JP4483279B2 - Biological substance fluorescent labeling agent, biological substance fluorescent labeling method, and bioassay method and apparatus - Google Patents

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本発明は、例えばDNAチップ等のバイオインフォマティクス(生命情報科学)分野において有用な生体物質蛍光標識剤及び生体物質蛍光標識方法、並びにその生体物質蛍光標識剤を用いたバイオアッセイ方法及びその装置に関する。   The present invention relates to a biological material fluorescent labeling agent and a biological material fluorescent labeling method useful in the field of bioinformatics (biological information science) such as a DNA chip, a bioassay method using the biological material fluorescent labeling agent, and an apparatus therefor.

現在、マイクロアレイ技術によって所定のDNAが微細配列された、いわゆるDNAチップ又はDNAマイクロアレイ(以下、DNAチップと総称する。)と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板が、遺伝子の突然変異、SNPs(一塩基多型)分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されており、創薬、臨床診断、薬理ジェノミクス、法医学その他の分野において広範に活用され始めている。   Currently, integrated substrates for bioassays called so-called DNA chips or DNA microarrays (hereinafter collectively referred to as DNA chips), in which predetermined DNA is finely arranged by microarray technology, are used for gene mutations, SNPs (single nucleotide multiples). 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.

このDNAチップは、ガラス基板やシリコン基板上に多種多数のDNAオリゴヌクレオチド鎖や、cDNA(complementary DNA)等が集積されていることから、ハイブリダイゼーション等の分子間相互反応の網羅的解析が可能となる。   Since this DNA chip has a large number of DNA oligonucleotide chains, cDNA (complementary DNA), etc. integrated on a glass substrate or silicon substrate, it is possible to comprehensively analyze intermolecular interactions such as hybridization. Become.

DNAチップを用いたDNA解析手法は、例えばDNAチップ上に固相化(固定化)されたプローブDNAに対して、細胞、組織等から抽出したmRNA(messenger RNA)を逆転写PCR(Polymerase Chain Reaction)反応等によって蛍光プローブdNTPを組み込みながらPCR増幅して生成したサンプルDNAを滴下し、DNAチップ上でハイブリダイゼーション反応を行わせ、所定の光検出器で蛍光検出を行うものである。   The DNA analysis method using a DNA chip is, for example, reverse transcription PCR (Polymerase Chain Reaction) using mRNA (messenger RNA) extracted from cells, tissues, etc. with respect to probe DNA immobilized (immobilized) on a DNA chip. ) A sample DNA generated by PCR amplification while incorporating the fluorescent probe dNTP by reaction or the like is dropped, a hybridization reaction is performed on the DNA chip, and fluorescence detection is performed with a predetermined photodetector.

また、近年では、DNAチップの形状を従来のような矩形状ではなく円板状として、光ディスクの分野で培われた基板技術をDNA解析に応用することが提案されている(特許文献1参照)。   In recent years, it has been proposed to apply the substrate technology cultivated in the field of optical discs to DNA analysis by changing the shape of the DNA chip to a disc shape instead of the conventional rectangular shape (see Patent Document 1). .

この光ディスクの技術が応用されたDNA解析を行う場合、例えば円板状にしたDNAチップを回転させながら、ハイブリダイゼーション反応後の2本鎖DNAから発生する蛍光を光検出器で検出し、その蛍光の発光位置をアドレッシング技術で特定するといったサーボ技術を適用することが可能となり、被処理サンプル物質数の増大、並びに検出精度及び検出速度の向上を図ることができる。   When performing DNA analysis using this optical disc technology, for example, while rotating a disk-shaped DNA chip, the fluorescence generated from the double-stranded DNA after the hybridization reaction is detected by a photodetector, and the fluorescence is detected. Thus, it is possible to apply a servo technique such as specifying the light emission position by an addressing technique, thereby increasing the number of sample substances to be processed and improving the detection accuracy and the detection speed.

特開2001−238674号公報JP 2001-238664 A 特表2002−525394号公報Special Table 2002-525394

ところで、これまでのDNA解析には、一般に、蛍光標識剤として有機蛍光色素が用いられていた。   By the way, organic fluorescent dyes are generally used as fluorescent labeling agents in DNA analysis so far.

しかしながら、蛍光検出のために有機蛍光色素を用いる場合、一定以上の光強度でπ電子のLUMOからHOMOへの遷移が過飽和状態となってしまい、一定強度以上の蛍光を得ることができなかった。また、有機蛍光色素は、光励起により活性状態となると、周囲の水等と反応して分解してしまうため退色の効果が大きい。そのため、蛍光検出のために有機蛍光色素を用いる場合には、大きな強度の励起光で励起したり、繰り返して蛍光検出をすることができなかった。さらに、有機蛍光色素は、励起できる波長範囲が狭いため、励起光の波長が限定されてしまうという問題があった。   However, when an organic fluorescent dye is used for fluorescence detection, the transition from LUMO to HOMO of π electrons becomes supersaturated at a light intensity above a certain level, and fluorescence above a certain intensity cannot be obtained. In addition, when an organic fluorescent dye is activated by photoexcitation, it reacts with surrounding water and decomposes, so that the effect of fading is great. Therefore, when an organic fluorescent dye is used for fluorescence detection, it cannot be excited with a large intensity of excitation light or repeatedly detected. Furthermore, since the organic fluorescent dye has a narrow wavelength range that can be excited, there is a problem that the wavelength of the excitation light is limited.

一方、蛍光標識剤として、蛍光強度の大きい量子ドット(半導体ナノ結晶或いは半導体超微粒子ともいう)を利用することも提案されている(特許文献2参照)。   On the other hand, the use of quantum dots having high fluorescence intensity (also referred to as semiconductor nanocrystals or semiconductor ultrafine particles) as a fluorescent labeling agent has been proposed (see Patent Document 2).

しかしながら、一般にこのような量子ドットは、III-V族化合物半導体やII-VI族化合物半導体といった化合物半導体を用いており、環境に対する悪影響が大きい。また、量子ドットの結晶成長の際にも有機金属溶液等を用いるため、その取り扱いが難しく、製造が容易でないという問題があった。   However, in general, such quantum dots use compound semiconductors such as III-V group compound semiconductors and II-VI group compound semiconductors, and have a large adverse effect on the environment. In addition, since an organic metal solution or the like is also used for crystal growth of quantum dots, there is a problem that it is difficult to handle and manufacturing is not easy.

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、環境に対する影響が小さく、且つ製造が容易な生体物質蛍光標識剤及び生体物質蛍光標識方法、並びにその生体物質蛍光標識剤を用いたバイオアッセイ方法及びその装置を提供することを目的とする。   The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and has a small influence on the environment and is easy to manufacture, a biological material fluorescent labeling agent and a biological material fluorescent labeling method, and the biological material fluorescent labeling agent It is an object of the present invention to provide a bioassay method and a device therefor.

上述した目的を達成するために提案された本発明に係る生体物質蛍光標識剤は、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットの粒子表面に、生体物質に結合する有機分子が結合したものである。 The biological material fluorescent labeling agent according to the present invention proposed to achieve the above-described object is obtained by annealing SiO x formed on a silicon wafer in an inert gas atmosphere, and then subjecting the silicon wafer to an aqueous hydrofluoric acid solution. in process generated by a core made of silicon crystals of size of 4 times or less of the exciton Bohr radius, is composed of a shell layer made of silicon oxide covering said core, constituting the shell layer Silicon oxide is obtained by bonding organic molecules that bind to a biological substance to the surface of a particle of a quantum dot that is silanized and has a mercapto group introduced therein.

また、上述した目的を達成するために提案された本発明に係る生体物質蛍光標識方法は、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットを、有機分子を介して生体物質に結合させるものである。 In addition, the biological material fluorescent labeling method according to the present invention proposed to achieve the above-described object is obtained by annealing SiO x deposited on a silicon wafer in an inert gas atmosphere, and then squeezing the silicon wafer. A core made of a silicon crystal having a crystal diameter of 4 times or less of an exciton Bohr radius generated by treatment with an acid aqueous solution, and a shell layer made of silicon oxide covering the core, the shell layer being The silicon oxide to be formed is one in which a quantum dot in which a mercapto group is introduced by silanization is bonded to a biological substance via an organic molecule.

ここで、上記生体物質としては、生体から採取されたヌクレオチド鎖又はタンパク質が挙げられる。   Here, examples of the biological material include nucleotide chains or proteins collected from the living body.

また、上述した目的を達成するために提案された本発明に係るバイオアッセイ方法は、表面に複数の反応領域が形成され、既知の複数の検出物質が所定の各反応領域内に固定化されたバイオアッセイ基板に対して、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットで標識された標的物質を滴下して相互反応させる反応工程と、上記反応工程における相互反応後に、未反応の標的物質を上記バイオアッセイ基板の各反応領域から除去する除去工程と、上記バイオアッセイ基板に対して所定の波長の励起光を照射し、当該励起光に応じて上記量子ドットから発生される所定の波長の蛍光の有無を検出することにより、上記標的物質の生化学分析を行う分析工程とを有する。 Further, in the bioassay method according to the present invention proposed to achieve the above-described object, a plurality of reaction regions are formed on the surface, and a plurality of known detection substances are immobilized in each predetermined reaction region. The bioassay substrate was formed by annealing SiO x deposited on a silicon wafer in an inert gas atmosphere and then treating the silicon wafer with an aqueous hydrofluoric acid solution. Quantum in which a core made of a silicon crystal having a crystal diameter of less than twice and a shell layer made of silicon oxide covering the core are silanized and mercapto groups are introduced into the silicon oxide constituting the shell layer A reaction step in which a target substance labeled with a dot is dropped to interact with each other, and after the reaction in the reaction step, an unreacted target substance is removed from the bioassay. A removal step of removing from each reaction region of the substrate, and irradiating the bioassay substrate with excitation light of a predetermined wavelength, and determining whether there is fluorescence of a predetermined wavelength generated from the quantum dots in response to the excitation light And an analysis step of performing biochemical analysis of the target substance by detecting.

