JP2008275333A - Gene detection chip, nucleic acid sequence accumulation method, and gene detection apparatus using the same - Google Patents

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JP2008275333A JP2007115743A JP2007115743A JP2008275333A JP 2008275333 A JP2008275333 A JP 2008275333A JP 2007115743 A JP2007115743 A JP 2007115743A JP 2007115743 A JP2007115743 A JP 2007115743A JP 2008275333 A JP2008275333 A JP 2008275333A
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護 塚田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve high sensitivity and to provide a form for performing PCR. <P>SOLUTION: In a gene detection chip, a surface to which a nucleic acid probe is formed in a solid phase is a surface which is temperature-controllable and which totally reflects light. Since evanescent light which has oozed out due to incident light onto the surface therefore excites a fluorescent substance, it is possible to highly sensitively detect genes by performing solid-phase PCR including fluorescent-labeled nucleic acids in a microarray in an evanescent region. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、マイクロアレイ上で遺伝子を迅速かつ高感度に検出するための遺伝子検出チップ、これを用いた核酸配列集積方法および遺伝子検出装置に関する。   The present invention relates to a gene detection chip for detecting genes on a microarray quickly and with high sensitivity, a nucleic acid sequence integration method using the same, and a gene detection apparatus.

近年、基板上にDNA等の核酸配列をマイクロアレイ状に固定化したマイクロアレイを使用して、複数の遺伝子を一挙に検出する手法が広く用いられるようになっている。   In recent years, a technique for detecting a plurality of genes all at once using a microarray in which nucleic acid sequences such as DNA are immobilized on a substrate in a microarray form has been widely used.

これに伴い、マイクロアレイの技術には、より一層の迅速性、高感度検出、および低コスト化が要求されるようになっている。   Along with this, microarray technology is required to be more rapid, sensitive detection, and cost reduction.

こうした要求に対応する従来技術には、例えば、固相表面でPCR(Polymerase Chain Reaction)を行わせることにより、ハイブリダイゼーションの時間を削減したものがある(特許文献1)。一方で、固相表面で高感度に分子を検出する方法として、特許文献2に開示された方法がある。   As a conventional technique that meets such a requirement, for example, there is one in which hybridization time is reduced by performing PCR (Polymerase Chain Reaction) on the surface of a solid phase (Patent Document 1). On the other hand, there is a method disclosed in Patent Document 2 as a method for detecting molecules with high sensitivity on the surface of a solid phase.

特許文献1,2に開示された従来技術について説明する。   The prior art disclosed in Patent Documents 1 and 2 will be described.

特許文献1の図10には、一塩基多型または遺伝子多型の検出方法が例として挙げられている。鋳型となる二本鎖DNAを含むダイ・ターミネーター入りPCR反応mixtureを用い、底面部に形成された核酸プローブを、底面部に形成されたヒーターで加熱して固相表面上でPCRを行う。このとき、容器内で進行するPCRに伴い、鋳型に相補的な核酸プローブにて鎖の伸長反応がおき、核酸プローブの3’末端側にダイ・ターミネーターが取り込まれる。所定回数のPCRサイクルのあと、未反応のダイ・ターミネーターを洗い流し、マイクロアレイスキャナで蛍光画像を取得し、分析評価を行う。   In FIG. 10 of Patent Document 1, a single nucleotide polymorphism or gene polymorphism detection method is given as an example. Using a PCR reaction mixture containing a die terminator containing double-stranded DNA as a template, the nucleic acid probe formed on the bottom surface is heated with a heater formed on the bottom surface to perform PCR on the solid surface. At this time, along with the PCR proceeding in the container, a chain elongation reaction occurs with a nucleic acid probe complementary to the template, and a die terminator is incorporated on the 3 ′ end side of the nucleic acid probe. After a predetermined number of PCR cycles, unreacted dye terminators are washed away, fluorescence images are acquired with a microarray scanner, and analysis evaluation is performed.

また、特許文献2の図1には、固定化したタンパク質または核酸分子と標的分子との相互作用を、標識物質の検出によって迅速かつ定量的に測定する方法が示されている。ここでは、エバネッセント光を用いて、分子間相互作用の1分子イメージングを可能としている。
特開2005−304445号 特開2002−253240号
FIG. 1 of Patent Document 2 shows a method for quickly and quantitatively measuring the interaction between an immobilized protein or nucleic acid molecule and a target molecule by detecting a labeling substance. Here, single molecule imaging of intermolecular interaction is possible using evanescent light.
JP 2005-304445 A JP 2002-253240 A

しかしながら、特許文献1では、対象とするアプリケーションが一塩基多型の検出を目的としており、高感度を要求していないため、本発明が課題とする高感度なアプリケーションに対応することが難しい。   However, in Patent Document 1, since the target application is for detection of single nucleotide polymorphisms and does not require high sensitivity, it is difficult to cope with the high-sensitivity application that is the subject of the present invention.

一方、特許文献2では、高感度化が図られ、分子レベルで分子間相互作用の検出を可能としている。しかし、反応様式が抗原抗体反応等、固相表面で単に複合体を形成するものであり、PCRに必要な、2本の乖離(95℃)、プライマーアニール(〜63℃)、酵素の伸長(72℃)を繰り返し行う形態を求めていない。   On the other hand, in Patent Document 2, high sensitivity is achieved and detection of intermolecular interaction is possible at the molecular level. However, the reaction mode simply forms a complex on the surface of the solid phase, such as an antigen-antibody reaction, and the two dissociation required for PCR (95 ° C.), primer annealing (˜63 ° C.), enzyme extension ( 72 ° C.) is not required.

例えば、感染初期で極微量のウイルス、細菌等の遺伝子検出を行うためには、一層の高感度化が望ましいと同時に、PCRを行う形態が必要とされる。   For example, in order to detect a very small amount of a virus, a bacterium, or the like in the early stage of infection, a higher sensitivity is desirable, and at the same time, a form of performing PCR is required.

そこで、本発明の目的は、一層の高感度化と同時に、PCRを行う形態を実現する遺伝子検出チップを提供することにある。また、高感度化に際しては、検体の液量に対して、検体中に含まれる検出物質が少ないといった問題が起こる。そのため、本発明の他の目的は、少ない試薬使用量でもPCRが行えるような核酸配列集積方法および遺伝子検出装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a gene detection chip that realizes a form of performing PCR at the same time as further increasing sensitivity. Further, when the sensitivity is increased, there is a problem that the amount of the detection substance contained in the sample is small with respect to the amount of the sample. Therefore, another object of the present invention is to provide a nucleic acid sequence integration method and gene detection apparatus that can perform PCR even with a small amount of reagent used.

上記目的を達成するために本発明の遺伝子検出チップは、遺伝子を捕捉可能な表面を有する遺伝子検出チップであって、前記表面は、検出すべき核酸配列と相補的な核酸プローブを複数有し、温度制御可能であり、かつ入射光を全反射する全反射面であることを特徴とする。   To achieve the above object, the gene detection chip of the present invention is a gene detection chip having a surface capable of capturing a gene, the surface having a plurality of nucleic acid probes complementary to the nucleic acid sequence to be detected, The total reflection surface is capable of controlling the temperature and totally reflects incident light.

また、前記遺伝子検出チップは、前記表面に接触する液体を挟んで対向する位置に配置される透明電極を有することを特徴とする。   In addition, the gene detection chip includes a transparent electrode disposed at a position facing the liquid sandwiching the liquid.

また、前記遺伝子検出チップは、前記表面が、前記検出すべき核酸配列を含む液体を搬送可能な流路に配置されたことを特徴とする。   Further, the gene detection chip is characterized in that the surface is arranged in a flow path capable of transporting a liquid containing the nucleic acid sequence to be detected.

また、前記遺伝子検出チップは、前記表面が、前記検出すべき核酸配列を含む液体を収容する容器に配置されたことを特徴とする。   Further, the gene detection chip is characterized in that the surface is arranged in a container containing a liquid containing the nucleic acid sequence to be detected.

