JP2008241409A - Apparatus and method for analyzing biopolymer, gene expression analysis method, and antigen detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体高分子分析装置、生体高分子の分析方法、遺伝子の発現解析方法、及び抗原の検出方法に関する。 The present invention relates to a biopolymer analyzer, a biopolymer analysis method, a gene expression analysis method, and an antigen detection method.
様々な生物種の遺伝子の発現解析を行うためにDNAチップや抗体チップ等の生体高分子分析チップやその読取装置が開発されている。生体高分子分析チップは、プローブとなる既知の塩基配列のcDNAや抗体をスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである(例えば特許文献1参照)。例えば、DNAチップ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。 In order to analyze the expression of genes of various biological species, biopolymer analysis chips such as DNA chips and antibody chips and readers thereof have been developed. A biopolymer analysis chip is obtained by aligning and fixing cDNA and antibodies having a known base sequence serving as a probe on a solid support such as a slide glass in a matrix (for example, see Patent Document 1). For example, gene expression analysis using a DNA chip and its reader is performed as follows.
まず、既知の塩基配列を有した複数種類のcDNA(以下、プローブDNAという)をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたDNAチップを準備する。次に、検体からmRNAを抽出し、逆転写酵素を用いてcDNAを合成し、標識物質で標識したものを用意する(以下、標識DNAという)。ここで、標識物質には蛍光物質や化学発光基質、あるいは化学発光基質を発光させる酵素等を用いることができる。
次に、標識DNAをDNAチップ上に添加すると、標識DNAが相補的なプローブDNAとハイブリダイズすることによりDNAチップ上に固定される。
First, a DNA chip is prepared in which a plurality of types of cDNAs having known base sequences (hereinafter referred to as probe DNA) are aligned and fixed on a solid support such as a slide glass. Next, mRNA is extracted from the specimen, cDNA is synthesized using reverse transcriptase, and prepared by labeling with a labeling substance (hereinafter referred to as labeled DNA). Here, as the labeling substance, a fluorescent substance, a chemiluminescent substrate, an enzyme that emits light from the chemiluminescent substrate, or the like can be used.
Next, when the labeled DNA is added onto the DNA chip, the labeled DNA is immobilized on the DNA chip by hybridizing with the complementary probe DNA.
次いで、DNAチップを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、DNAチップに対して二次元的に移動する集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってDNAチップを走査する標識物質により発した光を集光レンズで集光させ、光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、DNAチップの面内の光強度分布を計測し、これにより、DNAチップ上の光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で光強度が大きい部分には、プローブDNAの塩基配列と相補的な塩基配列を有した標識DNA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部分の蛍光強度が大きいかによって検体で発現しているmRNAを同定することができる。
ところで、複数の光電変換素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にDNAや抗体等のプローブ分子をスポットした生体高分子分析チップが開発されている。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着した標識DNA等の生体高分子を標識する標識物質により発生する光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、受光面に付着された生体高分子と光電変換素子との間の距離が近いために標識物質から発した光の減衰を抑えることができるために、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある。 By the way, a biopolymer analysis chip has been developed in which probe molecules such as DNA and antibodies are spotted on a light receiving surface of a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array. In such a biopolymer analysis chip, light generated by a labeling substance that labels a biopolymer such as labeled DNA attached to a spot is measured by each photoelectric conversion element. Spots are scattered on the light receiving surface of the solid-state imaging device, and attenuation of light emitted from the labeling substance can be suppressed because the distance between the biopolymer attached to the light receiving surface and the photoelectric conversion element is short Therefore, there is an advantage that measurement is possible even with a small amount of light.
上記のような生体高分子分析チップにおいて、標識物質として化学発光基質を発光させるための酵素を用いた場合には、化学発光基質を含む溶液をスポットに滴下し、酵素による化学反応に基づいて発生する励起された蛍光体が基底状態に戻るときに発する光を計測する。 In the biopolymer analysis chip as described above, when an enzyme for emitting a chemiluminescent substrate is used as a labeling substance, a solution containing the chemiluminescent substrate is dropped on the spot and generated based on a chemical reaction by the enzyme. The light emitted when the excited phosphor returns to the ground state is measured.
しかし、化学発光基質がウェル内で拡散すると、化学発光基質が酵素により反応し発生する蛍光体の量が減少する。その結果、蛍光体より放射される蛍光が減り、S/N比が低下するという問題がある。 However, when the chemiluminescent substrate diffuses in the well, the amount of the phosphor generated by the reaction of the chemiluminescent substrate with the enzyme decreases. As a result, there is a problem that the fluorescence emitted from the phosphor is reduced and the S / N ratio is lowered.
本発明は、上記の問題を解決し、より感度の良好な生体高分子分析装置、生体高分子の分析方法、遺伝子の発現解析方法、及び抗原の検出方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide a biopolymer analyzer, a biopolymer analysis method, a gene expression analysis method, and an antigen detection method with better sensitivity.
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、受光面を上方向に向けて設けられた光電変換素子を有する撮像装置と、前記撮像装置の受光面側に固定され、内部に溶液が注入されるウェルと、前記ウェル内を上下に仕切る分子フィルターと、前記ウェル内の前記分子フィルターよりも上部に固定され、前記ウェル内に注入される溶液内の特定の生体高分子と結合するプローブと、を備えることを特徴とする生体高分子分析装置である。
In order to solve the above-described problems, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の生体高分子分析装置であって、酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質を電気的に引き寄せるため、前記各光電変換素子の受光面側に電極がそれぞれ設けられていることを特徴とする。
Invention of
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の生体高分子分析装置であって、前記ウェルを囲繞するように配置された複数の電磁石をさらに備えることを特徴とする。
The invention described in claim 3 is the biopolymer analyzer according to
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体高分子分析装置であって、前記プローブは既知の塩基配列を有する一本鎖DNAであることを特徴とする。 Invention of Claim 4 is the biopolymer analyzer as described in any one of Claims 1-3, Comprising: The said probe is single stranded DNA which has a known base sequence, It is characterized by the above-mentioned. To do.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体高分子分析装置であって、前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする。
The invention described in claim 5 is the biopolymer analyzer according to any one of
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の生体高分子分析装置を用いた生体高分子の分析方法であって、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の前記生体高分子の一部を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to claim 6 is a method for analyzing a biopolymer using the biopolymer analyzer according to
請求項7に記載の発明は、請求項2に記載の生体高分子分析装置を用いた生体高分子の分析方法であって、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の前記生体高分子の一部を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程と、前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to claim 7 is a method for analyzing a biopolymer using the biopolymer analyzer according to
請求項8に記載の発明は、請求項3に記載の生体高分子分析装置を用いた生体高分子の分析方法であって、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の前記生体高分子の一部を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a method for analyzing a biopolymer using the biopolymer analyzer according to claim 3, wherein an excited fluorescent substance capable of passing through the molecular filter from a chemiluminescent substrate is provided. A solution containing a biopolymer labeled with an enzyme that functions as a catalyst for the generated chemical reaction is injected into the well, and then a part of the biopolymer in the solution is bound to the probe, and then the Through a process of injecting a solution containing magnetic particles having a chemiluminescent substrate fixed and impermeable to the molecular filter into the well, and then applying an appropriate voltage to the plurality of electromagnets to alternately generate a magnetic field. The light emitted from the excited fluorescent material thus generated is detected by the photoelectric conversion element.
