JP4337432B2 - Biochemical reaction substrate, biochemical reaction apparatus, and hybridization method - Google Patents

Biochemical reaction substrate, biochemical reaction apparatus, and hybridization method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばDNAチップ等の生化学反応用基板、生化学反応装置及びヌクレオチド鎖をハイブリダイゼーションするハイブリダイゼーション方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、マイクロアレイ技術によって所定のDNA(全長又は一部)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。
【0003】
DNAチップを用いたDNA解析手法は、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増幅してサンプルDNAを生成し、そのサンプルDNAをDNAチップ上に固相化(固定化)されたプローブDNAに対して滴下して、プローブDNAとサンプルDNAとをハイブリダイゼーションさせる。そして、DNAの2重らせん内に蛍光標識剤を挿入し、所定の検出器でその蛍光測定を行う。このことにより、サンプルDNAとプローブDNAとの塩基配列が同一であるか否かを判別する。
【0004】
ここで、DNAが負に帯電していることを利用して、プローブDNAに向かう方向の直流電界を用いて、浮遊させたサンプルDNAをプローブDNAの方向に移動させ、ハイブリダイゼーションを高速化させる技術が知られている(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−238674号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一本鎖DNAは、溶液中で直鎖状とはならずにランダムコイル状となるので、プローブDNAとサンプルDNAとを結合するには立体障害が大きく、ハイブリダイゼーションを高速に行うことが困難である。浮遊しているサンプルDNAを電界によってプローブDNAの方向に移動させたとしても、その立体障害の度合いは変わらない。
【0007】
そこで、本発明では、このような従来の課題を解決するため、ハイブリダイゼーション等を簡易な構成で高速に行うことができる生化学反応用基板及び生化学反応装置を提供することを目的とする。
【0008】
また、本発明では、簡易な構成で高速にハイブリダイゼーションを行うことができるハイブリダイゼーション方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る生化学反応用基板は、生化学反応に用いられる基板である生化学反応用基板であって、上記生化学反応を行う反応領域と、上記反応領域内に電界を印加するための電極部と、当該基板を保持及び回転させるための回転軸が挿入される孔部と、上記回転軸に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、上記第1のコンタクト部は、上記電極部と電気的に接続されていることを特徴とする。
【0010】
本発明に係る生化学反応装置は、孔部を有する基板を用いて生化学反応を行う生化学反応装置であって、上記基板の上記孔部に挿入して当該基板を保持及び回転する回転軸と、上記回転軸に形成され、上記基板の反応領域に形成された電極に、電気的に接続された第2のコンタクト部に接触する第1のコンタクト部と、上記第1のコンタクト部に電力を供給する電力供給手段とを備える。
【0011】
本発明に係るハイブリダイゼーション方法は、プローブ物質とサンプル物質との相互反応の場となり、上記プローブ物質の一端を固定可能に当該ウェルの内部が処理された複数のウェルと、上記ウェルの内部に電界を印加するための電極部と、当該基板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中心孔と、上記チャッキング機構が挿入されたときに該チャッキング機構に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、上記第1のコンタクト部と上記電極部とが電気的に接続されたハイブリダイゼーション用基板に対して、プローブ用のヌクレオチド鎖の一端をウェルの底面に結合し、プローブ用のヌクレオチド鎖の一端が上記底面に結合されたウェルの内部に対して、サンプル用のヌクレオチド鎖を含む溶液を滴下し、上記チャッキング機構を上記中心孔に挿入することにより上記ハイブリダイゼーション用基板を保持して上記ウェル上に外部電極を載置し、該外部電極とチャッキング機構との間に交流電力を印加し、上記プローブ用のヌクレオチド鎖と上記サンプル用のヌクレオチド鎖とをハイブリダイゼーションすることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
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DNA解析用のバイオアッセイ用基板及びこのバイオアッセイ用基板を用いたDNA解析方法について説明をする。
【0013】
(バイオアッセイ用基板)
図1に本発明の実施の形態のバイオアッセイ用基板1の上面を模式的に表した図を示し、図2に本発明の実施の形態のバイオアッセイ用基板1の断面を模式的に表した図を示す。
【0014】
バイオアッセイ用基板1の全体形状は、例えばCD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)等の光ディスクと同様に、主面が円形とされた平板状となっている。バイオアッセイ用基板1の主面の中心には、中心孔2が形成されている。中心孔2には、当該バイオアッセイ用基板1がDNA解析装置に装着されたときに、当該バイオアッセイ用基板1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。
【0015】
バイオアッセイ用基板1は、図2に示すように、下層側から、基板層3と、透明電極層4と、固相化層5と、ウェル形成層6とから形成されている。なお、バイオアッセイ用基板1のウェル形成層6側の表面を上面1a、基板層3側の表面を下面1bというものとする。
【0016】
基板層3は、詳細を後述する蛍光標識剤を励起する励起光及び蛍光標識剤の蛍光を透過する材料である。例えば、基板層3は、石英ガラス、シリコン、ポリカーボネート、ポリスチレン等の材料で形成されている。
【0017】
透明電極層4は、基板層3上に形成された層である。透明電極層4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4は、基板層3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る。
【0018】
固相化層5は、透明電極層4上に形成された層である。固相化層5は、プローブDNA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5は、シランにより表面修飾可能なSiO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。
【0019】
ウェル形成層6は、固相化層5上に形成された層である。ウェル形成層6は、バイオアッセイ用基板1の上面1a側に開口したくぼみ状の複数のウェル8が形成された層である。
【0020】
ウェル8は、その内部空間が、プローブDNA(検出用ヌクレオチド鎖)とサンプルDNA(標的ヌクレオチド鎖)との相互反応の場、具体的には、ハイブリダイゼーション反応の場となる。ウェル8は、サンプルDNAが含まれた溶液等の液体が滴下されたときにその液体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8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11に固相化層5が露出している。
【0021】
このようなウェル形成層6は、図3に示すように、固相化層5の上に感光性ポリミイド13をスピンコート等で5μm程度の厚さに塗布する(ステップS1)。続いて、塗布した感光性ポリミイド13上に所定のパターンのフォトマスク14を形成し、このフォトマスク14用いて感光性ポリミイド13露光及び現像する(ステップS2)。このことにより、ウェル形成層6に複数のウェル8が形成される(ステップS3)。
【0022】
さらに、ウェル8の底面11(固相化層5が露出した部分)は、一端が官能基により修飾されたプローブDNAが結合するように、対応する官能基により表面修飾されている。例えば、ウェル8は、図4に示すように、SH基15を有するシラン分子16により、底面11(SiOから形成されている固相化層5)が表面修飾されている。このため、ウェル8の底面11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用基板1では、ウェル8の底面11に、プローブDNAの一端を結合させることができるので、図5に示すように、底面11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。
【0023】
また、バイオアッセイ用基板1では、図1に示すように、複数のウェル8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。
【0024】
また、バイオアッセイ用基板1では、中心孔2の周囲部分で、透明電極層4が上面1a側に露出している。すなわち、バイオアッセイ用基板1の中心孔2の周囲部分は、固相化層5及びウェル形成層6が成膜されていない。そのため、バイオアッセイ用基板1では、中間層となっている透明電極層4に対して、上面1a側から接触可能となっている。透明電極層4の上面1a側に露出した部分を以下第2のコンタクト部9と呼ぶ。
【0025】
また、バイオアッセイ用基板1には、バイオアッセイ用基板1の下面1b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が形成されている。アドレスピットは、バイオアッセイ用基板1の平面上における各ウェル8の位置を特定するための情報である。アドレスピット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8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8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。
【0026】
以上のようなバイオアッセイ用基板1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、アドレスピットに記録してある情報内容と、そのアドレスピットの近傍にあるウェル8とを対応させておくことにより、アドレスピットの情報を読み出すことで、特定の1つのウェル8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8の位置を特定したり、特定の1つのウェル8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8に対して溶液を滴下したりすることができる。
【0027】
さらに、以上のようなバイオアッセイ用基板1では、ウェル8の上部側から電極を近接させれば当該電極と透明電極層4との間に平行電界を形成させることができる。そのため、例えば、DNAのハイブリダイゼーションを行う場合には、ウェル8に対して交流電界を与えることによって、ウェル内に浮遊するDNAを伸張させてハイブリダイゼーションの進行を促進させることができる。
【0028】
(DNA解析方法)
つぎに、以上のようなバイオアッセイ用基板1を用いたDNA解析方法について説明をする。
【0029】
まず、バイオアッセイ用基板1をDNA解析装置に装填し、バイオアッセイ用基板1を上面1a側が上方向となるように水平に保持するとともに、バイオアッセイ用基板1を回転可能な状態にする。
【0030】
バイオアッセイ用基板1の保持及び回転は、DNA解析装置に備えられている光ディスクドライブと同様のチャッキング機構20を用いて行う。
【0031】
チャッキング機構20は、図6に示すように、回転駆動軸に接続されバイオアッセイ用基板1を回転させる中心軸21と、中心軸21に対して垂直な板状に形成されバイオアッセイ用基板1を下面1b側から支持するターンプレート22と、下面1b側から中心孔2に挿入してバイオアッセイ用基板1を上面1a側から支持するチャッキング爪23とを有している。ターンプレート22及びチャッキング爪23は、それぞれ中心軸21に取り付けられており、中心軸21とともに回転をする。
【0032】
このようなチャッキング機構20では、バイオアッセイ用基板1の中心孔2に対して下面1b側からチャッキング爪23が挿入し、チャッキング爪23の一部が上面1a側に出てバネ等でバイオアッセイ用基板1を上面1a側から下側に付勢している。このことにより、チャッキング機構20では、ターンプレート22とチャッキング爪23との間でバイオアッセイ用基板1を挟みこんで保持することができ、バイオアッセイ用基板1を上面1aを上にして水平に保持するとともにバイオアッセイ用基板1を回転させることができる。なお、チャッキング機構20には、第2のコンタクト部9(透明電極層4が露出している部分)と接触する部分に第1のコンタクト部24が形成されている。第1のコンタクト部24は、チャッキング機構20の中心軸21を介して、DNA解析装置の内部の交流電力発生部まで電気的に接続されている。
【0033】
