JP2005127945A - 給電用配線が延設されたバイオアッセイ用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 円盤状基板上に多数配列される反応領域に付設される電極に対する給電用配線構成の提供。
【解決手段】 基板Ａ上に多数配設された物質間の相互作用の場となる反応領域Ｒに設けられた電極に対して、前記基板中心部に設けられた通電部Ｕから前記電極への給電用配線である、前記通電部Ｕから基板外周方向へ導出された第一配線１と、該第一配線から枝分れした第二配線２と、該第二配線からさらに枝分れした第三配線３と、を設けておき、前記通電部Ｕからこれらの給電用配線１，２，３を介して前記電極に印加し、前記反応領域Ｒに電界を形成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、円盤状基板からなるＤＮＡチップその他のバイオアッセイ用基板に関する。より詳しくは、円盤状基板の所定箇所に設けられた通電部から基板上に配設された各反応領域中の電極に対して延設される給電用配線構成、特に前記反応領域周辺の給電用配線構成に係わる技術に関する。

本発明に関する第一の従来技術は、マイクロアレイ技術によって所定のＤＮＡが微細配列された、いわゆるＤＮＡチップ又はＤＮＡマイクロアレイ（以下、「ＤＮＡチップ」と総称。）と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板に関する技術である。このＤＮＡチップ技術は、ガラス基板やシリコン基板上に多種・多数のＤＮＡオリゴ鎖やｃＤＮＡ（complementary DNA）等が集積されていることから、ハイブリダイゼーション等の分子間相互反応の網羅的解析が可能となる点が特徴とされている（特許文献１、特許文献２など参照）。このためＤＮＡチップは、遺伝子の変異解析、ＳＮＰｓ（一塩基多型）分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されており、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の分野において広範囲に活用され始めている。ＤＮＡチップ以外にも、基板上にタンパク質を固定したプロテインチップや種々の物質間の相互作用を解析するためのバイオセンサーチップなども開発されている。

第二の従来技術は、液相中において荷電して存在する物質に対する電界の作用に係わる技術である。具体的には、ヌクレオチド鎖（核酸分子）は、液相中において電界の作用を受けると伸長又は移動することが知られており、その原理は、ヌクレオチド鎖の骨格をなすリン酸イオン（陰電荷）とその周辺にある水がイオン化した水素原子（陽電荷）とによってイオン曇を作っていると考えられ、これらの陰電荷及び陽電荷により生じる分極ベクトル（双極子）が、高周波高電圧の印加により全体として一方向を向き、その結果としてヌクレオチド鎖が伸長し、加えて、電気力線が一部に集中する不均一電界が印加された場合、ヌクレオチド鎖は電気力線が集中する部位に向かって移動する（非特許文献１参照）。また、数十から数百μｍのギャップを持つ微細電極中にＤＮＡ溶液をおき、ここに１ＭＶ／ｍ、１ＭＨｚ程度の高周波電界を印加すると、ランダムコイル状で存在するＤＮＡに誘電分極が生じ、その結果、ＤＮＡ分子は電界と平行に直線状に引き伸ばされる。そして、この誘電泳動と呼ばれる電気力学的効果によって、分極したＤＮＡは自発的に電極端へと引き寄せられ、電極エッジにその一端を接した形で固定されることが知られている（非特許文献２参照）。
特表平４−５０５７６３号公報。 特表平１０−５０３８４１号公報。 Seiichi Suzuki，Takeshi Yamanashi,Shin-ichi Tazawa,Osamu Kurosawa and Masao Washizu:"Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric field using fluorescence anisotropy",IEEE Transaction on Industrial Applications,Vol.34,No.1,P75-83(1998)。 鷲津正夫、「見ながら行うＤＮＡハンドリング」、可視化情報 Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．７６（２０００年１月）。

現在のＤＮＡチップ技術は、液相中での物質間の相互作用の場を提供する反応領域を基板に予め多数設定しておき、この反応領域中にＤＮＡプローブ等の検出用ヌクレオチド鎖を固定しておくことによって、この検出用ヌクレオチド鎖と相補的な標的ヌクレオチド鎖との間の相互作用であるハイブリダイゼーションを網羅的に解析する技術として普及しつつある。

このＤＮＡチップ技術を実施する場合において、前記反応領域中に前記検出用ヌクレオチド鎖（例えば、ＤＮＡプローブ）を、丸まったランダムコイル様の状態ではなく、伸長状態で固定しておくことが可能となれば、物質の高次構造に起因する、いわゆる立体障害の弊害や前記検出用ヌクレオチド鎖と周辺表面との干渉（例えば、付着や接触）がなくなるので、ハイブリダイゼーションの効率が向上すると考えられる。

