JP3854183B2 - 試料分離検出用チップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の分離検出をおこなうための試料分離検出用チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料の分離・検出の代表的な手段として電気泳動を利用した方法が知られている。例えば、核酸の電気泳動では、アガロースやアクリルアミドなどの高分子ゲル中で分離した後に、光学的な手法で検出が行われる。この手法で、最もよく用いられているのはエチジウムブロマイドなどの蛍光性のインターカレーターを使って核酸等を検出する方法であって、これにより、比較的簡単に検出が可能である。しかしながら、この方法は感度が低く、時間がかかるといった問題がある。また、予め核酸を蛍光色素で標識する方法も良く用いられているが、高感度で検出するために、高価で大型のレーザー検出装置が必要になるなどの問題を有する。
【０００３】
上記のような検出方法以外に、電気化学的な手法を用いた核酸検出技術が注目されている。Ｐａｌｃｅｋらによって、核酸の塩基であるグアニンとアデニンがグラファイト電極上で電気化学的に酸化される事が報告されている（Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｅｎｅｒｇ．１５，２７５，１９９６）。これによれば、グアニンは約１Ｖ、アデニンは約１．２Ｖ付近で非可逆的に酸化され、酸化の際における酸化電流が観察される。また、Ｗａｎｇらによって、この塩基からの電気化学信号を基にしてＤＮＡの特異的な配列を検出するためのセンサーが報告されている（Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ４０２，７，１９９９）。また、橋本らによって、電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を用いた遺伝子検出技術が報告されている。ここでは、電極上に固定化したＤＮＡプローブ上でハイブリダイゼーション反応を行い、反応後電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を作用させると、ＤＮＡ結合物質からの電気化学的な信号を基に遺伝子が検出できることが報告されている（Ｓｕｐｌａ．ｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．２，２６５，１９９３）。
【０００４】
ところで、電気化学的な手法は、核酸の検出に煩雑な標識が不要であることや、検出装置が安価な電気回路で製造できるなどの特長がある。
【０００５】
そこで、その特長を活かして、キャピラリ電気泳動と電気化学測定を組み合わせた分析方法（ＣＥ−ＥＣＤ）による、生体関連物質の検出が報告されている（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０，２１６７、１９９８）。また、サンプルが非常に微量でよいこと、分析時間が短いことなどの理由から、最近では微細加工技術で作製したチップ上でのＣＥ−ＥＣＤも注目を集めている。
【０００６】
しかしながら、電気化学的な手法により検出は、試料の検出に電気化学測定器（ポテンショスタット）が必要なため、多サンプルの同時測定は難しいといった問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡便、安価、高速に試料の分離・検出を可能にする試料分離検出用チップを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
本発明の第１局面に係る試料分離検出用チップは、複数の溝部と、試料導入部が形成された基板と、前記複数の溝部を使用して試料を電気泳動するための少なくとも１対の第１の電極と、電気泳動の下流に配置され、電気化学的に前記試料の有無を検出する第２の電極と、を具備することを特徴とする。
上記の試料分離検出用チップの好ましい実施態様は以下のとおりである。なお、以下の各実施態様は、単独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良い。
（１） 前記基板上に形成され、前記第２の電極からの信号を検出する検出回路を具備すること。
（２） 前記基板とは異なる他の基板を更に備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方が前記他の基板上に形成されていること。
【０００９】
本発明の第２局面に係る試料分離検出用チップは、試料を電気泳動するための溝部と、試料導入部が形成された第１の基板と、前記溝部を使用して試料を電気泳動するために第１の電極と、電気泳動の下流に配置され、電気化学的に前記試料の有無を検出する第２の電極とを備えた第２の基板と、を具備し、前記第１の基板と前記第２の基板が1組以上積層されて試料分離検出用チップが形成されることを特徴とする。ここにおいて、前記第１の基板に、複数の溝部が形成されていることが好ましい。
上記の各局面における試料分離検出用チップの好ましい実施態様は以下のとおりである。なお、以下の各実施態様は、単独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良い。
（１） 前記第２の電極は、前記複数の溝部に対応して形成されていること。
（２） １つの対極と１つの参照極の少なくとも一方の電極を更に具備すること。
（３） 前記第１の電極が前記溝部の数に応じて形成されていること。
（４） 前記試料が、核酸、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、ペプチド、タンパク質等の生体関連物質であること。
（５） 前記第２の電極が炭素電極及び金のいずれかであること。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図１において、図１（ａ）は、試料分離検出用チップの全体的な構成を示している。図１（ｂ）は上面図であり、図１（ｃ）は断面図である。
【００１２】
図１において、チップは、２枚の基板１（すなわち、第１の基板１ａと第２の基板１ｂ）とを積層して構成されている。チップの両端部には、電気泳動用電極２（２ａ、２ｂ、以下、便宜上「第１の電極」と称することもある）が配置されている。また、基板１ａには電気泳動路となる複数の溝部３が形成されており、溝部３の電極２ｂ側には、溝部３を挟むようにして、試料検出用電極４（以下、「第２の電極」と称することもある）が配置されている。また、溝部３の電極３ａ側には、溝部３の数に応じた試料導入部５が形成されている。
【００１３】
上記のような構成において、第１の実施形態においては、複数の溝部３と第１及び第２の電極２、４は、第２の基板１ｂ上に配置されており、図１（ｃ）中下部から配線が取り出されて、電源２ｃ及び４ａに、それぞれ接続されている。従って、第１の基板１ａには、試料導入部５のみが形成されている。
【００１４】
上記のように構成された試料分離検出用チップにおいて、試料を試料導入部５から導入した後に、第１の電極２ａ−２ｂ間に電圧を印加して、電気泳動を開始する。そして、その電気泳動による結果を第２の電極４で検出する。
