JP2006003148A - リザーバ部に連通するチャネル部を備える検出部及びバイオアッセイ用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 物質間の相互作用の場となるチャネル部において、相互作用の高速化を達成する。
【解決手段】 媒質Ｍを貯留又は保持するリザーバ部Ｒと、該リザーバ部Ｒに連通し、前記リザーバ部Ｒから送られてくる前記媒質中で進行する物質間の相互作用の場となるチャネル部Ｃと、該チャネル部Ｃに連通する外気連通部Ａと、前記チャネル部Ｃに臨むように対向配置され、該チャネル部Ｃ内の媒質Ｍに電界印加可能な対向電極Ｅ_１−Ｅ_２と、を備える検出部、並びに該検出部を備えるバイオアッセイ用基板を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ハイブリダイゼーションその他の物質間の相互作用を検出する技術に関する。より詳しくは、リザーバ部に連通するチャネル部において、物質間の相互作用を、電気力学的効果を利用して検出する技術に関する。

近年において提案されている様々なセンサーチップ技術の典型的なものは、端的に言えば、物質間の相互作用を提供する反応領域を基板上に予め設定しておき、この反応領域中に、予めプローブとなる検出用物質を遊離状態、あるいは固定状態としておくことによって、この検出用物質と標的物質との間の特異的な相互作用を、蛍光強度検出などの方法に基づいて解析する技術であると言えるだろう。

一例を挙げると、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、本願では「ＤＮＡチップ」と総称。）と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板が、遺伝子の変異解析、ＳＮＰｓ（一塩基多型）分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されるようになり、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、進化の研究、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。

この「ＤＮＡチップ」は、ガラス基板やシリコン基板上に多種・多数のＤＮＡオリゴ鎖やｃＤＮＡ（complementary DNA）等が集積されていることから、ハイブリダイゼーションの網羅的解析が可能となる点が特徴とされているが、現在、ハイブリダイゼーション検出精度向上などを目的として、様々な改良が加えられている。

例えば、特許文献１では、リザーバに連通するチャネル内に、Ｔｍ（融解温度）が高いＤＮＡプローブを含むスポットから順に配列させておいて、リザーバに注入された所定量のサンプルを電気泳動等によりチャネルに移動させ、温度制御下でハイブリダイゼーションを進行させるという構成のＤＮＡマイクロアレイが開示されている。

また、特許文献２には、リザーバにＤＮＡプローブが固定されたビーズを注入した後に、電気浸透流により該ビーズをチャネル内に充填し、別のリザーバに注入された検体を前記チャネルに導入し、ハイブリダイゼーションを該チャネル内で進行させる技術が開示されている。
特開２００２−３０３６２６号公報（特に、図１参照）。 特開２００２−３０３６２７号公報。

上記した先行技術は、サンプルを注入するリザーバ部とこのリザーバ部に連通するチャネル部などを基板に形成しておいて、該チャネル部へサンプルを送り込んでハイブリダイゼーションを進行させる構成、より詳しくは、電気浸透流や電気泳動の効果を利用してサンプルをチャネル部へ導入する構成を有しているが、該チャネル部におけるハイブリダイゼーションそれ自体は、自然のブラウン運動の支配下で終始進行させる構成である。

このような構成では、反応領域においてサンプル物質（標的核酸）が拡散していたり、核酸分子のランダムコイル状をなす高次構造に起因する立体障害が発生したりするので、ハイブリダイゼーションの高速化を充分に達成することが難しいという技術的課題がある。

そこで、本発明は、反応領域として機能するチャネル部における物質間の相互作用の高速化を達成できる検出部及び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、媒質を貯留又は保持する「リザーバ部」と、該リザーバ部に連通し、前記リザーバ部から送られてくる前記媒質中で進行するハイブリダイゼーションなどの物質間の相互作用の場となる「チャネル部」と、該チャネル部に連通する「外気連通部」と、前記チャネル部に臨むように対向配置され、該チャネル部内の媒質に電界印加可能な「対向電極」と、を備える検出部、並びに該検出部が設けられたバイオアッセイ用基板を提供する。

本発明に係る前記バイオアッセイ用基板の好適な例は、所定波長の励起光を透過する基材層と、該基材層に積層された前記励起光を透過する導体層と、該導体層に積層されたウエル形成層と、該ウエル形成層に積層された導体層と、を備え、前記ウエル形成層に、媒質を貯留又は保持するリザーバ部と、該リザーバ部に連通するチャネル部と、該チャネル部に連通する外気連通部と、が設けられたものである。この基板構成においては、両導体層をチャネル部に臨むように対向配置される対向電極として機能させることができ、また、基板裏面側からの光ピックアップを採用できる。

