JP3931047B2 - 積層型反応チップおよび積層型反応チップ用シート、積層型反応チップ集合体 - Google Patents
積層型反応チップおよび積層型反応チップ用シート、積層型反応チップ集合体 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡ分析や免疫学的解析等の生物学的解析をより容易にかつ安価に行うことを可能にした積層型反応チップおよび積層型反応チップ用シート、積層型反応チップ集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遺伝子工学分野における技術が急速に発展し、様々な遺伝子構造の解析が行われている。ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）は染色体を構成し、あらゆる細胞の核に存在する。ＤＮＡはアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ）という４種類の塩基と、デオキシリボースという糖と、リン酸の化合物で鎖状の巨大な分子を構成する。２本のＤＮＡ分子の間でＡとＴ、又はＧとＣが相補的塩基対を形成して、２重螺旋を構成し、このＤＮＡの塩基配列に蛋白質などの遺伝情報が含まれている。
【０００３】
従来より、遺伝子構造や抗体、エピトープ、蛋白質などの構造等を大量に効率的に解析するための解析ユニットとして反応チップと呼ばれるものがあり、とくに遺伝子構造の解析ユニットのみを指す場合にはＤＮＡチップという（一部はＤＮＡマイクロアレイともいう）。このＤＮＡチップは、一般的には、すでに塩基配列が解析されている１本の鎖状のＤＮＡ（プローブＤＮＡ）が、スライドガラス１３やメンブレンフィルム等の小さなシート材片面の複数の微小区分のそれぞれに１種類づつ載せられている（図１９参照）。ここに検査したい細胞や組織から抽出したＤＮＡを１本鎖にバラバラにし（試料ＤＮＡ）、それぞれ蛍光物質で標識を付けて流し込むと、チップ上で対になる塩基配列が組み合わさり（ハイブリダイゼーション）、目的のＤＮＡを特定する仕組みである。当てはまらないものは砂絵の砂のように流れ落ちる。特定には、チップを読み取り装置にかけ、光を照射することで、蛍光物質が赤や緑、橙色に発光するので、この光点をもとに判別する。ハイブリダイゼーションが起こるのはＤＮＡを構成する２本の塩基の鎖が相補的に結合する性質を持つためである。ＡとＴ、ＧとＣは互いに相補的な関係にあるため、チップ上に「ＣＡＧＴＣＧ」という釣り針（プローブ）があれば、そこには「ＧＴＣＡＧＣ」という魚が引っ掛かるという原理である。
【０００４】
上記のようなＤＮＡチップの用途は、遺伝病などの遺伝子診断やＤＮＡ指紋、親子鑑定といった個人識別、がんや糖尿病などの病気診断、薬効検査、創薬、動植物の品種改良、遺伝子組み換え食品などに対する食品検査など幅広い。しかし、一般的に行われている上記の蛍光物質を用いた蛍光色素法では、検出装置が大掛かりなものであるばかりでなく、採取した試料ＤＮＡを一旦検出装置のある施設まで運ばなければならないため即時的に判定することが出来ない。また、微弱な蛍光を読み取るため、感度が低く、検査の前処理として試料ＤＮＡをたくさん増やす作業も必要であった。
【０００５】
これらの問題を解決するため反応性物質を電極型センサに適用する方法が開示されている（特開平９−２８８０８０号公報）。すなわち、出力端子を備えた電極であって、反応性物質が固定された電極と試料ＤＮＡとを反応させ、反応後の電極の電流を測定することにより、反応性物質と試料ＤＮＡとで形成されるハイブリッドＤＮＡの存在を検出あるいはハイブリッドＤＮＡの量を測定する方法である。すなわち、導電性物質で修飾されたプローブＤＮＡが結合した電極を、試料ＤＮＡを含む検体溶液に導入することにより、プローブＤＮＡと相補的な配列を有する試料ＤＮＡがハイブリダイズし、ハイブリッドＤＮＡが形成される。このハイブリダイゼーションは、インターカレータの存在下で行なう。インターカレータは、ハイブリッドＤＮＡの層間に侵入し、一種の電荷移動錯体を形成する。ハイブリッドを形成しない場合、つまり一本鎖のままであれば、インターカレーションは起こらない。インターカレーションにより、電極に流れる電流量が変化する。この電流は、ハイブリダイズにより形成された二本鎖ＤＮＡにインターカレートしたインターカレータの酸化、還元によるものである。二本鎖ＤＮＡの形成の程度はインターカレートの程度として検出することができる。従って、この電流量を検出および／または測定することにより、ハイブリッドＤＮＡの存在が検出され、あるいはハイブリッドＤＮＡの量が測定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら電気化学的に検出するＤＮＡチップでも、前記蛍光色素法と同様にシート材片面の複数の微小区分のそれぞれに１種類づつ反応性物質１４を載せなければならない。また、他の反応チップの場合も同様である。現在主流となっている反応チップの作製方法としては、フォトリソグラフィーを利用したものやディスペンサーで反応性物質１４を滴下して形成する方法がある。
【０００７】
フォトリソグラフィーを利用した方法は、塩基を適する部分に逐次的に結合する方法で、工程が非常に複雑になってしまう。また、ディスペンサーを用いる方法は、予め目的とする反応性物質１４を採取、作製したものを針状のディスペンサーに浸し、ディスペンサーの先端に付着した反応性物質１４をシート材上の所定の位置に点状に塗布し、その後ディスペンサーを洗浄、乾燥させ、次の異なる種類の反応性物質１４に浸してシート材上のほかの所定位置に塗布するという操作を繰り返すことにより行うものである。とにかく、何れの作製方法でも、反応チップの価格は非常に高価になり、ＤＮＡの発現研究を促進する上で、また免疫学的解析を利用したスクリーニングへの応用に際して障害となっている。
【０００８】
このように、スライドガラス１３等の一枚のシート材上に多数の異なった種類の反応物質が塗布された従来の反応チップは、非常に多くの工程や精密性を必要とするため製造設備や製品自身が非常に高価になってしまう。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、上記の問題を解決することにあって、フォトリソグラフイー等の煩雑な製造工程を経ずに作成でき、より容易に且つ安価に作製及び使用できるＤＮＡマイクロアレイ等の反応チップを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサーにより形成されているように構成した。
【００１１】
また、上記構成において、上記各反応層について、空気層が形成された面と反対の面に浸透材層が形成されているようにした。
【００１２】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と一枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されているように構成した。
【００１３】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されているように構成した。
【００１４】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に空気層がスペーサーにより形成されているように構成した。