【００１５】
上記のように、第１の実施形態では、複数の溝部３を形成して、電気泳動を行うようにしたので、複数の試料の電気泳動を簡単に行うことができる。
【００１６】
なお、第１の実施形態においては、第１の電極において、電極２ａと電極２ｂとの数は、１対１に対応していることが好ましいが、これに限らず、電極２ａの数を電極２ｂより多くしても良いし、その逆としても良い。このようにすると、溝部３の数に応じた電極配置よりも、電解特性は多少悪くなるが、製作が容易になり、構造も簡単になる。なお、このような電極構成は、以下の実施形態においても、同様に適用可能である。
【００１７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図２において、図１と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。第２の実施形態においても、第１の基板１ａと第２の基板１ｂとを積層して、試料分離検出用チップを構成している。図２（ａ）は溝部３と第１の電極との配置関係を示し、図２（ｂ）は図２（ｃ）の２ｂ−２ｂ矢視図であり、図２（ｃ）は断面図である。
【００１８】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第２の電極４を第１の基板１ａ上にパターンニングして形成している点である。これにより、第１の電極２への配線は、基板１の側方から取り出すようになっている。なお、図２（ｃ）では、第２の電極４への配線も基板１の側方から取り出すようになっているが、第１の実施形態と同様に下方から取り出すようにしても良い。また、図２では、穴部６が図示されているが、穴部６は内部の洗浄用等の用途に使用されるものであって、本発明の特徴とは関係が無いので、詳細な説明は省略する。
【００１９】
上記のような構成にすることにより、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００２０】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図３において、図２と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。第２の実施形態においても、第１の基板１ａと第２の基板１ｂとを積層して、試料分離検出用チップを構成している。図３（ａ）は第２の基板１ｂにおける溝部３の配置を示し、図３（ｂ）は第１の基板１ａにおける電極のパターンニングの様子を示す図であり、図３（ｃ）は断面図である。
【００２１】
第３の実施形態が第２の実施形態と異なる点は、第１と第２の電極２、４の両者とも第１の基板１ａにパターンニングして形成したことである。それ以外は、第２の実施形態と同じである。従って、第３の実施形態でも、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２２】
上記の各実施形態において、第１及び第２の電極２、４を、基板に形成する場合には、メッキ、印刷、スパッタ、蒸着などで作製することができる。ここで、蒸着を行う場合は、抵抗加熱法、高周波加熱法、電子ビーム加熱法により電極膜を形成することができる。また、スパッタリングを行う場合は、直流２極スパッタリング、バイアススパッタリング、非対称交流スパッタリング、ゲッタスパッタリング、高周波スパッタリングで電極膜を形成することが可能である。更に、ポリピロール、ポリアニリンなどの電解重合膜や導電性高分子も用いることが可能である。
【００２３】
更に、上記の各実施形態では、第２の電極４を用いた検出系は、作用極と対極からなる一般的な二電極系を示したが、例えば、作用極、対極、及び参照極からなる３電極であることが望ましい。ここで用いられる対極は特に限定されるものではなく、例えば、上記した電極材料を用いることが可能である。また、参照極も特に限定されるものではなく、例えば、銀塩化銀電極、飽和カロメロ電極等を用いることも可能である。
【００２４】
上記の各実施形態で使用される基板の材料は特に限定されるものではない。例えば、ガラス、石英ガラス、アルミナ、サファイア、フォルステライト、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、等の無機絶縁材料を使用できる。また、ポリエチレン、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、シリコン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン等の有機材料を用いることができる。
【００２５】
また、上記の各実施形態において、電極の形成などにおいて、絶縁材料（例えば、レジストとして）が使用されるが、絶縁材料についても特に限定されるものではないが、フォトポリマー、フォトレジスト材料であることが好ましい。レジスト材料としては、光露光用フォトレジスト、遠紫外用フォトレジスト、Ｘ線用フォトレジスト、電子線用フォトレジストが用いられる。光露光用フォトレジストには、主原料が環化ゴム、ポリけい皮酸、ノボラック樹脂があげられる。遠紫外用フォトレジストには、環化ゴム、フェノール樹脂、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等が用いられる。また、Ｘ線用レジストには、ＣＯＰ、メタルアクリレートほか、薄膜ハンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることができる、更に電子線用レジストには、ＰＭＭＡ等上記文献に記載の物質を用いることが可能である。ここで用いるレジストは１００Å以上１ｍｍ以下であることが望ましい。フォトレジストで電極を被覆し、リソグラフィーを行うことで、面積を一定にすることが可能になる。これにより、生体関連物質捕捉物質固定化量がそれぞれの電極間で均一になり、再現性に優れた測定を可能にする。従来、レジスト材料は最終的には除去するのが一般的であるが、本発明ではレジスト材料は除去することなく電極の一部として用いることも可能である。この場合は、用いるレジスト材料に耐水性の高い物質を使用する必要がある。電極上部に形成する絶縁層にはフォトレジスト材料以外でも用いることが可能である。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｉ等の酸化物、窒化物、炭化物、その他合金を用いることも可能である。これらの材料をスパッタ、蒸着あるいはＣＶＤ等を用いて薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーで電極露出部のパターニングを行い、面積を一定に制御する。
【００２６】
上記のように、第１の実施形態から第３の実施形態においては、複数の試料の分離検出を同時に行うことができる。上記のような構成に対して、複数の試料を同時に検出するための回路例を図４に示す。図４（ａ）は、回路の概略構成を示す図であって、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す回路を基板上に配置した例を示す図である。
【００２７】
