JP4099540B2 - Biological sample analysis chip and analysis method - Google Patents

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Description

本発明は種々の検査項目を一度に検査するプローブチップすなわち多項目センサーに関するもので、対象はDNA、RNA、およびタンパク質で、とくに、最近注目を集めているDNA検査用のDNAチップ等の生体試料解析チップ関する。   The present invention relates to a probe chip for testing various test items at once, that is, a multi-item sensor. The target is DNA, RNA, and protein, and in particular, biological samples such as DNA chips for DNA testing that have recently attracted attention. Concerning analysis chip.

ゲノム計画の進展とともにDNAレベルで生体を理解し、病気の診断や生命現象の理解をしようとする動きが活発化してきた。生命現象の理解や遺伝子の働きを調べるには遺伝子の発現状況を調べることが有効である。この有力な方法として固体表面上に数多くのDNAプローブを種類毎に区分けして固定したDNAプローブアレーあるいはDNAチップ(実際には固定されているのはオリゴヌクレオチドの誘導体であるのでオリゴチップと呼ぶこともある)が用いられている。あるいは、最近では種々のタンパク質(一般的には抗体をプローブ)としてアレー状に固定したプロテインチップが用いられるようになっている。   Along with the progress of the genome project, the movement to understand living organisms at the DNA level, to diagnose diseases and to understand life phenomena has become active. It is effective to investigate the expression status of genes in order to understand life phenomena and investigate the functions of genes. As an effective method, a DNA probe array or a DNA chip in which a large number of DNA probes are classified and fixed on a solid surface (called an oligo chip because it is actually an oligonucleotide derivative) Is also used. Or recently, protein chips fixed in an array as various proteins (generally antibodies as probes) have been used.

DNAチップを作るには光化学反応と半導体工業でよく用いられるリソグラフィーを用いて区画された多数のセルに設計された配列のオリゴマーを一塩基づつ合成して行く方法(非特許文献1:Science 251, 767-773(1991)),あるいはDNAプローブやタンパク質プローブを各区画に一つ一つ植え込んでいく方法(非特許文献2:Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 4613-4918 (1996) )などがある。   In order to make a DNA chip, a method of synthesizing oligomers of sequences designed in a large number of compartmented cells using photochemical reaction and lithography often used in the semiconductor industry one by one (Non-patent Document 1: Science 251, 767-773 (1991)), or a method of implanting DNA probes and protein probes one by one in each compartment (Non-Patent Document 2: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 4613-4918 (1996)) and so on.

これらチップは、いずれもスライドガラスなどの平面状に多数のプローブを、区画を区切り、アレー状に整列させた構造をしている。どのプローブがどの位置にあるかは、プローブが固定されている物理的な位置のみでインデクシングされるのが一般的である。   Each of these chips has a structure in which a large number of probes such as a slide glass are arranged in a plane by dividing a plurality of probes into sections. In general, which probe is located at which position is indexed only at a physical position where the probe is fixed.

使用方法は、チップ基板上のプローブに蛍光標識したDNA断片やmRNAやこれを逆転写したcDNAなどの試料ポリヌクレオチド(以下単に試料ポリヌクレオチド)をハイブリダイズさせて、基板上に導入される蛍光体を蛍光スキャナーで検出する。あるいは、試料ポリヌクレオチドをハイブリダイズさせた後に、プローブと隣接して試料ポリヌクレオチドに相補な蛍光標識オリゴを連結反応(ライゲーション)で連結したり、DNAポリメラーゼを用いて蛍光標識dNTP基質を反応させたりして、基板上に導入する蛍光体を検出するのが主流である。   The method of use is to introduce a fluorescent substance that is introduced onto a substrate by hybridizing a sample polynucleotide (hereinafter simply referred to as a sample polynucleotide) such as a fluorescently labeled DNA fragment or mRNA to a probe on a chip substrate, or cDNA reversely transcribed from this Is detected with a fluorescence scanner. Alternatively, after hybridizing the sample polynucleotide, a fluorescently labeled oligo complementary to the sample polynucleotide adjacent to the probe is linked by ligation, or a fluorescently labeled dNTP substrate is reacted using DNA polymerase. Thus, it is the mainstream to detect the phosphor to be introduced onto the substrate.

最近では、酸化還元反応を利用した電気化学的な検出を行う方法も実用になっている。タンパク質の場合は抗原抗体反応のようなアフィニティー反応を利用して、基板上に特定タンパク質などを補足した後、質量分析機で分析する方法、蛍光標識抗体や酵素標識抗体でサンドイッチ反応をおこない、基板上に残る蛍光体や酵素活性を検出する方法、電気化学発光を用いる検出法がある。   Recently, an electrochemical detection method using a redox reaction has been put into practical use. In the case of protein, using an affinity reaction such as an antigen-antibody reaction to capture a specific protein on the substrate and then analyzing with a mass spectrometer, a sandwich reaction is performed with a fluorescently labeled antibody or enzyme labeled antibody, and the substrate There are a method for detecting the phosphor and enzyme activity remaining above, and a detection method using electrochemiluminescence.

電気化学発光法では、電極表面に抗原捕捉用の抗体が存在する。サンドイッチ用抗体の標識物にはルテニウム錯体を用いる(非特許文献3:Clin. Chem., 37, 1534-1539 (19991))。電極表面ではルテニウムが酸化され、TPAのレドックス反応とカップルさせて還元するときに励起状態となったルテニウムの電子が基底状態に落ちる時に光を発する。   In the electrochemiluminescence method, an antigen capturing antibody is present on the electrode surface. A ruthenium complex is used as a label for the sandwich antibody (Non-patent Document 3: Clin. Chem., 37, 1534-1539 (19991)). Ruthenium is oxidized on the electrode surface, and emits light when the ruthenium electrons, which are excited when they are reduced by being coupled with the redox reaction of TPA, fall to the ground state.

高感度で定量的な検出を目的とした検出法としては、通常の顕微鏡検出が可能な700μm程度の粒子を標識に用いて、反応した粒子数をカウンターでカウントして目的物質を定量検出するイムノアッセイの報告がある(非特許文献4:Anal. Biochem. 202, 120-125 (1992))。   As a detection method aiming at high-sensitivity and quantitative detection, an immunoassay is used in which a normal microscopic detection particle of about 700 μm is used as a label, and the number of reacted particles is counted with a counter to quantitatively detect the target substance. (Non-Patent Document 4: Anal. Biochem. 202, 120-125 (1992)).

Science 251, 767-773(1991)Science 251, 767-773 (1991) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 4613-4918(1996)Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 4613-4918 (1996) Clin. Chem., 37, 1534-1539 (19991)Clin. Chem., 37, 1534-1539 (19991) Anal. Biochem. 202, 120-125 (1992))Anal. Biochem. 202, 120-125 (1992))

現状のチップ技術、特にDNAプローブアレーあるいはDNAチップでは、蛍光検出を用いることから、プローブを固定するエリア(以下、一つのプローブを固定する領域をエレメントと定義する)サイズに限界がある。すなわち、光を利用する限り、一般的に分解能は次の式(1)で表される大きさ(分解能)が限界となる。   The current chip technology, particularly a DNA probe array or a DNA chip, uses fluorescence detection, so there is a limit to the size of an area for fixing a probe (hereinafter, an area for fixing one probe is defined as an element). That is, as long as light is used, the resolution generally has a limit (resolution) expressed by the following equation (1).

