JP2010081873A

JP2010081873A - Ｄｎａチップの測定装置

Info

Publication number: JP2010081873A
Application number: JP2008254346A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Tsubosaki; 和広坪崎; Makoto Onodera; 誠小野寺; Hirotaka Kamiide; 弘隆上出
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】外部環境に影響されることなく、安定した測定が可能なＤＮＡチップの測定装置を提供する。
【解決手段】ＤＮＡチップの測定装置は、配線パターンと配線パターンを被覆した防湿コーティングとを有する回路基板５０と、回路基板の配線パターンに電気的に接続され回路基板から突出しているとともに、ＤＮＡチップ１０の測定電極に当接する先端部を有する複数の測定プローブピン５４と、測定プローブピンを保持しているとともに回路基板に固定されたプローブピンホルダ５２と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ＤＮＡ等の複数の核酸プローブを固定し、核酸プローブと検体から抽出した核酸との反応から、特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を判定するＤＮＡチップの測定装置、特に電気化学的な反応を利用して、ハイブリダイゼーションの有無を検出する電流検出型ＤＮＡチップの測定装置に関する。

近年、ゲノム医学やゲノム薬理学の進歩により、特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を検出することによって、薬に対する効果や副作用、発病の可能性や病気の進行程度等が診断できるようになってきた。この特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を手軽に検出する手法として、ＤＮＡチップ（ＤＮＡマイクロアレイ）を用いる手法が提供されている。このようなＤＮＡチップとして、電流検出法を用いて特定の塩基配列あるいは特定の遺伝子の存在を検出する電流検出型のＤＮＡチップが提案されている（例えば、特許文献１）。

電流検出型のＤＮＡチップは、絶縁基板上に金等の導電性金属薄膜からなる複数の作用極および測定極と、これらの電極を接続し電気化学的な測定回路を形成する配線とを有し、作用極には、既知の核酸等からなる一本鎖の核酸プローブが固定化されている。このＤＮＡチップは、通常、カセット内に収納されている。そして、測定時には、カセットを測定装置内の所定位置に装填し、核酸プローブへの検体の充填、加熱、洗浄、電流検出が行われる。

測定装置は、例えば、昇降可能に設けられた複数の測定プローブピンを備え、これらの測定プローブピンは回路基板に電気的に接続され、回路基板を介して分析装置に接続されている。測定時、これらの測定プローブピンは、ＤＮＡチップの測定極に押圧接触される。そして、測定プローブピンを通してＤＮＡチップに電圧を印加するとともに、ＤＮＡチップから発生する微小電流を検出している（例えば、特許文献２）。
特許第３９３０５１７号公報特許第３６４８２５８号公報

上述したＤＮＡチップの測定装置により電流検出を行う場合、測定装置は通常、一般環境、あるいは空調制御された環境下に設置されて使用される。しかし、測定プローブピンにより検出される検出電流は微弱であり、外部環境条件に影響を受け易く、環境条件によっては、正常に測定できない場合が生じる。特に、高湿度条件下や、ある事情により空調制御ができなくなった場合など、空気中の水分量が変動し、回路基板に水分が付着するなどの影響により、正確な電流値が検出できない場合がある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、外部環境に影響されることなく、安定した測定が可能なＤＮＡチップの測定装置を提供することにある。

この発明の態様に係るＤＮＡチップの測定装置は、配線パターンと前記配線パターンを被覆した防湿コーティングとを有する回路基板と、前記回路基板の配線パターンに電気的に接続され前記回路基板から突出しているとともに、ＤＮＡチップの測定電極に当接する先端部を有する複数の測定プローブピンと、前記測定プローブピンを保持しているとともに前記回路基板に固定されたプローブピンホルダと、を備えている。

上記構成によれば、外部環境に影響されることなく、安定した電流測定が可能なＤＮＡチップの測定装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る電流検出型ＤＮＡチップの測定装置について詳細に説明する。
初めに、測定に用いるＤＮＡチップについて説明する。
図１は、本実施形態に係るＤＮＡチップを内蔵したカセットの外観を示し、図２は、このカセットを分解して示している。図１および図２に示すように、ＤＮＡチップ１０は、基板３０と基板上に形成された複数の電極とを有している。ＤＮＡチップ１０は、シリコン樹脂等で形成された流路パッキン１２と共に、ポリカーボネート等の樹脂で形成されたカセット１４内に組み込まれている。

