JP4427525B2

JP4427525B2 - 核酸検出用センサ

Info

Publication number: JP4427525B2
Application number: JP2006168595A
Authority: JP
Inventors: 幸二橋本; 浩久宮本; 和弘逸見; 公平鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2006308603A

Description

本発明は、被験液中のターゲット核酸鎖が特定の塩基配列を有するか否かを電気化学的
に検出する核酸検出用センサに関する。

近年、核酸検出用センサとして核酸鎖固定化アレイ（ＤＮＡアレイ）による遺伝子検査
技術が注目を集めている。（非特許文献１参照）
ＤＮＡアレイとは、１０¹〜１０⁵種類の配列が異なるDNAを固定化した、数ｃｍ角の硝
子やシリコンのアレイを指す。アレイ上で蛍光色素や放射線同位元素（ＲＩ）等で標識し
た被験液遺伝子とを反応させるか、あるいは未標識の被験液遺伝子と標識オリゴヌクレオ
チドの混合物をサンドイッチハイブリダイゼーションで反応させる。被験液中にアレイ上
のDNAと相補的な配列が存在すると、アレイ上の特定部位で標識に由来する信号（蛍光強
度、ＲＩ強度）が得られる。固定化しておいたDNAの配列と位置があらかじめ分っていれ
ば、被験液遺伝子中に存在する塩基配列を簡単に調べることができる。ＤＮＡアレイは、
微量サンプルで塩基配列に関する多くの情報が得られることから、遺伝子検出技術に止ま
らずシーケンス技術としても大いに期待されている（非特許文献２参照）。

アレイに結合した核酸を検出する手法として、蛍光検出法やＲＩ強度検出法や電気化学
的検出法等がある。この中で、電気化学的手法はサンプル遺伝子の標識や複雑なシステム
が不要である。従って、システムの小型化が期待できる。これに加えて、電極を用いてい
るので電気的な反応制御も容易に行うことが可能であるという利点を有する。

とりわけ、電気化学的手法を用いた核酸検出用センサの中でも、種類の異なるプロー
ブ核酸鎖が固定された電極がＸ−Ｙマトリックス状に複数配置されたＤＮＡアレイを構成
するセンサは、多種類の核酸を僅かな時間で検出できる極めて有用な技術として期待され
ている。しかし、このセンサは、多数の核酸鎖固定化電極に等しく電圧を印加しなければ
ならない。従って、このセンサは、回路構成が複雑であり、応答速度や精度が十分でない
等の問題点を有している。
「Beattie et al. 1993, Fodor et al. 1991, Khrapko et al. 1989, Southern et al. 1994」「Pease et al. 1994, Parinov et al. 1996」

本発明は、多種類の核酸を高速、且つ高精度に検出することができる核酸検出用センサ
を提供することを目的とする。

本発明に係る核酸検出用センサは、
プローブ核酸鎖が固定化され、マトリックス状に配置された複数の核酸鎖固定化電極と、
前記核酸鎖固定化電極との間に電流を流すための対極と、
前記核酸鎖固定化電極毎に設けられた参照電極と、
前記複数の核酸鎖固定化電極を順次選択する選択信号を伝送する複数の走査線と、
前記複数の核酸鎖固定化電極からの測定信号を伝送する複数の信号線と、
前記複数の核酸固定化電極毎に設けられ、前記核酸鎖固定化電極、前記走査線及び前記信号線に接続し、前記核酸鎖固定化電極と前記信号線との接続を、前記走査線からの前記選択信号に応じてオン／オフする複数のスイッチング素子と、
前記参照電極毎に設けられ、入力側に前記参照電極が接続する第１の増幅器と、
前記参照電極毎に設けられ、前記第１の増幅器の出力に接続する参照抵抗と、
入力側に前記参照抵抗及び前記信号線が接続し、出力側に前記対極が接続し、前記対極に所定の電圧の電力を出力する第２の増幅器と、
前記核酸鎖固定化電極毎に設けられ、入力側に前記核酸鎖固定化電極が前記スイッチング素子を介して接続し、出力側に前記信号線が接続する第３の増幅器と
を備えることを特徴とする。

スイッチング素子により、信号の出力線を共有化したので、１つのＡ／Ｄ変換器を用意
すればよいので、構成が簡単になる。

本発明によれば、多種類の核酸を高速、且つ高精度に検出することができる核酸検出用
センサを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る核酸検出用センサは、下記の各構成を備える
（１）スイッチング素子により、信号の出力線を共有化したこと。
また、以下の構成をとることが望ましい。
（２）核酸鎖固定化電極と対極とを対向して配置したこと。
（３）参照電極を核酸鎖固定化電極毎に配置したこと。

本明細書において、「核酸検出用セル」は、複数の核酸鎖固定化電極が配設された本
発明の核酸検出用センサにおいて、１対の核酸鎖固定化電極と対極を備える単位区画（単
位セル）を意味する。

核酸鎖固定化電極には、被験液中のターゲット核酸鎖をハイブリダイズするようにプロ
ーブ核酸鎖が固定化されている。核酸鎖固定化電極は、本発明の核酸検出用センサにおい
て、作用電極として機能する。なお、「プローブ核酸鎖」とは、核酸鎖固定化電極に固定
化（結合化）された核酸鎖を指す。また、「ターゲット核酸鎖」は、前記プローブ核酸鎖
に対して相補的な塩基配列を有し、前記プローブ核酸鎖とハイブリダイゼーション反応す
る核酸鎖であって、被験液中に含まれる核酸鎖を意味する。

また、対極は、核酸鎖固定化電極との間に電流を流すための補助電極として機能する。

さらに本発明の核酸検出用センサの核酸検出用セルの測定方式は、前記核酸鎖固定化電極と、前記対極とを使用し、前記核酸鎖固定化電極と、前記対極とのとの間に任意の電圧を印加し、両電極間に生じる電気化学的変化を検出する二電極方式の核酸鎖固定化電極又は対極にさらに参照電極をつなぐ三電極方式の電気化学的測定である。二電極方式では対極に電流が流れるため対極の電位を決めている電極／界面でのキャリアの濃度が変化し、基準となる電位自体が変化してしまうという欠点がある。一方、三電極方式においては、電流は核酸鎖固定化電極と対極間に流れ、核酸鎖固定化電極と参照電極の間、対極と参照電極との間はほとんど電流が流れず、また参照電極に対し所望の電位がかかるように核酸鎖固定化電極と対極との間に電圧が印加されるので、基準となる電位（参照電極の電位）が変動しない。

本発明の核酸検出用センサによってターゲット核酸鎖又はプローブ核酸鎖についての知
見は次のように得られる。核酸鎖を含む被験液の存在下で、前記核酸検出用セル内の核酸
鎖固定化電極と対極との間に電圧を印加する。ターゲット核酸鎖とプローブ核酸鎖との間
にハイブリダイゼーションを生じさせた後に、電極間に生じる電気化学的な変化を検知す
る。ターゲット核酸鎖がプローブ核酸とハイブリダイズすれば、電極間に電気化学的な変
化が生じる。従って、当該変化を検知すれば、プローブ核酸鎖又はターゲット核酸鎖が、
特定の塩基配列を有するか否かを検出することができる。前述したハイブリダイズにより
電極間に生じる電気化学的変化は、被験液中に二本鎖認識体を添加し、その二本鎖認識体
の化学的変化に由来する電流変化であることがのぞましい。これにより測定を簡易且つ精
度良く行うことができる。