図４に示すように、検出回路は、パルス発生器４１と、カウンタ４２と、デコーダ４３と、スイッチング素子４４と、増幅器４５と、Ａ／Ｄ変換器４６とを備えている。このような構成において、パルス発生器４１からタイミングパルス（サンプリングクロック）が発生される。このパルスによって、サンプリング間隔が決定される。なお、このサンプリング間隔は、可変であることが好ましい。パルス発生器４１で生成されたタイミングパルスはカウンタ４２に入力し、所定の計数毎に例えば１パルス発生する。カウンタ４２からのパルスは、デコーダ４３に入力して、入力パルスに応じて、スイッチング素子４４のうちいずれのスイッチング素子をオンにするかを決定する。
【００２８】
そして、例えば、順次スイッチング素子がオンになると、オン状態のスイッチング素子に接続された第２の電極４からの信号が増幅器４５に出力されて、所定の増幅率で増幅される。そして、この増幅されたアナログデータは、Ａ／Ｄ変換器４６でデジタル信号に変換されて図示しない処理回路に出力される。
【００２９】
上記のようにして、順次スイッチング素子がオンになることによって、第２の電極４からの信号を順次取り出すことができる。なお、この検出回路は、図４に示したような回路に限らず、複数の電極からの信号を順次取り出すことができるのであればどのような回路を適用しても良い。例えば、カウンタ４２とデコーダ４３の代わりに、シフトレジスタを採用して、シフトレジスタからの出力により、スイッチング素子が順次オンになるような構成としても良い。
【００３０】
また、図４（ｂ）に示すように、上記のような検出回路の一部或いは、全てを基板上に配置することが好ましい。一般に、第２電極からの検出信号は、微弱であるが、このようにすることによって、配線の影響をなるべくする少なくすることができる。
【００３１】
また、図４（ｂ）では、基板上に配置するのは、スイッチング素子４４とパルス生成関係の回路（４１から４３）のみとしたが、増幅器４５も基板上に形成することが好ましい。これにより、微弱信号を増幅してから外部へ出力できるので、雑音などの影響が減少する。
【００３２】
第２の電極４として、試料が核酸の場合には、グラファイトが好ましいが、図５を参照して、この理由を説明する。
図５は、グラファイト電極上に吸着固定化した牛胸腺ＤＮＡのサイクリックボルタモグラムである。図５において、１Ｖ付近と１．２Ｖ付近に酸化ピークが観察される。この酸化ピークのうち、前者はグアニン、後者はアデニンの酸化反応に由来する酸化ピークである。なお、図５中の反応式は、Ｐａｌｃｅｋらによって報告されている塩基の酸化反応を示しており、Ａはグアニンの酸化反応、Ｂはアデニンの酸化反応を示す。
上記のように、第２の電極材料として、グラファイトを使用することが好ましいがことから、ベーサルプレーンパイロリティックグラファイト（ＢＰＰＧ）、グラシシ−カーボン等の炭素電極であることが好ましいが、他の電極を用いることも可能である。例えば、エッチングに有利な金を用いても良いし、その他、金の合金、銀、プラチナ、水銀、ニッケル、パラジウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、タングステン等の金属単体及びそれらの合金、あるいはグラシーカーボン等の炭素等、ＩＴＯ等の透明電極、またはこれらの酸化物、化合物を用いることができる。
【００３３】
また、電気化学的な信号の検出は、上記のように、第２の電極４に接続された検出回路で複数の電極を順次（又は任意に）切り替えることが可能であるので、１台のポテンショスタットで複数電極からの信号を同時に計測可能である。また、チップ（或いは基板）上には、所定の電圧を第２の電極間に印加する電源回路と、各第２の電極４それぞれ所定の電位を印加し、電気信号を得るスイッチング回路と、第２の電極からの電気信号を外部機器に出力する為の検出回路を備えることが望ましい。なお、この検出回路には、電気信号を増幅するための増幅器が含まれていることが好ましい。また、電源、ポテンショスタット、波形発生装置を備えることが更に好ましい。また、チップにはマトリックス上に配置された特定の位置のＭＯＳＦＥＴスイッチング素子および第２の電極に電気信号を出力するためのデコーダ回路、スイッチング回路、タイミング回路、パルス発生回路、メモリー、Ａ／Ｄ変換器、波形発生装置、電源、ポテンショスタット、電気信号検出回路、等の回路を一つのチップ上に集積することが望ましい。
【００３４】
また、上記の各実施の形態の場合において、核酸検出用の第２の電極４は１つの溝部３当り１つ以上配置することが望ましい。予め第２の電極に電位を印加しておくと、電気泳動によって分離された核酸が電極上を通過する際に電気化学的に酸化され酸化電流が流れる。この電流を測定することで、核酸の有無を検出することができる。核酸検出用の第２の電極を１つの溝部３当り２つ以上設置する場合には、それぞれ異なる電位を設定しておくことで、より精度の高い検出が可能になる。
【００３５】
上記のように、核酸抽出機構、核酸精製機構、核酸増幅機構などを集積化して核酸検出用システムを構成することが可能である。これらの機構を備えた核酸検出用システムを用いれば、核酸の抽出、増幅、検出などの一連の操作を全て自動的に行うことができる。
【００３６】
図６は、電気化学手法による検出感度の一例を示した図である。グアニン由来の信号を指標として検出感度を評価した結果、ｆｍｏｌオーダーの検出が可能であった。
このように、第２の電極４をグラファイトとすることで、核酸を効果的に検出できる。
また、図７は、ダイデオキシ反応を模式的に示した図である。鋳型ＤＮＡ１２と、プライマー１０と、ポリメラーゼ１３と、四種類のｄＮＴＰ１４と、ｄｄＡ１６とをチューブ１５内で混合して一定時間放置し、Ａ反応を行った。同様にＣ反応にはｄｄＣ、Ｇ反応にはｄｄＧ、Ｔ反応にはｄｄＴをそれぞれ添加してダイデオキシ反応を行った。これらのサンプルは別々のレーン（すなわち、図１における溝部３）で電気泳動を行った。
【００３７】
第１の実施形態から第３の実施形態に係る試料分離検出用チップを用いて、電気化学的塩基配列を決定する方法について説明する。ここでは、第１の実施形態に係る試料分離検出用チップを用いたものとして説明する。なお、検出回路は図４に示すものと等価回路であるものとする。なお、第２の電極４は、グラファイトであるものとする。
【００３８】
２枚のガラス板の間にアクリルアミドのゲルを作製し、ダイデオキシ反応後のサンプルを溝部３にロードし、第１の電極２ａ−２ｂ間に電源２ｃから１００Ｖの電圧をかけて電気泳動する。第２の電極４間には１．３Ｖの電位が電源４ａから印加されている。これにより、第２の電極４上を核酸が通過する際に、核酸中のグアニンが酸化されて電流が流れる。
【００３９】
図８は、上記のようにして測定して得られた電気信号の一例を示した図である。この信号からは、配列はＣＴＧＡＣＡＧＣＡと解読できる。
【００４０】
なお、核酸結合物質の電気信号を指標にしても、電気化学的に塩基配列を決定することができる。例えば、図５に示すような系で電気泳動の緩衝液としてコバルトビピリジル錯体１００μｍｏｌ／Ｌを添加しておき、第２の電極４間には０．８Ｖの電位を電源４ａから印加する。電位印加中は錯体の酸化反応に伴う定常電流が観察されるが、電極上を核酸９が通過する際に、錯体に由来する酸化電流値が減少する。図９は、その際の電流応答曲線の一例を示している。