Figure 0004099540
ここで媒質が空気なら開口数は0.8程度が限界である。したがって530nmの光源を使用すると識別サイズとして400nmくらいが光を用いる検出限界となる。もちろん、蛍光検出であるから、蛍光強度が十分あれば、点光源としてより狭い範囲から発する光を検出することはできるし、ニアフィールド顕微鏡のように特殊な技術を用いればより狭い領域での光検出が可能になる。
Figure 0004099540
If the medium is air, the numerical aperture is about 0.8. Accordingly, when a light source of 530 nm is used, the detection limit using light is about 400 nm as the identification size. Of course, because it is fluorescence detection, if the fluorescence intensity is sufficient, it is possible to detect light emitted from a narrower range as a point light source. Detection is possible.

しかし、このように狭い範囲からの蛍光を検出しようとすると、実際には光量を十分に取れないなど感度を確保することが難しくなる問題がある。また、あらかじめ決められた位置にプローブが固定されていると言っても、エレメントが小さくなると、検出しているのが、どのエレメントであるかのインデクシングを位置情報のみに頼らざるを得ず、隣接エレメントとの切り分けが難しくなる。たとえば、100万のエレメントがあるとして、この内のたった1つのエレメントだけに試料ポリヌクレオチドがハイブリダイズしている極限状態を想定すると、あらかじめプローブをスポットした位置情報だけではエレメントの特定が実質困難となる。   However, if it is attempted to detect fluorescence from such a narrow range, there is a problem that it is difficult to ensure sensitivity, for example, it is not possible to obtain a sufficient amount of light. In addition, even if the probe is fixed at a predetermined position, if the element becomes small, it is necessary to rely only on position information for indexing which element is being detected. It becomes difficult to separate from the element. For example, assuming that there is one million elements, and assuming an extreme state in which the sample polynucleotide is hybridized to only one of these elements, it is substantially difficult to identify the elements only with the position information where the probe is spotted in advance. Become.

このようなことから、従来技術では、エレメントの位置精度1μm、エレメントサイズ5μm×5μm、エレメントとエレメントの隙間5μm、エレメント数は100万エレメント/チップ程度がほぼ限界となる。これは、現状の高分子の生体物質であるDNAプローブをチップ上に作成するリソグラフィーの限界でもある。実用的にはこれよりも悪く、1エレメントのサイズは30μm×30μm程度が実情である。   For this reason, in the prior art, the element position accuracy is 1 μm, the element size is 5 μm × 5 μm, the gap between the elements is 5 μm, and the number of elements is almost limited to about 1 million elements / chip. This is also the limit of lithography in which a DNA probe, which is a current polymeric biological material, is formed on a chip. Practically worse than this, the actual size of one element is about 30 μm × 30 μm.

さらに、光を用いる場合は励起光源と蛍光波長の関係から、多重標識を行う場合の制約が大きい。一般に、励起光源にコヒレントな光を用いても、得られる蛍光波長は数十nmの波長分散になる。このために単一励起波長を用いる場合は4種類程度の蛍光体を励起し蛍光計測するのが限界である。複数の励起波長を用いても、実用的な500〜700nmの範囲では6種程度の蛍光体しか利用できない。このため、蛍光法で同一エレメント内の複数の標的ポリヌクレオチドを検出する場合には4種程度が限界と考えられる。   Furthermore, when using light, the restrictions in the case of multiple labeling are large due to the relationship between the excitation light source and the fluorescence wavelength. In general, even when coherent light is used as an excitation light source, the obtained fluorescence wavelength has a wavelength dispersion of several tens of nm. For this reason, when a single excitation wavelength is used, it is the limit to measure fluorescence by exciting about four types of phosphors. Even if a plurality of excitation wavelengths are used, only about 6 types of phosphors can be used in a practical range of 500 to 700 nm. For this reason, when detecting a plurality of target polynucleotides in the same element by the fluorescence method, about 4 types are considered to be the limit.

DNAチップ(DNAマイクロアレー)ではそもそも定量性が悪いため、一般にディファレンシャルハイブリダイゼーションとか競争ハイブリダイゼーションと呼ばれる技術を用いる場合がある。これは、2系統のサンプルAとBがあるときに、AとBそれぞれに異なる波長の蛍光体をラベルし、両サンプルを混合する。混合状態で同一DNAチップに競争的にハイブリダイズさせると、両者の量比に応じて2種の蛍光体の強度比が検出される。この方法では、定量性が悪く、再現性に乏しいDNAチップにおいても、とりあえずのデータを得ることができる。比較したいサンプルは通常数種類であることが多いが、より多数のサンプルをディファレンシャルハイブリダイゼーションに応用しようとすると、上記した励起光や蛍光の波長分散があるために、難しい。   Since DNA chips (DNA microarrays) are not quantitative in the first place, there are cases where a technique called differential hybridization or competitive hybridization is generally used. In this case, when there are two systems of samples A and B, phosphors having different wavelengths are labeled on each of A and B, and both samples are mixed. When hybridizing to the same DNA chip competitively in a mixed state, the intensity ratio of the two types of phosphors is detected according to the amount ratio of the two. In this method, it is possible to obtain data for the time being even on a DNA chip having poor quantitativeness and poor reproducibility. There are usually many types of samples to be compared, but it is difficult to apply a larger number of samples to differential hybridization due to the above-described wavelength dispersion of excitation light and fluorescence.

さらに、一般に、分析デバイスにおいては、定量性、ダイナミックレンジ、再現性の確保が重要な項目となる。これらが一定の基準に達しない方法や装置に関しては、実用にならない。しかし、DNAチップに関しては、エレメント数が多すぎるのと、濃度の規定できる混合サンプルの入手が困難なため、ほとんど検討すらされていないのが現状である。   Furthermore, in general, in an analytical device, ensuring quantitativeness, dynamic range, and reproducibility are important items. For methods and devices that do not reach a certain standard, they are not practical. However, regarding the DNA chip, since it is difficult to obtain a mixed sample whose concentration can be defined if the number of elements is too large, almost no study has been made.

これらの問題点を解決するために、本発明では、より高密度で定量性と再現性が良好なポリヌクレオチドチップおよびプロテインチップを提案することを目的とする。このためのチップ形状、チップに使用するケミストリーと検出方法を提案する。   In order to solve these problems, an object of the present invention is to propose a polynucleotide chip and a protein chip with higher density and better quantitativeness and reproducibility. The chip shape, the chemistry used for the chip, and the detection method are proposed.

