a higher voltage, an electrode set including the probe electrodes 35, 35, 35 in the seventh to ninth columns is selected, and the voltage between the first electrode 74 and the second electrode 75 after this is selected. Regardless, a relatively small volume of the sample DNA fragment 151 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is placed near the probe electrode 35 in the eighth column, that is, in the seventh column. To the ninth row of probe DNA fragments 61. In step S4 and step S5 described later, it is preferable that the second electrode 75 is also at the same potential as the first electrode 74 because the sample DNA fragment does not move in the direction from the first electrode 74 to the second electrode 75.
[0097]
Next, the controller 78 controls the driver circuit 76, whereby the driver circuit 76 drives the light detection device 2, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, The image data is output from the driver circuit 76 to the controller 78. Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the eighth column based on the image data (step S5).
[0098]
Here, in step S4, when a voltage higher than the voltage of the first electrode 74 is applied to the eighth column of the probe electrodes 35, the number of bases substantially equal to that of the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns As shown in FIG. 15, the sample DNA fragment migrates from above the probe electrodes 35 in the seventh column toward the probe electrodes 35 in the eighth column. Accordingly, when a relatively small volume of the sample DNA fragment 151 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns migrates to the vicinity of the probe electrode 35 in the eighth column, it is shown in FIG. As described above, since the fluorescence emitted from the sample DNA fragment is incident on the semiconductor 23 of the photosensor elements 20, 20,... In the eighth row with high intensity, the controller 78 sets the photosensor elements in the eighth row in the above step S5. At 20, 20,..., It is determined that fluorescence has been detected (step S5: Yes), and the process of the controller 78 proceeds to step S6. In step S4, the sample DNA fragment 151 having a relatively small volume due to substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is held near the probe electrode 35 in the eighth column. At this stage, the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns do not necessarily have to hybridize with the sample DNA fragment 151 having a relatively small volume. On the other hand, if a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns has not migrated to the probe electrode 35 in the eighth column, the controller 78 proceeds to step S5. It is determined that the photosensor elements 20, 20,... In the eighth row do not detect fluorescence (step S5: No), and the process of the controller 78 proceeds to step S4. By repeating the processing of the controller 78 from step S5: No to step S4, the probe electrodes 35 in the eighth column are moved until the relatively small volume of the sample DNA fragment 151 migrates to the vicinity of the probe electrodes 35 in the eighth column. , A voltage higher than the voltage of the first electrode 74 is continuously applied.
FIG. 15 shows that the sample DNA fragment 151 having a relatively small volume due to substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is the same as the sample DNA fragment 151 in step S4. It is a drawing showing an electrophoresis position. FIG. 16 is a graph showing the fluorescence intensity distribution of an image acquired by the light detection device 2 when the sample DNA fragment 151 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns. .
[0099]
In step S6 (second voltage application step), the voltage control circuit 73 causes the first voltage 74 and the second voltage 75 so that the potential of the first electrode 74 becomes lower than the potential of the second electrode 75 in accordance with an instruction from the controller 78. And a voltage is applied. At the same time, according to the instruction from the controller 78, the voltage control circuit 73 sets the potentials of the probe electrodes 35, 35,... Apply a voltage to the probe electrodes 35, 35,... So as to be equal to or lower than the potential of the first electrode 74. Until immediately before step S16, the potential of the probe electrodes 35, 35,. The applied voltage is set to be equal to or higher than the applied voltage of the second electrode 75, but is preferably equal to the second electrode 75 from the viewpoint of holding the sample DNA fragment 151.
[0100]
As a result, a relatively medium volume of the sample DNA 152 and a relatively large volume of the sample DNA fragment 153 on the surface of the electrophoresis medium migrate through the electrophoresis medium 82 toward the second electrode 75. Since the medium-sized sample DNA fragment 152 has relatively lower fluid resistance than the relatively large-volume sample DNA fragment 153, it migrates at a higher speed than the relatively large-volume sample DNA fragment 153. . Here, the voltage control circuit 73 maintains the above voltage state for a predetermined time, but the application time and the applied voltage are substantially the same as the number of bases of the probe DNA fragment 61 in the fourth to sixth columns. This is such that a relatively medium volume of the sample DNA fragment 152 migrates onto the probe electrode 35 in the fourth row. At this time, the relatively large volume of the sample DNA fragment 153 has not reached above the probe electrodes 35 in the fourth row. Therefore, as shown in FIG. 17, assuming that the sample DNA fragment 152 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns, the sample DNA fragment 152 extends to the top of the fourth column. Run electrophoresis. Further, the relatively small volume sample DNA fragment 151 is held near the eighth row of probe electrodes 35 by the electric field of the eighth row of probe electrodes 35 so as to sink to the bottom of the bathtub 71 in the previous step S4. Therefore, almost no electrophoresis occurs in step S6. When the process proceeds from the step S5 to the step S6, the voltage higher than the voltage of the first electrode 74 for holding the sample DNA fragment 151 is applied to the probe electrode 35 in the eighth column from the step S6 to the step S15. It continues to be applied by the circuit 73.
[0101]
After a predetermined period of time when a relatively medium volume of the sample DNA fragment is expected to reach the electrophoretic medium 82 above the fourth-row probe DNA fragment 61, the voltage control circuit 73 sets the voltage in accordance with the instruction of the controller 78. The application state is released and the first electrode 74, the second electrode 75, and the probe electrodes 35, 35,... (However, when the process proceeds from step S5 to step S6, the probe electrode 35 in the eighth column is excluded). Make the voltage equal. Then, the controller 78 controls the driver circuit 76 and the irradiation drive circuit 79, and the driver circuit 76 drives the light detecting device 2 according to the instruction of the controller 78, and the irradiation drive circuit 79 drives the ultraviolet irradiator 77 according to the instruction of the controller 78. (Step S7). As a result, the driver circuit 76 drives the light detection device 2, the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet light irradiator 77, and the image data is output from the driver circuit 76 to the controller 78. Is done.
[0102]
Then, based on the image data, the controller 78 determines whether or not the fourth-row photosensor elements 20, 20,... Have detected the fluorescence of the sample DNA fragment 152 having a relatively medium volume (step). S8).
[0103]
Here, when there is a relatively medium volume of sample DNA 152 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth rows on the surface layer of the electrophoresis medium 82, the bases having substantially the same number of bases are used. As shown in FIG. 17, the number of sample DNA fragments has migrated to above the fourth row of probe electrodes 35 in step S6. Therefore, when the sample DNA fragments of a plurality of types include a relatively medium volume of sample DNA 152 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns, FIG. As shown, since the fluorescence emitted from the sample DNA fragment is incident with high intensity on the semiconductors 23 of the photosensor elements 20, 20,... In the fourth row, the controller 78 determines in step S8 that the photosensors in the fourth row It is determined that fluorescence has been detected by the elements 20, 20,... (Step S8: Yes), and the processing of the controller 78 proceeds to step S9. On the other hand, when there is no sample DNA fragment 152 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns among the plurality of types of sample DNA fragments, the photosensor element 20 in the fourth column is used. , 20,..., The fluorescent light enters at low intensity or hardly enters the semiconductor film 23, and thus the controller 78 does not detect the fluorescent light in the photosensor elements 20, 20,. Is determined (step S8: No), the process of the controller 78 proceeds to step S11.