請求項9に記載の発明は、請求項1に記載の生体高分子分析装置を用いた遺伝子の発現解析方法であって、既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to claim 9 is a gene expression analysis method using the biopolymer analyzer according to
請求項10に記載の発明は、請求項2に記載の生体高分子分析装置を用いた遺伝子の発現解析方法であって、既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程と、前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is a gene expression analysis method using the biopolymer analyzer according to the second aspect, wherein a single-stranded DNA having a known base sequence is used as the probe as a bottom of the well. Next, an RNA extracted from any cell is used as a template, and is labeled with an enzyme that functions as a catalyst for a chemical reaction that generates a fluorescent substance in an excited state that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. A solution containing the enzyme-labeled DNA is injected into the well, and then a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe, and then the chemiluminescent substrate is fixed, and the molecular filter Injecting a solution containing a fixed body that cannot pass through the well into the well and then shaking the well, and applying a voltage to attract the fluorescent material to the electrode. Through the process of the fluorescence emitted from the fluorescent substance of the generated excited state and detects by the photoelectric conversion element.
請求項11に記載の発明は、請求項3に記載の生体高分子分析装置を用いた遺伝子の発現解析方法であって、既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項12に記載の発明は、請求項1に記載の生体高分子分析装置を用いた抗原の検出方法であって、特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項13に記載の発明は、請求項2に記載の生体高分子分析装置を用いた抗原の検出方法であって、特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記ウェルを振盪する過程と、前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項14に記載の発明は、請求項3に記載の生体高分子分析装置を用いた抗原の検出方法であって、特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、より感度の良好な生体高分子分析装置、生体高分子の分析方法、遺伝子の発現解析方法、及び抗原の検出方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a biopolymer analyzer with better sensitivity, a biopolymer analysis method, a gene expression analysis method, and an antigen detection method.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
[第1実施形態]
〔1〕生体高分子分析チップの全体構成
図1は、本発明の第1の実施形態に係る生体高分子分析チップ1の概略平面図であり、図2は、図1のII−II矢視断面図である。図3は図1のIII部拡大図であり、図4は図3のIV−IV矢視断面図である。この生体高分子分析チップ1は、DNAを検出するDNAチップである。
この生体高分子分析チップ1は、図1、図2に示すように、撮像装置2は、固体撮像デバイス10と、隔壁40と、分子フィルター50と、スポット60とを備える。
[First Embodiment]
[1] Overall Configuration of Biopolymer Analysis Chip FIG. 1 is a schematic plan view of a
As shown in FIGS. 1 and 2, the
〔2〕固体撮像デバイス
ここで、図1〜図4を用いて固体撮像デバイス10について説明する。図2に示すように、固体撮像デバイス10は、透明基板11と、ボトムゲート絶縁膜13と、トップゲート絶縁膜21と、保護絶縁膜23と、保護絶縁膜25とを積層してなる。これらの層間に、複数のボトムゲートライン12a、ソースライン18a、ドレインライン19a、トップゲートライン22a、電極ライン24a及び、フォトセンサ20を形成するボトムゲート電極12、半導体膜14、チャネル保護膜15、不純物半導体膜16,17、ソース電極18、ドレイン電極19、トップゲート電極22、電極24が設けられている。
[2] Solid-State Imaging Device Here, the solid-
透明基板11は、後述する蛍光体が発する蛍光を透過する性質(以下、光透過性という。)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、PMMA等といったプラスチック基板である。
The
この固体撮像デバイス10においては、光電変換素子としてダブルゲート型磁界効果トランジスタ(以下、フォトセンサという。)20が利用され、複数のフォトセンサ20,20,…が透明基板11上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらフォトセンサ20,20,…が窒化シリコン(SiN)等の保護絶縁膜23によってまとめて被覆されている。
なお、図1では8行×8列の64個のフォトセンサ20,20,…を備えるマトリクス状の二次元アレイを示すが、その数は任意であり、さらに多くの行及び列を有していてもよい。
In this solid-
1 shows a matrix-like two-dimensional array including 64
図3、図4に示すように、フォトセンサ20,20,…は何れも、受光部である半導体膜14と、半導体膜14上に形成されたチャネル保護膜15と、ボトムゲート絶縁膜13を挟んで半導体膜14の下に形成されたボトムゲート電極12と、トップゲート絶縁膜21を挟んで半導体膜14の上に形成されたトップゲート電極22と、半導体膜14の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜16と、半導体膜14の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜17と、不純物半導体膜16に重なったソース電極18と、不純物半導体膜17に重なったドレイン電極19と、を備え、半導体膜14において受光した光量に従ったレベルの電気信号を出力するものである。
As shown in FIGS. 3 and 4, each of the
ボトムゲート電極12は、フォトセンサ20ごとに透明基板11上に形成されている。また、透明基板11上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン12a,12aが形成されており、横方向に配列された同一の行のフォトセンサ20,20,…のそれぞれのボトムゲート電極12が共通のボトムゲートライン12aと一体となって形成されている。ボトムゲート電極12及びボトムゲートライン12a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。
The