本発明では、分解能に限界がある光検出に代えて、原子間力をトレースして物質の形状を検出する原子間力顕微鏡の技術を検出に用いる。一般に、原子間力顕微鏡はDNA分子を1本鎖と2本鎖(直径約3nm)の状態で識別できる分解能があるが、高速でのスキャンを可能とするために、より検出しやすいナノ粒子を標識として用いて検出を行う。エレメントのインデクシングを確実に行うため、各エレメント間にギャップを設けてエレメント同士を隔離するとともに、エレメント間に形状の異なる識別標識を設ける。ナノ粒子は5〜40nm程度の範囲で粒度分布10%で製造可能なので、このようなナノ粒子をラベルにして原子間力顕微鏡で10段程度の粒度分布の粒子群を同時に反応させて識別させる。   In the present invention, an atomic force microscope technique that detects the shape of a substance by tracing atomic force is used for detection instead of light detection having a limit in resolution. In general, the atomic force microscope has a resolution capable of discriminating DNA molecules in a single strand and double strand (diameter of about 3 nm). However, in order to enable high-speed scanning, more easily detected nanoparticles can be detected. Detection is performed using as a label. In order to reliably index the elements, gaps are provided between the elements to isolate the elements from each other, and identification marks having different shapes are provided between the elements. Since nanoparticles can be produced with a particle size distribution of 10% in the range of about 5 to 40 nm, such nanoparticles are used as labels, and a group of particles having a particle size distribution of about 10 stages are simultaneously reacted and identified with an atomic force microscope.

本発明によれば、原子間力顕微鏡でのスキャン中に、エレメントを識別しながらプローブに捕捉されたオリゴヌクレオチド断片の検出を逐次できるようになる。したがって、エレメントを高密度に配しても、確実にエレメントのインデクシングと試料標的物質の検出ができるようになる。このため、1エレメントのサイズは700nmφ程度以下にでき、100万エレメント程度のチップであれば、1mm程度に収めることが可能となる。これは面積比にして従来法の2桁を上回るエレメント密度である。 According to the present invention, during the scanning with an atomic force microscope, it becomes possible to sequentially detect oligonucleotide fragments captured by a probe while identifying elements. Therefore, even if the elements are arranged at high density, the element can be reliably indexed and the sample target substance can be detected. For this reason, the size of one element can be about 700 nmφ or less, and a chip of about one million elements can be accommodated in about 1 mm 2 . This is an element density exceeding the conventional method by two orders of magnitude in terms of area ratio.

(実施例1)
図1は本発明の実施例1のDNAチップの一部を斜視図で示す概念図である。チップ100は酸化膜表面を有するシリコン基板101に形成される。各エレメント1は700nmφの円柱の形をしている。各エレメントの間隔2は300nmである。すなわち、エレメントは1μmピッチで並んでいる。エレメントは50×50の単位で、一転鎖線3で囲って示すように、ひとつのエレメントグループをなしており、各エレメントグループ3は20×20個整列して、設けられている。各エレメントグループ3間には幅40nm、深さ20nmの溝5が存在し、エレメントグループ内の各エレメントの4隅にはインデクシング用のピラー4が設けてある。隣接するエレメント間のピラー4はそれぞれのエレメントで共用される。ピラー4は円筒形で径が最低50nmφから10nmごとに17段、高さが5nmから10nmごとに17段の組み合わせのものを各エレメントの4隅のピラー4をバーコードのようにインデクシングに用いる。よって1エレメントグループ3内に9回同じピラー4が出現するが、同一サイズのピラー4が連続して出現しない様に、なおかつ、ピラー4のサイズがなるべくランダムになるように配列してある。
Example 1
FIG. 1 is a conceptual view showing a part of the DNA chip of Example 1 of the present invention in a perspective view. The chip 100 is formed on a silicon substrate 101 having an oxide film surface. Each element 1 has a cylindrical shape of 700 nmφ. The interval 2 between the elements is 300 nm. That is, the elements are arranged at a pitch of 1 μm. The element is a unit of 50 × 50 and forms one element group as shown by being surrounded by a chain line 3, and each element group 3 is arranged in an array of 20 × 20. A groove 5 having a width of 40 nm and a depth of 20 nm exists between each element group 3, and indexing pillars 4 are provided at four corners of each element in the element group. The pillar 4 between adjacent elements is shared by each element. The pillar 4 has a cylindrical shape with a diameter of 17 steps at a minimum of 50 nmφ to 10 nm and a height of 17 steps every 5 nm to 10 nm, and the pillars 4 at the four corners of each element are used for indexing like a barcode. Therefore, the same pillar 4 appears nine times in one element group 3, but the pillars 4 of the same size are arranged so as to be as random as possible so that the pillars 4 of the same size do not appear continuously.

図2は図1で説明した基板101上の各エレメント1とピラー4とのより詳細な関係と、各エレメント1上に固着されたDNAプローブ21,22,---と、これにハイブリダイズしたDNA断片201,202,203と、これを検出するAFMプローブ60との関係を模式的に示す図である。基板101上の各エレメント1は、基板101の面より一段高い構造となっている。すなわちエレメント間は溝のように落ち込んでおりエレメント同士の境界をなしている。エレメント1の高さは20nmである。DNAプローブ等については、後述する。   FIG. 2 shows a more detailed relationship between each element 1 and the pillar 4 on the substrate 101 described in FIG. 1, and DNA probes 21, 22,. It is a figure which shows typically the relationship between DNA fragment 201,202,203 and the AFM probe 60 which detects this. Each element 1 on the substrate 101 has a structure that is one step higher than the surface of the substrate 101. That is, the elements are depressed like a groove and form a boundary between the elements. Element 1 has a height of 20 nm. The DNA probe and the like will be described later.

各エレメントの4隅に設けられたピラー4は、インデクシングの目的以外にも、プローブハイブリダイゼーションの速度を速めるために使用される。図3(a),(b),(c)はピラー4のプローブハイブリダイゼーションの速度を速める効果について説明する全体図であり、図4は、図3による効果の詳細な説明図である。   The pillars 4 provided at the four corners of each element are used not only for the purpose of indexing but also for increasing the speed of probe hybridization. 3A, 3B, and 3C are overall views for explaining the effect of increasing the probe hybridization speed of the pillar 4, and FIG. 4 is a detailed explanatory view of the effect of FIG.

