JP4741966B2 - Imaging device, biopolymer analysis chip, gene expression analysis method, and antigen detection method - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置、生体高分子分析チップ、遺伝子の発現解析方法、及び抗原の検出方法に関する。 The present invention relates to an imaging device, a biopolymer analysis chip, a gene expression analysis method, and an antigen detection method.
様々な生物種の遺伝子の発現解析を行うためにDNAチップや抗体チップ等の生体高分子分析チップやその読取装置が開発されている。生体高分子分析チップは、プローブとなる既知の塩基配列のcDNAや抗体をスライドガラス等の固体担体上にマトリックス状に整列固定させたものである(例えば特許文献1参照)。例えば、DNAチップ及びその読取装置を用いた遺伝子の発現解析は次のようにして行う。 In order to analyze the expression of genes of various biological species, biopolymer analysis chips such as DNA chips and antibody chips and readers thereof have been developed. A biopolymer analysis chip is obtained by aligning and fixing cDNA and antibodies having a known base sequence serving as a probe on a solid support such as a slide glass in a matrix (for example, see Patent Document 1). For example, gene expression analysis using a DNA chip and its reader is performed as follows.
まず、既知の塩基配列を有した複数種類のcDNA(以下、プローブDNAという)をスライドガラス等の固体担体に整列固定させたDNAチップを準備する。次に、検体からmRNAを抽出し、逆転写酵素を用いてcDNAを合成し、標識物質で標識したものを用意する(以下、標識DNAという)。ここで、標識物質には蛍光物質や化学発光基質、あるいは化学発光基質を発光させる酵素等を用いることができる。
次に、標識DNAをDNAチップ上に添加すると、標識DNAが相補的なプローブDNAとハイブリダイズすることによりDNAチップ上に固定される。
First, a DNA chip is prepared in which a plurality of types of cDNAs having known base sequences (hereinafter referred to as probe DNA) are aligned and fixed on a solid support such as a slide glass. Next, mRNA is extracted from the specimen, cDNA is synthesized using reverse transcriptase, and prepared by labeling with a labeling substance (hereinafter referred to as labeled DNA). Here, as the labeling substance, a fluorescent substance, a chemiluminescent substrate, an enzyme that emits light from the chemiluminescent substrate, or the like can be used.
Next, when the labeled DNA is added onto the DNA chip, the labeled DNA is immobilized on the DNA chip by hybridizing with the complementary probe DNA.
次いで、DNAチップを読取装置にセッティングし、読取装置にて分析する。読取装置は、DNAチップに対して二次元的に移動する集光レンズ及びフォトマルチプライヤーによってDNAチップを走査する標識物質により発した光を集光レンズで集光させ、光強度をフォトマルチプライヤーで計測することで、DNAチップの面内の光強度分布を計測し、これにより、DNAチップ上の光強度分布が二次元の画像として出力される。出力された画像内で光強度が大きい部分には、プローブDNAの塩基配列と相補的な塩基配列を有した標識DNAが含まれていることを表している。従って、二次元画像中のどの部分の蛍光強度が大きいかによって検体で発現しているmRNAを同定することができる。
ところで、複数の光電変換素子を二次元アレイ状に配列してなる固体撮像デバイスの受光面にDNAや抗体等のプローブ分子をスポットした生体高分子分析チップが開発されている。このような生体高分子分析チップでは、スポットに付着した標識DNA等の生体高分子を標識する標識物質により発生する光を各光電変換素子により計測する。固体撮像デバイスの受光面にスポットが点在しており、受光面に付着された生体高分子と光電変換素子との間の距離が近いために標識物質から発した光の減衰を抑えることができるために、僅かな光量でも計測が可能であるという利点がある。 By the way, a biopolymer analysis chip has been developed in which probe molecules such as DNA and antibodies are spotted on a light receiving surface of a solid-state imaging device in which a plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a two-dimensional array. In such a biopolymer analysis chip, light generated by a labeling substance that labels a biopolymer such as labeled DNA attached to a spot is measured by each photoelectric conversion element. Spots are scattered on the light receiving surface of the solid-state imaging device, and attenuation of light emitted from the labeling substance can be suppressed because the distance between the biopolymer attached to the light receiving surface and the photoelectric conversion element is short Therefore, there is an advantage that measurement is possible even with a small amount of light.
上記のような生体高分子分析チップにおいて、標識物質として化学発光基質を発光させるための酵素を用いた場合には、化学発光基質を含む溶液をスポットに滴下し、酵素による化学反応に基づいて励起された化学発光基質が基底状態に戻るときに発する光を計測する。しかし、標識物質の励起された化学発光基質が基底状態に戻るまでの時間に化学発光基質が溶液中に拡散すると、光電変換素子による信号量が減り、S/N比が低下する。 In the biopolymer analysis chip as described above, when an enzyme for emitting a chemiluminescent substrate is used as a labeling substance, a solution containing the chemiluminescent substrate is dropped on the spot and excited based on a chemical reaction by the enzyme. The light emitted when the chemiluminescent substrate is returned to the ground state is measured. However, if the chemiluminescent substrate diffuses into the solution during the time until the chemiluminescent substrate excited with the labeling substance returns to the ground state, the signal amount by the photoelectric conversion element decreases, and the S / N ratio decreases.