「リザーバ部」は、媒質を一旦貯留又は保持し、所定量の媒質をチャネル部へ供給するための部位として機能する。例えば、別の場所に設けられた媒質滴下部（スポット部）から送り込まれる媒質を一旦貯留又は保持する部位、あるいはそれ自体が媒質滴下部として機能する部位であってもよい。リザーバ部と媒質滴下部とを兼用できれば、基板構造を簡略化できる。

対向電極は、各電極面がチャネル部に臨むように、相対向するように配置された電極対であればよく、数や配置構成などは特に限定されない。好適な一例を挙げると、チャネル部の底面側に設けられ、所定波長の励起光を透過可能な導体等によって形成された下部電極と、前記底面に対向する上方側の基板に設けられた上部電極と、からなる対向電極である。本発明では、特に、この対向電極の電極エッジ付近へ電気力線を集中させて、不均一な電場をチャネル部内に形成する。

対向電極によって形成される電界は、物質間の相互作用の場として機能するチャネル部に存在している物質内の分極ベクトル（双極子）に作用し、該物質に対して「誘電泳動」という電気力学的効果を与える。

液相中に存在する核酸分子を例とすると、核酸分子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は、電気力線が集中する部位に向かって移動する（Seiichi Suzuki，Takeshi Yamanashi,Shin-ichiTazawa,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)）。

これによって、電極表面へ核酸分子を移動させてその濃度を高めたり、核酸分子の高次構造を直鎖状に調整することによってハイブリダイゼーションの際の立体障害を解消したりすることができる。このように、本発明における電界印加は、ハイブリダイゼーションなどの物質間の相互作用の高速化を達成するための手段として利用できる。とりわけ、交流電界を採用した場合では、電気分解による気泡発生がなく、反応系に影響がないので、好適である。

また、本発明では、チャネル部に臨む対向電極の電極表面を、検出用物質を固定するための表面として利用することができる。例えば、ＤＮＡプローブなどの核酸分子を例に挙げれば、上記「誘電泳動」と呼ばれる電気力学的効果によって、電極エッジに固定できる。

例えば、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（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））。

ここで、本発明で使用する主たる技術用語の定義付けを行う。

「リザーバ部」は、液状の媒質を貯留したり、ゲルを含む媒質を保持したりすることが可能な部位であって、チャネル部に対して前記媒質を供給する部位である。「チャネル部」は、前記リザーバ部に開口し、連通するように形成された細長の領域であって、ハイブリダイゼーションなどの物質間の相互作用の場となる部位ある。「外気連通部」は、前記チャネル部に開口し、かつ外気に連通する部位であって、空気抜きの役割を果たす。「ウエル形成層」は、リザーバ部などの凹状形状部分が加工形成される層である。

「対向電極」は、電極面が向かい合った状態で配置される少なくとも一対の電極を意味する。

「相互作用」は、物質間の非共有結合、共有結合、水素結合を含む化学的結合あるいは解離を広く意味し、例えば、核酸（ヌクレオチド鎖）間の相補結合であるハイブリダイゼーション、高分子−高分子、高分子−低分子、低分子−低分子の特異的な結合又は会合を広く含む。

「ハイブリダイゼーション」は、相補的な塩基配列構造を備える間の相補鎖（二本鎖）形成反応を意味する。「ミスハイブリダイゼーション」は、正規ではない前記相補鎖形成反応を意味する。

「検出部」は、物質間の相互作用を進行させて、この相互作用を検出可能なように構成された部分であり、相互作用の検出原理自体は、狭く限定されない。

「核酸」とは、プリンまたはピリミジン塩基と糖がグリコシド結合したヌクレオシドのリン酸エステルの重合体（ヌクレオチド鎖）を意味し、プローブＤＮＡを含むオリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチオドが重合したＤＮＡ（全長あるいはその断片）、逆転写により得られるｃＤＮＡ（ｃプローブＤＮＡ）、ＲＮＡ、ポリアミドヌクレオチド誘導体（ＰＮＡ）等を広く含む。

「検出用核酸」とは、反応領域に貯留又は保持された媒質中に固定又は遊離の状態で存在し、当該核酸分子と特異的に相互作用する相補的塩基配列を有する核酸分子を検出するための探り針（検出子）として機能する核酸分子である。代表例は、ＤＮＡプローブなどのオリゴヌクレオチド又はポリヌクレオチドである。「標的核酸」とは、前記検出用核酸と相補的な塩基配列を有する核酸分子である。

「誘電泳動」は、電界が一様でない電場において、分子が電界の強い方へ駆動する現象であり、交流電圧をかけた場合も、かけた電圧の極性の反転につれて分極の極性も反転するので、直流の場合と同様に駆動効果が得られる（監修・林 輝、「マイクロマシンと材料技術（シーエムシー発行）」、Ｐ３７〜Ｐ４６・第５章・細胞およびＤＮＡのマニピュレーション参照）。