図3(a)示すように、DNAチップ100の基板101のエレメント1の上面に、矢印に103に示すように、往復運動が可能な上面プレート102を100μmのギャップで設置するとともに、上面プレート102と基板101との間に1μlの試料溶液を挟み込む。図3(b)示すように、上面プレート102を基板101に対して、矢印の方に移動させる。次いで、図3(c)示すように、上面プレート102を基板101に対して、反対の矢印の方に移動させる。上面プレート102の往復運動を1Hzで行わせる。一般にこのようなマイクロデバイスでは液が層流になりやすく攪拌効率が落ちるが、基板101上面のプレート102を往復運動させることで層流が乱されてハイブリダイゼーションが促進される。図4は、隣接するエレメント1の中心位置で見た断面であり、エレメント1の中心位置の向こう側にピラー4が見える状態を示す。基板101に対して、上面プレート102を矢印103のように往復運動させると平面方向の液の移動が105,106のように、往復運動に応じて強制されるので、ハイブリダイゼーションは溶質(ここではDNA試料や標識プローブ)の厚み方向の拡散のみが律速になることが判っている(例えば、特開2004−144521)。よって各エレメント1の表面で常にサンプル溶液が入れ替わることとなり、反応が促進される。更に本発明では各エレメント1間に実質的にランダムなピラー4が立っているので、平面方向に強制移動させられる液が障害物であるピラー4により、より効果的に攪拌され、更に反応が促進される。このため、ハイブリダイゼーションの速度が実質液層での反応速度に近づく。   As shown in FIG. 3A, an upper surface plate 102 capable of reciprocating movement is installed on the upper surface of the element 1 of the substrate 101 of the DNA chip 100 as indicated by an arrow 103 with a gap of 100 μm. 1 μl of the sample solution is sandwiched between the substrate 101 and the substrate 101. As shown in FIG. 3B, the top plate 102 is moved in the direction of the arrow with respect to the substrate 101. Next, as shown in FIG. 3C, the top plate 102 is moved with respect to the substrate 101 in the direction of the opposite arrow. The reciprocating motion of the top plate 102 is performed at 1 Hz. In general, in such a micro device, the liquid tends to be laminar and the stirring efficiency is lowered. However, by reciprocating the plate 102 on the upper surface of the substrate 101, the laminar flow is disturbed and hybridization is promoted. FIG. 4 is a cross section seen at the center position of the adjacent element 1, and shows a state where the pillar 4 is visible beyond the center position of the element 1. When the upper surface plate 102 is reciprocated with respect to the substrate 101 as indicated by the arrow 103, the movement of the liquid in the planar direction is forced according to the reciprocating motion as indicated by 105 and 106, so that the hybridization is a solute (here, It has been found that only diffusion in the thickness direction of a DNA sample or a labeled probe is rate-limiting (for example, JP-A-2004-144521). Therefore, the sample solution is always replaced on the surface of each element 1, and the reaction is promoted. Further, in the present invention, since substantially random pillars 4 stand between the elements 1, the liquid forcedly moved in the plane direction is more effectively stirred by the obstacle pillars 4 and further promotes the reaction. Is done. For this reason, the speed of hybridization approaches the reaction speed in the substantial liquid layer.

再び、図2を参照して、700nmφ、高さ20nmの円柱の構造の各エレメント1の上面には、エレメントごとに、それぞれ、異なるDNAプローブ21,22……が固定されている。ここで使用するDNAプローブはPNAである。PNAは通常のDNAのようにリン酸ジエステル結合に由来するマイナス荷電を持たないので、標的となるDNAとの間に静電的反発力が働かない。このため、ハイブリダイゼーションの効率が高くなる効果がある。特にDNAチップのようにエレメントの固相表面上にプローブが高密度に固定されているケースで通常のDNAプローブを用いると、マイナス荷電のバリアーを超えて標的DNAがプローブに接近する必要があり、反応速度論的にも熱力学的に見ても不利になる。また、試料DNAは必ず1本鎖にする必要がある。PNAのようにマイナス荷電を持たないプローブを用いることで、エレメント表面の電荷をなくすことができるので、ハイブリダイゼーションの速度と収率が向上する。さらに、PNAの電荷を持たない特性は、静電的な反発力を生じないので、標的DNAが2本鎖であっても競争的に2本鎖にもぐりこみ競争的にハイブリダイゼーションすることができる。   Referring to FIG. 2 again, different DNA probes 21, 22,... Are fixed to the upper surface of each element 1 having a cylindrical structure of 700 nmφ and 20 nm in height for each element. The DNA probe used here is PNA. Since PNA does not have a negative charge derived from a phosphodiester bond unlike ordinary DNA, an electrostatic repulsive force does not act on the target DNA. This has the effect of increasing the efficiency of hybridization. Especially when a normal DNA probe is used in the case where the probe is fixed at a high density on the solid surface of the element like a DNA chip, the target DNA needs to approach the probe beyond the negatively charged barrier, Both reaction kinetics and thermodynamics are disadvantageous. The sample DNA must be single-stranded. By using a probe having no negative charge such as PNA, the charge on the element surface can be eliminated, so that the hybridization speed and yield are improved. Furthermore, since the characteristic of PNA having no charge does not generate an electrostatic repulsive force, even if the target DNA is double-stranded, it can be competitively pulled into the double-stranded and hybridize competitively.

実施例1においては、各エレメント1には、DNAプローブ21,22……として、ヒトのcDNAの第1エキソンと第2キクソンにまたがる領域の配列で長さが45から60塩基のものを固定している。これにより、残存ゲノムがハイブリダイズすることによる擬陽性やハイブリダイゼーション席の低下を防いでいる。プローブ固定法は、定法に従いシランカップリング反応で固定する。ここでの実施条件、すなわち緩衝液組成、試料DNAプローブに関してはNucleic Acids Research (2002) 30, No.16 e87記載のハイブリダイゼーション方法に従う。プローブ固定法に関しては、上記文献に従い、酸化表面を持つシリコン基板101を3−アミノプロピルトリメトキシシランで処理し表面にアミノ基を導入する。表面に導入したアミノ基とプローブのSH基の間をN−(11−maleimidoundecanoxyloxy)succinimideで架橋する。この方法で50塩基前後のプローブを固定するとプローブ固定密度がおおよそ15nmに1分子になる。よって、エレメントあたり約25000プローブ分子が固定されている。 In Example 1, each element 1 is immobilized with a DNA probe 21, 22,... Having a length of 45 to 60 bases in the region spanning the first and second exons of human cDNA. ing. This prevents false positives and a decrease in hybridization site due to hybridization of the remaining genome. The probe immobilization method is performed by a silane coupling reaction according to a conventional method. With respect to the implementation conditions, that is, the buffer solution composition and the sample DNA probe, the hybridization method described in Nucleic Acids Research (2002) 30, No. 16 e87 is followed. Regarding the probe fixing method, according to the above-mentioned literature, the silicon substrate 101 having an oxidized surface is treated with 3-aminopropyltrimethoxysilane to introduce amino groups on the surface. The amino group introduced on the surface and the SH group of the probe are cross-linked with N- (11-maleimidedecanoxyloxy) succinimide. When a probe of about 50 bases is immobilized by this method, the probe immobilization density is approximately 1 molecule per 15 nm 2 . Thus, approximately 25,000 probe molecules are immobilized per element.

試料としては、ヒト白血球由来のmRNAを一回逆転写して得られる1st strand cDNAを用いる。一般に完全長cDNAをとるときにはオリゴキャップ法などを用いるが、ここでは細胞内のあるがままのmRNA量を知りたいので、細胞を少量ずつ液体ヘリウムに滴下して得る瞬間凍結細胞を液体ヘリウムごと超音波攪拌しているフェノールに滴下懸濁し、瞬時に細胞破壊する方法をとる。定法に従いトータルRNAを精製する。おおよそ10細胞に含まれるRNAに対して逆転写酵素を働かせ1st strand cDNAを得る。   As a sample, 1st strand cDNA obtained by reverse transcription of human leukocyte-derived mRNA once is used. In general, when taking full-length cDNA, the oligo cap method is used, but here we want to know the amount of mRNA as it is in the cell. Suspend dropwise in phenol with sonic agitation and instantly destroy cells. Purify total RNA according to standard methods. A reverse transcriptase is made to act on RNA contained in approximately 10 cells to obtain 1st strand cDNA.

