JP5068160B2 - 加熱可能な電極を備えた分析アレイ及び化学的及び生化学的分析のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の上位概念の特徴を有する分析アレイ及び請求項１６に記載の上位概念の特徴を有する方法に関する。

化学的及び生化学的分析においては、しばしば、試料中の複数の分析種（ターゲット分子、アナライト分子）を測定しなければならないことは公知である。例えばｐＨ測定及び様々なイオンの測定は、様々なイオン選択性電極が設けられているアレイを用いて実現される。

遺伝子工学においては、例えば、長い核酸配列を解明することや、試料中の複数の様々な核酸配列を見つけだすという問題がある。この問題は、いわゆるＤＮＡチップを用いて達成され得る。その際、様々な核酸分子が、プローブ分子としてそれぞれの適当なアレイ要素上に固定され、ターゲット分子の分子的な認識に利用される。天然の核酸の多様な部分配列を同時に測定することもできる。

この場合、分子の識別結果の検出のためには、様々な方法を使用することができる。多くは蛍光分析法が使用されるが、ときには電気化学的方法も使用される。

独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９４０６４７号明細書によると、作用電極と基準電極もしくは対向電極との間に交流電圧を印加すると、非相補的配列がプローブオリゴヌクレオチドから突き放たれることが公知である。

それに対して、独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９２１４９０号明細書によると、ミスマッチのないＤＮＡ二本鎖の導電性が利用される。それというのもミスマッチ塩基対が存在すると、導電性が低下するためである。

核酸分子で修飾されている電気的に加熱可能な電極を使用することも先行技術に属する。従って、独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９６０３９８号明細書に記載されているように、ハイブリダイゼーション及び検出の全ての工程をそれぞれの個別の温度で実施もしくは測定することも可能である。

米国特許（ＵＳ−Ｂ１）第６，２５５，６７７号明細書からは、化学的及び生物学的産物を分析するための分析チップが公知である。この分析チップ上には各々独立に加熱可能な電極が設けられており、前記電極は局所的に加熱することができる。この反応面を備えた電極は、方形渦巻き状の形を有し、かつ直接加熱することができる。この渦巻きの横断面は、全長にわたり同じに保たれている。たいていの場合に、前記電極の加熱は、特定的に配置されたレンズシステムを備えたレーザー源により間接的に行われるか、又は前記電極付近に付加的に配置された加熱ワイヤによって間接的に行われる。

各々独立に加熱可能な電極からなる公知の加熱可能な電極及びアレイもしくは分析チップの欠点は、アレイ上の電極表面の温度もしくは前記電極の反応面の温度が、電極表面全体としては均一でないことである。前記電極表面上に望ましくない温度勾配が生じてしまう。その原因は、大きな横断面積を有する加熱電流供給手段による熱放散にある。この大きな横断面積は必要である。なぜならば、これがないと、加熱すべき電極が加熱されず、電流供給手段が加熱されてしまうためである。その結果、両方の加熱電流接点箇所の方向に電極の温度低下が生じる。そのことが原因となって、ターゲット鎖とプローブ鎖が相互に１００パーセント相補的ではないにもかかわらず、核酸のハイブリダイゼーションの際に誤って陽性の検出結果が頻繁にでてしまう。

ミスマッチのある二重鎖がなお一定の安定性を有することも原因の一つである。しかし、「解離温度」Ｔ_ｍ、つまり二本鎖の核酸の両方の鎖が互いに解離する温度は、ミスマッチのない二本鎖核酸と比較して、ミスマッチ塩基対１つ当たり約５Ｋ低下する。これは、ミスマッチ塩基対の検知のために利用されるが、しかしながらこれには電極表面全体の温度の正確な調節が前提となる。二本鎖が長ければそれだけ、その解離温度も高くなる。プローブが十分に短ければ、Ｔ_ｍは室温を僅かに上回る程度である。その際、ミスマッチ対が出現している場合には、相応するミスマッチを有する二本鎖はつまり室温の範囲内では不安定である。

独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９４０６４７号明細書に記載された、作用電極に電圧を印加するか又は電流を供給することによる測定法は、試料マトリックス又はアナライトの成分自体との不所望なレドックス副反応が生じかねないという欠点を有する。プローブ配列の長さ及びグアニジン／シトシン含有量に応じて、ミスマッチ塩基対の識別の際に極めて異なる電流が必要となる。