フォトセンサ20,20,…のボトムゲート電極12及びボトムゲートライン12a,12a,…はボトムゲート絶縁膜13によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜13は全てのフォトセンサ20,20,…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜13は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン(SiN)又は酸化シリコン(SiO2)からなる。
The
ボトムゲート絶縁膜13上には、複数の半導体膜14がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜14は、フォトセンサ20ごとに独立して形成されており、それぞれのフォトセンサ20においてボトムゲート電極12に対して対向配置され、ボトムゲート電極12との間にボトムゲート絶縁膜13を挟んでいる。半導体膜14は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成する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。
A plurality of
半導体膜14上には、チャネル保護膜15が形成されている。チャネル保護膜15は、フォトセンサ20ごとに独立してパターニングされており、それぞれのフォトセンサ20において半導体膜14の中央部上に形成されている。チャネル保護膜15は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜15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14の界面を保護するものである。半導体膜14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15と半導体膜14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14側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜15側には電子が発生する。
A channel
半導体膜14の一端部上には、不純物半導体膜16が一部、チャネル保護膜15に重なるようにして形成されており、半導体膜14の他端部上には、不純物半導体膜17が一部、チャネル保護膜15に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜16,17は、フォトセンサ20ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜16,17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。
An
不純物半導体膜16上には、ソース電極18が形成され、不純物半導体膜17上には、ドレイン電極19が形成されている。ソース電極18及びドレイン電極19はフォトセンサ20ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン18a,18a及びドレインライン19a,19aがボトムゲート絶縁膜13上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のフォトセンサ20,20,…のソース電極18は共通のソースライン18aと一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のフォトセンサ20,20,…のドレイン電極19は共通のドレインライン19aと一体に形成されている。ソース電極18、ドレイン電極19、ソースライン18a及びドレインライン19a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。
A
フォトセンサ20,20,…のソース電極18及びドレイン電極19並びにソースライン18a,18a及びドレインライン19a,19aは、トップゲート絶縁膜21によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜21は全てのフォトセンサ20,20,…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜21は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
The
トップゲート絶縁膜21上には、複数のトップゲート電極22がフォトセンサ20ごとに形成されている。トップゲート電極22は、それぞれのフォトセンサ20において半導体膜14に対して対向配置され、半導体膜14との間にトップゲート絶縁膜21及びチャネル保護膜15を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜21上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン22a,22aが形成されており、横方向に配列された同一の行のフォトセンサ20,20のトップゲート電極22が共通のトップゲートライン22aと一体に形成されている。トップゲート電極22及びトップゲートライン22aは、導電性及び光透過性を有し、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。
A plurality of
フォトセンサ20,20,…のトップゲート電極22及びトップゲートライン22a,22aは保護絶縁膜23によってまとめて被覆され、保護絶縁膜23は全てのフォトセンサ20,20,…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜23は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
The
保護絶縁膜23の上面には、フォトセンサ20,20,…の半導体膜14の上方に電極24が設けられている。また、保護絶縁膜23の上面には、フォトセンサ20,20,…の側方に、縦方向に延在する複数本の電極ライン24a,24a,…が形成されており、縦方向に配列された同一の列の電極24,24が共通の電極ライン24aと一体となって形成されている。電極24及び電極ライン24aは導電性を有し、さらに、後述する蛍光体92の蛍光に対して高い透過性を示す透明電極が好ましく、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。
On the upper surface of the protective insulating
電極24及び電極ライン24aは保護絶縁膜25によってまとめて被覆される。保護絶縁膜25は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
The
以上のように構成された固体撮像デバイス10は、保護絶縁膜25の表面を受光面としており、フォトセンサ20の半導体膜14において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。
The solid-
〔3〕隔壁
隔壁40は保護絶縁膜25上に密着され、固体撮像デバイス10の受光面にウェル42を形成する。隔壁40は不透明であり、フォトセンサ20に隣接するウェル42から光が入ることを防いでいる。
[3] Partition Wall The
なお、図1では2行×2列のウェル42が固体撮像デバイス10の受光面に形成されているが、その数は任意である。また、図1では1つのウェル42に4行×4列のフォトセンサ20が配置されているが、1つのウェルに少なくとも1つのフォトセンサ20が配置されていればよく、その数は任意である。
In FIG. 1, 2 rows × 2 columns of
〔4〕分子フィルター
分子フィルター50は、図2に示すように、固体撮像デバイス10の上部に配置され、外周部で隔壁40に固定されている。分子フィルター50は例えば接着剤で接着することにより、隔壁40へ固定することができる。分子フィルター50により、ウェル42内の空間が上下に仕切られている。
[4] Molecular Filter As shown in FIG. 2, the
分子フィルター50は後述する蛍光体(分子量約185)を透過させるとともに、それよりも大きい分子量の分子を透過させないものである。分子フィルター50としては、例えば分画分子量が30kDaの限外ろ過膜を用いることができ、具体的には、例えばナノセップ(PALL社製)等を用いることができる。
The
〔5〕スポット
図1、図2に示すように、分子フィルター50の上面にはスポット60が形成されている。各スポット60は、プローブとなる既知の塩基配列のcDNA(プローブDNA61)や抗体等の溶液をウェル42内に滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のcDNAを用いた場合について説明する。
[5] Spot As shown in FIGS. 1 and 2, a