このようにして得る1st strand cDNA を1μlの2×SSCに溶解してDNAチップに滴下する。この状態では、レアーな1st strand cDNAは10分子程度、アバンダントなもので10分子程度含まれるので、チップ表面のプローブ数とオーダー的にはマッチする。 The 1st strand cDNA thus obtained is dissolved in 1 μl of 2 × SSC and dropped onto the DNA chip. In this state, Leer of 1st strand cDNA is 10 2 molecule about, because it contains approximately 10 5 molecules ones Abundant, the probe number and order basis of chip surface matching.

45℃で1時間、図3,4に示す方法に従い攪拌し、ハイブリダイゼーションを完了させる。この後、図3、図4で説明した攪拌用の上面プレート102は取り除き、乾燥させる。実施例1ではPNAプローブを用いるため、通常のDNAチップ反応条件のように高塩濃度の条件にする必要は必ずしも無い。塩によるDNAプローブと試料DNAのマイナス電荷を遮蔽する必要が無いからである。むしろ、低めのイオン強度のほうが良い結果が得られる。   Stir at 45 ° C. for 1 hour according to the method shown in FIGS. 3 and 4 to complete the hybridization. Thereafter, the top plate 102 for stirring described in FIGS. 3 and 4 is removed and dried. In Example 1, since a PNA probe is used, it is not always necessary to use a high salt concentration condition as in normal DNA chip reaction conditions. This is because it is not necessary to shield the negative charges of the DNA probe and sample DNA due to salt. Rather, lower ionic strength gives better results.

実施例1では1本鎖状態の1st strand cDNAを用いているが、2本鎖DNAのままでもハイブリダイゼーションを行うことができる。この場合はあまりイオン強度をあげないほうが試料2本鎖DNA自身のマイナス荷電による反発力で解離しやすくなるし、プローブはマイナス荷電を持たないので問題なくハイブリできる。ただし、基本的に2本鎖DNA同士のまき戻しとプローブのハイブリダイゼーションの競争反応になるので1st strand cDNAのハイブリダイゼーションのときに比べるとハイブリダイゼーションの収率は低下する。   In Example 1, 1st strand cDNA in a single-stranded state is used, but hybridization can be performed even with double-stranded DNA. In this case, if the ionic strength is not increased much, the sample double-stranded DNA itself is more easily dissociated by the repulsive force due to the negative charge of the sample, and the probe does not have a negative charge, so that it can hybridize without any problem. However, since this is basically a competition reaction between double-strand DNA stranding and probe hybridization, the yield of hybridization is lower than that of 1st strand cDNA hybridization.

実施例1では、PNAプローブを用いているのと、攪拌を十分行うことにより、固相表面でも高速にハイブリダイゼーションが完了する。従来技術である通常のDNAプローブを用いると、主に静電的反発力のために、上述したサンプル濃度とプローブ量では24時間反応させても反応効率が悪く、反応が完結しない。   In Example 1, hybridization is completed at high speed even on the solid surface by using a PNA probe and sufficiently stirring. When a conventional DNA probe, which is a conventional technique, is used, mainly due to electrostatic repulsion, even if the sample concentration and the amount of probe described above are reacted for 24 hours, the reaction efficiency is poor and the reaction is not completed.

図2に、エレメント1上のプローブ21に、試料DNA断片201が、ハイブリダイズした状態を示す。   FIG. 2 shows a state in which the sample DNA fragment 201 is hybridized to the probe 21 on the element 1.

次に、プローブ21にハイブリダイズした試料DNA断片201,202,203のDNA断片に相補で異なる配列部分を識別するために、試料DNA断片201,202,203にハイブリダイズする金ナノ粒子23’、24’、25’で標識した第2のプローブをさせる。このときの第2のプローブには、エレメント1上の捕捉用プローブ21に用いるエキソンとは異なるエキソンを用いる。たとえば、エキソン3とエキソン4とエキソン5の配列に対応するPNAプローブを準備する。各プローブ長は30〜50塩基からなる。各プローブは合成時に5’末端にスルフィッド基(SH基)を導入しておく。エキソン3とエキソン4とエキソン5のプローブに対応してそれぞれ8.3nm、11nm、17nmの金ナノ粒子を混合し、それぞれ粒径の異なる金ナノ粒子で標識されたPNAプローブを得る。上記3種類の金ナノ粒子標識プローブ(23’、24’、25’)を10pmol/μlの濃度で混合し、試料DNAがハイブリダイズしたDNAチップに滴下し、再度、図3、図4の方法で15分間攪拌する。   Next, in order to identify different sequence parts complementary to the DNA fragments of the sample DNA fragments 201, 202, 203 hybridized to the probe 21, gold nanoparticles 23 ′ hybridized to the sample DNA fragments 201, 202, 203, A second probe labeled 24 ', 25' is allowed. An exon different from the exon used for the capture probe 21 on the element 1 is used as the second probe at this time. For example, PNA probes corresponding to the sequences of exon 3, exon 4 and exon 5 are prepared. Each probe length consists of 30-50 bases. Each probe has a sulfid group (SH group) introduced at the 5 'end during synthesis. Gold nanoparticles of 8.3 nm, 11 nm, and 17 nm are mixed corresponding to the probes of exon 3, exon 4, and exon 5, respectively, and PNA probes labeled with gold nanoparticles having different particle sizes are obtained. The above three kinds of gold nanoparticle labeled probes (23 ′, 24 ′, 25 ′) are mixed at a concentration of 10 pmol / μl, dropped onto the DNA chip hybridized with the sample DNA, and again the method of FIGS. For 15 minutes.

2×SSCで洗浄後、図3、図4で説明した攪拌用の上面プレート102は取り除き、乾燥させる。この後、AFMプローブ60を10kHzで矢印61のようにタッピングさせながらチップ100表面を2次元スキャンする。   After washing with 2 × SSC, the top plate 102 for stirring described in FIGS. 3 and 4 is removed and dried. Thereafter, the surface of the chip 100 is two-dimensionally scanned while tapping the AFM probe 60 at 10 kHz as indicated by an arrow 61.

図5は、図1に示すチップ100をAFMプローブ60で横方向にスキャンしながら得られたAFMプローブ60の位置信号を模式的に示す図である。AFMプローブ60の位置信号からエレメント1が破線41で示すところにあることが分かり、エレメント1間のギャップ2が、これに隣接する領域45に対応することが分かる。また、サイズの異なるピラーが破線51,52で示すところにあることが分かる。参照符号47,48,49を付した位置の信号は、エレメント1の上に固定されたPNAプローブに、エキソン3,4,5に対応する第2のプローブ(図2の23’、24’、25’)がハイブリダイズし、これに金ナノ粒子で標識されたPNAプローブがハイブリダイズしていることを示す信号である。したがって、AFMプローブ60の位置信号から、エレメントの位置、および標識を認識することができる。   FIG. 5 is a diagram schematically showing a position signal of the AFM probe 60 obtained by scanning the chip 100 shown in FIG. 1 with the AFM probe 60 in the lateral direction. From the position signal of the AFM probe 60, it can be seen that the element 1 is located at the broken line 41, and it can be seen that the gap 2 between the elements 1 corresponds to the region 45 adjacent thereto. It can also be seen that pillars of different sizes are shown by broken lines 51 and 52. Signals at positions denoted by reference numerals 47, 48, and 49 are sent to the PNA probe fixed on the element 1 and the second probes (23 ′, 24 ′, FIG. 25 ′) is a signal indicating that a PNA probe hybridized and hybridized with a gold nanoparticle is hybridized thereto. Therefore, the position of the element and the label can be recognized from the position signal of the AFM probe 60.