【００１５】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に浸透材層が形成されているように構成した。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１及び図２は本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図、図３は本発明に係る積層型反応チップの反応層のパターンの一実施例を示す平面図、図４〜６は本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図、図７及び図８は本発明に係る積層型反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図、図９は本発明に係る積層型反応チップの浸透材層の一実施例を示す図、図１０および図１１は本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図、図１２及び図１３は本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図、図１４は本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す斜視図、図１５及び図１６は本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図、図１７及び図１８は本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図、図２０は従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。なお、図１〜６は、スペーサー及び空気層、又は浸透材層が省略して描かれている。図中、１はシート材、２はリード線、３は反応層、３ａは反応部、３ｂは電極兼リード層、３ｃは電極、４は積層型反応チップ用シート、４ａは積層型反応チップ構成片、５はスペーサー、６は浸透材層、７は積層型反応チップ、８はリード層、９はコネクタ、１０は対極、１１は試料溶液、１２は積層型反応チップ集合体、１３はスライドガラス、１４は反応性物質、１５は電極突起、１６は基板をそれぞれ示す。
【００２８】
本発明の積層型反応チップ７は、反応性物質を含む複数層の反応層３と一枚のシート材１とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層３が一つ又は複数の反応部３ａを有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部３ａの端面を検出面とするものである（図１〜６参照）。
【００２９】
したがって、従来技術のように、シート材１の片面上の複数の微小区分にそれぞれ１種類づつ反応性物質を設けて検出面とする構成であれば、隣り合う反応部３ａが重複して検出面が消失しなないようにフォトリソグラフイー等の煩雑な製造工程を使用しなければならないところ、本発明は、積層された各反応部３ａの端面を検出面とする構成なので、印刷法等の簡単な手段を用いて反応層３を積層するだけで各反応部３ａの検出面を確保できる。つまり、煩雑な製造工程を経ずに作成でき、より容易に且つ安価にチップを作成することが可能なのである。
【００３０】
上記シート材１の材料は、反応チップの検出方式や反応層３の多層積層する方法によって適宜選択することができる。たとえば、電気化学測定によって検出を行う場合にはシート材１に絶縁性が求められるが、他の検出法では特に限定されない。また、シート材１を変形することによって反応層３を多層化する場合にはシート材１には変形性が求められる。
【００３１】
また、シート材１の厚さに関しては特に限定されるものではなく、反応物質の集積度、使用環境に併せて適宜選択できる。さらにシート材１の大きさは、シート材１表面上に設けられる反応部３ａの数等を考慮して適宜決定される。
【００３２】
シート材１としては、たとえば、ポリエチレン樹脂、エチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリスチレン樹脂、アセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、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、シリコーン樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリスルホン樹脂等の有機材料、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、窒化珪素等の無機材料などを使用することができる。
【００３３】
上記反応性物質の「反応性」とは、化学反応によりイオン結合や共有結合による化学構造などが変化する場合のみではなく、水素結合、配位結合、ファンデルワールス力、化学吸着、物理吸着等のその他の様式により、他の物質と結合した状況を作ることができる性質を意味する。そのような反応性物質としては、たとえばＤＮＡ断片を用いることができる。また、上記反応性物質としてＲＮＡ断片を用いることができる。また、上記反応性物質として抗体やエピトープも用いることができる。上記反応性物質としてたんぱく質を用いることもできる。なお、本発明で用いることのできる反応性物質は上記したものに限定されない。
【００３４】
なお、上記反応層３について、各反応部３ａの反応性物質どうしは、反応チップの用途に応じて同種又は異種の物質である。また、反応性物質は、反応性物質単独でも反応層３とすることができるが、必要により、適当な溶媒に反応性物質を溶解又は分散し、この溶液又は分散液を所定の箇所に付着させて反応層３とすることもできる。反応性物質を溶解又は分散する溶媒は、反応性物質との相性や反応層３を形成する対象表面との親和性、反応層３の形成手段、反応チップの用途等を考慮して適宜選択できる。
【００３５】
また、上記各反応層３間には、隔離層を挟んでもよい。隔離層を設けることによるメリットとしては、例えば反応チップが蛍光発光方式のＤＮＡマイクロアレイの場合には、隣り合う検出面どうしが離れるため、蛍光が互いに干渉しあうのを抑えることができる点が挙げられる。また、反応チップが電気化学的方式のＤＮＡマイクロアレイの場合には、隔離層として絶縁性の材料を用いることにより、隣り合う反応層３の検出信号が混同されるのを防ぐことができる。樹脂をハケ塗りしたり、スクリーン印刷やグラビア印刷することにより形成してもよいし、前記したのと同様のシート材１を用いてもよい（図２参照）。シート材１を用いる場合、塗布層や印刷層と比較してピンホールなどが生じる恐れがないため、隔離性能が増すという点でより好ましい。
【００３６】
シート材１を隔離層として用いる場合の反応チップの積層構造の一例を以下に示す。
【００３７】
たとえば、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、複数枚のシート材１を積み重ねたものとし、各シート材１間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成することができる（図４参照）。
【００３８】
この積層体の製造には、大判又は長尺のシート材１上に反応性物質を含む反応層３が一つ又は複数の反応部３ａを有するパターンで単層形成されている積層型反応チップ用シート４を用いるのが好ましい。何故なら、図１０に示すように、予め大きなサイズで作製し準備しておき、それを所望の大きさに適宜切断、組合せることも可能である。これによりカスタマイズが容易に出来るようになる他に、生産効率が上がる効果が見込まれる。
【００３９】
また、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、一枚のシート材１を経本状に複数回折り重ねたものとし、シート材１の各回の折り重ね部分間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成してもよい（図５参照）。こうすることにより、シート材１を複数枚用意しなくても積層体を得ることができる。この場合のシート材１の材料は、先に示した材料の中から、反応層３をしっかりと支持できるだけの強度を有しながら、且つ折り重ねも可能な材料を用いる。たとえば、前記した樹脂からなるシート材１のうち、厚み５０〜３００μｍ程度のフィルムを用いるとよい。
【００４０】
また、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、一枚のシート材１を巻物状に複数回巻き重ねたものとし、シート材１の各回の巻き重ね部分間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成してもよい（図６参照）。こうすることにより、シート材１を複数枚用意しなくても積層体を得ることができる。この場合のシート材１の材料は、先に示した材料の中から、反応層３をしっかりと支持できるだけの強度を有しながら、且つ巻き重ねも可能な材料を用いる。たとえば、上記折り重ねタイプの積層型反応チップ７と同様の材料を用いることができる。なお、巻物状とは図６に示した円柱状の他、多角柱状や円錐状等でもよい。
【００４１】