「バイオアッセイ用基板」は、物質間の相互作用の場を提供する反応領域が少なくとも形成された基板を意味する。

「ＤＮＡチップ」は、ＤＮＡプローブなどの検出用核酸が遊離状態又は固定化されて微細配列された状態とされたハイブリダイゼーション検出用基板を意味し、ＤＮＡマイクロアレイの概念も含む。

本発明によれば、リザーバ部に連通するチャネル部内に電界を形成することによって、該チャネル部内で進行するハイブリダイゼーションなどの物質間の相互作用の高速化を確実に達成できる。

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。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

まず、図１は、本発明に係る検出部、並びにこの検出部を備えるバイオアッセイ用基板の要部構成を説明するための上方視平面図である。

この図１に示されている基板１には、媒質Ｍを貯留又は保持することが可能な上方視円形状のリザーバＲと、該リザーバＲに開口して連通する細管状のチャネル部Ｃと、該チャネル部Ｃに開口し、かつ外気に連通可能な部位として機能する外気連通部Ａと、からなる検出部が設けられている。

媒質Ｍは、外気連通部Ａの空気抜き作用により、例えば、毛細管現象などを利用して、リザーバＲからチャネル部Ｃへ導入する。この導入過程では、相互作用や相互作用の検出に不要な物質をチャネル部Ｃから外気連通部Ａへ除去することも可能である。なお、リザーバＲは、例えば、口径φ３００μｍ、深さ５μｍであり、チャネル部Ｃは、幅１００μｍ、長さ４００μｍ、深さ５μｍであり、外気連通部Ａは、口径φ１５０μｍ、深さ５μｍに形成する。

実際は、図２に示すように、上記基板１を下方側に配置し、これに上側基板２を正確に位置決めして積層した状態で用いる。この上側基板２には、前記リザーバＲに正確に対応する位置に形成された円形の孔ｒ１と、外気連通部Ａに正確に対応する位置に形成された孔ｒ２と、が形成されている。

チャネル部Ｃは、上側基板２によって覆われ、蓋がされた状態となる。これにより、チャネル部Ｃに導入された媒質Ｍの乾燥を有効に防止できる。なお、リザーバＲと孔ｒ１、外気連通孔Ａと孔ｒ２のサイズ関係は、図示された形態に特に限定されない。

図３は、図２に示されたＸ−Ｘ方向矢視断面図、図４は、図２に示されたＹ−Ｙ方向矢視断面図である。

下側の基板１は、まず、所定波長の励起光（例えば、蛍光励起光）を透過可能な基材層１ａを備える。この基材層１ａは、例えば、石英等のガラス、ポリカーボネート、ポリスチレン等の材料で形成する。射出成形可能な合成樹脂材料を採用すると、ランニングコストの低減を達成できる。

この基材層１ａの上側には、外部電源Ｇ（図４参照）に接続された導体層１ｂが積層されている。この導体層１ｂは、ＩＴＯ（インジウム−スズ−オキサイド）やアルミニウムなどの光透過性があり、かつ導電性を有する材料を採用する。例えば、ＩＴＯやアルミニウムをスパッタリングや電子ビーム蒸着等によって、１５０ｎｍ程度の厚さに生膜する。この導体層１ｂに光透過性があると、基板裏面側からの光ピックアップを採用することができる（後述）。

この導体層１ｂの上には、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＴｉＯ_２などから形成された絶縁層１ｃが薄膜状に形成されている。この絶縁層１ｃは、プローブＤＮＡなどの検出用物質の一端を固定するための固定相としても機能し、また、チャネル部Ｃへ導入される場合があるイオン溶液による電気化学的な反応を防止する役割も果たす。なお、この絶縁層１ｃは、例えば、スパッタリングや電子ビーム蒸着等によって、５０ｎｍ程度の厚さに生膜することができる。

絶縁層１ｃの上には、ウエル形成層１ｄが積層されている。このウエル形成層１ｄを、例えば、ポリイミド樹脂によって形成すると、ＳｉＯ_２などの無機酸化膜などで形成する場合よりも、原材料コスト面で有利であり、また、厚膜形成も前記無機酸化膜などに比較して容易であるので、生膜コストも安いという利点がある。

このウエル形成層１ｄを感光性ポリイミド樹脂で形成すれば、フォトレジストを用いた表面処理を行うことによって、所定形状及びサイズのリザーバＲ、チャネル部Ｃ、外気連通部Ａなどを簡易に形成することができる。例えば、絶縁層１ｃの上に感光性ポリイミド樹脂をスピンコート等で５μｍ程度の厚さに塗布し、レーザービーム露光装置等を用いて、パターン露光及び現像することによって、所定形状及びサイズのリザーバＲ、チャネル部Ｃ、外気連通部Ａなどを形成できる。