上記目的を達成するために本発明の一態様の核酸配列集積方法は、前記遺伝子検出チップの表面に、前記検出すべき核酸配列を集積させるための核酸配列集積方法であって、前記検出すべき核酸配列を含む液体を、前記透明電極を通過する液量若しくはそれ未満の液量だけ搬送する第1の工程と、前記搬送された液体に対して電圧を印加する第2の工程と、前記第2の工程によって前記表面へ泳動した、前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う第3の工程と、を有し、前記第1から第3の工程を順次繰り返して、前記表面に前記検出すべき核酸配列を集積させることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the nucleic acid sequence integration method according to one aspect of the present invention is a nucleic acid sequence integration method for integrating the nucleic acid sequence to be detected on the surface of the gene detection chip. A first step of transporting a liquid containing a nucleic acid sequence by a liquid amount passing through the transparent electrode or a liquid amount less than the liquid amount; a second step of applying a voltage to the transported liquid; A third step of heating the nucleic acid sequence to be detected that has migrated to the surface in step 2 so that the double strands are separated into single strands, and the first to third steps These steps are sequentially repeated to accumulate the nucleic acid sequence to be detected on the surface.

上記目的を達成するために本発明の他の態様の核酸配列集積方法は、前記遺伝子検出チップの表面に、前記検出すべき核酸配列を集積させるための核酸配列集積方法であって、前記検出すべき核酸配列を含む液体に対して電圧を印加する第1の工程と、前記第1の工程によって前記表面へ泳動した、前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う第2の工程と、を有し、前記第1から第2の工程を順次繰り返して、前記表面に前記検出すべき核酸配列を集積させることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a nucleic acid sequence integration method according to another aspect of the present invention is a nucleic acid sequence integration method for integrating the nucleic acid sequence to be detected on the surface of the gene detection chip. A first step of applying a voltage to a liquid containing a nucleic acid sequence to be detected, and a double strand dissociated into a single strand with respect to the nucleic acid sequence to be detected migrated to the surface in the first step A second step of performing heating for the purpose, and the first to second steps are sequentially repeated to accumulate the nucleic acid sequence to be detected on the surface.

上記目的を達成するために本発明遺伝子検出装置は、前記遺伝子検出チップを用いた遺伝子検出装置であって、前記表面にエバネッセント場を形成するための光を照射する照明手段と、前記照明手段による照射によって前記表面からしみ出した光を撮像する撮像手段と、前記表面に移動した前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う加熱手段と、を有すること特徴とする。   In order to achieve the above object, the gene detection device of the present invention is a gene detection device using the gene detection chip, comprising: illumination means for irradiating light for forming an evanescent field on the surface; and the illumination means. Imaging means for imaging light that has oozed from the surface by irradiation, and heating means for heating the nucleic acid sequence to be detected that has moved to the surface so that double strands are separated into single strands. It is characterized by having.

また、前記遺伝子検出装置は、前記検出すべき核酸配列を含む液体を搬送するための送液手段と、前記搬送された液体に対して電圧を印加し、前記検出すべき核酸配列を前記表面へ電気泳動させるための電圧印加手段と、を有すること特徴とする。   Further, the gene detection device applies a voltage to the liquid transporting means for transporting the liquid containing the nucleic acid sequence to be detected and the transported liquid, and transfers the nucleic acid sequence to be detected to the surface. Voltage applying means for causing electrophoresis.

本発明の遺伝子検出チップは、表面を温度制御可能でかつ光の全反射面とすることにより、蛍光標識核酸を含むPCRをエバネッセント領域である拡散プローブを固相した表面で行えるようにした。   In the gene detection chip of the present invention, the surface of the gene detection chip can be temperature-controlled and has a light total reflection surface, so that PCR including a fluorescently labeled nucleic acid can be performed on a surface on which a diffusion probe that is an evanescent region is solid-phased.

このため、固相表面のPCRをより高感度に検出できる。同時に、表面がレーザーの全反射面を兼ねるので、部品点数および製造プロセス数を削減できる。また、高感度になったことで少量アッセイ化が行えるため、採血量が減り、患者の負担が低減し、ひいては試薬使用量が減り低コスト化に役立つ。また、検体中の検出すべき核酸配列が非常に微量であるが故に、検体液を莫大に必要とする場合においても、流路上の固相表面で検出すべき核酸配列を集積可能なため、少量アッセイ化、試薬使用量減、低コスト化に役立つ。また、レーザーエバネッセント照明によってB/F分離が不要になったことで、多量の洗浄液を排出する必要がなくなり、廃液処理問題、洗浄作業に伴う感染等の心配がなくなり検査の安全化に役立つ。同時に、蛍光物質の検出によってリアルタイムな観測ができるので、定量PCR測定が実施できる。また、高感度になったことでPCRサイクル数を減らすことができ、検査の高速化に役立つ。同時に、電気泳動によって核酸配列を集積することで、単純な拡散より早く集積可能となり、検査の高速化に役立つ。   For this reason, PCR on the solid phase surface can be detected with higher sensitivity. At the same time, since the surface also serves as a total reflection surface of the laser, the number of parts and the number of manufacturing processes can be reduced. Moreover, since the sensitivity is increased, a small amount of assay can be performed, so that the amount of blood collected is reduced, the burden on the patient is reduced, and the amount of reagent used is reduced, which helps to reduce the cost. In addition, since the amount of nucleic acid sequence to be detected in the sample is very small, the nucleic acid sequence to be detected can be accumulated on the surface of the solid phase on the flow path even when a large amount of sample solution is required. Useful for assaying, reducing reagent usage, and reducing costs. Further, since the B / F separation is not required by the laser evanescent illumination, it is not necessary to discharge a large amount of cleaning liquid, and there is no concern about waste liquid processing problems and infections associated with the cleaning work, which helps to make the inspection safe. At the same time, since real-time observation can be performed by detecting the fluorescent substance, quantitative PCR measurement can be performed. In addition, since the sensitivity is increased, the number of PCR cycles can be reduced, which helps speed up the examination. At the same time, the nucleic acid sequences are accumulated by electrophoresis, so that they can be accumulated faster than simple diffusion, which helps to speed up the examination.

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参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1を参照すると、本実施形態の遺伝子検出チップにおいては、遺伝子を捕捉可能な表面1は、検出すべき核酸配列3と相補的な核酸配列5を複数有し、この核酸配列5が核酸プローブとして固相化されている。   Referring to FIG. 1, in the gene detection chip of this embodiment, the surface 1 capable of capturing a gene has a plurality of nucleic acid sequences 5 complementary to the nucleic acid sequence 3 to be detected, and the nucleic acid sequence 5 is a nucleic acid probe. As a solid phase.

表面1は、PCRを起すために必要とされる温度に加熱制御することができ、かつエバネッセント場を形成するための入射光を全反射させる全反射面である。このような全反射面は、レーザービーム6を入射可能な基板2、例えば、透明な基板2に形成することができる。表面1からしみ出したエバネッセント光は、反応液7に含まれる表面近傍の蛍光物質4を励起するため、蛍光物質4の存在を光検出器によって検出することができる。検体中に検出すべき核酸配列3が存在するとき、固相表面で蛍光標識核酸を含むPCRが行われることによって、核酸配列3の存在を検出することができる。   The surface 1 is a total reflection surface that can be heated and controlled to a temperature required to cause PCR and totally reflects incident light for forming an evanescent field. Such a total reflection surface can be formed on the substrate 2 on which the laser beam 6 can be incident, for example, the transparent substrate 2. The evanescent light oozing out from the surface 1 excites the fluorescent substance 4 in the vicinity of the surface contained in the reaction solution 7, so that the presence of the fluorescent substance 4 can be detected by a photodetector. When the nucleic acid sequence 3 to be detected is present in the sample, the presence of the nucleic acid sequence 3 can be detected by performing PCR including a fluorescently labeled nucleic acid on the solid phase surface.

以下、望ましい実施形態を説明する。
(表面1について−その1)
表面1は、光の全反射面を形成する薄膜を持つ。薄膜の膜厚は、固相する核酸プローブのプローブ長を含めて、エバネッセント光のしみだしを超えない範囲とすることができる。仮に、しみだしの深さを、光の強度が1/eとなる界面からの距離d(nm)とすると、以下のようにまとめることができる。
Hereinafter, preferred embodiments will be described.
(Regarding surface 1-1)
The surface 1 has a thin film that forms a total reflection surface of light. The film thickness of the thin film, including the probe length of the nucleic acid probe to be solid-phased, can be in a range not exceeding the oozing of evanescent light. Assuming that the depth of the bleeding is the distance d (nm) from the interface where the light intensity is 1 / e, the following can be summarized.

d=λ/4π〔n1 2・sin2θ−n2 21/2 ・・・(1)
λ(nm):レーザービーム6の波長
n1 :薄膜を付けた基板2の屈折率
n2 :検体の屈折率
θ :入射角(臨界角よりも大きい値)
例えば、レーザービーム6を照射するレーザーとして、He-Neなど、一般的なグリーンレーザーを用いると、dの値は150nm程度と試算できる。1分子レベルの観察をする場合には、0.5μW/μm2程度の励起強度の光を照射するとすれば、照射面積をS(μm2)として0.5S・e(ただし、e=2.71)μWのレーザー出力となる。この式によれば、照射面積1mm2で1.35W、照射面積10mm2で135Wとなる。この値は入手可能な市販のレーザーの出力に対応する。
d = λ / 4π [n 1 2 · sin 2 θ−n 2 2 ] 1/2 (1)
λ (nm): wavelength of the laser beam 6
n 1 : Refractive index of substrate 2 with a thin film attached
n 2 : Refractive index of specimen
θ: Incident angle (a value larger than the critical angle)
For example, when a general green laser such as He—Ne is used as a laser for irradiating the laser beam 6, the value of d can be estimated as about 150 nm. In the case of observation at a single molecule level, if irradiation is performed with light having an excitation intensity of about 0.5 μW / μm 2 , the irradiation area is S (μm 2 ) and 0.5 S · e (where e = 2. 71) The laser output is μW. According to this equation, the irradiation area of 1 mm 2 1.35 W, the 135W at irradiation area 10 mm 2. This value corresponds to the power of an available commercial laser.

