JP2005345468A - インダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置及び方法 - Google Patents

インダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、インダクタンス素子からなる回路の電気的な特性の変化を測定することにより、バイオ結合を検出するインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置及び方法を提供する。
【解決手段】 本発明のバイオ結合検出方法は、少なくとも1つのインダクタンス素子で信号変換部を形成する段階、基板(Substrate)に、プローブ(capturing probe)生分子(biomolecules)付きのバイオチップを前記信号変換部の所定領域に配置させ、前記信号変換部の電気的な特性を測定する段階、バイオチップと分析したい試料(DAN、RNA、Protein、Biomolecules)とを結合反応させる段階、及び、結合反応後、信号変換部の電気的な特性を測定する段階を含む。従って、バイオ結合の検出結果を電気的な信号で得られるため、従来に比べてバイオ結合反応に対する検出力が向上する。
【選択図】 図2b

Description

本発明は、インダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置及び方法に関する。
バイオチップは、ガラス、シリコン又はナイロン等の材質からなる小さな固形の基板上に、その配列が知られたDNA、DNA片、RNAなどの生分子(biomolecules)を、数百個から数十万個まで一定間隔に配設することにより、遺伝子の発現方式、分布様子及び突然変異などの分析が可能な生物学的マイクロチップを言う。
バイオチップ上には、試料に含まれた特定の遺伝情報の探索が可能なプローブ(capturing probe)の役割を果たす物質らをチップの表面に固定させる。
バイオチップに分析したい試料を反応させると、試料に含まれている物質とバイオチップの表面に固定されたプローブとは、各々結合して混成化(hybridization)することになり、これを検出・解析することにより、試料に含まれている物質に関する情報を同時に得られる。
バイオチップに係る技術としては、プローブの付着及び固定技術、信号検出技術及び情報処理技術などが挙げられる。
現在用いられている信号検出方法としては、レーザー誘起蛍光検出法、電気化学的検出法、質量検出法及び機械的検出法などがある。
レーザー誘起蛍光検出法は、試料に蛍光物質を結合させ、試料とプローブとの結合反応後に、蛍光検出器にてその結果を読み出すことにより、光学的にプローブの結合の有無を区別するもので、広く用いられている。しかし、このような方法は、プローブと試料との結合反応前に、試料に蛍光物質を結合させる前処理反応を必要とするため、試料の損失や汚染を誘発する恐れがある。また、プローブと試料との結合反応後に、これを読み出すための光学読出システムが複雑であり、高価の計測装備を必要とするという問題点がある。また、光学的な検出法は小型化しにくく、デジタル化した出力を見にくいという問題点もある。
電気化学的検出法は、プローブと試料との結合が生じた電極上において、他の化学物質の電気化学反応、即ち、酸化還元反応の程度を用いて、プローブの結合の有無を検出するものである。このような方法は、蛍光検出法に比べて認識能力が低下するという問題点がある。
質量検出法は、プローブと試料との相互反応を電気信号化して検出するものである。その代表例としては、高周波数で振動する水晶上に固定されたプローブの重さに応じて、振動数の変化を測定するEQCM (electrochemical quartz crystal microbalance)検出法がある。
機械的検出法は、プローブと試料との結合の前後の分子間の結合力を測定する微細組立のカンチレバー(cantilever)を用いるものである。しかし、この場合、カンチレバービームの屈折を極に精密に測定すべきであるが、このためにレーザー等の付加装備が必要である。
一方、図1a及び図1bは、従来のキャパシタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す図である。
図1aはトレンチ状のキャパシターを用いたバイオ結合検出装置を示し、図1bは平面状のキャパシターを用いたバイオ結合検出装置を示す。
キャパシタンス素子の特性変化を用いる場合、小型のキャパシタンス素子を形成するのに問題点がある。キャパシタンスは断面積に比例し厚さに反比例するため、断面積を広げながらバイオ処理が容易であるように設計するのは、非常に難しい。
図1aのようなトレンチ状のキャパシターを用いたバイオ結合検出装置は、トレンチを深く形成させて、厚さを薄くし、断面積を広げる方法を用いたもので、実際のギャップは極小であるため、バイオ処理が非常に難しいという問題点がある。
図1bは、平面において櫛状でキャパシタンス素子を形成したキャパシターを用いたバイオ結合検出装置であって、金属膜の厚さが非常に薄くて少量のキャパシタンス素子が形成され、実際にバイオ結合検出感度が良くないという問題点がある。