本発明は、上記の問題を解決し、より感度の良好な撮像装置、生体高分子分析チップ、遺伝子の発現解析方法、及び抗原の検出方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide an imaging device, a biopolymer analysis chip, a gene expression analysis method, and an antigen detection method with better sensitivity.
以上の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、光電変換素子と、電荷を帯びかつ酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質、または電荷を帯びかつ当該蛍光体を生成する化学発光基質を電気的に引き寄せるため、前記光電変換素子の受光面側に設けられた電極と、前記電極に対して前記光電変換素子と反対側に設けられ、内部に溶液が注入されるウェルと、を備えることを特徴とする撮像装置である。 In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 is directed to a photoelectric conversion element, a fluorescent substance that is charged and has a chemical reaction based on an enzyme, or a chemiluminescence that has a charge and generates the phosphor. In order to attract the substrate electrically, an electrode provided on the light receiving surface side of the photoelectric conversion element, and a well provided on the opposite side of the photoelectric conversion element with respect to the electrode and into which a solution is injected. It is an imaging device characterized by comprising.
請求項2に記載の発明は、二次元アレイ状に配列された複数の光電変換素子と、電荷を帯びかつ酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質、または電荷を帯びかつ当該蛍光体を生成する化学発光基質を電気的に引き寄せるため、前記各光電変換素子の受光面側にそれぞれ設けられた電極と、前記各電極に対して前記光電変換素子と反対側にそれぞれ設けられ、内部に溶液が注入されるウェルと、を備えることを特徴とする撮像装置である。 The invention according to claim 2 is a chemistry for generating a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional array and a fluorescent substance having a charge and an enzyme-based chemical reaction, or for generating the fluorescent substance having a charge. In order to electrically attract the luminescent substrate, an electrode provided on the light receiving surface side of each photoelectric conversion element is provided on each side opposite to the photoelectric conversion element, and a solution is injected therein. An imaging device.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の撮像装置の前記電極の近傍に、前記ウェルに注入される溶液内の特定の生体高分子と結合するプローブを設けたことを特徴とする生体高分子分析チップである。 The invention described in claim 3 is characterized in that a probe that binds to a specific biopolymer in the solution injected into the well is provided in the vicinity of the electrode of the imaging device according to claim 1 or 2. This is a biopolymer analysis chip.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の生体高分子分析チップであって、前記プローブは既知の塩基配列を有する一本鎖DNAであることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the biopolymer analysis chip according to claim 3, wherein the probe is single-stranded DNA having a known base sequence.
請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の生体高分子分析チップであって、前記プローブは特定の抗原と結合する抗体であることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the biopolymer analysis chip according to claim 3, wherein the probe is an antibody that binds to a specific antigen.
請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の生体高分子分析チップを用いた遺伝子の発現解析方法であって、
任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、
その後、溶液中で電荷を帯びかつ酵素標識DNAを標識する酵素が触媒として機能する化学反応により励起状態の蛍光物質を生成する化学発光基質を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
電極に電圧を印加して電極側に前記蛍光物質または前記化学発光基質を引き寄せ、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention described in claim 6 is a gene expression analysis method using the biopolymer analysis chip according to claim 4,
A solution containing enzyme-labeled DNA prepared using RNA extracted from any cell as a template is injected into the well,
Next, a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe,
Thereafter, a solution containing a chemiluminescent substrate that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction in which the enzyme that charges the solution and that labels the enzyme-labeled DNA functions as a catalyst is injected into the well,
Apply a voltage to the electrode to draw the fluorescent material or the chemiluminescent substrate to the electrode side,
Light emitted from the generated fluorescent material in the excited state is detected by the photoelectric conversion element.
請求項7に記載の発明は、請求項5に記載の生体高分子分析チップを用いた抗原の検出方法であって、
任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、
次いで、酵素により標識されかつ前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合する第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させるとともに、前記特定の抗原に結合しなかった第二の抗体を除去し、
その後、溶液中で電荷を帯びかつ第二の抗体を標識する酵素が触媒として機能する化学反応により励起状態の蛍光物質を生成する化学発光基質を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
電極に電圧を印加して電極側に前記蛍光物質または前記化学発光基質を引き寄せ、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする。
The invention according to claim 7 is a method for detecting an antigen using the biopolymer analysis chip according to claim 5,
A solution containing any antigen is injected into the well,
Next, the specific antigen in the solution is bound to the probe,
Next, a solution containing a second antibody labeled with an enzyme and binding to a different antigenic determinant of the same antigen as the probe is injected into the well, and the second antibody is applied to the specific antigen bound to the probe. Binding and removing the second antibody that did not bind to the specific antigen,
Thereafter, a solution containing a chemiluminescent substrate that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction in which an enzyme that charges the second antibody and labels the second antibody functions as a catalyst is injected into the well,
Apply a voltage to the electrode to draw the fluorescent material or the chemiluminescent substrate to the electrode side,
Light emitted from the generated fluorescent material in the excited state is detected by the photoelectric conversion element.