なお、照射面積Sは、固相されているマイクロアレイ全面を照射しなければならないが、もしも固相面をスキャンできるならこの限りでない。   The irradiation area S has to be irradiated on the entire surface of the microarray that is solid-phased, but is not limited if the solid-phase surface can be scanned.

また、レーザーには、できるだけ均一な照射とするために、ビームエキスパンダーを介する、直線偏向を円偏向にする、などの光学素子を用いることができる。   Further, for the laser, an optical element such as a linear deflection through a beam expander or a circular deflection can be used in order to make the irradiation as uniform as possible.

レーザービーム6の波長は、蛍光色素がCy3やローダミンであれば、SHGの532nmを、SYBR GreenIやFITCであれば、SHGの473nmを、Cy5であればLD励起の635nmとすることができる。
(表面1について−その2)
表面1は、上述のように、温度制御可能である。電気的に加熱する場合はドライブ可能な抵抗値を持った面積、形状パターンの表面となる。
The wavelength of the laser beam 6 can be 532 nm of SHG if the fluorescent dye is Cy3 or rhodamine, 473 nm of SHG if SYBR Green I or FITC, and 635 nm of LD excitation if Cy5.
(Regarding surface 1-2)
The surface 1 can be temperature controlled as described above. When electrically heated, the surface has an area with a resistance value that can be driven and a shape pattern.

まず、表面1の面積について述べる。   First, the area of the surface 1 will be described.

PCRサイクルで考慮すべき0℃<T<99℃の温度範囲において、0℃のときの抵抗値をR0、T℃のときの抵抗値をRT、抵抗温度係数をαとして直線近似で表現すると、以下のようになる。 In a temperature range of 0 ° C. <T <99 ° C. to be considered in the PCR cycle, the resistance value at 0 ° C. is represented by R 0 , the resistance value at T ° C. is represented by R T , and the temperature coefficient of resistance is represented by linear approximation. Then, it becomes as follows.

T = R0[1+αT] ・・・(2)
代表的な金属のバルク抵抗値は、例えば、薄膜ハンドブック(日本学術振興会薄膜第131委員会/編、オーム社出版)で参照できる。また、バルク抵抗値は、いずれの物質でも抵抗率測定器で測定すればよい。バルク抵抗値をRbulk(μΩcm)とすると、シート抵抗は、
sheet = Rbulk/厚さ(μΩ) ・・・(3)
と表現できる。したがって、長さL、幅Wのシートの抵抗値RSは、以下のようになる。
R T = R 0 [1 + αT] (2)
The bulk resistance value of a typical metal can be referred to, for example, in a thin film handbook (Japan Society for the Promotion of Science Thin Film 131st Committee / Edition, published by Ohmsha). Moreover, what is necessary is just to measure a bulk resistance value with a resistivity meter with any substance. When the bulk resistance value is R bulk (μΩcm), the sheet resistance is
R sheet = R bulk / thickness (μΩ) (3)
Can be expressed as Accordingly, the resistance value R S of the sheet having the length L and the width W is as follows.

S = Rsheet・L/W ・・・(4)
このときのRSの値が、RT(T=プライマーアニール温度からT=テンプレートディネーチャー温度まで)を変化させるので、この抵抗値RSをドライブできる電流源、電圧源があればよい。一例として、抵抗値が低く、ドライブするのに負担が大きい金属Auを例にとると、Auはバルク抵抗値2.2μΩcmなので、厚み10nm(=10-6cm)のとき、抵抗値RSは、
S = 2.2Ω・L/W ・・・(5)
となる。Auはα=0.0040/℃(室温)であるので、(2)式から100℃のとき約1.4倍に抵抗値が上昇すると試算できるので、抵抗値RSは、以下のようになる。
R S = R sheet · L / W (4)
Since the value of R S at this time changes R T (from T = primer annealing temperature to T = template deigner temperature), a current source and a voltage source that can drive the resistance value R S are sufficient. As an example, taking a metal Au having a low resistance value and a large burden for driving as an example, since Au has a bulk resistance value of 2.2 μΩcm, when the thickness is 10 nm (= 10 −6 cm), the resistance value R S is ,
R S = 2.2Ω · L / W (5)
It becomes. Since Au is α = 0.0040 / ° C. (room temperature), it can be estimated from the formula (2) that the resistance value increases about 1.4 times at 100 ° C. Therefore, the resistance value R S is as follows: Become.

S = 3.1Ω・L/W ・・・(6)
ここで、L:W=10:1とすると、抵抗値RSは数十Ωの値をとることができ、オーディオ回路等、一般的な回路でドライブすることが可能である。一例として、L=10mm、W=1mm、固相面積が1mm2とすると、マイクロアレイドットのピッチが100μmの場合、10×10=100個のマイクロアレイドットを構成できる。この個数は、一般的な細菌同定検査項目をほぼ包括しうる。
R S = 3.1Ω · L / W (6)
Here, when L: W = 10: 1, the resistance value R S can take several tens of Ω, and can be driven by a general circuit such as an audio circuit. As an example, if L = 10 mm, W = 1 mm, and the solid phase area is 1 mm 2 , 10 × 10 = 100 microarray dots can be configured when the pitch of the microarray dots is 100 μm. This number can almost cover general bacterial identification test items.

上記の説明では、長さL、幅Wの単純な長方形である表面1の面積について述べた。   In the above description, the area of the surface 1 that is a simple rectangle having a length L and a width W has been described.

次に、表面1の形状パターンについて述べる。   Next, the shape pattern of the surface 1 will be described.

