JP4333320B2 - カートリッジ及びカートリッジ内の湿度調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＤＮＡチップ等のバイオアッセイ基板を収納するためのカードリッジ及びカートリッジ内の湿度調節方法に関し、より詳細には、バイオアッセイ基板の収納された内部の湿度を略々一定に調節する機構を備えたカートリッジ及びカートリッジ内の湿度調節方法に関する。

現在、マイクロアレイ技術によって所定のＤＮＡが微細配列された、いわゆるＤＮＡチップ又はＤＮＡマイクロアレイ（以下、ＤＮＡチップと総称する。）と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板が、遺伝子の突然変異、ＳＮＰｓ（一塩基多型）分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されており、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の分野において広範に活用され始めている。

このＤＮＡチップは、ガラス基板やシリコン基板上に多種多数のＤＮＡオリゴヌクレオチド鎖や、ｃＤＮＡ（complementary DNA）等が集積されていることから、ハイブリダイゼーション等の分子間相互反応の網羅的解析が可能となる。

ＤＮＡチップを用いたＤＮＡ解析手法は、例えばＤＮＡチップ上に固相化（固定化）されたプローブＤＮＡに対して、細胞、組織等から抽出したｍＲＮＡ（messenger RNA）を逆転写ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）反応等によって蛍光プローブｄＮＴＰを組み込みながらＰＣＲ増幅して生成したサンプルＤＮＡを滴下し、ＤＮＡチップ上でハイブリダイゼーション反応を行わせ、所定の光検出器で蛍光検出を行うものである。

また、近年では、ＤＮＡチップの形状を従来のような矩形状ではなく円板状として、光ディスクの分野で培われた基板技術をＤＮＡ解析に応用することが提案されている（特許文献１，２参照）。

この光ディスクの技術が応用されたＤＮＡ解析を行う場合、例えば円板状にしたＤＮＡチップを回転させながら、ハイブリダイゼーション反応後の２本鎖ＤＮＡから発生する蛍光を光検出器で検出し、その蛍光の発光位置をアドレッシング技術で特定するといったサーボ技術を適用することが可能となり、被処理サンプル物質数の増大、並びに検出精度及び検出速度の向上を図ることができる。

ところで、このＤＮＡチップにおいては、周囲の環境の相対湿度を調節することが、ハイブリダイゼーション反応を効率よく円滑に行わせる上で不可欠である。例えば下記特許文献３には、試料の滴下や反応を行わせるための装置及びＤＮＡチップをほぼ密閉された筐体内に格納し、この筐体内の相対湿度を超音波加湿器等によって例えば９５％以上に保つことにより、ＤＮＡチップ上に滴下された試料中の水分の蒸発を防止する技術が提案されている。

特開２００１−２３８６７４号公報 特表２００２−５０１１７４号公報 特開平１１−２８１５３４号公報

しかしながら、この特許文献３記載の技術では、筐体中の相対湿度を調節することで、滴下した試料中の水分の蒸発を防ぐことはできるものの、ＤＮＡチップの保管時には周囲の環境の相対湿度を調節しないため、環境の相対湿度が低い場合には、ＤＮＡチップ上に固相化されたプローブＤＮＡが固定表面に不要に固着又は癒着し、ハイブリダイゼーション反応が阻害される虞がある。

このような問題を防止するため、特許文献１，２に記載のようにＤＮＡチップの形状を円板状として、例えばフレキシブルディスクやミニディスク（商標）のようなカートリッジに収納し、そのカートリッジ内の相対湿度を例えば水を含ませたゲルにより調節することが考えられる。しかしながら、この場合、急激な外気温の変化に伴ってカートリッジ内が結露してしまう虞があり、実用化の観点から問題が残る。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、バイオアッセイ基板の収納された内部の湿度を結露を起こすことなく略々一定に調節する機構を備えたカートリッジ及びカートリッジ内の湿度調節方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係るカートリッジは、検出物質が保持され、生化学反応を用いて標的物質を検出するバイオアッセイ基板が少なくとも１枚収納されるカートリッジであって、当該カートリッジ内の空間に対する外気の流入を遮断する外気遮断機構と、当該カートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定の高湿度に調節する相対湿度調節機構とを有する。

ここで、相対湿度調節機構としては、硫酸カリウム、硝酸カリウム又は炭酸ナトリウムを溶解した水溶液である飽和塩溶液を吸収させた溶液保持パッドを用いることができ、溶液保持パッドとしては、吸湿性ゲル又は親水性物質からなる不織布を用いることができる。

また、上述した目的を達成するために、本発明に係るカートリッジ内の湿度調節方法は、検出物質が保持され、生化学反応を用いて標的物質を検出するバイオアッセイ基板が少なくとも１枚収納されるカートリッジ内の湿度調節方法であって、上記カートリッジ内の空間に対する外気の流入を遮断し、硫酸カリウム、硝酸カリウム又は炭酸ナトリウムを溶解した水溶液である飽和塩溶液を吸収した溶液保持パッドにより、上記カートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定の高湿度に調節するものである。

ここで、溶液保持パッドとしては、吸湿性ゲル又は親水性物質からなる不織布を用いることができる。

このようなカートリッジ及びカートリッジ内の湿度調節方法では、外気遮断機構によってバイオアッセイ基板が少なくとも１枚収納されたカートリッジ内をほぼ密閉された空間とし、相対湿度調節機構によってカートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定に調節する。