核酸鎖固定化電極に固定化させるプローブ核酸鎖として、既知の塩基配列を有する核酸
鎖を用いる。被験液中に前記プローブ核酸鎖とハイブリダイゼーション反応するターゲッ
ト核酸鎖が存在するか否かを検知してもよい。また、核酸鎖固定化電極に固定化させるプ
ローブ核酸鎖として未知の塩基配列を有する核酸鎖を用いる。そして、被検液中に既知の
塩基配列を有する核酸鎖を含有させて、被検液中に前記プローブ核酸鎖とハイブリダイゼ
ーション反応するターゲット核酸鎖が存在するか否かを検知する。このようにして、前記
未知の塩基配列を有するプローブ核酸鎖の配列に対する知見を得てもよい。

典型的には、複数の核酸鎖固定化電極の各々には異なる種類のプローブ核酸鎖が固定化
されている。各セル毎に異なった検体を供給して一度に数検体の検査を行うために、同じ
種類のプローブ核酸鎖を固定化してもよい。

各核酸検出用セルに、核酸鎖固定化電極が１個ずつ配設されているので、ターゲット核
酸鎖が何れの核酸検出用セルにハイブリダイズしたかを調べることによって、ターゲット
核酸鎖又はプローブ核酸鎖の配列についての知見が得られる。

それ故、各核酸検出用セルは独立して動作するように、各セルの各核酸鎖固定化電極毎
に電気信号を印加するためのスイッチング回路、デコーダ回路、又はタイミング回路と、
各核酸鎖固定化電極からの電気信号を出力する回路と、各核酸鎖固定化電極からの電気信
号を外部に出力する為のスイッチング回路を配置することが望ましい。

各セルの各核酸鎖固定化電極毎に電気信号を印加するための前記スイッチング回路等の
回路には複数の走査線が接続されている。走査線には、核酸鎖固定化電極と信号線との間
に配置されたトランジスタ、好ましくは薄膜トランジスタなどのスイッチング素子を閉じ
るための信号が与えられる。なお、本明細書において「信号線」は、作用電極である核酸
鎖固定化電極からの電気的変化を示す信号を伝達する導線を意味する。前記走査線からの
信号によってスイッチング素子が閉じると核酸鎖固定化電極に電圧が印加されて電気化学
的な変化が生じる。該変化による、電圧（や電流）の変化が前記信号線によって伝送され
る。このような複数の電極の制御には、液晶の表示に用いられているマトリックス方式を
用いることが望ましい。更にはＭＯＳＦＥＴを用いたアクティブマトリックス方式である
ことが望ましい。また、ＭＯＳイメージセンサー型の走査回路も用いることが可能である
。

図０１に、各核酸鎖固定化電極毎に電圧を印加するための回路を備えた典型的な核酸検
出用センサの構造を示す。図０１は２電極方式の測定方式である場合を示す。図０１の核
酸検出用センサにおいて、各核酸鎖固定化電極１０２に接続されたスイッチング素子１０
３は、タイミング回路１０６から、走査線１０４を駆動するための走査線駆動回路１０７
に順次信号が与えられることにより開閉する。対極１０１はポテンシオスタット回路１１
０を介して電源（図示せず）に接続されている。スイッチング素子１０３が順次開閉する
と、核酸鎖固定化電極１０２と対極１０１）に電圧が印加される。これにより、核酸鎖固
定化電極１０２にハイブリダイズした核酸（図示せず）を電気化学的に検出できる。電気
化学的な変化は、信号線１０５を介して信号検出回路１０９に伝達されて検出される。

前記信号線は、図０２に示されているように、スイッチング素子との接点以外は、絶縁
材料で被覆することが好ましい。図０２は、図０１の核酸検出用センサ中の核酸検出用セ
ル（点線の矩形）を、核酸鎖固定化電極と対極とを横切るように、走査線に平行に切断し
た場合の側面図である。図０２では、絶縁基板２０１の上に、絶縁膜２０３で被覆された
信号線２０２と、核酸鎖固定化電極２０４と、対極２０５とが配設されており、信号線２
０２は、被験液に浸漬されるので、信号線２０２とスイッチング素子との接点との交点以
外は絶縁膜２０３で被覆されている。

絶縁材料で被覆された信号線、スイッチング素子、及び電極の配置は、図０２の配置に
限定されるものではなく、任意の配置でも良い。図０３は、このような配置の一例であり
、絶縁基板３０１の上に配設された核酸鎖固定化電極３０２と対極（又は参照電極）３０
３の下に、それぞれスイッチング素子３０４及び３０５が置かれている。スイッチング素
子３０４及び３０５は、それぞれ両側に存在する絶縁膜３０６及び３０７で被覆されてい
る。図０3のように、スイッチング素子を各電極の下に置けば、核酸鎖固定化電極と対極
の上面に被験液３０８を添加しても信号線（図示せず）とスイッチング素子の接触部分が
被験液３０８に接触しないので、絶縁性に優れている。図０４の配置でも、図０３と同様
に各電極の下にスイッチング素子が置かれているので絶縁性に優れているが、スイッチン
グ素子が基板の裏面に露出する構造である点で、図０３の配置とは異なる。

核酸検出用セルを構成する各電極は、絶縁基板上に形成されることが望ましい。絶縁基
板の材料として、例えば、ガラス、石英ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、フォ
ルステライト、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、等の無機絶縁材料、又は、ポリエチレン
、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリエチレンテレフタレート、不飽和
ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、
ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、
ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリ
ア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロ
ニトリルブタジエンスチレン共重合体、シリコン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリ
スルホン等の有機材料が使用可能であるが、これらに限定されない。

各電極、及び回路等は絶縁材料を介して分離されていることが望ましい。本発明で用い
られる絶縁材料は特に限定されるものではないが、フォトポリマー、フォトレジスト材料
であることが好ましい。レジスト材料としては、光露光用フォトレジスト、遠紫外用フォ
トレジスト、Ｘ線用フォトレジスト、電子線用フォトレジストが用いられる。光露光用フ
ォトレジストには、主原料が環化ゴム、ポリけい皮酸、ノボラック樹脂があげられる。遠
紫外用フォトレジストには、環化ゴム、フェノール樹脂、ポリメチルイソプロペニルケト
ン（ＰＭＩＰＫ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等が用いられる。また、Ｘ線
用レジストには、ＣＯＰ、メタルアクリレートほか、薄膜ハンドブック（オーム社）に記
載の物質を用いることができる、更に電子線用レジストには、ＰＭＭＡ等上記文献に記載
の物質を用いることが可能である。ここで用いるレジストは１００Å以上１ｍｍ以下であ
ることが望ましい。フォトレジストで電極を被覆し、リソグラフィーを行うことで、面積
を一定にすることが可能になる。これにより、プローブ核酸鎖の固定化量がそれぞれの電
極間で均一になり、再現性に優れた測定を可能にする。従来、レジスト材料は最終的には
除去するのが一般的であるが、核酸鎖固定化電極においてはレジスト材料は除去すること
なく電極の一部として用いることも可能である。この場合は、用いるレジスト材料に耐水
性の高い物質を使用する必要がある。電極上部に形成する絶縁層にはフォトレジスト材料
以外でも用いることが可能である。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｗ、
Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｉ等の酸化物、窒化物、炭化物、その他合金を用いることも可能で
ある。これらの材料をスパッタ、蒸着あるいはＣＶＤ等を用いて薄膜を形成した後、フォ
トリソグラフィーで電極露出部のパターニングを行い、面積を一定に制御する。