スポット60は各ウェル42内にそれぞれ1つずつ形成されている。1つのスポット60では同じ塩基配列の一本鎖のプローブDNA61が多数集まった群集が分子フィルター50の上面に固定化され、スポット60ごとにプローブDNA61は異なる塩基配列となっている。プローブDNA61としては、既知のmRNAの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のDNAが用いられる。具体的には、例えば、後述する酵素標識DNAで用いるのと同じ細胞検体から作成したcDNAライブラリを用いることができる。
One
〔6〕分析装置
生体高分子分析チップ1を分析装置70にセッティングして生体高分子分析チップ1を用いるので、分析装置70について図5を用いて説明する。図5は分析装置70の構成を示すブロック図である。
[6] Analyzing apparatus Since the
分析装置70は、生体高分子分析チップ1と、分析台71(図9参照)と、生体高分子分析チップ1に接続され、固体撮像デバイス10を駆動する電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75、ドレインドライバ76と、分析装置70全体を制御する制御装置80と、記憶装置82と、制御装置80から出力された信号により出力(表示又はプリント)を行う出力装置77と、振盪器78と、注入装置79とを備える。
The
分析台71には、生体高分子分析チップ1がセッティングされる。生体高分子分析チップ1が分析台71にセッティングされた場合には、固体撮像デバイス10の電極ライン24aが電極ドライバ73の端子に接続されるようになっている。同様に、トップゲートライン22a,22a,…がトップゲートドライバ74の端子に、ボトムゲートライン12a,12a,…がボトムゲートドライバ75の端子に、ドレインライン19a,19a,…がドレインドライバ76の端子に、それぞれ接続されるようになっている。また、生体高分子分析チップ1が分析台71にセッティングされた場合、固体撮像デバイス10のソースライン18a,18a,…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン18a,18a,…が接地されるようになっている。
なお、図5では2行×2列の4個のフォトセンサ20,20,…のみが記載されているが、その数は任意であり、さらに多くの行及び列を有していてもよい。
The
In FIG. 5, only four
電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76は、協同して固体撮像デバイス10を駆動するものである。
The
制御装置80は、電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に制御信号を出力することによって、電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に固体撮像デバイス10の駆動動作を行わせる機能を有する。また、制御装置80は入力した二次元の画像データに従った画像を出力装置77に出力させる機能を有する。出力装置77は、例えばプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。
The
また、制御装置80は振盪器78を制御し、分析台71を振盪させることによりウェル42内の溶液を攪拌する。
また、制御装置80は注入装置79を駆動し、分析装置70にセットされた生体高分子分析チップ1の各ウェル42に、後述する化学発光基質91を固定した固定体90を含む溶液を滴下する。
Further, the
In addition, the
また、制御装置80はドレインドライバ76から入力した電気信号をA/D変換することで、固体撮像デバイス10の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして記憶装置82に取得する機能を有する。
In addition, the
記憶装置82には、ドレインドライバ76から制御装置80に入力され、A/D変換された固体撮像デバイス10の受光面に沿った光強度分布が二次元の画像データとして記憶される。
In the
〔7〕酵素標識DNA
上記生体高分子分析チップ1で分析する試料としては、DNAを用いることができる。試料となるDNAとしては、任意の細胞検体内で発現しているmRNAを抽出し、逆転写酵素を用いて得られたcDNAを用いることができる。cDNAは例えばアルカリホスファターゼやペルオキシダーゼ等、後述する化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素で標識する。
[7] Enzyme labeled DNA
As a sample to be analyzed by the
cDNAを酵素で標識するには、例えば、酵素で標識されたオリゴdTプライマや、標識されたdNTPミックスを用いてRT−PCR反応を実施すればよい。以下では、この標識されたcDNAを酵素標識DNAという。 In order to label the cDNA with an enzyme, for example, an RT-PCR reaction may be carried out using an oligo dT primer labeled with the enzyme or a labeled dNTP mix. Hereinafter, this labeled cDNA is referred to as enzyme-labeled DNA.
〔8〕化学発光基質
酵素標識DNAを検出するのに用いる化学発光基質について説明する。化学発光基質としては、酵素標識DNAの標識に用いられた酵素を触媒として利用した化学反応により励起状態の蛍光物質を生成するものを用いることができる。
具体的には、例えばアルカリホスファターゼの基質となるジオキセタン系の誘導体や、ペルオキシダーゼの基質となるルミノール系の化合物を用いることができる。
[8] Chemiluminescent substrate The chemiluminescent substrate used for detecting the enzyme-labeled DNA will be described. As the chemiluminescent substrate, one that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction using an enzyme used for labeling enzyme-labeled DNA as a catalyst can be used.
Specifically, for example, a dioxetane derivative serving as a substrate for alkaline phosphatase or a luminol compound serving as a substrate for peroxidase can be used.
ジオキセタン系の誘導体として、化学式1に示すアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体(C18H19Cl2O7PNa2)を例に挙げて説明する。アダマンチルジオキセタン塩素化誘導体はリン酸基を有し、アルカリホスファターゼの基質となる。
アルカリホスファターゼはアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体のリン酸基を加水分解し、化学式2に示す不安定な中間体を形成する。
中間体は自然開裂し、化学式3に示すアダマンタノンと蛍光体とに分解される。この蛍光体は励起状態であり、蛍光体が基底状態に遷移するときのエネルギーが光として放出される。
なお、アルカリホスファターゼの基質となる化学発光基質はリン酸基を有しており、水溶液中で負に帯電している。また、化学発光基質の加水分解により生成する蛍光体も、水溶液中で負に帯電している。このため、化学発光基質及び蛍光体は、水溶液中で正電荷側へ移動する。 In addition, the chemiluminescent substrate used as the substrate of alkaline phosphatase has a phosphate group and is negatively charged in an aqueous solution. In addition, the phosphor produced by hydrolysis of the chemiluminescent substrate is also negatively charged in the aqueous solution. For this reason, the chemiluminescent substrate and the phosphor move to the positive charge side in the aqueous solution.