【００４１】
核酸を検出するための電気化学的な手法は上記の方法に特に限定されるものではないが、クロノクーロメトリーが最も簡単に行うことができる。その他、ＤＣテクニックとしては、リニアスイープボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、パルスボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー、ストリッピングボルタンメトリー、アンペロメトリー、電流一定クロノポテンショメトリー等の手法が、またＡＣテクニックとしては三角波ボルタンメトリー、微分三角波ボルタンメトリー、デジタルＡＣボルタンメトリー、デジタルフェーズ選択ボルタンメトリー、デジタルセコンドハーモニックフェーズ選択ボルタンメトリー等も用いることができる。
【００４２】
また、上記のように電気化学的に核酸を検出するためには、塩基の酸化還元反応を利用することが可能である。例えば、前述したように核酸検出用の第２の電極にＢＰＰＧ電極を用いると、塩基のグアニン、アデニンはそれぞれ約１Ｖ、１．２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）で酸化され、それに伴う酸化電流が流れる。この酸化電流をクロノクーロメトリーなどの手法で検出することで、核酸の有無を検出することが可能である。
【００４３】
また、核酸の検出に電気化学的に活性な核酸結合物質を用いることも可能である。本発明の実施形態で用いられる電気化学的に活性な核酸結合性物質はビオローゲン、ヘキスト３３２５８、ヘキスト３３３４２、ビスベンズイミダゾール、エチジュウム、エチジュウムブロマイド、アクリジン、アミノアクリジン、アクリジンオレンジ、プロフラビン、エリブチシン、アクチノマイシンＤ、ドーノマイシンマイトマイシン等が、また、トリス（フェナントロリン）亜鉛錯体、トリス（フェナントロリン）ルテニュウム錯体、トリス（フェナントロリン）コバルト錯体、ジ（フェナントロリン）亜鉛錯体、ジ（フェナントロリン）ルテニュウム錯体、ジ（フェナントロリン）コバルト錯体、ビピリジンプラチナ錯体、ターピリジンプラチナ錯体、フェナントロリンプラチナ錯体、トリス（ビピリジル）亜鉛錯体、トリス（ビピリジル）ルテニュウム錯体、トリス（ビピリジル）コバルト錯体、ジ（ビピリジル）亜鉛錯体、ジ（ビピリジル）ルテニュウム錯体、ジ（ビピリジル）コバルト錯体、フェロセンカルボン酸、フェロセンアルデヒド等のフェロセン誘導体、フェリ／フェロシアン化カリウム、ハイドロキノン等をあげることができる。これらの物質は溶液中で核酸と相互作用するので、電気泳動の際に核酸と共存させるだけで、電気化学的に核酸の有無を検出できる。この場合は、核酸結合物質の電気化学反応を指標にして核酸の有無を検出する。検出の為に予め核酸を標識する必要がないので、高価な試薬が不要であると共に、簡便な操作で塩基配列を決定することができる。
【００４４】
また、電気化学的に活性な核酸結合物質を用いる場合には、電気化学発光を指標にした検出も可能である。この場合には、第２の電極に一定電位を印加しておき、核酸結合物質が電極と接触すると、発光が観察される。この光を捉えることで、核酸の有無を検出することができる。電気化学発光を生じる核酸結合物質としては上述した核酸結合物質を用いることが可能である。この場合は、電気化学発光を捉える発光検出装置を付加する必要があるが、電気化学発光を測定する際は、トリプロピルアミンやジプロピルアミンなどのアミン類を共に添加しておくと非常に感度良く検出が可能になる。
【００４５】
なお、上記の各実施形態において、第１の電極２で電気泳動を行わせ、第２の電極４で試料（核酸）を検出するようにしているが、常時電圧を印加した状態では、第１の電極２に印加する電圧に比べて第２の電極４に印加する電圧が、非常に小さい（数百から数キロＶに対して数Ｖ）ので、検出値に雑音が混入する可能性がある。これを避けるために、測定中は、第１の電極２への電圧の印加を行わないように位相をずらすことが好ましい。この場合の、タイミングを図１０に示す。図１０では、その上段に電気泳動のパルス波形、下段に電気化学的測定のパルス波形の例を示している。
【００４６】
また、パルス状に電圧を印加するのではなく、核酸を電気化学的に検出する際に、電気泳動で印加している電位を、変化させることも有効である。例えば、通常の電気泳動の際には３００Ｖの電位を印加しておき、電気化学的に測定を行う際に、電気化学的測定に必要な電位以下、例えば１Ｖ以下にしても良い。このようにすることで、電気泳動用に印加された電圧の影響を測定時に受けることがほとんどなくなり、電気化学的な核酸測定の際の精度を向上させることができる。
【００４７】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではない。例えば、電気泳動の条件は特に限定されるものではないが、基板に微小流路をパターニングしたＤＮＡチップにすることで高速な分離検出が可能になる。その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、煩雑な標識工程を省くことができると共に、高価な試薬も不要になる。また、検出装置も安価な電気回路で作製できるので、従来よりも短時間で安く高感度に塩基配列を決定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図４】 複数の試料を同時に検出するための回路例を示す図。
【図５】 グラファイト電極上に吸着固定化した牛胸腺ＤＮＡのサイクリックボルタモグラム。
【図６】 電気化学手法による検出感度の一例を示した図。
【図７】 ダイデオキシ反応を模式的に示した図。
【図８】 本発明の実施形態を適用して測定して得られた電気信号の一例を示した図。
【図９】 電流応答曲線の一例。
【図１０】 電気泳動のパルス波形と、電気化学的測定のパルス波形のタイミング例を示す図。
【符号の説明】
１…基板
１ｂ…第２の基板
１ａ…第１の基板
２、２ａ、２ｂ…電気泳動用電極（第１の電極）
２ｃ…電源
３…溝部
３ａ…電極
４…試料検出用電極（第２の電極）
４ａ…電源
５…試料導入部
６…穴部
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料の分離検出をおこなうための試料分離検出用チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料の分離・検出の代表的な手段として電気泳動を利用した方法が知られている。例えば、核酸の電気泳動では、アガロースやアクリルアミドなどの高分子ゲル中で分離した後に、光学的な手法で検出が行われる。この手法で、最もよく用いられているのはエチジウムブロマイドなどの蛍光性のインターカレーターを使って核酸等を検出する方法であって、これにより、比較的簡単に検出が可能である。しかしながら、この方法は感度が低く、時間がかかるといった問題がある。また、予め核酸を蛍光色素で標識する方法も良く用いられているが、高感度で検出するために、高価で大型のレーザー検出装置が必要になるなどの問題を有する。