本発明に係るカートリッジによれば、外気遮断機構によってカートリッジ内をほぼ密閉された空間とすることで、外部の塵等の不要な物質がバイオアッセイ基板の表面に付着することを防止することができる。また、相対湿度調節機構によってカートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定に調節することで、バイオアッセイ基板上に保持された検出物質が基板表面に不要に固着又は癒着してしまうのを防止することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態として、本発明を適用したカートリッジ、このカートリッジに収納されるＤＮＡ解析用のバイオアッセイ基板、及びこのバイオアッセイ基板を用いてＤＮＡ解析を行うバイオアッセイ装置について説明する。なお、本明細書において「バイオアッセイ」とは、ハイブリダイゼーションその他の物質間の相互作用に基づく生化学分析を意味する。

（カートリッジ）
本実施の形態におけるバイオアッセイ基板が収納されるカートリッジの一例について、図１乃至図４を参照しながら説明する。

先ず、図１に示すカートリッジ１は、円板状のバイオアッセイ基板２０を複数枚収納可能なものであり、目的のバイオアッセイ基板２０が後述するバイオアッセイ装置にロードされて回転制御される。

カートリッジ１は、大きく分けて複数枚のバイオアッセイ基板２０を収納するメディアストッカ２と、バイオアッセイ基板２０を載置保持するメディアトレイ３とから構成され、メディアストッカ２には、メディアトレイ３をバイオアッセイ装置内の所定位置又はメディアストッカ２内の収納位置に移動させバイオアッセイ基板２０をロード又はアンロードするためのガイド４が設けられている。なお、図示しないが、カートリッジ１内には、アダプタ等の周辺部品も同梱することができる。

また、このカートリッジ１には、外気の流入を遮断する外気遮断機構としての蓋部５が設けられている。この蓋部５としては、例えば図２（Ａ）に示すように、メディアトレイ３に対してヒンジ６を介して開閉可能に固定されたものであってもよく、図２（Ｂ）に示すように、シャッタのような形状であってもよい。なお、蓋部５及びメディアトレイ３の接触部分には、外気の流入を遮断するために、パッキン７等を設けることが好ましい。また、カートリッジ１には、蓋部５を確実に閉じて内部をほぼ密閉された空間とするために、ロック機構８が設けられている。この場合、カートリッジ１の使用時における人間の介在を無くすため、後述するバイオアッセイ装置には、ロックを外部から解除する機構を設けることが望ましい。

このように、カートリッジ１に蓋部５が設けられているため、保管時には、この蓋部５を閉じてカートリッジ１内をほぼ密閉された空間とすることで、外部の塵等の不要な物質がバイオアッセイ基板２０の表面に付着してハイブリダイゼーション反応を阻害する問題を防止することができる。

さらに、このカートリッジ１内の所定位置には、図３に示すように、カートリッジ１内の空間の相対湿度を略々一定に調節する相対湿度調節機構としての後述する溶液保持パッド９が配置されている。この溶液保持パッド９によってカートリッジ１内の空間の相対湿度を後述のように略々一定に調節することで、保管時にバイオアッセイ基板２０上に固相化されたプローブＤＮＡ（検出物質）が固定表面に不要に固着又は癒着してしまうのを防止することができる。

続いて、図４に示すカートリッジ１０は、バイオアッセイ基板２０を１枚収納可能なものであり、このカートリッジ１０の内部でバイオアッセイ基板２０が回転可能とされている。

カートリッジ１０の外面には、例えばバーコード１１によってバイオアッセイ基板２０のＩＤが記載されており、このＩＤによりバイオアッセイ基板２０のデータが管理される。

また、カートリッジ１０の所定位置には外気遮断機構としてのスライド式のスライドシャッタ１２が設けられ、このスライドシャッタ１２が開けられることで内部のバイオアッセイ基板２０が表出する。このスライドシャッタ１２は、通常は閉じてバイオアッセイ基板２０を隠蔽している。これにより、外部の塵等の不要な物質がバイオアッセイ基板２０の表面に付着してハイブリダイゼーション反応を阻害する問題を防止することができる。なお、スライドシャッタ１２は、後述するバイオアッセイ装置内において、当該バイオアッセイ基板２０に対する溶液の滴下時、励起光及び制御光の照射時、並びに蛍光の読取時に、装置内の機構によりスライドされて開けられるものとされる。

また、このカートリッジ１０内の所定位置にも、図４に示すように、カートリッジ１０内の空間の相対湿度を略々一定に調節する溶液保持パッド９が配置されている。この溶液保持パッド９によってカートリッジ１０内の空間の相対湿度を後述のように略々一定に調節することで、保管時にバイオアッセイ基板２０上に固相化されたプローブＤＮＡが固定表面に不要に固着又は癒着してしまうのを防止することができる。

以上のようなカートリッジ１，１０では、蓋部５又はスライドシャッタ１２によってカートリッジ１，１０内をほぼ密閉された空間とすることで、外部の塵等の不要な物質がバイオアッセイ基板２０の表面に付着してハイブリダイゼーション反応を阻害する問題を防止することができる。

また、溶液保持パッド９によってカートリッジ１，１０内の空間の相対湿度を略々一定に調節することで、保管時にバイオアッセイ基板２０上に固相化されたプローブＤＮＡが固定表面に不要に固着又は癒着してしまうのを防止することができる。