続いて、以上のようにバイオアッセイ用基板1をチャッキング機構20で保持した状態で、一端がSH基で修飾されたプローブDNA(P)が含有した溶液Sを、図7に示すように、例えば滴下用ノズル25を用いて所定のウェル8に対して滴下する。このとき、1つのバイオアッセイ用基板1を回転駆動して、特定のウェル8と滴下ノズル25との相対位置を制御しながらプローブDNAを滴下する。さらに、複数種類のプローブDNAをバイオアッセイ用基板1のそれぞれのウェル8に滴下する。だたし、1つのウェル8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8にいず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生成しておき、その配置マップに基づき滴下制御する。
【0034】
また、溶液Sの滴下制御は、光ディスクの駆動システムと同様にバイオアッセイ用基板1を駆動制御することにより行う。すなわち、図6に示すように、バイオアッセイ用基板1を上面1aを上にして平行に保持しながら回転駆動するとともに、レーザ光Vをバイオアッセイ用基板1の下側(下面1b側)から照射してアドレスピットを検出することによりウェル8の位置を特定しながら、滴下位置の制御を行えばよい。
【0035】
続いて、図8に示すように、バイオアッセイ用基板1とほぼ同一形状の円板状の平板電極板30を、バイオアッセイ用基板1の上面1a側の外部からウェル形成層6上に覆いかぶせるように載置する。続いて、この平板電極板30と第1のコンタクト部24との間に、交流電力発生部31により交流電圧を印加する。このとき、第1のコンタクト部24と第2のコンタクト部9とは接触しているため透明電極層4に電力が印加される。従って、バイオアッセイ用基板1には、平板電極板30と透明電極層4との間に交流電界が印加される。そのため、各ウェル8には、バイオアッセイ用基板1の主面に対して垂直方向の交流電界が印加される。例えば、ウェル8内に、1MV/m、1MHz程度の交流電界を印加する。
【0036】
このように交流電界を所定のウェル8に印加すると、図9に示すように、ウェル8内の溶液中に浮遊しているプローブDNA(P)がバイオアッセイ用基板1の主面に対して垂直方向に伸張するとともに、そのプローブDNAがバイオアッセイ用基板1に垂直方向に移動する。このため、予め表面修飾処理がされた底面11に、そのプローブDNAの修飾端が結合し、ウェル8の底面11にプローブDNAを固相化(固定化)することができる。
【0037】
交流電界を印加すると一本鎖DNA(ヌクレオチド鎖)が伸張及び移動する理由は、次のとおりである。すなわち、ヌクレオチド鎖内では、ヌクレオチド鎖の骨格をなすリン酸イオン(陰電荷)とその周辺にある水がイオン化した水素イオン(陽電荷)とによってイオン雲が形成されていると考えられ、これらの陰電荷及び陽電荷により生じる分極ベクトルが、高周波高電圧の印加により全体として一方向を向き、その結果としてヌクレオチド鎖が伸長するためである。さらに、電気力線が一部に集中する不均一電界が印加された場合、ヌクレオチド鎖は、電気力線が集中する部位に向かって移動もする(Seiichi Suzuki, Takeshi Yamanashi, Shin-ichi Tazawa, Osamu Kurosawa and Masao Washizu: "Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric field using fluorescence anisotropy", IEEE Transaction on Industrial Application, Vol.34,No.1, p.75-83 (1998)参照)。
【0038】
このように、交流電界を印加すると、プローブDNAがその電界に平行な方向に伸張して立体障害の少ない状態となり、プローブDNAと底面11とが結合しやすい状態となる。そして、プローブDNAと底面11とが結合することにより、ウェル8の底面11にプローブDNAを固相化(固定化)することができる。
【0039】
続いて、平面電極板30を取り外し、生体から抽出したサンプルDNAが含有した溶液を滴下ノズル25を用いてバイオアッセイ用基板1上の各ウェル8に滴下する。
【0040】
続いて、サンプルDNAの滴下後、再度、平板電極板30をバイオアッセイ用基板1の上面1a側の外部からウェル形成層6上に覆いかぶせるように載置し、平板電極板30と第1のコンタクト部24との間に、交流電力発生部31により交流電圧を印加する。交流電圧の印加とともに、周囲の温度を60度C程度に維持する。すなわち、加熱しながらバイオアッセイ用基板1の主面に対して垂直方向の交流電界を印加する。例えば、ウェル8内に1MV/m、1MHz程度の交流電界を印加する。
【0041】
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がバイオアッセイ用基板1に対して垂直方向に移動する。この結果、互いの塩基配列が相補的な関係にあるサンプルDNAとプローブDNAとが同一のウェル8内にある場合には、それらがハイブリダイゼーションを起こす。
【0042】
続いて、ハイブリダイゼーションを起こさせた後に、平面電極板30を取り外し、蛍光標識インターカレータ等(例えば、POPO-1,TOTO-1)をバイオアッセイ用基板1のウェル8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を起こしたプローブDNAとサンプルDNAとの二重らせん間に挿入して結合する。
【0043】
続いて、バイオアッセイ用基板1の表面1aを純水等で洗浄し、ハイブリダイゼーションを起こしていないウェル8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を起こしたウェル8内にのみ、蛍光標識剤が残存することとなる。
【0044】
続いて、光ディスクの駆動システムと同様にバイオアッセイ用基板1を駆動制御することにより、ウェル8からの蛍光の検出を行う。すなわち、バイオアッセイ用基板1を保持しながら回転駆動するとともに、レーザ光Vをバイオアッセイ用基板1の下側(下面1b側)から照射してアドレスピットを検出することによりウェル8の位置を特定する。それと同時に、励起光をバイオアッセイ用基板1の下側(下面1b側)から照射して、その励起光に応じて生じる蛍光をやはり下面1b側から検出する。そして、どのウェル8から蛍光が発生されているか否かを検出する。
【0045】
続いて、バイオアッセイ用基板1上の蛍光が発生していたウェル8の位置を示すマップ作成する。そして、その作成したマップ、並びに、各ウェル8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。
【0046】
(DNA解析装置)
つぎに、本発明の実施の形態のバイオアッセイ基板1を用いてDNA解析を行うDNA解析装置51について、図10を参照して説明をする。
【0047】
DNA解析装置51は、図10に示すように、バイオアッセイ用基板1を保持して回転をさせるディスク装填部52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用基板1のウェル8にその溶液を滴下する滴下部53と、バイオアッセイ用基板1から励起光を検出するための励起光検出部54と、上記の各部の管理及び制御を行う制御/サーボ部55とを備えている。
【0048】
ディスク装填部52は、バイオアッセイ用基板1の中心孔2内に挿入して当該バイオアッセイ用基板1を保持するチャッキング機構20と、チャッキング機構20を駆動することによりバイオアッセイ用基板1を回転させるスピンドルモータ62と有している。チャッキング機構20は、図6に示した機構と同一のものである。ディスク装填部52は、上面1a側が上方向となるようにバイオアッセイ用基板1を水平に保持した状態で、当該バイオアッセイ用基板1を回転駆動する。ディスク装填部52では、バイオアッセイ用基板1を水平に保持することによって、ウェル8に滴下された溶液が垂れてしまうといった問題を回避することができる。
【0049】
滴下部53は、試料溶液Sや蛍光標識剤S´を貯留する貯留部63と、貯留部63内の試料溶液Sや蛍光標識剤S´をバイオアッセイ用基板1に滴下する滴下ヘッド64とを有している。滴下ヘッド64は、水平に装填されたバイオアッセイ用基板1の上面1aの上方に配置されている。さらに、滴下ヘッド64は、バイオアッセイ用基板1のアドレスピット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用基板1との相対位置を半径方向に制御し、サンプルDNA(標的ヌクレオチド鎖T)を含有する試料溶液Sを所定のウェル8に正確に追従して滴下する構成とされている。また、貯留部63は、貯留部63と滴下ヘッド64との組み合わせは、ハイブリダイゼーションのために使用する試料溶液の数だけある。
【0050】
また、滴下部53では、バイオアッセイ用基板1上の所定の位置に正確に試料溶液Sを滴下するために、例えば、いわゆる「インクジェットプリンティング法」に基づく滴下方法が採用されている。「インクジェットプリンティング法」は、滴下ヘッド64にいわゆるインクジェットプリンタで用いられるインク噴出機構を適用する方法であり、インクジェットプリンタのようなノズルヘッドからバイオアッセイ用基板1に試料溶液Sを噴射するものである。
【0051】
励起光検出部54は、光学ヘッド70を有している。光学ヘッド70は、水平に装填されたバイオアッセイ用基板1の下方側、すなわち、下面1b側に配置されている。光学ヘッド70は、例えば、図示していないスレッド機構等により、バイオアッセイ用基板1の半径方向に移動自在とされている。
【0052】
光学ヘッド70は、対物レンズ71と、対物レンズ71を移動可能に支持する2軸アクチュエータ72と、導光ミラー73とを有している。対物レンズ71は、その中心軸がバイオアッセイ用基板1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72に支持されている。従って、対物レンズ71は、バイオアッセイ用基板1の下方側から入射された光束を当該バイオアッセイ用基板1に対して集光することができる。2軸アクチュエータ72は、バイオアッセイ用基板1の表面に対して垂直な方向、及び、バイオアッセイ用基板1の半径方向の2方向に対物レンズ71を移動可能に支持している。2軸アクチュエータ72を駆動することにより、対物レンズ71により集光された光の焦点を、バイオアッセイ用基板1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。従って、この光学ヘッド70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。
【0053】
導光ミラー73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、サーボ光V及び反射光Rが、光学ヘッド70に対して入射及び出射する光路である。導光ミラー73には、励起光P及びサーボ光Vが光路X上から入射される。導光ミラー73は、励起光P及びサーボ光Vを反射して90°屈折させて、対物レンズ71に入射する。対物レンズ71に入射された励起光P及びサーボ光Vは、当該対物レンズ71により集光されてバイオアッセイ用基板1に照射される。また、導光ミラー73には、蛍光F及びサーボ光Vの反射光Rが、バイオアッセイ用基板1から対物レンズ71を介して入射される。導光ミラー73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。
【0054】
なお、光学ヘッド70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72を駆動する駆動信号は、制御/サーボ部55から与えられる。
【0055】
また、励起光検出部54は、励起光Pを出射する励起光源74と、励起光源74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75と、コリメータレンズ75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73に照射する第1のダイクロックミラー76とを有している。
【0056】
励起光源74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74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75は、励起光源74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76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及びサーボ光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76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75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73に励起光Pを照射している。
【0057】
また、励起光検出部54は、蛍光Fを検出するアバランジェフォトダイオード77と、蛍光Fを集光する集光レンズ78と、光学ヘッド70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77に照射する第2のダイクロックミラー79とを有している。
【0058】