【０００３】
上記のような検出方法以外に、電気化学的な手法を用いた核酸検出技術が注目されている。Ｐａｌｃｅｋらによって、核酸の塩基であるグアニンとアデニンがグラファイト電極上で電気化学的に酸化される事が報告されている（Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｂｉｏｅｎｅｒｇ．１５，２７５，１９９６）。これによれば、グアニンは約１Ｖ、アデニンは約１．２Ｖ付近で非可逆的に酸化され、酸化の際における酸化電流が観察される。また、Ｗａｎｇらによって、この塩基からの電気化学信号を基にしてＤＮＡの特異的な配列を検出するためのセンサーが報告されている（Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ４０２，７，１９９９）。また、橋本らによって、電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を用いた遺伝子検出技術が報告されている。ここでは、電極上に固定化したＤＮＡプローブ上でハイブリダイゼーション反応を行い、反応後電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を作用させると、ＤＮＡ結合物質からの電気化学的な信号を基に遺伝子が検出できることが報告されている（Ｓｕｐｌａ．ｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．２，２６５，１９９３）。
【０００４】
ところで、電気化学的な手法は、核酸の検出に煩雑な標識が不要であることや、検出装置が安価な電気回路で製造できるなどの特長がある。
【０００５】
そこで、その特長を活かして、キャピラリ電気泳動と電気化学測定を組み合わせた分析方法（ＣＥ−ＥＣＤ）による、生体関連物質の検出が報告されている（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０，２１６７、１９９８）。また、サンプルが非常に微量でよいこと、分析時間が短いことなどの理由から、最近では微細加工技術で作製したチップ上でのＣＥ−ＥＣＤも注目を集めている。
【０００６】
しかしながら、電気化学的な手法により検出は、試料の検出に電気化学測定器（ポテンショスタット）が必要なため、多サンプルの同時測定は難しいといった問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、簡便、安価、高速に試料の分離・検出を可能にする試料分離検出用チップを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じた。
本発明の第１局面に係る試料分離検出用チップは、複数の溝部と、試料導入部が形成された基板と、前記複数の溝部を使用して試料を電気泳動するための少なくとも１対の第１の電極と、電気泳動の下流に配置され、電気化学的に前記試料の有無を検出する第２の電極と、を具備することを特徴とする。
上記の試料分離検出用チップの好ましい実施態様は以下のとおりである。なお、以下の各実施態様は、単独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良い。
（１） 前記基板上に形成され、前記第２の電極からの信号を検出する検出回路を具備すること。
（２） 前記基板とは異なる他の基板を更に備え、前記第１の電極及び前記第２の電極の少なくとも一方が前記他の基板上に形成されていること。
【０００９】
本発明の第２局面に係る試料分離検出用チップは、試料を電気泳動するための溝部と、試料導入部が形成された第１の基板と、前記溝部を使用して試料を電気泳動するために第１の電極と、電気泳動の下流に配置され、電気化学的に前記試料の有無を検出する第２の電極とを備えた第２の基板と、を具備し、前記第１の基板と前記第２の基板が1組以上積層されて試料分離検出用チップが形成されることを特徴とする。ここにおいて、前記第１の基板に、複数の溝部が形成されていることが好ましい。
上記の各局面における試料分離検出用チップの好ましい実施態様は以下のとおりである。なお、以下の各実施態様は、単独で適用しても良いし、適宜組み合わせて適用しても良い。
（１） 前記第２の電極は、前記複数の溝部に対応して形成されていること。
（２） １つの対極と１つの参照極の少なくとも一方の電極を更に具備すること。
（３） 前記第１の電極が前記溝部の数に応じて形成されていること。
（４） 前記試料が、核酸、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、ペプチド、タンパク質等の生体関連物質であること。
（５） 前記第２の電極が炭素電極及び金のいずれかであること。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図１において、図１（ａ）は、試料分離検出用チップの全体的な構成を示している。図１（ｂ）は上面図であり、図１（ｃ）は断面図である。
【００１２】
図１において、チップは、２枚の基板１（すなわち、第１の基板１ａと第２の基板１ｂ）とを積層して構成されている。チップの両端部には、電気泳動用電極２（２ａ、２ｂ、以下、便宜上「第１の電極」と称することもある）が配置されている。また、基板１ａには電気泳動路となる複数の溝部３が形成されており、溝部３の電極２ｂ側には、溝部３を挟むようにして、試料検出用電極４（以下、「第２の電極」と称することもある）が配置されている。また、溝部３の電極３ａ側には、溝部３の数に応じた試料導入部５が形成されている。
【００１３】
上記のような構成において、第１の実施形態においては、複数の溝部３と第１及び第２の電極２、４は、第２の基板１ｂ上に配置されており、図１（ｃ）中下部から配線が取り出されて、電源２ｃ及び４ａに、それぞれ接続されている。従って、第１の基板１ａには、試料導入部５のみが形成されている。
【００１４】
上記のように構成された試料分離検出用チップにおいて、試料を試料導入部５から導入した後に、第１の電極２ａ−２ｂ間に電圧を印加して、電気泳動を開始する。そして、その電気泳動による結果を第２の電極４で検出する。
【００１５】
上記のように、第１の実施形態では、複数の溝部３を形成して、電気泳動を行うようにしたので、複数の試料の電気泳動を簡単に行うことができる。
【００１６】
なお、第１の実施形態においては、第１の電極において、電極２ａと電極２ｂとの数は、１対１に対応していることが好ましいが、これに限らず、電極２ａの数を電極２ｂより多くしても良いし、その逆としても良い。このようにすると、溝部３の数に応じた電極配置よりも、電解特性は多少悪くなるが、製作が容易になり、構造も簡単になる。なお、このような電極構成は、以下の実施形態においても、同様に適用可能である。
【００１７】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図２において、図１と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。第２の実施形態においても、第１の基板１ａと第２の基板１ｂとを積層して、試料分離検出用チップを構成している。図２（ａ）は溝部３と第１の電極との配置関係を示し、図２（ｂ）は図２（ｃ）の２ｂ−２ｂ矢視図であり、図２（ｃ）は断面図である。