続いて、上側基板２は、図３に示すように、上層側から順番に、合成樹脂層２ａ、外部電源Ｇ（図４参照）に接続された導体層２ｂ、さらにその下層の絶縁層２ｃから構成されている。

合成樹脂層２ａは、例えば、ポリカーボネート、ポリスチレン等の材料で形成し、導体層２ｂは、金属などで形成し、光反射層としての機能も発揮させる。絶縁層２ｃは、ＳｉＯ_２、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＴｉＯ_２などから形成する。この絶縁層２ｃは、上記絶縁層１ｃと同様に、チャネル部Ｃへ導入される場合があるイオン溶液による電気化学的な反応を防止する役割を果たす。

図３、図４には、リザーバ部Ｒへ正確に位置決めされたノズル（例えば、インクジェットノズル）Ｎの一部が示されている。このノズルＮからリザーバ部Ｒへ所定容量の緩衝液などの媒質Ｍを滴下又は注入等する。この媒質Ｍは、例えば、毛細管現象などの作用によって、リザーバＲからチャネル部Ｃへ導入される（図４の太線矢印参照）。

ここで、図５は、図１に示された矢印Ｚ−Ｚ方向で矢視したチャネル部Ｃ部分の断面図である。この図５に示された構成からも明らかなように、チャネル部Ｃでは、導体層１ｂと導体層２ｂが、チャネル部Ｃに臨むように対向する配置関係であり、対向電極Ｅ_１−Ｅ_２として機能している（図４も参照）。

この対向電極Ｅ_１−Ｅ_２は、図６、図７に示す変形形態のように、チャネル部Ｃを挟んで、媒質Ｍの進行方向の左右に少なくとも一対配置するようにしてもよい。なお、図６は、図２に示す矢印Ｚ−Ｚ方向で矢視した縦断面に対応する図であり、図７は、同変形形態を構成する基板１を上方から見た図である。図６の符号２ｄは、上側基板の反射層を示している。

図４、図５あるいは図６、図７に示す対向電極Ｅ_１とＥ_２は、それぞれ外部電源Ｇに接続されており、スイッチＳのオン／オフ操作によって、チャネル部Ｃ内に導入された媒質Ｍに対する電界印加手段として機能する。

次に、図８は、上記した下側基板１の他の実施形態を示す図である。

この図８に符号１で示された下側基板は、上方視円形のリザーバＲを備え、該リザーバＲから四方に延設されたチャネル部Ｃ_１〜Ｃ_４と、該チャネル部Ｃ_１〜Ｃ_４の末端部にそれぞれ設けられた外気連通部Ａ_１〜Ａ_４を備えている。なお、チャネル部の数は、四本に限定されず、適宜決定可能である。

即ち、この基板１のリザーバＲは、チャネル部Ｃ_１〜Ｃ_４の共有のリザーバとして機能し、リザーバＲに滴下又は注入等された媒質Ｍは、四方に延びるチャネル部Ｃ_１〜Ｃ_４へ毛細管現象等によって導入される。なお、チャネル部Ｃ_１〜Ｃ_４には、それぞれ少なくとも一対の上下又は左右の対向電極Ｅ_１−Ｅ_２が設けられている（図示せず）。

続いて、図９、図１０は、本発明に係る検出部及びバイオアッセイ用基板の他の実施形態を示す図であり、図９は、該バイオアッセイ用基板の上方視平面図、図１０は、図９に示す矢印Ｂ−Ｂ方向の矢視縦断面図である。

この実施形態の特徴は、基板１と同様の層構造を備える下側基板１０に、上方視リング状を呈する共有のリザーバＲが設けられ、該リザーバＲから内側中央部に形成された外気連通部Ａに連通する４本のチャネル部Ｃ_５〜Ｃ_８が形成されている点である。また、この上記した上側基板２と同様の層構造を備える上側基板２０には、リザーバＲに対応する位置に開口部ｒ１、ｒ２が形成さるとともに、外気連通部Ａに対応する位置に小孔ａが設けられている。

図１０の断面図では、ノズルＮからリザーバＲに媒質Ｍが滴下又は注入等され、この媒質Ｍがチャネル部Ｃ_５、Ｃ_７に導入される様子が示されている。なお、図１０には特に示さないが、図９に示すチャネル部Ｃ_６、Ｃ_８にも同様に媒質Ｍが導入される。