従って、本発明の目的は、バイオ結合反応前に、別途の前処理反応及び高価の装備を必要とせず、検出結果を電気的な信号で得ることで、結合反応に対する検出力が向上したバイオ結合検出方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本願第1発明に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置は、少なくとも1つのインダクタンス素子で形成された信号変換部、前記信号変換部の所定領域に配置されるバイオチップ、前記信号変換部の一端と連結しており、前記信号変換部の電気的な特性を測定するための信号が入力される入力ポート、前記信号変換部の他端と連結しており、前記信号変換部の信号が出力される出力ポート、及び、前記出力ポートと連結しており、前記信号変換部の電気的な特性を測定する特徴量検出部を含むことを特徴とする。
インダクタンス素子の所定領域に配置されたバイオチップに試料を導入して互いに反応させる。このとき、バイオチップの生分子と、それと反応する試料中の生分子とが結合する。バイオチップは、例えば試料導入前は全てが未反応の状態であり、試料の導入及び反応により未反応の生分子と反応後の生分子とが混合した状態に変化する。このようにバイオチップへの試料の導入によりバイオチップの状態が変化し、この変化によりインダクタンス素子内での誘電率が変化する。これによりバイオチップが配置される信号変換部のインピーダンスが変化する。この変化を検出することで、試料中の所定の生分子の量を検出することができる。このような検出装置は、インダクタンス素子を用いて構成された回路の電気的な特性をバイオ結合反応の前後に測定することにより、バイオ結合の検出結果を電気的な信号で得られるため、従来に比べてバイオ結合反応に対する検出力が向上する。また、蛍光検出法のように、結合反応前に別途の前処理反応を必要とせず、機械的検出法や蛍光検出法などのように、別途の高価の装備を必要としない。これにより、従来に比べて結合反応の検出時間が短縮できる。また、高周波領域では、誘電率の変化に応じてインダクタンス素子の特性変化が敏感なので、従来に比べてバイオ結合反応に対する検出力が向上する。
本願第2発明は、第1発明において、前記バイオチップが配置される前記信号変換部の所定領域は、前記インダクタンス素子の巻線間、及び、前記インダクタンス素子の上部の少なくとも1つであることを特徴とするインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を提供する。
本願第3発明は、第1発明において、前記電気的な特性は、前記信号変換部の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性の何れか1つであることを特徴とする、請求項1に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置。
本願第4発明は、第1発明において、前記特徴量検出部は、周波数特性検出器、位相特性検出器、インピーダンス特性検出器、損失特性検出器、電流特性検出器、電圧特性検出器の何れか1つにより動作することを特徴とするインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を提供する。
また、信号変換部は、インダクタンス素子だけでなく、寄生的に発生するインダクタンス成分を持つ素子を用いることができる。
また、本願第5発明に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法は、少なくとも1つのインダクタンス素子で信号変換部を形成する段階、基板(Substrate)に、プローブ(capturing probe)生分子(biomolecules)付きのバイオチップを前記信号変換部の所定領域に配置させ、前記信号変換部の電気的な特性を測定する段階、前記バイオチップと分析したい試料(DAN、RNA、Protein、Biomolecules)とを結合反応させる段階、及び、前記結合反応後、前記信号変換部の電気的な特性を測定する段階を含むことを特徴とする。
本願第6発明は、第5発明において、前記バイオチップと前記試料とのバイオ結合後に、前記バイオチップと結合しない試料の生分子と、前記バイオチップと結合する試料の生分子の中の余分の生分子とを除去する段階をさらに含むバイオ結合検出方法を提供する。
本願第7発明は、第5発明において、前記バイオチップと前記試料との結合反応の前後において、電気的な特性が変化する場合、バイオ結合があると判断する段階をさらに含むバイオ結合検出方法を提供する。
本願第8発明は、第5発明において、前記電気的な特性は、前記信号変換部の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性の何れか1つである。
本願第9発明は、第5発明において、前記バイオチップが配置される前記信号変換部の所定領域は、前記インダクタンス素子の巻線間、及び、前記インダクタンス素子の上部の少なくとも1つである。
本願第10発明は、第5発明において、前記特徴量検出部は、周波数特性検出器、位相特性検出器、インピーダンス特性検出器、損失特性検出器、電流特性検出器、電圧特性検出器の何れか1つにより動作する。
本発明によれば、バイオ結合反応前に、別途の前処理反応及び高価の装備を必要であり、検出結果を電気的な信号で得ることで、結合反応に対する検出力が向上したバイオ結合検出方法を提供することができる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図2a及び図2bは、本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す断面図である。