FIG. 17 shows the migration position of the sample DNA fragment 152 in the above step S6 when the sample DNA fragment 152 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns. It is a drawing. FIG. 18 is a graph showing a fluorescence intensity distribution of an image acquired by the light detection device 2 when the sample DNA fragment 152 has substantially the same number of bases as the fourth to sixth column probe DNA fragments 61. . 17 and 18, it is assumed that the sample DNA fragment 151 having the smallest number of bases and relatively small volume has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns.
[0104]
In step S9, the voltage control circuit 73 changes the potential of the probe electrode 35 in the fifth column to the other probe electrodes 35, 35,... (Provided that the process has shifted from step S5 to step S6) in accordance with the instruction from the controller 78. , The potential of the probe electrode 35 in the fifth column and the potential of the probe electrode 35 in the eighth column in step S9 and step S10 to be described later are equal to each other and different from the potential of the probe electrode 35 in the fifth column.) A voltage is applied so as to be higher than the first electrode 74. Here, the probe electrodes 35, 35,... Other than the probe electrode 35 in the fifth column (excluding the probe electrode 35 in the eighth column when the process proceeds from step S5 to step S6), and the first The electrode 74 is set to the ground potential, and the probe electrodes 35 in the fifth column are set to a voltage higher than the ground potential. At this time, it is desirable that the second electrode 75 has the same potential as the first electrode 74, but may be higher than the voltage of the first electrode 74. As a result, an electrode set composed of the fourth to sixth rows of probe electrodes 35, 35, 35 is selected, and regardless of the voltage between the subsequent first electrode 74 and second electrode 75, A relatively medium volume sample DNA fragment 152 having approximately the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is placed near the probe electrode 35 in the fifth column, that is, in the fourth to fifth columns. It can be held near the probe DNA fragment 61 in the sixth row. In step S9 and step S10 to be described later, it is preferable that the second electrode 75 is also at the same potential as the first electrode 74 because the sample DNA fragment does not move in the direction from the first electrode 74 to the second electrode 75.
[0105]
Next, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is stored in the driver circuit 76. To the controller 78. Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the fifth column based on the image data (step S10).
[0106]
Here, when a voltage higher than that of the first electrode 75 is applied to the fifth row of probe electrodes 35 in step S9, the sample having substantially the same number of bases as the fourth to sixth row of probe DNA fragments 61 is obtained. As shown in FIG. 19, the DNA fragments migrate so as to sink from above the probe electrodes 35 in the fourth row toward the probe electrodes 35 in the fifth row. When a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns migrates to the vicinity of the probe electrode 35 in the fifth column and is retained, as shown in FIG. Since the fluorescence emitted from the DNA fragment is incident on the semiconductor 23 of the fifth row of photosensor elements 20, 20,... With high intensity, the controller 78 in step S10 causes the fifth row of photosensor elements 20, 20,. Are determined to have detected fluorescence (step S10: Yes), and the process of the controller 78 proceeds to step S11. On the other hand, if a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the fourth to sixth columns has not migrated to the probe electrode 35 in the fifth column, the controller 78 proceeds to step S10. It is determined that fluorescence is not detected by the photosensor elements 20, 20,... In the fifth column (step S10: No), and the process of the controller 78 proceeds to step S9. By repeating the processing of the controller 78 in step S9: No → step S10, the probe in the fifth column is moved until the relatively medium volume of the sample DNA fragment 152 migrates to the vicinity of the probe electrode 35 in the fifth column. A voltage higher than the first electrode 74 is continuously applied to the electrode 35.
FIG. 19 shows the migration position of the sample DNA fragment 152 in the above step S9 when the sample DNA fragment 152 has substantially the same number of bases as the fourth to sixth column probe DNA fragments 61. It is a drawing. FIG. 20 is a graph showing the fluorescence intensity distribution of an image acquired by the light detection device 2 when the sample DNA fragment 152 has substantially the same number of bases as the fourth to sixth column probe DNA fragments 61. .
[0107]
In step S11 (third voltage application step), the voltage control circuit 73 causes the first voltage 74 and the second voltage 75 so that the potential of the first electrode 74 becomes lower than the potential of the second electrode 75 in accordance with an instruction from the controller 78. And a voltage is applied. At the same time, the voltage control circuit 73 maintains the potentials of the probe electrodes 35, 35,... In the fifth and eighth columns at a voltage that the sample DNA fragment can hold, in accordance with an instruction from the controller 78. Are applied to the probe electrodes 35, 35,... So that the potentials of the probe electrodes 35, 35,. The potential of the probe electrodes 35, 35,... In the fifth and eighth columns is set to be higher than the applied voltage of the first electrode 74 and lower than the applied voltage of the second electrode 75, respectively. It is desirable that the second electrode 75 has the same potential as the DNA fragment 152 from the viewpoint of retention.
[0108]
Accordingly, a relatively large volume of the sample DNA fragment 153 remaining on the surface layer of the electrophoresis medium without being retained migrates in the electrophoresis medium 82 toward the second electrode 75. Here, the voltage control circuit 73 maintains the above voltage state for a predetermined time, but the applied time and the applied voltage are relatively the same as the number of bases of the probe DNA fragment 61 in the first to third columns. In this case, a large volume of the sample DNA fragment migrates onto the probe electrode 35 in the first row. Therefore, as shown in FIG. 21, if the sample DNA fragment 153 has approximately the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third columns, the sample DNA fragment 153 extends to the top of the first column. Run electrophoresis. However, since the sample DNA fragments 151 and 152 are held so that the voltage for holding the sample DNA fragments is applied to the probe electrode 35 and settled at the bottom of the bathtub 71 after the previous steps S4 and S9, respectively. There is almost no migration in step S11 without being affected by the electric field between the first electrode 74 and the second electrode 75 located above. When the process proceeds from step S10 to step S11, a voltage relatively higher than the first electrode 74 is continuously applied to the fifth row of probe electrodes 35 by the voltage control circuit 73 from step S11 to step S15.
[0109]
After a lapse of a predetermined time during which a relatively large volume of the sample DNA fragment is expected to reach the electrophoretic medium 82 above the first-row probe DNA fragment 61, the voltage control circuit 73 changes the voltage applied state according to the instruction of the controller 78. , And the first electrode 74 and the probe electrodes 35, 35,... (However, when the process proceeds from step S5 to step S6, except for the probe electrode 35 in the eighth column, the process proceeds from step S10 to step S11). In this case, the probe electrodes 35 in the fifth column are excluded). It is desirable that the second electrode 75 has the same voltage as the first electrode 74. Then, the controller 78 controls the driver circuit 76 and the irradiation drive circuit 79, and the driver circuit 76 drives the light detecting device 2 according to the instruction of the controller 78, and the irradiation drive circuit 79 drives the ultraviolet irradiator 77 according to the instruction of the controller 78. (Step S12). As a result, the driver circuit 76 drives the light detection device 2, the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet light irradiator 77, and the image data is output from the driver circuit 76 to the controller 78. Is done.
