JP3537728B2

JP3537728B2 - 生化学反応検出チップ用基板およびその製造方法、生化学反応検出チップ、生化学反応を行うための装置および方法、ならびに記録媒体

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Publication number: JP3537728B2
Application number: JP2000056775A
Authority: JP
Inventors: 智晴梶山; 裕二宮原; 克二村川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP2001235474A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生化学反応検出チ
ップ用基板およびその製造方法、生化学反応検出チッ
プ、生化学反応を行うための装置および方法、ならびに
記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】核酸の塩基配列を測定する技術として、
予め設計した塩基配列の１本鎖オリゴヌクレオチドプロ
ーブを塩基配列の種類毎に領域を分けて固定したポリヌ
クレオチド検出チップを用いて、測定対象である１本鎖
ポリヌクレオチドと１本鎖オリゴヌクレオチドプローブ
との相補鎖結合（ハイブリダイゼーション）の有無を検
出する方法が知られている。ポリヌクレトチド検出チッ
プの例としては、関心のある特定の変異配列に相補的な
ＤＮＡを配置した診断用のポリヌクレオチド検出チップ
（Science Vol.270, 467-470 (1995)）、測定対象に存
在し得る全ての塩基配列に相補鎖結合するオリゴヌクレ
オチドプローブを準備し、測定対象の塩基配列決定を行
うＳＢＨ(sequencing by hybridization)法が知られて
いる（J. DNA Sequencing and Mapping, Vol. 1, 375-3
88 (1991)）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】オリゴヌクレオチドプ
ローブと１本鎖ポリヌクレオチドの相補鎖結合の熱安定
性は配列毎に異なる。その理由は以下のように考えられ
る。アデニン(Ａ)とチミン(Ｔ)の結合又はアデニン(Ａ)
とウラシル(Ｕ)の結合は、１塩基あたり２カ所の水素結
合であるのに対して、グアニン（Ｇ）とシトシン（Ｃ）
の結合は１塩基あたり３カ所の水素結合である(図11)。
その結果、結合力に差異が生じる。Ｇ−Ｃ結合はＡ−Ｔ
結合又はＡ−Ｕ結合より結合力が強い(図12(a))ため
に、熱安定性が高い。従って、同じ塩基長で熱安定性を
比較する場合、Ａ−Ｔ結合又はＡ−Ｕ結合のみが存在す
る２重結合の熱安定性は最も低く、Ｇ−Ｃ結合のみが存
在する２重結合の熱安定性は最も高い。相補鎖結合の熱
安定性は、一般的に、結合とその解離が５０％ずつ生じ
る温度(融解温度)(Ｔｍ)で示される(図12(b))。

【０００４】８量体のオリゴヌクレオチドＤＮＡプロー
ブを例にとると、すべてがＡ−Ｔ結合からなる２本鎖Ｄ
ＮＡのＴｍは１５．２℃（％ＧＣ法（Breslauer K.J.,e
t.al.:"Predicting DNA duplexstability from the bas
e sequence", Proc.Natl.Acad,Sci.USA83,3746-3750）
による計算値）であるのに対して、すべてがＧ−Ｃ結合
からなる２本鎖ＤＮＡのＴｍは５６．２℃であり、その
差は４１．０℃である(図12(c))。

【０００５】このように、オリゴヌクレオチドプローブ
の相補鎖結合のＴｍ値が大きく変化する場合には、各プ
ローブの相補鎖結合のＴｍ値の温度でハイブリダイゼー
ションを行う必要がある。Ｔｍより高温の条件では、１
本鎖ポリヌクレオチドはプローブと結合しにくく、有効
な効果が得られない。一方、Ｔｍより低温の条件では、
ミスマッチ結合によるバックグラウンドのノイズが増加
し、測定分解能の低下を招く。そのため、ポリヌクレオ
チド検出チップ上に複数種類のプローブを固定した場
合、ポリヌクレオチド検出チップ上の温度を一定にし
て、検査対象の１本鎖ポリヌクレオチド試料とのハイブ
リダイゼーションを行うと、プローブ毎に熱安定性が異
なるため、プローブの相補鎖結合の生成量の差異及びミ
スマッチ確率の差異が生じる問題がある。

【０００６】従来の検出チップでは、検出チップ上の全
てのプローブについてハイブリダイゼーションを行う温
度は一定に設定し、溶媒の塩濃度の調整や検出チップに
固定するプローブ密度やプローブ塩基長を種類毎に変化
させる手法により、プローブ毎の熱安定性の差異による
プローブの相補鎖結合の生成量の差異及びミスマッチ確
率の差異を解消する試みがなされてきた。しかし、Ｔｍ
の差異による影響を十分解消するには至っていない。

【０００７】この問題を解決する例として、特開平１１
−１２７９００号では、個々の分析電極のまわりに導電
性加熱トラックを設ける、又は、個々の分析電極をレー
ザで加熱する構成を開示する。しかし、特開平１１−１
２７９００号は、分析電極を加熱することだけであり、
例えば、分析電極の温度を一定に保つ、というような制
御を行うことはできなかった。

【０００８】従って、本発明は、オリゴヌクレオチドプ
ローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーション
をはじめとする生化学反応の温度を調節できる生化学反
応検出チップおよびその基板を提供することを目的とす
る。また、本発明は、複数の反応系において生化学反応
を反応系毎に温度調節して同時に行うための装置および
方法、ならびに記録媒体を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱伝導体で構
成される複数のアイランドが薄膜上に形成されており、
前記アイランドは空間によって互いに分離され、かつ、
前記アイランドの各々は温度調節器を備えている生化学
反応検出チップ用基板を提供する。

【００１０】薄膜は、絶縁性、断熱性および強度に優れ
た材料で形成するとよい。薄膜材料の電気伝導度は、10
⁸Ω・ｍ以上であるとよく、好ましくは、10¹⁰Ω・ｍ以
上である。薄膜材料の熱伝導度は、10w/mk以下であると
よく、好ましくは、1w/mk以下である。

【００１１】薄膜を絶縁性および断熱性に優れた材料で
形成することにより、個々のアイランドの温度が調節し
やすくなる。薄膜の例としては、Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸化
膜、Ａｌ酸化膜およびＴａ₂Ｏ₅からなる群より選択され
る少なくとも１種の材料で形成される薄膜、すなわち、
Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸化膜、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅などの薄
膜およびそれらの複合膜を挙げることができる。これら
のうち、ＳｉＮとＳｉＯ₂との複合膜が好ましい。Ｓｉ
Ｎはアルカリ耐性があるので、アルカリ溶液中でシラン
カップリングによりＳｉＮ膜上にプローブを固定するこ
とができる。また、ＳｉＮ膜はその下に形成される温度
調節のための電子回路をサンプル溶液などの溶液から保
護することができる。

【００１２】薄膜の厚さは、１〜500μｍであるとよ
く、好ましくは、５〜20μｍである。薄膜上でプローブ
を固定するための領域には窪みが設けられているとよ
い。窪みが設けられていると、サンプル溶液をプローブ
と接触させて生化学反応を行うにあたって、サンプル溶
液をチップ上に保持できるので有利である。

【００１３】また、薄膜上でアイランドが形成されてい
る表面の反対側の表面上にレジスト膜が形成されていて
もよい。レジスト膜としては、感光性ポリイミドなどを
挙げることができる。

