JP2007531886A - 加熱可能な電極を備えた分析アレイ及び化学的及び生化学的分析のための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
a)個々の電極表面をそれぞれ各自の温度にすることができ、前記温度は電極表面全体で均一な値を有し、かつ
b)個々の電極が互いに害を及ぼし合わずに電気的な加熱及び電気化学的測定が同時に可能であり、かつ
c)試料溶液の不所望な加熱を引き起こさない、
化学的及び生化学的分析のための選択的に加熱可能な電極を有する分析アレイを提供することであり、
本発明の更なる課題は、1種以上のターゲット分子を、それぞれ、正確に調節可能で並びに時間的かつ空間的に制御された各自の電極温度において同時に測定する対応する化学的及び生化学的分析方法を提供することである。
アレイは、ガラスからなる支持体3上にスパッタリング又は蒸着により形成された、層状の貴金属製要素の電極13の配列からなる。本発明による楕円形の電極13は図1、2及び4に図示されている。この形状により、本発明においては、加熱電流が供給されると直ぐに、個々の電極13の表面が均一に加熱される。電極13は、それぞれ、2つの電気的加熱電流接点5,5’を有し、それに比較的大きな横断面を有する銅からなる電流供給手段2,2’が接続されており、そして前記電極13は電気的に加熱することができる。また、前記加熱電流接点5,5’は、電気化学的測定機器、例えばポテンシオスタット、ガルバノスタット、電圧計の接続のために用いられる。図1bには、被覆層4,4’が図示されており、前記被覆層は加熱電流接点5,5’及び電気的電流供給手段2,2’を電気的に絶縁している。
本発明によるアレイは、25μmの直径を有する薄い金ワイヤの配列からなる。それぞれのワイヤ片が、分析アレイの加熱可能な要素である。その表面が、核酸オリゴマーからなる自己集合した単分子層で修飾されている。全てのワイヤ片は個別に制御可能であり、従ってそれぞれ個別に調節された加熱電流を流すことができる。ハイブリダイゼーション及びその検出は実施例3に記載したのと同様に行う。ワイヤに沿った均一な温度は、加熱電流接点の領域での絶縁材料による部分的な被覆によって達成され、その寸法は経験的に決定することができる。
45個の塩基を含みかつ末端がHS−(CH)6−基で修飾されているオリゴヌクレオチドが、自己集合した単分子層の形で金層又は金ワイヤ上に存在する。このオリゴヌクレオチドはプローブ分子として利用され、これらは場合により存在するアナライト分子もしくはターゲット分子と、その塩基配列が十分に互いに相補的である場合には結合する。それにより、ターゲット分子そのものを一定の確実性で同定することができる。前記金層は、オーム抵抗体としてのその特性から加熱電流回路の一部である。前記金層は電気化学的測定回路とも接続されている。本発明においては、この金層は、他のこの種の層と一緒に、ガラス基材である支持体上に存在し、そして熱的分析アレイの電極を形成する。前記アレイ電極は、金のスパッタリング又は蒸着によってガラス基材上に形成される。図1には、16個の要素から構成されるこのようなアレイが図示されている。プローブ分子及びターゲット分子の間の結合の強さは、特に分子長、グアニン−シトシン塩基対の含有量並びにプローブ配列とターゲット配列との間の一致の度合いに依存する。十分に高い温度においてこの結合が切り離される。適切な温度の選択により、高い一致性を有する分子と低い一致性を有する分子とを区別することができる。それぞれのアレイ電極は、それに固定されたプローブ分子の固有の塩基配列によって特徴付けられているために、完全に相補的な分子とミスマッチ分子とを区別するために固有の「適切な」温度を有する。この場合、本発明では、各アレイ電極の温度は、各自の加熱電流によって個別に調節され、そして全ての電極は1つの温度センサーによって中央で一緒に制御される。それにより、外部からの熱的影響、例えば周囲温度の変動又は異なる試料溶液温度を補うことができる。
多数の試料を、所定の核酸配列によるハイブリダイゼーション技術を用いて分析する。前記配列は極めて長いか、又は配列断片の決定すべき数が極めて多く、DNAアレイの使用が必要であるかのいずれかである。この場合、適当なプローブ分子が設けられた熱的分析アレイを、フローシステム(Fliessapparatur)中の検出器として使用することができる。各試料は、ハイブリダイゼーション、電気化学的シグナルトランスダクション及び熱的再生からなるサイクルで測定した。前記再生の際は、プローブ分子は、それぞれの核酸配列の解離温度を上回る加熱によって熱的にターゲット分子から分離される。引き続き、同じアレイが次の試料のために使用され、それにより大きな試料処理量が可能となる。前記ハイブリダイゼーションは、完全に相補的なターゲット配列の場合にだけ高い選択率でハイブリッド複合体を形成することができる温度で行われる。