[0110]
Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the fourth column based on the image data (step S13).
[0111]
Here, when there is a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third rows on the surface layer of the electrophoresis medium 82, the sample DNA fragment having substantially the same number of bases is used. As shown in FIG. 21, the electrophoresis has been performed on the probe electrodes 35 in the first row in the step S11. Accordingly, when a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third rows is included in a plurality of types of sample DNA fragments, as shown in FIG. Since the fluorescent light emitted from the first row of the photosensor elements 20, 20,... Is incident on the semiconductor 23 of the first row of photosensor elements 20, 20,. It is determined that fluorescence has been detected (step S13: Yes), and the process of the controller 78 proceeds to step S14. On the other hand, when there is no sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third columns in the plurality of types of sample DNA fragments 153, the photosensor element 20 in the first column , 20,..., The fluorescent light enters at low intensity or hardly enters the semiconductor film 23, and thus the controller 78 does not detect the fluorescent light in the first row of photosensor elements 20, 20,. Is determined (step S13: No), the process of the controller 78 proceeds to the confirmation step SC1.
FIG. 21 shows the migration position of the sample DNA fragment 152 in the above step S11 when the sample DNA fragment 153 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third columns. It is a drawing. FIG. 22 is a graph showing a fluorescence intensity distribution of an image acquired by the light detection device 2 when the sample DNA fragment 153 has substantially the same number of bases as the first to third column probe DNA fragments 61. . 21 and 22, it is assumed that the sample DNA fragment 151 has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns, and the sample DNA fragment 152 is in the fourth to sixth columns. Has the same number of bases as the probe DNA fragment 61.
[0112]
In step S14, the voltage control circuit 73 changes the potential of the probe electrode 35 in the second column to the other probe electrodes 35, 35,... (Provided that the process has shifted from step S5 to step S6) in accordance with the instruction from the controller 78. When the process proceeds from step S10 to step S11 except for the probe electrode 35 in the eighth column, the probe electrode 35 in the fifth column is excluded.) And a voltage is applied so as to be higher than the first electrode 74. . Here, the probe electrodes 35, 35,... And the first electrode 74 other than the probe electrodes 35 in the second column are set to the ground potential, and the probe electrodes 35 in the second column are set to a voltage higher than the ground potential. . As a result, an electrode set including the first to third rows of probe electrodes 35, 35, 35 is selected, and regardless of the voltage between the first electrode 74 and the second electrode 75 thereafter, A relatively large volume of the sample DNA fragment 153 having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third rows is placed near the probe electrode 35 in the second row, that is, in the first to third rows. It can be retained near the eye probe DNA fragment 61. In step S14 and step S15 described later, it is preferable that the second electrode 75 is also at the same potential as the first electrode 74 because the sample DNA fragment does not move in the direction from the first electrode 74 to the second electrode 75.
[0113]
Next, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is stored in the driver circuit 76. To the controller 78. Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the second column based on the image data (step S15).
[0114]
Here, when a voltage higher than the voltage applied to the first electrode 74 is applied to the probe electrodes 35 in the second column in the above step S14, the probe DNA fragments 61 in the first to third columns are applied. As shown in FIG. 23, the sample DNA fragment having substantially the same number of bases migrates so as to sink from above the probe electrodes 35 in the first row toward the probe electrodes 35 in the second row. When a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third columns is held on the probe electrode 35 in the second column, the sample DNA fragments are generated from the sample DNA fragments as shown in FIG. The high-intensity fluorescent light is incident on the semiconductors 23 of the photosensor elements 20, 20,... In the first row, so that the controller 78 causes the fifth row of photosensor elements 20, 20,. It is determined that it has been detected (step S15: Yes), and the process of the controller 78 shifts to the confirmation step SC1. On the other hand, if the sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third columns has not migrated to the probe electrode 35 in the second column, the controller 78 proceeds to step S15. It is determined that fluorescence is not detected by the photosensor elements 20, 20,... In the second row (Step S15: No), and the process of the controller 78 proceeds to Step S14. By repeating the processing of the controller 78 from Step S15: No → Step S14, the positive voltage is continuously applied to the probe electrodes 35 in the second column until the sample DNA fragment migrates to the probe electrodes 35 in the second column.
FIG. 23 shows the case where the sample DNA fragment 153 having a relatively large volume has substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third rows, and It is a drawing showing the migration position of 153. FIG. 24 is a graph showing a fluorescence intensity distribution of an image obtained by the light detection device 2 when the sample DNA fragment 153 has substantially the same number of bases as the first to third column probe DNA fragments 61. .
In confirmation step SC1, controller 78 confirms whether fluorescence has been detected in the vicinity of probe electrode 35 in the seventh column in step S3, or whether fluorescence has been detected in the vicinity of probe electrode 35 in the eighth column in step S5. . Here, if it is confirmed that the fluorescence has been detected, the process proceeds to step S16, and if it is confirmed that the fluorescence has not been detected, the process proceeds to a confirmation step SC2.
[0115]
In step S16, the controller 78 activates the shaker 83, and the shaker 83 sets the bathtub at an optimum intensity for a sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns. The electrophoretic medium 82 in 71 is agitated. At this time, the voltage control circuit 73 sets the voltages of all the probe electrodes 35, 35,..., The first electrode 74 and the second electrode 75 to the ground potential according to the instruction of the controller 78, and may set all the voltages to the same voltage. If the agitation disperses the sample DNA fragments more than necessary, the probe electrodes 35, 35,... In the seventh to ninth columns may be set to a higher voltage than the first electrode 74.
[0116]
Next, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is stored in the driver circuit 76. Is output to the controller 78 (step S17). Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the seventh to ninth columns based on the image data (step S18).
[0117]
Here, when the electrophoretic medium 82 is agitated in the step S16, the sample DNA fragments migrated to the probe electrodes 35 in the eighth row move to the probe electrodes 35 in the seventh row and the ninth row. spread. When the sample DNA fragment spreads to the probe electrodes 35 in the seventh column and the probe electrode 35 in the ninth column, as shown in FIG. 25, the fluorescence emitted from the sample DNA fragment becomes the photo in the seventh to ninth columns. .. Are incident on the semiconductor 23 of the sensor elements 20, 20,... At a high intensity, it is determined in step S18 that the controller 78 has detected fluorescence with the photosensor elements 20, 20,. (Step S18: Yes), and the process of the controller 78 shifts to the confirmation step SC2. On the other hand, if the sample DNA fragment has not spread to the probe electrodes 35 in the seventh row and the ninth row, the controller 78 proceeds to step S18 and the controller 78 sets the photosensor elements 20 and 20 in the ninth row. ,... (Step S18: No), the process of the controller 78 proceeds to Step S16. By repeating the processing of the controller 78 in step S18: No → step S16 → step S17, the shaker 83 continues the stirring operation until the sample DNA fragment spreads to the probe electrodes 35 in the seventh and ninth rows.