同図に示すように、1つのインダクタンス素子110で信号変換部160を形成する。信号変換部160は、バイオ結合の有無によってその電気的な特性が変化して、バイオ結合を検出する手段である。ここで、電気的な特性は、信号変換部160の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性などを言う。信号変換部160は、少なくとも1つのインダクタンス素子110が直列又は並列に連結して形成されるが、図2a及び図2bでは、1つのインダクタンス素子110のみで信号変換部160を形成した。このようなインダクタンス素子110は、同図に示すように、立体の巻線構造で形成されるが、環形や線形でも形成されることができる。
そして、プローブ(capturing probe)生分子(biomoleculeS)付きのバイオチップ120が信号変換部160に配置される。バイオチップ120は、インダクタンス素子110の捲線間、及び、インダクタンス素子110の上部の少なくとも1つに配置される。このようなバイオチップ120は、図2aではインダクタンス素子110の捲線間に配置され、図2bではインダクタンス素子110の上部に配置される。
一方、入力ポート140は、信号変換部160のインダクタンス素子110の一端と連結しており、信号変換部160の電気的な特性を測定するための信号が入力される。出力ポート150は、信号変換部160のインダクタンス素子110の他端と連結しており、特徴量検出部170にも連結している。出力ポート150は、入力ポート140からの入力信号が出力される手段であって、信号変換部160に配置されたバイオチップ120と試料とのバイオ結合の有無に応じて、その出力ポートに出力される周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性などが変化する。
出力ポート150と連結している特徴量検出部170は、出力ポート150から出力される電気的な特性を検出する手段である。特徴量検出部170は、周波数特性検出器、位相特性検出器、インピーダンス特性検出器、損失特性検出器、電流特性検出器、電圧特性検出器の何れか1つにより具現される。
図3a及び図3bは、本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合装置の信号変換部を示す図である。
図3aは、厚さ725μm、誘電率εr11.9のシリコン(Si)上に形成された厚さ8.9μm、誘電率εr2.65のBCB(benzocyclobutene)の上部に形成された信号変換部160を示す図であって、信号変換部160の幅を469μmとした。
図3bは、図3aに示した信号変換部のインダクタンス素子110の捲線間の間隔を2μmとし、巻線の幅を15μmとし、巻線の厚さを2μmとして構成した。
図4は、本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示すフローチャートである。
まず、試料に含まれている特定の情報を探索できるプローブ(capturing probe)の役割を果たす物質を、基板(SubStrate)の表面に付着してバイオチップ120を形成する。続いて、インダクタンス素子110で信号変換部160を形成する(S310)。ここで、信号変換部160は、少なくとも1つのインダクタンス素子110が直列又は並列に連結して形成される。
そして、信号変換部160のインダクタンス素子110の捲線間、または、インダクタンス素子110の上部の少なくとも1つにバイオチップを配置させる(S320)。
次に、バイオチップ120が配置された信号変換部160の電気的な特性を測定する。つまり、バイオチップ120が分析したい試料との反応前、即ちバイオ結合前の信号変換部160の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性などの電気的な特性を測定する(S330)。これは、バイオ結合後の信号変換部160の電気的な特性と比較して、バイオ結合の有無及び量を検出するためである。
続いて、分析したい試料を信号変換部160に配置されたバイオチップ120と反応させる(S340)。バイオチップ120上の生分子と一致する形態を持つ生分子が試料に存在する場合にはバイオ結合を行う。バイオチップ120上の生分子と反応する生分子の中の余分の生分子と、バイオチップ120上の生分子と反応しない試料上の生分子とを除去する(S350)。
そして、バイオチップ120上の生分子が試料と結合した後の信号変換部160の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性などのような電気的な特性を測定する(S360)。
バイオチップ120が試料と結合反応すれば、信号変換部160の電気的な特性が変化するので、結合反応の前後の信号変換部160の電気的な特性の測定値を比較して、バイオ結合の有無及び量を検出する(S370)。
図5a乃至図5fは、本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図である。図5a乃至図5cはインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す斜視図、図5d乃至図5fは各々図5a乃至図5cの斜視図のx-y軸に対する断面図である。