本発明によれば、ウェル内の酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質または化学発光基質を電気的に引き寄せることで、光電変換素子の受光面の近傍における蛍光物質または化学発光基質の濃度を高めることができ、反応速度を高めて励起状態の蛍光体をより多く生成させたり、或いは蛍光体を局在化させて蛍光を集光することができ、励起状態の蛍光体から放出される光を光電変換素子により効率よく捉えることができる。したがって、使用する化学発光基質の全体量を抑えることができる。 According to the present invention, the concentration of the fluorescent substance or chemiluminescent substrate in the vicinity of the light receiving surface of the photoelectric conversion element is increased by electrically attracting the fluorescent substance or chemiluminescent substrate generated by the chemical reaction based on the enzyme in the well. It is possible to increase the reaction rate to generate more excited phosphors, or to localize the phosphors to collect the fluorescence, and photoelectrically emit light emitted from the excited phosphors. It can be efficiently captured by the conversion element. Therefore, the total amount of the chemiluminescent substrate to be used can be suppressed.
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
<第1実施の形態>
〔1〕生体高分子分析チップの全体構成
図1は、本発明を適用した第1の実施形態における生体高分子分析チップ1の概略平面図であり、図2は、図1の切断面IIに沿った矢視断面図である。
<First embodiment>
[1] Overall Configuration of Biopolymer Analysis Chip FIG. 1 is a schematic plan view of the biopolymer analysis chip 1 in the first embodiment to which the present invention is applied, and FIG. FIG.
この生体高分子分析チップ1は、固体撮像デバイス10及び固体撮像デバイス10上に固体撮像デバイス10を囲むように設けられた格子枠状の隔壁50を備えた撮像装置と、隔壁50及び固体撮像デバイス10によりマトリクス状に形成された各ウェル52内に点在した複数のスポット60,60,…と、を具備する。なお、図1では2行×2列のマトリクスを示すが、本発明はさらに多くの行及び列からなるマトリクスを有していてもよい。
The biopolymer analysis chip 1 includes an imaging device including a solid-
〔2〕固体撮像デバイス
ここで、図1、図2を用いて固体撮像デバイス10について説明する。
透明基板17は、後述する蛍光体が発する光を透過する性質(以下、光透過性という。)を有するとともに絶縁性を有し、石英ガラス等といったガラス基板又はポリカーボネート、PMMA等といったプラスチック基板である。
[2] Solid-State Imaging Device Here, the solid-
The
この固体撮像デバイス10においては、光電変換素子としてダブルゲート型電界効果トランジスタ(以下、ダブルゲートトランジスタという。)20が利用され、複数のダブルゲートトランジスタ20,20,…が透明基板17上において二次元アレイ状に特にマトリクス状に配列され、これらダブルゲートトランジスタ20,20,…が窒化シリコン(SiN)等の保護絶縁膜32によってまとめて被覆されている。
In the solid-
図3はダブルゲートトランジスタ20を示す平面図である。図3に示すように、ダブルゲートトランジスタ20,20,…は何れも、受光部である半導体膜23と、ボトムゲート絶縁膜22を挟んで半導体膜23の下に形成されたボトムゲート電極21と、トップゲート絶縁膜29を挟んで半導体膜23の上に形成されたトップゲート電極31と、半導体膜23の一部に重なるよう形成された不純物半導体膜25と、半導体膜23の別の部分に重なるよう形成された不純物半導体膜26と、不純物半導体膜25に重なったソース電極27と、不純物半導体膜25に重なったドレイン電極28と、を備え、半導体膜23において受光した光量に従ったレベルの電気信号に変換するものである。
FIG. 3 is a plan view showing the
ボトムゲート電極21は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに透明基板17上に形成されている。また、透明基板17上には横方向に延在する複数本のボトムゲートライン41,41,…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれのボトムゲート電極21が共通のボトムゲートライン41と一体となって形成されている。ボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41は、導電性及び遮光性を有し、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
The
ダブルゲートトランジスタ20,20,…のボトムゲート電極21及びボトムゲートライン41,41,…はボトムゲート絶縁膜22によってまとめて被覆されている。すなわち、ボトムゲート絶縁膜22は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。ボトムゲート絶縁膜22は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン(SiN)又は酸化シリコン(SiO2)からなる。
The
ボトムゲート絶縁膜22上には、複数の半導体膜23がマトリクス状に配列するよう形成されている。半導体膜23は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立して形成されており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20においてボトムゲート電極21に対して対向配置され、ボトムゲート電極21との間にボトムゲート絶縁膜22を挟んでいる。半導体膜23は、平面視して略矩形状を呈しており、受光した蛍光の光量に応じた量の電子−正孔対を生成するアモルファスシリコン又はポリシリコンで形成された層である。