この新規着想に基づいて、基板上に配列される反応領域中に、検出用表面として機能する電極を予め配置しておき、この電極とこれに対向する電極との間で、反応領域中の液相に電界を印加する構成を本願発明者らが新規に案出し、これによって、該液相中にランダムコイル状で存在する検出用ヌクレオチド鎖を高周波電界の作用で伸長させ、かつ前記電極エッジにその末端部位を固定させるとともに、効率良くハイブリダイゼーションを進行させることができる技術を確立することができた。

しかし、前記技術を実用化するに当たっては、基板上に多数配置される電極への通電手段が必須となるので、電極構造を備える反応領域を様々な配列形態で、多数配設するのに有利な基板形態である円盤状基板を採用した場合においては、すべての反応領域の各電極に給電するための多数の配線を、干渉がないように基板上に整然と延設しなければならないという課題が生ずる。

また、このような円盤状基板においては、該基板上に、統一された形状の反応領域を周方向、放射状あるいはスパイラル状に配列し、加えて、複数の反応領域単位でのブロック分け（グループ分け）ができれば、基板スペース効率や記録情報の集積率が高まり、遺伝子等の網羅的、効率的解析に好適なバイオアッセイ用基板を提供できる。従って、このような反応領域の配列形態に適合した配線構成、特に反応領域周辺の配線構成を鋭意研究する必要がある。

また、多数の反応領域が配列された円盤状基板の記録情報を読み取る際には、ＣＤその他の光ディスクの記録情報読み取り作業と同様に、回転同期サーボやトラッキングサーボをかけることが考えられる。この場合、これらのサーボに利用できる専用の信号やマークを基板から読み取ることができるようにする必要があるが、基板上の構成がより複雑になってしまうという問題が生じる。

そこで、本発明は、円盤状基板を採用することに伴う新規課題を解決するために、給電用配線構成に工夫が施された円盤状のバイオアッセイ用基板、特に、複数の反応領域で構成されるブロック周辺の給電用配線構成に工夫が施された円盤状のバイオアッセイ用基板を提供することを主な目的とする。

本発明では、まず、物質間の相互作用の場となる反応領域が配設されており、該反応領域に設けられた電極と、前記基板中心部に設けられた通電部と、該通電部から前記電極への給電用配線と、を備える円盤状基板に関し、（１）前記通電部から基板外周方向へ向けて導出された「第一配線」、（２）該第一配線から枝分れした「第二配線」、（３）該第二配線からさらに枝分れした「第三配線」、以上（１）〜（３）に分類可能な配線種から構成しておき、前記通電部から前記給電用配線を介して前記電極に印加し、前記反応領域に電界を形成するように工夫されたバイオアッセイ用基板を提供する。

そして、本発明では、このバイオアッセイ用基板における前記第三配線を、前記第二配線から半径方向外側又は内側に向けて延設する構成を提供し、また、この第三配線を（反応領域の）前記電極に接続する末端給電配線として利用し、さらに、この第三配線を、基板中心を通過する半径方向線上に延設しておき、かつ基板中心側から外周側に向けて徐々に幅が太くなる構成とする。この構成によって、隣り合う該第三配線の間に挟まれて配列された前記反応領域の幅が一定になるように工夫できる。

第三配線の中心線の延長線が基板中心を通過する構成を提供し、場合によっては、この第三配線それ自体を（反応領域の）電極機能を兼ねる構成も提供する。また、反応領域に形成される電極が、互いに対向する少なくとも一対の電極から構成されている場合も想定し、このような場合には、対向する一方側の電極と他方側の電極が、それぞれ別の第二配線から交互に枝分かれした第三配線に接続させる構成も提供できる。

本発明に係るバイオアッセイ用基板上に配設される反応領域は、所定数単位でグループ分け（ブロック分け）することも可能であり、基板上の前記反応領域のすべてを、同心円又はスパイラル線状に効率よく配設することも自在に行うことができる。本発明に係るバイオアッセイ用基板は、このような配列構成をなす反応領域のすべてに対して、確実かつ効率的に給電できる好適な配線構成を有するからである。