他の応用例は、タンパク質の分析である。プロテオーム分析の場合には、同時に異なるタンパク質種を特性決定しなければならないという問題がある。それというのもプロテオームは全ての存在するタンパク質のそれぞれの状態によって特徴付けられ、かつ常に時間的な変化が起こっているためである。
水性試料を、pH値、塩化物含有量、グルコース含有量及び鉛含有量について検査する。これは、電気化学的方法のポテンシオメトリー、アンペロメトリー及びインバースボルタンメトリーを用いて行うことができる。この場合も、4つの反応表面(電極)を有する簡単な選択的に加熱される分析アレイが使用され、前記4つの反応表面は全て相応に修飾されている。これは、室温でpH値もしくは塩化物含有量をポテンシオメトリーにより測定するための2種のイオン選択性電極と、40℃でのアンペロメトリーによるグルコース測定するための酵素修飾された電極と、80℃での濃縮工程を有するインバースボルタンメトリー鉛測定のための炭層電極から構成される。
酵素の活性は、0、10、20、30、40、50及び60℃の温度で同時に測定する。このためには、冷却のためのペルティエ素子と結合されている分析アレイが使用される。その反応表面は相応な酵素で修飾されており、そして電気化学的セル中に導入されている。ペルティエ素子を用いて、アレイの初期温度を0℃に低下させる。選択的加熱により、個々の反応表面を、0〜60℃の間の所望の温度に調節する。酵素の活性は、基質の添加の後にアンペロメトリーにより個々のアレイ要素で追跡することができる。
2,2’ 電流供給手段
3 支持体
4,4’ 被覆層
5,5’ 加熱電流接点
6 反応媒体
7 反応表面縁部
8 縦軸
9 温度センサー
10 制御ユニット
11,11’ スイッチ
12,12’,12” 抵抗体
13,13’,13” 電極
14 変圧器
15,15’,15” 電圧計
16,16’,16” 電流計
17,17’,17” 制御装置
18,18’,18” トランスデューサー
19,19’,19” 中央接点
20,20’,20” トリム抵抗体
21 ヒートシンク
22 試料溶液
23 ペルティエ素子
24 ペルティエ素子の熱い面
25 ペルティエ素子の冷たい面
Claims (26)
- 化学的又は生化学的分析のための少なくとも1つの加熱可能な電極(13)を備え、その電極表面(1)はそれぞれ各自の温度に調節される分析アレイにおいて、電極表面(1)を備えた少なくとも1つの導電性の電極(13)は支持体(3)の上に設けられており、
a)前記電極(13)の縦軸(8)を横切るそれの横断面積を変化させることにより、及び/又は
b)接点箇所で加熱電流接点(5,5’)を絶縁するための被覆層(4,4’)が少なくとも前記接点箇所を覆うか及び/又は部分的に前記電極表面の外側の端部をも覆うことにより、又は
c)電極(13)の長さを前記電極の横断面との比率で大きくして、加熱電流接点(5,5’)の付近において不均一な温度の領域を無視できる程度に小さくすることにより、
電極表面(1)全体上で均一な温度が保証されることを特徴とする、分析アレイ。 - 電極(13)の最も大きい横断面積と最も小さい横断面積との比率が1:1〜1:3であることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 電気化学的測定のための接続がそれぞれ加熱電流接点(5,5’)のうちの一つで行われていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 個々の電極(13)がそれぞれ導電層として支持体(3)上に作られており、かつ電流によって加熱可能であることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 個々の電極(13)が導電性ワイヤとして、テープ又は繊維として作られていることを特徴とする、請求項1及び4のいずれか一項に記載の分析アレイ。
- 電極(13)が対称的に作られており、両方の加熱電流接点(5,5’)の間の中央に、前記加熱電流接点と比べて小さな、電気化学的測定装置との接続のための接点(19)が配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 電極(13)の電極表面(1)がプローブ分子で変性された反応表面として作られていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 電極(13)の電極表面(1)が、前記電極表面と流電気的に隔離されたその下に存在する導電層によって間接的に電気的に加熱可能であることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の分析アレイ。