A plurality of
半導体膜23上には、チャネル保護膜24が形成されている。チャネル保護膜24は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立してパターニングされており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20において半導体膜23の中央部上に形成されている。チャネル保護膜24は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。チャネル保護膜24は、パターニングに用いられるエッチャントから半導体膜23の界面を保護するものである。半導体膜23に光が入射すると、入射した光量に従った量の電子−正孔対がチャネル保護膜24と半導体膜23との界面付近を中心に発生するようになっている。この場合、半導体膜23側にはキャリアとして正孔が発生し、チャネル保護膜24側には電子が発生する。
A channel
半導体膜23の一端部上には、不純物半導体膜25が一部、チャネル保護膜24に重なるようにして形成されており、半導体膜23の他端部上には、不純物半導体膜26が一部、チャネル保護膜24に重なるようにして形成されている。不純物半導体膜25,26は、ダブルゲートトランジスタ20ごとに独立してパターニングされている。不純物半導体膜25,26は、n型の不純物イオンを含むアモルファスシリコン(n+シリコン)からなる。
An
不純物半導体膜25上には、ソース電極27が形成され、不純物半導体膜26上には、ドレイン電極28が形成されている。ソース電極27及びドレイン電極28はダブルゲートトランジスタ20ごとに形成されている。縦方向に延在する複数本のソースライン42,42,…及びドレインライン43,43,…がボトムゲート絶縁膜22上に形成されている。縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ20,20,…のソース電極27は共通のソースライン42と一体に形成されており、縦方向に配列された同一の列のダブルゲートトランジスタ20,20,…のドレイン電極28は共通のドレインライン43と一体に形成されている。ソース電極27、ドレイン電極28、ソースライン42及びドレインライン43は、導電性及び遮光性を有しており、例えばクロム、クロム合金、アルミ若しくはアルミ合金又はこれらの合金からなる。
A
ダブルゲートトランジスタ20,20,…のソース電極27及びドレイン電極28並びにソースライン42,42,…及びドレインライン43,43,…は、トップゲート絶縁膜29によってまとめて被覆されている。トップゲート絶縁膜29は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。トップゲート絶縁膜29は、絶縁性及び光透過性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
.. Of the
トップゲート絶縁膜29上には、複数のトップゲート電極31がダブルゲートトランジスタ20ごとに形成されている。トップゲート電極31は、それぞれのダブルゲートトランジスタ20において半導体膜23に対して対向配置され、半導体膜23との間にトップゲート絶縁膜29及びチャネル保護膜24を挟んでいる。また、トップゲート絶縁膜29上には横方向に延在する複数本のトップゲートライン44,44,…が形成されており、横方向に配列された同一の行のダブルゲートトランジスタ20,20,…のトップゲート電極31が共通のトップゲートライン44と一体に形成されている。トップゲート電極31及びトップゲートライン44は、導電性及び光透過性を有し、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物(例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム)で形成されている。
A plurality of
ダブルゲートトランジスタ20,20,…のトップゲート電極31及びトップゲートライン44,44,…は保護絶縁膜32によってまとめて被覆され、保護絶縁膜32は全てのダブルゲートトランジスタ20,20,…に共通して形成された膜である。保護絶縁膜32は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
The
保護絶縁膜32の上面には、ダブルゲートトランジスタ20,20,…の半導体膜23の上方に電極33が設けられている。また、保護絶縁膜32の上面には、ダブルゲートトランジスタ20,20,…の側方に、縦方向に延在する複数本の電極ライン34,34,…が形成されており、縦方向に配列された同一の列の電極33,33が共通の電極ライン34と一体となって形成されている。電極33及び電極ライン34は導電性を有し、さらに、後述する蛍光体82の蛍光に対して高い透過性を示す透明電極が好ましく、例えば、酸化インジウム、酸化亜鉛若しくは酸化スズ又はこれらのうちの少なくとも一つを含む混合物(例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、亜鉛ドープ酸化インジウム)で形成されている。
On the upper surface of the protective insulating
電極33及び電極ライン34は保護絶縁膜35によってまとめて被覆される。保護絶縁膜35は、絶縁性及び光透過性を有し、窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
The
以上のように構成された固体撮像デバイス10は、保護絶縁膜35の表面を受光面としており、それぞれのダブルゲートトランジスタ20の半導体膜23において受光した光量を電気信号に変換するように設けられている。
The solid-
〔3〕隔壁
隔壁50は保護絶縁膜35上に密着され、各ダブルゲートトランジスタ20,20,…の上部にウェル52を形成する。なお、1つのウェル52に二つ以上のダブルゲートトランジスタ20が配置されるようにしてもよい。隔壁50は不透明であり、ダブルゲートトランジスタ20に隣接するウェル52から光が入ることを防いでいる。
[3] Partition Wall The
〔4〕スポット
次に、スポット60について説明する。図1に示すように、各ウェル52には、固体撮像デバイス10の上面にスポットが形成されている。各スポット60は、図2に示すように、プローブとなる既知の塩基配列のcDNA(プローブDNA61)や抗体等の溶液を滴下し、乾燥して形成される。以下ではプローブとして既知の塩基配列のcDNAを用いた場合について説明する。
[4] Spot Next, the