【００１８】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第２の電極４を第１の基板１ａ上にパターンニングして形成している点である。これにより、第１の電極２への配線は、基板１の側方から取り出すようになっている。なお、図２（ｃ）では、第２の電極４への配線も基板１の側方から取り出すようになっているが、第１の実施形態と同様に下方から取り出すようにしても良い。また、図２では、穴部６が図示されているが、穴部６は内部の洗浄用等の用途に使用されるものであって、本発明の特徴とは関係が無いので、詳細な説明は省略する。
【００１９】
上記のような構成にすることにより、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００２０】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図である。図３において、図２と同じ部分には、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。第２の実施形態においても、第１の基板１ａと第２の基板１ｂとを積層して、試料分離検出用チップを構成している。図３（ａ）は第２の基板１ｂにおける溝部３の配置を示し、図３（ｂ）は第１の基板１ａにおける電極のパターンニングの様子を示す図であり、図３（ｃ）は断面図である。
【００２１】
第３の実施形態が第２の実施形態と異なる点は、第１と第２の電極２、４の両者とも第１の基板１ａにパターンニングして形成したことである。それ以外は、第２の実施形態と同じである。従って、第３の実施形態でも、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００２２】
上記の各実施形態において、第１及び第２の電極２、４を、基板に形成する場合には、メッキ、印刷、スパッタ、蒸着などで作製することができる。ここで、蒸着を行う場合は、抵抗加熱法、高周波加熱法、電子ビーム加熱法により電極膜を形成することができる。また、スパッタリングを行う場合は、直流２極スパッタリング、バイアススパッタリング、非対称交流スパッタリング、ゲッタスパッタリング、高周波スパッタリングで電極膜を形成することが可能である。更に、ポリピロール、ポリアニリンなどの電解重合膜や導電性高分子も用いることが可能である。
【００２３】
更に、上記の各実施形態では、第２の電極４を用いた検出系は、作用極と対極からなる一般的な二電極系を示したが、例えば、作用極、対極、及び参照極からなる３電極であることが望ましい。ここで用いられる対極は特に限定されるものではなく、例えば、上記した電極材料を用いることが可能である。また、参照極も特に限定されるものではなく、例えば、銀塩化銀電極、飽和カロメロ電極等を用いることも可能である。
【００２４】
上記の各実施形態で使用される基板の材料は特に限定されるものではない。例えば、ガラス、石英ガラス、アルミナ、サファイア、フォルステライト、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、等の無機絶縁材料を使用できる。また、ポリエチレン、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、シリコン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン等の有機材料を用いることができる。
【００２５】
また、上記の各実施形態において、電極の形成などにおいて、絶縁材料（例えば、レジストとして）が使用されるが、絶縁材料についても特に限定されるものではないが、フォトポリマー、フォトレジスト材料であることが好ましい。レジスト材料としては、光露光用フォトレジスト、遠紫外用フォトレジスト、Ｘ線用フォトレジスト、電子線用フォトレジストが用いられる。光露光用フォトレジストには、主原料が環化ゴム、ポリけい皮酸、ノボラック樹脂があげられる。遠紫外用フォトレジストには、環化ゴム、フェノール樹脂、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等が用いられる。また、Ｘ線用レジストには、ＣＯＰ、メタルアクリレートほか、薄膜ハンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることができる、更に電子線用レジストには、ＰＭＭＡ等上記文献に記載の物質を用いることが可能である。ここで用いるレジストは１００Å以上１ｍｍ以下であることが望ましい。フォトレジストで電極を被覆し、リソグラフィーを行うことで、面積を一定にすることが可能になる。これにより、生体関連物質捕捉物質固定化量がそれぞれの電極間で均一になり、再現性に優れた測定を可能にする。従来、レジスト材料は最終的には除去するのが一般的であるが、本発明ではレジスト材料は除去することなく電極の一部として用いることも可能である。この場合は、用いるレジスト材料に耐水性の高い物質を使用する必要がある。電極上部に形成する絶縁層にはフォトレジスト材料以外でも用いることが可能である。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｉ等の酸化物、窒化物、炭化物、その他合金を用いることも可能である。これらの材料をスパッタ、蒸着あるいはＣＶＤ等を用いて薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーで電極露出部のパターニングを行い、面積を一定に制御する。
【００２６】
上記のように、第１の実施形態から第３の実施形態においては、複数の試料の分離検出を同時に行うことができる。上記のような構成に対して、複数の試料を同時に検出するための回路例を図４に示す。図４（ａ）は、回路の概略構成を示す図であって、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す回路を基板上に配置した例を示す図である。
【００２７】
図４に示すように、検出回路は、パルス発生器４１と、カウンタ４２と、デコーダ４３と、スイッチング素子４４と、増幅器４５と、Ａ／Ｄ変換器４６とを備えている。このような構成において、パルス発生器４１からタイミングパルス（サンプリングクロック）が発生される。このパルスによって、サンプリング間隔が決定される。なお、このサンプリング間隔は、可変であることが好ましい。パルス発生器４１で生成されたタイミングパルスはカウンタ４２に入力し、所定の計数毎に例えば１パルス発生する。カウンタ４２からのパルスは、デコーダ４３に入力して、入力パルスに応じて、スイッチング素子４４のうちいずれのスイッチング素子をオンにするかを決定する。
【００２８】
そして、例えば、順次スイッチング素子がオンになると、オン状態のスイッチング素子に接続された第２の電極４からの信号が増幅器４５に出力されて、所定の増幅率で増幅される。そして、この増幅されたアナログデータは、Ａ／Ｄ変換器４６でデジタル信号に変換されて図示しない処理回路に出力される。
【００２９】