- 支持体(3)上の電極(13)間の全体的な温度制御のために、少なくとも1つの温度センサー(9)が測定構成要素として配置されており、前記温度センサーは制御要素(10)を介して抵抗体(12)と接続されており、それにより加熱電流が中央制御されることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 個別的な温度制御のために、制御装置(17,17’)が抵抗体(12,12’)を介して加熱電流を個別的に制御し、かつそれぞれの電極(13,13’)の抵抗の測定のために、測定構成要素としての電流計(16,16’)及び電圧計(15,15’)と接続されていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- アレイの個々の電極(13)が、ポテンシオメトリーの実施のために、各自の電界効果トランジスタのゲートと間接的に又は直接的に接続していることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 電極(13)の前方及び後方にスイッチ(11)が電流供給手段(2,2’)に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 配置されたスイッチ(11)は、好ましくは多重ダブルスイッチ(11)であることを特徴とする、請求項1及び12のいずれか一項に記載の分析アレイ。
- アレイの個々の電極(13)が流電気的に互いに隔離されており、かつ加熱電流の供給は個々のトランスデューサー(18)を介して行われることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- アレイは、試料溶液(22)の冷却のために少なくとも1つのペルティエ素子(23)又はパッシブヒートシンク(21)と接続されていることを特徴とする、請求項1に記載の分析アレイ。
- 個々の電極(13)がそれぞれ各自の温度に調節される分析アレイを用いて、少なくとも1種の化学的及び/又は生化学的物質を同時に測定する方法において、前記物質(ターゲット分子)の測定のためのプローブ分子が、電極表面(1)を有する少なくとも1つの電極(13)上に被着されており、前記電極(13)は支持体(3)上に設けられており、前記電極(13)の縦軸(8)に沿ってそれぞれ同じ温度が存在しておりかつ加熱電流接点(5,5’)と接続する電流供給手段(2,2’)によって個々の電極(13)の同時加熱及びその抵抗の測定が行われ、個々の電極(13)の温度はそれの抵抗の測定及び加熱電流の調節によって制御されることを特徴とする、上記方法。
- 抵抗体(12)によって加熱電流の強さに影響を及ぼすことを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 個々の電極(13)の温度調節を電子的に制御することを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 電気化学的測定装置に接続する電流供給手段(2,2’)の間に中央の接点(19)を対称的に取り付け、かつ前記電極を互いに永続的に流電気的に隔離して、加熱電流を個々のトランスデューサー(18)を用いて供給することにより、障害のない同時測定及びそれぞれの電極(13,13’)の加熱が可能となることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- シグナルトランスダクションを、電気化学的方法で、好ましくはアンペロメトリー、直流電圧又は交流電圧ボルタンメトリー、ポテンシオメトリー又はクロノポテンシオメトリー、クーロメトリー及び/又はインピーダンス分光分析により行うことを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- シグナルトランスダクションをIR分光分析、ラマン分光分析、UV−VIS分光分析及び/又は蛍光分光分析によって行うことを特徴とする、請求項16から18のいずれか一項に記載の方法。
- シグナルトランスダクションを放射性ラベリング及び放射能測定によって行うことを特徴とする、請求項16から18のいずれか一項に記載の方法。
- 電極表面(1)がタンパク質を分子的に認識する分子で修飾されていることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 電極表面(1)は、同時に様々な分析法、例えばアンペロメトリー、ボルタンメトリー、ポテンシオメトリー、光学的表面プラズモン分光分析及び/又はインピーダンス分光分析がそれぞれ個々のアレイ要素で各自それぞれの温度で実施されるように作られていることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- フローシステムにおいて実施されることを特徴とする、請求項16に記載の方法。
- 分析アレイを用いて核酸フラグメントを測定することを特徴とする、請求項16に記載の方法。
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