アバランジェフォトダイオード77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77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78は、アバランジェフォトダイオード77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79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73側から見て第1のダイクロックミラー76の後段に配置されている。従って、第2のダイクロックミラー79には、蛍光F、サーボ光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79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、サーボ光(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79は、光学ヘッド70の導光ミラー73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78を介してアバランジェフォトダイオード77に蛍光Fを照射する。
【0059】
アバランジェフォトダイオード77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55に供給する。
【0060】
また、励起光検出部54は、サーボ光Vを出射するサーボ光源80と、サーボ光源80から出射されたサーボ光Vを平行光束とするコリメータレンズ81と、サーボ光Vの反射光Rを検出するフォトディテクト回路82と、非点収差を生じさせてフォトディテクト回路82に対して反射光Rを集光するシリンドリカルレンズ83と、サーボ光Vと反射光Rとを分離する光セパレータ84とを有している。
【0061】
サーボ光源80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、サーボ光Vの波長は、アドレスピットが検出できる程度の波長であり、励起光P及び蛍光Fの波長と異なっていれば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81は、サーボ光源80から出射されたサーボ光Vを平行光束にする。平行光束とされたサーボ光Vは光セパレータ84に入射される。
【0062】
フォトディテクト回路82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、サーボ光Vがバイオアッセイ用基板1で反射して生成された光であるので、その波長は、サーボ光と同一の780nmである。
【0063】
なお、フォーカスエラー信号は、対物レンズ71により集光された光の合焦位置と、バイオアッセイ用基板1の基板層3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71とバイオアッセイ用基板1との間の距離が最適になる。位置決めエラー信号は、所定のウェル8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、サーボ光Vのディスク半径方向に対する照射位置が任意のウェル8に一致したこととなる。アドレスピットの再生信号は、バイオアッセイ用基板1に記録されているアドレスピット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、現在サーボ光Vを照射しているウェル8を特定することができる。
【0064】
フォトディテクト回路82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の再生信号を制御/サーボ部55に供給する。
【0065】
シリンドリカルレンズ83は、フォトディテクト回路82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82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。
【0066】
光セパレータ84は、偏向ビームスプリッタからなる光分離面84aと1/4波長板84bにより構成されている。光セパレータ84では、1/4波長板84bの逆側から入射された光を光分離面84aが透過し、その透過光の反射光が1/4波長板84側から入射された場合には光分離面84aが反射する機能を有している。光セパレータ84は、光分離面84a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73側から見て第2のダイクロックミラー79の後段に配置されている。従って、光セパレータ84では、コリメータレンズ81から出射されたサーボ光Vを透過して光学ヘッド70内の導光ミラー73に対してそのサーボ光Vを入射させているとともに、光学ヘッド70の導光ミラー73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83介してフォトディテクト回路82に反射光Rを照射する。
【0067】
制御/サーボ部55は、励起光検出部54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の再生信号に基づき、各種のサーボ制御を行う。
【0068】
すなわち、制御/サーボ部55は、フォーカスエラー信号に基づき光学ヘッド70内の2軸アクチュエータ72を駆動して対物レンズ71とバイオアッセイ用基板1との間の間隔を制御し、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55は、位置決めエラー信号に基づき光学ヘッド70内の2軸アクチュエータ72を駆動して対物レンズ71をバイオアッセイ用基板1の半径方向に移動制御し、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55は、アドレスピットの再生信号に基づき光学ヘッド70のスレッド移動制御を行って光学ヘッド70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71を移動させる。
【0069】
また、制御/サーボ部55は、ハイブリダイゼーション時に、交流電力発生部31を制御し、チャッキング機構20を介して電力の供給の制御も行う。
【0070】
以上のような構成のDNA解析装置51では、次のような動作を行う。
【0071】
DNA解析装置51は、バイオアッセイ用基板1を回転させながら、ウェル8上にサンプルDNAが含有した溶液を滴下し、プローブDNAとサンプルDNAとを相互反応(ハイブリダイゼーション)させる。ハイブリダイゼーション時には上述した電界の制御も行う。また、ハイブリダイゼーション処理の済んだバイオアッセイ用基板1上に、蛍光標識剤を含んだバッファ溶液を滴下する。
【0072】
また、DNA解析装置51は、蛍光標識剤が滴下された後のバイオアッセイ用基板1を回転させ、励起光Pを当該バイオアッセイ用基板1の下面1b側から入射させてウェル8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をバイオアッセイ用基板1の下方から検出する。
【0073】
ここで、DNA解析装置51では、励起光Pとサーボ光Vとを同一の対物レンズ71を介してバイオアッセイ用基板1に照射している。そのため、DNA解析装置51では、サーボ光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。
【0074】
以上のようなバイオアッセイ用基板1では、溶液中に浮遊したプローブDNAを基板1の表面に対して垂直方向の交流電界を与えて垂直方向に伸張及び移動させながら、一端をウェル8の底面11に接続する。従って、バイオアッセイ用基板1に対して垂直に電界を与えるので、例えば、基板上に電極をパターニングして生成しなくてもよいため、非常に簡易的な層構造の電極を用いて、プローブDNAを固定することができる。
【0075】
また、以上のようなバイオアッセイ用基板1では、溶液中に浮遊したサンプルDNA及び一端がウェル8の底面に固定されたプローブDNAに対して、垂直方向の交流電界を与えて垂直方向に伸張及び移動させる。従って、サンプルDNA及びプローブDNAがともに同方向に伸張及び移動するので、ハイブリダイゼーションが促進する。さらに、このような電界を与えるための電極を基板上に電極をパターニングして生成しなくてもよいため、非常に簡易的な層構造の電極を用いて、プローブDNAを固定することができる。
【0076】
また、以上のようなバイオアッセイ用基板1では、当該バイオアッセイ用基板1を保持するチャッキング機構20を介して電力が供給されるので、バイオアッセイ用基板1とDNA解析装置(又はハイブリダイゼーション装置)との電気的な接続を非常に容易に行うことが可能となる。
【0077】
なお、本発明の実施の形態では、平板電極板30をバイオアッセイ用基板1の上面1a側の外部から覆いかぶせるように載置して交流電圧の通電をしてハイブリダイゼーションを行い、ハイブリダイゼーションを終了すると平板電極板30を取り外したが、バイオアッセイ用基板1に対して平板電極30を一体的に形成してもよい。
【0078】
ただし、この場合、そのままではプローブDNA及びサンプルDNAを各ウェルに滴下することができないので、図11に示すように、ウェル形成層6には、放射状に配置された複数のウェル8とともに、内周から外周に向かう一列のウェル8を連通する複数の溝41を形成しておく。さらに、図12に示すように、溝41の一端に対応した部分に開口部42が形成された平板電極30を、ウェル形成層6上に張り合わせる。このようにバイオアッセイ用基板1を形成することにより、開口部42からプローブDNA及びサンプルDNAをウェル8内に注入することが可能となる。
【0079】
また、このように平板電極30をバイオアッセイ用基板1に一体的に形成した場合には、この平板電極30にもチャッキング機構20を介して通電することが可能となる。
【0080】
この場合のチャッキング機構20には、図13に示すように、中心軸21、ターンプレート22、チャッキング爪23及び第1のコンタクト部24とともに、第3のコンタクト部43を設ければよい。第3のコンタクト部43は、チャッキング機構20が中心孔2に挿入したときに平板電極30に形成された第4のコンタクト部44と接触する。
【0081】
【発明の効果】
本発明に係る生化学反応用基板は、生化学反応に用いられる基板である生化学反応用基板であって、上記生化学反応を行う反応領域と、上記反応領域内に電界を印加するための電極部と、当該基板を保持及び回転させるための回転軸が挿入される孔部と、上記回転軸に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、上記第1のコンタクト部は、上記電極部と電気的に接続されていることを特徴とする。
【0082】
このことにより、本発明に係る生化学反応用基板では、ハイブリダイゼーション等を簡易な構成で高速に行うことができる。
【0083】
本発明に係る生化学反応装置は、孔部を有する基板を用いて生化学反応を行う生化学反応装置であって、上記基板の上記孔部に挿入して当該基板を保持及び回転する回転軸と、上記回転軸に形成され、上記基板の反応領域に形成された電極に、電気的に接続された第2のコンタクト部に接触する第1のコンタクト部と、上記第1のコンタクト部に電力を供給する電力供給手段とを備える。
【0084】
このことにより、本発明に係る生化学反応装置では、ハイブリダイゼーション等を簡易な構成で高速に行うことができる。
【0085】
本発明に係るハイブリダイゼーション方法は、次のような基板を用いる。
【0086】
上記基板は、プローブ物質とサンプル物質との相互反応の場となり、上記プローブ物質の一端を固定可能に当該ウェルの内部が処理された複数のウェルと、上記ウェルの内部に電界を印加するための電極部と、当該基板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中心孔と、上記チャッキング機構が挿入されたときに該チャッキング機構に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、上記第1のコンタクト部と上記電極部とが電気的に接続されている。
【0087】
本発明に係るハイブリダイゼーション方法は、以上のような基板を用いて、ウェルに対してチャッキング機構を介して電界を印加する。
【0088】
このことにより、本発明に係るハイブリダイゼーション方法では、ハイブリダイゼーションを簡易な構成で高速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のバイオアッセイ用基板の平面図である。
【図2】本発明の実施の形態のバイオアッセイ用基板の断面図である。
【図3】バイオアッセイ用基板のウェルを形成する工程を示した図である。
【図4】ウェルの底面に修飾されるOH基を有するシラン分子を示す図である。
【図5】ウェルの底面に結合したプローブDNAを示す図である。
【図6】バイオアッセイ用基板に対して溶液の滴下制御を説明するための図である。
【図7】滴下用ノズルを用いて所定のウェルに対して溶液を滴下している状態を説明するための図である。
【図8】バイオアッセイ用基板に対して交流電界の印加の方法を説明するための図である。
【図9】ウェルに印加されている交流電界及びこのときのDNAの状態を説明するための図である。
【図10】本発明の実施の形態のバイオアッセイ用基板を用いてDNA解析を行うDNA解析装置の構成図である。
【図11】平板電極が一体形成されたバイオアッセイ基板を示す図である。
【図12】放射状に配置された複数のウェルとともに内周から外周に向かう一列のウェルを連通する複数の溝、及び、平板電極に形成された開口部を説明するための図である。
【図13】平板電極が形成されたバイオアッセイ基板に対して交流電界の印加の方法を説明するための図である。
【符号の説明】
1 バイオアッセイ用基板、2 中心孔、3 基板層、4 透明電極層、5 固相化層、6 ウェル形成層、8 ウェル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a biochemical reaction substrate such as a DNA chip, a biochemical reaction apparatus, and a hybridization method for hybridizing nucleotide chains.