図2(a)は、基板2の上に単層の薄膜をパターニングした、H字状のヒーターパターン49である。電圧を印加する両端を太く、固相領域54を細くすることで、単層のパターニングで固相領域54を加熱することができる。図2(b)は、二層のパターニングである。導電性の良好な金属薄膜、ここでは例えば金電極15a、15bをヒーターパターン49の両端にパターニングすることで、太い正方形のヒーターパターン49を均一に加熱することができる。このとき、正方形のヒーターパターン49は高い抵抗値を持つことが望ましい。また、固相スポット55を同じく金でパターニングすることで、SH基を末端にもった核酸プローブを結合するのに適した形態となる。
(表面1について−その3)
表面1は、複数の核酸プローブを有する。表面1への核酸プローブの固相方法は一般的な方法を用いてよい。例えば、光応答性ポリマーにアビジンを添加してUV照射し、予めアビジンの固定化を行った固相表面に対し、ビオチン化オリゴヌクレオチドプローブをスポットする方法を用いてよい。スポット作業は市販の装置を用いることができる。この方法の場合、表面の材質を問わず固相可能である。また、金に限らず、貴金属の薄膜に対してはSH基を持ったオリゴヌクレオチドプローブを用いることができる。
(表面1の薄膜材料について)
表面1の薄膜の薄膜材料には、金、銀、白金などの貴金属、鉄、ニッケル、マンガン、クロム、亜鉛、アルミニウム、チタンなどの金属、およびこれらの酸化物、金属やその酸化物の固溶体を用いることができる。その他、導電性のポリマー、ポリマー樹脂にカーボンブラックや金属フィラーを配合したものを用いることができる。また、レーザー6を入射する基板2には、ガラス、透明樹脂を用いることができる。透明樹脂には、ガラス転移温度がPCRサイクルに必要なディネーチャー温度と同程度である樹脂材料を用いることができる。例えば、Poly(vinyl alcohol)、Poly(vinyl chloride)、Poly(p-methoxy styrene)、Polystyrene、Cellulose Acetate、Poly(p-methyl styrene)を用いることができる。その他、過熱状態(95℃以上)になると膨張によって電気的接触を絶ち、過熱防止に役立つような材質が含まれる。
(表面1の温度制御方法について)
表面1の温度は、図3に示すブリッジ回路で制御できる。ブリッジ13を構成する4つの抵抗のうちRSと表示してある抵抗が遺伝子検出チップの抵抗である。Rnは既知の抵抗である。破線四角で囲んだ抵抗10は、D/Aコンバータもしくはラダー抵抗である。抵抗10は、マイクイロプロセッサのバスライン11と接続され、任意の抵抗比率を選択することができる。制御すべき温度に相当するRSの抵抗値が解っていれば、差動増幅器12の出力が零となるように、電源電圧Vcに接続されたトランジスタ9を流れる電流を制御することで、目的の温度を得ることができる。
FIG. 2A shows an H-shaped heater pattern 49 obtained by patterning a single-layer thin film on the substrate 2. By thickening both ends to which the voltage is applied and making the solid phase region 54 narrow, the solid phase region 54 can be heated by single layer patterning. FIG. 2B shows two-layer patterning. By patterning a metal thin film with good conductivity, here, for example, gold electrodes 15a and 15b on both ends of the heater pattern 49, the thick square heater pattern 49 can be heated uniformly. At this time, the square heater pattern 49 desirably has a high resistance value. In addition, by patterning the solid phase spot 55 with gold, a form suitable for binding a nucleic acid probe having an SH group at its end is obtained.
(Regarding surface 1-part 3)
The surface 1 has a plurality of nucleic acid probes. A general method may be used as the solid phase method of the nucleic acid probe on the surface 1. For example, a method may be used in which a biotinylated oligonucleotide probe is spotted on a solid phase surface in which avidin is added to a photoresponsive polymer, irradiated with UV, and avidin is immobilized in advance. A commercially available apparatus can be used for spot work. In the case of this method, solid phase is possible regardless of the surface material. Further, not only gold but also an oligonucleotide probe having an SH group can be used for a noble metal thin film.
(About thin film material on surface 1)
The thin film material of the surface 1 thin film includes noble metals such as gold, silver and platinum, metals such as iron, nickel, manganese, chromium, zinc, aluminum and titanium, and oxides thereof, and solid solutions of these metals and oxides thereof. Can be used. In addition, a conductive polymer or a polymer resin blended with carbon black or a metal filler can be used. Further, glass or transparent resin can be used for the substrate 2 on which the laser 6 is incident. As the transparent resin, it is possible to use a resin material having a glass transition temperature that is approximately the same as the denature temperature required for the PCR cycle. For example, Poly (vinyl alcohol), Poly (vinyl chloride), Poly (p-methoxy styrene), Polystyrene, Cellulose Acetate, Poly (p-methyl styrene) can be used. In addition, there are materials that can be used to prevent overheating by breaking electrical contact due to expansion in an overheated state (95 ° C. or higher).
(Regarding temperature control method of surface 1)
The temperature of the surface 1 can be controlled by the bridge circuit shown in FIG. The resistance indicated as R S among the four resistances constituting the bridge 13 is the resistance of the gene detection chip. R n is a known resistance. A resistor 10 surrounded by a broken-line square is a D / A converter or a ladder resistor. The resistor 10 is connected to the bus line 11 of the microphone processor, and an arbitrary resistance ratio can be selected. If the resistance value of R S corresponding to the temperature to be controlled is known, the current flowing through the transistor 9 connected to the power supply voltage Vc is controlled so that the output of the differential amplifier 12 becomes zero. Can be obtained.

その他の温度制御の例を図4に示す。表面1の薄膜14は加熱可能であり、この薄膜14の周囲の4箇所に電極15c〜15fを設ける。電流iが電極15cから電極15dへ流れるとき、電極15e−電極15f間の両端電圧Vを1チップマイコンのA/Dコンバータに導き、温度に換算しても良い。さらに他の温度制御の例として、図1のレーザー6の一部を2分割ホトダイオードセンサに導き、基板2の屈折率が温度変化に伴って変化する場合、この屈折率の情報をもとに温度制御しても良い。
(検出すべき核酸配列の集積方法について−表面が流路に配置された場合)
図5は、表面1が、検体(液体)を搬送可能な流路25に配置された場合の核酸配列の集積方法を説明する図である。流路25の固相面には、DNA29に対して少なくとも相補的な核酸配列28a、28b、28cが、加熱できる薄膜14の上に核酸プローブとして固相されている。また、薄膜14に接触する検体を挟んで対向する位置には透明電極30が配置されている。透明電極30にはITOを用いることができる。DNA29を集積させる方法について説明する。
An example of other temperature control is shown in FIG. The thin film 14 on the surface 1 can be heated, and electrodes 15 c to 15 f are provided at four locations around the thin film 14. When the current i flows from the electrode 15c to the electrode 15d, the voltage V between the electrode 15e and the electrode 15f may be led to an A / D converter of a one-chip microcomputer and converted into a temperature. As another temperature control example, when a part of the laser 6 in FIG. 1 is guided to a two-division photodiode sensor and the refractive index of the substrate 2 changes with temperature, the temperature is determined based on this refractive index information. You may control.
(Method for collecting nucleic acid sequences to be detected-when the surface is arranged in a flow path)
FIG. 5 is a diagram for explaining a method for collecting nucleic acid sequences in the case where the surface 1 is arranged in a flow path 25 capable of transporting a specimen (liquid). On the solid phase surface of the channel 25, nucleic acid sequences 28 a, 28 b, 28 c that are at least complementary to the DNA 29 are solid phased as nucleic acid probes on the thin film 14 that can be heated. In addition, a transparent electrode 30 is disposed at a position opposite to the sample that contacts the thin film 14. ITO can be used for the transparent electrode 30. A method for accumulating DNA 29 will be described.

図5の(1)は、検体の搬送を示している(第1の工程)。このとき、検体は、透明電極30を通過する液量若しくはそれ未満の液量だけ搬送される。   (1) in FIG. 5 shows the conveyance of the specimen (first step). At this time, the specimen is transported by the amount of liquid that passes through the transparent electrode 30 or less.

次に、搬送された検体に対して電圧を印加することで、DNA29は固相面へ向かって電気泳動される(図5の(2)、第2の工程)。固相面へDNA29が十分に移動した後、固相面のヒーターを駆動し、DNA29が二本鎖から一本鎖に乖離するに十分な加熱を行う(第3の工程)。このとき、もしも固相側に相補的な核酸配列が存在すると、相補鎖が形成されるので、固相表面にDNA29を捕捉し、集積させることができる。   Next, by applying a voltage to the transported specimen, the DNA 29 is electrophoresed toward the solid phase ((2) in FIG. 5, second step). After the DNA 29 has sufficiently moved to the solid surface, a heater on the solid surface is driven to heat the DNA 29 sufficiently to dissociate from double strands to single strands (third step). At this time, if a complementary nucleic acid sequence is present on the solid phase side, a complementary strand is formed, so that DNA 29 can be captured and accumulated on the surface of the solid phase.

図5の(3)にはDNA29が存在していないが、同様に検体の搬送を行う。検体がすべて固相面を通過するまで、以上の工程を順次繰り返す。   Although DNA 29 does not exist in (3) of FIG. 5, the sample is transported in the same manner. The above steps are sequentially repeated until all the specimen passes through the solid surface.