【００１４】薄膜の上には、熱伝導体で構成される複数
のアイランドが形成される。「複数のアイランド」と
は、少なくとも２個のアイランドをいい、アイランドの
数は特に限定されないが、好ましくは、10〜1000個であ
る。複数のアイランドは、直線状に配列されてもよい
し、第１方向(行)と第２方向(列)とに二次元に配列され
てもよい。

【００１５】アイランドは、熱伝導体で構成される。熱
伝導体の例としては、結晶Ｓｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなど
の金属、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどを挙
げることができる。また、アイランドを構成する熱伝導
体は、温度調節器との間で電気的な絶縁が可能なもので
あるとよい。熱伝導性が良好であり、かつ、温度調節器
との間で電気的な絶縁が可能であることから、アイラン
ドを構成する熱伝導体としては、シリコンが好ましい。
シリコン中にｐｎ接合を形成することにより熱伝導体と
温度調節器との間の絶縁を確保することができる。

【００１６】アイランドは空間によって互いに分離され
ている。アイランド間の空間は断熱材の役割を果すの
で、個々のアイランドを独立に温度調節することが容易
になる。アイランドの大きさは、10〜1000μｍ²である
とよく、好ましくは、50〜500μｍ²である。アイランド
の間隔は、50〜1000μｍであるとよく、好ましくは、10
0〜500μｍである。

【００１７】アイランドの形状は特に限定されない。例
えば、100面を表面にもつＳｉ結晶の平板からＫＯＨに
よるエッチングで不要な部分を除去してＳｉ結晶のアイ
ランドを形成する場合には、その製造過程において、11
1面が露出し、アイランドの形状は四角錘の様になる。

【００１８】複数のアイランドの各々は温度調節器を備
えている。具体的には、アイランドの各々に、加熱回路
および温度検出回路を形成するとよい。加熱回路および
温度検出回路は、アイランド毎に独立に動作するように
制御されてもよいし、グループ分けしたアイランドのグ
ループ毎に独立に動作するように制御されてもよい。

【００１９】また、複数のアイランドが第１方向と第２
方向とに二次元に配列されている場合には、第１方向ま
たは第２方向のいずれかの方向に配置されたアイランド
毎に独立に動作するように制御されてもよい。生化学反
応検出チップ用基板の大きさは、25ｍｍ²〜100ｃｍ²で
あるとよく、好ましくは、100ｍｍ²〜14ｃｍ²である。

【００２０】本発明の生化学反応検出チップ用基板にプ
ローブを固定して作製した生化学反応検出チップを用い
れば、隣接するプローブ固定面（反応系）の温度の影響
を少なくして、個々のプローブ固定面（反応系）で適切
な温度で生化学反応を行うことができる。

【００２１】本発明の生化学反応検出チップ用基板は、
アイランドからの熱を流出する熱流出器をアイランド間
に備えるとよい。熱流出器はアイランドと直接接するこ
とがないような構造（例えば、メッシュ構造）にすると
よい。熱流出器は第１方向または第２方向のいずれかの
１方向だけに設けてもよいし、第１方向および第２方向
の両方向に設けてもよい。生化学反応の適温が近似して
いるプローブをグループ分けして薄膜に固定した場合に
は、そのグループの領域毎に熱流出器を設けてもよい。

【００２２】熱流出器は、熱伝導性の良好な材料、例え
ば、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属などで形成され
るとよい。アイランド間に熱流出器を形成することによ
り、熱が隣のアイランドから伝わる前に逃がすことがで
きるようになる。アイランドから熱流出器までの距離
は、10〜500μｍであるとよく、好ましくは、10〜250μ
ｍである。

【００２３】また、本発明は、生化学反応検出チップ用
基板を製造する方法であって、(a)熱伝導体の平板の一
方の表面上に薄膜を形成し、そして、(b)熱伝導体の平
板のもう一方の表面の側から不要な部分を除去して熱伝
導体のアイランドを形成する方法を提供する。上記の方
法において、熱伝導体の平板の一方の表面上に温度調節
器を形成し、その上に薄膜を形成してもよい。

【００２４】生化学反応検出チップ用基板の製造方法の
一態様として、熱伝導体の平板の薄膜が形成された表面
の反対側の表面上に所望のパターンのマスクを設け、反
対側の面に形成された薄膜が露出するまでマスクを設け
た側の面をエッチングして、薄膜上にマスクのパターン
で熱伝導体のアイランドを形成してもよい。マスクは、
例えば、Ｓｉ窒化膜の薄膜であるとよい。

【００２５】さらに、本発明は、上記の生化学反応検出
チップ用基板にプローブを固定した生化学反応検出チッ
プを提供する。基板上でプローブを固定する面はＳｉ窒
化膜薄膜の表面であるとよい。この場合、アミノ基を設
けたプローブをＳｉ窒化膜薄膜のシラン化した表面にシ
ランカップリングにより固定することができる。

【００２６】「プローブ」とは、特定の物質、部位、状
態などを特異的に検出できる物質をいい、その例とし
て、オリゴヌクレオチドＤＮＡ・ＲＮＡプローブ、抗体
等のタンパク質プローブなどを挙げることができる。オ
リゴヌクレオチドＤＮＡ・ＲＮＡプローブの場合、その
塩基数は、４〜500ｎｔ（ヌクレオチド）であるとよ
く、好ましくは、８〜200ｎｔ（ヌクレオチド）であ
る。オリゴヌクレオチドプローブは１本鎖でも２本鎖で
もよいが、プローブと測定対象との結合効率の点から、
１本鎖であることが好ましい。

【００２７】プローブは、公知の方法により、生化学反
応検出チップ用基板の薄膜の上に固定することができ
る。例えば、薄膜のプローブ固定面をシラン化し、プロ
ーブにアミノ基を設けておけば、シランカップリングで
プローブを薄膜上に固定することができる。薄膜のプロ
ーブ固定面の下にアイランドが存在するようにする。

【００２８】また、薄膜上のプローブ固定面以外の領域
はプローブ固定後に、ポリリジンでコートし、プローブ
と結合していないシランコート面の結合サイトをつぶし
た方がよい。これにより、使用時に、サンプルDNA、RNA
等がシランコート面に非特異的に結合するのをさけるこ
とができる。

【００２９】プローブの種類は、特に限定されず、１種
類でもよいし、複数種でもよい。例えば、１枚のチップ
用基板に複数種のプローブを固定したチップを用いれ
ば、１つのサンプルにおける複数個の検出対象物を同時
に検出することができる。また、１枚のチップ用基板に
１種類のプローブを多数固定したチップを用いれば、複
数のサンプルにおける１個の検出対象物を同時に検出す
ることができる。

【００３０】本発明の検出チップは、DNA、cDNA、RNAな
どの検出、抗原抗体反応の検出、タンパク質の検出など
の生化学反応の検出に用いることができる。本発明の生
化学反応検出チップを用いれば、隣接するプローブ固定
面（反応系）の温度の影響を少なくして、個々のプロー
ブ固定面（反応系）で適切な温度で生化学反応を行うこ
とができる。