[0002]
[Prior art]
Currently, so-called DNA chips or DNA microarrays (hereinafter collectively referred to as DNA chips) in which predetermined DNA (full length or part) is finely arranged by microarray technology are used for gene mutations, SNPs (single nucleotides). Type) analysis, gene expression frequency analysis, etc., and has begun to be widely used in drug discovery, clinical diagnosis, pharmacogenomics, forensic medicine and other fields.
[0003]
A DNA analysis method using a DNA chip is a method for generating sample DNA by PCR amplification of mRNA (messenger RNA) extracted from cells, tissues, etc. while incorporating a fluorescent probe dNTP by reverse transcription PCR (Polymerase Chain Reaction) reaction, etc. The sample DNA is dropped onto the probe DNA immobilized (immobilized) on the DNA chip, and the probe DNA and the sample DNA are hybridized. Then, a fluorescent labeling agent is inserted into the double helix of DNA, and the fluorescence is measured with a predetermined detector. Thus, it is determined whether or not the sample DNA and the probe DNA have the same base sequence.
[0004]
Here, utilizing the fact that the DNA is negatively charged, a technique for moving the suspended sample DNA in the direction of the probe DNA using a direct current electric field in the direction toward the probe DNA, thereby speeding up the hybridization. Is known (see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-238664 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since single-stranded DNA does not become linear in solution but forms a random coil, there is a large steric hindrance to bind probe DNA and sample DNA, and hybridization can be performed at high speed. Have difficulty. Even if the floating sample DNA is moved in the direction of the probe DNA by an electric field, the degree of steric hindrance does not change.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a biochemical reaction substrate and a biochemical reaction apparatus that can perform hybridization and the like at high speed with a simple configuration in order to solve such a conventional problem.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a hybridization method capable of performing hybridization at high speed with a simple configuration.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A biochemical reaction substrate according to the present invention is a biochemical reaction substrate that is a substrate used for a biochemical reaction, and a reaction region that performs the biochemical reaction, and an electric field applied to the reaction region. An electrode portion; a hole portion into which a rotation shaft for holding and rotating the substrate is inserted; and a second contact portion in contact with the first contact portion formed on the rotation shaft . The contact portion is electrically connected to the electrode portion.
[0010]
A biochemical reaction apparatus according to the present invention is a biochemical reaction apparatus that performs a biochemical reaction using a substrate having a hole, and is a rotating shaft that is inserted into the hole of the substrate to hold and rotate the substrate. A first contact portion that is in contact with a second contact portion that is electrically connected to an electrode that is formed on the rotating shaft and formed in the reaction region of the substrate; and power that is applied to the first contact portion. Power supply means for supplying power.
[0011]
The hybridization method according to the present invention is a field of interaction between a probe substance and a sample substance, and a plurality of wells in which the inside of the well is treated so that one end of the probe substance can be fixed, and an electric field is formed in the well. an electrode portion for applying a center hole chucking mechanism for holding and rotating the substrate is inserted, the first in which the chucking mechanism is formed on the chucking mechanism when inserted and a second contact portion for contacting a contact portion with respect to said first contact portion and the hybridization substrate on which the electrode portions and are electrically connected, one end of the wells of the nucleotide strand for the probe attached to the bottom surface, with respect to the interior of the well to which one end of the nucleotide chain for the probe is coupled to the bottom surface, the nucleotide chain for the sample Was added dropwise comprising, between the chucking King mechanism holding the hybridization substrate by inserting into said central hole is placed an external electrode on the well, the external electrode and the chucking mechanism AC power is applied to the probe to hybridize the probe nucleotide chain and the sample nucleotide chain.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as a specific embodiment to which the present invention is applied, a bioassay substrate for DNA analysis to which the present invention is applied and a DNA analysis method using the bioassay substrate will be described.
[0013]
(Bioassay substrate)
FIG. 1 schematically shows an upper surface of the bioassay substrate 1 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 2 schematically shows a cross section of the bioassay substrate 1 according to the embodiment of the present invention. The figure is shown.
[0014]
The overall shape of the bioassay substrate 1 is a flat plate whose main surface is circular, like an optical disk such as a CD (Compact Disk) and a DVD (Digital Versatile Disk). A central hole 2 is formed at the center of the main surface of the bioassay substrate 1. A chucking mechanism for holding and rotating the bioassay substrate 1 is inserted into the center hole 2 when the bioassay substrate 1 is mounted on the DNA analyzer.
[0015]
As shown in FIG. 2, the bioassay substrate 1 is formed of a substrate layer 3, a transparent electrode layer 4, a solid phase layer 5, and a well forming layer 6 from the lower layer side. The surface on the well forming layer 6 side of the bioassay substrate 1 is referred to as the upper surface 1a, and the surface on the substrate layer 3 side is referred to as the lower surface 1b.
[0016]
The substrate layer 3 is a material that transmits excitation light that excites a fluorescent labeling agent, which will be described in detail later, and fluorescence of the fluorescent labeling agent. For example, the substrate layer 3 is formed of a material such as quartz glass, silicon, polycarbonate, or polystyrene.
[0017]
The transparent electrode layer 4 is a layer formed on the substrate layer 3. The transparent electrode layer 4 is formed of a light-transmitting and conductive material such as ITO (indium-tin-oxide) or aluminum. The transparent electrode layer 4 is formed to a thickness of about 250 nm on the substrate layer 3 by, for example, sputtering or electron beam evaporation.
[0018]
The solid phase layer 5 is a layer formed on the transparent electrode layer 4. The solid phase layer 5 is formed of a material for solidifying one end of the probe DNA. In this example, the solid phase layer 5 is a layer in which SiO 2 whose surface can be modified with silane is formed to a thickness of about 50 nm by, for example, sputtering or electron beam evaporation.
[0019]
The well formation layer 6 is a layer formed on the solid phase layer 5. The well forming layer 6 is a layer in which a plurality of hollow wells 8 opened on the upper surface 1a side of the bioassay substrate 1 are formed.
[0020]
The internal space of the well 8 serves as a field for interaction between the probe DNA (detection nucleotide chain) and the sample DNA (target nucleotide chain), specifically, a hybridization reaction field. The well 8 has such a depth and size that the liquid can be retained when a liquid such as a solution containing the sample DNA is dropped. For example, the well 8 has an opening having a size of 100 μm square, a depth of about 5 μm, and the solid phase layer 5 is exposed on the bottom surface 11.
[0021]
As shown in FIG. 3, the well forming layer 6 is coated with the photosensitive polymer 13 on the solid phase layer 5 by spin coating or the like to a thickness of about 5 μm (step S1). Subsequently, a photomask 14 having a predetermined pattern is formed on the coated photosensitive polymer 13 , and the photosensitive polymer 13 is exposed and developed using the photomask 14 (step S2). As a result, a plurality of wells 8 are formed in the well formation layer 6 (step S3).