独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９２１９４０号明細書に記載されるような二本鎖ＤＮＡの導電性の利用は同様に欠点を有する。ある種の塩基対においては、完全に相補的な鎖（ターゲット）とミスマッチのある鎖との間の識別効果は著しく減少するか、もしくはほとんどない（チミン−チミン、チミン−シトシン）。

加熱可能な作用電極、例えば独国特許出願公開（ＤＥ−Ａ１）第１９９６０３９８号明細書又は米国特許（ＵＳ−Ｂ１）第６２５５６７７号明細書に記載されているような核酸修飾電極を有するアレイを使用することで、確かに、その温度により、ハイブリダイゼーション工程を最適化、加速し、並びにプローブ分子の再生を可能にする他の可変のパラメータが導入される。しかしながら、１つの電極でそれぞれ１種類の分析種だけが測定できるだけであるか、もしくは個々の電極の反応面積全体の温度が均一ではないことが欠点である。

さらに、所定の電極温度に影響を及ぼす障害因子が問題である。例えば、変動する周囲温度又は供給された試料溶液の変化する温度を補整しなければならない。この障害因子が補整されない場合には、必要な電極温度の正確な調節は不可能である。

測定と電気的加熱とを同時に行う場合には、前記アレイの個別に加熱された電極は互いに流電気的（galvanisch）に隔離されていなければならないことも欠点である。そうでないと個別的な電気化学的測定は不可能であるためである。

加熱された電極を用いた作業の際の更なる欠点は、試料溶液をかなり加熱してしまうことが多いことである。特に、一般に生化学的分析の場合に多いが、試料の体積量が極めて少ない時には、加熱された電極を短時間運転するだけで、分析溶液を数ケルビン加熱してしまう。このことは、所望の電極温度の調節を困難にし、有益な微小撹拌効果を低下させ、試料溶液全体に不所望な温度負荷が生じる結果となる。

従って、本発明の課題は、
ａ）個々の電極表面をそれぞれ各自の温度にすることができ、前記温度は電極表面全体で均一な値を有し、かつ
ｂ）個々の電極が互いに害を及ぼし合わずに電気的な加熱及び電気化学的測定が同時に可能であり、かつ
ｃ）試料溶液の不所望な加熱を引き起こさない、
化学的及び生化学的分析のための選択的に加熱可能な電極を有する分析アレイを提供することであり、
本発明の更なる課題は、１種以上のターゲット分子を、それぞれ、正確に調節可能で並びに時間的かつ空間的に制御された各自の電極温度において同時に測定する対応する化学的及び生化学的分析方法を提供することである。