図5a及び図5dはバイオ結合前の信号変換部160を示す図である。同図に示すように、1つのインダクタンス素子110で信号変換部160が形成され、バイオチップ120はインダクタンス素子110の巻線間に形成される。バイオチップ120を信号変換部160に配置させた後、入力ポート140から高周波の信号を入力して、バイオ結合前の信号変換部160の電気的な特性を測定する。
図5b及び図5eはバイオ結合反応時を示す図であって、バイオチップ120に付着された生分子と結合し得る生分子が試料130内に存在する場合、バイオ結合が行われる。
図5c及び図5fはバイオ結合反応後を示す図であって、バイオチップ120と結合しない試料130の生分子と、バイオチップ120と結合する試料130の生分子の中の余分の生分子とを除去した後を示す図である。バイオ結合後に入力ポート140から信号を入力して、信号変換部160の電気的な特性を測定する。結合反応の有無は、結合反応の前後の出力ポート150からの出力値を互いに比較して検出する。
図6はバイオ結合の前後の信号変換部の誘電率の変化を説明するための断面図である。
図6から、インダクタンス素子110の巻線間にバイオチップ120を形成し、巻線間の誘電率を、空気中と仮定したとき、バイオ結合反応後にその誘電率が4に変化し、結合反応の前後の差を電気的な信号に変換できることが分かる。また、誘電率の変化は、バイオ試料の種類に応じて変化することができ、特に、バイオ試料の誘電率の変化だけでなく、インピーダンス変化も信号変換に影響を与える。
図7a及び図7bは、バイオ結合の前後の信号変換部の誘電率の変化によるインダクタンス素子の特性変化を示す説明図である。
図7aは、金属薄膜が誘電物質内に存在する場合、自由空間での波長に比べて波長が変化することを誘電率の観点で示す図である。同図に示すように、金属薄膜の周囲に誘電物質があり、誘電率が変化すれば、波長が変化し、周波数特性が変化する。このような誘電率の変化による波長の変化は、次の式による。
Figure 2005345468
ここで、λgは管内波長(guide wavelength)、λ0は自由空間波長(free space wavelength)、εは誘電率を言う。
図7bはインダクタンス素子の構造を示す図であって、上下部層の誘電率の変化はインダクタンス素子の特性変化に影響を与えるが、特に、Q(quality factor)値の変化に影響を与えて、インダクタンス素子の周波数及び入出力特性を変化させる。特に、高周波領域では、誘電率の変化に応じてインダクタンス素子の特性変化が敏感なので、バイオ結合後のインダクタンス素子の特性を測定して、バイオ結合の有無を容易に検出することができる。
本発明によれば、インダクタンス素子の所定領域に配置されたバイオチップに試料を導入して互いに反応させる。このとき、バイオチップの生分子と、それと反応する試料中の生分子とが結合する。バイオチップは、例えば試料導入前は全てが未反応の状態であり、試料の導入及び反応により未反応の生分子と反応後の生分子とが混合した状態に変化する。このようにバイオチップへの試料の導入によりバイオチップの状態が変化し、この変化によりインダクタンス素子内での誘電率が変化する。これによりバイオチップが配置される信号変換部のインピーダンスが変化する。この変化を検出することで、試料中の所定の生分子の量を検出することができる。このような検出装置は、インダクタンス素子を用いて構成された回路の電気的な特性をバイオ結合反応の前後に測定することにより、バイオ結合の検出結果を電気的な信号で得られるため、従来に比べてバイオ結合反応に対する検出力が向上する。また、蛍光検出法のように、結合反応前に別途の前処理反応を必要とせず、機械的検出法や蛍光検出法などのように、別途の高価の装備を必要としない。これにより、従来に比べて結合反応の検出時間が短縮できる。また、高周波領域では、誘電率の変化に応じてインダクタンス素子の特性変化が敏感なので、従来に比べてバイオ結合反応に対する検出力が向上する。
上記では、信号変換部は、インダクタンス素子を用いているが、寄生的に発生するインダクタンス成分を持つ素子を用いることができる。
本発明の詳細な説明では具体的な実施の形態に関し説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の技術的史上から逸脱しない範囲内で多様に変形・実施可能であることは言うまでもない。
プローブと試料との結合の前後のインダクタンス素子の電気的な特性を測定して、バイオチップと試料との結合の有無を検出するのに利用できる。
従来のキャパシタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す説明図(1)。 従来のキャパシタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す説明図(2)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す断面図(1)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置を示す断面図(2)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合装置の信号変換部を示す図(1)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合装置の信号変換部を示す図(2)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示すフローチャート。