In the confirmation step SC2, the controller 78 confirms whether fluorescence has been detected in the vicinity of the fourth row of the probe electrodes 35 in step S8 or has been detected in the vicinity of the fifth row of the probe electrodes 35 in step S10. . Here, if it is confirmed that the fluorescence has been detected, the process proceeds to step S19, and if it is confirmed that the fluorescence has not been detected, the process proceeds to a confirmation step SC3.
[0118]
In step S19, the controller 78 activates the shaker 83, and the shaker 83 stirs the electrophoretic medium 82 in the bathtub 71 at an optimum intensity for the fourth to sixth rows of the probe DNA fragments 61. I do. At this time, the voltage control circuit 73 changes the potentials of the probe electrodes 35, 35, 35 in the seventh to ninth columns according to instructions from the controller 78, and sets the potentials of the other probe electrodes 35, 35,. The voltage is applied so as to be higher than the potential of the second electrode 75. In particular, the probe electrodes 35, 35,... Other than the probe electrodes 35, 35, 35 in the seventh to ninth columns, the first electrode 74 and The second electrode 75 is set to the ground potential.
[0119]
Next, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is stored in the driver circuit 76. Is output to the controller 78 (step S20). Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the fourth to sixth columns based on the image data (step S21).
[0120]
Here, when the electrophoretic medium 82 is agitated in the step S19, the sample DNA fragments migrated to the probe electrodes 35 in the fifth row move to the probe electrodes 35 in the fourth row and the probe electrodes 35 in the sixth row. spread. When the sample DNA fragment spreads to the probe electrodes 35 in the fourth row and the probe electrodes 35 in the sixth row, as shown in FIG. .. Are incident on the semiconductor 23 of the sensor elements 20, 20,... At a high intensity, it is determined in step S21 that the controller 78 has detected fluorescence with the photosensor elements 20, 20,. (Step S21: Yes), and the process of the controller 78 shifts to the confirmation step SC3. On the other hand, if the sample DNA fragment has not spread to the probe electrodes 35 in the fourth row and the probe electrodes 35 in the sixth row, the controller 78 sets the fourth and sixth photosensor elements 20 and 20 in step S21. ,... (Step S21: No), the process of the controller 78 proceeds to Step S19. By repeating the processing of the controller 78 in step S21: No → step S19 → step S20, the shaker 83 continues the stirring operation until the sample DNA fragment spreads to the probe electrodes 35 in the fourth and sixth rows. At the time of stirring by the shaker 83, a higher voltage than the first electrode 74 is applied to the probe electrodes 35, 35, 35 in the seventh to ninth columns, so that the seventh to ninth columns are used. The sample DNA fragment migrated and diffused to the probe electrodes 35, 35, 35 does not spread far away from the probe electrodes 35, 35, 35 in the seventh to ninth columns.
In the confirmation step SC3, the controller 78 confirms whether fluorescence has been detected in the vicinity of the first row of probe electrodes 35 in step S13 or whether fluorescence has been detected in the vicinity of the second row of probe electrodes 35 in step S15. . If it is confirmed that the fluorescence has been detected, the process proceeds to step S22. If it is confirmed that the fluorescence has not been detected, the process proceeds to a confirmation step SC4.
[0121]
In step S22, the controller 78 activates the shaker 83, and the shaker 83 generates a relatively large sample DNA fragment having substantially the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the first to third rows. The electrophoretic medium 82 in the bathtub 71 is agitated with the optimum strength. At this time, the voltage control circuit 73 changes the potentials of the fourth to ninth column probe electrodes 35, 35,... In the first to third column probe electrodes 35, 35 in accordance with instructions from the controller 78. , 35, the first electrode 74 and the second electrode 75 are applied with a voltage higher than the potential of the probe electrodes 35, 35, 35, the first electrode 74 and the The two electrodes 75 are set to the ground potential.
[0122]
Next, the driver circuit 76 drives the light detection device 2 in accordance with an instruction from the controller 78, and the light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is stored in the driver circuit 76. Is output to the controller 78 (step S23). Then, the controller 78 determines whether or not fluorescence has been detected by the photosensor elements 20, 20,... In the first to third columns based on the image data (step S24).
[0123]
Here, when the electrophoretic medium 82 is stirred in the step S22, the sample DNA fragments migrated to the probe electrodes 35 in the second row are moved to the probe electrodes 35 in the first row and the probe electrodes 35 in the third row. spread. When the sample DNA fragment spreads to the first row of probe electrodes 35 and the third row of probe electrodes 35, as shown in FIG. 27, the fluorescence emitted from the sample DNA fragments becomes the first row to the third row of photons. .. Are incident on the semiconductor 23 of the sensor elements 20, 20,... At a high intensity, it is determined that the controller 78 has detected the fluorescence in the photosensor elements 20, 20,. (Step S24: Yes), and the process of the controller 78 proceeds to Step S25. On the other hand, if the sample DNA fragment has not spread to the first row of probe electrodes 35 and the third row of probe electrodes 35, the controller 78 sets the first and third row of photosensor elements 20 and 20 in step S24. ,... (Step S24: No), the process of the controller 78 proceeds to Step S22. By repeating the processing of the controller 78 in step S24: No → step S22 → step S23, the shaker 83 continues the stirring operation until the sample DNA fragment spreads to the first and third row of probe electrodes 35. Since a higher voltage than the first electrode 74 is applied to the probe electrodes 35, 35,... In the fourth to ninth columns during the stirring by the shaker 83, the fourth to ninth columns are used. , The sample DNA fragments migrated and diffused to the probe electrodes 35, 35,... Do not spread far away from the probe electrodes 35, 35, 35 in the fourth to ninth rows.
In the confirmation step SC4, it is confirmed whether or not the controller 78 has confirmed that fluorescence has been detected in at least one of the confirmation steps SC1 to SC3. Here, if it is confirmed that the detection of the fluorescence has been confirmed, the process proceeds to step S25, and if it is confirmed that the detection of the fluorescence has not been confirmed, the operation is terminated.
[0124]
As described above, when the processing of the controller 78 shifts to step S25, the sample DNA fragments having substantially the same number of bases as the respective probe DNA fragments 61 have reached the spots 60, 60,. A plurality of types of sample DNA fragments are sorted according to the number of bases. That is, as shown in FIG. 28, for example, when the number of bases of the sample DNA fragment 151 is the same as the number of bases of the probe DNA fragment 61 of the spots 60, 60,. The sample DNA fragment 151 reaches the spots 60, 60,... In the seventh to ninth columns at a high concentration, and the number of bases in the sample DNA fragment 152 is the spot 60 in the fourth to sixth columns. , 60,..., The sample DNA fragment 152 reaches the spots 60, 60,. When the number of bases of the sample DNA fragment 153 is the same as the number of bases of the probe DNA fragment 61 in the spots 60, 60,. Spot in the third column 0, 60, has been reached at a high concentration up to ....