上記のようにして、順次スイッチング素子がオンになることによって、第２の電極４からの信号を順次取り出すことができる。なお、この検出回路は、図４に示したような回路に限らず、複数の電極からの信号を順次取り出すことができるのであればどのような回路を適用しても良い。例えば、カウンタ４２とデコーダ４３の代わりに、シフトレジスタを採用して、シフトレジスタからの出力により、スイッチング素子が順次オンになるような構成としても良い。
【００３０】
また、図４（ｂ）に示すように、上記のような検出回路の一部或いは、全てを基板上に配置することが好ましい。一般に、第２電極からの検出信号は、微弱であるが、このようにすることによって、配線の影響をなるべくする少なくすることができる。
【００３１】
また、図４（ｂ）では、基板上に配置するのは、スイッチング素子４４とパルス生成関係の回路（４１から４３）のみとしたが、増幅器４５も基板上に形成することが好ましい。これにより、微弱信号を増幅してから外部へ出力できるので、雑音などの影響が減少する。
【００３２】
第２の電極４として、試料が核酸の場合には、グラファイトが好ましいが、図５を参照して、この理由を説明する。
図５は、グラファイト電極上に吸着固定化した牛胸腺ＤＮＡのサイクリックボルタモグラムである。図５において、１Ｖ付近と１．２Ｖ付近に酸化ピークが観察される。この酸化ピークのうち、前者はグアニン、後者はアデニンの酸化反応に由来する酸化ピークである。なお、図５中の反応式は、Ｐａｌｃｅｋらによって報告されている塩基の酸化反応を示しており、Ａはグアニンの酸化反応、Ｂはアデニンの酸化反応を示す。
上記のように、第２の電極材料として、グラファイトを使用することが好ましいがことから、ベーサルプレーンパイロリティックグラファイト（ＢＰＰＧ）、グラシシ−カーボン等の炭素電極であることが好ましいが、他の電極を用いることも可能である。例えば、エッチングに有利な金を用いても良いし、その他、金の合金、銀、プラチナ、水銀、ニッケル、パラジウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、タングステン等の金属単体及びそれらの合金、あるいはグラシーカーボン等の炭素等、ＩＴＯ等の透明電極、またはこれらの酸化物、化合物を用いることができる。
【００３３】
また、電気化学的な信号の検出は、上記のように、第２の電極４に接続された検出回路で複数の電極を順次（又は任意に）切り替えることが可能であるので、１台のポテンショスタットで複数電極からの信号を同時に計測可能である。また、チップ（或いは基板）上には、所定の電圧を第２の電極間に印加する電源回路と、各第２の電極４それぞれ所定の電位を印加し、電気信号を得るスイッチング回路と、第２の電極からの電気信号を外部機器に出力する為の検出回路を備えることが望ましい。なお、この検出回路には、電気信号を増幅するための増幅器が含まれていることが好ましい。また、電源、ポテンショスタット、波形発生装置を備えることが更に好ましい。また、チップにはマトリックス上に配置された特定の位置のＭＯＳＦＥＴスイッチング素子および第２の電極に電気信号を出力するためのデコーダ回路、スイッチング回路、タイミング回路、パルス発生回路、メモリー、Ａ／Ｄ変換器、波形発生装置、電源、ポテンショスタット、電気信号検出回路、等の回路を一つのチップ上に集積することが望ましい。
【００３４】
また、上記の各実施の形態の場合において、核酸検出用の第２の電極４は１つの溝部３当り１つ以上配置することが望ましい。予め第２の電極に電位を印加しておくと、電気泳動によって分離された核酸が電極上を通過する際に電気化学的に酸化され酸化電流が流れる。この電流を測定することで、核酸の有無を検出することができる。核酸検出用の第２の電極を１つの溝部３当り２つ以上設置する場合には、それぞれ異なる電位を設定しておくことで、より精度の高い検出が可能になる。
【００３５】
上記のように、核酸抽出機構、核酸精製機構、核酸増幅機構などを集積化して核酸検出用システムを構成することが可能である。これらの機構を備えた核酸検出用システムを用いれば、核酸の抽出、増幅、検出などの一連の操作を全て自動的に行うことができる。
【００３６】
図６は、電気化学手法による検出感度の一例を示した図である。グアニン由来の信号を指標として検出感度を評価した結果、ｆｍｏｌオーダーの検出が可能であった。
このように、第２の電極４をグラファイトとすることで、核酸を効果的に検出できる。
また、図７は、ダイデオキシ反応を模式的に示した図である。鋳型ＤＮＡ１２と、プライマー１０と、ポリメラーゼ１３と、四種類のｄＮＴＰ１４と、ｄｄＡ１６とをチューブ１５内で混合して一定時間放置し、Ａ反応を行った。同様にＣ反応にはｄｄＣ、Ｇ反応にはｄｄＧ、Ｔ反応にはｄｄＴをそれぞれ添加してダイデオキシ反応を行った。これらのサンプルは別々のレーン（すなわち、図１における溝部３）で電気泳動を行った。
【００３７】
第１の実施形態から第３の実施形態に係る試料分離検出用チップを用いて、電気化学的塩基配列を決定する方法について説明する。ここでは、第１の実施形態に係る試料分離検出用チップを用いたものとして説明する。なお、検出回路は図４に示すものと等価回路であるものとする。なお、第２の電極４は、グラファイトであるものとする。
【００３８】
２枚のガラス板の間にアクリルアミドのゲルを作製し、ダイデオキシ反応後のサンプルを溝部３にロードし、第１の電極２ａ−２ｂ間に電源２ｃから１００Ｖの電圧をかけて電気泳動する。第２の電極４間には１．３Ｖの電位が電源４ａから印加されている。これにより、第２の電極４上を核酸が通過する際に、核酸中のグアニンが酸化されて電流が流れる。
【００３９】
図８は、上記のようにして測定して得られた電気信号の一例を示した図である。この信号からは、配列はＣＴＧＡＣＡＧＣＡと解読できる。
【００４０】
なお、核酸結合物質の電気信号を指標にしても、電気化学的に塩基配列を決定することができる。例えば、図５に示すような系で電気泳動の緩衝液としてコバルトビピリジル錯体１００μｍｏｌ／Ｌを添加しておき、第２の電極４間には０．８Ｖの電位を電源４ａから印加する。電位印加中は錯体の酸化反応に伴う定常電流が観察されるが、電極上を核酸９が通過する際に、錯体に由来する酸化電流値が減少する。図９は、その際の電流応答曲線の一例を示している。
【００４１】
核酸を検出するための電気化学的な手法は上記の方法に特に限定されるものではないが、クロノクーロメトリーが最も簡単に行うことができる。その他、ＤＣテクニックとしては、リニアスイープボルタンメトリー、サイクリックボルタンメトリー、パルスボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー、ストリッピングボルタンメトリー、アンペロメトリー、電流一定クロノポテンショメトリー等の手法が、またＡＣテクニックとしては三角波ボルタンメトリー、微分三角波ボルタンメトリー、デジタルＡＣボルタンメトリー、デジタルフェーズ選択ボルタンメトリー、デジタルセコンドハーモニックフェーズ選択ボルタンメトリー等も用いることができる。
【００４２】