前記絶縁基板上には、好ましくは１０1〜１０5の核酸鎖固定化電極が配置される。好ま
しい核酸鎖固定化電極の材料は金であるが、他の材料も使用可能であり、例えば、金の合
金、銀、プラチナ、水銀、ニッケル、パラジウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、
タングステン等の金属単体及びそれらの合金、あるいはグラファイト、グラシーカーボン
等の炭素等、またはこれらの酸化物、化合物を用いる事ができる。これらの電極は、メッ
キ、印刷、スパッタ、蒸着などでも作製することができる。蒸着を行う場合は、抵抗加熱
法、高周波加熱法、電子ビーム加熱法により電極膜を形成することができる。また、スパ
ッタリングを行う場合は、直流２極スパッタリング、バイアススパッタリング、非対称交
流スパッタリング、ゲッタスパッタリング、高周波スパッタリングで電極膜を形成するこ
とが可能である。ここで、電極に金を使用する場合は、金の結晶構造の（１１１）面の配
向指数が重要である。配向指数はＷｉｌｌｓｏｎの方法により以下の式から求められる。

配向指数（ｈｋｌ）＝ＩＦ（ｈｋｌ）／ＩＦＲ（ｈｋｌ）
ｈｋｌ；面指数
ＩＦ（ｈｋｌ）；（ｈｋｌ）面の相対強度
ＩＦＲ（ｈｋｌ）；ＡＳＴＭカードに記載されている標準金としてのＩＦ（ｈｋｌ）
ここで核酸鎖検出用の核酸鎖固定化電極の場合は配向指数が１以上であることが求めら
れ、更に配向指数が２以上であることが望ましい。配向性を高めるために、蒸着あるいは
スパッタリング時に基板を加熱することも有効である。加熱温度は特に限定される物では
ないが、５０℃〜５００℃の範囲であることが望ましい。配向性を制御することで、核酸
鎖固定化量を均一に制御することが可能になる。また、ガラスなどの基板に金等の上記電
極材料を蒸着、あるいはスパッタリングする場合には、基板と金との間にチタン、あるい
はクロム、銅、ニッケル、これらの合金を接着層として単独であるいは組み合わせて介在
させることで、安定な電極層を形成することが可能になる。

核酸鎖固定化電極の形状は、特に限定されるものではなく、図０５〜図０７に示したよ
うな形状が好ましい。図０６及び図０７の形状を用いれば、核酸固定化電極と対極（ある
いは参照電極）との接触面積が大きいので有利である。図０５〜図０７は、核酸検出用セ
ル（図０１の点線の矩形）を拡大した図であり、図０１の場合と同じように、核酸鎖固定
化電極５０１、６０１、及び７０１は、それぞれスイッチング素子５０３、６０３、及び
７０３を介して信号線５０５、６０５、及び７０５に接続されている。対極（又は参照電
極）５０２、６０２、及び７０２は、核酸鎖固定化電極５０１、６０１、及び７０１の近
傍に配置されている。

核酸鎖固定化電極へプローブ核酸鎖を固定化するには、電極表面の活性化を行うことが
望ましい。活性化は硫酸溶液中での電位掃引で行うことが可能である。

また、活性化は、混酸、王水、等でも行うことができる。プローブ核酸鎖を構成する材料
は特に限定されるものではないが、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、その他核酸類似体を用いる
ことが可能である。

プローブ核酸鎖の固定化方法は特に限定されない。例えば、プローブ核酸鎖に導入した
チオール基と金との結合を利用すると簡単に固定化を行うことができる。その他、物理吸
着、化学吸着、疎水結合、抱埋、共有結合等で固定化が可能である。また、ビオチン−ア
ビジン結合やカルボジイミドなどの縮合剤を用いることもできる。これらの場合、あらか
じめ電極表面を官能基を有する分子で修飾しておくことで、固定化を容易にすることがで
きる。更に、電極表面への核酸および挿入剤等の非特異的な吸着を抑制するために、電極
表面をメルカプトエタノール等のメルカプタンや、ステアリルアミンなどの脂質で被覆す
ることが望ましい。

以下、一例として、金からなる核酸鎖固定化電極にプローブ核酸鎖を固定化する方法を
述べる。電極は脱イオン水で洗浄後、活性化処理を行う。活性化には、０．１〜１０ｍｍ
ｏｌ／Ｌの硫酸溶液を用いる。この溶液中で、−０．５〜２Ｖ（ｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ）
の範囲で、１ｖ／ｓ〜１０００００ｖ／ｓの範囲で電位を走査させる。これにより、電極
表面はプローブ核酸鎖を固定化できる状態にまで活性化される。固定化に用いるプローブ
核酸鎖には５'あるいは３'末端をチオール基を導入する。チオール化したプローブ核酸鎖
は、固定化直前までＤＴＴ等の還元剤の溶液に溶解し、使用直前にゲル濾過あるいは酢酸
エチルによる抽出操作等でＤＴＴを除去する。固定化は至って簡単であり、イオン強度０
．０１〜５の範囲でｐＨ５〜１０の範囲内の緩衝液中にプローブ核酸鎖を１ｎｇ／ｍＬ〜
１ｍｇ／ｍＬの範囲になるように溶解し、活性化した直後の電極を浸漬する。固定化反応
は、４〜１００℃の範囲で１０分から１晩程度行う。

プローブ核酸鎖を固定化した後の電極は、核酸分解酵素（ヌクレアーゼ）が存在しない
条件で保存し、できれば遮光して行うことが望ましい。しかし、短期的な場合はウェット
状態で保存することが可能である。保存液の組成はハイブリダイゼーション反応を行う液
の組成、Ｔｒｉｓ−ＥＤＴＡ緩衝液あるいは脱イオン水であることが望ましい。更に、保
存温度は４℃以下で、好ましくは−２０℃であることが望ましい。また、プローブ核酸鎖
を固定化した核酸鎖固定化電極を長期に保存する場合は、ドライ状態で保存することが望
ましい。ドライにする方法は特に限定されないが、凍結乾燥、風乾等で行うことができる
。ドライの気相は特に限定されないが、アルゴン等の不活性ガス、窒素、乾燥空気、ある
いは真空状態であることが望ましい。