【００３１】さらに、本発明は、生化学反応検出チップ
上で複数の反応系により生化学反応を行う装置であっ
て、各生化学反応に適した温度よりも高い温度に生化学
反応検出チップ全体を加熱する加熱装置と、各生化学反
応に適した温度に各反応系の温度を調節する温度調節装
置とを備える生化学反応装置を提供する。前記温度調節
装置は、時分割で各反応系の温度を調節するとよい。

【００３２】さらにまた、本発明は、コンピュータに、
生化学反応検出チップ上で複数の反応系により生化学反
応を行う装置であって、各生化学反応に適した温度より
も高い温度に生化学反応検出チップ全体を加熱する加熱
装置と、各生化学反応に適した温度に各反応系の温度を
調節する温度調節装置とを備える生化学反応装置、を機
能させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み
取り可能な記録媒体を提供する。

【００３３】本発明は、また、複数の反応系で行われる
複数の生化学反応を反応系毎に温度調節して同時に行う
方法であって、(a)各反応系の生化学反応に適した温度
よりも高い温度になるまで、複数の反応系のすべてを加
熱し、そして、(b)各反応系について、その反応系の温
度を生化学反応に適した温度まで下げ、その温度を一定
時間維持する方法を提供する。

【００３４】(a)の加熱操作は恒温槽で行われるとよ
い。(b)の各反応系について、その反応系の温度を生化
学反応に適した温度まで下げる操作は、(a)の加熱操作
を停止するだけでもよいし、冷却装置を用いて行っても
よい。

【００３５】本発明の複数の生化学反応を同時に行う方
法の一態様において、生化学反応はポリヌクレオチドと
オリゴヌクレオチドとのハイブリダイゼーションであ
り、生化学反応に適した温度は前記オリゴヌクレオチド
とその相補鎖とが形成する２本鎖の融解温度である。ポ
リヌクレオチドはサンプル中のＤＮＡであり、オリゴヌ
クレオチドは生化学反応検出チップのオリゴヌクレオチ
ドプローブであってもよい。

【００３６】生化学反応に適した温度がオリゴヌクレオ
チドプローブとその相補鎖とが形成する２本鎖の融解温
度である場合、生化学反応に適した温度より高い温度と
は、好ましくは、２本鎖のヌクレオチドが完全に解離す
る温度であり、例えば、９０℃〜９９℃である。生化学
反応に適した温度は、融解温度前後の温度であればよ
く、例えば、融解温度±２℃の範囲にある温度である。

【００３７】本発明の方法の一態様について説明する。
サンプルを生化学反応検出チップの上に分注し、チップ
に覆いをした後、チップを恒温槽に入れ、最高温度（例
えば、９０℃）に加熱する。恒温槽は、通常、ヒーター
と冷却器を有し、内部が設定温度になる様に動作でき
る。その後、恒温槽の温度を最低温度（例えば、１５
℃）に設定し、すべての反応系の温度を下げ、各反応系
（例えば、プローブ固定面）の温度が設定温度（例え
ば、各プローブとその相補鎖とが形成する２本鎖の融解
温度）以下になったところで電熱ヒーターを起動させ、
各反応系の設定温度を維持した状態で、生化学反応を進
行させる（例えば、１２時間）。反応終了後、反応系
（例えば、プローブ固定面）を洗浄し、次いで、生化学
反応の検出を行い、その検出結果のデータ処理を行う。

【００３８】検出は、あらかじめサンプルに蛍光標識し
ておき、プローブに結合した標識の蛍光量を共焦点顕微
鏡により測定し、その蛍光量から結合したサンプル量を
計算するのが一般的な方法である。

【００３９】通常、生化学反応は、反応系を加熱して生
化学反応の適温になったところで反応を進行させるが、
このやり方だとプローブがその検出対象物以外の物質と
結合することがしばしば起こり、それが検出対象物の検
出におけるノイズとなる。しかし、反応系の温度を一度
生化学反応の適温より高い温度まで上げてから、生化学
反応の適温まで下げることにより、プローブがその検出
対象物以外の物質と結合する確率が減り、検出対象物の
検出におけるノイズが減る。例えばオリゴヌクレオチド
プローブとポリヌクレオチドとのハイブリダイゼーショ
ンの場合、相補鎖結合の適温はプローブとその相補鎖が
形成する２本鎖の融解温度である。反応系を加熱して融
解温度になったところで反応を進行させると、オリゴヌ
クレオチドプローブがその相補鎖を有するヌクレオチド
（検出対象物）以外のヌクレオチドと結合する（いわゆ
る、ミスマッチ）ことがあり、それが検出対象物の検出
におけるノイズとなる。しかし、反応系の温度を一度融
解温度より高い温度まで上げてから、融解温度まで下げ
ることにより、プローブがその相補鎖を有するヌクレオ
チド以外のヌクレオチドと結合する確率が減り、検出対
象物の検出におけるノイズが減る。

【００４０】本発明の方法においては、最初にすべての
反応系の温度を反応の適温より高い温度まで上げてか
ら、各反応系の温度を反応の適温まで下げて、その温度
を一定時間維持する（例えば、必要な熱をヒーターで一
定時間供給する）。

【００４１】その結果、各反応系の温度を個別に反応の
適温まで上げ、その温度を維持して反応を進行させる場
合と比較して、反応系に供給する熱の総量が減るばかり
でなく、各反応系の温度調節も容易になる。この方法
は、大量の生化学反応を並列処理で行う場合に有利であ
る。また、上記の方法を同一の反応を行う複数の反応系
に適用し、反応系毎に異なる温度条件で生化学反応を行
えば、その反応に対する最適の温度を調べることができ
る。

【００４２】本発明は、コンピュータに、複数の反応系
で行われる複数の生化学反応を反応系毎に温度調節して
同時に行う方法であって、(a)各反応系の生化学反応に
適した温度よりも高い温度になるまで、複数の反応系の
すべてを加熱し、そして、(b)各反応系について、その
反応系の温度を生化学反応に適した温度まで下げ、その
温度を一定時間維持する方法を実行させるためのプログ
ラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も
提供する。

【００４３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら説明する。〔実施例１：ＤＮＡチップ用基板の構成〕図１は、オリ
ゴヌクレオチドＤＮＡを固定するための生化学反応検出
チップ用基板(以下、「ＤＮＡチップ用基板」という。)
の概要を示す図である。なおＤＮＡチップ用基板にプロ
ーブを固定したものをＤＮＡチップと呼ぶ。

【００４４】図１（ａ）は、横方向に10行、縦方向に10
列の合計100個のプローブ固定面２を有するＤＮＡチッ
プ用基板１の上面図である。ＤＮＡチップ用基板１の縦
方向の長さｈｙおよび横方向の長さｈｘは、それぞれ、
10〜100mmであるとよい。左から右へ横方向に並んだ10
個のプローブ固定面の第１番目のプローブ固定面の左端
から第10番目のプローブ固定面の右端までの距離Ｌｘお
よび上から下へ縦方向に並んだ10個のプローブ固定面の
第１番目のプローブ固定面の上端から第10番目のプロー
ブ固定面の下端までの距離Ｌｙは、それぞれ、５〜100m
mであるとよい。

【００４５】図１(b)は、図１(a)の枠で囲った領域の拡
大図である。DNAチップ基板１上で各プローブを固定す
るプローブ固定面の横幅Ｘおよび縦幅Ｙは、それぞれ、
10〜1000μmであるとよい。プローブ固定面の間隔Ｄは5
0〜1000μmであるとよい。