また、上述した目的を達成するために提案された本発明に係るバイオアッセイ装置は、表面に複数の反応領域が形成され、既知の複数の検出物質が所定の各反応領域内に固定化されたバイオアッセイ基板を保持する保持手段と、上記バイオアッセイ基板に対して、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットで標識された標的物質を滴下する滴下手段と、上記検出物質と上記滴下手段で滴下した標的物質とを相互反応させた後、未反応の標的物質を上記バイオアッセイ基板の各反応領域から除去する除去手段と、上記バイオアッセイ基板に対して所定の波長の励起光を照射し、当該励起光に応じて上記量子ドットから発生される所定の波長の蛍光の有無を検出することにより、上記標的物質の生化学分析を行う分析手段とを備える。 Moreover, the bioassay device according to the present invention proposed to achieve the above-described object has a plurality of reaction regions formed on the surface, and a plurality of known detection substances are immobilized in each predetermined reaction region. A holding means for holding a bioassay substrate, and annealing the SiO x formed on the silicon wafer on the bioassay substrate in an inert gas atmosphere, and then treating the silicon wafer with a hydrofluoric acid aqueous solution. Formed by a core made of silicon crystal having a crystal diameter equal to or less than four times the exciton Bohr radius and a shell layer made of silicon oxide covering the core, and the silicon oxide constituting the shell layer is silane Drop means for dropping a target substance labeled with a quantum dot into which a mercapto group is introduced, and a target dropped by the detection substance and the drop means After the reaction with the substance, the removing means for removing the unreacted target substance from each reaction region of the bioassay substrate, and the excitation light having a predetermined wavelength are irradiated to the bioassay substrate. And analyzing means for performing biochemical analysis of the target substance by detecting the presence or absence of fluorescence having a predetermined wavelength generated from the quantum dots.

ここで、このバイオアッセイ方法及びその装置は、上記標的物質を上記バイオアッセイ基板に滴下して上記検出物質と相互反応させた後に、未反応の標的物質を上記バイオアッセイ基板の各反応領域から除去する除去工程(手段)を有する。   In this bioassay method and apparatus, the target substance is dropped onto the bioassay substrate and reacted with the detection substance, and then the unreacted target substance is removed from each reaction region of the bioassay board. A removing step (means) to be performed.

上記検出物質及び上記標的物質としてはヌクレオチド鎖を用いることができ、この場合、上記相互反応はハイブリダイゼーション反応である。   A nucleotide chain can be used as the detection substance and the target substance, and in this case, the interaction is a hybridization reaction.

本発明に係る生体物質蛍光標識剤を構成する量子ドットは、シリコンと酸化シリコンとから構成されるため、環境への影響が少なく扱いが容易であり、特にシリコン結晶からなるコアの周囲に酸化シリコンからなるシェル層が形成されたコアシェル構造となされているため、コアをなすシリコン結晶の量子効果が安定化する。また、本発明に係る生体物質蛍光標識方法では、有機分子を介してこの量子ドットを生体物質に結合させるものであるため、生体物質の蛍光標識が容易であり、且つ励起光を照射した際の蛍光強度が大きくなる。   Since the quantum dots constituting the biological material fluorescent labeling agent according to the present invention are composed of silicon and silicon oxide, they are easy to handle with little influence on the environment, and particularly silicon oxide around the core made of silicon crystals. As a result, the quantum effect of the silicon crystal forming the core is stabilized. Further, in the biological material fluorescent labeling method according to the present invention, the quantum dots are bonded to the biological material via organic molecules, so that the fluorescent labeling of the biological material is easy and the excitation light is irradiated. The fluorescence intensity increases.

また、バイオアッセイ方法及びその装置は、上述の量子ドットを用いて標的物質を標識しているため蛍光強度が大きく、さらに有機色素を用いた場合と比較して光損傷が小さく退色が少ないため、分析の精度を向上させることができる。   In addition, since the bioassay method and the device label the target substance using the above-described quantum dots, the fluorescence intensity is large, and further, the photodamage is small and the fading is small compared to the case where an organic dye is used. The accuracy of analysis can be improved.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、生体物質であるDNAの蛍光標識に用いる生体物質蛍光標識剤を構成するSi(シリコン)量子ドット及びそのSi量子ドットを用いたDNAの標識方法に適用したものである。本実施の形態において、Si量子ドットは、DNA解析用のバイオアッセイ基板に固相化された多種多数のプローブDNA(検出物質)と滴下したサンプルDNA(標的物質)とのハイブリダイゼーション反応の有無を蛍光により検出してサンプルDNAを解析する際に用いられる。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a Si (silicon) quantum dot constituting a biological material fluorescent labeling agent used for fluorescent labeling of DNA, which is a biological material, and a DNA labeling method using the Si quantum dot. It is. In this embodiment, the Si quantum dots indicate whether or not there is a hybridization reaction between a large number of probe DNAs (detection substances) immobilized on a bioassay substrate for DNA analysis and the dropped sample DNA (target substance). It is used when analyzing sample DNA by detecting by fluorescence.

ここで、本実施の形態における「DNAの蛍光標識」とは、Si量子ドットをサンプルDNAに直接結合させて蛍光標識する場合のみならず、Si量子ドットをインターカレータに結合させ、このインターカレータがハイブリダイゼーション反応を行った2本鎖DNAに挿入結合することで、間接的にDNAを蛍光標識する場合をも含む。   Here, the “fluorescence labeling of DNA” in the present embodiment is not limited to the case where the Si quantum dots are directly bound to the sample DNA for fluorescence labeling, but the Si quantum dots are bound to the intercalator. This includes the case where the DNA is indirectly fluorescently labeled by insertion and binding to the double-stranded DNA subjected to the hybridization reaction.

以下では、先ず、このSi量子ドット及びその製造方法、並びにそのSi量子ドットを用いたDNAの標識方法について説明し、次いで、サンプルDNA溶液が滴下されるDNA解析用のバイオアッセイ基板、及びこのバイオアッセイ基板を用いてDNA解析を行うバイオアッセイ装置について説明する。なお、本明細書において「バイオアッセイ」とは、ハイブリダイゼーションその他の物質間の相互作用に基づく生化学分析を意味する。   In the following, first, the Si quantum dot and the manufacturing method thereof, and the DNA labeling method using the Si quantum dot will be described, and then the bioassay substrate for DNA analysis onto which the sample DNA solution is dropped, and the bio A bioassay apparatus for performing DNA analysis using an assay substrate will be described. In the present specification, “bioassay” means biochemical analysis based on hybridization and interaction between other substances.

(Si量子ドット)
先ず、生体物質であるDNAの蛍光標識に用いるSi量子ドット及びその製造方法について説明する。
(Si quantum dots)
First, Si quantum dots used for fluorescent labeling of DNA, which is a biological material, and a method for producing the same will be described.

量子ドットとは、半導体原子が数百個から数千個集まった十数nm程度の小さな塊である。量子ドットは、バルクサイズの連続的なバンド構造ではなく、離散的、不連続なエネルギ準位を取るため、電子のエネルギが3次元量子井戸に強く閉じこめられる。そのため、電子を閉じこめている障壁となっている量子ドットのサイズが小さくなればなるほど、伝導体(LUMO)のエネルギが上がり、価電子帯(HOMO)のエネルギが下がり、価電子帯と伝導体との間のバンドギャップエネルギが増大する。つまり、価電子体から伝導体へ電子を励起するエネルギが増大する。量子ドットには、このようなサイズに応じてバンドギャップエネルギが変化するという効果(量子サイズ効果)がある。   A quantum dot is a small lump of about ten and several nanometers in which several hundred to several thousand semiconductor atoms are gathered. A quantum dot is not a continuous band structure of a bulk size, but takes discrete and discontinuous energy levels, so that the energy of electrons is strongly confined in a three-dimensional quantum well. Therefore, the smaller the size of the quantum dot that is the barrier that confines electrons, the higher the energy of the conductor (LUMO), the lower the energy of the valence band (HOMO), and the valence band and conductor. The band gap energy between increases. That is, the energy for exciting electrons from the valence electron body to the conductor increases. The quantum dot has an effect (quantum size effect) that the band gap energy changes according to such a size.

さらに、蛍光体は、光等を吸収するとバンド内に電子-ホール対(励起子)を発生するが、蛍光体のサイズがバルクサイズである場合、そのバンド構造が連続的となり、生成された電子とホールとが別々に運動をするため、励起子の発生は不安定である。一方、蛍光体のサイズが量子ドットサイズの場合、非常に狭い空間に電子とホールとが発生するため、電子とホールとの波動関数の重なりが大きくなり、励起子の発生が安定化している。したがって、量子ドットの場合、電子-ホール対の遷移確率すなわち振動子強度がバルクサイズの直接バンド間遷移型半導体よりも非常に大きくなる。つまり、量子ドットの場合には、励起光強度に対する蛍光強度が非常に大きくなる。量子ドットには、このような電子-ホール対の遷移確率が高くなり、蛍光強度が大きくなるという効果(閉じこめ効果)がある。このような閉じこめ効果が現れるのは、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径であるといわれている。   Furthermore, phosphors generate electron-hole pairs (excitons) in the band when they absorb light, etc., but when the phosphor size is bulk size, the band structure becomes continuous and the generated electrons The exciton generation is unstable because the and holes move separately. On the other hand, when the size of the phosphor is a quantum dot size, electrons and holes are generated in a very narrow space, so that the overlap of wave functions of electrons and holes becomes large, and the generation of excitons is stabilized. Therefore, in the case of a quantum dot, the transition probability of an electron-hole pair, that is, the oscillator strength is much larger than that of a bulk-size direct interband transition semiconductor. That is, in the case of quantum dots, the fluorescence intensity with respect to the excitation light intensity is very high. Quantum dots have such an effect (confinement effect) that the transition probability of such electron-hole pairs is increased and the fluorescence intensity is increased. It is said that such a confinement effect appears when the crystal diameter is not more than four times the exciton Bohr radius.