電極には、それぞれに印やバーコードを付けておくと検査の操作性を上げることができ
る。

電極上へのプローブ核酸鎖の固定化の際は、ＤＮＡスポッターやＤＮＡアレイヤ−と呼
ばれる固定化装置を用いると比較的容易にプローブ核酸鎖の固定化を行うことができる。
この際、電極の表面を傷つけないために、インクジェット方式や静電方式のスポッターを
用いることが望ましい。また、電極表面で直接核酸鎖の合成を行うことも可能である。

本発明の核酸検出用センサには、一以上の対極が配置される。単一の対極を配置する場
合、複数の核酸鎖固定化電極は、単一の対極を共通して使用することになる。

核酸鎖固定化電極に所望の電圧を印加することができれば、核酸鎖固定化電極と対極と
の距離は特に限定されない。応答速度を早くするためには、例えば、１ｃｍ以内の距離に
配置することが好ましい。

全ての核酸鎖固定化電極に等しい電圧を印加するために、対極は全ての核酸鎖固定化電
極から等しい距離になるように配置することが好ましい。

対極に用いる材料も特に限定されず、核酸鎖固定化電極で用いられる材料を使用するこ
とが可能である。

本発明の核酸検出用センサを三電極方式で測定する場合は、参照電極を配置する。銀／
塩化銀電極や水銀／塩化水銀電極などを参照電極として使用し得るが、他の任意の電極を
使用し得る。

参照電極は、核酸鎖固定化電極と同じ基板に配置するのが一般的であるが、これ以外の
部位に配置してもよい。

対極又は参照電極の形状は、特に限定されないが、測定精度を高めるために、表面積を
大きくしつつ、且つ被験液の流れを阻害しない形状が好ましい。例えば、対極又は参照電
極と、核酸鎖固定化電極とが互いに噛み合ったくし型にすれば、このような条件に適合す
る。

本発明に係る核酸検出用センサは、核酸検出用システムを構成していることが望ましい
。当該システムは、複数の核酸検出用セルが形成された一つまたは複数の基板と、前記基
板を保持するための密閉容器で、少なくとも一つ以上の送液のための開口部を有し且つ液
体を貯留するための空間を有する容器と、外部機器へ接続するための端子を備えた構成を
基本としている。

該システム上には、電気信号を対極および核酸鎖固定化電極に印加する回路と、電気信
号をそれぞれの対極およびそれぞれの核酸鎖固定化電極に印加するためのスイッチング回
路と、各核酸鎖固定化電極からの電気信号を出力する回路と、各核酸鎖固定化電極からの
電気信号を外部に出力する為のスイッチング回路と、電源、ポテンショスタット、波形発
生装置を備えることが望ましい。また、前記システムにはマトリックス上に配置された特
定の位置のＭＯＳＦＥＴスイッチング素子および核酸鎖固定化電極に電気信号を出力する
ためのデコーダ回路、スイッチング回路、タイミング回路、メモリー、Ａ／Ｄコンバータ
ー、波形発生装置、電源、ポテンショスタット、電気信号検出回路、等の回路を一つのセ
ンサ上に集積することが望ましい。

核酸検出用システムには、核酸抽出機構、核酸精製機構、核酸増幅機構などを集積化す
ることが可能である。これらの機構を備えた核酸検出用システムを用いれば、核酸の抽出
、増幅、検出などの一連の操作を全て自動的に行うことができる。

図０８Ａ及び図０８Ｂ、図０８Ｃには、核酸検出用システムを構成し得る核酸検出用セ
ンサの一例が示されている。

図０８Ａ及び図０８Ｂ、図０８Ｃの核酸検出用センサは、複数の走査線８０１と、走査
線８０１と直行するように配置された信号線８０２と、走査線８０１と信号線８０２の各
交点に配設された薄膜トランジスタ等のスイッチング素子８０３と、スイッチング素子８
０３に接続された核酸鎖固定化電極８０４と、各走査線８０１を駆動するための走査線駆
動回路８０５と、各信号線８０２を駆動するための信号線駆動回路８０６が設置された第
１の基板８０７（図０８Ａ）と、各対極８０８が設置された第２の基板８０９（図０８Ｃ
）とを備える。各対極８０８はポテンシオスタット（図示せず）に接続される。なお、図
０８Ａ及び図０８Ｂでは、核酸鎖固定化電極は一つしか書かれていないが、実際には、隣
接する二本の走査線と隣接する二本の信号線とに囲まれた各矩形中にそれぞれ一つの核酸
鎖固定化電極８０４が設置される。

被験液中のターゲット核酸を検出するには、第１の基板８０７と第２の基板８０９の間
に介在するスペースに前記被験液を注入した後、走査線駆動回路８０５からスイッチング
素子８０３に駆動信号を与える。走査線駆動回路８０５から出力された駆動信号によりス
イッチング素子８０３がオンになり、核酸鎖固定化電極８０４と信号線８０２が電気的に
接続される。核酸鎖固定化電極８０４と信号線８０２が電気的に接続されると、核酸鎖固
定化電極８０４と対極８０８の間に電圧が印加される。これにより、例えば核酸鎖固定化
電極８０４にハイブリダイズしたターゲット核酸に挿入された挿入剤等の物質が酸化され
る。酸化によって発生した電流は、信号線８０２を通って、信号線８０２の一端に設けら
れたパッド８１０に達し、該パッド８１０に接続された電流検出用の外部機器によって検
出、定量される。図０８Ａ及び図０８Ｂ、図０８Ｃの核酸検出用センサは、核酸検知部８
１１、走査線駆動回路８０５、信号線駆動回路８０６が一体となって第１の基板８０７上
に形成されており、信号検出部を備えた核酸検出用システムに装着して使用される。

また、図０９A及び図０９Bに示したような形状で、対極９０５は走査線９０１に電気的
に接続されており核酸鎖固定化電極の近傍に設置されていてもよい。図０９A及び図０９B
では、対極９０５は三本に分枝した各枝がくし型の形状を有しており、同じ形状を有する
核酸鎖固定化電極９０５とは互いにかみ合うように配置されている。

なお、図８A及び図８B、図９A、図９Bには参照電極が設けられていない形態の核酸検出
用センサを示したが、参照電極を設けることものぞましい。参照電極は、図９A,Bに示す
ように核酸鎖固定化電極と互いにかみ合うくし型電極であってもよい。

なお、参照電極が、核酸鎖固定化電極毎に設けられる実施の形態の回路例については、
後述する。

図１０には、本発明の核酸検出用センサが配置された核酸検出用システムの概略が示さ
れている。

図１０に示す核酸検出用システム１００７は、核酸検出用センサ１００１、核酸検出用
センサ固定装置１００２、電気信号測定装置１００３、ＣＰＵ１００４、電源１００５、
及び表示装置１００６を備えている。