【００４６】各プローブ固定面の下にはアイランドが形
成されている。図１(c)は、図１(b)に示すプローブ固定
面２の領域の部分拡大図である。また、各プローブ固定
面は、ｎ型拡散層で形成されたヒーター回路５と、ｐ型
拡散層とｎ型拡散層のｐｎ接合により形成された温度検
出素子６が、形成されている。ヒーター回路５の両端に
は、ヒーター端子（＋）1001とヒーター端子（−）1002
が形成される。両端子間に1001側を正極となるように電
圧を印加すると、ｎ型拡散層で形成されたヒーター回路
５に電流が流れ、ジュール熱が発生する。ジュール熱の
発生量は、印加電圧を制御することにより、あるいは電
圧印加時間を制御することにより調節できる。また、温
度検出素子６には、ｐ型拡散層に温度検出端子（＋）10
03、ｎ型拡散層に温度検出端子（−）1004が形成され
る。温度検出素子６のｐｎ接合における電流−電圧特性
は、ｐｎ接合部の温度に大きく依存時する。そのため、
素子間の電流−電圧特性を検出すれば、ｐｎ接合部の温
度を決定できる。また、アイランド４は熱伝導体で構成
されるので、ｐｎ接合部の温度とアイランド４の温度は
ほぼ等しく、そのため、ｐｎ接合素子間の電流−電圧特
性を測定することにより、アイランド４の上にあるプロ
ーブ固定面２の温度が検出できる。ｐｎ接合間の電流−
電圧特性の温度依存性は、例えば1003を正側とする順バ
イアス方向で電圧固定の場合、流れる電流はｐｎ接合部
の温度により指数関数的に変化する。また、同様な順バ
イアス方向で電流固定とすると、温度と電位差はほぼ１
次関数で近似できる。

【００４７】図１８は、プローブ固定面におけるヒータ
ー回路及び温度検出素子の他の形状例である。図１８で
は、ｎ型基板（n-sub）を用いており、プローブ固定面
のヒーター回路５及び温度検出素子６を別々のp-wellで
分けることにより、ヒーター回路側とｐｎ接合素子を電
気的に独立させている。これは、ｎ型拡散層で形成され
たヒーター回路５と温度検出素子６との電気的干渉を防
止するためである。図１８に示す通り、プローブ固定面
は、ヒーター電源回路181及び温度検出回路182で構成さ
れるコントローラ105に接続する。コントローラ105は、
１つのプローブ固定面の温度を検出し、ヒーターによる
加熱を制御する回路の例である。ヒーター電源回路181
は、ヒーター電源Ｖｐと、出力調整器111と、スイッチ1
09で構成され、プローブ固定面のヒーター端子1001、10
02に接続する。ヒーター電源Ｖpoと出力調整器111を制
御することにより、プローブ固定面のヒーター端子100
1、1002間の電圧及び電流を制御し、プローブ固定面の
ヒーター回路５で生じるジュール熱を制御できる。温度
検出回路182は、電源Ｖｃ、抵抗Ｒ、及び電圧計110で構
成される。温度検出端子1003をゼロ電位とし、1004をマ
イナス電位に接続する。この場合、順バイアスである。
回路抵抗Ｒをｐｎ接合間抵抗ｒと比較して十分大きく設
定すると、温度検出回路182に流れる電流は、ほぼ電源
Ｖｃと抵抗Ｒで決定され、電流Ｉ＝Ｖｃ／Ｒの定電流条
件で近似できる。また、温度検出素子間の電位差ｖは、
電圧計110で測定できる。

【００４８】温度検出の原理を説明する。図１９は、図
１８の温度検出回路における、プローブ固定面の温度
（ｔ）と温度検出素子６間の電位差（ｖ）との関係（表
１を参照）を示すグラフである。図１９での条件は、Ｒ
＝８００（ＫΩ）、Ｖｃ＝８（Ｖ）、Ｉ＝１０（μＡ）
とし、ｐｎ接合部の温度を２０℃から６０℃まで変化さ
せた。

【００４９】

【表１】温度検出素子の温度（℃）温度検出素子の電圧差（ｍＶ）２０．０５３７２５．０５２４３０．０５１２３５．０５００４０．０４８９４５．０４７７５０．０４６５５５．０４５３６０．０４４２

【００５０】この実験例より、電位差Ｖｘと温度Ｔｘの
関係を、傾き約−2.37（mV/℃）の１次関数で近似する
ことができ、次の関係式を得る。Ｔｘ＝２０＋（５３７−Ｖｘ）／２．３７上式を用いれば、温度検出素子において、電圧差の測定
値より温度を求めることができる。

【００５１】つぎに、作用電極に印加する電圧とヒータ
による加熱タイミングを、図２０を用いて説明する。ア
イランド４の設定温度、すなわち、ｐｎ接合部の目標温
度をＴ₀とすると、そのときのｐｎ接合部の電位差ｖ₀は
ｐｎ接合部分の目標電位差となる。初期条件として、十
分温度が高い場合とすると、アイランドを加熱するヒー
タはOFFとなっており、温度が下がると図１９の特性に
従ってｐｎ接合部の電位差は増加する。ｐｎ接合部の電
位差がｖ₀を越えたタイミングｔ１でヒータがONとな
り、アイランドが加熱される。それにより、アイランド
の温度が上昇し、ｐｎ接合部の電位差が減少する。目標
電位差ｖ₀を下回ったタイミングｔ₂でアイランドを加熱
するヒータがOFFとなり、アイランドの加熱は止まり、
アイランドの温度の下降に伴い、ｐｎ接合部の電位差が
再び増大する。このような制御を繰り返しつつ、アイラ
ンドのｐｎ接合部の電位差ｖ₀、すなわち目標温度Ｔ₀が
保たれる。

【００５２】以上に説明した構成により、プローブ固定
面２の温度を測定し、ジュール熱の発熱量を調節するこ
とにより、その温度を制御することができる。図２は、
薄膜上に形成されたアイランドの形状を説明する図であ
る。図２（ａ）は、ＤＮＡチップ用基板の裏面拡大図で
ある。Ｓｉアイランド２１がＳｉＮ／ＳｉＯ₂薄膜２２
の上に形成されている。Ｓｉアイランド２１の横幅およ
び縦幅はどちらもほぼ５００μmである。Ｓｉアイラン
ドの間隔はプローブ固定面の間隔とほぼ等しい。

【００５３】図２（ｂ）は、図１（ｂ）の破線部Ａ−
Ａ’の縦断面図である。Ｓｉアイランド２１の高さは２
５０μｍである。Ｓｉアイランド２１の底面の幅は、ほ
ぼ１５０μｍである。Ｓｉアイランド２１の傾斜側面の
傾斜角はほぼ55°である。Siアイランド21にはｎ型拡散
層で形成されたヒーター回路５が組み込まれている。Ｓ
ｉアイランド間の距離Dは500〜700μｍである。 SiN／S
iO₂薄膜22の膜厚は、アイランドが形成される領域(すな
わち、プローブ固定面を有する領域)ではほぼ５μｍで
ある。周辺部(薄膜の末端から３〜５ｍｍまでの領域)で
は250μｍのSi層がある。