また、基板上に配設された反応領域のすべてを、基板中心を通過する半径方向線上に配設させておくと、各反応領域の位置検出サーボが容易となるという利点もある。なお、上記した第二配線を基板上の記録情報を読み取る際の回転同期信号やトラッキング信号の基準として用いることによって、基板上に別途の信号基準を設ける必要がなくなるので、この点で、基板の構成あるいは構造を簡素化できる。

本発明に係るバイオアッセイ用基板によれば、円盤状の基板に対して電極が付設された反応領域を配列する場合、とくに、前記反応領域が基板上にグループ分けされ、かつ高密度で配設されている場合において、これに対応して、基板上に、前記電極に接続する給電用配線を高密度かつ整然と配線できる。この結果、基板の半径方向内外位置を問わず、反応領域を高密度で形成することが容易となる。また、効率的な配線構成により、配線長が短縮化されるので、配線抵抗を少なくすることができる。

また、本発明に係るバイオアッセイ用基板で採用した配線構成によれば、基板上の反応領域に付設された電極に対して、この電極の配置構成や形態を問わず、確実に給電を行うことができるので、基板設計の自由度を向上させることができる。

基板上のすべての部分に同一形状、サイズの電極付き反応領域を配列し、これに給電することが可能となる。

円盤状基板に延設された給電用配線を、記録情報読み取りの際に使用する回転同期信号の基準として、あるいはトラッキング信号の基準として、兼用することができる。この結果、これらの信号を得るためのピット群やバーコード群などの専用の信号やマークを基板に設けなくてもよくなるので、基板の構成をより簡素化できる。

以下、本発明を実施するための好適な形態について、添付図面を参照しながら説明する。

まず、図１は、本発明に係るバイオアッセイ用基板の配線構成の第一実施形態を説明するための簡略図である。なお、以下に使用するすべての図面では、説明の便宜上、基板上の構成を簡素化して示している。

図１中の符号Ａは、本発明に係るバイオアッセイ用基板（以下「基板」と略称。）を示している。この基板Ａは、ガラスや合成樹脂などの絶縁材料で形成されており、図１に示されているように、全体外観視、円盤状の形態を備えている。この基板Ａ上には、ミクロンオーダーの微小な反応領域Ｒ，Ｒ・・・が放射状、周方向、スパイラル状等の形状例に配設され、かつグループ分け可能な構成とされている。

これらの反応領域Ｒの典型的な形態を図２に拡大して示す。この反応領域Ｒは、物質間の相互作用（例えば、ハイブリダイゼーション）の場を提供する微少な領域であって、一般には、インクジェットノズルＮや図示しないディスペンサーなどから滴下される溶液やゲルなどの所定容量の媒質Ｓを、貯留又は保持することができるウエル形状（凹部形状）を有している。

この反応領域Ｒには、例えば、図２に示すように、対向する一対の電極Ｅ_１，Ｅ_２が、反応場ｒを挟むように対向配置されていたり、あるいは、図示はしないが、反応場ｒの底面等に電極が単独で配置されていたりしている。なお、本発明では、説明の便宜上、少なくとも一つの電極が付設されている反応領域を扱うものであり、電極の具体的な配置位置や形状は、特に限定されない。

ここで、再び図１を参照すると、基板Ａには、その中心部に所定口径の孔Ｈが形成されている。この孔Ｈは、基板Ａを保持又は回転させるための図示しないチャッキング部材や通電治具が挿入される箇所として機能する。この孔Ｈの周囲には、リング状の通電部Ｕが形成されている。この通電部Ｕは、孔Ｈに挿着される前記通電治具（図示せず。）と導通可能な構成とされている。

この通電部Ｕからは、給電用配線の主配線として機能する二本の第一配線１，１が、半径方向Ｘに沿って延設されている。なお、この第一配線１の本数は、二本に限定されず、必要に応じて本数を増減可能である。

図１に示された基板Ａでは、第一配線１，１からそれぞれ周方向に弧を描くように第二配線２，２・・が多数延設されている。さらに、これらの第二配線２からは、半径方向（図１中Ｘで示す方向）の内側と外側に向けて交互に導出されて延びる第三配線３が多数設けられている。なお、図１では、説明の便宜上から簡素化し、計４本の第二配線２と第三配線３が図示されている。

この第三配線３はそれぞれ、基板上に多数配設されている各反応領域Ｒの電極Ｅ_１や電極Ｅ_２に接続する末端給電配線としての役割を果たす。即ち、通電部Ｕに対して、図示しない通電治具が挿着されたときに、該通電部Ｕから第一配線１、第二配線２、第三配線３を順番に介して、所定の反応領域Ｒの電極Ｅ_１や電極Ｅ_２に電圧が印加される。