[0022]
Furthermore, the bottom surface 11 of the well 8 (the portion where the solid-phased layer 5 is exposed) is surface-modified with a corresponding functional group so that a probe DNA whose one end is modified with the functional group is bound. For example, as shown in FIG. 4, the well 8 has the bottom surface 11 (the solid phase layer 5 formed of SiO 2 ) modified with a silane molecule 16 having an SH group 15. For this reason, for example, probe DNA whose one end is modified with an SH group can be bound to the bottom surface 11 of the well 8. Thus, in the bioassay substrate 1, one end of the probe DNA can be bound to the bottom surface 11 of the well 8. Therefore, as shown in FIG. 5, the probe DNA has a chain extending vertically from the bottom surface 11. (P) can be combined.
[0023]
Further, in the bioassay substrate 1, as shown in FIG. 1, a plurality of wells 8 are arranged at equal intervals, for example, at intervals of about 400 μm on a plurality of rows radially extending from the center of the main surface toward the outer periphery. Has been placed.
[0024]
In the bioassay substrate 1, the transparent electrode layer 4 is exposed on the upper surface 1 a side in the peripheral portion of the center hole 2. That is, the solid phase layer 5 and the well forming layer 6 are not formed in the peripheral portion of the center hole 2 of the bioassay substrate 1. Therefore, in the bioassay substrate 1, the transparent electrode layer 4 serving as an intermediate layer can be contacted from the upper surface 1a side. A portion exposed to the upper surface 1a side of the transparent electrode layer 4 is hereinafter referred to as a second contact portion 9.
[0025]
The bioassay substrate 1 is formed with address pits that can be read by irradiating laser light from the lower surface 1b side of the bioassay substrate 1. The address pit is information for specifying the position of each well 8 on the plane of the bioassay substrate 1. By optically reading information from the address pits, it is possible to identify which one of the plurality of wells 8 is currently irradiated with laser light. By providing such address pits, it is possible to control the dropping position of the solution by a dropping apparatus, which will be described later, and specify the fluorescence detection position by the objective lens.
[0026]
Since the bioassay substrate 1 as described above is formed in a disc shape, a focusing servo control for controlling the focusing position of the laser beam by using a reproduction system similar to the optical disc system, radial direction Positioning servo control for controlling the irradiation position of the laser beam on the laser beam and the dropping position by the dropping device, and information detection processing of the address pits can be performed. In other words, the information content recorded in the address pit is associated with the well 8 in the vicinity of the address pit so that the address pit information is read out, so that only one specific well 8 is read. By irradiating the laser beam, the position of the well 8 where the fluorescence is emitted is specified, or the relative position between the specific one well 8 and the dropping device is controlled, and the specific one well 8 is controlled. The solution can be added dropwise.
[0027]
Furthermore, in the bioassay substrate 1 as described above, a parallel electric field can be formed between the electrode and the transparent electrode layer 4 by bringing the electrode close to the well 8 from the upper side. Therefore, for example, when DNA hybridization is performed, by applying an alternating electric field to the well 8, DNA floating in the well can be extended to promote the progress of hybridization.
[0028]
(DNA analysis method)
Next, a DNA analysis method using the bioassay substrate 1 as described above will be described.
[0029]
First, the bioassay substrate 1 is loaded into a DNA analyzer, and the bioassay substrate 1 is held horizontally such that the upper surface 1a side is in an upward direction, and the bioassay substrate 1 is rotated.
[0030]
The bioassay substrate 1 is held and rotated using a chucking mechanism 20 similar to the optical disk drive provided in the DNA analyzer.
[0031]
As shown in FIG. 6, the chucking mechanism 20 is connected to a rotational drive shaft and rotates a bioassay substrate 1. The chucking mechanism 20 is formed in a plate shape perpendicular to the central shaft 21. And a chucking claw 23 that is inserted into the center hole 2 from the lower surface 1b side and supports the bioassay substrate 1 from the upper surface 1a side. The turn plate 22 and the chucking claw 23 are respectively attached to the central shaft 21 and rotate together with the central shaft 21.
[0032]
In such a chucking mechanism 20, the chucking claw 23 is inserted from the lower surface 1b side into the center hole 2 of the bioassay substrate 1, and a part of the chucking claw 23 comes out to the upper surface 1a side by a spring or the like. The bioassay substrate 1 is biased downward from the upper surface 1a side. Thus, in the chucking mechanism 20, the bioassay substrate 1 can be sandwiched and held between the turn plate 22 and the chucking claw 23, and the bioassay substrate 1 can be horizontally placed with the upper surface 1a facing up. And the bioassay substrate 1 can be rotated. In the chucking mechanism 20, a first contact portion 24 is formed in a portion that contacts the second contact portion 9 (a portion where the transparent electrode layer 4 is exposed). The first contact part 24 is electrically connected to the AC power generation part inside the DNA analyzer via the central axis 21 of the chucking mechanism 20.
[0033]
Subsequently, in the state where the bioassay substrate 1 is held by the chucking mechanism 20 as described above, the solution S containing the probe DNA (P) whose one end is modified with an SH group, as shown in FIG. For example, it is dropped into a predetermined well 8 using the dropping nozzle 25. At this time, one bioassay substrate 1 is rotationally driven to drop the probe DNA while controlling the relative position between the specific well 8 and the dropping nozzle 25. Further, a plurality of types of probe DNAs are dropped into each well 8 of the bioassay substrate 1. However, one type of probe DNA is allowed to enter one well 8. Note that to determine which type of probe DNA is to be dropped into each well 8, an arrangement map showing the correspondence between the wells and the probe DNA is generated in advance, and dropping is controlled based on the arrangement map.
[0034]
Further, the dropping control of the solution S is performed by driving and controlling the bioassay substrate 1 in the same manner as the optical disk driving system. That is, as shown in FIG. 6, the bioassay substrate 1 is rotationally driven while being held parallel with the upper surface 1a facing upward, and the laser beam V is irradiated from the lower side (lower surface 1b side) of the bioassay substrate 1. Then, the position of the well 8 is specified by detecting the address pit, and the dropping position may be controlled.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 8, a disk-shaped plate electrode plate 30 having substantially the same shape as the bioassay substrate 1 is covered on the well forming layer 6 from the outside on the upper surface 1 a side of the bioassay substrate 1. To be placed. Subsequently, an AC voltage is applied between the flat electrode plate 30 and the first contact portion 24 by the AC power generating portion 31. At this time, since the first contact portion 24 and the second contact portion 9 are in contact with each other, power is applied to the transparent electrode layer 4. Therefore, an alternating electric field is applied to the bioassay substrate 1 between the flat electrode plate 30 and the transparent electrode layer 4. Therefore, an alternating electric field perpendicular to the main surface of the bioassay substrate 1 is applied to each well 8. For example, an AC electric field of about 1 MV / m or 1 MHz is applied in the well 8.
[0036]
When the alternating electric field is applied to the predetermined well 8 in this way, the probe DNA (P) suspended in the solution in the well 8 is perpendicular to the main surface of the bioassay substrate 1 as shown in FIG. While extending in the direction, the probe DNA moves in a direction perpendicular to the bioassay substrate 1. For this reason, the modified end of the probe DNA is bonded to the bottom surface 11 that has been surface-modified in advance, and the probe DNA can be immobilized (immobilized) on the bottom surface 11 of the well 8.
[0037]
The reason why the single-stranded DNA (nucleotide chain) extends and moves when an alternating electric field is applied is as follows. That is, in the nucleotide chain, it is considered that an ion cloud is formed by the phosphate ion (negative charge) forming the skeleton of the nucleotide chain and the hydrogen ion (positive charge) obtained by ionizing water in the vicinity. This is because the polarization vector generated by the negative charge and the positive charge is directed in one direction as a whole by applying a high frequency high voltage, and as a result, the nucleotide chain is elongated. Furthermore, when an inhomogeneous electric field where electric lines of force are concentrated in part is applied, the nucleotide chain also moves toward the site where electric lines of force are concentrated (Seiichi Suzuki, Takeshi Yamanashi, Shin-ichi Tazawa, Osamu Kurosawa and Masao Washizu: "Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric field using fluorescence anisotropy", IEEE Transaction on Industrial Application, Vol. 34, No. 1, p. 75-83 (1998)).
[0038]
In this way, when an alternating electric field is applied, the probe DNA is stretched in a direction parallel to the electric field, resulting in a state with little steric hindrance, and the probe DNA and the bottom surface 11 are easily bonded. The probe DNA can be immobilized (immobilized) on the bottom surface 11 of the well 8 by binding the probe DNA to the bottom surface 11.
[0039]
Subsequently, the planar electrode plate 30 is removed, and the solution containing the sample DNA extracted from the living body is dropped into each well 8 on the bioassay substrate 1 using the dropping nozzle 25.
[0040]
Subsequently, after the sample DNA is dropped, the plate electrode plate 30 is placed again so as to cover the well forming layer 6 from the outside on the upper surface 1a side of the bioassay substrate 1, and the plate electrode plate 30 and the first electrode plate 30 are covered . An AC voltage is applied between the contact portion 24 and the AC power generator 31. Along with the application of the AC voltage, the ambient temperature is maintained at about 60 ° C. That is, an AC electric field in the vertical direction is applied to the main surface of the bioassay substrate 1 while heating. For example, an AC electric field of about 1 MV / m or 1 MHz is applied in the well 8.
[0041]
When such processing is performed, the sample DNA and the probe DNA are stretched in the vertical direction so that the steric hindrance is reduced and the sample DNA moves in the vertical direction with respect to the bioassay substrate 1. As a result, when sample DNA and probe DNA having complementary base sequences are in the same well 8, they cause hybridization.
[0042]
Subsequently, after causing hybridization, the flat electrode plate 30 is removed, and a fluorescently labeled intercalator or the like (for example, POPO-1 or TOTO-1) is dropped into the well 8 of the bioassay substrate 1. Such a fluorescent labeling agent is inserted and bonded between the double helix of the probe DNA and the sample DNA that have undergone hybridization.