本実施の形態では、図6に示すように、固定体90の表面に化学発光基質91を固定させたものを用いる。化学発光基質91は固定体90の表面の吸着力により、固定体90の表面に固定される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a substrate in which a
固定体90としては、酵素反応を阻害しないことが好ましく、分子フィルター50を透過しない分子量、例えば約60kDa程度のタンパク質等を用いることが好ましい。このようなタンパク質としては、例えば、牛血清アルブミン(約66kDa)、ストレプトアビジン(約60kDa)、ニュートラアビジン(約60kDa)、アビジン(約67kDa)等を用いることができる。
As the fixed
〔9〕ハイブリダイゼーション
以下、酵素標識DNA62をプローブDNA61とハイブリダイゼーションさせる方法について図7、図8を用いて説明する。
まず、作業者が、酵素標識DNA62を含有した溶液(以下、酵素標識DNA溶液という)を各ウェル42内に注入する。酵素標識DNA溶液を注入する前に各ウェル42内に酵素標識DNA62が泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、酵素標識DNA溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。なお、酵素標識DNA溶液を各ウェル42内のスポット60,60,…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、酵素標識DNA62が一本鎖となるように酵素標識DNA溶液は加熱されている。
[9] Hybridization A method for hybridizing the enzyme-labeled
First, an operator injects a solution containing the enzyme-labeled DNA 62 (hereinafter referred to as an enzyme-labeled DNA solution) into each well 42. Before injecting the enzyme-labeled DNA solution, a buffer solution for migrating the enzyme-labeled
次いで、プローブDNA61と酵素標識DNA62とがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ1の各ウェル42を所定の温度に冷却する。すると、図8に示すように、各ウェル42内に注入された酵素標識DNA溶液内の酵素標識DNA62のうち、当該ウェル内のスポット60のプローブDNA61と相補的なものは、プローブDNA61とハイブリダイズする。一方、プローブDNA61と相補的ではないものは、そのスポット60には結合しない。
その後、ウェル42内の酵素標識DNA溶液を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、酵素標識DNAのうちプローブDNA61とハイブリダイズしなかったものをウェル42内から除去する。
Next, each well 42 of the
Thereafter, the enzyme-labeled DNA solution in the well 42 is washed away with a washing buffer solution, and the enzyme-labeled DNA that has not hybridized with the
上記処理を行った生体高分子分析チップ1を分析装置70にセッティングし、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76を制御装置80に接続し、制御装置80を起動する。
The
〔10〕サンプルの検出
酵素標識DNA62の検出方法について図9を用いて説明する。
スポット60のプローブDNA61に酵素標識DNA62がハイブリダイズしたウェル42に化学発光基質91を固定した固定体90を含む溶液を注入すると、酵素標識DNA62を標識する酵素63により化学発光基質91が加水分解され、不安定な中間体を経て励起状態の蛍光体92が生成される(図9)。
[10] Detection of Sample A method for detecting the enzyme-labeled
When a solution containing a fixed
本実施の形態では、以下に説明するように、化学発光基質91を固定した振盪器78を用いてウェル42内の攪拌動作を行う。以下、制御装置80によるウェル42内の攪拌動作について説明する。
In the present embodiment, as will be described below, the stirring operation in the well 42 is performed using a
まず、制御装置80は、注入装置79を駆動し、分析装置70にセットされた生体高分子分析チップ1の各ウェル42に、化学発光基質91を固定した固定体90を含む溶液を注入する。
First, the
化学発光基質91を固定した固定体90を含む溶液を、全てのウェル42に注入したら、制御装置80は電極ドライバ73を駆動して電極ライン24aに正電圧を印加し、電極24を正に帯電させる。
次に、制御装置80は、振盪器78を制御して分析台71を振盪させる。
When the solution containing the fixed
Next, the
分析台71を振盪させることで、化学発光基質91を固定した固定体90がウェル42内で移動し、酵素63により化学発光基質91が加水分解される機会が増大し、蛍光体92がより多く生成される。
By shaking the analysis table 71, the fixed
生成した蛍光体92は水溶液中で負に帯電しているため、分子フィルター50を透過して正に帯電した電極24に向かって移動する。
Since the produced
分子フィルター50を透過した蛍光体は、正に帯電した電極24に引き寄せられ、フォトセンサ20の上部に集中する。その後、励起状態の蛍光体92が基底状態に遷移するときに蛍光(主に可視光波長域)が放出され、フォトセンサ20に蛍光が入射して電子−正孔対が発生する。ここで、蛍光体92がフォトセンサ20の上部に集中しているため、より多くの蛍光が対応するフォトセンサ20に入射して電子−正孔対を発生させることができる。
The phosphor that has passed through the
なお、化学発光基質91が負に帯電している場合でも、化学発光基質91が固定体90の表面に固定されており、固定体90の分子量が分子フィルター50の分画分子量よりも大きいため、分子フィルター50を透過することがない。よって、化学発光基質91が電極24の近傍に引き寄せられることがなく、化学発光基質91の酵素63による加水分解が妨げられることがない。
Even when the
攪拌動作の終了後、制御装置80は各フォトセンサ20,20,…のそれぞれ出力をA/D変換することで、固体撮像デバイス10の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして記憶装置82に記憶する。
After the stirring operation is completed, the
作業者は、記憶装置82に記憶された各フォトセンサ20,20,…のそれぞれの光量データを出力装置77により出力することで得られた画像データより、各スポット60,60,…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット60のプローブDNA61と相補的な塩基配列のmRNAが細胞検体内で発現していることがわかる。
The worker uses the light intensity data of each photosensor 20, 20,... Stored in the
<変形例1>
なお、図10に示すように、プローブDNA61を隔壁40の側面に固定してもよい。隔壁40にプローブDNA61を固定することで、蛍光体92が透過する分子フィルター50の有効面積を大きくすることができる。
<
As shown in FIG. 10, the
<変形例2>
上記実施形態においては、生体高分子分析チップ1で分析する試料として、検体内で発現しているmRNAから逆転写酵素により合成されたDNAを用いたが、検体内で発現している特定のタンパク質または糖鎖等を抗原と結合する抗体(以下、プローブ抗体という)をプローブとして用いてもよい。
<
In the above embodiment, DNA synthesized by reverse transcriptase from mRNA expressed in a sample is used as a sample to be analyzed by the
具体的には、図11に示すように、生体高分子分析チップ1の各ウェル42にプローブ抗体64を含む溶液を滴下し、乾燥してスポット60を形成する。なお、各ウェル42に滴下されるプローブ抗体64はそれぞれ異なる抗原決定基を認識し、同じスポット60を形成するプローブ抗体64は同一の抗原決定基を認識する。このようなプローブ抗体64として、モノクローナル抗体を用いることができる。
Specifically, as shown in FIG. 11, a solution containing the
次に、サンプルとなる抗原65を含む溶液(以下、サンプル溶液という)を各ウェル42内に注入する。
プローブ抗体64にサンプル溶液中の抗原65が結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル42内のサンプル溶液をバッファー溶液で洗い流し、サンプル溶液中の抗原65のうちプローブ抗体64と結合しなかったものをウェル42内から除去する。
Next, a solution containing the
After a sufficient time has passed for the
次に、各ウェル42に、プローブ抗体64が認識するのと同じ抗原65の異なる抗原決定基を認識する抗体を酵素67で標識したもの(以下、酵素標識抗体66という)の溶液(以下、酵素標識抗体溶液という)を注入する。
Next, in each well 42, a solution (hereinafter referred to as enzyme-labeled antibody 66) of a solution in which an antibody that recognizes a different antigenic determinant of the
プローブ抗体64に結合した抗原65と酵素標識抗体66とが結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル42内の酵素標識抗体溶液をバッファー溶液で洗い流し、酵素標識抗体溶液中の抗原65のうちプローブ抗体64と結合しなかったものをウェル42内から除去する。
After a sufficient time has passed for the
なお、予め抗原65に酵素標識抗体66を結合させたものをウェル42内に注入し、酵素標識抗体66が結合した抗原65をプローブ抗体64に結合させてもよい。
以後、〔10〕サンプルの検出と同様にして、各ウェル42に化学発光基質を含む溶液を注入し、分析装置70による光量データの計測動作を行う。
Alternatively, the
Thereafter, in the same manner as in [10] sample detection, a solution containing a chemiluminescent substrate is injected into each well 42, and light quantity data is measured by the
プローブ抗体64に抗原65が結合し、抗原65に酵素標識抗体66が結合したウェル42では、酵素67により化学発光基質91が加水分解され、中間体を経て励起状態の蛍光体92が生成される。蛍光体92から放出される蛍光は、フォトセンサ20により検出される。
In the well 42 in which the
作業者は、記憶装置82に記憶された各フォトセンサ20,20,…のそれぞれの光量データを出力装置77により出力することで得られた画像データより、各スポット60,60,…における抗原65の有無を確認することができる。このため、ウェル42内の抗体の種類により、検体内でどのような抗原が発現しているかを直接確認することができる。
<変形例3>
なお、図12に示すように、プローブ抗体64を隔壁40の側面に固定してもよい。隔壁40にプローブ抗体64を固定することで、蛍光体92が透過する分子フィルター50の有効面積を大きくすることができる。
The operator uses the
<Modification 3>
As shown in FIG. 12, the
[第2実施形態]
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、〔2〕固体撮像デバイス、〔3〕隔壁、〔4〕分子フィルター、〔5〕スポット、〔7〕酵素標識DNA、〔9〕ハイブリダイゼーション、については、第1の実施形態と同様であるので、同符号を付して説明を割愛する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that [2] solid-state imaging device, [3] partition, [4] molecular filter, [5] spot, [7] enzyme-labeled DNA, and [9] hybridization are the same as in the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given and the explanation is omitted.