[0125]
In step S25, the stirring by the shaker 83 ends, and the voltage control circuit 73 sets all the probe electrodes 35, 35,..., The first electrode 74, and the second electrode 75 to the same voltage according to the instruction of the controller 78. . In particular, the voltage control circuit 73 preferably sets the probe electrodes 35, 35,..., The first electrode 74, and the second electrode 75 to the ground potential. Then, the temperature control circuit 80 drives the temperature adjusting elements 72, 72,... According to the instruction of the controller 78, and causes the temperature adjusting elements 72, 72,. As a result, the temperature control elements 72, 72,... Absorb heat, heat is conducted from the probe electrodes 35, 35,... To the temperature control elements 72, 72,. Cooled. If the temperature control elements 72, 72,... Can only perform heating, the temperature control circuit 80 stops the heat generation by the temperature control elements 72, 72,. Is done.
[0126]
When the electrophoretic medium 82 in the bathtub 71 is cooled, if the probe DNA fragment 61 of the spot 60 where the sample DNA fragment has reached is complementary to the sample DNA fragment, the sample DNA fragment is added to the probe DNA fragment 61. Hybridize. On the other hand, when the probe DNA fragment 61 in the spot 60 where the sample DNA fragment has reached is not complementary to the sample DNA fragment, the sample DNA fragment does not hybridize to the probe DNA fragment 61.
[0127]
After a lapse of a predetermined time, the voltage control circuit 73 operates according to an instruction from the controller 78 so that the potential of the first electrode 74 and the potential of the second electrode 75 become higher than the potentials of all the probe electrodes 35, 35,. A voltage is applied (step S26). In particular, the voltage control circuit 73 preferably sets the first electrode 74 and the second electrode 75 to the ground potential, and sets the probe electrodes 35, 35,. Here, the voltage of each of the probe electrodes 35, 35,... With respect to the first electrode 74 is equal to or higher than the voltage at which the sample DNA fragment mishybridized to the probe DNA fragment is separated from the probe DNA fragment and hybridized to the probe DNA fragment. The voltage is lower than the voltage at which the sample DNA fragment is not separated from the probe DNA fragment.
[0128]
When a negative voltage is applied to the probe electrodes 35, 35,..., The sample DNA fragment or probe DNA mishybridized with the probe DNA fragment 61 of the spots 60, 60,. Since the sample DNA fragment not hybridized with the fragment 61 is not complementary to the probe DNA fragment 61, it is separated from the probe DNA fragment 61 and migrates to the first electrode 74 and the second electrode 75. On the other hand, the sample DNA fragment hybridized with the probe DNA fragments of the spots 60, 60,... Among the plurality of types of sample DNA fragments is complementary to the probe DNA fragment 61 and is not separated from the probe DNA fragment 61. Maintain the state of being connected to
[0129]
Therefore, after step S26, each of the plural types of sample DNA fragments remains only in the spot 60 composed of the complementary probe DNA fragments 61 having the same number of bases. Each of the plurality of types of sample DNA fragments does not remain on the spot 60 composed of the probe DNA fragments 61 having different numbers of bases, nor does it remain on the spot 60 composed of the non-complementary probe DNA fragments 61. For example, as shown in FIG. 29, when the sample DNA fragment 151 has the same number of bases and is complementary to the probe DNA fragment 61 of any of the spots 60 in the eighth column, the sample DNA fragment 151 It remains at any spot 60 in the eye. Similarly, when the sample DNA fragment 152 has the same number of bases and is complementary to the probe DNA fragment 61 of any spot 60 in the fifth column, the sample DNA fragment 152 It remains at the spot 60. If the sample DNA fragment 153 has the same number of bases and is complementary to the probe DNA fragment 61 of any of the spots 60 in the second column, the sample DNA fragment 153 is placed in any of the spots 60 in the second column. Remains. When the sample DNA fragments 151, 152, and 153 are distributed as shown in FIG. 29, the fluorescence intensity distribution along the row direction in the image becomes the fluorescence intensity distribution as shown in FIG.
[0130]
After the elapse of a predetermined time, the voltage control circuit 73 applies the first electrode 74, the second electrode 75, and all the probe electrodes 35, 35,. . If the driver circuit 76 has confirmed the fluorescence in step S3 or step S5 according to the instruction from the controller 78, for example, the photosensor elements 20, 20 in the columns corresponding to the locations, that is, the seventh to ninth columns Are driven, and if fluorescence has been confirmed in all of the steps S3 or S5, S8 or S10, S13 or S15, the photosensor elements 20 in the first to ninth columns , 20,..., The light detection device 2 acquires an image representing the fluorescence intensity distribution during emission of the ultraviolet irradiator 77, and the image data is output from the driver circuit 76 to the controller 78 (step S27). . The temperature control circuit 80 drives the temperature control elements 72, 72,... Until the step S27 in step S25 to cause the temperature control elements 72, 72,. When the operation 2 is completed, the cooling operation by the temperature control elements 72, 72,. Further, a temperature detector for detecting the temperature of the electrophoretic medium 82 is provided in the bathtub 71, the temperature detected by the temperature detector is fed back to the controller 78, and the controller 78 controls the temperature control circuit 80 according to the detected temperature. The temperature control circuit 80 may control the temperature adjusting elements 72, 72,... So that the temperature of the electrophoretic medium 82 is maintained at 45 ° C. or more from step S25 to step S27. When it is determined that the process proceeds to step S25, in step S27, the photosensor elements 20, 20,... In the first to ninth columns are driven without confirming which column has detected the fluorescence. Is also good.
[0131]
Then, the controller 78 outputs the image data to the display device 81, and confirms in which probe DNA fragment 61 a complete hybrid has occurred from the light-detected image data of the photosensor elements 20, 20,. The base sequence of the hybridized sample DNA fragment is identified from the base sequence data of the probe DNA fragment 61 from the base sequence of the probe DNA fragment 61 (step S28), and the operation of the DNA identification device 100 ends. In step S28, the display device 81 may display the base sequence of the hybridized sample DNA fragment in accordance with the controller 78.
[0132]
As described above, in the present embodiment, the spots 60, 60,... Are the electrode sets of the first to third rows of probe electrodes 35, 35, 35, and the fourth to sixth rows of probes. The electrode set is separated into an electrode set of electrodes 35, 35, and 35, and an electrode set of probe electrodes 35, 35, and 35 in the seventh to ninth columns. The spots 60, 60,... Arranged in the common electrode set have the same number of bases but different base sequences. Furthermore, the number of bases in the spot 60 decreases as the electrode set moves toward the second electrode 75.