1つのスポット60では同じ塩基配列の一本鎖のプローブDNA61が多数集まった群集が固体撮像デバイス10の上面に固定化され、、スポット60ごとにプローブDNA61は異なる塩基配列となっている。プローブDNA61としては、既知のmRNAの塩基配列、またはその一部と同一の、あるいは相補的な塩基配列のDNAが用いられる。具体的には、例えば、後述する酵素標識DNAで用いるのと同じ細胞検体から作成したcDNAライブラリを用いることができる。
In one
1つのスポット60は各ウェル52内のダブルゲートトランジスタ20上に重なるように形成されている。なお、1つのスポット60に重なったダブルゲートトランジスタ20の数は異なっていてもよい。
One
〔5〕分析装置
生体高分子分析チップ1を分析装置70にセッティングして生体高分子分析チップ1を用いるので、まず分析装置70について図4を用いて説明する。図4は分析装置70の構成を示したブロック図である。
[5] Analyzer The biopolymer analysis chip 1 is set in the
分析装置70は、生体高分子分析チップ1に接続され、固体撮像デバイス10を駆動する電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75、ドレインドライバ76と、これらを制御するコンピュータ71と、コンピュータ71から出力された信号により出力(表示又はプリント)を行う出力装置77と、を備える。出力装置77はプロッタ、プリンタ又はディスプレイである。
The
生体高分子分析チップ1が分析装置70にセッティングされた場合には、固体撮像デバイス10の電極ライン34が電極ドライバ73の端子に接続されるようになっている。同様に、トップゲートライン44,44,…がトップゲートドライバ74の端子に、ボトムゲートライン41,41,…がボトムゲートドライバ75の端子に、ドレインライン43,43,…がドレインドライバ76の端子に、それぞれ接続されるようになっている。また、生体高分子分析チップ1が分析装置70にセッティングされた場合、固体撮像デバイス10のソースライン42,42,…が一定電圧源に接続され、この例ではソースライン42,42,…が接地されるようになっている。
When the biopolymer analysis chip 1 is set in the
電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76は、協同して固体撮像デバイス10を駆動するものである。
The
コンピュータ71は、図示しないCPU、RAM、ROM等を備え、電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に制御信号を出力することによって、電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76に固体撮像デバイス10の駆動動作を行わせる機能を有する。また、コンピュータ71は入力した二次元の画像データ画像データに従った画像を出力装置77に出力させる機能を有する。
The
また、コンピュータ71はドレインドライバ76から入力した電気信号をA/D変換することで、固体撮像デバイス10の受光面に沿った光強度分布を二次元の画像データとして取得する機能を有する。
Further, the
さらに、分析装置70は、コンピュータ71により制御される注入装置79を備える。コンピュータ71は注入装置79を駆動し、分析装置70にセットされた生体高分子分析チップ1の各ウェル52に、後述する化学発光基質を含む溶液を滴下する。
Further, the
〔6〕酵素標識DNA
上記生体高分子分析チップ1で分析する試料としては、DNAを用いることができる。試料となるDNAとしては、任意の細胞検体内で発現しているmRNAを抽出し、逆転写酵素を用いて得られたcDNAを用いることができる。cDNAは例えばアルカリホスファターゼやペルオキシダーゼ等、後述する化学発光基質の反応の触媒として機能する酵素で標識する。
[6] Enzyme labeled DNA
As a sample to be analyzed by the biopolymer analysis chip 1, DNA can be used. As the sample DNA, cDNA obtained by extracting mRNA expressed in an arbitrary cell specimen and using reverse transcriptase can be used. The cDNA is labeled with an enzyme that functions as a catalyst for the reaction of a chemiluminescent substrate described later, such as alkaline phosphatase and peroxidase.
cDNAを酵素で標識するには、例えば、酵素で標識されたオリゴdTプライマや、標識されたdNTPミックスを用いてRT−PCR反応を実施すればよい。以下では、この標識されたcDNAを酵素標識DNAという。 In order to label the cDNA with an enzyme, for example, an RT-PCR reaction may be carried out using an oligo dT primer labeled with the enzyme or a labeled dNTP mix. Hereinafter, this labeled cDNA is referred to as enzyme-labeled DNA.
〔7〕化学発光基質
酵素標識DNAを検出するのに用いる化学発光基質について説明する。化学発光基質としては、酵素標識DNAの標識に用いられた酵素を触媒として利用した化学反応により励起状態の蛍光物質を生成するものを用いることができる。
具体的には、例えばアルカリホスファターゼの基質となるジオキセタン系の誘導体や、ペルオキシダーゼの基質となるルミノール系の化合物を用いることができる。
[7] Chemiluminescent substrate The chemiluminescent substrate used for detecting the enzyme-labeled DNA will be described. As the chemiluminescent substrate, one that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction using an enzyme used for labeling enzyme-labeled DNA as a catalyst can be used.
Specifically, for example, a dioxetane derivative serving as a substrate for alkaline phosphatase or a luminol compound serving as a substrate for peroxidase can be used.