ＤＮＡチップ１０は、ガラス、Ｓｉ、樹脂等により矩形状に形成された絶縁性を有する基板３０と、基板の一方の表面上に金等の導電性を有する金属膜をパターニングすることにより形成された複数の電極、つまり、複数の作用極３２、複数の測定極３４ａ、３４ｂ、対極３６、および参照極３８と、電極間を電気的に接続し測定回路を構成した複数の配線４０と、を有している。基板３０の上面は、電極を除いて、例えば有機レジスト等からなる絶縁層によって覆われている。

作用極３２は例えば２つ設けられ、各作用極３２の露出した表面には、例えば既知の配列を持ち一本鎖にした合成オリゴＤＮＡが核酸プローブとして固定されている。各作用極３２は、複数の配線４０を介して対応する測定極３４ａに電気的に接続されている。対極３６および参照極３８の各々は、複数の配線４０を介して対応する測定極３４ｂに電気的に接続されている。基板３０の他方の表面、ここでは、背面には、加熱時の基板３０の熱分布を均一とするための図示しない無機膜が形成されている。

ＤＮＡチップ１０は、カセット１４内に組み込まれている。カセット１４は、矩形箱状のトップカバー１６ａと、トップカバーに嵌合されトップカバーの底面を閉塞した矩形板状のボトムカバー１６ｂとを有している。ボトムカバー１６ｂにはＤＮＡチップ１０よりも僅かに小さな矩形状の開口１８が形成されている。ＤＮＡチップ１０は、その背面側が開口１８に重なった状態で、ボトムカバー１６ｂとトップカバー１６ａとの間に配置収納されている。開口１８を通して、無機膜およびＤＮＡチップ１０をヒータ等により加熱することができる。

流路パッキン１２は、トップカバー１６ａとＤＮＡチップ１０との間に配置され、ＤＮＡチップ１０の電極側の表面に密着した状態で保持されている。ＤＮＡチップ１０の作用極３２、対極３６および参照極３８を含む電極部分は、流路パッキン１２によって覆われ、基板３０の上面と流路パッキンとにより流路が形成されている。この流路に検体あるいは電解液等を充填し流すことにより、電極部にこれらの検体、電解液を供給することができる。

トップカバー１６ａには、検体及び薬液の注入孔２０および排出孔２１、並びに、矩形状の測定開口２２が形成されている。注入孔２０および排出孔２１は流路パッキン１２の流路に連通している。注入孔２０から注入された検体は、流路パッキン１２の流路を通してＤＮＡチップ１０の電極部に供給された後、他方から排出孔２１から排出される。また、測定開口２２は、ＤＮＡチップ１０の測定極３４ａ、３４ｂに対向して設けられている。カセット１４の外側から測定開口２２を通して、電流検出用の測定プローブピンをカセット１４内に挿入し、ＤＮＡチップ１０の測定極に接触させることができる。

次に、上述したＤＮＡチップ１０のカセット１４を用いてＤＮＡチップ１０の測定を行う測定装置について説明する。
図３は、測定装置を概略的に示す断面図であり、図４は、測定プローブピンによるＤＮＡチップの測定状態を概略的に示し、図５は、プローブユニットを示す正面図、図６は、測定装置のプローブユニットを示す斜視図、図７は、プローブピンと回路基板との接続部を拡大して示す断面図、図８は、回路基板の背面側における接続部を示す平面図である。

図３に示すように、測定装置６０は、ハウジング６１と、このハウジング内に配設されたカセット支持機構６２と、複数の測定プローブピンを並べたプローブユニット６４と、プローブユニット６４を当接位置および退避位置に駆動する駆動機構６６と、を備えている。

図３および図４に示すように、カセット支持機構６２は、カセット１４を支持するカセットホルダ６８を有している。カセットホルダ６８はほぼ直方体形状に形成され、その中央部に、カセット１４を装着可能なほぼ矩形状の係合凹所７０が形成されている。係合凹所７０の底部には、複数のばね７１によって弾性的に支持された支持板７２が設けられている。係合凹所７０に装着されたカセット１４は、支持板７２上に弾性的に支持される。