前記課題は、請求項１及び請求項１６に記載の特徴部により解決される。更なる好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。
すなわち、本願には、次の発明が含まれる：
１． 化学的又は生化学的分析のために少なくとも１つの導電性の加熱可能な電極（１３）を備え、前記電極の電極表面（１）は電流により温度調節される分析アレイにおいて、電極表面（１）を有する導電性の加熱可能な電極（１３）が支持体（３）上に設けられており、
ａ）導電性の加熱可能な電極（１３）の縦軸を横切るそれの横断面積を変化させることにより、及び／又は
ｂ）被覆層（４，４’）が、加熱電流接点（５，５’）の接点箇所で絶縁のためにそれを覆うか、及び／又は前記電極表面の外側の末端部を覆っていることにより、又は
ｃ）導電性の加熱可能な電極（１３）の長さを、縦軸を横切るそれの横断面積との比において数倍に大きくすることにより、
電極表面（１）全体上に均一な温度が保証されることを特徴とする、上記分析アレイ。
２． 電極（１３）の縦軸を横切る最も大きい横断面積と最も小さい横断面積との比率が１：１〜１：３であることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
３． 加熱電流接点（５，５’）が電気化学的測定のための接続手段であることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
４． 個々の電極（１３）がそれぞれ導電性ワイヤとして、テープ又は繊維として形成されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
５． 加熱電流接点（５，５’）間の導電性の加熱可能な電極（１３）の中央に、電気化学的測定装置との接続のための接点（１９）が配置されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
６． 反応表面としての電極（１３）の電極表面（１）がプローブ分子で覆われていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
７． 支持体（３）上に少なくとも１つの温度センサ（９）が電極の温度制御のための測定要素として配置されており、かつ制御要素（１０）と接続されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
８． 個々の電極（１３，１３’）の個別的な温度制御のために、制御装置（１７，１７’）が加熱電流のための抵抗体（１２，１２’）と接続されており、そして測定要素として電流計（１６，１６’）及び電圧計（１５，１５’）が各電極（１３，１３’）の抵抗の測定のために配置されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
９． アレイの個々の電極（１３）が、ポテンシオメトリーの実施のために、各自の電界効果トランジスタのそれぞれのゲートと間接的に又は直接的に接続していることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
１０． 電極（１３）の前方及び後方にスイッチ（１１）が電流供給手段（２，２’）に配置されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
１１． 配置された電気的スイッチ（１１）は、好ましくは多重ダブルスイッチ（１１）であることを特徴とする、上記１及び１０に記載の分析アレイ。
１２． アレイの個々の電極（１３）が流電気的に互いに隔離されており、かつ加熱電流の供給のために各自にトランスデューサー（１８）が配置されていることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
１３． アレイが、試料溶液（２２）の冷却のために少なくとも１つのペルティエ素子（２３）又はパッシブヒートシンク（２１）と接触していることを特徴とする、上記１に記載の分析アレイ。
１４． 個々の電極表面（１）が電流により温度調節される、導電性の加熱可能な電極（１３）を備えた上記１に記載の分析アレイを用いて、複数の化学的及び／又は生化学的物質を同時に測定する方法において、少なくとも１つの電極（１３）の電極表面（１）はプローブ分子により覆われており、前記電極（１３）はそれの縦軸（８）にわたってそれぞれ同じ温度を有し、かつ加熱電流接点（５，５’）と接続する電流供給手段（２，２’）によって個々の電極（１３）の加熱及び前記電極の抵抗の測定が同時に行われ、その際、個々の電極（１３）の温度はその抵抗の測定及び加熱電流の調節によって制御されることを特徴とする、上記方法。
１５． 加熱電流の強さを抵抗体（１２）によって制御することを特徴とする、上記１４に記載の方法。
１６． 個々の電極（１３）の温度調節を電子的に制御することを特徴とする、上記１４に記載の方法。
１７． 電気化学的測定装置が、加熱電流接点（５，５’）の間の接点（１９）に接続され、かつ加熱電流を各自の送信機（１８）を用いて供給することにより、前記電極を互いに永続的に流電気的に隔離することにより、電気化学的測定及びそれぞれの電極（１３，１３’）の加熱を障害なく同時に行うことを特徴とする、上記１４に記載の方法。
１８． シグナルトランスダクションを、電気化学的方法で、アンペロメトリー、直流電圧又は交流電圧ボルタンメトリー、ポテンシオメトリー又はクロノポテンシオメトリー、クーロメトリー及び／又はインピーダンス分光分析によるか、又はＩＲ分光分析、ラマン分光分析、ＵＶ−ＶＩＳ及び／又は蛍光分光分析によるか、又は放射性ラベリング及び放射能測定により行うことを特徴とする、上記１４に記載の方法。
１９． 電極表面（１）がタンパク質を分子的に認識する分子で覆われていることを特徴とする、上記１４に記載の方法。
２０． 電極表面（１）は、同時に異なる分析法、例えばアンペロメトリー、ボルタンメトリー、ポテンシオメトリー、光学的表面プラズモン分光分析及び／又はインピーダンス分光分析がそれぞれのアレイ要素で所定の温度で実施されるように構成されていることを特徴とする、上記１４に記載の方法。
２１． フローシステムにおいて実施されることを特徴とする、上記１４に記載の方法。
２２． 分析アレイを用いて核酸フラグメントを測定することを特徴とする、上記１４に記載の方法。

従って、本発明においては、アレイの電極は、好ましくは、任意の厚さの層状導電性要素、特に炭素、白金、パラジウム、金、イリジウム、ビスマス、カドミウム、ニッケル、亜鉛、銀、銅、鉄、鉛、アルミニウム、マンガン、水銀又はこれらの合金からなるこのような導電性要素の配列からなり、前記要素は、好ましくは、平坦な支持体としての非導電性の支持体材料、例えばガラス及びガラス様の物質、セラミック、種々のポリマーなどの支持体材料の上にスパッタリング又は蒸着によって形成される。