また、本発明の積層型反応チップ７においては、上記各反応層３が複数の反応部３ａを有するパターンで形成されるようにしてもよい（図３〜６参照）。たとえば、前記の複数枚のシート材１を積み重ねる場合であれば、反応層３を各シート材１間につき複数のパターンで形成する。また、前記の一枚のシート材１を経本状に複数回折り重ねる場合であれば、反応層３をシート材１の各回の折り重ね部分間につき複数のパターンで形成し、前記の一枚のシート材１を巻物状に複数回巻き重ねる場合であれば、反応層３をシート材１の各回の巻き重ね部分間につき複数のパターンで形成する。複数の反応部３ａを有するパターンで形成することにより、集積度を高めることができる。集積度が高まれば、試料の消費量を少なくすることができる。パターン化の方法としては、印刷法やディスペンサー法などを利用するとよい。たとえば反応部３ａ毎に反応性物質が異なる場合は、スクリーン印刷を例にとって挙げてみると、１つの帯状のパターンが形成されたマスクを複数用意しておき、前のパターンに重ならないように順次異なった反応性物質を印刷していけば良い。また、反応性物質が固定化された積層型反応チップ用シート４をリボン状など適当な大きさに切断して積層型反応チップ構成片４ａを得た後、別シートにこれら異なる複数の積層型反応チップ構成片４ａを貼り合わせるようにしてもよい（図１１参照）。この場合、積層型反応チップ構成片４ａは、反応層３が一つの反応部３ａを有するパターンで形成されていてもよいし、反応層３が複数の反応部３ａを有するパターンで形成されていてもよい。また、複数の反応部３ａを有するパターンで形成される場合、複数の反応部３ａが同一の反応性物質からなるものでも、異なる反応性物質からなるものでもよい。
【００４２】
本発明の積層型反応チップ７は、反応性物質としてＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含む所謂ＤＮＡマイクロアレイとして構成する場合、種々の検出方式をとることができる。たとえば、蛍光検出方式や、電気化学的検出方式等である。この中でより好ましくは、大掛かりな検出装置を必要とせず即時的に判定することが出来、また蛍光検出方式よりも感度がはるかに高い電気化学的検出方式である。
【００４３】
この電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイの場合も、積層構造をとる本発明は、従来の電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイと比べて優れている。その理由を以下に示す。従来の電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイは、基板１６にスルーホールを開けて表面の反応性物質１４を付けた電極突起１５と裏面のリード線２とを接続しなければならない（図２０参照）。そのため、スルーホールを開ける作業や電極突起１５とスルーホールとのアライメント作業等などの面倒な作業が必要である。これに対して、本発明における電気化学的方式ＤＮＡマイクロアレイは、たとえば、上記各隔離層がシート材１である構成において、上記各シート材１が絶縁材料であり、上記各反応層３が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記各反応部３ａがそれぞれ電極兼リード層３ｂの働きをするように構成することができる（図１２参照）。そのため、スルーホールを開ける作業や電極突起１５とスルーホールとのアライメント作業等の面倒な作業が不要である。
【００４４】
電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイに用いるシート材１は、絶縁性が要求される。この絶縁性シート材１としては、前記した有機材料や無機絶縁材料などの中から、積層方式等に応じて適宜選択して使用すればよい。たとえば、前記のシート材１を経本状に複数回折り重ねたり、巻物状に複数回巻き重ねたりする場合には、加工しやすい材料を選択して使用する。また、絶縁性のシート材１としては、導電体に絶縁層をコーティングしたものを用いることもできる。
【００４５】
電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイの反応層３に用いる、ＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を修飾する導電性物質としては、ＤＮＡマイクロアレイの技術分野で公知のものを用いればよく、特に限定されない。
【００４６】
ところで、本発明の積層型反応チップ７は、最初に述べたように、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部３ａの端面を検出面とするものである。しかし、検出面は、反応部３ａの端面のみに限定されるものではない。反応部３ａ（反応層３）が積層された構造をとる本発明においては、その積層構造故に、従来の反応チップに比べてより広い検出面を確保できる可能性を有している。すなわち、反応層３の積層方向の面である。検出面積の拡大は、その分だけ検出の感度を向上させることができるというメリットがある。反応層３の積層方向の面を検出面とするための手段としては、たとえば、上記各隔離層がシート材１である構成において、上記各反応層３について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサー５により形成されているようにする（図７，図８参照）。このように構成することにより、試料溶液１１が、反応部３ａの端面に接触するのみならず、空気層内に進入して反応層３の積層方向の面にも接触する。スペーサー５の材料としては、樹脂、金属、紙等などを用いることができるが、試料溶液１１が進入できるだけのサイズの空気層を形成できればこれに限定されない。スペーサー５の形成方法としては、スクリーン印刷法等の一般の印刷法を用いればよいが、これに限定されるものではない。たとえば、無機物や有機物からなる粒子の分散液を噴霧、または塗布して乾燥することによってもよい。
【００４７】
また、反応層３の積層方向の面を検出面とするための別の手段としては、上記各反応層３について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層６が形成されているようにすることができる（図９参照）。このように構成することにより、試料溶液１１が、反応部３ａの端面に接触するのみならず、浸透材層６内に浸入して反応層３の積層方向の面にも接触する。この浸透材層６を用いる手段は、スペーサー５による空気層形成と異なり、上記各隔離層がシート材１である構成に限定されない。隔離層が塗布層や印刷層の場合でも適用できる。また、隔離層と浸透材層６を兼用させてることもできる。このような浸透材層６の材料としては、吸水性ポリマーがある。代表的な吸水性ポリマーとしては、デンプン系、セルロース系、ポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール系などがある。また、アガロースなどのゲル、紙（和紙）等の天然高分子も浸透材層６に用いることができる。また、多孔質材料を浸透材層６に用いることもできる。多孔質材料には、通過可能な細孔分布をもった各種多孔質性樹脂や、ニッケル、タンタル、チタン、白金、銅等の金属又はＣｕ−Ｓｎ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ等の合金などの各種焼結金属材料を所望の細孔分布をもつように粒子径を選んで焼結成形した焼結金属体や、所望の細孔分布をもつように粒子径を選んで焼結させた多孔質性シリカ、多孔質性マグネシア、多孔質性アルミナ等の各種多孔質性セラミックス体がある。浸透材層６の形成方法としては、上記吸水性ポリマーや上記各種多孔質性樹脂の場合には、公知の塗布法やスクリーン印刷法等などがある。また、アガロースなどのゲル、紙（和紙）、焼結金属体、多孔質性セラミックス体等の場合には、これらを重ねて配置し、必要に応じてシート材１又は反応層３上に部分接着させる。
【００４８】
また、上記浸透材層６の形成とスペーサー５による空気層の形成とは共に用いることもできる。たとえば、上記各反応層３について、空気層が形成された面と反対の面に浸透材層６を形成するようにする。
【００４９】
また、本発明のＤＮＡマイクロアレイは、反応部３ａがそれぞれリード層８を兼用していなくてもよい。すなわち、本発明の積層型反応チップ７は、上記各シート材１が絶縁材料であり、上記各反応層３が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、これら反応物質の導電性が低い場合には検出信号がコネクタにより外部に出力されるまでの間に減衰することを防ぐために、上記各反応部３ａがそれぞれ電極の働きをし且つ各電極３ｃの積層方向の面のうちいずれか一方に反応層３より導電性の高いリード層８が接続されているように構成してもよい（図１３参照）。上記の専用リード層８の材料としては、銀ペースト、銅ペースト等を用いることができる。