量子ドットには、以上のような閉じこめ効果があるため、量子ドットを蛍光標識剤として用いると、励起光の強度を大きくしても蛍光強度が飽和せず、高い蛍光強度を得ることができる。したがって、蛍光標識剤として量子ドットを用いた場合、照射する励起光を対物レンズにより集光して照射することが可能となる。このため、より強度の小さい励起光を用いて強い蛍光を検出することができる。   Since the quantum dots have the above-described confinement effect, when the quantum dots are used as a fluorescent labeling agent, even if the excitation light intensity is increased, the fluorescence intensity is not saturated and a high fluorescence intensity can be obtained. Therefore, when quantum dots are used as the fluorescent labeling agent, the excitation light to be irradiated can be condensed and irradiated by the objective lens. For this reason, strong fluorescence can be detected using excitation light with lower intensity.

本実施の形態では、III-V族化合物半導体やII-VI族化合物半導体といった化合物半導体と比較して環境への影響が少なく、扱いが容易なSiを量子ドットに用いている。このSiは、間接バンド間遷移型半導体であるが、励起子ボーア半径程度のSi結晶を製造すると、量子サイズ効果によるバンドギャップエネルギの増大と、フォノンのモードの変化とにより、可視域で発光を示すようになる。このSiからなるSi量子ドットは、p型シリコンウエハーの陽極化成、SiHのプラズマ中分解、或いは熱処理SiO(x1.99)のフッ酸中溶解等の公知の技術を用いて製造することができる。 In the present embodiment, Si, which has less influence on the environment and is easy to handle, is used for the quantum dots as compared with compound semiconductors such as III-V group compound semiconductors and II-VI group compound semiconductors. This Si is an indirect interband transition type semiconductor. However, when a Si crystal having an exciton Bohr radius is manufactured, light emission in the visible region is caused by an increase in band gap energy due to the quantum size effect and a change in phonon mode. As shown. The Si quantum dots made of Si are manufactured using a known technique such as anodization of a p-type silicon wafer, decomposition of SiH 4 in plasma, or dissolution of heat-treated SiO x (x - 1.99) in hydrofluoric acid. be able to.

ここで、量子ドットを内核(コア)と外殻(シェル)とからなるいわゆるコアシェル構造とし、シェル層の物質としてコアの物質よりもバンドギャップエネルギの大きいものを選択することで、コアをなす半導体結晶の量子効果が安定化することが知られている。   Here, the quantum dot has a so-called core-shell structure consisting of an inner core (core) and an outer shell (shell), and a semiconductor that forms the core by selecting a material having a larger band gap energy than the core material as the shell layer material. It is known that the quantum effect of crystals is stabilized.

そこで、本実施の形態におけるSi量子ドットは、Si結晶からなるコアの周囲にSiOからなるシェル層が形成されたコアシェル構造となされている。特に、本実施の形態では、酸化され易い性質を有するSiをコアの物質として用いているため、SiOからなるシェル層の形成が容易である。 Therefore, the Si quantum dots in the present embodiment have a core-shell structure in which a shell layer made of SiO 2 is formed around a core made of Si crystal. In particular, in the present embodiment, since Si having a property of being easily oxidized is used as a core material, it is easy to form a shell layer made of SiO 2 .

このSi量子ドットは、例えば次のように製造することができる。   This Si quantum dot can be manufactured as follows, for example.

熱処理SiO(x1.999)のフッ酸中溶解によりSi量子ドットを製造する場合、先ず、プラズマCVDによりシリコンウエハー上に成膜したSiO(x1.999)を不活性ガス雰囲気中で1100℃、1時間程度アニールを行う。これにより、SiO膜中にSi結晶が析出する。次に、このシリコンウエハーを室温で1%程度のフッ酸水溶液で処理することによりSiO膜を除去し、液面に凝集した数nmサイズのSi結晶を回収する。なお、このフッ酸処理により、結晶表面のSi原子のダングリングボンド(未結合手)が水素終端され、Si結晶が安定化する。その後、回収したSi結晶の表面を酸素雰囲気中で自然酸化し、又は加熱して熱酸化し、Si結晶からなるコアの周囲にSiOからなるシェル層を形成する。 When manufacturing Si quantum dots by dissolving heat-treated SiO x (x - 1.999) in hydrofluoric acid, first, SiO x (x - 1.999) formed on a silicon wafer by plasma CVD is used as an inert gas atmosphere. Among them, annealing is performed at 1100 ° C. for about 1 hour. Thereby, Si crystals are deposited in the SiO 2 film. Next, this silicon wafer is treated with a 1% hydrofluoric acid aqueous solution at room temperature to remove the SiO 2 film, and several nanometer-sized Si crystals aggregated on the liquid surface are recovered. By this hydrofluoric acid treatment, dangling bonds (unbonded hands) of Si atoms on the crystal surface are terminated with hydrogen, and the Si crystal is stabilized. Thereafter, the surface of the recovered Si crystal is naturally oxidized in an oxygen atmosphere or is thermally oxidized by heating to form a shell layer made of SiO 2 around the core made of Si crystal.

また、p型シリコンウエハーの陽極化成によりSi量子ドットを製造する場合、先ず、フッ酸(46%)、メタノール(100%)及び過酸化水素水(30%)を1:2:2の割合で混合した溶液中で、p型シリコンウエハー及び白金を対向電極として320mA/cmで約1時間通電し、Si結晶を析出させる。このようにして得られたSi結晶のフォトルミネッセンススペクトルを図1に示す。その後、回収したSi結晶の表面を酸素雰囲気中で自然酸化し、又は加熱して熱酸化し、Si結晶からなるコアの周囲にSiOからなるシェル層を形成する。 When Si quantum dots are manufactured by anodizing a p-type silicon wafer, first, hydrofluoric acid (46%), methanol (100%), and hydrogen peroxide solution (30%) are used at a ratio of 1: 2: 2. In the mixed solution, a p-type silicon wafer and platinum are used as a counter electrode and current is applied at 320 mA / cm 2 for about 1 hour to precipitate Si crystals. A photoluminescence spectrum of the Si crystal thus obtained is shown in FIG. Thereafter, the surface of the recovered Si crystal is naturally oxidized in an oxygen atmosphere or is thermally oxidized by heating to form a shell layer made of SiO 2 around the core made of Si crystal.

以上のように製造されたSi量子ドットによってDNAを標識する場合、Si量子ドットとDNAとの双方に、互いに結合する官能基等を導入する。   When DNA is labeled with the Si quantum dots produced as described above, functional groups that bind to each other are introduced into both the Si quantum dots and the DNA.

例えば、メルカプト基(SH基)同士の結合を利用してSi量子ドットとDNAとを結合させる場合、先ず、上述のSi量子ドットを30%H中に10分間分散させ、結晶表面を水酸化させる。次に、溶剤をトルエンに置換し、メルカプトプロピルトリエトキシシランをトルエンの2%加えて、2時間程度かけてSi量子ドットの最表面のSiOをシラン化すると共にメルカプト基を導入する。続いて、溶剤を純水に置換してバッファ塩を添加し、さらに一端にメルカプト基の導入されたDNAを100nMとなるように加えて1時間放置することで、Si量子ドットとDNAとを結合させる。このSi量子ドットと1本鎖DNA(ssDNA)とが結合している状態を図2に模式的に示す。 For example, when bonding Si quantum dots and DNA using the bond between mercapto groups (SH groups), first, the above-mentioned Si quantum dots are dispersed in 30% H 2 O 2 for 10 minutes, Hydroxylate. Next, the solvent is replaced with toluene, mercaptopropyltriethoxysilane is added with 2% of toluene, and SiO 2 on the outermost surface of the Si quantum dots is silanized and a mercapto group is introduced over about 2 hours. Subsequently, the solvent is replaced with pure water, a buffer salt is added, and DNA introduced with a mercapto group is added to one end so as to be 100 nM and left for 1 hour to bond Si quantum dots and DNA. Let FIG. 2 schematically shows a state where the Si quantum dots and single-stranded DNA (ssDNA) are bonded.

なお、この例では、メルカプト基が導入されたシランカップリング剤を用いたが、アミノ基やアルデヒド基が導入されたシランカップリング剤を用いることも可能である。この場合には、それぞれ一端にアルデヒド基、アミノ基が導入されたDNAと結合させることができる。   In this example, a silane coupling agent into which a mercapto group is introduced is used, but a silane coupling agent into which an amino group or an aldehyde group is introduced can also be used. In this case, each can be bonded to DNA having an aldehyde group and an amino group introduced at one end.