[0043]
Subsequently, the surface 1a of the bioassay substrate 1 is washed with pure water or the like to remove the sample DNA and the fluorescent labeling agent in the well 8 where hybridization has not occurred. As a result, the fluorescent labeling agent remains only in the well 8 where hybridization has occurred.
[0044]
Subsequently, the fluorescence from the well 8 is detected by driving and controlling the bioassay substrate 1 in the same manner as the optical disk drive system. That is, while rotating the bioassay substrate 1 while holding it, the position of the well 8 is specified by detecting the address pit by irradiating the laser beam V from the lower side (lower surface 1b side) of the bioassay substrate 1. To do. At the same time, the excitation light is irradiated from the lower side (lower surface 1b side) of the bioassay substrate 1, and the fluorescence generated according to the excitation light is also detected from the lower surface 1b side. Then, it is detected from which well 8 fluorescence is generated.
[0045]
Subsequently, a map indicating the position of the well 8 where fluorescence on the bioassay substrate 1 was generated is created. Then, the base sequence of the sample DNA is analyzed based on the created map and an arrangement map showing what kind of base sequence of the probe DNA has been dropped on each well 8.
[0046]
(DNA analyzer)
Next, a DNA analysis apparatus 51 that performs DNA analysis using the bioassay substrate 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0047]
As shown in FIG. 10, the DNA analyzer 51 holds the bioassay substrate 1 and rotates the disk loading unit 52, stores various solutions for hybridization, and wells 8 of the bioassay substrate 1. Are provided with a dropping unit 53 for dropping the solution, an excitation light detecting unit 54 for detecting excitation light from the bioassay substrate 1, and a control / servo unit 55 for managing and controlling each of the above parts. .
[0048]
The disc loading unit 52 is inserted into the center hole 2 of the bioassay substrate 1 to hold the bioassay substrate 1, and the chucking mechanism 20 drives the bioassay substrate 1 by driving the chucking mechanism 20. and a spindle motor 62 for rotating. The chucking mechanism 20 is the same as the mechanism shown in FIG. The disc loading unit 52 rotationally drives the bioassay substrate 1 in a state where the bioassay substrate 1 is held horizontally so that the upper surface 1a side is upward. In the disc loading section 52, the problem that the solution dropped on the well 8 hangs down can be avoided by holding the bioassay substrate 1 horizontally.
[0049]
The dropping unit 53 includes a storage unit 63 that stores the sample solution S and the fluorescent labeling agent S ′, and a dropping head 64 that drops the sample solution S and the fluorescent labeling agent S ′ in the storage unit 63 onto the bioassay substrate 1. Have. The dropping head 64 is disposed above the upper surface 1a of the bioassay substrate 1 loaded horizontally. Furthermore, the dropping head 64 controls the relative position with respect to the bioassay substrate 1 in the radial direction based on the position information read from the address pits of the bioassay substrate 1 and the rotation synchronization information, and the sample DNA (target nucleotide chain T The sample solution S containing) is dropped accurately following the predetermined well 8. In the storage unit 63, the combination of the storage unit 63 and the dropping head 64 is the number of sample solutions used for hybridization.
[0050]
In addition, in the dropping unit 53, for example, a dropping method based on a so-called “inkjet printing method” is employed in order to accurately drop the sample solution S at a predetermined position on the bioassay substrate 1. The “ink jet printing method” is a method in which an ink jetting mechanism used in a so-called ink jet printer is applied to the dropping head 64, and the sample solution S is jetted onto the bioassay substrate 1 from a nozzle head such as an ink jet printer. .
[0051]
The excitation light detection unit 54 has an optical head 70. The optical head 70 is disposed on the lower side of the bioassay substrate 1 loaded horizontally, that is, on the lower surface 1b side. The optical head 70 is movable in the radial direction of the bioassay substrate 1 by, for example, a thread mechanism (not shown).
[0052]
The optical head 70 includes an objective lens 71, a biaxial actuator 72 that supports the objective lens 71 so as to be movable, and a light guide mirror 73. The objective lens 71 is supported by the biaxial actuator 72 so that the central axis thereof is substantially perpendicular to the surface of the bioassay substrate 1. Therefore, the objective lens 71 can collect the light beam incident from the lower side of the bioassay substrate 1 on the bioassay substrate 1. The biaxial actuator 72 supports the objective lens 71 so as to be movable in two directions perpendicular to the surface of the bioassay substrate 1 and in the radial direction of the bioassay substrate 1. By driving the biaxial actuator 72, the focal point of the light collected by the objective lens 71 can be moved in the direction perpendicular to the surface of the bioassay substrate 1 and in the radial direction. Therefore, the optical head 70 can perform the same control as the just focus control and the positioning control in the optical disc system.
[0053]
The light guide mirror 73 is disposed at an angle of 45 ° with respect to the optical path X. The optical path X is an optical path through which the excitation light P, fluorescence F, servo light V, and reflected light R enter and exit the optical head 70. Excitation light P and servo light V are incident on the light guide mirror 73 from the optical path X. The light guide mirror 73 reflects the excitation light P and the servo light V to be refracted by 90 ° and enters the objective lens 71. The excitation light P and the servo light V incident on the objective lens 71 are collected by the objective lens 71 and irradiated onto the bioassay substrate 1. Further, the reflected light R of the fluorescence F and the servo light V enters the light guide mirror 73 through the objective lens 71 from the bioassay substrate 1. The light guide mirror 73 reflects the fluorescence F and the reflected light R, refracts 90 °, and emits the light onto the optical path X.
[0054]
A drive signal for moving the optical head 70 by a sled and a drive signal for driving the biaxial actuator 72 are supplied from the control / servo unit 55.
[0055]
The excitation light detection unit 54 includes an excitation light source 74 that emits the excitation light P, a collimator lens 75 that converts the excitation light P emitted from the excitation light source 74 into a parallel light beam, and an excitation light that has been converted into a parallel light beam by the collimator lens 75. A first dichroic mirror 76 that refracts the light P on the optical path X and irradiates the light guide mirror 73.
[0056]
The excitation light source 74 is a light emitting means having a laser light source having a wavelength capable of exciting the fluorescent labeling agent. Here, the excitation light P emitted from the excitation light source 74 is laser light having a wavelength of 405 nm. The wavelength of the excitation light P may be any wavelength as long as it can excite the fluorescent labeling agent. The collimator lens 75 turns the excitation light P emitted from the excitation light source 74 into a parallel light beam. The first dichroic mirror 76 is a reflecting mirror having wavelength selectivity, reflects only the light having the wavelength of the excitation light P, and transmits the light having the wavelength of the fluorescence F and the servo light V (its reflected light R). To do. The first dichroic mirror 76 is inserted on the optical path X at an angle of 45 °, reflects the excitation light P emitted from the collimator lens 75 to be refracted by 90 °, and excites the light guide mirror 73. Light P is irradiated.
[0057]
The excitation light detection unit 54 refracts the fluorescence F emitted from the optical head 70 onto the optical path X by refracting the avalanche photodiode 77 that detects the fluorescence F, the condensing lens 78 that collects the fluorescence F, and the like. And a second dichroic mirror 79 for irradiating the avalanche photodiode 77.
[0058]
The avalanche photodiode 77 is a very sensitive photodetector and can detect the fluorescent light F with a weak light amount. Here, the wavelength of the fluorescence F detected by the avalanche photodiode 77 is about 470 nm. Further, the wavelength of the fluorescence F varies depending on the type of the fluorescent labeling agent. The condensing lens 78 is a lens for condensing the fluorescence F on the avalanche photodiode 77. The second dichroic mirror 79 is inserted at an angle of 45 ° on the optical path X, and is disposed downstream of the first dichroic mirror 76 when viewed from the light guide mirror 73 side. Therefore, the fluorescence F, the servo light V, and the reflected light R are incident on the second dichroic mirror 79, and the excitation light P is not incident. The second dichroic mirror 79 is a reflecting mirror having wavelength selectivity, reflects only light having the wavelength of the fluorescence F, and transmits light having the wavelength of the servo light (reflected light R). The second dichroic mirror 79 reflects and refracts the fluorescence F emitted from the light guide mirror 73 of the optical head 70 and irradiates the avalanche photodiode 77 with the fluorescence F via the condenser lens 78. .
[0059]
The avalanche photodiode 77 generates an electrical signal corresponding to the light amount of the fluorescence F thus detected, and supplies the electrical signal to the control / servo unit 55.
[0060]
The excitation light detection unit 54 detects the servo light source 80 that emits the servo light V, the collimator lens 81 that uses the servo light V emitted from the servo light source 80 as a parallel light beam, and the reflected light R of the servo light V. A photodetector circuit 82; a cylindrical lens 83 that collects the reflected light R on the photodetector circuit 82 by generating astigmatism; and an optical separator 84 that separates the servo light V and the reflected light R. ing.
[0061]
The servo light source 80 is a light emitting unit having a laser light source that emits laser light having a wavelength of 780 nm, for example. Note that the wavelength of the servo light V is such that the address pits can be detected, and may be any wavelength as long as it is different from the wavelengths of the excitation light P and the fluorescence F. The collimator lens 81 turns the servo light V emitted from the servo light source 80 into a parallel light beam. The servo light V converted into a parallel light beam enters the optical separator 84.
[0062]
The photodetection circuit 82 includes a detector that detects the reflected light R, and a signal generation circuit that generates a focus error signal, a positioning error signal, and an address pit reproduction signal from the detected reflected light R. Since the reflected light R is light generated by reflecting the servo light V with the bioassay substrate 1, the wavelength thereof is 780 nm, which is the same as that of the servo light.