【００５０】
また、電極３ｃに別途リード層８を接続する上記ＤＮＡマイクロアレイについて前記の検出面積の拡大を図る場合、リード層８と電極３ｃの接続を確実にする必要があるため、上記各反応層３からなる電極３ｃについて、リード層８が接続された面と反対の面に前記したスペーサー５による空気層を形成する。あるいは、上記各反応層３からなる電極３ｃについて、リード層８が接続された面と反対の面に前記した浸透材層６を形成する。
【００５１】
図１４〜１６は電気化学的検出方式を示す。本発明のＤＮＡマイクロアレイ（作用電極）を対極１０と共に試料溶液１１に検出面を浸漬させて検出を行ったり（図１５参照）、本発明のＤＮＡマイクロアレイ（作用電極）を対極１０と共に並べその検出面に試料溶液１１を滴下して検出を行ったり（図１６参照）する方法がある。また、さらに参照電極を用いるとより確実な検出が行える。これら対極１０および参照電極は、反応層３からなる電極３ｃとともに積層体中に設けることもできる。
【００５２】
なお、以上の積層型反応チップ７は、１個づつ積層して得てもよいが、大判のシート材１を用い、多数個取りで反応層３を積層して積層型反応チップ集合体１２を製造した後、必要なときに分割することによって前記した積層型反応チップ７を得てもよい（図１７，図１８参照）。積層型反応チップ集合体１２から積層型反応チップ７を得る場合、大量生産ができる点で、１個づつ積層する場合よりも好ましい。
【００５３】
【実施例】
＜実施例１＞
厚み１００μｍ、３ｃｍ角のプラスチックフィルムからなるシート材上に、銀ペーストを用いスクリーン印刷法にてシート材の対向する二辺に平行な帯状パターンを１本形成し、１８０℃、３０分の条件で焼成して検出信号を外部に送信するための幅２ｍｍ、長さ３ｍｍ、厚み２０μｍのリード層とした。次に、反応性物質として「ポリグアニリック酸ナトリウム塩（POLYGUANYLIC ACID potassium salt）」（SIGMA社製）を用い、過マンガン酸カリウムで酸化したグラシーカーボンにより修飾したものを石油系溶剤「ソルベッソ１５０」（東永産業株式会社製）及びアクリル系樹脂「タイナールBR-83」（三菱レイヨン社製）にて溶解し、この溶液を用い上記リード層上にスクリーン印刷した後、８０℃３０分の条件で焼成して幅３．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、の反応層をリード層と合わせて厚みが４０μｍとなるように一層形成し、これを電極とした。次いで、上記リード層のパターンに平行なシート材の二辺に、アクリル系樹脂を用いスクリーン印刷にて幅４ｍｍ、厚み７５μｍのスペーサーをそれぞれ形成した。
【００５４】
一方、他種類の反応性物質「カーフシーマス一本鎖DNA（CALF THYMUS DNA single stranded）」（SIGMA社製）についても同様にした。
【００５５】
最後にこれら２種類のシートを反応層どうしがシート材で隔離され且つリード層の出力端が同じ方向になるように揃えて積層し、ナイロン系の接着剤を用いスペーサー部分にて貼り合わせて積層型反応チップを得た。
【００５６】
このようにして作製したものを作用電極とし、白金の参照電極と共に、試料ＤＮＡ「ポリシティディリック酸ナトリウム塩（POLYCYTIDYLIC ACID potassium salt）」（SIGMA社製）及びインターカレーターとしてのトリス（1,10フェナントロリン）コバルト（III）塩を試料溶液に浸漬した後、両電極の酸化還元電位を測定し、一方の反応層について生じた反応から試料ＤＮＡが検出できていることを確認した。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の積層型反応チップは、以上のような構成からなるので、次の効果が奏される。
【００５８】
すなわち、反応性物質を含む複数層の反応層と一枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とするので、印刷法等の簡単な手段で反応層を積層するだけで各反応部の検出面を確保できる。したがって、フォトリソグラフィーやディスペンサーのような煩雑な工程や大規模の設備を要することなく、ＤＮＡ断片などの反応性物質を多種類形成された検出デバイスを容易に且つ安価に提供することが出来る。
また、上記各反応層について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサーにより形成、あるいは浸透材層が形成されているようにすることにより、試料溶液が、反応部の端面に接触するのみならず、空気層又は浸透材層内に進入して反応層の積層方向の面にも接触するようにし、従来の反応チップに比べて広い検出面を確保でき、その結果、検出の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る積層型反応チップの反応層のパターンの一実施例を示す平面図である。
【図４】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図７】本発明に係る反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る積層型反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図である。
【図９】本発明に係る積層型反応チップの浸透材層の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図である。
【図１１】本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図である。
【図１２】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図である。
【図１４】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す斜視図である。
【図１５】本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図である。
【図１６】本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図である。
【図１７】本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図である。
【図１８】本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図である。
【図１９】従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図２０】従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ シート材
２ リード線
３ 反応層
３ａ 反応部
３ｂ 電極兼リード層
３ｃ 電極
４ 積層型反応チップ用シート
４ａ 積層型反応チップ構成片
５ スペーサー
６ 浸透材層
７ 積層型反応チップ
８ リード層
９ コネクタ
１０ 対極
１１ 試料溶液
１２ 積層型反応チップ集合体
１３ スライドガラス
１４ 反応性物質
１５ 電極突起
１６ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＮＡ分析や免疫学的解析等の生物学的解析をより容易にかつ安価に行うことを可能にした積層型反応チップおよび積層型反応チップ用シート、積層型反応チップ集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遺伝子工学分野における技術が急速に発展し、様々な遺伝子構造の解析が行われている。ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）は染色体を構成し、あらゆる細胞の核に存在する。ＤＮＡはアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ）という４種類の塩基と、デオキシリボースという糖と、リン酸の化合物で鎖状の巨大な分子を構成する。２本のＤＮＡ分子の間でＡとＴ、又はＧとＣが相補的塩基対を形成して、２重螺旋を構成し、このＤＮＡの塩基配列に蛋白質などの遺伝情報が含まれている。
【０００３】