さらに、複数枚のバイオアッセイ基板２０が収納可能なカートリッジ１を用いることで、ユーザは、カートリッジ１内のバイオアッセイ基板２０の数を気にすることなく、少ない操作で多数のＤＮＡを解析することができる。

（相対湿度調節方法）
次に、上述したカートリッジ１，１０内のほぼ密閉された空間における相対湿度を略々一定に調節する相対湿度調節方法について説明する。

一般に、固相が共存する２成分系の飽和塩溶液は、温度一定の場合、気液平衡によって環境湿度が塩の種類に応じた平衡相対湿度で一定となる性質を有する。すなわち、飽和塩溶液は、環境湿度が平衡相対湿度以下の場合には放湿し、環境湿度が平衡相対湿度以上の場合には吸湿する性質を有する。以下の表に、代表的な塩の種類とその平衡相対湿度を示す。

この表から分かるように、例えば２０℃における硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）の平衡相対湿度は９５％、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の平衡相対湿度は７５％であり、３０℃においてもその平衡相対湿度は殆ど変化しない。したがって、使用する塩の種類を選択することで、環境湿度をパーセントオーダで目的の相対湿度に調節することができる。

本実施の形態では、バイオアッセイ基板２０上に固相化されたプローブＤＮＡが固定表面に不要に固着又は癒着してしまうのを防止するため、例えば硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）、硝酸カリウム（ＫＮＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）など、９０％程度以上の平衡相対湿度を示す塩を選択し、その塩を純水に溶解して固相の共存した飽和塩水溶液を調製する。そして、この飽和塩水溶液を水分の吸収及び放散が可能な溶液保持パッド９に吸収させ、飽和塩水溶液を含む溶液保持パッド９をカートリッジ１，１０内の空間に配置する。

ここで、溶液保持パッド９としては、種々のものを用いることができるが、例えばマクロゴール等の吸水性ゲルや、セルロース等の親水性の物質からなる不織布が利用可能である。特にマクロゴールは、環境の相対湿度によって飽和吸湿水分量が異なり、相対湿度が下がると放湿する性質があるため、好適に用いることができる。この溶液保持パッド９は、例えばメッシュ状の金属、セラミック又はプラスチックからなる区画（図示せず）に保持される。

なお、溶液保持パッド９の大きさや数、配置場所については、カートリッジ１，１０の形状や内容積に合わせて設定する必要があるが、一例として、図４に示すカートリッジ１０の内部に溶液保持パッド９を配置する場合について、必要な大きさ及び数を考察する。

具体的に、環境の相対湿度が５０％である場合に、硫酸カリウム（Ｋ_２ＳＯ_４）の飽和水溶液を用いて、カートリッジ１０内の相対湿度を９７％に調節する場合について考える。純水の２０℃における水蒸気量は、相対湿度が１００％では１７．２８４ｇ／ｍ^３、９０％では１５．５５６ｇ／ｍ^３であるため、９７％では（１７．２８４−１５．５５６）×０．７＋１５．５５６＝１６．７６６ｇ／ｍ^３であると推定する。相対湿度５０％における水蒸気量は８．６４２ｇ／ｍ^３であるため、相対湿度９７％まで上昇させるためには、１６．７６６−８．６４２＝８．１２４ｇ／ｍ^３＝８．１２４×１０^−３μｇ／ｍｍ^３の水分量がさらに必要となる。

バイオアッセイ基板２０の大きさを直径１２０ｍｍ、中心孔の直径１５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍとすると、その体積は（６０×６０−７．５×７．５）×π×１．２＝１３３５３ｍｍ^３となる。一方、図４に示したカートリッジ１０の大きさを各辺１３０ｍｍ、内寸厚さ２．２ｍｍとすると、その内容積は１３０×１３０×２．２＝３７１８０ｍｍ^３となる。したがって、カートリッジ１０内の空間は、３７１８０−１３３５３＝２３８２７ｍｍ^３となる。

これらから、カートリッジ１０内の空間の相対湿度を５０％から９７％までに上昇させるのに必要な水分量は、８．１２４×１０^−３×２３８２７＝１９３．６μｇ≒０．２ｍｇとなる。したがって、１ｍｍ×１ｍｍ×０．２ｍｍの水分量を４箇所に配置した場合には、それぞれ約２５％の水分が放出すればよく、十分に実現可能である。なお、実際には、水分は溶液保持パッド９に吸収されるため、溶液保持パッド９を配置するために必要な体積はこれよりも若干大きくなるが、その場合でも十分にカートリッジ１０内の空間に配置可能である。

このように、本実施の形態では、カートリッジ１，１０内のほぼ密閉された空間に飽和塩水溶液を含む溶液保持パッド９を配置することで、カートリッジ１，１０内で結露を起こすことなく、相対湿度を飽和塩水溶液中の塩の種類に応じた平衡相対湿度に調節することが可能である。

（バイオアッセイ基板）
次に、上述したカートリッジ１，１０に収納されるバイオアッセイ基板２０について説明する。図５は、バイオアッセイ基板２０の上面を模式的に示したものである。

バイオアッセイ基板２０の中心には、中心孔２１が形成されている。中心孔２１には、当該バイオアッセイ基板２０が後述するバイオアッセイ装置に装着されたときに、当該バイオアッセイ基板２０を保持及び回転させるためのチャッキング機構が挿入される。