[0133]
In the above configuration, a sample DNA fragment is injected into the first electrode 74, and a voltage is applied between the second electrode 75 and the first electrode 74 as in steps S1, S6, and S11. Then, the sample DNA fragment migrates, but the sample DNA fragment having a smaller number of bases migrates closer to the second electrode 75 because of its smaller volume and lower fluid resistance. Accordingly, a plurality of types of sample DNA fragments are separated for each base number. Then, after a sample DNA fragment having approximately the same number of bases as the probe DNA fragments 61 in the seventh to ninth columns is separated in step S1 from the plurality of types of sample DNA fragments, the sample DNA fragment is separated in step S4. By electrophoresis in the depth direction toward the probe electrode 35 in the eighth row, the sample DNA fragment having substantially the same number of bases becomes high concentration around the probe electrode 35 in the eighth row. Step S9 is similarly performed after step S6, and step S14 is similarly performed after step S11.
[0134]
Thereafter, in steps S16, S19, and S22, the optimal agitation is performed for each base number, so that the sample DNA fragments having substantially the same base number are uniformly and highly concentrated in each spot 60. Therefore, in step S25, the sample DNA fragment can be hybridized with only the complementary probe DNA fragment 61 having substantially the same base number. Therefore, the base sequences of a plurality of sample DNA fragments having different numbers of bases can be identified almost simultaneously. Therefore, if the present DNA identification device 1 is used, it is not necessary to perform the process of extracting a sample DNA fragment having the same base number from the sample DNA of the specimen, and the structure of the sample DNA can be analyzed more quickly.
[0135]
At the time when the process proceeds to step S25, since the sample DNA fragments having substantially the same number of bases are distributed at a high concentration in each spot 60, the sample that binds to the complementary probe DNA fragment in the subsequent step S25. The number of DNA fragments increases. Therefore, in the subsequent step S27, the fluorescence intensity emitted from the spot 60 complementary to the sample DNA fragment is increased, and the fluorescence distribution can be more efficiently detected by the light detection device 2.
[0136]
Further, since a lower voltage is applied to the probe electrodes 35, 35,... Than the electrodes 74 and 75 in step S26, the sample DNA fragment that has reached the non-complementary spot 60 has a negative polarity. , From the spot 60 to the first electrode 74 and the second electrode 75. In the subsequent step S27, no fluorescence is emitted from the spot 60 that is not complementary to the sample DNA fragment, and fluorescence is emitted from the spot 60 that is complementary to the sample DNA fragment, and the intensity becomes clear. Therefore, the image acquired by the light detection device 2 has high contrast, and it is possible to easily determine which part in the image is bright.
[0137]
Further, in step S26, since the sample DNA fragment leaves the non-complementary spot 60, it is not necessary to wash the surface of the DNA sensor 1 after the hybridization, and the working efficiency is improved. In step S26, a voltage higher than the probe electrodes 35, 35,... Is applied to both the first electrode 74 and the second electrode 75, but the probe electrode 35 is applied to only one of the first electrode 74 and the second electrode 75. , 35,... May be applied.
[0138]
Also, the temperature control circuit 80 controls the temperature control elements 72, 72,... During steps S1 to S24, so that the temperature of the electrophoretic medium 82 becomes about 95 ° C., so that the sample DNA fragments are hybridized with each other. The denatured state can be maintained without the need for electrophoresis.
[0139]
Further, the temperature control circuit 80 controls the temperature control elements 72, 72,..., So that the temperature of the electrophoretic medium 82 becomes approximately 45 ° C. in step S25, so that the sample DNA fragment and the complementary probe DNA fragment 61 Easy to hybridize.
[0140]
Also, since a plurality of types of spots 60, 60,... Are arranged on the surface of the light detection device 2, a clear image can be captured by the light detection device 2 without a lens or a microscope. A two-dimensional image can be taken even without it. Therefore, it is not necessary to provide a lens, a microscope, and a scanning mechanism in the DNA identification device 100, and the size of the DNA identification device 100 can be reduced.
Since the spots 60 are arranged on the surface of the light detecting device 2, the fluorescent light emitted from the complementary spots 60 is incident on the photo sensor element 20 of the light detecting device 2 with almost no attenuation. Therefore, the sensitivity of the light detection device 2 does not need to be high.
[0141]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the probe electrodes 35, 35,... Are divided into three adjacent electrode sets, but may be divided into one electrode set or two electrode sets. They may be divided into sets, or may be divided into four or more electrode sets. Further, the number of probe electrodes 35 may be different for each electrode set. Further, in the above embodiment, one probe electrode 35 is arranged in one vertical column of the photosensor elements 20, 20,..., But two vertical columns of the photosensor elements 20, 20,. One probe electrode 35 may be arranged per row. Further, in the above embodiment, one photosensor element 20 corresponds to one spot 60, but one spot 60 may correspond to two or more adjacent photosensor elements 20. . However, in any case, the spots 60, 60,... Arranged in the same row have the same number of bases in the probe DNA fragment 61, and the base sequence of the probe DNA fragment 61 differs for each spot 60.
In step S4, only the probe electrodes 35, 35,... In the eighth column have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,. The probe electrodes 35, 35,... In the columns 9 to 9 may have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,. In step S9, only the probe electrodes 35, 35,... In the fifth column have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,. The probe electrodes 35, 35,... In the columns from the sixth column to the sixth column may have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,. In step S14, only the probe electrodes 35, 35,... In the second column have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,. The probe electrodes 35, 35,... In the third to third columns may have a higher potential than the other probe electrodes 35, 35,.
[0142]
In the above embodiment, a single-stranded sample DNA fragment having a smaller number of bases is electrophoretically arranged on an electrophoretic medium 82 above the probe electrodes 35, 35,... Provided with a probe DNA fragment 61 having a smaller number of bases. After that, a single-stranded sample DNA fragment having a larger number of bases is electrophoretically arranged on the electrophoresis medium 82 above the probe electrodes 35, 35,... Provided with the probe DNA fragment 61 having a larger number of bases. However, the single-stranded sample DNA fragment having a larger number of bases was electrophoretically arranged on the electrophoretic medium 82 above the probe electrodes 35 provided with the probe DNA fragment 61 having a larger number of bases. After that, the single-stranded DNA having a smaller number of bases is placed on the electrophoresis medium 82 above the probe electrodes 35, 35, ... provided with the probe DNA fragments 61 having a smaller number of bases. Pull DNA fragment to be disposed by electrophoresis, and a position where the plurality of kinds of sample DNA fragments are injected in the initial state, the probe electrode 35, ... and the position of, may be adjusted. In this case, the order is set so that steps S3 to S5 and steps S13 to S15 are interchanged, and steps S16 to S18 and steps S22 to S24 are interchanged. Also, regardless of the number of bases, the sample DNA fragment is almost simultaneously electrophoresed on the electrophoretic medium 82 above the probe electrodes 35, 35,... Provided with the probe DNA fragments 61 having substantially the same number of bases as the sample DNA fragment. It may be. At this time, the controller 78 may substantially synchronize steps S3, S8, and S13, may substantially synchronize steps S4, S9, and S14, and may substantially synchronize steps S5, S10, and S15. May be.