従来より、遺伝子構造や抗体、エピトープ、蛋白質などの構造等を大量に効率的に解析するための解析ユニットとして反応チップと呼ばれるものがあり、とくに遺伝子構造の解析ユニットのみを指す場合にはＤＮＡチップという（一部はＤＮＡマイクロアレイともいう）。このＤＮＡチップは、一般的には、すでに塩基配列が解析されている１本の鎖状のＤＮＡ（プローブＤＮＡ）が、スライドガラス１３やメンブレンフィルム等の小さなシート材片面の複数の微小区分のそれぞれに１種類づつ載せられている（図１９参照）。ここに検査したい細胞や組織から抽出したＤＮＡを１本鎖にバラバラにし（試料ＤＮＡ）、それぞれ蛍光物質で標識を付けて流し込むと、チップ上で対になる塩基配列が組み合わさり（ハイブリダイゼーション）、目的のＤＮＡを特定する仕組みである。当てはまらないものは砂絵の砂のように流れ落ちる。特定には、チップを読み取り装置にかけ、光を照射することで、蛍光物質が赤や緑、橙色に発光するので、この光点をもとに判別する。ハイブリダイゼーションが起こるのはＤＮＡを構成する２本の塩基の鎖が相補的に結合する性質を持つためである。ＡとＴ、ＧとＣは互いに相補的な関係にあるため、チップ上に「ＣＡＧＴＣＧ」という釣り針（プローブ）があれば、そこには「ＧＴＣＡＧＣ」という魚が引っ掛かるという原理である。
【０００４】
上記のようなＤＮＡチップの用途は、遺伝病などの遺伝子診断やＤＮＡ指紋、親子鑑定といった個人識別、がんや糖尿病などの病気診断、薬効検査、創薬、動植物の品種改良、遺伝子組み換え食品などに対する食品検査など幅広い。しかし、一般的に行われている上記の蛍光物質を用いた蛍光色素法では、検出装置が大掛かりなものであるばかりでなく、採取した試料ＤＮＡを一旦検出装置のある施設まで運ばなければならないため即時的に判定することが出来ない。また、微弱な蛍光を読み取るため、感度が低く、検査の前処理として試料ＤＮＡをたくさん増やす作業も必要であった。
【０００５】
これらの問題を解決するため反応性物質を電極型センサに適用する方法が開示されている（特開平９−２８８０８０号公報）。すなわち、出力端子を備えた電極であって、反応性物質が固定された電極と試料ＤＮＡとを反応させ、反応後の電極の電流を測定することにより、反応性物質と試料ＤＮＡとで形成されるハイブリッドＤＮＡの存在を検出あるいはハイブリッドＤＮＡの量を測定する方法である。すなわち、導電性物質で修飾されたプローブＤＮＡが結合した電極を、試料ＤＮＡを含む検体溶液に導入することにより、プローブＤＮＡと相補的な配列を有する試料ＤＮＡがハイブリダイズし、ハイブリッドＤＮＡが形成される。このハイブリダイゼーションは、インターカレータの存在下で行なう。インターカレータは、ハイブリッドＤＮＡの層間に侵入し、一種の電荷移動錯体を形成する。ハイブリッドを形成しない場合、つまり一本鎖のままであれば、インターカレーションは起こらない。インターカレーションにより、電極に流れる電流量が変化する。この電流は、ハイブリダイズにより形成された二本鎖ＤＮＡにインターカレートしたインターカレータの酸化、還元によるものである。二本鎖ＤＮＡの形成の程度はインターカレートの程度として検出することができる。従って、この電流量を検出および／または測定することにより、ハイブリッドＤＮＡの存在が検出され、あるいはハイブリッドＤＮＡの量が測定される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら電気化学的に検出するＤＮＡチップでも、前記蛍光色素法と同様にシート材片面の複数の微小区分のそれぞれに１種類づつ反応性物質１４を載せなければならない。また、他の反応チップの場合も同様である。現在主流となっている反応チップの作製方法としては、フォトリソグラフィーを利用したものやディスペンサーで反応性物質１４を滴下して形成する方法がある。
【０００７】
フォトリソグラフィーを利用した方法は、塩基を適する部分に逐次的に結合する方法で、工程が非常に複雑になってしまう。また、ディスペンサーを用いる方法は、予め目的とする反応性物質１４を採取、作製したものを針状のディスペンサーに浸し、ディスペンサーの先端に付着した反応性物質１４をシート材上の所定の位置に点状に塗布し、その後ディスペンサーを洗浄、乾燥させ、次の異なる種類の反応性物質１４に浸してシート材上のほかの所定位置に塗布するという操作を繰り返すことにより行うものである。とにかく、何れの作製方法でも、反応チップの価格は非常に高価になり、ＤＮＡの発現研究を促進する上で、また免疫学的解析を利用したスクリーニングへの応用に際して障害となっている。
【０００８】
このように、スライドガラス１３等の一枚のシート材上に多数の異なった種類の反応物質が塗布された従来の反応チップは、非常に多くの工程や精密性を必要とするため製造設備や製品自身が非常に高価になってしまう。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、上記の問題を解決することにあって、フォトリソグラフイー等の煩雑な製造工程を経ずに作成でき、より容易に且つ安価に作製及び使用できるＤＮＡマイクロアレイ等の反応チップを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサーにより形成されているように構成した。
【００１１】
また、上記構成において、上記各反応層について、空気層が形成された面と反対の面に浸透材層が形成されているようにした。
【００１２】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と一枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されているように構成した。
【００１３】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されているように構成した。
【００１４】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に空気層がスペーサーにより形成されているように構成した。
【００１５】
また、本発明は、反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に浸透材層が形成されているように構成した。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１及び図２は本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図、図３は本発明に係る積層型反応チップの反応層のパターンの一実施例を示す平面図、図４〜６は本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図、図７及び図８は本発明に係る積層型反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図、図９は本発明に係る積層型反応チップの浸透材層の一実施例を示す図、図１０および図１１は本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図、図１２及び図１３は本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図、図１４は本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す斜視図、図１５及び図１６は本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図、図１７及び図１８は本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図、図２０は従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。なお、図１〜６は、スペーサー及び空気層、又は浸透材層が省略して描かれている。図中、１はシート材、２はリード線、３は反応層、３ａは反応部、３ｂは電極兼リード層、３ｃは電極、４は積層型反応チップ用シート、４ａは積層型反応チップ構成片、５はスペーサー、６は浸透材層、７は積層型反応チップ、８はリード層、９はコネクタ、１０は対極、１１は試料溶液、１２は積層型反応チップ集合体、１３はスライドガラス、１４は反応性物質、１５は電極突起、１６は基板をそれぞれ示す。
【００２８】