ここで、対向電極Ｅ_１−Ｅ_２によって、チャネル部Ｃに導入された媒質Ｍに印加される電界（図４、図５、図６中に示す電気力線ｅ参照）は、直流、交流あるいは高周波、低周波などの電界をアッセイの目的に応じて適宜選択して印加し、波形（矩形波、三角派、サイン波など）も自由に選択できるようにする。なお、交流電界の場合は、直流のような電気分解による気泡発生の心配がないので、物質間の相互作用を検出するアッセイには好適である。

高周波交流電界を核酸分子に作用させて、該核酸分子の誘電泳動を行う場合は、１ＭＶ／ｍ以上及び１ＭＨｚ以上が望ましい。例えば、約１×１０^６Ｖ／ｍ、約１ＭＨｚを好適に選択できる（Masao Washizu and Osamu Kurosawa：”Electrostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures”，IEEE Transaction on Industrial Application Vol.26,No.26,p.1165-1172(1990)参照）。

物質間の相互作用がハイブリダイゼーションである場合では、誘電泳動という電気力学的効果を核酸分子に与えると、核酸分子を伸長（伸張）させることができ、また、ＤＮＡプローブなどの検出用核酸を電極表面に対して固定化する作業を効率良く実施することができる。

核酸分子を伸長（伸張）させて、直鎖状にすることによって、ハイブリダイゼーションの際の立体障害を解消することができる。この結果、ハイブリダイゼーションの高速化を達成することができ、また、ミスハイブリダイゼーションを低減することができる。

なお、「立体障害（steric hindrance）」は、分子内の反応中心等の近傍に嵩高い置換基の存在や反応分子の姿勢や立体構造（高次構造）によって、反応相手の分子の接近が困難になることによって、所望の反応（ここでは、ハイブリダイゼーション）が起こり難くなる現象を意味する。

ここで、図１１は、図４中の符号Ｗ部分（チャネル部Ｃの一部分）の拡大図であり、チャネル部Ｃで進行する相互作用の一例であるハイブリダイゼーション及び蛍光物質の一例を示す図である。

ＤＮＡプローブなどの検出用核酸Ｄの一端は、予め固定用に表面処理された電極Ｅ_１（又はＥ_２）の表面に固定され、この検出用核酸Ｄに標的核酸Ｔがハイブリダイゼーションして二本鎖核酸を形成している。この場合、蛍光物質ｆは、標的核酸Ｔに標識されている。この蛍光物資ｆの発光により、二本鎖核酸の存在、即ち、ハイブリダイゼーションを確認できる。

図１２は、他の蛍光物質の例（蛍光インターカレーター）を示す図である。具体的には、蛍光発光性を備えるインターカレーターＩが、二本鎖核酸を形成した検出用核酸Ｄと標的核酸Ｔの塩基対部分に挿入結合されている様子が模式的に示されている。インターカレーターＩの蛍光により、二本鎖核酸の存在、即ち、ハイブリダイゼーションを確認できる。

図１１、図１２に示す符号Ｕは、電極表面を処理することによって得られた固定相であって、絶縁層（１ｃ）としても機能する。この固定相Ｕは、プローブＤＮＡ等の所望の検出用核酸Ｄを固定するために表面処理が施された相である。

例えば、アミノ基含有のシランカップリング剤溶液やポリリシン溶液で予め表面処理しておくことができる。合成樹脂製基板に対して表面処理加工を施す場合は、その表面をプラズマ処理及びＤＵＶ（ＤｅｅｐＵＶ、遠赤外）照射処理後、アミノ基含有シランカップリング剤溶液で処理することもできる。

また、銅、銀、アルミニウム又は金をスパッタして成膜して、その表層にアミノ基、チオール基、カルボキシル基等の官能基（活性基）を有する物質やシステアミン、アビジン等をコートしてもよい。

例えば、ストレプトアビジンなどのアビジンによって表面処理された検出表面の場合では、ビオチン化されたＤＮＡプローブ末端の固定に適している。あるいは、チオール（ＳＨ）基によって表面処理された検出表面の場合には、チオール基が末端に修飾されたプローブＤＮＡ等の検出用物質Ｄをジスルフィド結合（−Ｓ−Ｓ−結合）により固定する場合に適している。

以上では、リザーバＲ、チャネル部Ｃ、外気連通部Ａを少なくとも備える検出部を一単位だけ備えるバイオアッセイ用基板形態を代表例として説明してきたが、実用的には、このような検出部を必要数だけ、より広面積の基板上に配設する。一例を挙げると、円盤状の基板に、放射状、周状、螺旋状などの形態をなすように検出部を多数配列することができる。