【００５４】下面にSiアイランド21が形成されているSi
N／SiO₂薄膜22の上面の領域が温度設定領域24となる。
この領域にプローブ25が固定される。薄膜上のプローブ
固定面(Si窒化膜面)をシラン化し、プローブにはアミノ
基を設けることにより、シランカップリングでプローブ
を薄膜上に固定することができる。サンプル溶液26は、
溶液の層の厚さが10〜1000μｍとなるような量で添加さ
れるとよい。サンプル溶液26を添加した後、その上にカ
バーガラス27をのせる。

【００５５】図３は、ＤＮＡチップの温度設定の例を示
す図である。各アイランドの温度をそれぞれ15〜90℃に
設定する。図３にプローブ固定面の設定温度を示したよ
うに、プローブの配置の仕方としては、Ｔｍが高いもの
をＤＮＡチップの中心部に置き、Ｔｍが低くなる順に周
辺部に置くようにするとよいし、Ｔｍが高いプローブか
ら低いプローブを、プローブ固定面の一辺から対抗する
面に向かって配置してもよい。

【００５６】このような配置により、熱の拡散と供給の
バランスが良くなり、温度調節が容易になる。図４は、
薄膜上に形成されたアイランドの形状およびメッシュ構
造を説明する図である。図４(a)は、ＤＮＡチップ用基
板の裏面拡大図である。Ｓｉアイランド２１に加えアイ
ランド間にはＳｉメッシュ構造41がSiN／SiO₂薄膜22の
上に形成されている。

【００５７】図４(b)は、図４(a)の破線部Ｂ−Ｂ’の縦
断面図である。メッシュ構造を形成するSiの峰の高さは
ほぼ250μｍであり、幅はほぼ350μｍである。本実施例
において、メッシュ構造を形成するSiの峰の傾斜側面の
傾斜角はほぼ55°である。メッシュ構造を形成するSiの
峰とSiアイランド21との距離はほぼ75μｍである。

【００５８】このようにアイランド２１の間に熱伝導体
の層(メッシュ構造)４１を形成することにより、熱が隣
のアイランドからそのアイランドに伝わる前にメッシュ
を利用して熱を逃がすことができるようになる。すなわ
ち、メッシュ構造は熱のドレインの役目を果たす。

【００５９】図５は、メッシュ構造の効果を説明するた
めの図である。条件は以下の通りである。Siアイランド
21の横幅および縦幅はどちらも500μmである。Siアイラ
ンド21の高さは250μｍである。Siアイランド21の底面
の一辺は150μｍである。また、メッシュ構造を形成す
るSiの高さはほぼ250μｍであり、幅は350μｍである。
メッシュ構造を形成するSiの峰とSiアイランド21との距
離はほぼ75μｍである。SiN／SiO₂薄膜22の膜厚は５μ
ｍである。水(サンプル溶液のモデル)の層51の厚さは20
μｍである。アクリル板52の厚さは５μｍである。

【００６０】Ａ点(Siアイランドの底面の中心点)からＢ
点(隣のSiアイランドの底面の中心点)への熱の伝わりや
すさと、Ａ点からＣ点(Ａ点とＢ点との中点Ｍから２ｍ
ｍにある距離)への熱の伝わりやすさを比較する。Ａ点
からＭ点までは熱の伝わりやすさは同等であるので省略
する。薄膜の熱伝達係数を10、Ｓｉ層の熱伝達を150、
単位時間あたりにＭ点からＢ点に伝導する熱ＵMBとＭ点
からＣ点に伝導する熱ＵMCを比較すると、ＵMB：ＵMC＝10×(薄膜の断面積)/150：150×(メッシュの断面積)/2000 ＝10×(5×500)/150：150×(175×250)/2000 ＝１：２０

【００６１】この結果、Ｍ点からＣ点への熱伝導は、Ｍ
点からＢ点への熱伝導の約20倍であることがわかる。図
６は、メッシュの外周部に冷却機能を設ける態様を説明
する図である。例えば、ＤＮＡチップ用基板１を金属の
枠６１に嵌め込んで、この金属枠６１をペリチエ素子に
接続する。メッシュの外周部に冷却機能を設けることに
より、廃熱の効果が高くなる。

【００６２】〔実施例２：チップ製作プロセス〕図７〜
９を用いて、SiO₂とSiNの複合膜の上でメッシュ構造の
中にアイランドが形成されているＤＮＡチップ用基板の
製造方法を説明する。図７は、ＤＮＡチップ用基板の製
造の第１のプロセスを説明する図である。基板として
は、(100)面を表面とする厚さ500μmのｎ型Si基板(N-su
b)71を用いる。表面にSiO₂膜74でp-wellパターン形成
後、Bドープ及び拡散によりp-well(1018個／cm³)72，73
を、深さ3μmで形成する。これは後にｎ+拡散により作
製する温度検出素子６とヒーター回路５とを電気的に絶
縁するためである。素子分離および拡散マスクとしてSi
O₂膜74を形成する。p-well拡散にはホウ酸などのドープ
を用いる。次に、SiO₂酸化膜で回路パターン形成後、リ
ン(高濃度ｎ型不純物)の拡散により高濃度n型拡散層75,
76,77（n+，1020個／cm³)及び、高濃度p型拡散層78,79
(p+，1020個／cm³)を、深さ100nmで形成した。ｎ+(ｎ型
拡散層)76は温度検出素子６を構成する。ｎ+(ｎ型拡散
層)77はヒーター回路５を構成する。ｎ+(ｎ型拡散層)75
はｎ型基板の基準電極端子75である。基板71の電位は、
基準電極端子75で設定でき、p-well72，p-well73の電位
はそれぞれ78，79で設定できる。p-wellの基準電位を与
えるための端子として、ホウ素(高濃度ｐ型不純物)の拡
散によりｐ+(ｐ型拡散層)78および79が形成されてい
る。

【００６３】図８は、ＤＮＡチップ用基板の製造の第２
のプロセスを説明する図である。第１のプロセスの次
に、表面の回路を保護および絶縁する第１層間絶縁膜
(例えば、SiO₂膜)81を形成する。CVD酸化膜(SiO₂)400nm
を形成後、その上にBPSG膜500nmを積層したものであ
る。

【００６４】その後、第１層間絶縁膜81に各端子の孔を
作成した後、第１層配線82(801,802,803,804)を以下の
通りにWで形成する。75，76を導通し、センサcommon配
線801とする。78は、PN接合温度センサの正極802に接続
する。基板の温度は、p-wellを介して802−801間に流れ
る電流量を検出することにより、評価できる。ヒータ回
路を構成するｎ型拡散層77は、２つの電極803，804につ
ながる。804は、ｐ型拡散層79と導通する。804は、ヒー
ター回路のcommon配線を構成する。803−804間に803側
を正極とした電源に接続すると、ヒーター電流が77を通
り、ジュール熱が発生する。

【００６５】次に、配線保護膜として第２層間絶縁膜
(例えば、SiN膜)83を形成する。83は、プラズマCVDのSi
O₂膜600nmと、プラズマCVDのSiN膜1200nmの積層膜であ
る。その後、第２層間絶縁膜83に第１配線の接続孔を形
成した後、第２層配線(例えば、Au)84を形成する。84
は、801に接続するセンサcommon電極805、802に接続す
る温度センサ正極(図示せず)、803に接続するヒーター
正極(図示せず)、804に接続するヒーターcommon電極806
から構成される。このうち、805及び806は、複数のアイ
ランド間で共通にすることが可能である。