[0063]
The focus error signal is an error signal indicating the amount of positional deviation between the in-focus position of the light collected by the objective lens 71 and the substrate layer 3 of the bioassay substrate 1. When the focus error signal becomes 0, the distance between the objective lens 71 and the bioassay substrate 1 is optimized. The positioning error signal is a signal indicating a positional deviation amount with respect to the disk radial direction between the position of the predetermined well 8 and the focal position. When the positioning error signal becomes 0, the irradiation position of the servo light V in the disk radial direction coincides with the arbitrary well 8. The address pit reproduction signal is a signal indicating the information content described in the address pit recorded on the bioassay substrate 1. By reading this information content, it is possible to identify the well 8 that is currently irradiating the servo light V.
[0064]
The photodetect circuit 82 supplies the control / servo unit 55 with a focus error signal, a positioning error signal, and an address pit reproduction signal generated based on the reflected light R.
[0065]
The cylindrical lens 83 is a lens for collecting the reflected light R on the photodetection circuit 82 and causing astigmatism. By generating astigmatism in this way, the focus error signal can be generated by the photodetect circuit 82.
[0066]
The optical separator 84 includes a light separation surface 84a made up of a deflecting beam splitter and a quarter wavelength plate 84b. In the optical separator 84, light incident from the opposite side of the quarter-wave plate 84b is transmitted through the light separation surface 84a, and when the reflected light of the transmitted light is incident from the quarter-wave plate 84 side, light is transmitted. The separation surface 84a has a function of reflecting. The optical separator 84 has a light separation surface 84a inserted at an angle of 45 ° on the optical path X, and is disposed at the rear stage of the second dichroic mirror 79 when viewed from the light guide mirror 73 side. Accordingly, the optical separator 84 transmits the servo light V emitted from the collimator lens 81 and causes the servo light V to enter the light guide mirror 73 in the optical head 70 and guide the optical head 70. The reflected light R emitted from the mirror 73 is reflected to be refracted by 90 °, and the reflected light R is irradiated to the photodetector circuit 82 through the cylindrical lens 83.
[0067]
The control / servo unit 55 performs various types of servo control based on the focus error signal, the positioning error signal, and the address pit reproduction signal detected by the excitation light detection unit 54.
[0068]
That is, the control / servo unit 55 drives the biaxial actuator 72 in the optical head 70 based on the focus error signal to control the interval between the objective lens 71 and the bioassay substrate 1, and the focus error signal is 0. Servo control is performed so that The control / servo unit 55 controls the movement of the objective lens 71 in the radial direction of the bioassay substrate 1 by driving the biaxial actuator 72 in the optical head 70 based on the positioning error signal, and the focus error signal is 0. Servo control is performed so that Further, the control / servo unit 55 performs sled movement control of the optical head 70 based on the address pit reproduction signal, moves the optical head 70 to a predetermined radial position, and moves the objective lens 71 to the target well position.
[0069]
Further, the control / servo unit 55 controls the AC power generation unit 31 during the hybridization and also controls the supply of power via the chucking mechanism 20.
[0070]
The DNA analyzer 51 having the above configuration performs the following operation.
[0071]
The DNA analyzer 51 drops the solution containing the sample DNA on the well 8 while rotating the bioassay substrate 1, and causes the probe DNA and the sample DNA to interact (hybridize). The above-described electric field control is also performed during hybridization. Further, a buffer solution containing a fluorescent labeling agent is dropped onto the bioassay substrate 1 that has been subjected to the hybridization treatment.
[0072]
In addition, the DNA analyzer 51 rotates the bioassay substrate 1 after the fluorescent labeling agent is dropped, and causes the excitation light P to enter from the lower surface 1b side of the bioassay substrate 1 so that the fluorescent label in the well 8 is present. The agent is irradiated, and the fluorescence F generated from the fluorescent labeling agent according to the excitation light P is detected from below the bioassay substrate 1.
[0073]
Here, in the DNA analyzer 51, the excitation light P and the servo light V are applied to the bioassay substrate 1 through the same objective lens 71. Therefore, the DNA analyzer 51 can specify the irradiation position of the excitation light P, that is, the emission position of the fluorescence F by performing focus control, positioning control and address control using the servo light V. The probe DNA bound to the sample DNA can be identified from the fluorescence emission position.
[0074]
In the bioassay substrate 1 as described above, one end of the probe DNA suspended in the solution is extended and moved in the vertical direction by applying an AC electric field in the vertical direction to the surface of the substrate 1, and one end of the bottom surface 11 of the well 8. Connect to. Therefore, since the electric field is applied perpendicularly to the bioassay substrate 1, for example, it is not necessary to generate the electrode by patterning the electrode on the substrate. Can be fixed.
[0075]
Further, in the bioassay substrate 1 as described above, the sample DNA suspended in the solution and the probe DNA having one end fixed to the bottom surface of the well 8 are applied with a vertical AC electric field to extend and extend in the vertical direction. Move. Therefore, since both the sample DNA and the probe DNA extend and move in the same direction, hybridization is promoted. Furthermore, since it is not necessary to form an electrode for applying such an electric field on the substrate by patterning the electrode, the probe DNA can be immobilized using an electrode having a very simple layer structure.
[0076]
Further, in the bioassay substrate 1 as described above, since electric power is supplied via the chucking mechanism 20 that holds the bioassay substrate 1, the bioassay substrate 1 and the DNA analyzer (or the hybridization device) are supplied. It is possible to make an electrical connection with the device very easily.
[0077]
In the embodiment of the present invention, the plate electrode plate 30 is placed so as to be covered from the outside on the upper surface 1a side of the bioassay substrate 1, and an AC voltage is applied for hybridization to perform hybridization. When the process is completed, the plate electrode plate 30 is removed, but the plate electrode 30 may be formed integrally with the bioassay substrate 1.
[0078]
However, in this case, since the probe DNA and the sample DNA cannot be dropped into each well as they are, the well forming layer 6 has a plurality of wells 8 arranged radially, as shown in FIG. A plurality of grooves 41 communicating with a row of wells 8 extending from the outer periphery to the outer periphery are formed. Further, as shown in FIG. 12, a plate electrode 30 having an opening 42 formed at a portion corresponding to one end of the groove 41 is bonded onto the well forming layer 6. By forming the bioassay substrate 1 in this way, the probe DNA and the sample DNA can be injected into the well 8 from the opening 42.
[0079]
Further, in the case of forming integrally Thus the flat electrode plate 30 to the bioassay substrate 1 can be energized through the flat electrode plate 30 to the chucking mechanism 20 also.
[0080]
As shown in FIG. 13, the chucking mechanism 20 in this case may be provided with the third contact portion 43 together with the central shaft 21, the turn plate 22, the chucking claw 23, and the first contact portion 24. The third contact portion 43 contacts the fourth contact portion 44 formed on the flat plate electrode plate 30 when the chucking mechanism 20 is inserted into the center hole 2.
[0081]
【The invention's effect】
A biochemical reaction substrate according to the present invention is a biochemical reaction substrate that is a substrate used for a biochemical reaction, and a reaction region that performs the biochemical reaction, and an electric field applied to the reaction region. An electrode portion; a hole portion into which a rotation shaft for holding and rotating the substrate is inserted; and a second contact portion in contact with the first contact portion formed on the rotation shaft . The contact portion is electrically connected to the electrode portion.
[0082]
As a result, the biochemical reaction substrate according to the present invention can perform hybridization and the like at high speed with a simple configuration.
[0083]
A biochemical reaction apparatus according to the present invention is a biochemical reaction apparatus that performs a biochemical reaction using a substrate having a hole, and is a rotating shaft that is inserted into the hole of the substrate to hold and rotate the substrate. A first contact portion that is in contact with a second contact portion that is electrically connected to an electrode that is formed on the rotating shaft and formed in the reaction region of the substrate; and power that is applied to the first contact portion. Power supply means for supplying power.
[0084]
Thereby, in the biochemical reaction apparatus according to the present invention, hybridization and the like can be performed at high speed with a simple configuration.
[0085]
In the hybridization method according to the present invention, the following substrate is used.
[0086]
The substrate serves as a field of interaction between the probe substance and the sample substance, and a plurality of wells in which the inside of the well is treated so that one end of the probe substance can be fixed, and an electric field is applied to the inside of the well. The electrode portion, a central hole into which a chucking mechanism for holding and rotating the substrate is inserted, and a first contact portion formed in the chucking mechanism when the chucking mechanism is inserted. A second contact portion, and the first contact portion and the electrode portion are electrically connected .
[0087]
The hybridization method according to the present invention applies an electric field to a well via a chucking mechanism using the substrate as described above.
[0088]
Thus, in the hybridization method according to the present invention, hybridization can be performed at high speed with a simple configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a bioassay substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a bioassay substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a step of forming a well of a bioassay substrate.
FIG. 4 is a diagram showing a silane molecule having an OH group modified on the bottom surface of a well.
FIG. 5 shows probe DNA bound to the bottom of the well.
FIG. 6 is a diagram for explaining solution dropping control on a bioassay substrate.
FIG. 7 is a diagram for explaining a state in which a solution is dropped on a predetermined well using a dropping nozzle.
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of applying an alternating electric field to a bioassay substrate.
FIG. 9 is a diagram for explaining an AC electric field applied to a well and a state of DNA at this time.
FIG. 10 is a configuration diagram of a DNA analysis apparatus that performs DNA analysis using the bioassay substrate according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a bioassay substrate on which a plate electrode is integrally formed.
FIG. 12 is a diagram for explaining a plurality of grooves communicating with a row of wells extending from the inner periphery toward the outer periphery together with a plurality of wells arranged radially, and openings formed in the plate electrode.