(実施例2)
図6(a),(b),(c)はピラー4のプローブハイブリダイゼーションの速度を速める効果の他の例について説明する全体図であり、図7は、図6による効果の詳細な説明図である。
(Example 2)
FIGS. 6A, 6B, and 6C are overall views for explaining another example of the effect of increasing the probe hybridization speed of the pillar 4, and FIG. 7 is a detailed explanatory view of the effect of FIG. It is.

図6(a),(b),(c)と図3(a),(b),(c)とを対比して明らかなように、実施例2では、DNAチップ100の基板101上の上面プレート102に代えて、上面に直径100μmの回転するロッド120が設けられる点において異なるのみである。ロッド120は基板101上のサンプル溶液122と接した状態で、200rpmで回転することができる。ロッド120とチップエレメントのギャップは100μmである。ロッドの回転はスピンドルモーター、左右の移動はステージに乗せたチップを左右に10秒間に1回の割合で移動させる。サンプル溶液或いは、ナノ粒子標識プローブ溶液1μlを基板101上に滴下して、ロッド120を回転運動させながら、図6(a),(b),(c)に示すように、左から右に移動させ、さらに、必要なら、右から左に移動させる(矢印129)。ロッド120を回転させることで平面方向の液の移動が、太線115,125に示すように、強制されるので、基板101上で溶質が十分攪拌される。よって、各エレメント1の表面で常にサンプル溶液が入れ替わることとなり、ハイブリダイゼーションが促進される。さらに、実施例2でも、エレメント1間に実質的にサイズがランダムなピラー4が立っているので、平面方向に強制移動させられる溶液が、障害物であるピラー4により、液流に乱れが生じて攪拌され、更に反応が促進される。実施例2では、ロッド120の回転と移動の相互作用により、ハイブリダイゼーション用の反応液がチップのエレメント上で十分攪拌される。   As is clear by comparing FIGS. 6A, 6B, and 6C with FIGS. 3A, 3B, and 3C, in Example 2, on the substrate 101 of the DNA chip 100, FIG. The only difference is that a rotating rod 120 having a diameter of 100 μm is provided on the upper surface instead of the upper surface plate 102. The rod 120 can rotate at 200 rpm while being in contact with the sample solution 122 on the substrate 101. The gap between the rod 120 and the chip element is 100 μm. The rotation of the rod is a spindle motor, and the movement to the left and right is to move the chip on the stage to the left and right at a rate of once every 10 seconds. 6 μl of sample solution or nanoparticle-labeled probe solution is dropped onto the substrate 101 and moved from left to right as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C while the rod 120 is rotated. Further, if necessary, it is moved from right to left (arrow 129). By rotating the rod 120, the movement of the liquid in the planar direction is forced as shown by the thick lines 115 and 125, so that the solute is sufficiently stirred on the substrate 101. Therefore, the sample solution is always replaced on the surface of each element 1, and hybridization is promoted. Further, in the second embodiment, since the pillars 4 having substantially random sizes stand between the elements 1, the solution forcedly moved in the plane direction is disturbed in the liquid flow by the pillars 4 that are obstacles. The reaction is further promoted. In Example 2, the reaction solution for hybridization is sufficiently stirred on the element of the chip by the interaction between the rotation and movement of the rod 120.

本発明のチップの大きさについて説明する。一般に光を用いて物体を認識しようとすると、上述した式(1)、開口数0.8の例では、400〜500nm以下のものは検出できない。これ以下では、物体を認識すらできない。実際に物体の生きまで規定しようとすると実用的には700nm程度が限界となる。   The size of the chip of the present invention will be described. In general, when an object is to be recognized using light, an object having a wavelength of 400 to 500 nm or less cannot be detected in the above-described formula (1) and the numerical aperture of 0.8. Below this, even objects cannot be recognized. In practice, the limit of about 700 nm becomes a limit when trying to define the life of an object.

本発明では原子間力を測定することで物質を検出するので、波長に依存せずに物質を測定できる。このため、エレメント1或いはエレメント間隔が700nm以下のサイズであっても、エレメント1そのものとエレメント1の区切りを検出することができる。実施例1ではエレメント1のサイズをエレメントが700nmφとし、エレメント間隔を300nmの例を示しているが、より微細な構造のエレメント1あるいはエレメント間隔であっても良い。例えば、エレメント1が500nm以下、或いはエレメント間隔が300nm以下でも、エレメント1の上にハイブリダイゼーション反応で捕捉した8.3nmの金ナノ粒子は原子間力顕微鏡で定量検出できる。   In the present invention, since the substance is detected by measuring the atomic force, the substance can be measured without depending on the wavelength. For this reason, even if the element 1 or the element interval is 700 nm or less, the separation between the element 1 itself and the element 1 can be detected. In the first embodiment, the element 1 has a size of 700 nmφ and the element interval is 300 nm. However, the element 1 may have a finer structure or the element interval. For example, even when the element 1 is 500 nm or less or the element interval is 300 nm or less, 8.3 nm gold nanoparticles captured by the hybridization reaction on the element 1 can be quantitatively detected with an atomic force microscope.

エレメント1やエレメント間隔の下限について検討すると、以下の理由により70nmが下限である。即ち、50塩基前後のプローブを固定するとプローブ固定密度がおおよそ15nmに1分子になることは上述したとおりである。一方、検出に用いるナノ粒子サイズの下限は、現状技術で一般的に入手可能なものとして5nmであるので、プローブ固定密度とほぼ等しい値となり、これが下限を表わす一つの判断基準になる。実際には、エレメント1上に粒子が最低1000粒子無いと定量検出の観点からは問題となる。即ちエレメント1のサイズ下限は15×1000nmとになる。よって円形のエレメント1のサイズの直径下限は70nmとなる。もちろん定量性を問題にしないのであれば、より小さいエレメントでも利用可能で、この場合はプローブを固定したときのプローブ1分子が閉める領域が限界となる。すなわち、3nmがエレメントの最小単位である。 Considering the lower limit of element 1 and the element interval, 70 nm is the lower limit for the following reason. That is, as described above, when a probe of about 50 bases is immobilized, the probe immobilization density is approximately 1 molecule per 15 nm 2 . On the other hand, the lower limit of the size of the nanoparticles used for detection is 5 nm, which is generally available in the current state of the art, so it is almost equal to the probe fixing density, and this is one criterion for representing the lower limit. Actually, if there are not at least 1000 particles on the element 1, there is a problem from the viewpoint of quantitative detection. That is, the size lower limit of the element 1 is 15 × 1000 nm 2 . Therefore, the lower diameter limit of the size of the circular element 1 is 70 nm. Of course, if quantitativeness is not a problem, smaller elements can be used. In this case, the region where one probe molecule is closed when the probe is fixed becomes a limit. That is, 3 nm is the minimum unit of the element.