〔6−2〕分析装置
図13は本発明の第2の実施形態に係る分析装置170の構成を示すブロック図である。なお、第1実施形態における分析装置70と同様の構成については、下2桁に同符号を付して説明を割愛する。
本実施形態に係る分析装置170は、電磁石178R,178Lをさらに備える。電磁石178R,178Lは制御装置180により制御され、後述するようにウェル142内の磁場を変動させる。
[6-2] Analyzing Device FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the analyzing
The
制御装置180は、制御装置80と同様の機能を有するとともに、記憶装置182に記憶された攪拌回数Mc、攪拌回数のカウント数M、1サイクル当たりの通電時間Te及び通電時間のカウント数T等のデータを読み出し、後述するように電磁石178R,178Lを駆動する電圧を出力する。また、制御装置180は、一定時間毎にカウント数Tを1ずつ減らす減算タイマー機能を有する。
The
記憶装置182には、記憶装置82と同様に二次元の画像データが記憶されるとともに、記憶装置182に記憶された攪拌回数Mc、攪拌回数のカウント数M、通電時間Te及び通電時間のカウント数T等のデータが記憶される。
The
〔8−2〕化学発光基質
本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の化学発光基質を用いることができるが、本実施の形態においては、固定体90の代わりに磁性粒子190の表面に化学発光基質を固定させたものを用いる。化学発光基質91は磁性粒子190の表面の吸着力により、磁性粒子190の表面に固定される。磁性粒子190は、固定体90と同程度、あるいはそれ以上の大きさである。
[8-2] Chemiluminescent substrate Also in this embodiment, the same chemiluminescent substrate as in the first embodiment can be used. However, in this embodiment, the
磁性粒子190の材料としては、例えばニッケル粒子や鉄粒子、Fe3O4、γ-Fe2O3、Co-γ-Fe2O3、(NiCuZn)O・(CuZn)O・Fe2O3、(MnZn)O・Fe2O3、(NiZn)O・Fe2O3、SrO・6Fe2O3、BaO・6Fe2O3等の各種磁性体を用いることができ、これと高分子材料(例えばナイロン、ポリアクリルアミド、ポリスチレン等)とを組み合わせて粒子状に形成してもよい。
Examples of the material of the
磁性粒子190に化学発光基質91を固定させる方法は任意であり、例えば磁性粒子190の表面をSiO2でコーティングすることで、SiO2の吸着力により化学発光基質91を磁性粒子190の表面に固定することができる。
The method of fixing the
〔10−2〕サンプルの検出
次に、本実施の形態に係る分析装置170を用いた酵素標識DNAの検出方法について図14〜図16を用いて説明する。図14は本実施の形態に係る分析装置170を用いた酵素標識DNAの検出方法を示す説明図であり、図15は制御装置180によるウェル42内の攪拌動作を示すフローチャートであり、図16は制御装置180による電極ライン24a及び電磁石178R,178Lに印加する電圧を示すタイミングチャートである。
[10-2] Detection of Sample Next, a method for detecting enzyme-labeled DNA using the
まず、制御装置180は、注入装置179を駆動し、分析装置170にセットされた生体高分子分析チップ1の各ウェル42に、化学発光基質91を固定した磁性粒子190を含む溶液を注入する。
First, the
化学発光基質91を固定した磁性粒子190を含む溶液を、全てのウェル42に注入したら(ステップS1→Yes)、制御装置180は電極ドライバ173を駆動して電極ライン24aに正電圧を印加し、電極24を正に帯電させる(ステップS2)。
When the solution containing the
次に、制御装置180は、記憶装置182に記憶される攪拌回数のカウント数Mをあらかじめ設定された攪拌回数Mcにセットする(ステップS3)。
Next, the
次に、制御装置180は、記憶装置182に記憶される通電時間のカウント数Tをあらかじめ設定された1サイクル当たりの通電時間Teにセットする(ステップS4)。
次に、制御装置180は、右側の電磁石178Rに通電を開始する(ステップS5)。その後、制御装置180は、記憶装置182に記憶されたカウント数Tを一定時間毎に1減じた値に書き換える(ステップS6)。これをT=0となるまで繰り返す(ステップS7→No)。
T=0となったら(ステップS7→Yes)、制御装置180は、右側の電磁石178Rへの通電を停止する(ステップS8)。
Next, the
Next, the
When T = 0 (step S7 → Yes), the
次に、制御装置180は、記憶装置182に記憶される通電時間のカウント数Tを再びTeにセットする(ステップS9)。
次に、制御装置180は、左側の電磁石178Lに通電を開始する(ステップS10)。その後、制御装置180は、記憶装置182に記憶されたカウント数Tを一定時間毎に1減じた値に書き換える(ステップS11)。これをT=0となるまで繰り返す(ステップS12→No)。
T=0となったら(ステップS12→Yes)、制御装置180は、左側の電磁石178Lへの通電を停止する(ステップS13)。
Next, the
Next, the
When T = 0 (step S12 → Yes), the
左右両方の電磁石178R,178Lへの通電が終了したら、カウント数Mを1減じた後(ステップS14)、M=0となるまで(ステップS15→No)ステップS4〜S14の動作を繰り返す。
M=0となったら(ステップS15→Yes)、制御装置180は電極ドライバ173を駆動して電極ライン24aに正電圧を印加するのを停止し(ステップS16)、攪拌動作を終了する。
When energization of both the left and
When M = 0 (step S15 → Yes), the
ステップS5〜S8までの間、右側の電磁石178Rのみに通電が行われているので、化学発光基質91を固定した磁性粒子190は、電磁石178Rの磁力により右側へ移動する。一方、ステップS10〜S13までの間、左側の電磁石178Lのみに通電が行われているので、化学発光基質91を固定した磁性粒子190は、電磁石178Lの磁力により左側へ移動する。このため、ステップS4〜S15を繰り返し、電磁石178R,178Lに適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させることで、化学発光基質91を固定した磁性粒子190がウェル42内で左右に繰り返し移動し、酵素63により化学発光基質91が加水分解される機会が増大し、蛍光体92がより多く生成される。
Since only the
生成した蛍光体92は水溶液中で負に帯電しているため、分子フィルター50を透過して正に帯電した電極24に向かって移動する。