FIG. 13 is a diagram for explaining a method of applying an alternating electric field to a bioassay substrate on which a plate electrode is formed.
[Explanation of symbols]
1 Bioassay substrate, 2 center hole, 3 substrate layer, 4 transparent electrode layer, 5 solid-phased layer, 6 well forming layer, 8 well

Claims (15)

生化学反応に用いられる基板である生化学反応用基板において、
上記生化学反応を行う反応領域と、
上記反応領域内に電界を印加するための電極部と、
当該基板を保持及び回転させるための回転軸が挿入される孔部と、
上記回転軸に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、
上記第1のコンタクト部は、上記電極部と電気的に接続されている生化学反応用基板。
In the substrate for biochemical reaction, which is a substrate used for biochemical reaction,
A reaction region for performing the biochemical reaction;
An electrode portion for applying an electric field in the reaction region;
A hole into which a rotating shaft for holding and rotating the substrate is inserted;
A second contact portion in contact with the first contact portion formed on the rotating shaft,
The first contact part is a biochemical reaction substrate electrically connected to the electrode part.
上記第1のコンタクト部は、上記回転軸に配設されたチャッキング機構に形成され、
上記第2のコンタクト部は、上記チャッキング機構が上記孔部に挿入されたとき、上記第1のコンタクト部と接触するように配設されている請求項1に記載の生化学反応用基板。
The first contact portion is formed in a chucking mechanism disposed on the rotating shaft,
2. The biochemical reaction substrate according to claim 1, wherein the second contact portion is disposed so as to come into contact with the first contact portion when the chucking mechanism is inserted into the hole portion.
上記化学反応は、ヌクレオチド鎖のハイブリダイゼーション反応であり、
上記反応領域は、上記ヌクレオチド鎖を固定可能な内部処理がされている請求項1に記載の生化学反応用基板。
The raw chemical reaction is a hybridization reaction of the nucleotide chain,
The biochemical reaction substrate according to claim 1, wherein the reaction region is subjected to an internal treatment capable of fixing the nucleotide chain.
上記電極部は、上記反応領域の下層に形成された第1の平板電極層である請求項1に記載の生化学反応用基板。  The biochemical reaction substrate according to claim 1, wherein the electrode part is a first flat electrode layer formed in a lower layer of the reaction region. 上記第1の平板電極層は、透明電極膜である請求項4に記載の生化学反応用基板。  The biochemical reaction substrate according to claim 4, wherein the first flat plate electrode layer is a transparent electrode film. 上記反応領域の上層に形成された第2の平板電極層を備え、
上記チャッキング機構が上記孔部に挿入されたときに該チャッキング機構に、上記第2の平板電極層と接触する第3のコンタクト部が形成され、
上記反応領域の下層に形成された第1の平板電極層は上記第1のコンタクト部と電気的に接続され、上記反応領域の上層に形成された第2の平板電極層は上記第3のコンタクト部と電気的に接続される請求項4に記載の生化学反応用基板。
A second plate electrode layer formed on an upper layer of the reaction region,
To the chucking mechanism when said chucking mechanism is inserted into the hole portion, a third contact portion for contacting with the second plate electrode layer is formed,
The first flat electrode layer formed in the lower layer of the reaction region is electrically connected to the first contact portion, and the second flat electrode layer formed in the upper layer of the reaction region is the third contact. The biochemical reaction substrate according to claim 4, which is electrically connected to the portion.
孔部を有する基板を用いて生化学反応を行う生化学反応装置であって、
上記基板の上記孔部に挿入して該基板を保持及び回転する回転軸と、
上記回転軸に形成され、上記基板の反応領域に形成された電極に、電気的に接続された第2のコンタクト部に接触する第1のコンタクト部と、
上記第1のコンタクト部に電力を供給する電力供給手段と
を備える生化学反応装置。
A biochemical reaction apparatus for performing a biochemical reaction using a substrate having a hole,
A rotating shaft that is inserted into the hole of the substrate to hold and rotate the substrate;
A first contact portion that contacts the second contact portion that is electrically connected to the electrode formed on the rotating shaft and formed in the reaction region of the substrate;
A biochemical reaction device comprising: power supply means for supplying power to the first contact portion.
上記電力供給手段は、交流電力を供給する請求項7に記載の生化学反応装置。  The biochemical reaction device according to claim 7, wherein the power supply means supplies AC power. 上記回転軸に配設されたチャッキング手段をさらに備え、
上記第1のコンタクト部は、上記基板の上記第2のコンタクトと接触するように、上記チャッキング手段に形成される請求項7に記載の生化学反応装置。
Further comprising chucking means disposed on the rotating shaft,
The biochemical reaction device according to claim 7, wherein the first contact portion is formed in the chucking means so as to come into contact with the second contact of the substrate.
上記基板の上記電極に対向するように配設された外部電極をさらに備え、
上記電力供給手段は、上記第1のコンタクト部に電気的に接続された上記反応領域の上記電極と上記外部電極との間に電力を供給する請求項7に記載の生化学反応装置。
An external electrode disposed to face the electrode of the substrate;
The biochemical reaction device according to claim 7, wherein the power supply means supplies power between the electrode in the reaction region and the external electrode electrically connected to the first contact portion.
上記基板の上記電極は、基板の上記反応領域の下層に形成された第1の平板電極であり、
上記基板の上記反応領域の上層に第2の平板電極層が形成され、第2の平板電極層に接続された第4のコンタクト部に接触する第3のコンタクト部をさらに備え、
上記電力供給手段は、上記第1のコンタクト部と上記第3のコンタクト部に電力を供給す請求項7に記載の生化学反応装置。
The electrode of the substrate is a first plate electrode layer formed on the lower layer of the reaction region of the substrate,
Second flat plate electrode layer is formed on the upper layer of the reaction region of the substrate, further comprising a third contact portion that contacts the fourth contact portion that is connected to the second flat plate electrode layer,
It said power supply means, a biochemical reaction apparatus according to claim 7 that to supply power to the first contact portion and the third contact portion.
プローブ物質とサンプル物質との相互反応の場となり、上記プローブ物質の一端を固定可能に当該ウェルの内部が処理された複数のウェルと、上記ウェルの内部に電界を印加するための電極部と、当該基板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中心孔と、上記チャッキング機構が挿入されたときに該チャッキング機構に形成された第1のコンタクト部と接触する第2のコンタクト部とを備え、上記第1のコンタクト部と上記電極部とが電気的に接続されたハイブリダイゼーション用基板に対して、プローブ用のヌクレオチド鎖の一端をウェルの底面に結合し、
プローブ用のヌクレオチド鎖の一端が上記底面に結合されたウェルの内部に対して、サンプル用のヌクレオチド鎖を含む溶液を滴下し、
上記チャッキング機構を上記中心孔に挿入することにより上記ハイブリダイゼーション用基板を保持して上記ウェル上に外部電極を載置し、該外部電極とチャッキング機構との間に交流電力を印加し、上記プローブ用のヌクレオチド鎖と上記サンプル用のヌクレオチド鎖とをハイブリダイゼーションするハイブリダイゼーション方法。
A plurality of wells in which the inside of the well is treated so that one end of the probe substance can be fixed, and an electrode part for applying an electric field to the inside of the well; a second contact for contacting the center hole chucking mechanism for holding and rotating the substrate is inserted, the first contact portion in which the chucking mechanism is formed on the chucking mechanism when inserted A hybridization substrate in which the first contact portion and the electrode portion are electrically connected, and one end of a probe nucleotide chain is bonded to the bottom surface of the well,
Against the interior of the well to which one end of the nucleotide chain for the probe is coupled to the bottom surface, was added dropwise a solution containing a nucleotide chain of samples,
The chucking mechanism holding the hybridization substrate by inserting into said central hole is placed an external electrode on the wells, the AC power is applied between the external electrode and the chucking mechanism A hybridization method of hybridizing the probe nucleotide chain and the sample nucleotide chain.
上記電極部は、上記複数のウェルが形成された部分の下層に形成された第1の平板電極層である請求項12記載のハイブリダイゼーション方法。  The hybridization method according to claim 12, wherein the electrode portion is a first flat electrode layer formed in a lower layer of a portion where the plurality of wells are formed. 上記第1の平板電極層は、透明電極膜である請求項13記載のハイブリダイゼーション方法。  The hybridization method according to claim 13, wherein the first flat plate electrode layer is a transparent electrode film. 上記ハイブリダイゼーション用基板は、上記複数のウェルが形成された部分の上層に形成された第2の平板電極層と、該第2の平板電極層と接続された第のコンタクト部とを備え、
上記複数のウェルの下層に形成された第1の平板電極層は上記第1のコンタクト部と電気的に接続され、上記複数のウェルの上層に形成された上記第2の平板電極層は、上記チャッキング機構が上記中心孔に挿入されたときに該チャッキング機構に形成され、上記第4のコンタクト部と接触する第3のコンタクト部と電気的に接続され、
上記第2のコンタクト部と、上記第3のコンタクト部に接触する上記第4のコンタクト部との間に交流電力を印加する請求項12記載のハイブリダイゼーション方法。
The hybridization substrate includes a second flat plate electrode layer formed above the portion where the plurality of wells are formed, and a fourth contact portion that is connected with the second plate electrode layer,
Said plurality of first plate electrode layer formed below the well, the is the first contact portion and electrically connected to said plurality of said second flat electrode layer formed above the well, Formed in the chucking mechanism when the chucking mechanism is inserted into the center hole, and electrically connected to a third contact portion that contacts the fourth contact portion ;
Said second contact portion, the hybridization method of claim 12 wherein applying an AC power between said fourth contact portion in contact with the third contact portion.
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