カセットホルダ６８は、ガイドレール７３により床とほぼ平行な方向に沿って移動可能に支持され、ここでは、図３に破線で示す、カセット１４を取外し可能な装着位置と、実線で示す、ＤＮＡチップ１０の測定が可能な測定位置との間を移動可能に支持されている。また、カセット支持機構６２は、カセットホルダ６８を装着位置と測定位置との間で移動させる移動機構７４を有している。移動機構７４は、複数の駆動ローラ、これらの駆動ローラを駆動するモータ等を備えている。なお、ハウジング６１の一側壁には、カセットホルダ６８が通過する挿通口６３が形成されている。

図３ないし図６に示すように、プローブユニット６４は、矩形状の回路基板５０と、回路基板に固定されたプローブピンホルダ５２と、プローブピンホルダに保持されているとともに回路基板５０に電気的に接続された複数本の測定プローブピン５４と、を有している。

回路基板５０は、第１表面５０ａおよびこれと反対側に位置した第２表面５０ｂとを有し、第１表面には導電層からなる多数の配線パターン５１が形成され、同様に、第２表面には導電層からなる多数の配線パターンが形成されている。回路基板５０には、第１表面５０ａ側の配線パターン５１と第２表面５０ｂ側の配線パターンとを電気的に接続した複数のスルーホール５５が形成されている。第２表面５０ｂ上には、図示しない複数の電子部品が実装されている。後述するプローブピンホルダ５２が固定された領域を除いて、回路基板５０の第１表面５０ａ、第２表面５０ｂおよびスルーホール５５内は、防湿コーティング剤５６により被覆されている。これにより、第１表面５０ａ側の配線パターン５１および第２表面５０ｂ側の配線パターンも防湿コーティング剤５６により被覆されている。防湿コーティング剤としては、種々のものを選択でき、例えば、株式会社弘輝製のセフティコートＢ−３０（商品名）を用いることができる。

図５ないし図７に示すように、プローブピンホルダ５２は、例えば、合成樹脂等の絶縁材料により角柱形状に形成され、その一端面は、回路基板５０の第１表面５０ａに気密に接着固定されている。これにより、プローブピンホルダ５２は、回路基板５０の第１表面５０ａからほぼ垂直に延出している。複数の測定プローブピン５４は、プローブピンホルダ５２を気密に貫通して延び、プローブピンホルダ５２により、回路基板５０に対してほぼ垂直に延出した状態で保持されている。測定プローブピン５４は、互いに所定の間隔を置いて、例えば、４列に並んで設けられている。

各測定プローブピン５４の先端部５４ａは、プローブピンホルダ５２から下方に突出し、ＤＮＡチップ１０の測定電極に当接可能となっている。図７および図８に示すように、各測定プローブピン５４の基端部５４ｂは、回路基板５０を貫通して回路基板５０の第２表面５０ｂ側に突出し、更に、その突出端が回路基板５０にハンダ付けされ、配線パターンに電気的に接続されている。測定プローブピン５４は、ほぼ鉛直方向に沿って延びているとともに、鉛直方向に沿って変位可能に支持されている。更に、各測定プローブピン５４は、図示しない弾性材により鉛直方向下方に向かって付勢されている。

回路基板５０の第１表面５０ａにおいて、防湿コーティング剤５６は、プローブピンホルダ５２が固定された領域を除いて、全面に被覆されている。回路基板５０の第２表面５０ｂにおいて、防湿コーティング剤５６は、配線パターン５３、スルーホール５５、および、測定プローブピン５４のハンダ付け部を被覆している。

図３、図４、図５に示すように、上記のように構成されたプローブユニット６４は、回路基板５０の第２表面５０ｂ側に設けられた一対の支持脚５７を介して、ユニットホルダ７９に支持されている。これにより、プローブユニット６４は、回路基板５０がほぼ水平に位置し、測定プローブピン５４が下方に向かって延出した状態で、配設されている。

ユニットホルダ７９は駆動機構６６により昇降可能に支持されている。駆動機構６６は、ハウジング６１の底壁に立設された支柱７８、ほぼ水平に延びているとともに支柱７８に昇降自在に支持されたアーム状のユニットホルダ７９、このユニットホルダ７９を昇降させる昇降機構８０を備えている。プローブユニット６４は、ユニットホルダ７９の延出部に取り付けられ、ユニットホルダと共に昇降可能となっている。また、プローブユニット６４は、ユニットホルダ７９に対して水平方向に移動可能に設けられている。