以上の工程をフローチャートで表すと図6のようになり、本実施形態の遺伝子検出装置のソフトウエアで制御できる。検体搬送終了判定27で終了と判定されるまで、検体トラップサブルーチン26を繰り返す。検体トラップサブルーチン26では、まず、ポンプの駆動によって検体の搬送が行われ、端子32(+)−端子34(-)間に電圧が印加される。一般に物質の泳動速度は、その物質の移動度を係数として電界強度に比例する。アニオンの移動度は10-3(cm2/Vs)程度なので、端子間距離が100μmのとき、10Vを印加したとして、速度は1cm/sと見積もることができる。したがって、印加電圧は100V未満で、印加時間は1秒未満でよい。電圧印加後、スイッチ31をヒーター加熱側に倒し、端子33を通じてヒーター加熱電流を流す。
(検出すべき核酸配列の集積方法について−表面が容器に配置された場合)
図7は、表面1が、検体を収容する容器8に配置された場合の核酸配列の集積方法を説明する図である。図7は、単なる容器であるので、図5のように検体の搬送はできない。しかし、図5のように、上部の対向する位置に透明電極30が配置されているので、DNA29を電気泳動させることができる(第1の工程)。また、電気泳動後、スイッチ31をヒーター加熱側に倒し、端子33を通じてヒーター加熱電流を流すことができる(第2の工程)。以上の二つの工程を順次繰り返して、DNA29を固相表面に補足し、集積させることができる。なお、DNP(DNA結合蛋白)以外の蛋白質等、極性の異なる物質は、透明電極30の方向へ電気泳動されるので、反応に邪魔な不純物を遠ざけることができる。透明電極30はグランド電位に接続しておくことが望ましいが、開放としても良い。
The above process is represented by a flowchart as shown in FIG. 6 and can be controlled by the software of the gene detection apparatus of this embodiment. The sample trap subroutine 26 is repeated until it is determined that the sample transport end determination 27 is finished. In the sample trap subroutine 26, first, the sample is transported by driving the pump, and a voltage is applied between the terminal 32 (+) and the terminal 34 (−). In general, the migration speed of a substance is proportional to the electric field strength with the mobility of the substance as a coefficient. Since the mobility of the anion is about 10 −3 (cm 2 / Vs), when the distance between the terminals is 100 μm, assuming that 10 V is applied, the speed can be estimated as 1 cm / s. Therefore, the applied voltage may be less than 100V and the application time may be less than 1 second. After the voltage is applied, the switch 31 is tilted to the heater heating side, and a heater heating current is passed through the terminal 33.
(Method for collecting nucleic acid sequences to be detected-when the surface is placed in a container)
FIG. 7 is a diagram for explaining a method for accumulating nucleic acid sequences in the case where the surface 1 is arranged in a container 8 that contains a specimen. Since FIG. 7 is a simple container, the sample cannot be transported as shown in FIG. However, as shown in FIG. 5, since the transparent electrode 30 is arranged at the upper facing position, the DNA 29 can be electrophoresed (first step). Further, after electrophoresis, the switch 31 can be tilted to the heater heating side, and a heater heating current can be passed through the terminal 33 (second step). By sequentially repeating the above two steps, the DNA 29 can be captured and accumulated on the solid surface. Note that substances having different polarities, such as proteins other than DNP (DNA binding protein), are electrophoresed in the direction of the transparent electrode 30, so that impurities that hinder the reaction can be kept away. The transparent electrode 30 is preferably connected to the ground potential, but may be opened.

なお、検体を希釈する希釈溶液は、通常のPCRバッファー、TAE、TBEバッファー、PBSバッファーを用いることができる。
(遺伝子検出反応について)
遺伝子を検出するための反応は、鎖の伸長または修復を伴う酵素反応である。こうした酵素反応には、φ29ポリメラーゼ、T4DNAポリメラーゼ、DNAポリメラーゼI、E.coliDNAリガーゼ、T4リガーゼ、逆転写酵素、耐熱ポリメラーゼ等を用いることができる。特に、耐熱ポリメラーゼを用いることが適している。基質となる核酸には、A、C、T、G、U等のデオキシヌクレオチド三リン酸やその蛍光標識物、および伸長のターミネーションを起すジデオキシヌクレオチドやその標識物を用いることができる。核酸は、核酸アナログであっても良い。また、耐熱ポリメラーゼの反応において必要とされるプライマーを反応溶液に添加することについては、固相側に存在する核酸鎖がプライマーの役割を兼ねるので、非対称PCRの実行でよい場合には行う必要はない。ただし、反応に伴う増幅率を上げたい場合、溶液中に相補的配列となるプライマーを設け、対称PCRとすることが望ましい。また、本実施形態の遺伝子検出チップは、固相側の核酸鎖に蛍光標識が取り込まれるため、使い捨てチップの形態となる。ただし、検出すべき核酸鎖と固相側の核酸鎖の二本鎖形成を、サイバーグリーンなどのインターカレータによって蛍光検出する場合は、ディネーチャー操作によって検出すべき核酸鎖を取り除くことで、遺伝子検出チップの再使用が可能である。このとき、基板2となる材質は、色素吸着を少なくするために、ガラスを避けることが望ましい。
Note that a normal PCR buffer, TAE, TBE buffer, or PBS buffer can be used as a diluted solution for diluting the specimen.
(About gene detection reaction)
The reaction for detecting a gene is an enzymatic reaction involving chain extension or repair. For such enzyme reaction, φ29 polymerase, T4 DNA polymerase, DNA polymerase I, E. coli DNA ligase, T4 ligase, reverse transcriptase, heat-resistant polymerase, etc. can be used. In particular, it is suitable to use a heat-resistant polymerase. As the nucleic acid serving as a substrate, deoxynucleotide triphosphates such as A, C, T, G, and U, fluorescent labels thereof, dideoxynucleotides that cause extension termination, and labels thereof can be used. The nucleic acid may be a nucleic acid analog. In addition, it is necessary to add a primer required for the heat-resistant polymerase reaction to the reaction solution when the asymmetric PCR can be performed because the nucleic acid chain existing on the solid phase side also serves as a primer. Absent. However, if it is desired to increase the amplification factor associated with the reaction, it is desirable to provide a primer that becomes a complementary sequence in the solution to achieve symmetric PCR. The gene detection chip of this embodiment is in the form of a disposable chip because the fluorescent label is incorporated into the nucleic acid chain on the solid phase side. However, when detecting the double strand formation of the nucleic acid strand to be detected and the nucleic acid strand on the solid phase side with an intercalator such as Cyber Green, the gene detection is performed by removing the nucleic acid strand to be detected by the deigner operation. The chip can be reused. At this time, it is desirable that the material used as the substrate 2 avoids glass in order to reduce dye adsorption.

以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.

[実施例1]
図8(a)は、本発明の実施例1の遺伝子検出チップを示す斜視図である。この遺伝子検出チップの固相面は、容器に配置されている。容器は、図8(b)および(c)のように、顕微鏡用の無蛍光ガラス基板17とアクリル樹脂19の2枚を張り合わせて構成される。図8(b)のように、無蛍光ガラス基板17の上に金電極15a、15bとしてクロムをパターニングし、その間に固相面かつヒーター面となるPtヒーター薄膜16としてチタンを製膜する。成型加工した透明のアクリル樹脂19には、サンプル注入孔18a、18bがあり、このサンプル注入孔18a、18bをゴムキャップ20で塞ぐことで反応中の蒸発を防ぐことができる。市販のスポッター装置で核酸プローブをスポットした後、接着剤で2枚を張り合わせる。
[Example 1]
Fig.8 (a) is a perspective view which shows the gene detection chip | tip of Example 1 of this invention. The solid phase surface of this gene detection chip is arranged in a container. As shown in FIGS. 8B and 8C, the container is configured by bonding two non-fluorescent glass substrates 17 for a microscope and an acrylic resin 19 together. As shown in FIG. 8B, chromium is patterned on the non-fluorescent glass substrate 17 as the gold electrodes 15a and 15b, and titanium is formed as the Pt heater thin film 16 serving as a solid surface and a heater surface therebetween. The molded transparent acrylic resin 19 has sample injection holes 18a and 18b, and by sealing the sample injection holes 18a and 18b with a rubber cap 20, evaporation during the reaction can be prevented. After spotting the nucleic acid probe with a commercially available spotter device, the two pieces are bonded together with an adhesive.

[実施例2]
図9は、本発明の実施例2の遺伝子検出チップを示す斜視図である。この遺伝子検出チップの固相面は、流路25に配置されている。遺伝子検出チップには、検体注入孔21、バッファー注入孔22、PCR反応液注入孔23、および廃液孔24があり、それぞれに液溜めを持っている。検体中の検出すべき核酸配列が非常に微量であるために、検体を莫大に必要とする場合がある。こうした場合を考慮して、検体液溜めを大きく取り、固相面だけに核酸配列を捕捉した後、バッファー液で洗い流し、流路高さ×固相面積だけのわずかな領域分のPCR反応液で、反応を進めることができるようになっている。また、流路25上の固相面かつヒーター面と反対側の位置に不図示の透明電極を設け、電気泳動によって固相面に検出すべき核酸配列を捕捉することができる。
[Example 2]
FIG. 9 is a perspective view showing the gene detection chip of Example 2 of the present invention. The solid phase surface of this gene detection chip is disposed in the flow path 25. The gene detection chip has a specimen injection hole 21, a buffer injection hole 22, a PCR reaction liquid injection hole 23, and a waste liquid hole 24, each having a liquid reservoir. Since the nucleic acid sequence to be detected in the sample is very small, the sample may be required enormously. Considering such cases, take a large sample liquid reservoir, capture the nucleic acid sequence only on the solid phase surface, wash it off with buffer solution, and use a PCR reaction solution for a small area of the flow path height x solid phase area. , The reaction can proceed. In addition, a transparent electrode (not shown) is provided on the solid phase surface on the flow path 25 and at a position opposite to the heater surface, and a nucleic acid sequence to be detected can be captured on the solid phase surface by electrophoresis.