[0143]
Further, in the above embodiment, the photodetection device 2 using the photosensor elements 20, 20,... As the photoelectric conversion elements of the pixels has been described as an example, but the photodetection device using the photodiode as the photoelectric conversion element (imaging) Device). As a light detecting device using a photodiode, there are a CCD image sensor and a CMOS image sensor other than a double gate transistor if the temperature required for hybridization is within an operable temperature range.
In a CCD image sensor, photodiodes are arranged in a matrix of n rows and m columns on a substrate, and around each photodiode, an electric signal for photoelectrically converting the photodiode is transferred. A vertical CCD and a horizontal CCD are formed. In a CMOS image sensor, photodiodes are arranged in a matrix of n rows and m columns on a substrate. Pixels for amplifying electric signals photoelectrically converted by the photodiodes are arranged around each photodiode. A circuit is provided.
[0144]
In the above embodiment, the temperature control circuit 80 drives the temperature control elements 72, 72,... During the period from the start of the DNA analyzer 100 to the start of step S25, so that the electrophoretic medium 82 is at 95 ° C. Although the temperature is kept as described above, the temperature control elements 72, 72,... May be controlled as in the following (a) to (d).
[0145]
(A) In the case of Yes in step S3, the temperature control circuit 80 drives the eighth row of temperature control elements 72 according to the instruction of the controller 78 until the start of step S4 to step S16, The eye temperature adjusting element 72 is caused to perform a cooling operation. As a result, the temperature adjusting elements 72 in the eighth row absorb heat, the probe electrodes 35 in the eighth row are cooled, and the spots 60 in the eighth row are locally cooled to about 45 ° C. . Thus, the probe DNA fragments 61 of the spots 60, 60,... In the eighth row can be hybridized. Further, in the case of Yes in step S3, the temperature control circuit 80 drives the temperature control elements 72, 72, 72 in the seventh to ninth columns according to the instruction of the controller 78 from the step S19 to the end of step S27. Then, the cooling operation is performed by the temperature control elements 72, 72, 72 in the seventh to ninth columns.
[0146]
(B) In the case of Yes in step S8, the temperature control circuit 80 drives the fifth row of temperature control elements 72 according to the instruction of the controller 78 until the start of step S9 to step S19, and the fifth row The eye temperature adjusting element 72 is caused to perform a cooling operation. As a result, the fifth-row temperature control elements 72 absorb heat, the eighth-row probe electrodes 35 are cooled, and the fifth-row spots 60 are locally cooled to about 45 ° C. . Thus, the probe DNA fragments 61 in the spots 60, 60,... In the fifth row can be hybridized. Further, in the case of Yes in step S8, the temperature control circuit 80 drives the fourth to sixth rows of temperature control elements 72, 72, 72 according to the instruction of the controller 78 from the step S22 to the end of step S27. Then, the cooling operation is performed by the temperature control elements 72, 72, 72 in the fourth to sixth columns.
[0147]
(C) If Yes in step S13, the temperature control circuit 80 drives the second row of temperature control elements 72 according to the instruction of the controller 78 from the step S14 to the start of step S22. The eye temperature adjusting element 72 is caused to perform a cooling operation. As a result, the temperature adjusting elements 72 in the second row absorb heat, the probe electrodes 35 in the second row are cooled, and the spots 60 in the second row are locally cooled to about 45 ° C. . Thus, the probe DNA fragments 61 in the spots 60, 60,... Of the second row can be hybridized. Further, in the case of Yes in step S13, the temperature control circuit 80 drives the temperature adjusting elements 72, 72, 72 in the first to third columns from the step S25 to the end of step S27 according to the instruction of the controller 78. Then, the cooling operation is performed by the temperature control elements 72, 72, 72 in the first to third columns.
[0148]
(D) The temperature control element 72 that is not performing the cooling operation in (a) to (c) is driven by the temperature control circuit 80 to perform the heating operation.
[0149]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the temperature adjusting element adjusts the temperature of the plurality of spots via the probe electrode, it is possible to efficiently cool the vicinity of the spot where hybridization is performed by locally cooling the spot.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway side view of a DNA identification device to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a top view showing the DNA identification device.
FIG. 3 is a plan view showing some pixels of a light detection device provided in the DNA identification device.
FIG. 4A is a plan view showing one pixel of the photodetection device, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along a line II-II.
FIG. 5 is a block diagram showing a control configuration of the DNA identification device.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a light detection device and a driver circuit of the DNA identification device.
FIG. 7 is a timing chart illustrating an example of a basic drive control method of a photosensor element.
FIG. 8 is a conceptual diagram of the operation of the photosensor element.
FIG. 9 is a diagram showing a light response characteristic of an output voltage of the photo sensor element.
FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the DNA identification device.
FIG. 11 is a flowchart showing a continuation of FIG. 10;
FIG. 12 is a flowchart showing a continuation of FIG. 11;
FIG. 13 is a drawing showing a distribution state of sample DNA fragments in a bathtub during the operation of the DNA identification device, together with the DNA identification device.
FIG. 14 is a graph showing the fluorescence intensity distribution according to the distribution state of the sample DNA fragments in FIG.
FIG. 15 is a drawing showing a distribution state of a sample DNA fragment in a bathtub during the operation of the DNA identification device, together with the DNA identification device.
FIG. 16 is a graph showing the fluorescence intensity distribution according to the distribution state of the sample DNA fragments in FIG.
FIG. 17 is a drawing showing a distribution state of a sample DNA fragment in a bathtub during operation of the DNA identification device, together with the DNA identification device.
18 is a graph showing the fluorescence intensity distribution according to the distribution state of the sample DNA fragments in FIG.
FIG. 19 is a drawing showing a distribution state of sample DNA fragments in a bathtub during the operation of the DNA identification device, together with the DNA identification device.
20 is a graph showing the fluorescence intensity distribution according to the distribution state of the sample DNA fragments in FIG.
FIG. 21 is a drawing showing a distribution state of sample DNA fragments in a bathtub during operation of the DNA identification device, together with the DNA identification device.
FIG. 22 is a graph showing a fluorescence intensity distribution according to a distribution state of the sample DNA fragments in FIG. 21.
FIG. 23 is a drawing showing a distribution state of sample DNA fragments in a bathtub together with the DNA identification device during operation of the DNA identification device.
FIG. 24 is a graph showing a fluorescence intensity distribution according to a distribution state of the sample DNA fragments in FIG. 23.
FIG. 25 is a graph showing a fluorescence intensity distribution according to a distribution state of a sample DNA fragment after the first stirring.
FIG. 26 is a graph showing a fluorescence intensity distribution according to a distribution state of a sample DNA fragment after the second stirring.
FIG. 27 is a graph showing a fluorescence intensity distribution according to a distribution state of a sample DNA fragment after the third stirring.