バイオアッセイ基板２０は、図６に示すように、下層側から、基板層２２と、透明電極層２３と、固相化層２４と、ウェル形成層２５とから形成された層構造となっている。なお、バイオアッセイ基板２０のウェル形成層２５側の表面を上面２０ａ、基板層２２側の表面を下面２０ｂというものとする。

基板層２２は、詳細を後述する励起光及び制御光並びに蛍光の波長の光を透過する材料である。例えば、基板層２２は、石英ガラス、シリコン、ポリカーボネート、ポリスチレンその他の円盤状に成型可能な合成樹脂、好ましくは射出成型可能な合成樹脂で形成されている。なお、安価な合成樹脂基板を用いることで、従来のガラス基板に比して低ランニングコストを実現できる。

透明電極層２３は、基板層２２上に形成された層である。透明電極層２３は、例えばＩＴＯ（インジウム-スズ-オキサイド）やアルミニウム等の光透過性があり且つ導電性を有する材料から形成されている。透明電極層２３は、基板層２２上に例えばスパッタリングや電子ビーム蒸着等により２５０ｎｍ程度の厚さに成膜されて形成される。

固相化層２４は、透明電極層２３上に形成された層である。固相化層２４は、プローブＤＮＡ（検出物質）の一端を固相化させるための材料から形成されている。本例では、固相化層２４は、シランにより表面修飾可能なＳｉＯ_２が、例えばスパッタリングや電子ビーム蒸着により５０ｎｍ程度の厚さに成膜された層となっている。

ウェル形成層２５は、固相化層２４上に形成された層である。ウェル形成層２５は、プローブＤＮＡ（検出物質）とサンプルＤＮＡ（標的物質）との間のハイブリダイゼーション反応を起こさせる複数のウェル２６が形成された層である。ウェル２６は、バイオアッセイ基板２０の上面２０ａが開口したくぼみ状となっており、サンプルＤＮＡが含まれた溶液等が滴下されたときにその溶液を保留することができる程度の深さ及び大きさとなっている。例えば、ウェル２６は、開口部が１００μｍ四方の大きさに形成され、深さが５μｍ程度とされて、底面２８に固相化層２４が露出している。このようなウェル形成層２５は、例えば、固相化層２４上に感光性ポリミイドをスピンコート等で５μｍ程度の厚さに塗布し、塗布した感光性ポリミイドを所定のパターンでフォトマスクを用いて露光及び現像することで形成される。

さらに、ウェル２６は、一端が官能基により修飾されたプローブＤＮＡが底面２８（固相化層２４が露出した部分）に結合するように、当該底面２８が官能基により表面修飾されている。例えば、ウェル２６は、図７に示すように、ＳＨ基２９を有するシラン分子３０により、底面２８（ＳｉＯ_２から形成されている固相化層２４）が表面修飾されている。このため、ウェル２６の底面２８には、例えばＳＨ基で一端が修飾されたプローブＤＮＡを結合させることができる。このようにバイオアッセイ基板２０では、ウェル２６の底面２７に、プローブＤＮＡの一端を結合させることができるので、図８に示すように、底面２７から垂直方向に鎖が伸びるように、プローブＤＮＡ（Ｐ）を結合させることができる。

また、バイオアッセイ基板２０では、図５に示すように、複数のウェル２６が、主面の中心から外周方向に放射状に向かう複数の列上に、例えば４００μｍ程度の間隔で等間隔に並んで配置されている。

また、バイオアッセイ基板２０には、バイオアッセイ基板２０の下面２０ｂ側からレーザ光を照射することにより読み取り可能なアドレスピット２７が形成されている。アドレスピット２７は、バイオアッセイ基板２０の平面上における各ウェル２６の位置を特定するための情報である。アドレスピット２７から情報を光学的に読み取ることによって、複数存在するウェル２６のうち、現在レーザ光を照射している位置の１つのウェル２６がどれであるかを特定することが可能となる。このようなアドレスピット２７が設けてあることによって、後述する滴下装置による溶液の滴下位置の制御や、対物レンズによる蛍光検出位置の特定を行うことができる。

以上のようなバイオアッセイ基板２０では、円板状に形成されているため、光ディスクシステムと同様の再生システムを利用することにより、レーザ光のフォーカシング位置を制御するためのフォーカシングサーボ制御、半径方向に対するレーザ光の照射位置や滴下装置による滴下位置の制御のための位置決めサーボ制御、並びに、アドレスピット２７の情報検出処理をすることができる。つまり、アドレスピット２７に記録してある情報内容と、そのアドレスピット２７の近傍にあるウェル２６とを対応させておくことにより、アドレスピット２７の情報を読み出すことで、特定の１つのウェル２６に対してのみレーザ光を照射して蛍光が発光しているウェル２６の位置を特定したり、特定の１つのウェル２６の位置と滴下装置との相対位置を制御して、その特定の１つのウェル２６に対して溶液を滴下したりすることができる。

（バイオアッセイ装置）
次に、上述したバイオアッセイ基板２０を用いてＤＮＡ解析を行うバイオアッセイ装置４０について、図９を参照して説明する。なお、実際のバイオアッセイ基板２０は、上述したようなカートリッジ１，１０に収納されているが、図９では説明の便宜上、カートリッジ１，１０を省略して図示する。