また、ビオチンとアビジンとの結合を利用してSi量子ドットとDNAとを結合させる場合、先ず、上述のSi量子ドットを濃硫酸と過酸化水素水との3:1混合液中で10分程反応させ、結晶表面を水酸化させる。水洗後、水とエタノールの1:1混合溶液中でアミノプロピルトリエトキシシランをSi量子ドットの最表面の水酸基と反応させ、Si量子ドットにアミノ基を導入する。反応後水洗し、溶媒をアセトンに置換して1mol/lの濃度になるようにマレイン酸を加え、30〜45分程度、沸点近くまで加熱・還流することで、アミノプロピルトリエトキシシランのアミノ基とマレイン酸のカルボキシル基とを結合させる。反応後水洗し、869mMのN-ヒドロキシスクシンイミド水溶液と、522mMのN-(3-ジメチルアミノプロピル)-N'-エチルカルボジイミド-ヒドロクロライド水溶液の1:1混合液に分散させ、10分程度反応させる。反応後水洗し、室温・水溶液中で2.21μMのアビジンと2時間程度反応させた後、1mMのエタノールアミンを加え、室温で10分間攪拌する。これにより、Si量子ドットにアビジンが結合される。水洗後、溶媒を純水に置換してバッファ塩を10mMとなるように添加し、さらに一端にビオチンが導入されたDNAを1μMとなるように加えて放置することで、Si量子ドットとDNAとを結合させる。このSi量子ドットと1本鎖DNA(ssDNA)とが結合している状態を図3に模式的に示す。   In the case where Si quantum dots and DNA are bound using the binding of biotin and avidin, first, the above-mentioned Si quantum dots are placed in a 3: 1 mixture of concentrated sulfuric acid and hydrogen peroxide for about 10 minutes. React and hydroxylate the crystal surface. After washing with water, aminopropyltriethoxysilane is reacted with the hydroxyl group on the outermost surface of the Si quantum dots in a 1: 1 mixed solution of water and ethanol to introduce amino groups into the Si quantum dots. After the reaction, washing with water, replacing the solvent with acetone, adding maleic acid to a concentration of 1 mol / l, heating and refluxing to near the boiling point for about 30 to 45 minutes, the amino group of aminopropyltriethoxysilane And a carboxyl group of maleic acid. After the reaction, it is washed with water, dispersed in a 1: 1 mixture of 869 mM N-hydroxysuccinimide aqueous solution and 522 mM N- (3-dimethylaminopropyl) -N′-ethylcarbodiimide-hydrochloride aqueous solution, and allowed to react for about 10 minutes. . After the reaction, it is washed with water and reacted with 2.21 μM avidin for about 2 hours in an aqueous solution at room temperature, and then 1 mM ethanolamine is added and stirred at room temperature for 10 minutes. As a result, avidin is bonded to the Si quantum dots. After washing with water, the solvent is replaced with pure water, buffer salt is added to 10 mM, and DNA with biotin introduced at one end is added to 1 μM and allowed to stand. Are combined. FIG. 3 schematically shows a state in which the Si quantum dots and single-stranded DNA (ssDNA) are bound to each other.

なお、Si量子ドットを直接DNAに結合させて標識する例に限定されず、例えばSi量子ドットをインターカレータに結合させ、ハイブリダイゼーション反応によって形成された2本鎖DNAに挿入結合させるようにしても構わない。   It should be noted that the present invention is not limited to an example in which Si quantum dots are directly bonded to DNA for labeling. For example, Si quantum dots may be bonded to an intercalator and inserted into a double-stranded DNA formed by a hybridization reaction. I do not care.

例えば、メルカプト基(SH基)同士の結合を利用してSi量子ドットとインターカレータとを結合させる場合、上述と同様にしてSi量子ドットの表面を水酸化し、最表面のSiOをシラン化すると共にメルカプト基を導入することで、例えば図4に示すようなメルカプト基が導入されたインターカレータと結合させることができる。この場合にも、アミノ基やアルデヒド基が導入されたシランカップリング剤を用いることで、それぞれアルデヒド基、アミノ基が導入されたインターカレータと結合させることができる。 For example, when bonding Si quantum dots and intercalators using bonds between mercapto groups (SH groups), the surface of Si quantum dots is hydroxylated in the same manner as described above, and the outermost SiO 2 is silanized. In addition, by introducing a mercapto group, for example, it can be combined with an intercalator introduced with a mercapto group as shown in FIG. Also in this case, by using a silane coupling agent into which an amino group or an aldehyde group has been introduced, it can be combined with an intercalator into which an aldehyde group or an amino group has been introduced.

(バイオアッセイ基板)
次に、サンプルDNAを含む溶液が滴下されるバイオアッセイ基板1について説明する。図5は、バイオアッセイ基板1の上面を模式的に示したものである。
(Bioassay substrate)
Next, the bioassay substrate 1 onto which a solution containing sample DNA is dropped will be described. FIG. 5 schematically shows the upper surface of the bioassay substrate 1.

バイオアッセイ基板1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基板1が後述するバイオアッセイ装置に装着されたときに、当該バイオアッセイ基板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。   A central hole 2 is formed at the center 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 a bioassay apparatus described later.

バイオアッセイ基板1は、図6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とから形成された層構造となっている。なお、バイオアッセイ基板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。   As shown in FIG. 6, the bioassay substrate 1 has a layer structure formed of a substrate layer 3, a transparent electrode layer 4, a solid phase layer 5, and a well formation layer 6 from the lower layer side. . The surface on the well formation 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.

基板層3は、詳細を後述する励起光及び制御光並びに蛍光の波長の光を透過する材料である。例えば、基板層3は、石英ガラス、シリコン、ポリカーボネート、ポリスチレンその他の円盤状に成型可能な合成樹脂、好ましくは射出成型可能な合成樹脂で形成されている。なお、安価な合成樹脂基板を用いることで、従来のガラス基板に比して低ランニングコストを実現できる。   The substrate layer 3 is a material that transmits excitation light and control light, which will be described in detail later, and light having a fluorescence wavelength. For example, the substrate layer 3 is formed of quartz glass, silicon, polycarbonate, polystyrene, or other synthetic resin that can be molded into a disk shape, preferably synthetic resin that can be injection molded. By using an inexpensive synthetic resin substrate, a low running cost can be realized as compared with a conventional glass substrate.

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て形成される。   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 on the substrate layer 3 to a thickness of about 250 nm by, for example, sputtering or electron beam evaporation.

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24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。 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 24 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.

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、プローブDNAとサンプルDNAとの間のハイブリダイゼーション反応を起こさせる複数のウェル7が形成された層である。ウェル7は、バイオアッセイ基板1の上面1aが開口したくぼみ状となっており、サンプルDNAが含まれた溶液等が滴下されたときにその溶液を保留することができる程度の深さ及び大きさとなっている。例えば、ウェル7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9に固相化層5が露出している。このようなウェル形成層6は、例えば、固相化層5上に感光性ポリミイドをスピンコート等で5μm程度の厚さに塗布し、塗布した感光性ポリミイドを所定のパターンでフォトマスクを用いて露光及び現像することで形成される。   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 wells 7 for causing a hybridization reaction between the probe DNA and the sample DNA are formed. The well 7 has a hollow shape in which the upper surface 1a of the bioassay substrate 1 is opened, and has a depth and size that can hold the solution when the solution containing the sample DNA is dropped. It has become. For example, the well 7 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 9. For example, the well forming layer 6 is formed by applying a photosensitive polymer to the thickness of about 5 μm on the solid phase layer 5 by spin coating or the like, and using the photomask in a predetermined pattern. It is formed by exposure and development.

さらに、ウェル7は、一端が官能基により修飾されたプローブDNAが底面9(固相化層5が露出した部分)に結合するように、当該底面9が官能基により表面修飾されている。例えば、ウェル7は、図7に示すように、メルカプト基(SH基)10を有するシラン分子11により、底面9(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7の底面9には、例えばメルカプト基で一端が修飾されたプローブDNAを結合させることができる。このようにバイオアッセイ基板1では、ウェル7の底面9に、プローブDNAの一端を結合させることができるので、図8に示すように、底面9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。 Furthermore, the bottom surface 9 of the well 7 is modified with the functional group so that the probe DNA whose one end is modified with the functional group binds to the bottom surface 9 (the portion where the solid-phased layer 5 is exposed). For example, as shown in FIG. 7, the well 7 has the bottom surface 9 (the solid phased layer 5 formed of SiO 2 ) modified with a silane molecule 11 having a mercapto group (SH group) 10. For this reason, for example, probe DNA whose one end is modified with a mercapto group can be bound to the bottom surface 9 of the well 7. In this way, in the bioassay substrate 1, one end of the probe DNA can be bound to the bottom surface 9 of the well 7, so as shown in FIG. 8, the probe DNA ( P) can be combined.

また、バイオアッセイ基板1では、図5に示すように、複数のウェル7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。   Further, in the bioassay substrate 1, as shown in FIG. 5, a plurality of wells 7 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.

また、バイオアッセイ基板1には、バイオアッセイ基板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8が形成されている。アドレスピット8は、バイオアッセイ基板1の平面上における各ウェル7の位置を特定するための情報である。アドレスピット8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7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7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8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。   The bioassay substrate 1 is formed with address pits 8 that can be read by irradiating laser light from the lower surface 1 b side of the bioassay substrate 1. The address pit 8 is information for specifying the position of each well 7 on the plane of the bioassay substrate 1. By optically reading information from the address pits 8, it is possible to identify which one of the plurality of wells 7 is currently irradiated with laser light. By providing such address pits 8, it is possible to control the dropping position of the solution by a dropping device, which will be described later, and to specify the fluorescence detection position by the objective lens.

以上のようなバイオアッセイ基板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8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8に記録してある情報内容と、そのアドレスピット8の近傍にあるウェル7とを対応させておくことにより、アドレスピット8の情報を読み出すことで、特定の1つのウェル7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7の位置を特定したり、特定の1つのウェル7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7に対して溶液を滴下したりすることができる。   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, and the radial direction. Positioning servo control for controlling the irradiation position of the laser beam and the dropping position by the dropping device, and information detection processing of the address pits 8 can be performed. That is, by associating the information content recorded in the address pits 8 with the wells 7 in the vicinity of the address pits 8, the information in the address pits 8 is read out, so that one specific well 7 can be read. The position of the well 7 that emits the laser light only to the fluorescent light is specified, or the relative position between the specific one well 7 and the dropping device is controlled to control the specific one well. The solution can be added dropwise to 7.