また、上記のように電気化学的に核酸を検出するためには、塩基の酸化還元反応を利用することが可能である。例えば、前述したように核酸検出用の第２の電極にＢＰＰＧ電極を用いると、塩基のグアニン、アデニンはそれぞれ約１Ｖ、１．２Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）で酸化され、それに伴う酸化電流が流れる。この酸化電流をクロノクーロメトリーなどの手法で検出することで、核酸の有無を検出することが可能である。
【００４３】
また、核酸の検出に電気化学的に活性な核酸結合物質を用いることも可能である。本発明の実施形態で用いられる電気化学的に活性な核酸結合性物質はビオローゲン、ヘキスト３３２５８、ヘキスト３３３４２、ビスベンズイミダゾール、エチジュウム、エチジュウムブロマイド、アクリジン、アミノアクリジン、アクリジンオレンジ、プロフラビン、エリブチシン、アクチノマイシンＤ、ドーノマイシンマイトマイシン等が、また、トリス（フェナントロリン）亜鉛錯体、トリス（フェナントロリン）ルテニュウム錯体、トリス（フェナントロリン）コバルト錯体、ジ（フェナントロリン）亜鉛錯体、ジ（フェナントロリン）ルテニュウム錯体、ジ（フェナントロリン）コバルト錯体、ビピリジンプラチナ錯体、ターピリジンプラチナ錯体、フェナントロリンプラチナ錯体、トリス（ビピリジル）亜鉛錯体、トリス（ビピリジル）ルテニュウム錯体、トリス（ビピリジル）コバルト錯体、ジ（ビピリジル）亜鉛錯体、ジ（ビピリジル）ルテニュウム錯体、ジ（ビピリジル）コバルト錯体、フェロセンカルボン酸、フェロセンアルデヒド等のフェロセン誘導体、フェリ／フェロシアン化カリウム、ハイドロキノン等をあげることができる。これらの物質は溶液中で核酸と相互作用するので、電気泳動の際に核酸と共存させるだけで、電気化学的に核酸の有無を検出できる。この場合は、核酸結合物質の電気化学反応を指標にして核酸の有無を検出する。検出の為に予め核酸を標識する必要がないので、高価な試薬が不要であると共に、簡便な操作で塩基配列を決定することができる。
【００４４】
また、電気化学的に活性な核酸結合物質を用いる場合には、電気化学発光を指標にした検出も可能である。この場合には、第２の電極に一定電位を印加しておき、核酸結合物質が電極と接触すると、発光が観察される。この光を捉えることで、核酸の有無を検出することができる。電気化学発光を生じる核酸結合物質としては上述した核酸結合物質を用いることが可能である。この場合は、電気化学発光を捉える発光検出装置を付加する必要があるが、電気化学発光を測定する際は、トリプロピルアミンやジプロピルアミンなどのアミン類を共に添加しておくと非常に感度良く検出が可能になる。
【００４５】
なお、上記の各実施形態において、第１の電極２で電気泳動を行わせ、第２の電極４で試料（核酸）を検出するようにしているが、常時電圧を印加した状態では、第１の電極２に印加する電圧に比べて第２の電極４に印加する電圧が、非常に小さい（数百から数キロＶに対して数Ｖ）ので、検出値に雑音が混入する可能性がある。これを避けるために、測定中は、第１の電極２への電圧の印加を行わないように位相をずらすことが好ましい。この場合の、タイミングを図１０に示す。図１０では、その上段に電気泳動のパルス波形、下段に電気化学的測定のパルス波形の例を示している。
【００４６】
また、パルス状に電圧を印加するのではなく、核酸を電気化学的に検出する際に、電気泳動で印加している電位を、変化させることも有効である。例えば、通常の電気泳動の際には３００Ｖの電位を印加しておき、電気化学的に測定を行う際に、電気化学的測定に必要な電位以下、例えば１Ｖ以下にしても良い。このようにすることで、電気泳動用に印加された電圧の影響を測定時に受けることがほとんどなくなり、電気化学的な核酸測定の際の精度を向上させることができる。
【００４７】
本発明は、上記の発明の実施の形態に限定されるものではない。例えば、電気泳動の条件は特に限定されるものではないが、基板に微小流路をパターニングしたＤＮＡチップにすることで高速な分離検出が可能になる。その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるのは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、煩雑な標識工程を省くことができると共に、高価な試薬も不要になる。また、検出装置も安価な電気回路で作製できるので、従来よりも短時間で安く高感度に塩基配列を決定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図２】 本発明の第２の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図３】 本発明の第３の実施形態に係る試料分離検出用チップの概略構成を示す図。
【図４】 複数の試料を同時に検出するための回路例を示す図。
【図５】 グラファイト電極上に吸着固定化した牛胸腺ＤＮＡのサイクリックボルタモグラム。
【図６】 電気化学手法による検出感度の一例を示した図。
【図７】 ダイデオキシ反応を模式的に示した図。
【図８】 本発明の実施形態を適用して測定して得られた電気信号の一例を示した図。
【図９】 電流応答曲線の一例。
【図１０】 電気泳動のパルス波形と、電気化学的測定のパルス波形のタイミング例を示す図。
【符号の説明】
１…基板
１ｂ…第２の基板
１ａ…第１の基板
２、２ａ、２ｂ…電気泳動用電極（第１の電極）
２ｃ…電源
３…溝部
３ａ…電極
４…試料検出用電極（第２の電極）
４ａ…電源
５…試料導入部
６…穴部
Claims (4)
- 試料を電気泳動するための複数の溝部と試料導入部とが形成された第１の基板と、
前記複数の溝部に対して共通に第１の電圧を印加して、前記複数の溝部を使用して試料を電気泳動するための第１の電極対と、
電気泳動の下流であって、前記複数の溝部のそれぞれに対応して配置され、前記溝部に第２の電圧を印加して電気化学的に前記試料の有無を検出する複数の第２の電極対と、を具備し、
前記第１の電圧と前記第２の電圧の位相あるいは電圧印加のタイミングをずらすことを特徴とする試料分離検出用チップ。 - 前記第１の電圧と前記第２の電圧がそれぞれパルス状に印加されることを特徴とする請求項１に記載の試料分離検出用チップ。
- 電気泳動の下流であって、前記複数の溝部のそれぞれに対応して配置され、電気化学的に前記試料の有無を検出する前記複数の第２の電極対が第２の基板に形成され、
前記第１の基板と前記第２の基板が積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の試料分離検出用チップ。 - 試料を電気泳動するための複数の溝部と試料導入部とが形成された第１の基板と、
前記複数の溝部に対して共通に第１の電圧を印加して、前記複数の溝部を使用して試料を電気泳動するための第１の電極対と、
電気泳動の下流であって、前記複数の溝部のそれぞれに対応して配置され、前記試料に第２の電圧を印加して電気化学的に前記試料の有無を検出する複数の第２の電極対と、を具備し、
前記第２の電極対によって電気化学的に前記試料の有無を検出する際に、前記第１の電圧を所定の電圧以下に設定することを特徴とする試料分離検出用チップ。
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