バイオアッセイ装置４０は、図９に示すように、バイオアッセイ基板２０を保持して回転させるディスク装填部４１と、ハイブリダイゼーションのための各種溶液を貯留するとともにバイオアッセイ基板２０のウェル２６にその溶液を滴下する滴下部４２と、バイオアッセイ基板２０のウェル２６から励起光を検出するための励起光検出部４３と、上記の各部の管理及び制御を行う制御/サーボ部４４とを備えている。

ディスク装填部４１は、バイオアッセイ基板２０の中心孔２１内に挿入して当該バイオアッセイ基板２０を保持するチャッキング機構５０と、チャッキング機構５０を駆動することによりバイオアッセイ基板２０を回転させるスピンドルモータ５１とを有している。ディスク装填部４１は、上面２０ａ側が上方向となるようにバイオアッセイ基板２０を水平に保持した状態で、当該バイオアッセイ基板２０を回転駆動する。

滴下部２３は、試料溶液Ｓを貯留する貯留部５２と、貯留部５２内の試料溶液Ｓをバイオアッセイ基板２０に滴下する滴下ヘッド５３とを有している。滴下ヘッド５３は、水平に装填されたバイオアッセイ基板２０の上面２０ａの上方に配置されている。さらに、滴下ヘッド５３は、図５記載のバイオアッセイ基板２０のアドレスピット２７から読み出される位置情報及び回転同期情報に基づいてバイオアッセイ基板２０との相対位置を半径方向に制御し、プローブＤＮＡ、サンプルＤＮＡ又は蛍光標識剤を含有する試料溶液Ｓを所定のウェル２６に正確に追従して滴下する構成とされている。

励起光検出部４３は、光学ヘッド６０を有している。光学ヘッド６０は、水平に装填されたバイオアッセイ基板２０の下方側、すなわち、下面２０ｂ側に配置されている。光学ヘッド６０は、例えば、図示しないスレッド機構等により、バイオアッセイ基板２０の半径方向に移動自在とされている。

光学ヘッド６０は、対物レンズ６１と、対物レンズ６１を移動可能に支持する２軸アクチュエータ６２と、導光ミラー６３とを有している。対物レンズ６１は、その中心軸がバイオアッセイ基板２０の表面に対して略垂直となるように２軸アクチュエータ６２に支持されている。したがって、対物レンズ６１は、バイオアッセイ基板２０の下方側から入射された光束を当該バイオアッセイ基板２０に対して集光することができる。２軸アクチュエータ６２は、バイオアッセイ基板２０の表面に対して垂直な方向、及び、バイオアッセイ基板２０の半径方向の２方向に対物レンズ６１を移動可能に支持している。２軸アクチュエータ６２を駆動することにより、対物レンズ６１により集光された光の焦点を、バイオアッセイ基板２０の表面に対して垂直な方向及び半径方向に移動させることができる。したがって、この光学ヘッド６０では、光ディスクシステムにおけるジャストフォーカス制御並びに位置決め制御と同様の制御を行うことができる。

導光ミラー６３は、光路Ｘ上に対して４５°の角度で配置されている。光路Ｘは、励起光Ｐ、蛍光Ｆ、制御光Ｖ及び反射光Ｒが、光学ヘッド６０に対して入射及び出射する光路である。導光ミラー６３には、励起光Ｐ及び制御光Ｖが光路Ｘ上から入射される。導光ミラー６３は、励起光Ｐ及び制御光Ｖを反射して９０°屈折させて、対物レンズ６１に入射する。対物レンズ６１に入射された励起光Ｐ及び制御光Ｖは、当該対物レンズ６１により集光されてバイオアッセイ基板２０に照射される。また、導光ミラー６３には、蛍光Ｆ及び制御光Ｖの反射光Ｒが、バイオアッセイ基板２０から対物レンズ６１を介して入射される。導光ミラー６３は、蛍光Ｆ及び反射光Ｒを反射して９０°屈折させて、光路Ｘ上に出射する。なお、光学ヘッド６０をスレッド移動させる駆動信号及び２軸アクチュエータ６２を駆動する駆動信号は、制御/サーボ部４４から与えられる。

また、励起光検出部４３は、励起光Ｐを出射する励起光源６４と、励起光源６４から出射された励起光Ｐを平行光束とするコリメータレンズ６５と、コリメータレンズ６５により平行光束とされた励起光Ｐを光路Ｘ上で屈折させて導光ミラー６３に照射する第１のダイクロックミラー６６とを有している。

励起光源６４は、蛍光標識剤を励起可能な波長のレーザ光源を有する発光手段である。励起光源６４から出射される励起光Ｐは、ここでは波長が４０５ｎｍのレーザ光である。なお、励起光Ｐの波長は、蛍光標識剤を励起できる波長であればどのような波長であってもよい。コリメータレンズ６５は、励起光源６４から出射された励起光Ｐを平行光束にする。第１のダイクロックミラー６６は、波長選択性を有する反射鏡であり、励起光Ｐの波長の光のみを反射して、蛍光Ｆ及び制御光Ｖ（その反射光Ｒ）の波長の光を透過する。第１のダイクロックミラー６６は、光路Ｘ上に４５°の角度を持って挿入されており、コリメータレンズ６５から出射された励起光Ｐを反射して９０°屈折させ、導光ミラー６３に励起光Ｐを照射している。