前記支持体上の個々の電極は、それぞれの端部に電流供給のための電気的加熱電流接点を有し、かつ電気的に加熱することができる。

電流供給手段を備えたこの加熱電流接点は、電気化学的並びに電気的測定機器、例えばポテンシオスタット、ガルバノスタット、電流計又は電圧計の接続のためにも利用されるのが特に有利である。前記加熱電流接点及び前記電流供給手段は、電解質（試料溶液）との接触を避けるために、なるべく、適当な材料、例えばガラス、塗料、ポリマー性プラスチックで電気絶縁性に被覆される。

本発明においては、層状の導電性要素の配置のための方法は、スパッタリング又は蒸着に限られるのではなく、電極は、流電気的手法により又は薄い金属ワイヤ、金属テープ等を相応して配置することによって支持体上に形成できることも判明した。特に、加熱可能な炭素電極は、印刷された層の形で、炭素粉末からなるペーストとして、又は層及びロッドの形のガラス状炭素として実現することができる。

本発明では、個々の電極において、大きな熱損失を引き起こす加熱電流接点付近での電極の横断面積が比較的小さくなるように、電極の長さに沿って、電極の縦軸を横切るそれの横断面積を変化させる。

加熱電流接点付近での局所的に小さな横断面積のために、電極のこの部分は、同じ加熱電流を供給した場合でもより強く加熱される。電流供給手段が接続された加熱電流接点を介した比較的大きな排熱のために、この比較的強い加熱がちょうど相殺される。

それゆえ、本発明においては、電極表面全体に同じ温度を達成することが可能である。

この際、電極表面が電極の反応面として長く延在しているがほぼ楕円形を有し、そして電流供給手段が接続された加熱電流接点が電極の狭くなった端部に配置されている場合に特に有利であることが判明した。加熱電流接点の方向に横断面積積を均一に減少させることも可能である。

加熱電流接点での電極の最も小さな横断面積と電極の最も大きな横断面積との比率が１：１〜１：３であることができることが判明した。１から２までの比率が特に有利であることが判明した。

しかし、本発明において、この比率は上記の値に限定されることはない。なぜならば、この比率は常に様々な影響要因に左右されるからである。そのような要因の一つは、加熱電流接点のところでの電流供給手段を介した熱の放出がいか程大きいかということ、また電極温度と周囲温度との差がどれ程大きいかということである。使用条件に応じて、電極形状は最適に形成される。

本発明の電極の形状によって、アレイの個々の電極の電極面全体で均一な温度を得ることが可能である。この均一な温度は、例えば、比較的短い核酸鎖において、電極表面の正確な温度調節を必要とする核酸の場合の正確な配列決定のために特に必要である。これによってのみ、調査すべき化学的又は生化学的材料の正確な測定が可能である。従って、例えば、もうすでに僅かな温度調節時の不正確さや、電極表面の温度勾配でさえ頻繁にエラー検出を引き起こす核酸配列（特に、比較的短い配列の場合）の決定の際にも、エラーを排除することが今や可能である。

しかしながら、本発明においては、加熱電流接点のところで電極表面の末端領域を断熱性及び絶縁性の層で追加的に被覆し、それにより前記加熱電流接点付近での熱損失を低下させることによって、軸方向に熱損失を生じさせないか、または僅かな熱損失が生じるだけにすることも可能である。この被覆は、加熱電流接点の周囲だけに限定するか、電極表面のより広い部分に限定することができる。両方の組合せも可能である。加熱電流接点の末端部で電極を部分的に被覆する場合には、電極に沿った横断面積積の変化はより小さくてよいかまたは不要であるが、個々の電極での反応面の大きさはそれによりいくらか制限される。

しかしながら、電極の長さを極端に長くして、接点箇所の付近の所謂「冷たい」端部領域を、電極全長との比で極めて小さな部分とすることも可能である。この極端な場合には、端部での温度差は無視することができる。