図１３は、リザーバＲ、チャネル部Ｃ、外気連通部Ａを備える検出部が多数配列された構成の円盤状基板を簡略に示す図である。図１３に示された円盤状基板３には、四角囲いで示された領域３１のそれぞれに、リザーバＲ、チャネル部Ｃ、外気連通部Ａを備える検出部が設けられている。

以下、この円盤状基板３を用いたハイブリダイゼーション検出に係わる工程について、図１４、図１５を参照しながら説明する。図１４は、回転可能に水平に保持した円盤状基板３に対する給電手段の概念を示す図、図１５は、円盤状基板３に対する媒質滴下手段、光ピックアップ手段、サーボ手段を簡略に示す図である。なお、この場合の円盤状基板３は、ハイブリダイゼーションを検出するためのＤＮＡチップである。

円盤状基板３の保持及び回転は、公知の光ディスクドライブと同様のチャッキング機構を用いて行うことができる。具体的には、回転手段を備えるディスク支持台４の上方に突設された通電治具でもあるスピンドル５を、基板３中央部に設けられた孔３２（図１４参照）に挿着し、かつ固定部材６によって基板３を押さえて固定する。

通電治具でもあるスピンドル５は、基板３の孔３２に露出する（下側基板１の）導体層１ｂに接触し、他方の通電部は（上側基板２の）導体層２ｂに接触する構成を採用することによって、導体層１ｂ―２ｂ（例えば、図４参照）を、対向電極Ｅ_１−Ｅ_２として機能させることができる（図１４参照）。

基板３の各検出部のリザーバＲには、ＤＮＡチップ１０の製造工程においては、検出用核酸Ｄを含む媒質Ｍ_１を滴下又は注入し、ハイブリダイゼーション工程では、少なくとも標的核酸Ｔを含む媒質Ｍ_２が滴下又は注入する。

これらの媒質Ｍ_１，Ｍ_２は、溶液状や粘度調製されたゲル状を成すのが一般的である。特に、溶液状の媒質の場合は、液ダレ等の種々の問題を避けるために、基板３は、水平に保持するのが望ましい。

図１５に示すシステム構成では、複数のノズルヘッドＮが基板３の上面３ａ側（上方側）に集約されて配置されている。このノズルヘッドＮは、所定の媒質Ｍ（例えば、Ｍ_１〜Ｍ_３）を、所定位置に配列された検出部３のリザーバＲに正確に追従しながら、所定のタイミングで滴下、あるいは注入できる構成とされている。

図１５中の符号１００は、「制御部」をブロック図的に簡略に示している。この制御部１００は、基板３に対する「フォーカス情報」と基板３から得られる「トラッキング情報」に基づいて、ノズルヘッドＮの滴下又は注入の動作全体を制御している。

ここで、図１５に符号Ｐで示した励起光は、ハイブリダイゼーションの検出工程で使用する情報読み取り用の光である。この励起光Ｐは、レーザーダイオード１０１から出射され、コリメータレンズＬ_１にて平行光とされた後、ダイクロイックミラー１０２で９０°屈折される。

その後、励起光Ｐは、光の進行方向前方に配置されたミラー１０３で９０°屈折された後、アクチュエータ１０４で支持された集光レンズＬ_２に入射し、基板３の裏面３ｂ側から検出部（のチャネル部Ｃ）に向けて絞り込まれて照射される。なお、符号１０５は、制御部１００から送信される、レーザーダイオードドライバ１０６を制御するための信号である。

励起光Ｐは、前記集光レンズＬ_２によって基板３の裏面３ｂで数μｍ程度の大きさまで絞り込まれる。この微小な励起光スポット径を活かすために、基板３上に検出用核酸Ｄを含む媒質Ｍ_１、標的核酸を含む媒質Ｍ_２などを滴下又は注入するノズルヘッドＮは、ピコリットルオーダーの微少量溶液を滴下可能なインクジェットプリンティングノズルが好適である。

ノズルヘッドＮの一例であるインクジェットプリンティングノズルの数は、使用する媒質の数や種類だけ用意してもよいし、１種類の媒質を滴下後、一旦ノズルを洗浄し、別種類の溶液を滴下することにより、少ないノズル数で多種の媒質を扱うようにしてもよい。

なお、このインクジェットプリンティングノズルを用いて、インターカレーターＩ（図１２参照）を含む媒質Ｍ_３を、標的核酸Ｔを含む媒質Ｍ_２と同時に滴下又は注入できるし、ハイブリダイゼーション後の所定タイミングで、反応領域Ｒに滴下又は注入することもできる。インターカレーターＩは、標的核酸Ｔを含む媒質Ｍ_２に含ませて滴下又は注入してもよい。