(バイオアッセイ装置)
次に、上述したバイオアッセイ基板1を用いてDNA解析を行うバイオアッセイ装置21について、図9を参照して説明する。
(Bioassay device)
Next, a bioassay device 21 that performs DNA analysis using the above-described bioassay substrate 1 will be described with reference to FIG.

バイオアッセイ装置21は、図9に示すように、バイオアッセイ基板1を保持して回転させるディスク装填部22と、ハイブリダイゼーションのための各種溶液を貯留するとともにバイオアッセイ基板1のウェル7にその溶液を滴下する滴下部23と、バイオアッセイ基板1のウェル7から励起光を検出するための励起光検出部24と、上記の各部の管理及び制御を行う制御/サーボ部25とを備えている。   As shown in FIG. 9, the bioassay device 21 stores a disk loading unit 22 that holds and rotates the bioassay substrate 1, and stores various solutions for hybridization, and the solution in the well 7 of the bioassay substrate 1. Are provided, a dropping unit 23 for dropping the excitation light, an excitation light detecting unit 24 for detecting excitation light from the well 7 of the bioassay substrate 1, and a control / servo unit 25 for managing and controlling each of the above parts.

ディスク装填部22は、バイオアッセイ基板1の中心孔2内に挿入して当該バイオアッセイ基板1を保持するチャッキング機構31と、チャッキング機構31を駆動することによりバイオアッセイ基板1を回転させるスピンドルモータ32とを有している。ディスク装填部22は、上面1a側が上方向となるようにバイオアッセイ基板1を水平に保持した状態で、当該バイオアッセイ基板1を回転駆動する。   The disc loading unit 22 is inserted into the center hole 2 of the bioassay substrate 1 to hold the bioassay substrate 1 and a spindle that rotates the bioassay substrate 1 by driving the chucking mechanism 31. And a motor 32. The disc loading unit 22 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.

滴下部23は、試料溶液Sを貯留する貯留部33と、貯留部33内の試料溶液Sをバイオアッセイ基板1に滴下する滴下ヘッド34とを有している。滴下ヘッド34は、水平に装填されたバイオアッセイ基板1の上面1aの上方に配置されている。さらに、滴下ヘッド34は、図5記載のバイオアッセイ基板1のアドレスピット8から読み出される位置情報及び回転同期情報に基づいてバイオアッセイ基板1との相対位置を半径方向に制御し、プローブDNAと、上述のSi量子ドットで標識されたサンプルDNA、又はサンプルDNA及びSi量子ドットが結合されたインターカレータとを含有する試料溶液Sを所定のウェル7に正確に追従して滴下する構成とされている。   The dropping unit 23 includes a storage unit 33 that stores the sample solution S, and a dropping head 34 that drops the sample solution S in the storage unit 33 onto the bioassay substrate 1. The drip head 34 is disposed above the upper surface 1a of the bioassay substrate 1 loaded horizontally. Further, the dropping head 34 controls the relative position with the bioassay substrate 1 in the radial direction based on the position information and rotation synchronization information read from the address pits 8 of the bioassay substrate 1 shown in FIG. The sample solution S containing the sample DNA labeled with the above-mentioned Si quantum dots, or the intercalator to which the sample DNA and the Si quantum dots are combined, is precisely dropped following the predetermined well 7. .

励起光検出部24は、光学ヘッド40を有している。光学ヘッド40は、水平に装填されたバイオアッセイ基板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40は、例えば、図示しないスレッド機構等により、バイオアッセイ基板1の半径方向に移動自在とされている。   The excitation light detection unit 24 has an optical head 40. The optical head 40 is disposed on the lower side of the horizontally loaded bioassay substrate 1, that is, on the lower surface 1b side. The optical head 40 is movable in the radial direction of the bioassay substrate 1 by, for example, a thread mechanism (not shown).

光学ヘッド40は、対物レンズ41と、対物レンズ41を移動可能に支持する2軸アクチュエータ42と、導光ミラー43とを有している。対物レンズ41は、その中心軸がバイオアッセイ基板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42に支持されている。したがって、対物レンズ41は、バイオアッセイ基板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42は、バイオアッセイ基板1の表面に対して垂直な方向、及び、バイオアッセイ基板1の半径方向の2方向に対物レンズ41を移動可能に支持している。2軸アクチュエータ42を駆動することにより、対物レンズ41により集光された光の焦点を、バイオアッセイ基板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。したがって、この光学ヘッド40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。   The optical head 40 includes an objective lens 41, a biaxial actuator 42 that supports the objective lens 41 so as to be movable, and a light guide mirror 43. The objective lens 41 is supported by the biaxial actuator 42 so that the central axis thereof is substantially perpendicular to the surface of the bioassay substrate 1. Therefore, the objective lens 41 can collect the light beam incident from the lower side of the bioassay substrate 1 on the bioassay substrate 1. The biaxial actuator 42 supports the objective lens 41 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 42, the focal point of the light collected by the objective lens 41 can be moved in the direction perpendicular to the surface of the bioassay substrate 1 and in the radial direction. Therefore, the optical head 40 can perform the same control as the just focus control and the positioning control in the optical disc system.

導光ミラー43は、光路X上に対して45°の角度で配置されている。光路Xは、励起光P、蛍光F、制御光V及び反射光Rが、光学ヘッド40に対して入射及び出射する光路である。導光ミラー43には、励起光P及び制御光Vが光路X上から入射される。導光ミラー43は、励起光P及び制御光Vを反射して90°屈折させて、対物レンズ41に入射する。対物レンズ41に入射された励起光P及び制御光Vは、当該対物レンズ41により集光されてバイオアッセイ基板1に照射される。また、導光ミラー43には、蛍光F及び制御光Vの反射光Rが、バイオアッセイ基板1から対物レンズ41を介して入射される。導光ミラー43は、蛍光F及び反射光Rを反射して90°屈折させて、光路X上に出射する。なお、光学ヘッド40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42を駆動する駆動信号は、制御/サーボ部25から与えられる。   The light guide mirror 43 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, control light V, and reflected light R enter and exit the optical head 40. Excitation light P and control light V are incident on the light guide mirror 43 from the optical path X. The light guide mirror 43 reflects the excitation light P and the control light V to be refracted by 90 ° and enters the objective lens 41. The excitation light P and the control light V incident on the objective lens 41 are collected by the objective lens 41 and applied to the bioassay substrate 1. Further, the fluorescent light F and the reflected light R of the control light V are incident on the light guide mirror 43 through the objective lens 41 from the bioassay substrate 1. The light guide mirror 43 reflects the fluorescent light F and the reflected light R, refracts them 90 °, and emits them onto the optical path X. A drive signal for moving the optical head 40 by a sled and a drive signal for driving the biaxial actuator 42 are supplied from the control / servo unit 25.

また、励起光検出部24は、励起光Pを出射する励起光源44と、励起光源44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45と、コリメータレンズ45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43に照射する第1のダイクロックミラー46とを有している。   The excitation light detection unit 24 includes an excitation light source 44 that emits the excitation light P, a collimator lens 45 that uses the excitation light P emitted from the excitation light source 44 as a parallel light beam, and an excitation light that is converted into a parallel light beam by the collimator lens 45. A first dichroic mirror 46 that refracts the light P on the optical path X and irradiates the light guide mirror 43.

励起光源44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44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45は、励起光源44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46は、波長選択性を有する反射鏡であり、励起光Pの波長の光のみを反射して、蛍光F及び制御光V(その反射光R)の波長の光を透過する。第1のダイクロックミラー46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45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43に励起光Pを照射している。   The excitation light source 44 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 44 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 45 turns the excitation light P emitted from the excitation light source 44 into a parallel light beam. The first dichroic mirror 46 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 control light V (its reflected light R). To do. The first dichroic mirror 46 is inserted on the optical path X with an angle of 45 °, reflects the excitation light P emitted from the collimator lens 45 to be refracted by 90 °, and excites the light guide mirror 43. Light P is irradiated.

また、励起光検出部25は、蛍光Fを検出するアバランジェフォトダイオード47と、蛍光Fを集光する集光レンズ48と、光学ヘッド40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47に照射する第2のダイクロックミラー49とを有している。   In addition, the excitation light detection unit 25 refracts the fluorescence F emitted from the optical head 40 onto the optical path X by the avalanche photodiode 47 that detects the fluorescence F, the condenser lens 48 that collects the fluorescence F, and the like. And a second dichroic mirror 49 for irradiating the avalanche photodiode 47.

アバランジェフォトダイオード47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47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48は、アバランジェフォトダイオード47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49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43側から見て第1のダイクロックミラー46の後段に配置されている。したがって、第2のダイクロックミラー49には、蛍光F、制御光V及び反射光Rが入射し、励起光Pは入射しない。第2のダイクロックミラー49は、波長選択性を有する反射鏡であり、蛍光Fの波長の光のみを反射して、制御光(反射光R)の波長の光を透過する。第2のダイクロックミラー49は、光学ヘッド40の導光ミラー43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48を介してアバランジェフォトダイオード47に蛍光Fを照射する。   The avalanche photodiode 47 is a very sensitive photodetector, and can detect the fluorescent light F with a weak light amount. The wavelength of the fluorescence F detected by the avalanche photodiode 47 is about 470 nm here. Further, the wavelength of the fluorescence F varies depending on the type of the fluorescent labeling agent. The condensing lens 48 is a lens for condensing the fluorescence F on the avalanche photodiode 47. The second dichroic mirror 49 is inserted at an angle of 45 ° on the optical path X, and is disposed downstream of the first dichroic mirror 46 when viewed from the light guide mirror 43 side. Therefore, the fluorescence F, the control light V, and the reflected light R are incident on the second dichroic mirror 49, and the excitation light P is not incident. The second dichroic mirror 49 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 control light (reflected light R). The second dichroic mirror 49 reflects and refracts the fluorescence F emitted from the light guide mirror 43 of the optical head 40 and irradiates the avalanche photodiode 47 with the fluorescence F via the condenser lens 48. .