また、励起光検出部４３は、蛍光Ｆを検出するアバランジェフォトダイオード６７と、蛍光Ｆを集光する集光レンズ６８と、光学ヘッド６０から光路Ｘ上に出射された蛍光Ｆを屈折させてアバランジェフォトダイオード６７に照射する第２のダイクロックミラー６９とを有している。

アバランジェフォトダイオード６７は、非常に感度の高い光検出器であり、微弱な光量の蛍光Ｆを検出することが可能である。なお、アバランジェフォトダイオード６７により検出する蛍光Ｆの波長は、ここでは４７０ｎｍ程度である。また、この蛍光Ｆの波長は、蛍光標識剤の種類により異なるものである。集光レンズ６８は、アバランジェフォトダイオード６７上に蛍光Ｆを集光するためのレンズである。第２のダイクロックミラー６９は、光路Ｘ上に４５°の角度を挿入されているとともに、導光ミラー６３側から見て第１のダイクロックミラー６６の後段に配置されている。したがって、第２のダイクロックミラー６９には、蛍光Ｆ、制御光Ｖ及び反射光Ｒが入射し、励起光Ｐは入射しない。第２のダイクロックミラー６９は、波長選択性を有する反射鏡であり、蛍光Ｆの波長の光のみを反射して、制御光（反射光Ｒ）の波長の光を透過する。第２のダイクロックミラー６９は、光学ヘッド６０の導光ミラー６３から出射された蛍光Ｆを反射して９０°屈折させ、集光レンズ６８を介してアバランジェフォトダイオード６７に蛍光Ｆを照射する。

アバランジェフォトダイオード６７では、このように検出した蛍光Ｆの光量に応じた電気信号を発生し、その電気信号を制御/サーボ部４４に供給する。

また、励起光検出部４３は、制御光Ｖを出射する制御光源７０と、制御光源７０から出射された制御光Ｖを平行光束とするコリメータレンズ７１と、制御光Ｖの反射光Ｒを検出するフォトディテクト回路７２と、非点収差を生じさせてフォトディテクト回路７２に対して反射光Ｒを集光するシリンドリカルレンズ７３と、制御光Ｖと反射光Ｒとを分離する光セパレータ７４とを有している。

制御光源７０は、例えば７８０ｎｍの波長のレーザ光を出射するレーザ光源を有する発光手段である。なお、制御光Ｖの波長は、アドレスピット２７が検出できる波長に設定されている。さらに、制御光Ｖの波長は、励起光Ｐ及び蛍光Ｆの波長と異なった波長に設定されている。このような波長であれば、制御光Ｖの波長は、７８０ｎｍに限らずどのような波長であってもよい。コリメータレンズ７１は、制御光源７０から出射された制御光Ｖを平行光束にする。平行光束とされた制御光Ｖは光セパレータ７４に入射される。

フォトディテクト回路７２は、反射光Ｒを検出するディテクタと、検出した反射光Ｒからフォーカスエラー信号、位置決めエラー信号、及び、アドレスピット２７の再生信号を生成する信号生成回路とを有している。反射光Ｒは、制御光Ｖがバイオアッセイ基板２０で反射して生成された光であるので、その波長は、制御光Ｖと同一の７８０ｎｍである。

なお、フォーカスエラー信号は、対物レンズ６１により集光された光の合焦位置とバイオアッセイ基板２０の基板層２２との位置ずれ量を示すエラー信号である。フォーカスエラー信号が０となったときに、対物レンズ６１とバイオアッセイ基板２０との間の距離が最適となる。位置決めエラー信号は、所定のウェル２６の位置と焦点位置とのディスク半径方向に対する位置ずれ量を示す信号である。位置決めエラー信号が０となったときに、制御光Ｖのディスク半径方向に対する照射位置が所定のウェル２６に一致したこととなる。アドレスピット２７の再生信号は、バイオアッセイ基板２０に記録されているアドレスピット２７に記述されている情報内容を示す信号である。この情報内容を読み出すことにより、現在、制御光Ｖを照射しているウェル２６を特定することができる。

フォトディテクト回路７２は、反射光Ｒに基づき生成されたフォーカスエラー信号、位置決めエラー信号及びアドレスピット２７の再生信号を制御/サーボ部４４に供給する。

シリンドリカルレンズ７３は、フォトディテクト回路７２上に反射光Ｒを集光するとともに非点収差を生じさせるためのレンズである。このように非点収差を生じさせることによりフォトディテクト回路７２によりフォーカスエラー信号を生成させることができる。

光セパレータ７４は、偏向ビームスプリッタからなる光分離面７４ａと１/４波長板７４ｂとにより構成されている。光セパレータ７４では、１/４波長板７４ｂの逆側から入射された光を光分離面７４ａが透過し、その透過光の反射光が１/４波長板７４ｂ側から入射された場合には光分離面７４ａが反射する機能を有している。光セパレータ７４は、光分離面７４ａが光路Ｘ上に４５°の角度を挿入されているとともに、導光ミラー６３側から見て第２のダイクロックミラー６９の後段に配置されている。したがって、光セパレータ７４では、コリメータレンズ７１から出射された制御光Ｖを透過して光学ヘッド６０内の導光ミラー６３に対してその制御光Ｖを入射させているとともに、光学ヘッド６０の導光ミラー６３から出射された反射光Ｒを反射することにより９０°屈折され、シリンドリカルレンズ７３を介してフォトディテクト回路７２に反射光Ｒを照射する。