【００６６】最後に、裏面のアイランドを形成する例を
説明する。図９は、ＤＮＡチップ用基板の製造の第３の
プロセスを説明する図である。まず、ｎ型基板71の裏面
を機械研磨して、基板の厚さを500μｍから250μｍにす
る。これは、アイランドの厚さは250μm以下で十分であ
り、厚さの減少はエッチング行程の所要時間の短縮につ
ながるためである。研磨面を、ケミカルエッチングによ
り平滑化した後、プラズマCVDのSi窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ
₄膜）91をエッチングマスクとして、120nm積層する。

【００６７】両面アライナを用い、先に作製したヒータ
ー及び温度センサ回路等の表面のデバイスに対応する裏
面パターン(アイランドのパターン)を裏面にあわせ、Si
窒化膜91を部分的にドライエッチングする。

【００６８】次に、残ったＳｉ₃Ｎ₄膜91をマスクとし
て、水酸化カリウム水溶液がｎ型基板71を溶解してSiO₂
膜74が露出するまで、すなわち、表面側のSi酸化膜74に
到達するまで、エッチングした。Si窒化膜91は水酸化カ
リウム水溶液に対し、極めて耐性が高く、250μmのSi基
板71をエッチングする際のＳｉ窒化膜の削れ量は10nm以
下である。また、Si基板71の(111)面方向のエッチング
速度は、(100)面方向のエッチング速度と比較し約1/100
程度と遅い。その結果、チップは、Si窒化膜91の保護面
より(111)面に沿ってエッチングされ、(111)面をアイラ
ンドの側面901として露出した形で形成される。(111)面
は、(100)面に対し約55度となる。そのため、250μm厚
のSi基板のエッチングでは、そのスロープは横に約175
μm広がって得られる。

【００６９】〔実施例３：プローブ固定プロセス〕作製
したチップにオリゴヌクレオチドプローブを固定する手
順を説明する。まず、チップ表面のSi窒化膜にOH基をた
てる。この目的には、H₂SO₄・H2O₂混合液や、NaOH・H₂O
₂混合液などを用いた加水分解による方法が一般的であ
る。また、単に浸水状態で一定時間放置することによっ
ても可能である。

【００７０】次に、エポキシ等のシランカップリング剤
をチップ表面に注入し、Si窒化膜をシラン化処理する。
この際、先のOH基とシランカップリング剤が結合する。
今回は、シランカップリング剤として、3-グリシドキシ
プロピルトリメトキシシラン（glycidoxypropiltrimeth
oxy silane）を用いた。また、反応条件として、常温反
応30分、120℃でのベーク１時間とした。

【００７１】次に、予めアミノ基を末端に導入したオリ
ゴヌクレオチドプローブを、所定のプローブ固定面にス
ポットする。乾燥を防ぐため、高湿度条件下で50℃15分
反応させると、シランカップリングによりプローブがチ
ップ表面に固定される。次に、過剰のポリリジンをチッ
プに注入し、高湿度条件下で50℃10分反応させてプロー
ブと結合していない官能基にリジンを結合させる。この
処理は、実際に試料とハイブリダイゼーションを行う際
の非特異的吸着によるバックグラウンドの低減に有効で
ある。最後に、トリスEDTAを用い、DNAチップ表面を洗
浄して乾燥保存する。

【００７２】〔実施例４：温度制御〕本発明のDNAチッ
プを制御する装置について説明する。図１０は、生化学
反応検出装置の一例の構成を示す図である。DNAチップ1
01は、各プローブ固定面ごとにヒーター端子（＋）100
1、ヒーター端子（−）1002、温度検出端子（＋）100
3、温度検出端子（−）1004を有し、それらの各端子と
コントローラ105との配線は、図１８と同じである。コ
ントローラ105は、電圧計110と電源Vc及び抵抗Ｒを有す
る温度検出回路182と、ヒーター電源Vpoと出力調節器11
1とスイッチ109を有するヒーター電源回路181を、独立
に温度設定したいプローブ固定面の数だけ有する。図１
８には、１組のみ図示してある。これらの端子への配線
は、プリント基板102を介してホルダー１０３に接続さ
れ、さらに、ホルダー103からは、ケーブル104を介し、
コントローラ105に接続される。なお、簡単のため、コ
ントローラ105側のアースに接続する端子の配線は、複
数の固定面において兼用することが可能である。

【００７３】温度の制御方法は、各プローブ固定面ごと
に独立に図１８を用いて上述した方法により行う。プロ
ーブ固定面の温度は、組み込まれている温度検出素子の
電位差を測定することにより決定できる。そして、温度
の測定値から、ヒーターへの電圧接続をスイッチ１０９
によりon/off制御する。スイッチ109及び出力調節器111
は、温度検出回路で得られた温度が、予め設定した値よ
り低い場合、ヒーター電源Ｖpoの出力を調節してヒータ
ー電流を流す。以上の制御を、各固定面ごと、独立に制
御する。

【００７４】ＤＮＡチップ101、プリント基板102および
ホルダー103は、恒温槽106の中で使用され、必要に応じ
ファン107を用いてＤＮＡチップ101の下部から送風して
冷却したり、ペリチエ素子108を用いて、ＤＮＡチップ
周辺部を冷却する。本実施例では、後述の実施例のとお
り、恒温層の温度をチップで必要とする各温度設定値の
最低値に調整し、チップの温度上昇や、近接している各
プローブ固定面の温度分布に応じて、ペリチエ素子108
及びファン107を利用する。

【００７５】なおまた、上記したＤＮＡチップの温度制
御を、コンピュータで制御させてもよい。この場合、コ
ンピュータは温度制御プログラムにより温度制御装置と
なり、このプログラムはコンピュータ読み取り可能な記
録媒体に格納される。この記録媒体は、例えば、ＲＡＭ
メモリ、ＲＯＭメモリ、磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、
磁気テープ、ＩＣカード等のいかなるタイプの記録媒体
であってもよい。

【００７６】〔実施例５：測定〕本実施例では、17塩基
長のDNA断片を、４種類の８塩基長のプローブを用いて
測定する場合について説明する。配列番号１は、17塩基
長のDNA断片（以下、試料DNAとする）の例である。ＴＧＡＣＣＧＧＣＡＧＣＡＡＡＡＴＧ（配列番号１）この17塩基長の試料DNAを、以下の４種類の８塩基長プ
ローブにハイブリダイゼーションさせる。ＣＣＧＴＣＧＴＴ（配列番号２）ＧＣＣＧＴＣＧＴ（配列番号３）ＧＧＣＣＧＴＣＧ（配列番号４）ＴＧＧＣＣＧＴＣ（配列番号５）

【００７７】配列番号２のプローブ（以下、プローブ２
とする）は、試料DNAの６番目から１３番目の塩基に相
補的な配列となっている。同様に、配列番号３（以下、
プローブ３とする）は５番目から１２番目に、配列番号
４（以下、プローブ４とする）は４番目から１１番目
に、配列番号５（以下、プローブ５とする）は３番目か
ら１０番目に、それぞれ相補的な配列となっている。本
発明のDNAチップを用い、これらのプローブが試料DNAと
ハイブリダイゼーションする場合のTm温度を測定した。