Since the produced
分子フィルター50を透過した蛍光体は、正に帯電した電極24に引き寄せられ、フォトセンサ20の上部に集中する。その後、励起状態の蛍光体92が基底状態に遷移するときに蛍光(主に可視光波長域)が放出され、フォトセンサ20に蛍光が入射して電子−正孔対が発生する。ここで、蛍光体92がフォトセンサ20の上部に集中しているため、より多くの蛍光が対応するフォトセンサ20に入射して電子−正孔対を発生させることができる。
The phosphor that has passed through the
なお、化学発光基質91が負に帯電している場合でも、化学発光基質91が磁性粒子190の表面に固定されており、磁性粒子190の分子量が分子フィルター50の分画分子量よりも大きいため、分子フィルター50を透過することがない。よって、化学発光基質91が電極24の近傍に引き寄せられることがなく、化学発光基質91の酵素63による加水分解が妨げられることがない。
Even when the
攪拌動作の終了後、制御装置180は各フォトセンサ20,20,…のそれぞれ出力をA/D変換することで、固体撮像デバイス10の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして記憶装置182に記憶する。
After the stirring operation is completed, the
作業者は、記憶装置182に記憶された各フォトセンサ20,20,…のそれぞれの光量データを出力装置177により出力することで得られた画像データより、各スポット60,60,…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット60のプローブDNA61と相補的な塩基配列のmRNAが細胞検体内で発現していることがわかる。
The operator uses the light intensity data of each of the
<変形例4>
なお、変形例1と同様、図17に示すように、プローブDNA61を隔壁40の側面に固定してもよい。隔壁40にプローブDNA61を固定することで、蛍光体92が透過する分子フィルター50の有効面積を大きくすることができる。
<Modification 4>
As in the first modification, the
<変形例5>
また、変形例2と同様、図18に示すように、プローブ抗体64を用いてスポット60を形成した生体高分子分析チップ1を用いて抗原65の検出を行ってもよい。
<Modification 5>
Further, as in
<変形例6>
また、変形例3と同様、図19に示すように、プローブ抗体64を隔壁40の側面に固定してもよい。隔壁40にプローブ抗体64を固定することで、蛍光体92が透過する分子フィルター50の有効面積を大きくすることができる。
<Modification 6>
Similarly to the third modification, the
[第3実施形態]
図20は本実施形態の変形例に係る分析装置270の構成を示すブロック図である。なお、第2実施形態における分析装置170と同様の構成については、下2桁に同符号を付して説明を割愛する。
本変形例においては、固体撮像デバイス210の左右に電磁石278R,278Lが設けられているほか、前側に電磁石278Fが、後側に電磁石278Bが設けられている。
[Third Embodiment]
FIG. 20 is a block diagram illustrating a configuration of an
In this modification,
第2実施形態においては、電磁石178R,178Lに交互に通電することによって固定体90を左右に移動させていたが、本変形例においては、電磁石278R,278L,278F,278Bのそれぞれに電圧を印加することで、磁性粒子190を前後左右に移動させることができる。
なお、電磁石278R,278L,278F,278Bに1つずつ順番に電圧を印加してもよいし、2つずつ交互に電圧を印加してもよい。
In the second embodiment, the
In addition, a voltage may be applied to the
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よい。
例えば、上記実施の形態では、プローブとして既知の塩基配列の一本鎖DNAや抗体を用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。
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, a single-stranded DNA or antibody having a known base sequence is used as a probe, but other known biopolymers or low molecules may be used. For example, a peptide or protein serving as an antigen, a sugar chain, a low molecular ligand, a known cell, or the like may be used.
10 固体撮像デバイス(撮像装置)
20 フォトセンサ(光電変換素子)
40 隔壁
42 ウェル
50 分子フィルター
60 スポット
61 プローブDNA(プローブ)
62 酵素標識DNA
63,67 酵素
64 プローブ抗体(プローブ)
65 抗原
66 酵素標識抗体
70,170,270 分析装置(生体高分子分析装置)
178R,178L,278R,278L,278F,278B 電磁石
90 固定体
91 化学発光基質
92 蛍光体
190 磁性粒子
10 Solid-state imaging device (imaging device)
20 Photosensor (photoelectric conversion element)
40
62 Enzyme labeled DNA
63,67
65
178R, 178L, 278R, 278L, 278F,
Claims (14)
前記撮像装置の受光面側に固定され、内部に溶液が注入されるウェルと、
前記ウェル内を上下に仕切る分子フィルターと、
前記ウェル内の前記分子フィルターよりも上部に固定されるプローブと、を備えることを特徴とする生体高分子分析装置。 An imaging device having a photoelectric conversion element provided with a light receiving surface facing upward;
A well that is fixed to the light receiving surface side of the imaging device and into which a solution is injected;
A molecular filter that divides the inside of the well vertically,
And a probe fixed above the molecular filter in the well.