以下、図9の遺伝子検出チップの作成手順を、図10をもとに述べる。   Hereinafter, a procedure for producing the gene detection chip of FIG. 9 will be described with reference to FIG.

25×76mm厚さ1.2mmの無蛍光ガラス基板51に、レジストをスピンコートし、ヒーターパターン49を露光、現像した後、製膜レートを参考にスパッタ法で、Ti膜を約5nm、続いてPt膜を約50nm堆積する。次に、リフトオフプロセスで、レジスト及び不要な膜を除去する。リフトオフプロセス後のヒーターパターン49は、図10のようになる。   A 25 × 76 mm non-fluorescent glass substrate 51 having a thickness of 1.2 mm is spin-coated with a resist, the heater pattern 49 is exposed and developed, and a Ti film is formed by a sputtering method with reference to the film formation rate. A Pt film is deposited to about 50 nm. Next, the resist and unnecessary films are removed by a lift-off process. The heater pattern 49 after the lift-off process is as shown in FIG.

また、検体注入孔21、バッファー注入孔22、PCR反応液注入孔23、および廃液孔24を予め成型したPET(ポリエチレンテレフタレート)基板52に、ITOを約100nm製膜する。次に、透明電極パターン50をレジストで保護し、ITOエッチング液で不要部分を除去する。   Further, an ITO film is formed to a thickness of about 100 nm on a PET (polyethylene terephthalate) substrate 52 in which the specimen injection hole 21, the buffer injection hole 22, the PCR reaction liquid injection hole 23, and the waste liquid hole 24 are previously formed. Next, the transparent electrode pattern 50 is protected with a resist, and unnecessary portions are removed with an ITO etching solution.

また、流路25の型をくりぬいた21×72mm厚さ100nmのPDMS(ポリジメチルシロキサン)シート53を用意しておく。また、無蛍光ガラス基板51は、70℃の硫酸−過酸化水素水に約1時間浸すかまたはUVオゾン照射によって、表面を清浄にしておく。   Further, a PDMS (polydimethylsiloxane) sheet 53 having a 21 × 72 mm thickness of 100 nm is prepared by hollowing out the mold of the flow path 25. Further, the surface of the non-fluorescent glass substrate 51 is cleaned by immersing it in sulfuric acid-hydrogen peroxide solution at 70 ° C. for about 1 hour or by UV ozone irradiation.

次に、蛍光ガラス基板51の上に、PDMSシート53を重ね合わせる。無蛍光ガラス基板51のヒーターパターン49と、PDMSシート53の流路25の型部分が交差する固相領域54には、市販のスポッター装置を用いて、核酸プローブを固定化する。   Next, the PDMS sheet 53 is overlaid on the fluorescent glass substrate 51. A nucleic acid probe is immobilized on the solid phase region 54 where the heater pattern 49 of the non-fluorescent glass substrate 51 and the mold part of the flow path 25 of the PDMS sheet 53 intersect using a commercially available spotter device.

なお、本実施例では、透明電極パターン50及びヒーターパターン49を1mm×25mm、固相領域54の面積が1mm×1mmとなるように流路幅を1mmとしている。また、核酸プローブは、以下の10菌種を検出するためのものであり、特開2004−313181号公報に開示された核酸プローブを用いる。また、5‘末端にはSH(チオール)基が結合されている。
1. 黄色ブドウ球菌 gAACCgCATggTTCAAAAgTgAAAgA
2. 表皮ブドウ球菌 TAgTgAAAgACggTTTTgCTgTCACT
3. 大腸菌 ATACCTTTgCTCATTgACgTTACCCg
4. 肺炎桿菌 ggTCTgTCAAgTCggATgTgAAATCC
5. 緑膿菌 TCAgATgAgCCTAggTCggATTAgC
6. セラチア菌 AggTggTgAgCTTAATACgCTCATC
7. 肺炎連鎖球菌 CTTgCATCACTACCAgATggACCTg
8. インフルエンザ菌 CTTgggAATgTACTgACgCTCATgTg
9. エンテロバクター・クロアカエ菌 ggTgTTgTggTTAATAACCACAgCAA
10.エンテロコッカス・フェカリス菌 AACACgTgggTAACCTACCCATCAg
その後、核酸プローブの固定化が終了すると、図10に示すように、PET基板52を重ね合わせて固定する。
In this embodiment, the transparent electrode pattern 50 and the heater pattern 49 are 1 mm × 25 mm, and the flow path width is 1 mm so that the area of the solid phase region 54 is 1 mm × 1 mm. Moreover, the nucleic acid probe is for detecting the following 10 bacterial species, and the nucleic acid probe disclosed in JP-A-2004-313181 is used. In addition, an SH (thiol) group is bonded to the 5 ′ end.
1. Staphylococcus aureus gAACCgCATggTTCAAAAgTgAAAgA
2. Staphylococcus epidermidis TAgTgAAAgACggTTTTgCTgTCACT
3. E. coli ATACCTTTgCTCATTgACgTTACCCg
4). K. pneumoniae ggTCTgTCAAgTCggATgTgAAATCC
5. Pseudomonas aeruginosa TCAgATgAgCCTAggTCggATTAgC
6). Serratia AggTggTgAgCTTAATACgCTCATC
7). Streptococcus pneumoniae CTTgCATCACTACCAgATggACCTg
8). Haemophilus influenzae CTTgggAATgTACTgACgCTCATgTg
9. Enterobacter cloacae ggTgTTgTggTTAATAACCACAgCAA
10. Enterococcus faecalis AACACgTgggTAACCTACCCATCAg
Thereafter, when the fixation of the nucleic acid probe is completed, the PET substrate 52 is overlaid and fixed as shown in FIG.

[実施例3]
実施例2の遺伝子検出チップを用いた遺伝子検出装置について図11を用いて説明する。
[Example 3]
A gene detection apparatus using the gene detection chip of Example 2 will be described with reference to FIG.

表面1にエバネッセント場を形成するためのレーザービームは、照明手段であるレーザー35から照射され、レーザパワーコントローラ48によってコントロールされる。レーザービームはビームエキスパンダー36に導かれ、レンズ37を通して、本発明の遺伝子検出チップ38に入射される。遺伝子検出チップ38の表面1からしみ出したエバネッセント光は、撮像手段である冷却CCDカメラ39によって撮像される。一方、ダイアフラム式マイクロポンプ41、42、および43は、チュービングを経由して、それぞれ検体注入孔21、バッファー注入孔22、PCR反応液注入孔23に接続される。ダイアフラム式マイクロポンプ40は、廃液孔24に接続され、流路25を満たす空気を吸引することで液体の搬送を行う送液手段である。ダイアフラム式マイクロポンプ40〜43のコントロールは、I/O44およびデータ/制御バス45通してPCコントローラ47で制御される。制御の状態は表示器46で確認することができる。   A laser beam for forming an evanescent field on the surface 1 is emitted from a laser 35 which is an illuminating means, and is controlled by a laser power controller 48. The laser beam is guided to the beam expander 36, and enters the gene detection chip 38 of the present invention through the lens 37. The evanescent light that oozes from the surface 1 of the gene detection chip 38 is imaged by a cooled CCD camera 39 that is an imaging means. On the other hand, the diaphragm micropumps 41, 42, and 43 are connected to the sample injection hole 21, the buffer injection hole 22, and the PCR reaction liquid injection hole 23, respectively, via tubing. The diaphragm type micropump 40 is a liquid feeding means that is connected to the waste liquid hole 24 and transports the liquid by sucking air that fills the flow path 25. Control of the diaphragm type micropumps 40 to 43 is controlled by the PC controller 47 through the I / O 44 and the data / control bus 45. The control state can be confirmed on the display 46.