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(1)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(2)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(3)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(4)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(5)。 本発明の一実施の形態に係るインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法を示す説明図(6)。 バイオ結合の前後の信号変換部の誘電率の変化を説明するための断面図である。 バイオ結合の前後の信号変換部の誘電率の変化によるインダクタンス素子の特性変化を示す説明図(1)。 バイオ結合の前後の信号変換部の誘電率の変化によるインダクタンス素子の特性変化を示す説明図(2)。
符号の説明
110 インダクタンス素子
120 バイオチップ
130 試料
140 入力ポート
150 出力ポート
160 信号変換部
170 特徴量検出部

Claims (10)

  1. 少なくとも1つのインダクタンス素子で形成された信号変換部
    前記信号変換部の所定領域に配置されるバイオチップ;
    前記信号変換部の一端と連結しており、前記信号変換部の電気的な特性を測定するための信号が入力される入力ポート;
    前記信号変換部の他端と連結しており、前記信号変換部の信号が出力される出力ポート;及び、
    前記出力ポートと連結しており、前記信号変換部の電気的な特性を測定する特徴量検出部;を含むことを特徴とする、インダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置。
  2. 前記バイオチップが配置される前記信号変換部の所定領域は、前記インダクタンス素子の巻線間、及び、前記インダクタンス素子の上部の少なくとも1つであることを特徴とする、請求項1に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置。
  3. 前記電気的な特性は、前記信号変換部の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性の何れか1つであることを特徴とする、請求項1に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置。
  4. 前記特徴量検出部は、周波数特性検出器、位相特性検出器、インピーダンス特性検出器、損失特性検出器、電流特性検出器、電圧特性検出器の何れか1つにより動作することを特徴とする、請求項1に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出装置。
  5. 少なくとも1つのインダクタンス素子で信号変換部を形成する段階;
    基板(Substrate)に、プローブ(capturing probe)生分子(biomolecules)付きのバイオチップを前記信号変換部の所定領域に配置させ、前記信号変換部の電気的な特性を測定する段階;
    前記バイオチップと分析したい試料(Sample)とを結合反応させる段階;及び、
    前記結合反応後、前記信号変換部の電気的な特性を測定する段階;を含むことを特徴とする、インダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
  6. 前記バイオチップと前記試料とのバイオ結合後、前記バイオチップと結合しない試料の生分子と、前記バイオチップと結合する試料の生分子の中の余分の生分子とを除去する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
  7. 前記バイオチップと前記試料との結合反応の前後において、電気的な特性が変化する場合、バイオ結合があると判断する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項5に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
  8. 前記電気的な特性は、前記信号変換部の周波数特性、位相特性、インピーダンス特性、損失特性、電流特性、電圧特性の何れか1つであることを特徴とする、請求項5に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
  9. 前記バイオチップが配置される前記信号変換部の所定領域は、前記インダクタンス素子の巻線間、及び、前記インダクタンス素子の上部の少なくとも1つであることを特徴とする、請求項5に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
  10. 前記特徴量検出部は、周波数特性検出器、位相特性検出器、インピーダンス特性検出器、損失特性検出器、電流特性検出器、電圧特性検出器の何れか1つにより動作することを特徴とする、請求項5に記載のインダクタンス素子を用いたバイオ結合検出方法。
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