ジオキセタン系の誘導体として、化学式1に示すアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体(C18H19Cl2O7PNa2)を例に挙げて説明する。アダマンチルジオキセタン塩素化誘導体はリン酸基を有し、アルカリホスファターゼの基質となる。
アルカリホスファターゼはアダマンチルジオキセタン塩素化誘導体のリン酸基を加水分解し、化学式2に示す不安定な中間体を形成する。
中間体は自然開裂し、化学式3に示すアダマンタノンと蛍光体とに分解される。この蛍光体は励起状態であり、蛍光体が基底状態に遷移するときのエネルギーが光として放出される。
なお、アルカリホスファターゼの基質となる化学発光基質はリン酸基を有しており、水溶液中で負に帯電している。また、化学発光基質の加水分解により生成する蛍光体も、水溶液中で負に帯電している。このため、化学発光基質及び蛍光体は、水溶液中で正電荷側へ移動する。 In addition, the chemiluminescent substrate used as the substrate of alkaline phosphatase has a phosphate group and is negatively charged in an aqueous solution. In addition, the phosphor produced by hydrolysis of the chemiluminescent substrate is also negatively charged in the aqueous solution. For this reason, the chemiluminescent substrate and the phosphor move to the positive charge side in the aqueous solution.
〔8〕サンプルの処理
酵素標識DNAの処理方法について説明する。まず、作業者が、酵素標識DNAを含有した溶液(以下、酵素標識DNA溶液という)を各ウェル52内に注入する。酵素標識DNA溶液を注入する前に各ウェル52内に酵素標識DNAが泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、酵素標識DNA溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。なお、酵素標識DNA溶液を各ウェル52内のスポット60,60,…に順次又は同時に滴下してもよい。このとき、酵素標識DNAが一本鎖となるように酵素標識DNA溶液は加熱されている。
[8] Sample Processing A method for processing enzyme-labeled DNA will be described. First, an operator injects a solution containing enzyme-labeled DNA (hereinafter referred to as an enzyme-labeled DNA solution) into each well 52. Before injecting the enzyme-labeled DNA solution, a buffer solution for allowing the enzyme-labeled DNA to migrate may be placed in each well 52, or the enzyme-labeled DNA solution itself may also serve as a buffer solution for electrophoresis. Note that the enzyme-labeled DNA solution may be dropped sequentially or simultaneously on the
次いで、プローブDNA61と酵素標識DNAとがハイブリダイゼーションを引き起こすように、生体高分子分析チップ1の各ウェル52を所定の温度に冷却する。すると、各ウェル52内に注入された酵素標識DNA溶液内の酵素標識DNAのうち、当該ウェル内のスポット60のプローブDNA61と相補的なものは、プローブDNA61とハイブリダイズする。一方、プローブDNA61と相補的ではない酵素標識DNAは、そのスポット60には結合しない。
その後、ウェル52内の酵素標識DNA溶液を洗浄用バッファー溶液で洗い流し、酵素標識DNAのうちプローブDNA61とハイブリダイズしなかったものをウェル52内から除去する。
Next, each well 52 of the biopolymer analysis chip 1 is cooled to a predetermined temperature so that the
Thereafter, the enzyme-labeled DNA solution in the well 52 is washed away with a washing buffer solution, and the enzyme-labeled DNA that has not hybridized with the
〔9〕サンプルの検出
酵素標識DNAの検出方法について図5〜図7を用いて説明する。
上記処理を行った固体撮像デバイス10を分析装置70にセッティングし、電極ドライバ73、トップゲートドライバ74、ボトムゲートドライバ75及びドレインドライバ76をコンピュータ71に接続し、コンピュータ71を起動する。
[9] Detection of Sample A method for detecting enzyme-labeled DNA will be described with reference to FIGS.
The solid-
次に、コンピュータ71により注入装置79を制御し、各ウェル52に化学発光基質81を含む溶液を注入する(図5)。化学発光基質81を含む溶液を注入する前に各ウェル52内に化学発光基質81が泳動するためのバッファー溶液が入れられていてもよく、化学発光基質81を含む溶液自体が泳動用のバッファー溶液を兼ねていてもよい。
次に、コンピュータ71は電極ドライバ73を駆動し、電極33を正電荷に帯電させる。すると、ウェル52内の化学発光基質81は、水溶液中で正に帯電した電極33に向かって下降する(図6)。このため、電極33の上のスポット60の近傍では、化学発光基質81の濃度が高くなり、反応速度を高めることができ、より多くの蛍光体82を生成させることができる。したがって、使用する化学発光基質81の全体量を抑えることができる。
Next, the
Next, the
スポット60のプローブDNA61に酵素標識DNAがハイブリダイズしたウェル52では、酵素標識DNA62を標識する酵素63により化学発光基質が加水分解され、不安定な中間体を経て励起状態の蛍光体が生成される。励起状態の蛍光体が基底状態に遷移するときに蛍光(主に可視光波長域)が放出され、蛍光を発するスポット60に対応するダブルゲートトランジスタ20に蛍光が入射して電子−正孔対が発生する。
In the well 52 in which the enzyme-labeled DNA is hybridized to the
なお、蛍光体も電気的に負に帯電しているため、生成した蛍光体は正電圧が印加された電極33側、つまり固体撮像デバイス10側に移動し、ウェル52全体に拡散することがない(図7)。このため、より多くの蛍光がダブルゲートトランジスタ20に入射し、より多くの電子−正孔対が発生する。したがって、シグナルがバックグラウンドノイズと比較して大きくなり、SN比を向上させることができる。
その後、各ダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれの光量データを取得し、RAMに記憶する。
Since the phosphor is also electrically negatively charged, the generated phosphor moves to the
Thereafter, the respective light quantity data of each of the
作業者は、RAMに記憶された各ダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれの光量データを出力装置77により出力することで得られた画像データより、各スポット60,60,…におけるハイブリダイゼーションの有無を確認することができる。ハイブリダイゼーションが起きていれば、そのスポット60のプローブDNA61と相補的な塩基配列のmRNAが細胞検体内で発現していることがわかる。
The operator performs hybridization of each
<第2実施形態>
第1の実施形態では、生体高分子分析チップ1で分析する試料として、検体内で発現しているmRNAから逆転写酵素により合成されたDNAを用いたが、検体内で発現しているタンパク質や糖鎖等の抗原を試料としてもよい。この場合、既知のタンパク質や糖鎖等の抗原と結合する抗体(以下、プローブ抗体という)をプローブとして用いる。
Second Embodiment
In the first embodiment, DNA synthesized by reverse transcriptase from mRNA expressed in a sample is used as a sample to be analyzed by the biopolymer analysis chip 1. An antigen such as a sugar chain may be used as a sample. In this case, an antibody that binds to an antigen such as a known protein or sugar chain (hereinafter referred to as a probe antibody) is used as a probe.