上記のシステムにおいて、核酸検出用センサは、通常、図１１Ａ及び図１１Ｂのように
、接続端子１１０１によって、挿脱可能に基板１１０２上に設置され、容器１１０８に収
納される。基板１１０２は、図１２のごとく、例えばその周囲に接続端子挿入部１２０１
を有している。図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、被験液１１０３は、核酸検出用センサ１
１０４を浸漬せしめ得るように被験液排出口１１０６を閉鎖した状態で、底部に設けられ
た被験液注入口１１０５から注入される。被験液１１０３によって核酸検出用センサ１１
０４を浸漬した後には、被験液１１０３に含まれる核酸を核酸検出用センサ１１０４上の
核酸鎖固定化電極（図示せず）にハイブリダイズさせる。ハイブリダイズ中に核酸検出用
センサ１１０４を加温するときには、気化した被験液は空気穴１１０７を通して排出され
る。被検液中にターゲット核酸が含まれていれば、ターゲット核酸は、核酸検出用センサ
１１０４上の核酸鎖固定化電極（図示せず）にハイブリダイズする。従って、被験液１１
０３を被験液排出口１１０６から排出させた後にも核酸鎖固定化電極に結合し続ける。図
１３Ａ及び図１３Ｂのように、被験液注入口１３０５及び被験液排出口１３０６は、基板
１３０２の垂直な位置に設けてもよい。

以下、本発明の核酸検出用センサを用いて被験液中のターゲット核酸鎖又はプローブ核
酸鎖についての知見を得るための操作について詳述する。

まず、核酸鎖固定化電極と対極との間に介在する空間中にターゲット核酸鎖を含む被験
液を注入する。

検出するターゲット核酸鎖は、特に限定されず、ウイルス、細菌、真菌、寄生虫等の核
酸鎖や遺伝性疾患の原因遺伝子や各種疾病のマーカー遺伝子などで良い。例えば、肝炎ウ
イルス（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ型）、ＨＩＶ、インフルエンザウイルス、ヘルペス
群ウイルス、アデノウイルス、ヒトポリオーマウイルス、ヒトパピローマウイルス、ヒト
パルボウイルス、ムンプスウイル素、ヒトロタウイルス、エンテロウイルス、日本脳炎ウ
イルス、デングウイルス、風疹ウイルス、ＨＴＬＶ、等のウイルス感染症、黄色ブドウ球
菌、溶血性連鎖球菌、病原性大腸菌、腸炎ビブリオ菌、ヘリコバクターピロリ菌、カンピ
ロバクター、コレラ菌、赤痢菌、サルモネラ菌、エルシニア、淋菌、リステリア菌、レプ
トスピラ、レジオネラ菌、スピロヘータ、肺炎マイコプラズマ、リケッチア、クラミジア
、マラリア、赤痢アメーバ、病原真菌、等の細菌感染症、寄生虫、真菌の検出に用いるこ
とができる。また、遺伝性疾患、網膜芽細胞腫、ウイルムス腫瘍、家族性大腸ポリポーシ
ス、遺伝性非ポリポーシス大腸癌、神経腺維腫症、家族性乳ガン、色素性乾皮症、脳腫瘍
、口腔癌、食道癌、胃ガン、大腸癌、肝臓癌、膵臓癌、肺ガン、甲状腺腫瘍、乳腺腫瘍、
泌尿器腫瘍、男性器腫瘍、女性器腫瘍、皮膚腫瘍、骨・軟部腫瘍、白血病、リンパ腫、固
形腫瘍、等の腫瘍性疾患の検査にも用いることができる。また、医療以外にも、食品検査
、検疫、医薬品検査、法医学、農業、畜産、漁業、林業などで遺伝子検査が必要なものに
全て適応可能である。更に、制限酵素断片多系（ＲＦＬＰ）や１塩基多系（ＳＮＰｓ）、
マイクロサテライト配列等の検出も可能である。また、未知の塩基配列解析に用いること
も可能である。

これらのターゲット核酸を含有する被験液も特に限定されず、例えば、血液、血清、白
血球、尿、便、精液、唾液、組織、培養細胞、喀痰等を用いることができる。これら被験
液からは、通常核酸成分の抽出を行う。抽出方法は特に限定される物ではなく、フェノー
ルー−クロロホルム法等の液−液抽出法や担体を用いる固液抽出法を用いることができる
。また、市販の核酸抽出方法ＱＩＡａｍｐ（ＱＩＡＧＥＮ社製）、スマイテスト（住友金
属社製）等を利用することも可能である。

被験液を前記空間に注入した後に、抽出した核酸成分と核酸鎖検出用電極とでハイブリ
ダイゼーション反応を行う。反応溶液は、イオン強度０．０１〜５の範囲、ｐＨ５〜１０
の範囲の緩衝液中で行う。この溶液中にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキ
ストランや、サケ精子ＤＮＡ、牛胸腺ＤＮＡ、ＥＤＴＡ、界面活性剤などを添加すること
が可能である。ここに抽出した核酸成分を添加し、９０℃以上で熱変性させる。核酸鎖検
出用電極の挿入は、変性直後、あるいは０℃に急冷後に行うことができる。反応中は、撹
拌、あるいは振とうなどの操作で反応速度を高めることもできる。反応温度は１０℃〜９
０℃の範囲で、また反応時間は１分以上１晩程度行う。ハイブリダイゼーション反応は電
気化学的に制御が可能であり、核酸鎖固定化電極にプラス電位を印加することで従来数時
間から数日必要であったものを数分に短縮することが可能である。一方、電極表面にマイ
ナス電位を印加すると、非特異的な結合は除去できる。

ハイブリダイゼーション反応が終了したら、核酸鎖固定化電極の洗浄を行う。

洗浄には、イオン強度０．０１〜５の範囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液を用いる。

洗浄後、電極表面に形成された二本鎖部分（プローブ核酸鎖とターゲット核酸鎖とのハ
イブリッド）に選択的に結合する二本鎖認識体、すなわち挿入剤を作用させ、電気化学的
な測定を行う。ここで用いられる挿入剤は特に限定される物ではないが、例えば、ヘキス
ト３３２５８、アクリジンオレンジ、キナクリン、ドウノマイシン、メタロインターカレ
ーター、ビスアクリジン等のビスインターカレーター、トリスインターカレーター、ポリ
インターカレーター等を用いることが可能である。メタロインターカレーターと呼ばれる
ルテニウム、コバルト、鉄などの金属錯体や、エチジウムブロマイド等の有機化合物、抗
体、酵素などの生体高分子を用いることも可能である。

挿入剤の濃度は、その種類によって異なるが、一般的には１ｎｇ／ｍＬ〜１ｍｇ／ｍＬ
の範囲で使用する。この際、イオン強度０．００１〜５の範囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の
緩衝液を用いる。

核酸鎖固定化電極を挿入剤と反応させた後に、洗浄し、電気化学的な測定を行う。電気化学的な測定は、３電極方式、すなわち参照電極、対極、作用電極、で行う。測定では、挿入剤が電気化学的に反応する電位以上の電位を印加し、挿入剤に由来する反応電流値を測定する。この際、電位は定速で掃引するか、あるいはパルスで印加するか、あるいは、一定電位を印加することができる。測定には、ポテンショスタット、デジタルマルチメーター、ファンクションジェネレーター等の装置を用いて電流、電圧を制御する。得られた電流値を基に、検量線から標的遺伝子の濃度を算出する。