制御/サーボ部４４は、励起光検出部４３により検出されたフォーカスエラー信号、位置決めエラー信号及びアドレスピット２７の再生信号に基づき、各種のサーボ制御を行う。

すなわち、制御/サーボ部４４は、フォーカスエラー信号に基づき光学ヘッド６０内の２軸アクチュエータ６２を駆動して対物レンズ６１とバイオアッセイ基板２０との間の距離を制御し、フォーカスエラー信号が０となるようにサーボ制御を行う。また、制御/サーボ部４４は、位置決めエラー信号に基づき光学ヘッド６０内の２軸アクチュエータ６２を駆動して対物レンズ６１をバイオアッセイ基板２０の半径方向に移動制御し、位置決めエラー信号が０となるようにサーボ制御を行う。また、制御/サーボ部４４は、アドレスピット２７の再生信号に基づき光学ヘッド６０を所定の半径位置に移動し、目的のウェル位置に対物レンズ６１を移動させる。

以上のような構成のバイオアッセイ装置４０では、バイオアッセイを行う場合には、次のような動作を行う。

バイオアッセイ装置４０は、バイオアッセイ基板２０を回転させながら、図１０に示すようにウェル２６上にサンプルＤＮＡ（Ｓ）が含有した溶液を滴下し、プローブＤＮＡ（Ｐ）とサンプルＤＮＡ（Ｓ）とを相互反応（ハイブリダイゼーション）させる。また、ハイブリダイゼーション反応の終了したバイオアッセイ基板２０上に蛍光標識剤Ｍを含んだバッファ溶液を滴下して、図１１に示すようにプローブＤＮＡ（Ｐ）とサンプルＤＮＡ（Ｓ）との２重らせん内に蛍光標識剤Ｍを挿入する。

また、バイオアッセイ装置４０は、蛍光標識剤が滴下された後のバイオアッセイ基板２０を回転させ、励起光Ｐを当該バイオアッセイ基板２０の下面２０ｂ側から入射させてウェル２６内の蛍光標識剤に照射し、その励起光Ｐに応じてその蛍光標識剤から発生した蛍光Ｆをバイオアッセイ基板２０の下方から検出する。

ここで、バイオアッセイ装置４０では、励起光Ｐと制御光Ｖとを同一の対物レンズ６１を介してバイオアッセイ基板２０に照射している。そのため、バイオアッセイ装置４０では、制御光Ｖを用いたフォーカス制御、位置決め制御並びにアドレス制御を行うことによって、励起光Ｐの照射位置、すなわち、蛍光Ｆの発光位置を特定することが可能となり、その蛍光の発光位置からサンプルＤＮＡと結合したプローブＤＮＡを特定することができる。

（ＤＮＡ解析方法）
次に、ＤＮＡ解析方法について説明する。

最初に、バイオアッセイ基板２０をバイオアッセイ装置４０のディスク装填部４１に水平に装填する。

続いて、バイオアッセイ装置４０により、アドレスピット２７に基づく位置制御を行いながらバイオアッセイ基板２０を回転させ、滴下ヘッド５３から、一端がＳＨ基等で修飾されたプローブＤＮＡが含有した溶液を所定のウェル２６に対して滴下する。このとき、１つのバイオアッセイ基板２０に対して、複数種類のプローブＤＮＡが滴下する。但し、１つのウェル２６内には１種類のプローブＤＮＡが入るようにする。なお、各ウェル２６に何れの種類のプローブＤＮＡを滴下するかは、予めウェルとプローブＤＮＡとの対応関係を示す配置マップ等を作成しておき、その配置マップに基づき滴下制御する。

続いて、バイオアッセイ基板２０の上面２０ａ側から、電極をウェル２６内の溶液に挿入して、１ＭＶ/ｍ、１ＭＨｚ程度の交流電界を各ウェル２６に印加する。このように交流電界を印加すると、プローブＤＮＡがバイオアッセイ基板２０に対して垂直方向に伸張するとともに、プローブＤＮＡをバイオアッセイ基板２０に垂直方向に移動させて、予め表面修飾処理がされた底面２８に対して、プローブＤＮＡの修飾端を結合させ、ウェル２６内にプローブＤＮＡを固相化（固定化）することができる（Masao Washizu and Osamu Kurosawa: “ Electrostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures ”, IEEE Transaction on Industrial Application Vol.26,No26,P.1165-1172(1900) 参照）。

続いて、バイオアッセイ装置４０により滴下ヘッド５３からサンプルＤＮＡが含有した溶液をバッファ塩を含む溶液とともに、バイオアッセイ基板２０上の各ウェル２６に滴下する。

続いて、サンプルＤＮＡの滴下後、バイオアッセイ基板２０を恒温層等に移し、ウェル２６内を数十度に加熱し、加熱した状態のまま１ＭＶ/ｍ、１ＭＨｚ程度の交流電界を印加する。このような処理をすると、サンプルＤＮＡとプローブＤＮＡとが垂直方向に伸張して立体障害の少ない状態となるとともに、サンプルＤＮＡがバイオアッセイ基板２０に対して垂直方向に移動する。この結果、互いの塩基配列が対応したサンプルＤＮＡとプローブＤＮＡとが同一のウェル２６内にある場合には、それらがハイブリダイゼーション反応を起こす。