プローブユニット６４は、駆動機構６６により水平方向および鉛直方向に移動され、測定位置に移動したカセット１４に対して、測定プローブピン５４がＤＮＡチップ１０の測定極３４ａ、３４ｂに当接する当接位置と、測定プローブピン５４がカセットから離間する退避位置との間を移動される。

測定装置６０は、回路基板５０および図示しない配線を介して複数の測定プローブピン５４に電気的に接続された測定器８２、および測定器に接続された分析器８４を備えている。測定器８２は、測定プローブピン５４に所定の電圧を印加する電源、測定プローブピン５４を介して検出される微小反応電流を測定する電流計等を有している。分析器８４は、測定器８２により測定された微小反応電流に応じて、ＤＮＡチップ１０により検出された検体ＤＮＡの配列を分析し判定する。
その他、測定装置６０は、図示しない、ＤＮＡチップ１０に検体ＤＮＡを供給する検体供給部、ＤＮＡチップを加熱する加熱機構等を備えている。

上記のように構成されたＤＮＡチップ１０を用いて検査を行う場合、まず、カセット支持機構６２のカセットホルダ６８を装着位置に移動させ、このカセットホルダの係合凹所７０にカセット１４を装着する。続いて、カセット支持機構６２によりカセットホルダ６８を測定装置６０内に引き込み、測定位置に移動させる。

続いて、検体供給部により、検体から抽出し増幅した検体ＤＮＡを、カセット１４の注入孔２０から流路パッキン１２の流路１２ａ内に注入し、作用極３２に供給する。また、加熱機構により、カセット１４の開口１８を通してＤＮＡチップ１０を加熱し、核酸プローブが固定化された作用極３２の部分を所定の第１温度に加熱する。これにより、核酸プローブ４１と検体ＤＮＡとをハイブリダイゼーション反応させる。この際、核酸プローブ４１と検体ＤＮＡとが相補的な配列を有していれば、これらが結合して二本鎖のＤＮＡとなる。

その後、ＤＮＡチップ１０を第２温度に維持した状態で、反応に関与せず一本鎖のままの検体ＤＮＡを洗い流す。続いて、ＤＮＡチップ１０を第３温度にした後、二本鎖になったＤＮＡにだけ選択的に結合し、かつ電気化学的に活性な性質を持つ核酸挿入剤を、カセット１４の注入孔２０から流路パッキン１２の流路内に注入し、作用極３２、対極３６、参照極３８に供給する。

この状態で、駆動機構６６によりプローブユニット６４を退避位置から当接位置に移動させる。これにより、複数の測定プローブピン５４は、カセット１４の外側から測定開口２２を通してカセット内に入り、その先端は、ＤＮＡチップ１０の対応する測定極３４ａ、３４ｂに当接する。この際、カセット１４は支持板７２により上方に向かって弾性的に付勢され、各測定プローブピン５４も下方に向かって弾性的に付勢されている。そのため、測定プローブピン５４は、その長さに多少のばらつき等がある場合でも、対応する測定極に確実に接触することができるとともに、測定極に当接する際の衝撃が吸収され、測定プローブピンおよびＤＡＮチップの損傷が防止される。

測定プローブピン５４を測定極３４ａ、３４ｂに接触させた状態で、測定器８２からプローブピンを通して対極３６と作用極３２との間に所望の電圧を印加するとともに、三端子法により、作用極３２に流れる反応電流を、測定プローブピンを介して検出する。更に、測定器８２により検出された反動電流に基づいて、分析器８４により、ＤＮＡチップ１０により検出された検体ＤＮＡの配列を分析し判定する。

核酸挿入剤は二本鎖になった核酸プローブにのみ選択的に結合している。また、各作用極３２に固定化されている核酸プローブの配列は予め既知となっている。そのため、どの作用極３２に反応電流が流れたかを測定プローブピンで検出することにより、検体ＤＮＡと結合した核酸プローブを検出でき、その結果として、検体ＤＮＡの配列を判定することができる。

測定終了後、プローブユニット６４は、当接位置から退避位置に戻され、カセット１４は、カセット支持機構６２により装填位置に移動され、カセットホルダ６８から取外される。