本発明においては、電極に第３の接点を配置することも可能である。この接点、すなわち電気化学的測定装置の接続を目的とした対称的な接点配置における、所謂、中央の（第３の）接点は、この箇所での熱損失が可能な限り無視できる程度に小さくなるように、常に小さいものとしておくべきである。これは容易に可能である。それというのも測定すべき電気化学的電流は、加熱電流よりも約６桁小さいからである。

このアレイの個々の電極への電流供給は、様々な方法で実現することができる。一つの態様においては、電流供給手段は支持体の下からそれを貫いて電極に案内される。しかし、電流供給手段を、電極と同一平面上でアレイの縁部に案内することも可能である。これらの両方法は、組み合わせた形でも可能であり、本発明を限定するものではない。

本発明による電極表面形状を有する個々の電極それぞれに関して加熱電流の電圧低下が測定される。この電極を流れる加熱電流の値と共に、抵抗値が式Ｒ＝Ｕ／Ｉにより計算される。Ｒ＝Ｒ_０（１＋αＴ）の関係式（抵抗基準値Ｒ_０及び前記電気抵抗の温度係数α）により、測定された抵抗値は電極温度の尺度となる。こうして求められる抵抗値は、それぞれの電極の電極温度ではなく、それぞれの加熱電流を個別に適合させることによって調節される（マルチチャンネル法）。それにより、それぞれの電極に関して別々にいくらか異なる影響を及ぼしうる熱による妨害作用は補われる。好ましくは、その測定部は、干渉を避けるために、オプトカプラーを介して制御対象と結びつける。

全体の電流供給は、例えば電流供給源として変圧器を介して行われる。個々の電極への電流の流れは、前方及び後方に設けられている多重ダブルスイッチ（Mehrfachdoppelschalter）によって電気化学的測定の時点で中断される。この電極に印加される電圧及び電流の強さは、それぞれの電極について個別に測定され、この測定された値をさらに、各自の制御装置に送る。各制御装置は、また更に各自のアクチュエータ（例えば電気抵抗体）に接続し、前記アクチュエータは電極に供給すべき電流量に影響を及ぼす。従って、それぞれの個々の電極の温度を正確に制御することができる。

しかし、本発明においては、アレイ全体への電流を１つのアクチュエータ（例えば電気抵抗体）を用いて調節することにより、個々の電極の温度を全体的に制御することも可能である。これはシングルチャンネルシステムであるため、低コストである。

この場合、個別の温度変動は考慮されない。測定シグナルは、この場合は、中央の温度センサーにより得られ、前記温度センサーは制御ユニットと接続されている。

このような簡単な配置の場合には、個々の電極のそれぞれの温度は、中央のアクチュエータによるアレイ全体の基本設定及び制御の他に、個々の電極の前にそれぞれトリム抵抗体を設けることにより定められる。

この場合でも、アレイには例えば変圧器を介して電流が供給される。アレイ上で電極間に配置されている少なくとも１つの温度センサーによって温度を測定し、その温度値を制御ユニットに送られ、そして前記制御ユニットが、加熱システム全体のための少なくとも１つのアクチュエータ（例えば、電気抵抗体）に影響を及ぼす。これは、電極の加熱のために必要である所定の電流の強さを中央で調節及び制御することにより達成される。

スイッチの位置に応じて多重ダブルスイッチを介して、個々の電極に電流が供給されるか又は供給されない。それにより、アレイ上の電極を各々別に温度調節し、前記調節された温度を全体的に制御し、そしてそれとは時間的に離れて、個々の電極が互いに妨害し合うことなく多数の電気化学的測定を行うことが可能である。

電気加熱及び電気化学的測定を前後して行う場合は、前記したように多重ダブルスイッチを用いて電極アレイを加熱システムから流電気的に切断することができる。この措置は、測定及び加熱を同時にするべき場合には、行うことはできない。

その代わりに、この場合には流電気的分離は、個々の電極をそれぞれ各自のトランスデューサー（Uebertrager）を用いて加熱システムから切り離すことにより行われなければならない。これは、全体的な温度制御の場合に簡単に達成することができる。個別的な温度制御の場合には、電気的分離は、制御回路中でも、電極の電気抵抗体のための測定装置と加熱システム中のそれぞれのアクチュエータ（例えば電気抵抗体）との間に追加的に必要とされる。これは例えばオプトカプラーを用いて行うことができる。