例えば、基板３のチャネル部Ｃの電極表面に固定された検出用核酸Ｄと後から滴下又は注入されてくる標的核酸Ｔとがハイブリダイゼーションを示し、相補的な二本鎖核酸を形成した後、あるいは、標的核酸Ｔの滴下又は注入と同時に、所定のノズルヘッドＮを介して、前記二本鎖核酸に対して挿入結合可能なインターカレーターＩを含む媒質Ｍ_３を、反応領域Ｒへ滴下又は注入することができる。

なお、必要な場合は、所定の洗浄溶液を固定化工程後の所定タイミングで、リザーバＲに滴下又は注入することも可能である。

基板３上に媒質Ｍを滴下又は注入する際には、サーボ用レーザー光Ｖ（後述）を用いて、基板３上に予め記録されているアドレスマーク情報を読み取りながら、所望のアドレス（番地）に、媒質Ｍを滴下又は注入する。

励起光Ｐが照射されると、符号Ｆで示される蛍光がインターカレーターＩから発せられ、基板３の裏面３ａ側に該蛍光Ｆが戻ってくる。この蛍光Ｆは、基板３の下方に配置された前記ミラー１０３で９０°屈折された後、光進行方向に配置された前記ダイクロイックミラー１０２を透過して直進し、更に前方に配置されたダイクロイックミラー１０７で９０°屈折される。

続いて、この蛍光Ｆは、上方のレンズＬ_３に入射して集光され、ディテクタ１０８に導かれる。なお、ダイクロイックミラー１０７は、蛍光Ｆを反射する性質を有するとともに、後述するサーボ用レーザー光Ｖに対して透光性を有する性質を備える。

ここで、蛍光強度は、一般の光ディスクＲＦ信号等と比較して、非常に弱いことが予想される。従って、蛍光検出用のディテクタ１０８には、一般のフォトダイオードと比較して非常に感度の高いフォトマルチプライヤー（光電管）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を採用するのが好適である。

前記ディテクタ１０８で検出された蛍光Ｆは、ＡＤ変換機１０９によって所定ビット数のデジタル信号１１０に変換される。このデジタル信号１１０は、例えば、基板３上のアドレスと発せられた蛍光強度とを対応させたマップの作成等の解析に利用される。

次に、「サーボ機構」について具体的に説明する。

まず、基板３の下方に配置される上記集光レンズＬ_２は、上記アクチュエータ１０４によって、フォーカス方向（上下方向）及びトラッキング方向（周方向）に駆動される構成とされている。このアクチュエータ１０４しては、光ディスクのピックアップに使用されるものと同じタイプの、２軸ボイスコイル型のものが好適である。

上記したように、基板３は水平に保持され、かつ前記集光レンズＬ_２は、基板３から見て鉛直方向下方位置に設置されているので、励起光Ｐ、並びにフォーカスサーボ及びトラッキングサーボに利用されるサーボ用レーザー光Ｖは、基板３の裏面側３ｂから照射される。

基板３の裏面３ｂ側からサーボ用レーザー光Ｖを照射する構成を採用したことによって、サーボ用レーザー光Ｖは、基板３に配設された検出部の媒質Ｍ中に存在している検出用核酸Ｄや標的核酸Ｔなどの影響を全く受けずに、基板３の裏面３ｂから反射されて戻ってくる。

このため、基板３が回転しても、基板３中の媒質Ｍにより反射光の方向及び強度が乱されることはないので、大変好適である。即ち、フォーカスエラー及びトラッキングエラーも外乱を受けることなく、サーボが安定して動作できるようになる。

より具体的に説明すると、まず、図１５中の符号１１１は、サーボ用レーザーダイオードを示しており、その後方には前記ダイオード１１１を制御するためのドライバ１１２が配置されている。サーボ用レーザーダイオード１１１の光出射方向には、コリメータレンズＬ_４が配置されている。

このコリメータレンズＬ_４によって、サーボ用レーザー光Ｖは、平行光に変換されて直進する（図１５参照）。なお、コリメータレンズＬ_４の前方に配置されたダイクロイックミラー１１３は、サーボ用レーザー光Ｖに対して透光性を有する性質を備える。

ここで、フォーカスエラーの発生には、非点収差法、ナイフエッジ法、スキュー法等、幾つかの方法が考えられるが、図１５の構成の場合、非点収発生レンズＬ_５を用いた非点収差法を採用している。

また、トラッキングエラーの発生には、ディファレンシャルプシュプル法と３スポット法が好適であると考えられる。両方法ともディスク上で３つの光スポットを得る必要がある。

従って、光ディスクピックアップで一般的であるように、図１５中に示された回折格子１１４を、サーボ用レーザー光学系のコリメータレンズＬ_４とダイクロイックミラー１１３の間に挿設して、回折された０次及び±１次光を、集光レンズＬ_２を介して基板３に照射する。