アバランジェフォトダイオード47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25に供給する。   The avalanche photodiode 47 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 25.

また、励起光検出部24は、制御光Vを出射する制御光源50と、制御光源50から出射された制御光Vを平行光束とするコリメータレンズ51と、制御光Vの反射光Rを検出するフォトディテクト回路52と、非点収差を生じさせてフォトディテクト回路52に対して反射光Rを集光するシリンドリカルレンズ53と、制御光Vと反射光Rとを分離する光セパレータ54とを有している。   The excitation light detection unit 24 detects the control light source 50 that emits the control light V, the collimator lens 51 that uses the control light V emitted from the control light source 50 as a parallel light beam, and the reflected light R of the control light V. A photodetection circuit 52; a cylindrical lens 53 that collects reflected light R on the photodetection circuit 52 by causing astigmatism; and an optical separator 54 that separates the control light V and the reflected light R. ing.

制御光源50は、例えば780nmの波長のレーザ光を出射するレーザ光源を有する発光手段である。なお、制御光Vの波長は、アドレスピット8が検出できる波長に設定されている。さらに、制御光Vの波長は、励起光P及び蛍光Fの波長と異なった波長に設定されている。このような波長であれば、制御光Vの波長は、780nmに限らずどのような波長であってもよい。コリメータレンズ51は、制御光源70から出射された制御光Vを平行光束にする。平行光束とされた制御光Vは光セパレータ54に入射される。   The control light source 50 is a light emitting unit having a laser light source that emits laser light having a wavelength of, for example, 780 nm. The wavelength of the control light V is set to a wavelength at which the address pit 8 can be detected. Further, the wavelength of the control light V is set to a wavelength different from the wavelengths of the excitation light P and the fluorescence F. As long as such a wavelength is used, the wavelength of the control light V is not limited to 780 nm and may be any wavelength. The collimator lens 51 turns the control light V emitted from the control light source 70 into a parallel light beam. The control light V made into a parallel light beam is incident on the optical separator 54.

フォトディテクト回路52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8の再生信号を生成する信号生成回路とを有している。反射光Rは、制御光Vがバイオアッセイ基板1で反射して生成された光であるので、その波長は、制御光Vと同一の780nmである。   The photodetector circuit 52 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 a reproduction signal for the address pit 8 from the detected reflected light R. Since the reflected light R is light generated by reflecting the control light V with the bioassay substrate 1, the wavelength of the reflected light R is 780 nm, which is the same as that of the control light V.

なお、フォーカスエラー信号は、対物レンズ41により集光された光の合焦位置とバイオアッセイ基板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41とバイオアッセイ基板1との間の距離が最適となる。位置決めエラー信号は、所定のウェル7の位置と焦点位置とのディスク半径方向に対する位置ずれ量を示す信号である。位置決めエラー信号が0となったときに、制御光Vのディスク半径方向に対する照射位置が所定のウェル7に一致したこととなる。アドレスピット8の再生信号は、バイオアッセイ基板1に記録されているアドレスピット8に記述されている情報内容を示す信号である。この情報内容を読み出すことにより、現在、制御光Vを照射しているウェル7を特定することができる。   The focus error signal is an error signal indicating the amount of positional deviation between the focused position of the light collected by the objective lens 41 and the substrate layer 3 of the bioassay substrate 1. When the focus error signal becomes 0, the distance between the objective lens 41 and the bioassay substrate 1 is optimal. The positioning error signal is a signal indicating the amount of displacement between the predetermined well 7 position and the focal position in the disk radial direction. When the positioning error signal becomes 0, the irradiation position of the control light V in the disc radial direction coincides with the predetermined well 7. The reproduction signal of the address pit 8 is a signal indicating the information content described in the address pit 8 recorded on the bioassay substrate 1. By reading this information content, it is possible to identify the well 7 that is currently irradiating the control light V.

フォトディテクト回路52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8の再生信号を制御/サーボ部25に供給する。   The photodetect circuit 52 supplies the control / servo unit 25 with a focus error signal, a positioning error signal, and a reproduction signal for the address pit 8 generated based on the reflected light R.

シリンドリカルレンズ53は、フォトディテクト回路52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52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。   The cylindrical lens 53 is a lens for condensing the reflected light R on the photodetection circuit 52 and causing astigmatism. By generating astigmatism in this way, the focus error signal can be generated by the photodetect circuit 52.

光セパレータ54は、偏向ビームスプリッタからなる光分離面54aと1/4波長板54bとにより構成されている。光セパレータ54では、1/4波長板54bの逆側から入射された光を光分離面54aが透過し、その透過光の反射光が1/4波長板54b側から入射された場合には光分離面54aが反射する機能を有している。光セパレータ54は、光分離面54a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43側から見て第2のダイクロックミラー49の後段に配置されている。したがって、光セパレータ54では、コリメータレンズ51から出射された制御光Vを透過して光学ヘッド40内の導光ミラー43に対してその制御光Vを入射させているとともに、光学ヘッド40の導光ミラー43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53を介してフォトディテクト回路52に反射光Rを照射する。   The optical separator 54 includes a light separation surface 54a made of a deflecting beam splitter and a quarter wavelength plate 54b. In the optical separator 54, the light separating surface 54a transmits the light incident from the opposite side of the quarter wavelength plate 54b, and the reflected light of the transmitted light enters the quarter wavelength plate 54b side. The separation surface 54a has a function of reflecting. The light separator 54 has a light separation surface 54 a inserted at an angle of 45 ° on the optical path X, and is disposed downstream of the second dichroic mirror 49 when viewed from the light guide mirror 43 side. Therefore, the optical separator 54 transmits the control light V emitted from the collimator lens 51 and makes the control light V incident on the light guide mirror 43 in the optical head 40 and guides the optical head 40. The reflected light R emitted from the mirror 43 is reflected to be refracted by 90 °, and the reflected light R is irradiated to the photodetection circuit 52 through the cylindrical lens 53.

制御/サーボ部25は、励起光検出部24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8の再生信号に基づき、各種のサーボ制御を行う。   The control / servo unit 25 performs various servo controls based on the focus error signal, the positioning error signal, and the address pit 8 reproduction signal detected by the excitation light detection unit 24.

すなわち、制御/サーボ部25は、フォーカスエラー信号に基づき光学ヘッド40内の2軸アクチュエータ42を駆動して対物レンズ41とバイオアッセイ基板1との間の距離を制御し、フォーカスエラー信号が0となるようにサーボ制御を行う。また、制御/サーボ部25は、位置決めエラー信号に基づき光学ヘッド40内の2軸アクチュエータ42を駆動して対物レンズ41をバイオアッセイ基板1の半径方向に移動制御し、位置決めエラー信号が0となるようにサーボ制御を行う。また、制御/サーボ部25は、アドレスピット8の再生信号に基づき光学ヘッド40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41を移動させる。   In other words, the control / servo unit 25 controls the distance between the objective lens 41 and the bioassay substrate 1 by driving the biaxial actuator 42 in the optical head 40 based on the focus error signal, and the focus error signal is 0. Servo control is performed so that The control / servo unit 25 drives the biaxial actuator 42 in the optical head 40 based on the positioning error signal to control the movement of the objective lens 41 in the radial direction of the bioassay substrate 1, and the positioning error signal becomes zero. Servo control is performed as follows. Further, the control / servo unit 25 moves the optical head 40 to a predetermined radial position based on the reproduction signal of the address pit 8, and moves the objective lens 41 to the target well position.

以上のような構成のバイオアッセイ装置21では、バイオアッセイを行う場合には、次のような動作を行う。   The bioassay device 21 configured as described above performs the following operation when performing a bioassay.

Si量子ドットを直接サンプルDNAに結合させて標識する場合、バイオアッセイ装置21は、バイオアッセイ基板1を回転させながら、図10に示すようにウェル7上にSi量子ドット(D)で標識されたサンプルDNA(S)が含有した溶液を滴下し、図11に示すようにプローブDNA(P)と標識サンプルDNA(S)とを相互反応(ハイブリダイゼーション)させる。   When the Si quantum dots are directly bonded to the sample DNA and labeled, the bioassay device 21 is labeled with the Si quantum dots (D) on the well 7 as shown in FIG. 10 while rotating the bioassay substrate 1. A solution containing the sample DNA (S) is dropped, and the probe DNA (P) and the labeled sample DNA (S) are allowed to react (hybridize) as shown in FIG.

また、Si量子ドットをインターカレータに結合させる場合、バイオアッセイ装置21は、バイオアッセイ基板1を回転させながら、図12に示すようにウェル7上にサンプルDNA(S)が含有した溶液を滴下し、プローブDNA(P)とサンプルDNA(S)とを相互反応(ハイブリダイゼーション)させる。また、ハイブリダイゼーション反応の終了したバイオアッセイ基板1上にSi量子ドットが結合されたインターカレータMを含んだバッファ溶液を滴下して、図13に示すようにプローブDNA(P)とサンプルDNA(S)との2重らせん内にSi量子ドットが結合されたインターカレータMを挿入して結合させる。   When the Si quantum dots are bonded to the intercalator, the bioassay device 21 drops the solution containing the sample DNA (S) on the well 7 as shown in FIG. 12 while rotating the bioassay substrate 1. The probe DNA (P) and the sample DNA (S) are allowed to interact (hybridize). Further, a buffer solution containing an intercalator M having Si quantum dots bonded thereto is dropped on the bioassay substrate 1 after the hybridization reaction, and probe DNA (P) and sample DNA (S ) And an intercalator M in which Si quantum dots are bonded to each other in the double helix.