電気化学的な信号は、酸化還元電流変化、酸化還元電位変化、電気容量変化、抵抗変化
、電気化学発光変化を指標にすることが可能である。これらの信号変化は挿入剤等の二本
鎖核酸に特異的に結合する物質の併用により効果が促進される。

本発明の第１の核酸検出用センサは、核酸鎖固定化電極と、対極との間に被験液が流れ
るように、核酸鎖固定化電極と対極とが対向配置されていることを特徴とする。

従来のＤＮＡアレイを構成する核酸検出用センサを、図１４Ｃの及び図１４Ｄに示す。
既知配列を有するプローブ核酸鎖１４０２が固定化された複数の核酸鎖固定化電極１４０
１と対極１４０４とが、同一の基板１４０３上に配設され、被験液１４０６は、上記基板
１４０３上を流れる。当該配置では、対極１４０４と各核酸鎖固定化電極１４０２の距離
が各核酸固定化電極１４０１毎に異なる。このような構成では、図中左端のように核酸鎖
固定化電極１４０１と対極１４０４との距離が遠くなる場合があり、応答速度が遅くなる
。また、対極１４０４と各核酸鎖固定化電極１４０１との距離が各核酸鎖固定化電極１４
０１毎に異なるため、十分な測定精度を達成することもできない。

これに対して、図１４Ａ及び図１４Ｂに示した本発明の第１の核酸検出用センサでは、
プローブ核酸鎖１４０２が固定化された核酸鎖固定化電極１４０１と対極１４０４は板状
電極であり、被験液１４０６を挟持し得るように対向して配置されている。当該配置によ
れば、第１の基板１４０３上の各核酸鎖固定化電極１４０１は全て、第２の基板１４０５
上の対極１４０４から等しい距離で、且つ対極１４０４の近傍に配置することができる。
このため、このような配置で電極が配設された核酸検出用センサを用いれば、各核酸鎖固
定化電極１４０１上のプローブ核酸鎖１４０２とハイブリダイズした被験液１４０６中の
検出すべきターゲット核酸鎖全てに等しい電圧を印加することが可能となる。従って、測
定精度と応答速度が向上する。また、第１の基板１３０３と第２の基板１３０５の間に被
験液１３０６が注入されるので、必要な被験液の量を減らすこともできる。なお、図１４
Ａは、第１の基板１４０３の上に参照電極１４０７が配置されていない核酸検出用センサ
を示している。図１４Ｂは、第１の基板１４０３の上に参照電極１４０７が配置されてい
る核酸検出用センサを示している。

本発明の第１の核酸検出用センサにおいて、核酸鎖固定化電極が絶縁基板上に形成され
ている場合、対極は、核酸鎖固定化電極とともに被験液の流路を挟むように、核酸鎖固定
化電極が配置された基板とは異なる基板に配置される。

対極と核酸鎖固定化電極とは異なる基板に配置すればよいが、全ての核酸鎖固定化電極
に等しい電極を印加するために対極はすべての核酸鎖固定化電極から等しい距離になるよ
うに配置することが好ましい。例えば、核酸鎖固定化電極が平面上に配置されているとき
には、対極は、前記平面と平行な平面上に配置すれば良い。核酸鎖固定化電極が球面上に
配置されているときには、対極は、前記球面と同心の球面上に配置すればよい。

本発明の第1の核酸検出用センサにおいては、核酸鎖固定化電極と、対極とが共に平坦
面を有し、その平坦面同士が相対するように配置されることが、省スペース化の点から望
ましい。

本発明の第１の核酸検出用センサにおいては、複数の核酸検出用セルを備えており、各
セルには一以上の核酸鎖固定化電極が配置されている。対極は一つの核酸鎖固定化電極に
対して一つずつ設けてもよい。複数の核酸検出用セル間で共通、つまり、例えば、複数の
核酸鎖固定化電極に対して対極は一つであってもよい。

本発明の第１の核酸検出用センサに配置すべき対極の材料、核酸鎖固定化電極との距離
は上述のとおりである。

本発明の第１の核酸検出用センサにさらに参照電極を配置する場合、核酸固定化電極と
同じ基板に配置するのが一般的である。参照電極は、これ以外の部位に配置してもよい。

本発明の第２の核酸検出用センサは、参照電極を各セルに設けたことを特徴とする。

本発明の第２の核酸検出用センサにおいて、対極は、複数の核酸鎖固定化電極に共通で
あってもよく、核酸検出用セル毎に配置してもよい。対極を複数配置する場合には、対極
は、前記信号線又は走査線の何れに接続しても良い。

核酸鎖固定化電極、対極、及び参照電極の材料、核酸の測定のための操作などは、上述
した本発明の核酸検出用センサの一般的な構成及び使用法に記載されているとおりである
。すなわち、プローブ核酸鎖とターゲット核酸鎖との間で形成されたハイブリッド核酸鎖
による電気化学反応を利用することにより、前記プローブ核酸鎖またはターゲット核酸鎖
が特定の塩基配列を有するか否かを検出する。

このように、核酸鎖固定化電極毎に参照電極を備えれば、核酸鎖固定化電極と参照電極
間の未補償抵抗が減少して、測定精度が向上する。核酸鎖固定化電極毎に電位を制御する
ことができるように、核酸鎖固定化電極毎に参照電極を備えることが望ましい。

本発明の第２の核酸検出用センサは、例えば、図１５に示すような、コントロールアン
プ、ボルテッジフロアアンプ、カレントフロアアンプとして機能するオペアンプ１６０７
、オペアンプ１６０８、及びオペアンプ１６０９を備えた微小電流測定用ポテンショスタ
ット回路を使用している。簡単のために、図１５のポテンショスタット回路には核酸鎖固
定化電極が一つしか図示されていないが、実際には、本発明の第２の核酸検出用センサに
は複数の核酸鎖固定化電極が配設されている。

この回路は、それぞれコントロールアンプ、ボルテッジフロアアンプ、カレントフロア
アンプの機能を有する３つのオペアンプを備えている。これらの回路は、微小電流測定用
という点で従来の回路とは異なっている。それ故、本発明の核酸検出用センサに使用し得
るポテンショスタット回路は微小電流測定用であればよい。

図１５の回路中の各オペアンプの機能は以下のとおりである。

オペアンプ１６０７は、反転増幅器の一部を成しており、対極１６０２にｅｆ（ここで
ｅｆとはコモンの電位を基準としたときの点ｆの電位を意味するものとする、以下同じ）
の（１＋Ｚｆ／Ｒｆ）倍の電圧を加えることによって、ｅｆをｅａ（すなわち、Ｖｃｃ）
に対して一定に保つ（ここで、Ｚｆは、対極１６０２から参照電極１６０３に至る電気化
学系のインピーダンスを表す）。オペアンプは、負帰還を有しているので、ｅａはｅｂ（
コモンの電位）と等しい。図では、コモンは接地されているが、必ずしも接地しなくてよ
い。