続いて、ハイブリダイゼーション反応を起こさせた後に、バイオアッセイ装置４０により、インターカレータ等の蛍光標識剤を、バイオアッセイ基板２０のウェル２６内に滴下する。このような蛍光標識剤は、ハイブリダイゼーション反応を起こしたプローブＤＮＡとサンプルＤＮＡとの２重らせんの間に挿入して結合する。

続いて、バイオアッセイ基板２０の表面２０ａを純水等で洗浄し、ハイブリダイゼーション反応を起こしていないウェル２６内のサンプルＤＮＡ及び蛍光標識剤を除去する。この結果、ハイブリダイゼーション反応を起こしたウェル２６内にのみ、蛍光標識剤が残存することとなる。

続いて、バイオアッセイ装置４０により、制御光Ｆを用いてフォーカスサーボ制御及び位置決めサーボ制御並びにアドレス制御を行いながらバイオアッセイ基板２０を回転させ、励起光Ｐを所定のウェル２６に照射する。この励起光Ｐの照射とともに、アドレス情報を検出しながら蛍光Ｆが発生しているか否かを検出する。

続いて、バイオアッセイ装置４０は、バイオアッセイ基板２０上の各ウェル２６の位置と蛍光Ｆの発光の強度を示すマップを作成する。そして、その作成したマップ、並びに各ウェル２６にどのような塩基配列のプローブＤＮＡが滴下されていたかを示す配置マップに基づき、サンプルＤＮＡの塩基配列の解析を行う。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。

例えば、上述の実施の形態では、バイオアッセイ基板を円盤状に形成したが、この形態に限定されるものではなく、楕円状、矩形状その他の平板状の形態を適宜選択決定することができる。

以上説明した本発明によれば、外気遮断機構によってカートリッジ内をほぼ密閉された空間とすることで、外部の塵等の不要な物質がバイオアッセイ基板の表面に付着してハイブリダイゼーション反応等の生化学反応を阻害する問題を防止することができる。また、相対湿度保持機構によってカートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定に調節することで、保管時にバイオアッセイ基板上に保持されたプローブＤＮＡ等の検出物質が基板表面に不要に固着又は癒着し、ハイブリダイゼーション反応等の生化学反応を阻害するのを防止することができる。

本実施の形態におけるバイオアッセイ基板が収納されるカートリッジの一例を示す斜視図である。 同カートリッジの蓋部の構成例を示す斜視図である。 同カートリッジ内に配置される溶液保持パッドを示す図である。 本実施の形態におけるバイオアッセイ基板が収納されるカートリッジの他の例を示す平面図である。 本実施の形態におけるバイオアッセイ基板の平面図である。 同バイオアッセイ基板の断面図である。 ウェルの底面に修飾されるＳＨ基を有するシラン分子を示す図である。 ウェルの底面に結合したプローブＤＮＡを示す図である。 本実施の形態におけるバイオアッセイ装置のブロック構成図である。 ウェルに対して溶液を滴下している動作を示す図である。 プローブＤＮＡとサンプルＤＮＡとの２重らせん内に蛍光標識剤が挿入されている状態を示す図である。

符号の説明

１，１０ カートリッジ、２ メディアストッカ、３ メディアトレイ、４ ガイド、５ 蓋部、６ ヒンジ、７ パッキン、８ ロック機構、９ 溶液保持パッド、１１ バーコード、１２ スライドシャッタ

Claims (6)

1. 検出物質が保持され、生化学反応を用いて標的物質を検出するバイオアッセイ基板が少なくとも１枚収納されるカートリッジであって、
   当該カートリッジ内の空間に対する外気の流入を遮断する外気遮断機構と、
   当該カートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定の高湿度に調節する相対湿度調節機構とを有し、
   上記相対湿度調節機構は、硫酸カリウム、硝酸カリウム又は炭酸ナトリウムを溶解した水溶液である飽和塩溶液を吸収した溶液保持パッドであり、該溶液保持パッドは吸湿性ゲル又は親水性物質からなる不織布であるカートリッジ。
2. 上記溶液保持パッドは、メッシュ状の金属、セラミック又はプラスチックからなる区画に保持される請求項１記載のカートリッジ。
3. 上記検出物質及び上記標的物質は、ヌクレオチド鎖であり、上記生化学反応は、ハイブリダイゼーション反応である請求項１記載のカートリッジ。
4. 検出物質が保持され、生化学反応を用いて標的物質を検出するバイオアッセイ基板が少なくとも１枚収納されるカートリッジ内の湿度調節方法であって、
   上記カートリッジ内の空間に対する外気の流入を遮断し、
   硫酸カリウム、硝酸カリウム又は炭酸ナトリウムを溶解した水溶液である飽和塩溶液を吸収した、吸湿性ゲル又は親水性物質からなる不織布である溶液保持パッドにより、上記カートリッジ内の空間の相対湿度を略々一定の高湿度に調節する
   カートリッジ内の湿度調節方法。
5. 上記溶液保持パッドは、メッシュ状の金属、セラミック又はプラスチックからなる区画に保持される請求項４記載のカートリッジ内の湿度調節方法。
6. 上記検出物質及び上記標的物質は、ヌクレオチド鎖であり、上記生化学反応は、ハイブリダイゼーション反応である請求項４記載のカートリッジ内の湿度調整方法。

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