その後、バイオアッセイ装置21は、Si量子ドットで標識されたサンプルDNA、又はサンプルDNA及びSi量子ドットが結合されたインターカレータが滴下された後のバイオアッセイ基板1を回転させ、励起光Pを当該バイオアッセイ基板1の下面1b側から入射させてウェル7内の蛍光標識剤に照射し、その励起光Pに応じてその蛍光標識剤から発生した蛍光Fをバイオアッセイ基板1の下方から検出する。   Thereafter, the bioassay device 21 rotates the bioassay substrate 1 after the sample DNA labeled with the Si quantum dots or the intercalator in which the sample DNA and the Si quantum dots are combined is dropped, and the excitation light P The fluorescent labeling agent in the well 7 is irradiated from the lower surface 1 b side of the bioassay substrate 1, and the fluorescence F generated from the fluorescent labeling agent is detected from below the bioassay substrate 1 according to the excitation light P.

ここで、バイオアッセイ装置21では、励起光Pと制御光Vとを同一の対物レンズ41を介してバイオアッセイ基板1に照射している。そのため、バイオアッセイ装置21では、制御光Vを用いたフォーカス制御、位置決め制御並びにアドレス制御を行うことによって、励起光Pの照射位置、すなわち、蛍光Fの発光位置を特定することが可能となり、その蛍光の発光位置からサンプルDNAと結合したプローブDNAを特定することができる。   Here, in the bioassay device 21, the excitation light P and the control light V are irradiated to the bioassay substrate 1 through the same objective lens 41. Therefore, the bioassay device 21 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 control light V. The probe DNA bound to the sample DNA can be identified from the fluorescence emission position.

(DNA解析方法)
次に、DNA解析方法について説明する。
(DNA analysis method)
Next, a DNA analysis method will be described.

最初に、バイオアッセイ基板1をバイオアッセイ装置21のディスク装填部22に水平に装填する。   First, the bioassay substrate 1 is horizontally loaded on the disk loading unit 22 of the bioassay device 21.

続いて、バイオアッセイ装置21により、アドレスピット8に基づく位置制御を行いながらバイオアッセイ基板1を回転させ、滴下ヘッド34から、一端がメルカプト基等で修飾されたプローブDNAが含有した溶液を所定のウェル7に対して滴下する。このとき、1つのバイオアッセイ基板1に対して、複数種類のプローブDNAが滴下する。但し、1つのウェル7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7に何れの種類のプローブDNAを滴下するかは、予めウェルとプローブDNAとの対応関係を示す配置マップ等を作成しておき、その配置マップに基づき滴下制御する。   Subsequently, the bioassay substrate 21 is rotated by the bioassay device 21 while performing position control based on the address pits 8, and a solution containing a probe DNA whose one end is modified with a mercapto group or the like is contained from the dropping head 34 in a predetermined manner. Drip into well 7. At this time, a plurality of types of probe DNAs are dropped on one bioassay substrate 1. However, one type of probe DNA is allowed to enter one well 7. It should be noted that which type of probe DNA is dropped into each well 7 is prepared by previously creating an arrangement map or the like indicating the correspondence between the well and the probe DNA, and dropping is controlled based on the arrangement map.

続いて、バイオアッセイ基板1の上面1a側から、電極をウェル7内の溶液に挿入して、1MV/m、1MHz程度の交流電界を各ウェル7に印加する。このように交流電界を印加すると、プローブDNAがバイオアッセイ基板1に対して垂直方向に伸張するとともに、プローブDNAをバイオアッセイ基板1に垂直方向に移動させて、予め表面修飾処理がされた底面9に対して、プローブDNAの修飾端を結合させ、ウェル7内にプローブDNAを固相化(固定化)することができる(Masao Washizu and Osamu Kurosawa: “ Electrostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures ”, IEEE Transaction on Industrial Application Vol.26,No26,P.1165-1172(1900) 参照)。   Subsequently, an electrode is inserted into the solution in the well 7 from the upper surface 1 a side of the bioassay substrate 1, and an alternating electric field of about 1 MV / m and 1 MHz is applied to each well 7. When the alternating electric field is applied in this manner, the probe DNA extends in the vertical direction with respect to the bioassay substrate 1 and the probe DNA is moved in the vertical direction to the bioassay substrate 1 to be subjected to surface modification treatment in advance. On the other hand, the modified end of the probe DNA can be bound to immobilize (immobilize) the probe DNA in the well 7 (Masao Washizu and Osamu Kurosawa: “Electrostatic Manipulation of DNA in Microfabricated Structures”, IEEE Transaction on Industrial Application Vol.26, No.26, P.1165-1172 (1900)).

続いて、バイオアッセイ装置21により滴下ヘッド34からSi量子ドットで標識されたサンプルDNAが含有した溶液をバッファ塩を含む溶液とともに、バイオアッセイ基板1上の各ウェル7に滴下する。なお、Si量子ドットをインターカレータに結合させた場合、この時点ではサンプルDNAのみが含有した溶液をバッファ塩を含む溶液とともに、バイオアッセイ基板1上の各ウェル7に滴下することができる。   Subsequently, a solution containing sample DNA labeled with Si quantum dots is dropped from the dropping head 34 to the wells 7 on the bioassay substrate 1 together with a solution containing a buffer salt by the bioassay device 21. When Si quantum dots are bonded to an intercalator, a solution containing only sample DNA can be dropped into each well 7 on the bioassay substrate 1 together with a solution containing a buffer salt at this time.

続いて、サンプルDNAの滴下後、バイオアッセイ基板1を恒温層等に移し、ウェル7内を数十度に加熱し、加熱した状態のまま1MV/m、1MHz程度の交流電界を印加する。このような処理をすると、サンプルDNAとプローブDNAとが垂直方向に伸張して立体障害の少ない状態となるとともに、サンプルDNAがバイオアッセイ基板1に対して垂直方向に移動する。この結果、互いの塩基配列が対応したサンプルDNAとプローブDNAとが同一のウェル7内にある場合には、それらがハイブリダイゼーション反応を起こす。   Subsequently, after the sample DNA is dropped, the bioassay substrate 1 is transferred to a constant temperature layer or the like, the inside of the well 7 is heated to several tens of degrees, and an AC electric field of about 1 MV / m and 1 MHz is applied in the heated state. 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 corresponding to each other in the base sequence are in the same well 7, they cause a hybridization reaction.

ここで、Si量子ドットをインターカレータに結合させた場合には、続いて、バイオアッセイ装置21により、Si量子ドットが結合されたインターカレータを、バイオアッセイ基板1のウェル7内に滴下する。このようなインターカレータは、ハイブリダイゼーション反応を起こしたプローブDNAとサンプルDNAとの2重らせんの間に挿入して結合する。   Here, when the Si quantum dots are coupled to the intercalator, the bioassay device 21 subsequently drops the intercalator coupled with the Si quantum dots into the well 7 of the bioassay substrate 1. Such an intercalator is inserted and bonded between the double helix of the probe DNA that has undergone the hybridization reaction and the sample DNA.

続いて、バイオアッセイ基板1の表面1aを純水等で洗浄し、ハイブリダイゼーション反応を起こしていないウェル7内のSi量子ドットで標識されたサンプルDNA(あるいはサンプルDNA及びSi量子ドットが結合されたインターカレータ)を除去する。この結果、ハイブリダイゼーション反応を起こしたウェル7内にのみ、Si量子ドットが残存することとなる。   Subsequently, the surface 1a of the bioassay substrate 1 is washed with pure water or the like, and the sample DNA labeled with the Si quantum dots in the well 7 where the hybridization reaction has not occurred (or the sample DNA and the Si quantum dots are combined). Remove the intercalator). As a result, Si quantum dots remain only in the well 7 in which the hybridization reaction has occurred.

続いて、バイオアッセイ装置21により、制御光Fを用いてフォーカスサーボ制御及び位置決めサーボ制御並びにアドレス制御を行いながらバイオアッセイ基板1を回転させ、励起光Pを所定のウェル7に照射する。この励起光Pの照射とともに、アドレス情報を検出しながら蛍光Fが発生しているか否かを検出する。   Subsequently, the bioassay apparatus 21 rotates the bioassay substrate 1 while performing focus servo control, positioning servo control, and address control using the control light F, and irradiates the predetermined well 7 with the excitation light P. Along with the irradiation of the excitation light P, whether or not the fluorescence F is generated is detected while detecting the address information.

続いて、バイオアッセイ装置21は、バイオアッセイ基板1上の各ウェル7の位置と蛍光Fの発光の強度を示すマップを作成する。そして、その作成したマップ、並びに各ウェル7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。   Subsequently, the bioassay device 21 creates a map indicating the position of each well 7 on the bioassay substrate 1 and the intensity of fluorescence F emission. 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 7.

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは当業者にとって明らかである。   Although the best mode for carrying out the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications, substitutions, or replacements can be made without departing from the gist of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that the equivalent can be done.

例えば、上述の実施の形態では、バイオアッセイ基板を円盤状に形成したが、この形態に限定されるものではなく、楕円状、矩形状その他の平板状の形態を適宜選択決定することができる。   For example, in the above-described embodiment, the bioassay substrate is formed in a disk shape. However, the present invention is not limited to this shape, and an elliptical shape, a rectangular shape, or other flat plate shape can be appropriately selected and determined.