オペアンプ１６０８は、入力電力をＺｉｎ／Ｚｏｕｔ倍に増幅する機能を有している（
Ｚｉｎ及びＺｏｕｔは、それぞれ入力インピーダンス及び出力インピーダンスである）。
ＺｉｎはＺｏｕｔに比べて非常に高いので、出力電力は入力電力に比して著しく大きくな
る。オペアンプ１６０８の機能によって、参照電極１６０３の内部抵抗は無視できること
になる。

オペアンプ１６０９も負帰還を有しているので、ｅｇはｅｈに等しく、それ故、スイッ
チング素子１６０４によって核酸鎖固定化電極１６０１が信号に接続されると、核酸鎖固
定化電極１６０１の電位はコモンの電位と等しくなる。従って、オペアンプ１６０９は、
作用電極である核酸鎖固定化電極１６０１の電位をコモンの電位に保つ役割を果たしてい
る。入力電圧をＶとすると、点０と点ａ間の抵抗（図示せず）及び点ａと点ｆ間の抵抗の
比を１にすれば、オペアンプ１６０７の作用により、参照電極１６０３の電位は、−Ｖと
なる。回路中の抵抗の抵抗値、及び抵抗の使用の有無は、所望の増幅率等に応じて適宜選
択すればよい。核酸鎖固定化電極１６０１の電位はコモンの電位に等しいから、核酸鎖固
定化電極１６０１（作用電極）と参照電極１６０３との間には、正確に入力電圧と等しい
電圧が印加される。点ｇが仮想接地されているため、走査線１６０６に接続されたスイッ
チング素子１６０４によって核酸鎖固定化電極１６０１に電圧を印加することによって生
じる電流は、信号線１６０５上の点ｇから抵抗１６１０を経て点ｉに達する。抵抗１６１
０による電圧降下を測定することによって、電流の大きさを測定することができる。

点ｇと点ｉの間に抵抗１６１０を置くと、抵抗の両端の電位差によって核酸鎖固定化電
極１６０１の電位に誤差が生じる。しかし、点ｇと点ｉの間に抵抗１６１０を置いても、
ｅｇはコモンの電位に保たれているため、核酸鎖固定化電極１６０１の電位に誤差は生じ
ない。従って、高精度の電気化学的測定が可能となる。

図１６の回路は、第２の核酸検出用センサに使用される他のポテンショスタット回路で
あり、図１５の回路と同様に電圧を一定に保つ機能を有する。それ故、オペアンプ１７０
７、１７０８及び１７０９の機能は、図１５の回路の対応するオペアンプと同じである。

本実施形態の核酸検出用センサに回路は、図１５と同様に、核酸鎖固定化電極毎に参照
電極が配置されているので、従来の回路に比べて、測定精度を有する。

図１６においては、簡単のために、参照電極は一つしか描かれていないが、実際には、
各核酸鎖固定化電極毎に一以上配置されている。

なお、図１６の回路では、走査線に印加される電位で基準電位を兼ねているので、オペ
アンプ１７０８の非反転入力端子から出る配線は、複数の電極に対して共通で用いられて
おり、核酸検出用セル当たりの配線数には含まれない。

以上のように、本実施形態の核酸検出用センサは、簡易な配線で、非常に高い測定感度
を達成することができる。

図１７の回路は第２の実施形態の核酸検出用センサに使用される更に他のポテンショス
タット回路であり、図１７の回路は、図１５及び図１６の回路と同様に電圧を一定に保つ
機能を有する。それ故、ポテンショスタット１８０７、１８０８、及び１８０９の機能の
詳細は、図１５又は図１６で記載したとおりである。

図１７の回路は、図１６の回路とは異なり、参照電極１８０３は、走査線１８０６では
なく、信号線１８０４に接続されている。このため、図１７の回路は、参照電極１８０３
が、走査線１８０６に接続されていない。従って、参照電極の基準電位は、走査線１８０
６の電位と兼ねておらず、印加する電位を自由に設定できる。このため、図１７の回路で
は、図１６の回路に比べて多種類の挿入剤を使用することがきる。

図１７では、参照電極１８０３はスイッチング素子１８０４に接続されているが、スイ
ッチング素子は省略してもよい。

また、図１７では、核酸鎖固定化電極１８０１と参照電極１８０３がオペアンプ１８０
８の非反転入力端子に接続された導線を挟むように配置されている。両極が向かい合うよ
うに、参照電極１８０３を核酸鎖固定化電極１８０１と同じ側に配置してもよい。

以上のように、図１７の回路は、高い測定感度を達成することができるとともに、多種
類の挿入剤を使用することができる。

図１８〜図２１を参照しながら、本発明の第３の核酸検出用センサについて説明する。
本発明の第３の核酸検出用センサは、スイッチング素子により、信号線を共有化したこと
を特徴とする
図１８は、通常使用される核酸検出用センサの上面図であり、図１８においては、４×
３のＸ−Ｙマトリックス状に、プローブ核酸鎖（図示せず）が固定化された核酸鎖固定化
電極１９０１が配置されている。なお、実際の核酸検出用センサでは、対極は、核酸鎖固
定化電極１９０１が配置された平面の鉛直上方に位置しているが、図１８では省略されて
いる。

各核酸鎖固定化電極１９０１は、対極とともに核酸検出用セルを形成している。

各核酸鎖固定化電極１９０１は、トランジスタ等のスイッチング素子１９０２を介して
信号線１９０３と接続されており、信号線１９０３はさらに核酸鎖固定化電極１９０１か
らの電流を増幅するためのアンプ１９０４及びＡ／Ｄコンバーター１９０５に接続されて
いる。

スイッチング素子１９０２には、走査線１９０６を介してタイミングパルス発生器１９
０９からクロック信号が与えられるので、核酸鎖固定化電極１９０１は、図中矢印の方向
に左端から一列ずつ順次アクティブとなるように走査される。

図１８のカウンタ１９０８及びＸデコーダ１９０７は信号線のＯＮ−ＯＦＦを制御する
。核酸鎖固定化電極１９０１がアクティブとなると、核酸鎖固定化電極１９０１と対極（
図示せず）との間に電圧が印加され、核酸鎖固定化電極１９０１上にハイブリダイズした
ターゲット核酸に挿入された挿入剤が酸化される。酸化時に生じた電気的変化は、信号線
１９０３を介して前記アンプ１９０４で増幅された後に、Ａ／Ｄコンバータ１９０５によ
りＡ／Ｄ変換される。

図１９は、本発明の第３の核酸検出用センサの回路例を示す図である。図１９の核酸検
出用センサは、行方向にスイッチング素子が配置され、図１９中の上から下に走査される
点が、図１８の核酸検出用センサと異なっている。

図１９において、核酸鎖固定化電極２００１は、４×３のＸ−Ｙマトリックスに配置さ
れており、各核酸鎖固定化電極２００１と対極（図示せず）とが核酸検出用セルを構成し
ている。