本発明の積層型反応チップ７は、反応性物質を含む複数層の反応層３と一枚のシート材１とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層３が一つ又は複数の反応部３ａを有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部３ａの端面を検出面とするものである（図１〜６参照）。
【００２９】
したがって、従来技術のように、シート材１の片面上の複数の微小区分にそれぞれ１種類づつ反応性物質を設けて検出面とする構成であれば、隣り合う反応部３ａが重複して検出面が消失しなないようにフォトリソグラフイー等の煩雑な製造工程を使用しなければならないところ、本発明は、積層された各反応部３ａの端面を検出面とする構成なので、印刷法等の簡単な手段を用いて反応層３を積層するだけで各反応部３ａの検出面を確保できる。つまり、煩雑な製造工程を経ずに作成でき、より容易に且つ安価にチップを作成することが可能なのである。
【００３０】
上記シート材１の材料は、反応チップの検出方式や反応層３の多層積層する方法によって適宜選択することができる。たとえば、電気化学測定によって検出を行う場合にはシート材１に絶縁性が求められるが、他の検出法では特に限定されない。また、シート材１を変形することによって反応層３を多層化する場合にはシート材１には変形性が求められる。
【００３１】
また、シート材１の厚さに関しては特に限定されるものではなく、反応物質の集積度、使用環境に併せて適宜選択できる。さらにシート材１の大きさは、シート材１表面上に設けられる反応部３ａの数等を考慮して適宜決定される。
【００３２】
シート材１としては、たとえば、ポリエチレン樹脂、エチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイソブチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリスチレン樹脂、アセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、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、シリコーン樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリスルホン樹脂等の有機材料、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、窒化珪素等の無機材料などを使用することができる。
【００３３】
上記反応性物質の「反応性」とは、化学反応によりイオン結合や共有結合による化学構造などが変化する場合のみではなく、水素結合、配位結合、ファンデルワールス力、化学吸着、物理吸着等のその他の様式により、他の物質と結合した状況を作ることができる性質を意味する。そのような反応性物質としては、たとえばＤＮＡ断片を用いることができる。また、上記反応性物質としてＲＮＡ断片を用いることができる。また、上記反応性物質として抗体やエピトープも用いることができる。上記反応性物質としてたんぱく質を用いることもできる。なお、本発明で用いることのできる反応性物質は上記したものに限定されない。
【００３４】
なお、上記反応層３について、各反応部３ａの反応性物質どうしは、反応チップの用途に応じて同種又は異種の物質である。また、反応性物質は、反応性物質単独でも反応層３とすることができるが、必要により、適当な溶媒に反応性物質を溶解又は分散し、この溶液又は分散液を所定の箇所に付着させて反応層３とすることもできる。反応性物質を溶解又は分散する溶媒は、反応性物質との相性や反応層３を形成する対象表面との親和性、反応層３の形成手段、反応チップの用途等を考慮して適宜選択できる。
【００３５】
また、上記各反応層３間には、隔離層を挟んでもよい。隔離層を設けることによるメリットとしては、例えば反応チップが蛍光発光方式のＤＮＡマイクロアレイの場合には、隣り合う検出面どうしが離れるため、蛍光が互いに干渉しあうのを抑えることができる点が挙げられる。また、反応チップが電気化学的方式のＤＮＡマイクロアレイの場合には、隔離層として絶縁性の材料を用いることにより、隣り合う反応層３の検出信号が混同されるのを防ぐことができる。樹脂をハケ塗りしたり、スクリーン印刷やグラビア印刷することにより形成してもよいし、前記したのと同様のシート材１を用いてもよい（図２参照）。シート材１を用いる場合、塗布層や印刷層と比較してピンホールなどが生じる恐れがないため、隔離性能が増すという点でより好ましい。
【００３６】
シート材１を隔離層として用いる場合の反応チップの積層構造の一例を以下に示す。
【００３７】
たとえば、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、複数枚のシート材１を積み重ねたものとし、各シート材１間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成することができる（図４参照）。
【００３８】
この積層体の製造には、大判又は長尺のシート材１上に反応性物質を含む反応層３が一つ又は複数の反応部３ａを有するパターンで単層形成されている積層型反応チップ用シート４を用いるのが好ましい。何故なら、図１０に示すように、予め大きなサイズで作製し準備しておき、それを所望の大きさに適宜切断、組合せることも可能である。これによりカスタマイズが容易に出来るようになる他に、生産効率が上がる効果が見込まれる。
【００３９】
また、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、一枚のシート材１を経本状に複数回折り重ねたものとし、シート材１の各回の折り重ね部分間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成してもよい（図５参照）。こうすることにより、シート材１を複数枚用意しなくても積層体を得ることができる。この場合のシート材１の材料は、先に示した材料の中から、反応層３をしっかりと支持できるだけの強度を有しながら、且つ折り重ねも可能な材料を用いる。たとえば、前記した樹脂からなるシート材１のうち、厚み５０〜３００μｍ程度のフィルムを用いるとよい。
【００４０】
また、本発明の積層型反応チップ７は、上記各隔離層がシート材１である構成において、一枚のシート材１を巻物状に複数回巻き重ねたものとし、シート材１の各回の巻き重ね部分間につき一層の反応層３が存在しているように積層体を構成してもよい（図６参照）。こうすることにより、シート材１を複数枚用意しなくても積層体を得ることができる。この場合のシート材１の材料は、先に示した材料の中から、反応層３をしっかりと支持できるだけの強度を有しながら、且つ巻き重ねも可能な材料を用いる。たとえば、上記折り重ねタイプの積層型反応チップ７と同様の材料を用いることができる。なお、巻物状とは図６に示した円柱状の他、多角柱状や円錐状等でもよい。
【００４１】
また、本発明の積層型反応チップ７においては、上記各反応層３が複数の反応部３ａを有するパターンで形成されるようにしてもよい（図３〜６参照）。たとえば、前記の複数枚のシート材１を積み重ねる場合であれば、反応層３を各シート材１間につき複数のパターンで形成する。また、前記の一枚のシート材１を経本状に複数回折り重ねる場合であれば、反応層３をシート材１の各回の折り重ね部分間につき複数のパターンで形成し、前記の一枚のシート材１を巻物状に複数回巻き重ねる場合であれば、反応層３をシート材１の各回の巻き重ね部分間につき複数のパターンで形成する。複数の反応部３ａを有するパターンで形成することにより、集積度を高めることができる。集積度が高まれば、試料の消費量を少なくすることができる。パターン化の方法としては、印刷法やディスペンサー法などを利用するとよい。たとえば反応部３ａ毎に反応性物質が異なる場合は、スクリーン印刷を例にとって挙げてみると、１つの帯状のパターンが形成されたマスクを複数用意しておき、前のパターンに重ならないように順次異なった反応性物質を印刷していけば良い。また、反応性物質が固定化された積層型反応チップ用シート４をリボン状など適当な大きさに切断して積層型反応チップ構成片４ａを得た後、別シートにこれら異なる複数の積層型反応チップ構成片４ａを貼り合わせるようにしてもよい（図１１参照）。この場合、積層型反応チップ構成片４ａは、反応層３が一つの反応部３ａを有するパターンで形成されていてもよいし、反応層３が複数の反応部３ａを有するパターンで形成されていてもよい。また、複数の反応部３ａを有するパターンで形成される場合、複数の反応部３ａが同一の反応性物質からなるものでも、異なる反応性物質からなるものでもよい。