具体的には、生体高分子分析チップ1の各ウェル52にプローブ抗体を含む溶液を滴下し、乾燥してスポット60を形成する。なお、各ウェル52に滴下されるプローブ抗体はそれぞれ異なるタンパク質を抗原とし、同じスポット60を形成する抗体は同一の抗原決定基を認識する。このようなプローブ抗体として、モノクローナル抗体を用いることができる。
Specifically, a solution containing a probe antibody is dropped into each well 52 of the biopolymer analysis chip 1 and dried to form a
次に、サンプルとなる抗原を含む溶液(以下、サンプル溶液という)を各ウェル52内に注入する。
プローブ抗体にサンプル溶液中の抗原が結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル52内のサンプル溶液をバッファー溶液で洗い流し、サンプル溶液のうちプローブ抗体と結合しなかったものをウェル52内から除去する。
Next, a solution containing an antigen serving as a sample (hereinafter referred to as a sample solution) is injected into each well 52.
After a sufficient time has passed for the antigen in the sample solution to bind to the probe antibody, the sample solution in the well 52 is washed away with the buffer solution, and the sample solution that has not bound to the probe antibody is removed from the
次に、各ウェル52に、プローブ抗体が認識するのと同じ抗原の異なる抗原決定基を認識する抗体を酵素で標識したもの(以下、酵素標識抗体という)の溶液(以下、酵素標識抗体溶液という)を注入する。
プローブ抗体に結合した抗原と酵素標識抗体とが結合するのに充分な時間が経過した後、ウェル52内の酵素標識抗体溶液をバッファー溶液で洗い流し、酵素標識抗体溶液のうち抗原と結合しなかったものをウェル52内から除去する。
以後、第1実施形態の〔9〕サンプルの検出と同様にして、各ウェル52に化学発光基質を含む溶液を注入し、分析装置70による光量データの計測動作を行う。
Next, in each well 52, a solution (hereinafter referred to as an enzyme-labeled antibody solution) of an antibody labeled with an enzyme that recognizes a different antigenic determinant of the same antigen as that recognized by the probe antibody (hereinafter referred to as an enzyme-labeled antibody solution). ).
After sufficient time for the antigen bound to the probe antibody to bind to the enzyme-labeled antibody, the enzyme-labeled antibody solution in the well 52 was washed away with a buffer solution, and the enzyme-labeled antibody solution did not bind to the antigen. Things are removed from within the
Thereafter, similarly to [9] sample detection of the first embodiment, a solution containing a chemiluminescent substrate is injected into each well 52, and the light quantity data is measured by the
図8に示すように、プローブ抗体64に抗原65が結合し、抗原65に酵素標識抗体66が結合したウェル52では、酵素標識抗体66の酵素67により化学発光基質81が加水分解され、中間体を経て励起状態の蛍光体82が生成される。蛍光体82から放出される蛍光は、ダブルゲートトランジスタ20により検出される。
As shown in FIG. 8, in the well 52 in which the
作業者は、RAMに記憶された各ダブルゲートトランジスタ20,20,…のそれぞれの光量データを出力装置77により出力することで得られた画像データより、各スポット60,60,…における抗原65の有無を確認することができる。このため、ウェル52内の抗体の種類により、検体内でどのような抗原が発現しているかを直接確認することができる。
The operator uses the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and design changes may be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施の形態では、プローブとして既知の塩基配列の一本鎖DNAや抗体を用いたが、その他の既知の生体高分子や低分子等を用いてもよい。例えば、抗原となるペプチドやタンパク、糖鎖、低分子リガンド、既知の細胞等を用いてもよい。 For example, in the above embodiment, a single-stranded DNA or antibody having a known base sequence is used as a probe, but other known biopolymers or low molecules may be used. For example, a peptide or protein serving as an antigen, a sugar chain, a low molecular ligand, a known cell, or the like may be used.