各核酸鎖固定化電極２００１は、アンプ２００２及び電極スイッチング素子２００３を
介して信号線２００４と接続されている。各信号線２００４の一端には、信号線スイッチ
ング素子２００５が接続されており、その後信号線２００４は一つになり、Ａ／Ｄコンバ
ータ２００６に接続されている。

電極スイッチング素子２００３には、Ｘデコーダ２００７とカウンタ２００８により構
成される列方向走査回路から、信号線２０１２を介して順次電気信号が与えられる。一方
、信号線スイッチング用素子２００５には、Ｙデコーダ２００９とカウンタ２０１０によ
り構成される行方向走査回路から、順次電気信号が与えられる。

図２０のように、タイミングパルス発生器２０１１から生成されるクロック信号を、そ
れぞれＸ方向クロック信号、Ｙ方向クロック信号として列方向走査回路と行方向走査回路
に与えれば、一列一行目の電極（左上端の電極）から一列二行目の電極、さらに一列三行
目、二列一行目の電極に電圧が印加される。電圧の印加によって生じた電気的変化はシリ
アル信号として計測され、出力信号はＡＤ変換器でＡ／Ｄ変換される。

図１９の核酸検出用センサでは、順次行方向からの電気信号を検出するために、デコー
ダとカウンタにより構成される走査回路を用いた核酸検出用センサを示した。図２１に示
すように図１９のデコーダとカウンタは、シフトレジスタ回路２２１０に置き換えること
ができる。図２１の核酸検出用センサの構成は、デコータとカウンタがシフトレジスタ回
路に置き換えられていることを除いて図１９のものと同じである。このように、シフトレ
ジスタ回路を用いると、外部回路構成が簡単になる。

図１９及び図２１に示した第３の核酸検出用センサは、図１８に示した核酸検出用セン
サと比較して、測定を高速化し得るという効果も奏する。

なお、本発明に係る第１から第３の核酸検出用センサは、単独で使用することも可能で
あるし、適宜組合わせて使用することもできる。

複数の電極が配置された本発明の実施例の核酸検出用チップを示す模式図。本発明の実施例の核酸検出用チップにおける電極と信号線の配置を示した図。本発明の実施例の核酸検出用チップにおける電極と信号線の他の配置を示した図。本発明の実施例の核酸検出用チップにおける電極と信号線の他の配置を示した図。複数の電極が配置された本発明の実施例の核酸検出用チップの単位区画の拡大図。複数の電極が配置された本発明の実施例の核酸検出用チップの単位区画の拡大図。複数の電極が配置された本発明の実施例の核酸検出用チップの単位区画の拡大図。図８Ａ及び図０８Ｂは、核酸検出用システムに装着可能な核酸検出用チップを示した図。図０９Ａ及び図０９Ｂ、図０９Cは、核酸検出用システムに装着可能な核酸検出用チップを示した図。核酸検出用チップが配置された核酸検出用システムを示した図。図１１Ａ及び図１１Ｂは、容器に収納された本発明の実施例の核酸検出用チップを示す図。本発明の実施例の核酸検出用チップを装着すべき基板を示す図。図１３Ａ及び図１３Ｂは、容器に収納された本発明の実施例の核酸検出用チップを示す図。図１４Ａ〜図１４Ｄは、電極が対向した位置に配置されている本発明の実施例の核酸検出用チップと電極が対向した位置に配置されていない従来の核酸検出用チップとを比較した図。本発明の第２の核酸検出用チップの実施例に適用される回路の一例を示す図。本発明の第２の核酸検出用チップの実施例に適用される回路の他の一例を示す図。本発明の第２の核酸検出用チップの実施例に適用される回路の他の一例を示す図。電極が対向した位置に配置された本発明の実施例の核酸検出用チップの構成を示した図。電極が対向した位置に配置された本発明の実施例の核酸検出用チップにおける配線を示した図。各単位区画に電圧を印加するための信号及び出力信号を示した図。電極が対向した位置に配置された本発明の実施例の核酸検出用チップにおける配線を示した図。

符号の説明

１４０１…核酸鎖固定化電極
１４０２…プローブ核酸鎖
１４０３…第１の基板
１４０４…対極
１４０５…第２の基板
１４０６…被験液
１４０７…参照電極

Claims

プローブ核酸鎖が固定化され、マトリックス状に配置された複数の核酸鎖固定化電極と
、
前記核酸鎖固定化電極との間に電流を流すための対極と、
前記核酸鎖固定化電極毎に設けられた参照電極と、
前記複数の核酸鎖固定化電極を順次選択する選択信号を伝送する複数の走査線と、
前記複数の核酸鎖固定化電極からの測定信号を伝送する複数の信号線と、
前記複数の核酸固定化電極毎に設けられ、前記核酸鎖固定化電極、前記走査線及び前記信
号線に接続し、前記核酸鎖固定化電極と前記信号線との接続を、前記走査線からの前記選
択信号に応じてオン／オフする複数のスイッチング素子と、
前記参照電極毎に設けられ、入力側に前記参照電極が接続する第１の増幅器と、
前記参照電極毎に設けられ、前記第１の増幅器の出力に接続する参照抵抗と、
入力側に前記参照抵抗及び前記信号線が接続し、出力側に前記対極が接続し、前記対極
に所定の電圧の電力を出力する第２の増幅器と、
前記核酸鎖固定化電極毎に設けられ、入力側に前記核酸鎖固定化電極が前記スイッチン
グ素子を介して接続し、出力側に前記信号線が接続する第３の増幅器と
を備えることを特徴とする核酸検出用センサ。
前記対極は前記複数の核酸鎖固定化電極ごとに設けられていることを特徴とする請求項
１記載の核酸検出用センサ。
前記核酸鎖固定化電極及び前記対極は、核酸鎖を含む被験液に晒され、前記プローブ核
酸鎖と被検液中の核酸鎖のハイブリダイゼーションにより生じる前記核酸鎖固定化電極及
び対極間の電流変化を検出することを特徴とする請求項１記載の核酸検出用センサ。
前記ハイブリダイゼーション後に添加された二本鎖認識体に由来する前記核酸鎖固定化
電極及び対極間の電流変化を検出することを特徴とする請求項３記載の核酸検出用センサ
。
前記複数の走査線に接続され、前記選択信号を生成するデコーダをさらに具備すること
を特徴とする請求項１記載の核酸検出用センサ。
クロック信号を発生するタイミングパルス発生器と、
前記タイミングパルス発生器及び前記デコーダに接続するカウンタと、をさらに具備す
ることを特徴とする請求項５記載の核酸検出用センサ。
前記複数の信号線の各々に接続する複数のＡ／Ｄコンバータをさらに具備することを特
徴とする請求項1記載の核酸検出用センサ。
前記複数のＡ／Ｄコンバータと前記複数の信号線との間に接続する増幅アンプを具備す
ることを特徴とする請求項７記載の核酸検出用センサ
前記複数の信号線の各々に接続される複数のトランジスタと、
前記トランジスタを介して前記複数の信号線に接続する共通Ａ／Ｄコンバータを具備す
ることを特徴とする請求項１記載の核酸検出用センサ。
前記信号線は絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１記載の核酸検出用センサ
。