【００４２】
本発明の積層型反応チップ７は、反応性物質としてＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含む所謂ＤＮＡマイクロアレイとして構成する場合、種々の検出方式をとることができる。たとえば、蛍光検出方式や、電気化学的検出方式等である。この中でより好ましくは、大掛かりな検出装置を必要とせず即時的に判定することが出来、また蛍光検出方式よりも感度がはるかに高い電気化学的検出方式である。
【００４３】
この電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイの場合も、積層構造をとる本発明は、従来の電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイと比べて優れている。その理由を以下に示す。従来の電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイは、基板１６にスルーホールを開けて表面の反応性物質１４を付けた電極突起１５と裏面のリード線２とを接続しなければならない（図２０参照）。そのため、スルーホールを開ける作業や電極突起１５とスルーホールとのアライメント作業等などの面倒な作業が必要である。これに対して、本発明における電気化学的方式ＤＮＡマイクロアレイは、たとえば、上記各隔離層がシート材１である構成において、上記各シート材１が絶縁材料であり、上記各反応層３が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記各反応部３ａがそれぞれ電極兼リード層３ｂの働きをするように構成することができる（図１２参照）。そのため、スルーホールを開ける作業や電極突起１５とスルーホールとのアライメント作業等の面倒な作業が不要である。
【００４４】
電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイに用いるシート材１は、絶縁性が要求される。この絶縁性シート材１としては、前記した有機材料や無機絶縁材料などの中から、積層方式等に応じて適宜選択して使用すればよい。たとえば、前記のシート材１を経本状に複数回折り重ねたり、巻物状に複数回巻き重ねたりする場合には、加工しやすい材料を選択して使用する。また、絶縁性のシート材１としては、導電体に絶縁層をコーティングしたものを用いることもできる。
【００４５】
電気化学的検出方式のＤＮＡマイクロアレイの反応層３に用いる、ＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を修飾する導電性物質としては、ＤＮＡマイクロアレイの技術分野で公知のものを用いればよく、特に限定されない。
【００４６】
ところで、本発明の積層型反応チップ７は、最初に述べたように、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部３ａの端面を検出面とするものである。しかし、検出面は、反応部３ａの端面のみに限定されるものではない。反応部３ａ（反応層３）が積層された構造をとる本発明においては、その積層構造故に、従来の反応チップに比べてより広い検出面を確保できる可能性を有している。すなわち、反応層３の積層方向の面である。検出面積の拡大は、その分だけ検出の感度を向上させることができるというメリットがある。反応層３の積層方向の面を検出面とするための手段としては、たとえば、上記各隔離層がシート材１である構成において、上記各反応層３について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサー５により形成されているようにする（図７，図８参照）。このように構成することにより、試料溶液１１が、反応部３ａの端面に接触するのみならず、空気層内に進入して反応層３の積層方向の面にも接触する。スペーサー５の材料としては、樹脂、金属、紙等などを用いることができるが、試料溶液１１が進入できるだけのサイズの空気層を形成できればこれに限定されない。スペーサー５の形成方法としては、スクリーン印刷法等の一般の印刷法を用いればよいが、これに限定されるものではない。たとえば、無機物や有機物からなる粒子の分散液を噴霧、または塗布して乾燥することによってもよい。
【００４７】
また、反応層３の積層方向の面を検出面とするための別の手段としては、上記各反応層３について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層６が形成されているようにすることができる（図９参照）。このように構成することにより、試料溶液１１が、反応部３ａの端面に接触するのみならず、浸透材層６内に浸入して反応層３の積層方向の面にも接触する。この浸透材層６を用いる手段は、スペーサー５による空気層形成と異なり、上記各隔離層がシート材１である構成に限定されない。隔離層が塗布層や印刷層の場合でも適用できる。また、隔離層と浸透材層６を兼用させてることもできる。このような浸透材層６の材料としては、吸水性ポリマーがある。代表的な吸水性ポリマーとしては、デンプン系、セルロース系、ポリアクリル酸塩系、ポリビニルアルコール系などがある。また、アガロースなどのゲル、紙（和紙）等の天然高分子も浸透材層６に用いることができる。また、多孔質材料を浸透材層６に用いることもできる。多孔質材料には、通過可能な細孔分布をもった各種多孔質性樹脂や、ニッケル、タンタル、チタン、白金、銅等の金属又はＣｕ−Ｓｎ、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｆｅ−Ｃ、Ｆｅ−Ｃｕ、Ｆｅ−Ｃ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕ等の合金などの各種焼結金属材料を所望の細孔分布をもつように粒子径を選んで焼結成形した焼結金属体や、所望の細孔分布をもつように粒子径を選んで焼結させた多孔質性シリカ、多孔質性マグネシア、多孔質性アルミナ等の各種多孔質性セラミックス体がある。浸透材層６の形成方法としては、上記吸水性ポリマーや上記各種多孔質性樹脂の場合には、公知の塗布法やスクリーン印刷法等などがある。また、アガロースなどのゲル、紙（和紙）、焼結金属体、多孔質性セラミックス体等の場合には、これらを重ねて配置し、必要に応じてシート材１又は反応層３上に部分接着させる。
【００４８】
また、上記浸透材層６の形成とスペーサー５による空気層の形成とは共に用いることもできる。たとえば、上記各反応層３について、空気層が形成された面と反対の面に浸透材層６を形成するようにする。
【００４９】
また、本発明のＤＮＡマイクロアレイは、反応部３ａがそれぞれリード層８を兼用していなくてもよい。すなわち、本発明の積層型反応チップ７は、上記各シート材１が絶縁材料であり、上記各反応層３が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、これら反応物質の導電性が低い場合には検出信号がコネクタにより外部に出力されるまでの間に減衰することを防ぐために、上記各反応部３ａがそれぞれ電極の働きをし且つ各電極３ｃの積層方向の面のうちいずれか一方に反応層３より導電性の高いリード層８が接続されているように構成してもよい（図１３参照）。上記の専用リード層８の材料としては、銀ペースト、銅ペースト等を用いることができる。
【００５０】
また、電極３ｃに別途リード層８を接続する上記ＤＮＡマイクロアレイについて前記の検出面積の拡大を図る場合、リード層８と電極３ｃの接続を確実にする必要があるため、上記各反応層３からなる電極３ｃについて、リード層８が接続された面と反対の面に前記したスペーサー５による空気層を形成する。あるいは、上記各反応層３からなる電極３ｃについて、リード層８が接続された面と反対の面に前記した浸透材層６を形成する。
【００５１】
図１４〜１６は電気化学的検出方式を示す。本発明のＤＮＡマイクロアレイ（作用電極）を対極１０と共に試料溶液１１に検出面を浸漬させて検出を行ったり（図１５参照）、本発明のＤＮＡマイクロアレイ（作用電極）を対極１０と共に並べその検出面に試料溶液１１を滴下して検出を行ったり（図１６参照）する方法がある。また、さらに参照電極を用いるとより確実な検出が行える。これら対極１０および参照電極は、反応層３からなる電極３ｃとともに積層体中に設けることもできる。
【００５２】