[実施例4]
実施例2の遺伝子検出チップを用いて、病原体の遺伝子を検出する。
(検体の調整)
まず、EDTA入り真空採血管で採血した検体から病原体DNAを含む粗分画を得る。次に、血液10μlに純水10μlを加え、95℃で10分間インキュベートする。次に、これを8000×gで10分遠心し、上清を捨てる。次に、これに、N-acetylmuramidase(0.625mg/ml)とbeta-1,3-glucanase(Zymolyase)(0.25mg/ml)から成る酵素カクテルを10μl加える。さらに、lysozyme(100mg/ml)とlysostaphin(10mg/ml)から成る酵素カクテルを10μl加える。次に、これを37℃で10分間インキュベートする。次に、これを8000×gで10分遠心し、上清を捨て、PCRキット(インビトロジェン株式会社 プラチナTaqDNAポリメラーゼ)に添付のPCRバッファーを用いて約10μlにメスアップする(A液)。同じく、PCRキット内のPCRプレミックス溶液を酵素が3Unitとなるよう希釈し、そこへCy3−dUTPが10pmol/μlとなるよう、蛍光色素を添加する(B液)。
(遺伝子検出チップへの分注)
検体注入孔21に先ほどのA液10μlを分注する。バッファー注入孔22には、希釈済みPCRバッファーを7μl分注する。PCR反応液注入孔23には、先ほどのB液を3μl分注する。これを、遺伝子検出チップ38として実施例3の遺伝子検出装置に組み込み、チュービングを接続する。
(遺伝子の捕捉・集積)
ダイアフラム式マイクロポンプ41に接続する調整積み検体(A液)を0.1μl/secの速度で押し出す。他の溶液との流路交差点を通過後、ダイアフラム式マイクロポンプ40を同速度で駆動し、送液を安定化させる。検体が固相領域54に到達してから、透明電極パターン50と固相面との間に、不図示の電圧印加手段により5Vの電圧を50msec印加する。次に、加熱手段である固相面のヒーター両端に電圧を印加して固相表面の温度が93℃になるように制御する。制御方法はブリッジ13によってブリッジ両端の電圧差がなくなるようフィードバック制御する。温度との対応は、予めヒーターの抵抗値との関係をキャリブレーションしておく。加熱の時間は93℃に到達してから1秒間とする。以上の工程を、0.1μlづつ液を送り出してトータル10μlに達するまで繰り返す。
(PCR)
ダイアフラム式マイクロポンプ42に接続するPCRバッファーを0.1μl/secの速度で押し出す。他の溶液との流路交差点を通過後、ダイアフラム式マイクロポンプ40を同速度で駆動し、送液を安定化させる。溶液が固相領域54に到達してからトータル7μlに達するまで送液を続ける。次に、ダイアフラム式マイクロポンプ43に接続するPCR反応液を0.1μl/secの速度で押し出す。溶液を固相領域54に到達させ、PCRを開始させる。温度サイクルは、93℃を1秒、63℃を1秒、72℃を0.5秒の保持時間とし、25回に設定する。
(PCRによる遺伝子の検出)
レーザービームが遺伝子検出チップ38の全反射面に導かれ、PCRの開始と同時に冷却CCDカメラ39によって撮像が開始される。撮影された画像はPCコントローラ47内で画像処理され、PCRが起こった場合の核酸プローブについては、その部分が、PCRの反応回数毎に、リアルタイムに相対蛍光輝度に換算される。検出されたスポットの情報から、病原体を同定する。
[Example 4]
The gene of the pathogen is detected using the gene detection chip of Example 2.
(Sample adjustment)
First, a crude fraction containing pathogen DNA is obtained from a sample collected with a vacuum blood collection tube containing EDTA. Next, 10 μl of pure water is added to 10 μl of blood and incubated at 95 ° C. for 10 minutes. Next, this is centrifuged at 8000 × g for 10 minutes, and the supernatant is discarded. Next, 10 μl of an enzyme cocktail consisting of N-acetylmuramidase (0.625 mg / ml) and beta-1,3-glucanase (Zymolyase) (0.25 mg / ml) is added thereto. Further, 10 μl of enzyme cocktail consisting of lysozyme (100 mg / ml) and lysostaphin (10 mg / ml) is added. This is then incubated at 37 ° C. for 10 minutes. Next, this is centrifuged at 8000 × g for 10 minutes, the supernatant is discarded, and the volume is made up to about 10 μl using the PCR buffer attached to the PCR kit (Invitrogen Platinum Taq DNA Polymerase) (solution A). Similarly, the PCR premix solution in the PCR kit is diluted so that the enzyme becomes 3 Units, and a fluorescent dye is added thereto so that Cy3-dUTP becomes 10 pmol / μl (solution B).
(Dispensing to gene detection chip)
Dispense 10 μl of the liquid A into the sample injection hole 21. 7 μl of diluted PCR buffer is dispensed into the buffer injection hole 22. Into the PCR reaction solution injection hole 23, 3 μl of the previous solution B is dispensed. This is incorporated in the gene detection apparatus of Example 3 as a gene detection chip 38, and tubing is connected.
(Gene capture and accumulation)
The prepared sample (liquid A) connected to the diaphragm micropump 41 is pushed out at a speed of 0.1 μl / sec. After passing through the flow path intersection with another solution, the diaphragm micropump 40 is driven at the same speed to stabilize the liquid feeding. After the specimen reaches the solid phase region 54, a voltage of 5 V is applied between the transparent electrode pattern 50 and the solid surface by a voltage application unit (not shown) for 50 msec. Next, a voltage is applied to both ends of the heater on the solid phase surface, which is a heating means, and the temperature of the solid phase surface is controlled to be 93 ° C. In the control method, the bridge 13 performs feedback control so that the voltage difference between both ends of the bridge is eliminated. The correspondence with the temperature is preliminarily calibrated with the relationship with the resistance value of the heater. The heating time is 1 second after reaching 93 ° C. The above steps are repeated until 0.1 μl of solution is delivered and a total of 10 μl is reached.
(PCR)
The PCR buffer connected to the diaphragm micropump 42 is pushed out at a speed of 0.1 μl / sec. After passing through the flow path intersection with another solution, the diaphragm micropump 40 is driven at the same speed to stabilize the liquid feeding. The solution feeding is continued until the solution reaches the solid phase region 54 and reaches a total of 7 μl. Next, the PCR reaction solution connected to the diaphragm micropump 43 is pushed out at a speed of 0.1 μl / sec. The solution reaches the solid phase region 54 and PCR is started. The temperature cycle is set to 25 times with a holding time of 93 ° C. for 1 second, 63 ° C. for 1 second, and 72 ° C. for 0.5 second.
(Detection of genes by PCR)
The laser beam is guided to the total reflection surface of the gene detection chip 38, and imaging is started by the cooled CCD camera 39 simultaneously with the start of PCR. The captured image is subjected to image processing in the PC controller 47, and the portion of the nucleic acid probe when PCR occurs is converted into relative fluorescence brightness in real time for each number of PCR reactions. The pathogen is identified from the detected spot information.

本発明は、上述のように高感度検出が必要な遺伝子診断に用いることができる。しかしそれ以外の産業にも利用できる可能性がある。本発明は、温度制御可能な光の全反射面となる表面を有しており、光がしみだす近傍の温度を制御しているために、その温度においてその近傍で起こりうるすべての化学反応等の反応場を提供していることになる。したがって、本発明は、しみだす光が化学物質と相互作用し、光検出器で検出できるなら、反応物質の検出や反応温度解析に用いることができる。   The present invention can be used for genetic diagnosis that requires highly sensitive detection as described above. However, it may be used for other industries. The present invention has a surface that is a temperature-controllable total reflection surface of light, and controls the temperature in the vicinity of light so that all chemical reactions that can occur in the vicinity at that temperature It provides a reaction field. Therefore, the present invention can be used for detection of reactants and analysis of reaction temperature if the light that exudes interacts with a chemical substance and can be detected by a photodetector.