以上説明した本発明に係る生体物質蛍光標識剤を構成する量子ドットは、シリコンと酸化シリコンとから構成されるため環境への影響が少なく扱いが容易であると共に、その製造が容易である。この量子ドットは、蛍光強度が大きく、さらに有機色素を用いた場合と比較して光損傷が小さく退色が少ないという特性を有するため、種々の用途に用いることができるが、例えば生化学分析を行う標的物質を標識する蛍光標識剤として用いることで、分析の精度を向上させることができる。   Since the quantum dots constituting the biological material fluorescent labeling agent according to the present invention described above are composed of silicon and silicon oxide, they are easy to handle and have little influence on the environment and are easy to manufacture. This quantum dot has the characteristics that the fluorescence intensity is high and the photodamage is small and the fading is small compared to the case where an organic dye is used, so that it can be used for various applications. For example, biochemical analysis is performed. By using it as a fluorescent labeling agent for labeling the target substance, the accuracy of the analysis can be improved.

p型シリコンウエハーの陽極化成により生成したSi結晶のフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。It is a figure which shows the photoluminescence spectrum of Si crystal | crystallization produced | generated by anodizing of the p-type silicon wafer. メルカプト基同士の結合を利用してSi量子ドットとDNAとを結合させる場合における結合状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the coupling | bonding state in the case of coupling | bonding Si quantum dot and DNA using the coupling | bonding of mercapto groups. ビオチンとアビジンとの結合を利用してSi量子ドットとDNAとを結合させる場合における結合状態の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the binding state in the case of making Si quantum dot and DNA couple | bond using the coupling | bonding of biotin and avidin. メルカプト基が導入されたインターカレータの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the intercalator into which the mercapto group was introduce | transduced. 本実施の形態の説明に供するバイオアッセイ基板の平面図である。It is a top view of the bioassay board | substrate used for description of this Embodiment. 同バイオアッセイ基板の断面図である。It is sectional drawing of the bioassay board | substrate. ウェルの底面に修飾されるSH基を有するシラン分子を示す図である。It is a figure which shows the silane molecule | numerator which has SH group modified on the bottom face of a well. ウェルの底面に結合したプローブDNAを示す図である。It is a figure which shows the probe DNA couple | bonded with the bottom face of the well. 本実施の形態の説明に供するバイオアッセイ装置のブロック構成図である。It is a block block diagram of the bioassay apparatus provided for description of this Embodiment. ウェルに対してSi量子ドットで標識されたサンプルDNAが含有した溶液を滴下している動作を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement which is dripping the solution which the sample DNA labeled with Si quantum dot contained with respect to the well. プローブDNAとSi量子ドットで標識されたサンプルDNAとが結合している状態を示す図である。It is a figure which shows the state which the probe DNA and the sample DNA labeled with Si quantum dot have couple | bonded. ウェルに対してサンプルDNA及びSi量子ドットが結合されたインターカレータが含有した溶液を滴下している動作を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement which is dripping the solution containing the intercalator with which sample DNA and Si quantum dot were combined with respect to the well. プローブDNAとサンプルDNAとの2重らせん内にインターカレータが挿入結合している状態を示す図である。It is a figure which shows the state in which the intercalator is inserted and bonded in the double helix of probe DNA and sample DNA.

符号の説明Explanation of symbols

1 バイオアッセイ基板、3 基板層、7 ウェル、21 バイオアッセイ装置、22 ディスク装填部、23 滴下部、24 励起光検出部、25 制御/サーボ部   1 Bioassay Substrate, 3 Substrate Layer, 7 Well, 21 Bioassay Device, 22 Disc Loading Unit, 23 Dropping Unit, 24 Excitation Light Detection Unit, 25 Control / Servo Unit

Claims (8)

シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットの粒子表面に、生体物質に結合する有機分子が結合している生体物質蛍光標識剤。 Silicon having a crystal diameter equal to or less than four times the exciton Bohr radius generated by annealing SiO x formed on a silicon wafer in an inert gas atmosphere and then treating the silicon wafer with an aqueous hydrofluoric acid solution It is composed of a core made of crystal and a shell layer made of silicon oxide covering the core, and the silicon oxide constituting the shell layer is silanized to introduce a living body on the surface of the quantum dot particles to which mercapto groups are introduced. A biological substance fluorescent labeling agent to which organic molecules that bind to a substance are bound. 上記生体物質は、生体から採取されたヌクレオチド鎖又はタンパク質である請求項1記載の生体物質蛍光標識剤。   The biological material fluorescent labeling agent according to claim 1, wherein the biological material is a nucleotide chain or a protein collected from a living body. シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットを、有機分子を介して生体物質に結合させる生体物質蛍光標識方法。 Silicon having a crystal diameter equal to or less than four times the exciton Bohr radius generated by annealing SiO x formed on a silicon wafer in an inert gas atmosphere and then treating the silicon wafer with an aqueous hydrofluoric acid solution It is composed of a core made of crystal and a shell layer made of silicon oxide covering the core, and the silicon oxide constituting the shell layer is silanized to introduce a quantum dot into which a mercapto group is introduced via an organic molecule. A biological material fluorescent labeling method for binding to biological material. 上記生体物質は、生体から採取されたヌクレオチド鎖又はタンパク質である請求項3記載の生体物質蛍光標識方法。   4. The biological material fluorescent labeling method according to claim 3, wherein the biological material is a nucleotide chain or protein collected from a living body. 表面に複数の反応領域が形成され、既知の複数の検出物質が所定の各反応領域内に固定化されたバイオアッセイ基板に対して、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットで標識された標的物質を滴下して相互反応させる反応工程と、
上記反応工程における相互反応後に、未反応の標的物質を上記バイオアッセイ基板の各反応領域から除去する除去工程と、
上記バイオアッセイ基板に対して所定の波長の励起光を照射し、当該励起光に応じて上記量子ドットから発生される所定の波長の蛍光の有無を検出することにより、上記標的物質の生化学分析を行う分析工程と
を有するバイオアッセイ方法。
An inert gas atmosphere of SiO x formed on a silicon wafer is applied to a bioassay substrate in which a plurality of reaction regions are formed on the surface and a plurality of known detection substances are immobilized in each predetermined reaction region. After being annealed in the core, the silicon wafer is formed by treating the silicon wafer with an aqueous hydrofluoric acid solution, and includes a core made of silicon crystal having a crystal diameter of four times or less of an exciton Bohr radius and silicon oxide covering the core. A reaction step in which a silicon oxide constituting the shell layer is silanized and a target substance labeled with a quantum dot having a mercapto group introduced therein is dropped to interact with each other;
After the mutual reaction in the reaction step, a removal step of removing the unreacted target substance from each reaction region of the bioassay substrate;
Biochemical analysis of the target substance by irradiating the bioassay substrate with excitation light of a predetermined wavelength and detecting the presence or absence of fluorescence of a predetermined wavelength generated from the quantum dots in response to the excitation light A bioassay method comprising the steps of:
上記検出物質及び上記標的物質は、ヌクレオチド鎖であり、上記相互反応は、ハイブリダイゼーション反応である請求項5記載のバイオアッセイ方法。   The bioassay method according to claim 5, wherein the detection substance and the target substance are nucleotide chains, and the interaction is a hybridization reaction. 表面に複数の反応領域が形成され、既知の複数の検出物質が所定の各反応領域内に固定化されたバイオアッセイ基板を保持する保持手段と、
上記バイオアッセイ基板に対して、シリコンウエハー上に成膜したSiO を不活性化ガス雰囲気中でアニールした後、該シリコンウエハーをフッ酸水溶液で処理することにより生成された、励起子ボーア半径の4倍以下の結晶径のシリコン結晶からなるコアと、該コアを被覆する酸化シリコンからなるシェル層とで構成され、該シェル層を構成する酸化シリコンはシラン化されてメルカプト基が導入されている量子ドットで標識された標的物質を滴下する滴下手段と、
上記検出物質と上記滴下手段で滴下した標的物質とを相互反応させた後、未反応の標的物質を上記バイオアッセイ基板の各反応領域から除去する除去手段と、
上記バイオアッセイ基板に対して所定の波長の励起光を照射し、当該励起光に応じて上記量子ドットから発生される所定の波長の蛍光の有無を検出することにより、上記標的物質の生化学分析を行う分析手段と
を備えるバイオアッセイ装置。
A holding means for holding a bioassay substrate in which a plurality of reaction regions are formed on the surface and a plurality of known detection substances are immobilized in each predetermined reaction region;
An exciton Bohr radius of the bioassay substrate generated by annealing SiO x formed on a silicon wafer in an inert gas atmosphere and then treating the silicon wafer with an aqueous hydrofluoric acid solution . It is composed of a core made of silicon crystal having a crystal diameter of 4 times or less and a shell layer made of silicon oxide covering the core, and the silicon oxide constituting the shell layer is silanized to introduce a mercapto group. Dropping means for dropping a target substance labeled with quantum dots;
A removing means for removing the unreacted target substance from each reaction region of the bioassay substrate after the detection substance and the target substance dropped by the dropping means are reacted with each other;
Biochemical analysis of the target substance by irradiating the bioassay substrate with excitation light of a predetermined wavelength and detecting the presence or absence of fluorescence of a predetermined wavelength generated from the quantum dots in response to the excitation light And a bioassay device comprising:
上記検出物質及び上記標的物質は、ヌクレオチド鎖であり、上記相互反応は、ハイブリダイゼーション反応である請求項7記載のバイオアッセイ装置。   The bioassay device according to claim 7, wherein the detection substance and the target substance are nucleotide chains, and the interaction is a hybridization reaction.
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