なお、以上の積層型反応チップ７は、１個づつ積層して得てもよいが、大判のシート材１を用い、多数個取りで反応層３を積層して積層型反応チップ集合体１２を製造した後、必要なときに分割することによって前記した積層型反応チップ７を得てもよい（図１７，図１８参照）。積層型反応チップ集合体１２から積層型反応チップ７を得る場合、大量生産ができる点で、１個づつ積層する場合よりも好ましい。
【００５３】
【実施例】
＜実施例１＞
厚み１００μｍ、３ｃｍ角のプラスチックフィルムからなるシート材上に、銀ペーストを用いスクリーン印刷法にてシート材の対向する二辺に平行な帯状パターンを１本形成し、１８０℃、３０分の条件で焼成して検出信号を外部に送信するための幅２ｍｍ、長さ３ｍｍ、厚み２０μｍのリード層とした。次に、反応性物質として「ポリグアニリック酸ナトリウム塩（POLYGUANYLIC ACID potassium salt）」（SIGMA社製）を用い、過マンガン酸カリウムで酸化したグラシーカーボンにより修飾したものを石油系溶剤「ソルベッソ１５０」（東永産業株式会社製）及びアクリル系樹脂「タイナールBR-83」（三菱レイヨン社製）にて溶解し、この溶液を用い上記リード層上にスクリーン印刷した後、８０℃３０分の条件で焼成して幅３．５ｍｍ、長さ３ｍｍ、の反応層をリード層と合わせて厚みが４０μｍとなるように一層形成し、これを電極とした。次いで、上記リード層のパターンに平行なシート材の二辺に、アクリル系樹脂を用いスクリーン印刷にて幅４ｍｍ、厚み７５μｍのスペーサーをそれぞれ形成した。
【００５４】
一方、他種類の反応性物質「カーフシーマス一本鎖DNA（CALF THYMUS DNA single stranded）」（SIGMA社製）についても同様にした。
【００５５】
最後にこれら２種類のシートを反応層どうしがシート材で隔離され且つリード層の出力端が同じ方向になるように揃えて積層し、ナイロン系の接着剤を用いスペーサー部分にて貼り合わせて積層型反応チップを得た。
【００５６】
このようにして作製したものを作用電極とし、白金の参照電極と共に、試料ＤＮＡ「ポリシティディリック酸ナトリウム塩（POLYCYTIDYLIC ACID potassium salt）」（SIGMA社製）及びインターカレーターとしてのトリス（1,10フェナントロリン）コバルト（III）塩を試料溶液に浸漬した後、両電極の酸化還元電位を測定し、一方の反応層について生じた反応から試料ＤＮＡが検出できていることを確認した。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の積層型反応チップは、以上のような構成からなるので、次の効果が奏される。
【００５８】
すなわち、反応性物質を含む複数層の反応層と一枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とするので、印刷法等の簡単な手段で反応層を積層するだけで各反応部の検出面を確保できる。したがって、フォトリソグラフィーやディスペンサーのような煩雑な工程や大規模の設備を要することなく、ＤＮＡ断片などの反応性物質を多種類形成された検出デバイスを容易に且つ安価に提供することが出来る。
また、上記各反応層について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサーにより形成、あるいは浸透材層が形成されているようにすることにより、試料溶液が、反応部の端面に接触するのみならず、空気層又は浸透材層内に進入して反応層の積層方向の面にも接触するようにし、従来の反応チップに比べて広い検出面を確保でき、その結果、検出の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図２】本発明に係る積層型反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る積層型反応チップの反応層のパターンの一実施例を示す平面図である。
【図４】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る積層型反応チップの製造方法の一実施例を示す図である。
【図７】本発明に係る反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る積層型反応チップのスペ−サ−の一実施例を示す図である。
【図９】本発明に係る積層型反応チップの浸透材層の一実施例を示す図である。
【図１０】本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図である。
【図１１】本発明に係る積層型反応チップ用シートの一実施例を示す図である。
【図１２】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す断面図である。
【図１４】本発明に係る積層型反応チップの電極の一実施例を示す斜視図である。
【図１５】本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図である。
【図１６】本発明に係る積層型反応チップの使用の一実施例を示す斜視図である。
【図１７】本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図である。
【図１８】本発明に係る積層型反応チップ集合体の一実施例を示す図である。
【図１９】従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【図２０】従来技術に係る反応チップの積層構造の一実施例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ シート材
２ リード線
３ 反応層
３ａ 反応部
３ｂ 電極兼リード層
３ｃ 電極
４ 積層型反応チップ用シート
４ａ 積層型反応チップ構成片
５ スペーサー
６ 浸透材層
７ 積層型反応チップ
８ リード層
９ コネクタ
１０ 対極
１１ 試料溶液
１２ 積層型反応チップ集合体
１３ スライドガラス
１４ 反応性物質
１５ 電極突起
１６ 基板
Claims (6)
- 反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、
上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうちいずれか一方に空気層がスペーサーにより形成されていることを特徴とする積層型反応チップ。 - 上記各反応層について、空気層が形成された面と反対の面に浸透材層が形成されている請求項１記載の積層型反応チップ。
- 反応性物質を含む複数層の反応層と一枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、
上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されていることを特徴とする積層型反応チップ。 - 反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、
上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各反応層について、その積層方向の面のうち少なくとも一方に浸透材層が形成されていることを特徴とする積層型反応チップ。 - 反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、
上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に空気層がスペーサーにより形成されていることを特徴とする積層型反応チップ。 - 反応性物質を含む複数層の反応層と複数枚のシート材とを少なくとも有する積層体であって、上記各反応層が一つ又は複数の反応部を有するパターンで形成され、上記積層体の同一方向の側面に向かって露出される上記各反応部の端面を検出面とする積層型反応チップにおいて、
上記各反応層間に隔離層を挟んでおり、当該各隔離層がシート材であり、且つ上記各シート材が絶縁材料であり、上記各反応層が反応性物質として導電性物質で修飾されたＤＮＡ断片又はＲＮＡ断片を含むものであり、上記電極の働きをする各反応部の積層方向の面のうちいずれか一方にリード層が接続されており、さらに上記各反応層からなる電極について、リード層が接続された面と反対の面に浸透材層が形成されていることを特徴とする積層型反応チップ。
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