FIG. 28 is a drawing showing a distribution state of a sample DNA fragment after the third stirring together with the DNA identification device.
FIG. 29 is a drawing showing a distribution state of a sample DNA fragment after drawing an unhybridized sample DNA fragment to a first electrode and a second electrode together with the DNA identification device.
30 is a graph showing the fluorescence intensity distribution according to the distribution state of the sample DNA fragments in FIG. 29.
[Explanation of symbols]
1 DNA sensor
2 Light detection device
20 Photo sensor element
34 UV shielding layer
35 probe electrode
60 spots
61 Probe DNA fragment
71 Bathtub
72 Temperature control element
74 First electrode
75 Second electrode
73 Voltage control circuit
76 Driver circuit
77 UV irradiator
80 Temperature control circuit
82 Electrophoresis medium
83 Shaker
100 DNA analyzer
151, 152, 153 Sample DNA fragment

Claims (10)

電気泳動媒体が入った浴槽と、
前記浴槽に並んだ複数のプローブ電極と、
既知の塩基配列を有したプローブDNA断片からなるとともに、前記複数のプローブ電極に配列された複数のスポットと、
前記プローブ電極を介して前記複数のスポットの温度を調節する温度調節素子と、
を備えることを特徴とするDNA分析装置。
A bathtub containing the electrophoresis medium,
A plurality of probe electrodes arranged in the bath,
A plurality of spots composed of a probe DNA fragment having a known base sequence and arranged on the plurality of probe electrodes,
A temperature control element for controlling the temperature of the plurality of spots via the probe electrode;
A DNA analyzer, comprising:
前記温度調節素子が前記複数のプローブ電極のそれぞれに当接し、前記複数のプローブ電極の一部を介して前記複数のスポットの一部の温度を選択的に調節することを特徴とする請求項1に記載のDNA分析装置。2. The temperature adjusting element abuts on each of the plurality of probe electrodes, and selectively adjusts a temperature of a part of the plurality of spots via a part of the plurality of probe electrodes. 3. The DNA analyzer according to item 1. 前記浴槽中に配置され、前記浴槽の幅方向に対向配置した第一電極及び第二電極を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のDNA分析装置。The DNA analyzer according to claim 1, further comprising a first electrode and a second electrode arranged in the bathtub and opposed to each other in a width direction of the bathtub. 前記複数のプローブ電極は、一つのプローブ電極又は隣り合う幾つかのプローブ電極からなる複数の電極組に分けられ、
前記複数の電極組のうちの所定の電極組に配列されたスポット同士は、プローブDNA断片の塩基配列が互いに異なり、且つ一本のプローブDNA断片の塩基数が互いに同一であるか又は前記所定の電極組以外のプローブ電極に配列されたスポットの一本のプローブDNA断片の塩基数よりも互いにより近似し、
前記第二電極側に位置する一本のプローブDNA断片は、前記第一電極側に位置する一本のプローブDNA断片より塩基数が少ないことを特徴とする請求項3に記載のDNA分析装置。
The plurality of probe electrodes are divided into a plurality of electrode sets including one probe electrode or several adjacent probe electrodes,
The spots arranged on a predetermined electrode set among the plurality of electrode sets have different base sequences of the probe DNA fragments, and the number of bases of one probe DNA fragment is the same as each other or the predetermined number of bases are different. More closely approximate to each other than the number of bases of one probe DNA fragment of the spot arranged on the probe electrode other than the electrode set,
The DNA analyzer according to claim 3, wherein one probe DNA fragment located on the second electrode side has a smaller number of bases than one probe DNA fragment located on the first electrode side.
前記第二電極の電位が前記第一電極の電位より高くなるように電圧を所定時間印加する電圧印加工程を前記電極組の組数だけ繰り返す電圧制御回路を備えることを特徴とする請求項3又は4に記載のDNA分析装置。4. A voltage control circuit which repeats a voltage application step of applying a voltage for a predetermined time so that the potential of the second electrode is higher than the potential of the first electrode by the number of the electrode sets, wherein a voltage control circuit is provided. 5. The DNA analyzer according to 4. 前記電圧制御回路による電圧印加工程が繰り返されている時に、前記温度調節素子に発熱動作を行わせ、前記電圧制御回路による電圧印加工程の繰り返しが終了した後には、前記温度調節素子の発熱動作を終了する温度制御回路を備えることを特徴とする請求項5に記載のDNA分析装置。When the voltage application step by the voltage control circuit is repeated, the temperature control element performs a heating operation, and after the repetition of the voltage application step by the voltage control circuit, the heat generation operation of the temperature control element is performed. The DNA analyzer according to claim 5, further comprising a temperature control circuit for terminating the DNA analysis. 前記電圧制御回路は、電圧印加工程のそれぞれの後に、前記複数の電極組のうち前記第二電極から近い順に一つの電極組を選択して、その選択した電極組中の一又は複数のプローブ電極の電位が前記第一電極及び第二電極の少なくとも一方の電位よりも高くなるように電圧を印加することを特徴とする請求項5に記載のDNA分析装置。The voltage control circuit, after each of the voltage application step, selects one of the plurality of electrode sets in order from the second electrode closest to the second electrode, one or more probe electrodes in the selected electrode set The DNA analyzer according to claim 5, wherein a voltage is applied such that a potential of the first electrode and the second electrode is higher than a potential of at least one of the first electrode and the second electrode. 前記電圧制御回路は、全ての電極組を選択した後に前記第一電極及び前記第二電極の少なくとも一方の電位が前記複数のプローブ電極の電位よりも高くなるように電圧を印加することを特徴とする請求項7に記載のDNA分析装置。The voltage control circuit is characterized in that a voltage is applied such that the potential of at least one of the first electrode and the second electrode is higher than the potentials of the plurality of probe electrodes after selecting all the electrode sets. The DNA analyzer according to claim 7, wherein 前記複数のプローブ電極に配列された複数のスポットに対応して設けられた複数のフォトセンサ素子を有することを特徴とする請求項1から8の何れか一項に記載のDNA分析装置。The DNA analyzer according to any one of claims 1 to 8, further comprising a plurality of photosensor elements provided corresponding to the plurality of spots arranged on the plurality of probe electrodes. 電気泳動媒体が入った浴槽に設けられた複数のプローブ電極に電圧を印加して前記電気泳動媒体中のサンプルDNA断片を前記プローブ電極に設けられたプローブDNA断片に引き寄せる電気泳動ステップと、
前記プローブ電極を介して前記プローブDNA断片及びその周囲の電気泳動媒体の温度を調節する温度調節ステップと、
を含むことを特徴とする分析方法。
An electrophoresis step of applying a voltage to a plurality of probe electrodes provided in a bath containing an electrophoresis medium to attract sample DNA fragments in the electrophoresis medium to the probe DNA fragments provided in the probe electrodes;
A temperature adjusting step of adjusting the temperature of the probe DNA fragment and the surrounding electrophoretic medium through the probe electrode,
An analysis method comprising:
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