この電圧印加は、反応領域Ｒ中に、遊離状態又は固定化された状態で存在するＤＮＡプローブ等の検出用ヌクレオチド鎖Ｄや該検出用ヌクレオチド鎖Ｄと相補的な塩基配列を有する標的ヌクレオチド鎖Ｔを伸長させたり、誘電泳動の作用で移動させたりすることを目的として行う（図２参照）。なお、このような目的に特に適する電界は、高周波高電圧の交流電界である。

図３は、本発明に係るバイオアッセイ用基板の配線構成の第２実施形態を説明するための簡略図である。

この図３において符号Ｂで示された基板では、三分割された通電部Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３が、孔Ｈの周囲に形成されており、そして、通電部Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３からは、それぞれ一本の第一配線１ａ，１ｂ，１ｃが半径方向Ｘ（図１参照）に沿って延設されている。なお、このような分割された通電部Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３を備える構成を採用すると、基板Ｂの給電エリアを選択できるという利点がある。

この基板Ｂにおいても、第一配線１ａ，１ｂ，１ｃのそれぞれから周方向に円弧を描いて第二配線２が延設されており、この第二配線２からは、半径方向（図１中Ｘで示す方向）の内側と外側に向けて交互に延びる第三配線３が多数設けられている。なお、図３でも、説明の便宜上から簡素化し、第二配線２と第三配線３の数を限定して図示している。

次に、図４は、図３において符号Ｙで示された円形内基板領域の要部拡大図である。

通電部Ｕ_３から導出されて延びている第一配線１ａからは、その隣の第一配線１ｃ（図３参照）に向けて周方向に延びている第二配線２１ａが形成されているとともに、その外周側には、隣の第一配線１ｂ（図３参照）に向けて周方向に延びている第二配線２２ａが形成されている。

また、図４には、第一配線１ａの隣の第一配線１ｂ（図３参照）から該第一配線１ａの近傍に至るまで延設された第二配線２１ｂと，第一配線１ａの隣の第一配線１ｃ（図３参照）から該第一配線１ａの近傍に至るまで延設された第二配線２２ｃとが示されている。この図４に示すように、第二配線２１ｂと前記第二配線２１ａ、第二配線２２ｃと前記第二配線２２ａは、半径の異なる同心円上に位置している。

内側の第二配線２１ａとその一周外側の第二配線２２ｃとの間に挟まれた基板領域Ｚ_１には、図２で示す構成の反応領域Ｒ_１群が所定個数配置されている。また同様に、内側の第二配線２１ｂとその外側の第二配線２２ａとの間に挟まれた基板領域Ｚ_２は、図２で示す構成の反応領域Ｒ_２群が所定個数配置されている。

反応領域Ｒ_１群と反応領域Ｒ_２群は、それぞれ別のＤＮＡプローブＤ（図２参照）が固定化された別の反応領域グループ（ブロック）を構成している。なお、反応領域のグルーピング（ブロック分け）の方法は、これに限定されない。

ここで、図４で示す符号３１は、半径方向外側に向けて徐々に太くなるように延設された第三配線であり、同図中の符号３２は、半径方向内側に向けて徐々に細くなるように延設された第三配線を示している。

このような扇状あるいは略台形状のごとき形状をなす第三配線３１とその隣の第三配線３２とで囲まれた基板領域は矩形状となることから、幅Ｗがすべて統一された反応領域Ｒ（Ｒ_１，Ｒ_２）を形成でき、しかも、基板中心Ｐを通る半径方向線Ｌに沿って配列することができる。このような配列構成を採用すれば、すべての反応領域Ｒの位置を特定するためのサーボが容易となるので、好適である。

図示しないが、隣り合う第三配線３１、３２のいずれか一方のみを太さ（又は幅）が徐々に変化する上記形状とすることによって、反応領域Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）の幅Ｗを統一することは可能である。しかしこのような構成では、基板中心Ｐを通る半径方向線Ｌに沿って反応領域Ｒを配列することはできない。

図４に示すように、各反応領域Ｒに配置された電極Ｅ_１、電極Ｅ_２には、第三配線３１や３２が接続されているので、反応領域Ｒに対して電圧印加可能な構成とされている。

なお、図５に示すように、第三配線３（３１，３２）自体を反応領域に臨むように形成しておくことによって、第三配線３（３１，３２）自体を電極として利用することも可能である。以上、図４や図５で示された配線構成は、上記した基板Ａや後述する基板Ｂにも適用することができる。