本発明の一実施形態の遺伝子検出チップを示す図である。It is a figure which shows the gene detection chip | tip of one Embodiment of this invention. 図1に示した遺伝子検出チップのヒーターパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the heater pattern of the gene detection chip | tip shown in FIG. 図1に示した遺伝子検出チップの温度制御の一例に用いるブリッジ回路を示す図である。It is a figure which shows the bridge circuit used for an example of temperature control of the gene detection chip | tip shown in FIG. 図1に示した遺伝子検出チップの温度制御の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of temperature control of the gene detection chip | tip shown in FIG. 図1に示した遺伝子検出チップに、検出すべき核酸配列を集積させる方法の一例(表面が流路に配置された場合)を説明する図である。It is a figure explaining an example (when the surface is arrange | positioned in the flow path) of integrating the nucleic acid sequence which should be detected on the gene detection chip | tip shown in FIG. 図5に示した核酸配列集積方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the nucleic acid sequence integration method shown in FIG. 図1に示した遺伝子検出チップに、検出すべき核酸配列を集積させる方法の他の例(表面が容器に配置された場合)を説明する図である。It is a figure explaining the other example (when the surface is arrange | positioned to the container) of the method of integrating the nucleic acid sequence which should be detected on the gene detection chip | tip shown in FIG. 本発明の実施例1の遺伝子検出チップを示す図である。It is a figure which shows the gene detection chip | tip of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の遺伝子検出チップを示す図である。It is a figure which shows the gene detection chip | tip of Example 2 of this invention. 図9に示した遺伝子検出チップの作製方法の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the preparation methods of the gene detection chip | tip shown in FIG. 図9に示した遺伝子検出チップを用いた遺伝子検出装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gene detection apparatus using the gene detection chip | tip shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 表面
2 基板
3 検出すべき核酸配列
4 蛍光物質
5 相補的な核酸配列
6 レーザー
7 反応液
8 容器
9 トランジスタ
10 抵抗
11 マイクイロプロセッサのバスライン
12 差動増幅器
13 ブリッジ
14 加熱できる薄膜
15a,15b 金電極
15c,15d,15e,15f 電極
16 Ptヒーター薄膜
17 無蛍光ガラス基板
18a,18b サンプル注入孔
19 アクリル樹脂
20 ゴムキャップ
21 検体注入孔
22 バッファー注入孔
23 PCR反応液注入孔
24 廃液孔
25 流路
26 検体トラップサブルーチン
27 検体搬送終了判定
28a,28b,28c 相補的な核酸配列
29 DNA
30 透明電極
31 スイッチ
32,33,34 端子
35 レーザー光源
36 ビームエキスパンダー
37 レンズ
38 遺伝子検出チップ
39 冷却CCDカメラ
40,41,42,43 ダイアフラム式マイクロポンプ
44 I/O
45 データ/制御バス
46 表示器
47 PCコントローラ
48 レーザパワーコントローラ
49 ヒーターパターン
50 透明電極パターン
51 無蛍光ガラス基板
52 PET基板
53 PDMSシート
54 固相領域
55 固相スポット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface 2 Substrate 3 Nucleic acid sequence to be detected 4 Fluorescent substance 5 Complementary nucleic acid sequence 6 Laser 7 Reaction liquid 8 Container 9 Transistor 10 Resistance 11 Microprocessor bus line 12 Differential amplifier 13 Bridge 14 Heatable thin film 15a, 15b Gold electrode 15c, 15d, 15e, 15f Electrode 16 Pt heater thin film 17 Non-fluorescent glass substrate 18a, 18b Sample injection hole 19 Acrylic resin 20 Rubber cap 21 Specimen injection hole 22 Buffer injection hole 23 PCR reaction liquid injection hole 24 Waste liquid hole 25 Flow Path 26 Specimen trap subroutine 27 Specimen transport end determination 28a, 28b, 28c Complementary nucleic acid sequence 29 DNA
30 Transparent electrode 31 Switch 32, 33, 34 Terminal 35 Laser light source 36 Beam expander 37 Lens 38 Gene detection chip 39 Cooling CCD camera 40, 41, 42, 43 Diaphragm micropump 44 I / O
45 Data / Control Bus 46 Display 47 PC Controller 48 Laser Power Controller 49 Heater Pattern 50 Transparent Electrode Pattern 51 Non-Fluorescent Glass Substrate 52 PET Substrate 53 PDMS Sheet 54 Solid Phase Region 55 Solid Phase Spot

Claims (8)

遺伝子を捕捉可能な表面を有する遺伝子検出チップであって、
前記表面は、検出すべき核酸配列と相補的な核酸プローブを複数有し、温度制御可能であり、かつ入射光を全反射する全反射面であることを特徴とする遺伝子検出チップ。
A gene detection chip having a surface capable of capturing a gene,
The gene detection chip, wherein the surface has a plurality of nucleic acid probes complementary to a nucleic acid sequence to be detected, is temperature-controllable, and is a total reflection surface that totally reflects incident light.
請求項1に記載の遺伝子検出チップにおいて、
前記表面に接触する液体を挟んで対向する位置に配置される透明電極を有することを特徴とする遺伝子検出チップ。
The gene detection chip according to claim 1,
A gene detection chip comprising a transparent electrode disposed at a position facing the liquid in contact with the surface.
請求項2に記載の遺伝子検出チップにおいて、
前記表面が、前記検出すべき核酸配列を含む液体を搬送可能な流路に配置されたことを特徴とする遺伝子検出チップ。
The gene detection chip according to claim 2,
The gene detection chip, wherein the surface is disposed in a flow path capable of carrying a liquid containing the nucleic acid sequence to be detected.
請求項2に記載の遺伝子検出チップにおいて、
前記表面が、前記検出すべき核酸配列を含む液体を収容する容器に配置されたことを特徴とする遺伝子検出チップ。
The gene detection chip according to claim 2,
The gene detection chip, wherein the surface is arranged in a container that contains a liquid containing the nucleic acid sequence to be detected.
請求項3に記載の遺伝子検出チップの表面に、前記検出すべき核酸配列を集積させるための核酸配列集積方法であって、
前記検出すべき核酸配列を含む液体を、前記透明電極を通過する液量若しくはそれ未満の液量だけ搬送する第1の工程と、
前記搬送された液体に対して電圧を印加する第2の工程と、
前記第2の工程によって前記表面へ泳動した、前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う第3の工程と、を有し、
前記第1から第3の工程を順次繰り返して、前記表面に前記検出すべき核酸配列を集積させることを特徴とする核酸配列集積方法。
A nucleic acid sequence integration method for integrating the nucleic acid sequences to be detected on the surface of the gene detection chip according to claim 3,
A first step of transporting the liquid containing the nucleic acid sequence to be detected by a liquid amount passing through the transparent electrode or a liquid amount less than that,
A second step of applying a voltage to the conveyed liquid;
A third step of heating the nucleic acid sequence to be detected that has migrated to the surface in the second step so that double strands are separated into single strands;
A nucleic acid sequence accumulation method, wherein the nucleic acid sequences to be detected are accumulated on the surface by sequentially repeating the first to third steps.
請求項4に記載の遺伝子検出チップの表面に、前記検出すべき核酸配列を集積させるための核酸配列集積方法であって、
前記検出すべき核酸配列を含む液体に対して電圧を印加する第1の工程と、
前記第1の工程によって前記表面へ泳動した、前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う第2の工程と、を有し、
前記第1から第2の工程を順次繰り返して、前記表面に前記検出すべき核酸配列を集積させることを特徴とする核酸配列集積方法。
A nucleic acid sequence integration method for integrating the nucleic acid sequence to be detected on the surface of the gene detection chip according to claim 4,
A first step of applying a voltage to the liquid containing the nucleic acid sequence to be detected;
A second step of heating the nucleic acid sequence to be detected, which has migrated to the surface in the first step, so that double strands are separated into single strands,
A nucleic acid sequence accumulation method, wherein the nucleic acid sequences to be detected are accumulated on the surface by sequentially repeating the first to second steps.
請求項1から4のいずれか1項に記載の遺伝子検出チップを用いた遺伝子検出装置であって、
前記表面にエバネッセント場を形成するための光を照射する照明手段と、
前記照明手段による照射によって前記表面からしみ出した光を撮像する撮像手段と、
前記表面に移動した前記検出すべき核酸配列に対し、二本鎖が一本鎖に乖離するための加熱を行う加熱手段と、を有すること特徴とする遺伝子検出装置。
A gene detection device using the gene detection chip according to any one of claims 1 to 4,
Illumination means for irradiating light for forming an evanescent field on the surface;
Imaging means for imaging light oozing from the surface by irradiation by the illumination means;
A gene detection apparatus, comprising: a heating unit that heats the nucleic acid sequence to be detected that has moved to the surface to cause a double strand to dissociate into a single strand.
請求項7に記載の遺伝子検出装置において、
前記検出すべき核酸配列を含む液体を搬送するための送液手段と、
前記搬送された液体に対して電圧を印加し、前記検出すべき核酸配列を前記表面へ電気泳動させるための電圧印加手段と、を有すること特徴とする遺伝子検出装置。
The gene detection apparatus according to claim 7,
A liquid-feeding means for transporting a liquid containing the nucleic acid sequence to be detected;
And a voltage applying means for applying a voltage to the transported liquid and causing the nucleic acid sequence to be detected to be electrophoresed on the surface.
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