(実施例3)
アフィニティー精製ポリクローナル抗AFP抗体と抗CEA抗体を、異なるエレメントに固定したプロテインチップを得る。これとは別に、同じ抗AFP抗体と抗CEA抗体をパパイン分解して得られるF(ab’)断片にSH基を導入する。挿入されるSH基はF(ab’)1分子あたり3〜4分子である。20nmの金ナノ粒子と混合し、表面にF(ab’)が結合した粒子を得る。試料として1zmol/μlの濃度のAFP単独、5zmol/μlの濃度のCEA単独、何も入っていないコントロールを用意する。溶媒は0.1%Tween20と0.5%BASを含むPBS(pH7.4)である。プロテインチップに各溶液を反応させ、さらに金ナノ粒子標識F(ab’)を反応させる。反応時間は最初の試料反応が5分間、金ナノ粒子標識F(ab’)の反応が5分間である。反応終了後、0.1%Tween20と0.5%BASを含む緩衝液で洗浄し、AFMで検出する。
(Example 3)
A protein chip is obtained in which affinity purified polyclonal anti-AFP antibody and anti-CEA antibody are immobilized on different elements. Separately, an SH group is introduced into an F (ab ′) 2 fragment obtained by papain degradation of the same anti-AFP antibody and anti-CEA antibody. The number of SH groups to be inserted is 3 to 4 molecules per F (ab ′) 2 molecule. Mix with 20 nm gold nanoparticles to obtain particles with F (ab ′) 2 bonded to the surface. As a sample, prepare AFP alone at a concentration of 1 zmol / μl, CEA alone at a concentration of 5 zmol / μl, and a control containing nothing. The solvent is PBS (pH 7.4) containing 0.1% Tween 20 and 0.5% BAS. Each solution is reacted with a protein chip, and further, gold nanoparticle label F (ab ′) 2 is reacted. The reaction time is 5 minutes for the first sample reaction and 5 minutes for the reaction of the gold nanoparticle labeled F (ab ′) 2 . After completion of the reaction, the reaction mixture is washed with a buffer containing 0.1% Tween 20 and 0.5% BAS and detected by AFM.

AFPを反応させたチップでは抗AFP抗体の結合しているエレメントに120粒子/エレメント、抗CEA抗体を固定しているエレメントでは6粒子/エレメントが検出される。CEAを反応させたチップでは抗AFP抗体の結合しているエレメントに7粒子/エレメント、抗CEA抗体を固定しているエレメントでは1340粒子/エレメントが検出される。   In the chip reacted with AFP, 120 particles / element are detected in the element to which the anti-AFP antibody is bound, and 6 particles / element are detected in the element to which the anti-CEA antibody is immobilized. In the chip reacted with CEA, 7 particles / element are detected in the element to which the anti-AFP antibody is bound, and 1340 particles / element are detected in the element to which the anti-CEA antibody is immobilized.

コントロール溶液ではチップ上のいずれのエレメントにも2〜4粒子/エレメントの金ナノ粒子しか検出されない。   In the control solution, only 2-4 particles / element of gold nanoparticles are detected in any element on the chip.

本発明は、上述したように、いくつかの実施例の形で実施できるが、いずれの場合でも、ハイブリダイズした試料DNAなどを実質的に1分子ごとに検出することになるので、感度的には従来法を凌駕する感度が得られる。極微量体積で極微量DNA(RNA)の検出が可能となるので、従来は不可能であったPCRによる前処理増幅無しでの標的DNA(RNA)の検出が可能となる。検出に標識粒子の大きさや形状を変えることができるので、6種以上10種程度の異なるサンプルを同一エレメントでマルチ解析できるようになる。この技術により従来のディファレンシャルハイブリダイゼーションへの利用のほか、同一プローブでエレメントにサンプルポリヌクレオチドを捕捉し、異なる標識プローブで検出する使い方ができるようになる。本発明のマルチ解析技術により、オルターナティブスプライシングの検出や、複数SNPのタイピングがひとつのエレメントで行えるようになるメリットがある。   As described above, the present invention can be implemented in the form of several examples. In any case, the hybridized sample DNA and the like are detected substantially every molecule, so that the sensitivity can be increased. Can achieve sensitivity exceeding conventional methods. Since it is possible to detect a very small amount of DNA (RNA) in a very small volume, it becomes possible to detect a target DNA (RNA) without pretreatment amplification by PCR, which was impossible in the past. Since the size and shape of the labeled particles can be changed for detection, it is possible to perform multi-analysis of 6 to 10 different samples with the same element. In addition to the use for conventional differential hybridization, this technique enables the sample polynucleotide to be captured on the element with the same probe and detected with a different labeled probe. The multi-analysis technique of the present invention has an advantage that alternative splicing detection and multiple SNP typing can be performed with one element.

図8は本発明の実施に好適なAFMカンチレバーの構成の例を示す斜視図である。AFMカンチレバー130は、図8に示すように、複数の針131〜134がアレー状に並んだ構造とすることができる。針131〜134はピエゾエレクトリック素子151〜154を取り付けたレバー141〜144に独立に取り付けられており、針の上下に対応してピエゾエレクトリック素子の起電力が変化し検出できる構造をしている。このようなアレー状のカンチレバーを用いることで、複数のライン上をいっぺんにスキャンできる。このため、高速でチップ上に捕捉されているナノ粒子を研修つることができる。さらに、高速スキャンが可能になる利点を生かし、同じ部分を複数回スキャンすることで、形状のトレース誤差を低減できる。具体的にはN回スキャンを行うことで、高さ方向の測定誤差を1/√Nに低減できる。本明細書の実施例では、カンチレバーが10連のものを用い、スキャンを16回繰り返して深さ方向の値を演算して出している。これにより、1万エレメントからなる1mm角のチップを30分間でスキャンできる。   FIG. 8 is a perspective view showing an example of the configuration of an AFM cantilever suitable for implementing the present invention. As shown in FIG. 8, the AFM cantilever 130 may have a structure in which a plurality of needles 131 to 134 are arranged in an array. The needles 131 to 134 are independently attached to the levers 141 to 144 to which the piezoelectric elements 151 to 154 are attached, and have a structure in which the electromotive force of the piezoelectric elements changes and can be detected corresponding to the upper and lower sides of the needle. By using such an array-shaped cantilever, a plurality of lines can be scanned together. For this reason, it is possible to train nanoparticles captured on the chip at high speed. Furthermore, by taking advantage of the capability of high-speed scanning, the shape trace error can be reduced by scanning the same portion multiple times. Specifically, by performing scanning N times, the measurement error in the height direction can be reduced to 1 / √N. In the embodiment of this specification, ten cantilevers are used, and the value in the depth direction is calculated by repeating the scan 16 times. Thereby, a 1 mm square chip composed of 10,000 elements can be scanned in 30 minutes.