以上のように構成されたＤＮＡチップの測定装置６０によれば、測定プローブピン５４が電気的に接続されている回路基板５０の配線パターンおよびスルーホールは、防湿コーティング剤によって被覆され、湿気等に対して高い耐性を有している。そのため、測定装置６０を種々の外部環境下、特に高湿条件下で使用する場合においても、外部環境に影響されることなく、微小電流を安定して測定することができる。

図９は、防湿コーティングが施されていない回路基板を有する比較例に係る測定装置により測定した微小電流の測定結果を示し、図１０は、上記実施形態に係る測定装置により測定した微小電流の測定結果を示している。これらの比較から、本実施形態に係る測定装置による測定結果は、誤判定による波形の乱れがなく、幅広い動作環境下において、ＤＮＡチップで生じる微小電流を安定してかつ正確に測定されていることが分かる。
以上のことから、ＤＮＡチップを安定して測定し、検体ＤＮＡの配列を確実に分析し判定可能な信頼性の高い測定装置が得られる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、ＤＮＡチップにおける電極の数、および測定プローブピンの本数は、前述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。回路基板の防湿コーティング剤は、前述した実施形態に限らず、種々選択可能である。

図１は、この発明の実施形態に係る測定装置に用いるＤＮＡチップカセットを示す斜視図。図２は、前記ＤＮＡチップカセットを分解して示す分解斜視図。図３は、この発明の実施形態に係る測定装置を概略的に示す図。図４は、前記測定装置におけるＤＮＡチップの測定状態を示す側面図。図５は、前記測定装置におけるプローブユニットを示す正面図。図６は、前記プローブユニットを示す斜視図。図７は、前記プローブユニットの一部を拡大して示す断面図。図８は、前記プローブユニットの回路基板の第２表面側を示す平面図。図９は、比較例に係る測定装置による測定結果を示す図。図１０は、前記実施形態に係る測定装置による測定結果を示す図。

符号の説明

１０…ＤＮＡチップ、１２…流路パッキン、１４…カセット、３０…基板、
３２…作用極、３４ａ、３４ｂ…測定極、３６…対極、３８…参照極、
５０…回路基板、５０ａ…第１表面、５０ｂ…第２表面、５１…配線パターン、
５２…プローブピンホルダ、５４…測定プローブピン、５６…防湿コーティング剤、
６０…測定装置、６２…カセット支持機構、６４…プローブユニット、
６６…駆動機構、６８…カセットホルダ、７４…移動機構、７９…ユニットホルダ、
８２…測定器、８４…分析器、

Claims

配線パターンと前記配線パターンを被覆した防湿コーティングとを有する回路基板と、
前記回路基板の配線パターンに電気的に接続され前記回路基板から突出しているとともに、ＤＮＡチップの測定電極に当接する先端部を有する複数の測定プローブピンと、
前記測定プローブピンを保持しているとともに前記回路基板に固定されたプローブピンホルダと、を備えたＤＮＡチップの測定装置。
前記回路基板は、配線パターンが形成された第１表面と、配線パターンが形成された第２表面と、前記第１表面側の配線パターンと前記第２表面側の配線パターンとを電気的に接続した複数のスルーホールと、を有し、前記第１表面、第２表面およびスルーホール内は、前記防湿コーティングにより被覆されている請求項１に記載のＤＮＡチップの測定装置。
前記プローブピンホルダは、柱状に形成され前記回路基板の第１表面に固定され、前記プローブピンは前記プローブピンホルダを貫通して延び、前記プローブピンホルダから突出した前記先端部と、前記回路基板の配線パターンに電気的に接続された基端部と、を有し、
前記第１表面は、前記プローブピンホルダが固定された領域を除いて、前記防湿コーティングにより被覆されている請求項２に記載のＤＮＡチップの測定装置。
ＤＮＡチップを取外し可能な装着位置と、ＤＮＡチップの測定が可能な測定位置との間を移動可能に前記ＤＮＡチップを支持する支持機構と、
前記測定位置に移動したＤＮＡチップに対して、前記測定プローブピンの先端部が前記ＤＮＡチップの測定極に当接する当接位置と、前記測定プローブピンが前記ＤＮＡチップから離間する退避位置との間で前記プローブピンホルダおよび回路基板を移動させる駆動機構と、を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＤＮＡチップの測定装置。