【００７８】まず、プローブ２〜５の４種類を、各種９
個の固定面に固定した、４×９＝３６個の固定面を有す
る本発明のDNAチップを作製する。図１３は、チップを
上面より見た模式図である。このチップに、予め標識化
された試料を注入し、ハイブリダイゼーションさせる。
この際、図１３のａ列〜ｉ列の各固定面におけるハイブ
リダイゼーション温度設定値を、列ごとにそれぞれ10〜
50℃まで、５℃間隔で設定する（ａ列＝10，ｂ列＝15，
ｃ列＝20，・・，ｈ列＝45，ｉ列＝50℃）。

【００７９】反応の手順は、以下の通りである。図１４
は、例として、ａ列、ｃ列、ｇ列，ｉ列に属する固定面
の温度遷移を模式的に示した図である。まず、恒温層の
温度を90℃に上昇させた。つぎに、恒温層の温度を10℃
に設定すると、各固定面の温度は下降しはじめる。固定
面の温度が50℃付近に達すると、まずｉ列のヒーターに
電源が入り、それ以下の温度にならないように温める。
同様に、各列のヒーターは、予め設定されたハイブリダ
イゼーション温度設定値の温度を検出すると、その温度
を維持するようにヒーターのON／OFF制御を行う。この
結果、各列のプローブ固定面は、設定した温度を維持
し、試料とプローブのハイブリダイゼーションを行う。
一定時間経過後、DNAチップを洗浄溶液で洗浄し、ハイ
ブリダイゼーションしていない試料等を排除する。ハイ
ブリダイゼーションの評価は、レーザー蛍光共焦点顕微
鏡を用いて、チップ面上を走査し、各固定面の蛍光発光
量を測定して行う。

【００８０】図１５は、試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性である。各温度
は、各列の測定結果である。ハイブリダイゼーション温
度が10℃の場合の発光量を１として規格化した。温度の
上昇とともに、ハイブリダイゼーション量が減少してい
ることがわかる。縦軸値の0.5における温度がTm温度で
ある。この結果、プローブ２〜５と試料DNAのTm値は、
それぞれ25℃，34℃，42℃，31℃であることが得られ
る。この様に、本チップは、４種のプローブについて、
９種類の温度条件におけるハイブリダイゼーションを１
度に、同じ試料で競合して評価できる利点を有する。そ
のため、測定結果には、試料調製の誤差が入らず、測定
精度が格段に向上する。

【００８１】この様に、１種類の試料DNAに対し８塩基
プローブで評価する場合のハイブリダイゼーション温度
の最適値は、各プローブごとに異なる。試料DNAを測定
する場合、プローブ２〜５のうち最適なものを選択する
必要がある。そのため、複数種類のプローブのハイブリ
ダイゼーション温度特性を１度に評価できる本DNAチッ
プは、プローブの検討において非常に有効である。

【００８２】本チップでは、同様に１塩基ミスマッチの
条件におけるハイブリダイゼーションの温度依存性も評
価できる。以下の２種類のDNA断片を準備する。ＴＧＡＣＣＧＧＴＡＧＣＡＡＡＡＴＧ（配列番号６）ＴＧＡＣＣＧＧＡＡＧＣＡＡＡＡＴＧ（配列番号７）

【００８３】これらは、配列番号１と比べ、３末端より
８番目の塩基のみ異なる２種類の17塩基長１塩基多型DN
A断片の例である。これらの１塩基多型DNA断片に対し、
先のチップを用いて、同様に温度依存性を測定した。図
１６及び図１７は、それぞれ配列番号６及び配列番号７
の試料を用いた場合の、ハイブリダイゼーション評価結
果である。これらの測定は、１塩基ミスマッチの場合で
あり、理想的にはハイブリダイゼーションが行われない
ことが要求される。しかし、図の示す通り、ある程度の
ハイブリダイゼーションが生じている。一般に、DNAチ
ップを用いる測定では、この様な１塩基ミスマッチを精
度良く判断できる必要がある。そのため、図１６や図１
７と同様の評価を行い、その特性から用いるプローブ
と、そのTm温度を決定する。本発明では、プローブごと
のハイブリダイゼーション温度依存性を、精度良く簡単
に測定することが可能となる。

【００８４】

【発明の効果】本発明により、生化学反応の温度を反応
系毎に調節できる生化学反応検出チップおよびその基板
が提供された。また、本発明により、複数の反応系にお
いて生化学反応を反応系毎に温度調節して同時に行うた
めの装置および方法、並びに記録媒体が提供された。

【００８５】

【配列表】SEQUENCE LISTING ＜110＞ HITACHI,LTD. ＜120＞ Polynucleotide Detection Chips and Polynuc
leotide Detection Apparatus ＜130＞ H000230 ＜160＞ 7 ＜210＞ 1 ＜211＞ 17 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ fluorescently labeled DNA fragment ＜400＞ 1 tgaccggcag caaaatg 17 ＜210＞ 2 ＜211＞ 8 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ DNA probe hybridizing with DNA fragment ＜400＞ 2 ccgtcgtt 8 ＜210＞ 3 ＜211＞ 8 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ DNA probe hybridizing with DNA fragment ＜400＞ 3 gccgtcgt 8 ＜210＞ 4 ＜211＞ 8 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ DNA probe hybridizing with DNA fragment ＜400＞ 4 ggccgtcg 8 ＜210＞ 5 ＜211＞ 8 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ DNA probe hybridizing with DNA fragment ＜400＞ 5 tggccgtc 8 ＜210＞ 6 ＜211＞ 17 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ fluorescently labeled DNA fragment ＜400＞ 6 tgaccggtag caaaatg 17 ＜210＞ 7 ＜211＞ 17 ＜212＞ DNA ＜213＞ Artificial Sequence ＜223＞ fluorescently labeled DNA fragment ＜400＞ 7 tgaccggaag caaaatg 17

【００８６】

【配列表フリーテキスト】配列番号１、６および７は、
17塩基長の合成DNA断片のヌクレオチド配列である。配
列番号２〜５は、8塩基長のプローブのヌクレオチド配
列である。

【図面の簡単な説明】

【図１】オリゴヌクレオチドＤＮＡを固定するための生
化学反応検出チップ用基板（以下、「ＤＮＡチップ用基
板」という。)の概要を示す図で、図１(a)は、横方向に
１０行、縦方向に１０列の合計100個のプローブ固定面
２を有するＤＮＡチップ用基板１の上面図、図１(b)
は、図１(a)の枠で囲った領域の部分拡大図、図１(c)
は、図１(b)に示すプローブ固定面２の領域の部分拡大
図である。

【図２】薄膜上に形成されたアイランドの形状を説明す
る図で、図２(a)は、ＤＮＡチップ用基板の裏面拡大
図、図２(b)は、図１(b)の破線部A-A'の縦断面図であ
る。

【図３】ＤＮＡチップの温度設定の一例を示す図であ
る。

【図４】薄膜上に形成されたアイランドの形状およびメ
ッシュ構造を説明する図で、図４（ａ）は、ＤＮＡチッ
プ用基板の裏面拡大図、図４（ｂ）は、図１（ｂ）のＤ
ＮＡチップ用基板１にメッシュ構造を形成した場合の破
線部A-A'の縦断面図である。