化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光の有無を前記光電変換素子により検出することを特徴とする生体高分子の分析方法。 A biopolymer analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 1,
Injecting into the well a solution containing a biopolymer labeled with an enzyme that functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
A biopolymer analysis method, wherein the presence or absence of light emitted from a generated fluorescent substance in an excited state is detected by the photoelectric conversion element.
化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光の有無を前記光電変換素子により検出することを特徴とする生体高分子の分析方法。 A biopolymer analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 2,
Injecting into the well a solution containing a biopolymer labeled with an enzyme that functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Through a process of applying a voltage to attract the fluorescent material to the electrode,
A biopolymer analysis method, wherein the presence or absence of light emitted from a generated fluorescent substance in an excited state is detected by the photoelectric conversion element.
化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識した生体高分子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光の有無を前記光電変換素子により検出することを特徴とする生体高分子の分析方法。 A biopolymer analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 3,
Injecting into the well a solution containing a biopolymer labeled with an enzyme that functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate,
Then, a solution containing magnetic particles to which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Thereafter, through a process of generating a magnetic field alternately by appropriately applying a voltage to the plurality of electromagnets,
A biopolymer analysis method, wherein the presence or absence of light emitted from a generated fluorescent substance in an excited state is detected by the photoelectric conversion element.
既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記ウェルを振盪する過程を経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする遺伝子の発現解析方法。 A gene expression analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 1,
A single-stranded DNA having a known base sequence is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, an enzyme labeled with an enzyme that is prepared using RNA extracted from any cell as a template and functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. Injecting a solution containing labeled DNA into the well,
Next, a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Then, through the process of shaking the well,
A gene expression analysis method, characterized in that fluorescence emitted from the generated excited fluorescent substance is detected by the photoelectric conversion element.
既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記ウェルを振盪する過程と、前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする遺伝子の発現解析方法。 A gene expression analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 2,
A single-stranded DNA having a known base sequence is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, an enzyme labeled with an enzyme that is prepared using RNA extracted from any cell as a template and functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. Injecting a solution containing labeled DNA into the well,
Next, a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Thereafter, a process of shaking the well and a process of applying a voltage to attract the fluorescent material to the electrode,
A gene expression analysis method, characterized in that fluorescence emitted from the generated excited fluorescent substance is detected by the photoelectric conversion element.
既知の塩基配列を有する一本鎖DNAを前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成され、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする遺伝子の発現解析方法。 A gene expression analysis method using the biopolymer analyzer according to claim 3,
A single-stranded DNA having a known base sequence is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, an enzyme labeled with an enzyme that is prepared using RNA extracted from any cell as a template and functions as a catalyst for a chemical reaction that generates an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. Injecting a solution containing labeled DNA into the well,
Next, a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe,
Then, a solution containing magnetic particles to which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Thereafter, through a process of generating a magnetic field alternately by appropriately applying a voltage to the plurality of electromagnets,
A gene expression analysis method, characterized in that fluorescence emitted from the generated excited fluorescent substance is detected by the photoelectric conversion element.
特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、
次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記ウェルを振盪する過程を経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする抗原の検出方法。 An antigen detection method using the biopolymer analyzer according to claim 1,
An antibody that binds to a specific antigen is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, a solution containing an arbitrary antigen is injected into the well, and the probe is allowed to bind to a specific antigen in the solution.
Next, the chemical that removes the antigen that did not bind to the probe and binds to a different antigenic determinant of the same antigen as the probe to generate an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. A solution containing a second antibody labeled with an enzyme that functions as a catalyst for the reaction is injected into the well, and the second antibody is bound to a specific antigen bound to the probe,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Then, through the process of shaking the well,
A method for detecting an antigen, comprising detecting fluorescence emitted from a generated fluorescent substance in an excited state by the photoelectric conversion element.
特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、
次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な固定体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記ウェルを振盪する過程と、前記電極に前記蛍光物質を引き寄せるように電圧を印加する過程とを経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする抗原の検出方法。 An antigen detection method using the biopolymer analyzer according to claim 2,
An antibody that binds to a specific antigen is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, a solution containing an arbitrary antigen is injected into the well, and the probe is allowed to bind to a specific antigen in the solution.
Next, the chemical that removes the antigen that did not bind to the probe and binds to a different antigenic determinant of the same antigen as the probe to generate an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. A solution containing a second antibody labeled with an enzyme that functions as a catalyst for the reaction is injected into the well, and the second antibody is bound to a specific antigen bound to the probe,
Thereafter, a solution containing a fixed body on which the chemiluminescent substrate is fixed and impermeable to the molecular filter is injected into the well,
Thereafter, a process of shaking the well and a process of applying a voltage to attract the fluorescent material to the electrode,
A method for detecting an antigen, comprising detecting fluorescence emitted from a generated fluorescent substance in an excited state by the photoelectric conversion element.
特定の抗原と結合する抗体を前記プローブとして前記ウェルの底部に設け、
次に、任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、
次いで、前記プローブに結合しなかった抗原を除去するとともに、前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合し、化学発光基質から前記分子フィルターを透過可能な励起状態の蛍光物質を生成する化学反応の触媒として機能する酵素で標識された第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させ、
その後、前記化学発光基質が固定され、かつ前記分子フィルターを透過不能な磁性粒子を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
その後、前記複数の電磁石に適宜電圧を印加して磁界を交互に発生させる過程を経て、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される蛍光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする抗原の検出方法。 An antigen detection method using the biopolymer analyzer according to claim 3,
An antibody that binds to a specific antigen is provided at the bottom of the well as the probe,
Next, a solution containing an arbitrary antigen is injected into the well, and the probe is allowed to bind to a specific antigen in the solution.
Next, the chemical that removes the antigen that did not bind to the probe and binds to a different antigenic determinant of the same antigen as the probe to generate an excited fluorescent substance that can pass through the molecular filter from a chemiluminescent substrate. A solution containing a second antibody labeled with an enzyme that functions as a catalyst for the reaction is injected into the well, and the second antibody is bound to a specific antigen bound to the probe,
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