図１５における符号１１５は、サーボ用レーザー反射光のディテクタを示している。なお、ドライバ１１２及び１１５は、上記した制御部１００によって制御されている。

上記した励起光Ｐの波長、蛍光Ｆの波長、レーザー光Ｖの波長は、それぞれ異なっていてもよい。これらの光Ｐ、Ｆ、Ｖの波長が異なるようにした構成を採用する場合には、基板３に設けられた反射層が、蛍光Ｆの波長に対して所定程度の透光性（透過率）を有し、かつサーボ動作が可能なレーザー光反射率を備える物性が要求される。

つまり、反射率・透過率に波長依存性があってもかまわず、好ましくはローパスフィルタ的な周波数特性があればよい。単一の波長の場合では、蛍光Ｆの透過率とレーザー光Ｚの反射率の両方を向上させることは困難であるが、波長依存性を持たせることによって、蛍光Ｆの透過率及びレーザー光Ｖの反射率を向上させることができる。

本発明は、物質間の相互作用検出技術、特に、ＤＮＡチップなどのハイブリダイゼーション検出技術に特に有用である。

本発明に係る検出部、並びにこの検出部を備えるバイオアッセイ用基板の要部構成を説明するための上方視平面図である。 基板（１）に上側基板（２）が積層された状態を上方から見たときの平面図である。 図２に示されたＸ−Ｘ方向矢視断面図である。 図２に示されたＹ−Ｙ方向矢視断面図である。 図１に示された矢印Ｚ−Ｚ方向で矢視したチャネル部Ｃ部分の断面図である。 図２に示す矢印Ｚ−Ｚ方向で矢視した縦断面に対応するように、変形形態の構成を示す図である。 同変形形態を構成する基板１を上方から見た図である。 下側基板（１）の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る検出部及びバイオアッセイ用基板の他の実施形態の上方視平面図である。 図９に示す矢印Ｂ−Ｂ方向の矢視縦断面図である。 図４中の符号Ｗ部分（チャネル部Ｃの一部分）の拡大図であって、チャネル部（Ｃ）で進行する相互作用の一例であるハイブリダイゼーション及び蛍光物質の一例を示す図である。 図４中の符号Ｗ部分（チャネル部Ｃの一部分）の拡大図であって、他の蛍光物質の例（蛍光インターカレーター）を示す図である。 リザーバ（Ｒ）、チャネル部（Ｃ）、外気連通部（Ａ）を備える検出部が多数配列された構成の円盤状基板を簡略に示す図である 回転可能に水平に保持した円盤状基板（３）に対する給電手段の概念を示す図である。 円盤状基板（３）に対する媒質滴下手段、光ピックアップ手段、サーボ手段を簡略に示す図である。

符号の説明

１ 下側基板
１ａ 基材層
１ｂ 導体層
１ｃ ウエル形成層
１ｄ 絶縁層
２ 上側基板
３ バイオアッセイ用基板
Ａ （空気抜き用）外気連通部
Ｃ チャネル部
Ｅ_１−Ｅ_２ 対向電極
Ｍ（Ｍ_１〜Ｍ_３） 媒質
Ｐ 励起光
Ｒ リザーバ部

Claims (8)

1. 媒質を貯留又は保持するリザーバ部と、
   該リザーバ部に連通し、前記リザーバ部から送られてくる前記媒質中で進行する物質間の相互作用の場となるチャネル部と、
   該チャネル部に連通する外気連通部と、
   前記チャネル部に臨むように対向配置され、該チャネル部内の媒質に電界印加可能な対向電極と、を備える検出部。
2. 前記リザーバ部は、前記媒質の滴下部であることを特徴とする請求項１記載の検出部。
3. 前記相互作用は、ハイブリダイゼーションであることを特徴とする請求項１記載の検出部。
4. 前記対向電極は、前記チャネル部の底面側に設けられた下部電極と、前記底面に対向する上方側の基板に設けられた上部電極と、から構成されたことを特徴とする請求項１記載の検出部。
5. 前記下部電極は、所定波長の励起光を透過する導体によって形成されたことを特徴とする請求項４記載の検出部。
6. 前記電界は、高周波交流電界であることを特徴とする請求項１記載の検出部。
7. 請求項１記載の検出部が設けられたことを特徴とするバイオアッセイ用基板。
8. 所定波長の励起光を透過する基材層と、該基材層に積層された前記励起光を透過する導体層と、該導体層に積層されたウエル形成層と、該ウエル形成層に積層された導体層と、を備え、
   前記ウエル形成層には、媒質を貯留又は保持するリザーバ部と、該リザーバ部に連通するチャネル部と、該チャネル部に連通する外気連通部と、が加工形成されたことを特徴とするバイオアッセイ用基板。

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