本発明の実施例1のDNAチップの一部を斜視図で示す概念図。The conceptual diagram which shows a part of DNA chip of Example 1 of this invention with a perspective view. 図1で説明した基板101上の各エレメント1とピラー4とのより詳細な関係と、各エレメント1上に固着されたDNAプローブ21,22,---と、これにハイブリダイズしたDNA断片201と、これを検出するAFMプローブ60との関係を模式的に示す図。A more detailed relationship between each element 1 on the substrate 101 described in FIG. 1 and the pillar 4, DNA probes 21, 22,... Fixed on each element 1, and a DNA fragment 201 hybridized thereto. And a diagram schematically showing the relationship between the AFM probe 60 that detects this. (a),(b),(c)はピラー4のプローブハイブリダイゼーションの速度を速める効果について説明する全体図。(A), (b), (c) is the whole figure explaining the effect which speeds up the probe hybridization speed of the pillar 4. 図3による効果の詳細な説明図。FIG. 4 is a detailed explanatory diagram of the effect of FIG. 3. 図1に示すチップ100をAFMプローブ60で横方向にスキャンしながら得られたAFMプローブ60の位置信号を模式的に示す図。FIG. 3 is a diagram schematically showing a position signal of the AFM probe 60 obtained while scanning the chip 100 shown in FIG. 1 with the AFM probe 60 in the lateral direction. (a),(b),(c)は実施例2のピラー4のプローブハイブリダイゼーションの速度を速める効果について説明する全体図。(A), (b), (c) is the whole figure explaining the effect which speeds up the probe hybridization speed | rate of the pillar 4 of Example 2. FIG. 図6による効果の詳細な説明図。FIG. 7 is a detailed explanatory diagram of the effect of FIG. 6. 本発明の実施に好適なAFMカンチレバーの構成の例を示す斜視図。The perspective view which shows the example of a structure of the AFM cantilever suitable for implementation of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…エレメント、2…エレメントの間隔、3…エレメントグループ、4…ピラー、5…溝、6…、21,22…DNAプローブ、23’,24’,25’…金ナノ粒子、50…細胞分離用チップ、51…試料導入部、60…AFMプローブ、100…チップ、101…シリコン基板、102…上面プレート、121…ロッド、201…DNA断片、130…AFMカンチレバー、131〜134…針、141〜144…レバー、151〜154…ピエゾエレクトリック素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Element, 2 ... Element interval, 3 ... Element group, 4 ... Pillar, 5 ... Groove, 6 ... 21, 22 ... DNA probe, 23 ', 24', 25 '... Gold nanoparticle, 50 ... Cell separation Chip, 51 ... sample introduction part, 60 ... AFM probe, 100 ... chip, 101 ... silicon substrate, 102 ... top plate, 121 ... rod, 201 ... DNA fragment, 130 ... AFM cantilever, 131-134 ... needle, 141- 144: Lever, 151-154: Piezoelectric element.

Claims (6)

基板上に独立した複数の領域が設けられ、それぞれの領域に異なったプローブが固定された生体試料解析チップであって、前記独立した複数の領域の個々の大きさが、700nmφの円形の面積以下、3nmφの円形の面積以上であり、前記独立した複数の領域の4隅に特定の形を持つ構造体を配置するとともに、これらの4隅に配置された特定の形を持つ構造体を前記独立した複数の領域ごとに異なったものとしたことを特徴とする生体試料解析チップ。 A biological sample analysis chip in which a plurality of independent regions are provided on a substrate, and different probes are fixed to the respective regions, wherein each of the independent regions has a circular area of 700 nmφ or less. state, and are circular area over 3Nmfai, with arranging a structure with a specific shape the four corners of the plurality of areas in which the independent, said structure having a specific shape disposed on these four corners A biological sample analysis chip characterized by being different for each of a plurality of independent regions . 前記独立した複数の領域の所定数を単位とする領域が、領域間に形成された溝を介して配置されている請求項1記載の生体試料解析チップ。 Wherein a plurality of independent regions of area in units of predetermined number, claim 1 Symbol placing of the biological sample analysis chip are arranged with a groove formed between the regions. 前記独立した複数の領域の所定数を単位とする領域が、所定の距離以上離れて配置されている請求項1記載の生体試料解析チップ。 Wherein a plurality of independent regions of area in units of predetermined number, claim 1 Symbol placing of the biological sample analysis chip are spaced apart a predetermined distance or more. 基板上に独立した複数の領域が設けられ、それぞれの領域に異なったプローブが固定された生体試料解析チップの、前記独立した複数の領域の個々の大きさが、700nmφの円形の面積以下、3nmφの円形の面積以上であり、前記独立した複数の領域の4隅に特定の形を持つ構造体を配置するとともに、これらの4隅に配置された特定の形を持つ構造体を前記独立した複数の領域ごとに異なったものとした生体試料解析チップ上に試料溶液を滴下してその上面に薄いプレートまたは所定の速度で回転するロッドを配置し、これを基板上で左右に移動させて前記プローブと試料溶液中の試料とのハイブリダイズを促進することを特徴とする生体試料解析チップによる解析法。 In the biological sample analysis chip in which a plurality of independent regions are provided on the substrate and different probes are fixed to the respective regions, the individual sizes of the plurality of independent regions are less than a circular area of 700 nmφ, 3 nmφ circular der more area is, with arranging a structure with a specific shape the four corners of the plurality of areas in which the independent, a structure with a specific shape disposed on these four corners were the independent A sample solution is dropped on a biological sample analysis chip that is different for each of a plurality of regions, and a thin plate or a rod that rotates at a predetermined speed is disposed on the top surface of the chip, and this is moved left and right on the substrate. An analysis method using a biological sample analysis chip, which promotes hybridization between a probe and a sample in a sample solution. 基板上に独立した複数の領域が設けられ、それぞれの領域に異なったプローブが固定された生体試料解析チップの、前記独立した複数の領域の個々の大きさが、700nmφの円形の面積以下、3nmφの円形の面積以上であり、前記独立した複数の領域の4隅に特定の形を持つ構造体を配置するとともに、これらの4隅に配置された特定の形を持つ構造体を前記独立した複数の領域ごとに異なったものとした生体試料解析チップを原子間力顕微鏡のプローブでトレースしてプローブにハイブリダイズした試料を検出する生体試料解析法。 In the biological sample analysis chip in which a plurality of independent regions are provided on the substrate and different probes are fixed to the respective regions, the individual sizes of the plurality of independent regions are less than a circular area of 700 nmφ, 3 nmφ circular der more area is, with arranging a structure with a specific shape the four corners of the plurality of areas in which the independent, a structure with a specific shape disposed on these four corners were the independent A biological sample analysis method for detecting a sample hybridized to a probe by tracing a biological sample analysis chip that is different for each of a plurality of regions with an atomic force microscope probe. 前記プローブにハイブリダイズした試料は、ハイブリダイズしたDNA断片に相補で異なる配列部分にハイブリダイズするオリゴプローブにそれぞれ異なる粒子径の粒子を標識した標識プローブを反応させる請求項記載の生体試料解析法。 6. The method of analyzing a biological sample according to claim 5 , wherein the sample hybridized with the probe is reacted with a labeled probe labeled with particles of different particle diameters with an oligo probe complementary to the hybridized DNA fragment and hybridized with a different sequence portion. .
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