次に、図６は、第一配線１から導出されて延設される第二配線２が、全体を外観視したときに、スパイラル状をなすように設けられた配線構成を備える第三実施形態の基板Ｃが示されている。

この基板Ｃには、二分割された通電部Ｕ_１，Ｕ_２が孔Ｈの周囲に設けられているとともに、各通電部Ｕ_１、Ｕ_２のそれぞれから一本の第一配線１が半径方向Ｘ（図１参照）に沿って延びている。そして、この第一配線１，１から全体外観視したときにスパイラル状に延びる第二配線２からは、半径方向（図１中Ｘで示す方向）の内側と外側に向けて交互に延びる第三配線３が多数設けられている。

上記したような円盤状基板Ａ，Ｂ，Ｃに延設された給電用配線を、記録情報読み取りの際に使用する回転同期信号の基準として、あるいはトラッキング信号の基準として、兼用することができる。この結果、これらの信号を得るためのピット群やバーコード群などの専用の信号やマークを基板に設けなくてもよくなるため、基板の構成をより簡素化することができる。

なお、以上説明したような給電用配線は、目的や基板構成などに応じて、単独の配線層からなる構成、あるいは複数の配線層からなる構成のいずれも採用することができる。例えば、配線層を２層に分けて構成し、反応領域Ｒに設けられた一方の電極への給電と他方の電極の給電を別々の配線層が担うようにすることができる。

本発明は、該基板上に電極が付設された反応領域が多数配列されるＤＮＡチップその他のバイオアッセイ用基板、特に円盤状の形態を有するバイオアッセイ用基板として利用することができる。

本発明に係るバイオアッセイ用基板の第一実施形態（Ａ）を説明するための簡略図である。 反応領域（Ｒ）の典型的な形態を示す拡大図である。 本発明に係るバイオアッセイ用基板の第２実施形態（Ｂ）を説明するための簡略図である。 図３において符号Ｙで示された円形内基板領域の要部拡大図である。 第三配線自体を電極として用いる構成を説明するための簡略図である。 第一配線（１）から導出されて延設される第二配線（２）が全体外観視したときに、スパイラル状をなすように設けられた配線構成を備える基板（Ｃ）を示す図である。

符号の説明

１（１ａ，１ｂ，１ｃ） 第一配線
２（２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｃ） 第二配線
３（３１，３２） 第三配線
Ａ、Ｂ、Ｃ バイオアッセイ用基板（略称、基板）
Ｅ（Ｅ_１、Ｅ_２） 電極
Ｒ（Ｒ_１，Ｒ_２） 反応領域
Ｕ（Ｕ_１，Ｕ_２，Ｕ_３） 通電部

Claims (10)

1. 物質間の相互作用の場となる反応領域が配設されており、該反応領域に設けられた電極と、前記基板中心部に設けられた通電部と、該通電部から前記電極への給電用配線と、を備える円盤状基板であって、
   前記給電用配線は、前記通電部から基板外周方向へ導出された第一配線と、該第一配線から枝分れした第二配線と、該第二配線からさらに枝分れした第三配線と、から構成されており、
   前記通電部から前記給電用配線を介して前記電極に印加し、前記反応領域に電界を形成することを特徴とするバイオアッセイ用基板。
2. 前記第三配線は、前記第二配線から半径方向外側又は内側に延設されたことを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
3. 前記第三配線は、前記電極に接続する末端給電配線であることを特徴とする請求項２記載のバイオアッセイ用基板。
4. 前記第三配線は、基板中心を通過する半径方向線上に延設され、かつ基板中心側から外周側に向けて徐々に幅が太くなる構成とし、隣り合う該第三配線の間に挟まれて配列された前記反応領域の幅が一定になるようにしたことを特徴とする請求項３記載のバイオアッセイ用基板。
5. 前記第三配線の中心線の延長線が基板中心を通過することを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
6. 前記第三配線が前記電極を兼ねることを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
7. 前記電極は、対向する少なくとも一対の電極から構成されており、対向する一方側の電極と他方側の電極は、それぞれ別の第二配線から交互に枝分かれした第三配線に接続されていることを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
8. 前記反応領域は、所定数単位でグループ分けされていることを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
9. 基板上の前記反応領域のすべてが、同心円又はスパイラル線状に配設されたことを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。
10. 前記反応領域のすべてが、基板中心を通過する半径方向線上に配設されたことを特徴とする請求項１記載のバイオアッセイ用基板。

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