【図５】メッシュ構造の効果を説明するための図であ
る。

【図６】メッシュの外周部に冷却機能を設ける態様を説
明する図である。

【図７】ＤＮＡチップ用基板の製造の第１のプロセスを
説明する図である。

【図８】ＤＮＡチップ用基板の製造の第２のプロセスを
説明する図である。

【図９】ＤＮＡチップ用基板の製造の第３のプロセスを
説明する図である。

【図１０】生化学反応検出装置の構成の一例を示す図で
ある。

【図１１】アデニン(A)とチミン(T)の結合様式およびグ
アニン(G)とシトシン(C)の結合様式を示す図である。分
子構造中のＯと分子構造中のＨの間をつなぐ点線は水素
結合を表す。

【図１２】プローブの種類により、相補鎖結合のＴｍ値
が異なる現象を説明するための図で、図１２(a)は、Ｄ
ＮＡチップ基板上に固定されたプローブとサンプル溶液
中のポリヌクレオチドの結合力がプローブの配列により
異なることを示す図、図１２(b)は、相補鎖結合の融解
曲線を示す図。縦軸はＤＮＡ２本鎖の解離度で、横軸は
温度である。図１２(C)は、８塩基プローブのＴｍを％
ＧＣ法で計算した結果を示す図である。

【図１３】DNAチップを上面より見た模式図である。

【図１４】DNAチップのａ列、ｃ列、ｇ列、ｉ列に属す
る固定面の温度遷移を模式的に示した図である。

【図１５】配列番号１の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。

【図１６】配列番号６の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。

【図１７】配列番号７の試料DNAを用いた測定における
ハイブリダイゼーションの温度依存性を示す図である。

【図１８】プローブ固定面におけるヒーター回路および
温度検出素子の形状例を示す図である。

【図１９】図１８の温度検出回路における、プローブ固
定面の温度（ｔ）と温度検出素子間の電位差（ｖ）との
関係を示すグラフである。

【図２０】作用電極に印加する電圧とヒータによる加熱
タイミングを示す図である。

【符号の説明】

１はＤＮＡチップ用基板、２はプローブ固定面、４はア
イランド、５はヒーター回路、６はpn-接合温度検出素
子、1001はヒーター端子(＋)、1002はヒーター端子
(−)、1003は温度検出端子(＋)、1004は温度検出端子
(−)、２１はＳｉアイランド、２２はＳｉＮ／ＳｉＯ₂
薄膜、２４は温度設定領域、２５はプローブ、２６はサ
ンプル溶液、２７はカバーガラス、４１はメッシュ構造
（熱流出器）、５１は水の層、５２はアクリル板、６１
は金属の枠、７１はｎ型基板、７２はｐ−ｗｅｌｌ、７
３はｐ−ｗｅｌｌ、７４はＳｉＯ₂膜、７５はｎ型拡散
層、７６はｎ型拡散層、７７はｎ型拡散層、７８はｐ型
拡散層、７９はｐ型拡散層、８１は第１層間絶縁膜、８
２は第１層配線、８３は第２層間絶縁膜、８４は第２層
配線、９１はＳｉ₃Ｎ₄膜、１０１はＤＮＡチップ、１０
２はプリント基板、１０３はホルダー、１０４はケーブ
ル、１０５はコントローラ、１０６は恒温槽、１０７は
ファン、１０８はペリチェ素子、１０９はスイッチ、１
１０は電圧計、１１１は出力調節器、Ｖpoはヒーター電
源、Ｖｃは定電圧電源、１８１はヒーター電源回路、１
８２は温度検出回路、８０１はセンサcommon配線、８０
２はＰＮ接合温度センサの正極、８０３は電極、８０４
は電極、８０５はセンサcommon電極、８０６はヒーター
common電極、９０１はアイランドの側面である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村川克二東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開平７−147982（ＪＰ，Ａ) 特開平５−317030（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 33/53 G01N 37/00 C12M 1/00 C12N 15/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性のある薄膜基板と、該薄膜基板の
片面に設けられた複数のアイランドと、該薄膜基板をは
さんで該アイランドの反対側の位置にそれぞれ設けられ
た生化学反応を検出するプローブを固定する複数のプロ
ーブ固定面とを有し、各々のアイランドには、該アイラ
ンドを加熱するヒーターと、該アイランドの温度を検出
する温度検出部と、該温度検出部の検出結果を外部へ出
力するための温度検出端子と、該ヒーターの加熱を制御
するためのヒーター端子とが設けられた生化学反応検出
チップであって、該アイランドは空間によって互いに分
離され、該プローブの種類は該複数のプローブ固定面毎
に異なり、該複数のプローブ固定面とそれに対向する面
との間に１のサンプル溶液が保持されるものであり、該
温度検出端子の出力結果に応じて、外部より該ヒータ端
子を通して該アイランドの加熱制御が行われることを特
徴とする生化学反応検出チップ。
【請求項２】上記薄膜基板は、Ｓｉ窒化膜、Ｓｉ酸化
膜、Ａｌ酸化膜、Ｔａ₂Ｏ₅からなる群より選択される少
なくとも１種の材料で形成された膜か、もしくは、該群
より選択される材料の複合膜であることを特徴とする請
求項１の生化学反応検出チップ。
【請求項３】上記薄膜基板上に設けられている複数の
アイランドは、それぞれが独立に温度制御されることを
特徴とする請求項１の生化学反応検出チップ。
【請求項４】上記ヒーターは、ｎ型拡散層により構成
され、上記温度検出部は、ｐ型拡散層とｎ型拡散層のｐ
ｎ接合により形成されていることを特徴とする請求項１
の生化学反応検出チップ。
【請求項５】上記プローブ固定面は、対応するアイラ
ンドの方向に窪んでいることを特徴とする請求項１の生
化学反応検出チップ。
【請求項６】上記薄膜基板がｎ型基板の場合には、上
記ヒーター及び上記温度検出部との間にｐ型拡散層を設
けることを特徴とする請求項１の生化学反応検出チッ
プ。
【請求項７】上記プローブが、オリゴヌクレオチドＤ
ＮＡプローブ、オリゴヌクレオチドＲＮＡプローブ、お
よびタンパク質プローブからなる群より選択される請求
項１〜６の何れかに記載の生化学反応検出チップ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかにおいて、隣接
する上記アイランドの間には、熱伝導体が設けられてい
ることを特徴とする生化学反応検出チップ。
【請求項９】請求項１〜８の何れかにおいて、上記薄
膜基板の外周は金属枠が設けられていることを特徴とす
る生化学反応検出チップ。
【請求項１０】生化学反応検出チップ用基板を製造す
る方法であって、 (a)熱伝導体の平板の一方の表面上に温度調節器を形成
し、その上に薄膜を形成し、そして、 (b)熱伝導体の平板のもう一方の表面の側から不要な部
分を除去して熱伝導体のアイランドを形成する方法。
【請求項１１】熱伝導体の平板の薄膜が形成された表
面の反対側の表面上に所望のパターンのマスクを設け、
反対側の面に形成された薄膜が露出するまでマスクを設
けた側の面をエッチングして、薄膜上にマスクのパター
ンで熱伝導体のアイランドを形成する請求項１０記載の
方法。
【請求項１２】マスクがＳｉ窒化膜の薄膜である請求
項１１記載の方法。