1 生体高分子分析チップ
10 固体撮像デバイス
20 ダブルゲートトランジスタ(光電変換素子)
33 電極
52 ウェル
60 スポット
61 プローブDNA
62 酵素標識DNA
63,67 酵素
64 プローブ抗体
65 抗原
66 酵素標識抗体
81 化学発光基質
82 蛍光体
1
33
62 Enzyme labeled DNA
63, 67
Claims (7)
電荷を帯びかつ酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質、または電荷を帯びかつ当該蛍光体を生成する化学発光基質を電気的に引き寄せるため、前記光電変換素子の受光面側に設けられた電極と、
前記電極に対して前記光電変換素子と反対側に設けられ、内部に溶液が注入されるウェルと、を備えることを特徴とする撮像装置。 A photoelectric conversion element;
To draw a fluorescent substance caused by a chemical reaction based on the charged and enzyme charge, or a charged and chemiluminescent substrate to produce the phosphor charges electrically an electrode provided on the light-receiving surface side of the photoelectric conversion element,
An imaging apparatus comprising: a well provided on a side opposite to the photoelectric conversion element with respect to the electrode, into which a solution is injected.
電荷を帯びかつ酵素に基づく化学反応によって生じる蛍光物質、または電荷を帯びかつ当該蛍光体を生成する化学発光基質を電気的に引き寄せるため、前記各光電変換素子の受光面側にそれぞれ設けられた電極と、
前記各電極に対して前記光電変換素子と反対側にそれぞれ設けられ、内部に溶液が注入されるウェルと、を備えることを特徴とする撮像装置。 A plurality of photoelectric conversion elements arranged in a two-dimensional array;
Phosphor caused by a chemical reaction based on the charged and enzyme charge or charged and to attract electrically chemiluminescent substrate to produce the phosphor charges, the respectively provided on the light-receiving surface of each photoelectric conversion element electrodes, When,
An imaging device comprising: a well provided on a side opposite to the photoelectric conversion element with respect to each electrode, and a well into which a solution is injected.
任意の細胞内から抽出されたRNAを鋳型として作成された酵素標識DNAを含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の酵素標識DNAの一部をハイブリダイズさせ、
その後、溶液中で電荷を帯びかつ酵素標識DNAを標識する酵素が触媒として機能する化学反応により励起状態の蛍光物質を生成する化学発光基質を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
電極に電圧を印加して前記電極側に前記蛍光物質または前記化学発光基質を引き寄せ、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする遺伝子の発現解析方法。 A gene expression analysis method using the biopolymer analysis chip according to claim 4,
A solution containing enzyme-labeled DNA prepared using RNA extracted from any cell as a template is injected into the well,
Next, a part of the enzyme-labeled DNA in the solution is hybridized to the probe,
Thereafter, a solution containing a chemiluminescent substrate that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction in which the enzyme that charges the solution and that labels the enzyme-labeled DNA functions as a catalyst is injected into the well,
Applying voltage to the electrode to draw the fluorescent material or the chemiluminescent substrate to the electrode side,
A gene expression analysis method, characterized in that light emitted from the generated excited fluorescent substance is detected by the photoelectric conversion element.
任意の抗原を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
次に、前記プローブに溶液内の特定の抗原とを結合させ、
次いで、酵素により標識されかつ前記プローブと同一の抗原の異なる抗原決定基と結合する第二の抗体を含む溶液を前記ウェル内に注入し、前記プローブに結合した特定の抗原に第二の抗体を結合させるとともに、前記特定の抗原に結合しなかった第二の抗体を除去し、
その後、溶液中で電荷を帯びかつ第二の抗体を標識する酵素が触媒として機能する化学反応により励起状態の蛍光物質を生成する化学発光基質を含む溶液を前記ウェル内に注入し、
電極に電圧を印加して前記電極側に前記蛍光物質または前記化学発光基質を引き寄せ、
生成した励起状態の蛍光物質より放出される光を前記光電変換素子により検出することを特徴とする抗原の検出方法。 An antigen detection method using the biopolymer analysis chip according to claim 5,
A solution containing any antigen is injected into the well,
Next, the specific antigen in the solution is bound to the probe,
Next, a solution containing a second antibody labeled with an enzyme and binding to a different antigenic determinant of the same antigen as the probe is injected into the well, and the second antibody is applied to the specific antigen bound to the probe. Binding and removing the second antibody that did not bind to the specific antigen,
Thereafter, a solution containing a chemiluminescent substrate that generates a fluorescent substance in an excited state by a chemical reaction in which an enzyme that charges the second antibody and labels the second antibody functions as a catalyst is injected into the well,
Applying voltage to the electrode to draw the fluorescent material or the chemiluminescent substrate to the electrode side,
A method for detecting an antigen, wherein the photoelectric conversion element detects light emitted from a generated fluorescent substance in an excited state.
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