平坦な下側を備え、好ましくはアルミニウム又は銅からなる冷却要素がアレイの上に配置される場合には、試料溶液はアレイと冷却要素との間に薄い層の形で閉じ込められる。前記冷却要素は、例えば、十分な寸法を有するリブ付きのパッシブヒートシンクと接触させることができる。比較的大きな熱量の場合又は室温を下回る初期温度の場合には、ペルティエ素子を前記冷却要素と接触させるか又はペルティエ素子自体が冷却要素であってもよい。試料溶液と接触する前記冷却要素の平面は、不活性の金層又は白金層で有利に被覆される。前記冷却要素は、その大きい面積に基づき、有利に共通の対電極として使用することもできる。

他の利点、詳細及び本発明の根本的な特徴は、例えば、添付する図面に基づく本発明の次のより詳しい説明から明らかである。

以後、同じ部材には同じ符号が付与されている。

図１ａ及び１ｂには、金からなる１６個の電極１３を備えたアレイが図示されており、前記電極はガラスからなる支持体３上にスパッタリングにより設けられる。各電極は、ＨＳ修飾されたプローブ鎖からなる各々別の核酸−ＳＡＭである反応媒体６で修飾されており、前記反応媒体は試料溶液２２中のターゲット鎖の認識のために利用される。この場合、電極表面縁部７はわずかに丸まっているため、電極表面１の形が長く引き延ばされた楕円の形状を有する。電極表面１の最も大きな幅と、加熱電流接点５の被覆層４に直に接する最も狭い幅との比率は、１０：７である。電極１３の端部にある加熱電流接点５，５’は、電極１３の加熱のための電流供給手段２，２’と接続しており、前記電流供給手段は、図１ｂから明らかなように、支持体３を貫通して下から電極に通じている。前記電極１３の端部は、プラスチックからなる被覆層４，４’によって付加的に被覆されている。それにより、接する溶液に対して電気的絶縁と、場合により電極表面１をより大きく被覆する場合には熱損失の低減が供される。

電極表面１の幅が長軸８に沿って加熱電流接点５，５’に向かって狭くなる（この場合１０：７の比率）ことが明らかである。

図２には、平坦な形のアレイ配置が図示されている。この電極１３は電流供給手段２，２’と端部で接続しており、前記電流供給手段はこの場合は電極１３と同じく支持体３上に水平に配置されている。前記電流供給手段２，２’は、被覆層４，４’としてのプラスチックからなる絶縁材料で被覆されている。

また別の態様では、本発明によるアレイは、図３に示されているように、電流供給手段２，２’としての垂直方向に直立する金属プレートからなるパッケージから構成される。前記金属プレートは平行に並べられ、そして絶縁層によって区切られている。前記金属プレート（電流供給手段２，２’）の上側で露出する平行に配置された縁部は、加熱可能な薄い電極１３，１３’用の加熱電流接点５，５’として利用される。この配置は、より小さな寸法にもかかわらず、電流供給手段２，２’の横断面積が、加熱可能な電極１３，１３’の横断面積よりも極めて大きいことを保証する。電極１３の電極表面１上での及び個々の電極１３の内部での温度分布の均一性が保証される。それというのも、電流供給手段２の付近の電極表面１のかなりの部分（この部分は、個々の場合において経験的に決定すべきものである）が電気絶縁性の被覆層４により被覆されているためである。前記の加熱可能な電極１３，１３’は、２つのＵ字型の部分からなり、前記Ｕ字型の部分は互いに接続されており、そして対称的な配置を形成している。前記接続箇所に、電気化学的機器の接続のために中央接点１９，１９’が設けられている。

図４には、図１と類似のアレイが図示されている。しかし、この配置の場合には、電極１３，１３’間で温度センサー９によって温度が測定され、前記温度センサーは図示されていない制御ユニットに影響を及ぼす。

図５は、アレイ電極の個別的な温度制御の原理的なブロック配線図を表す。２つの別々のアレイ制御回路が部分図として示されている。電極１３，１３’に供給される加熱電流は、アクチュエータ（例えば電気抵抗体１２，１２’）により調節される。前記アクチュエータの制御は、制御装置１７，１７’を介して行われ、前記制御装置は、電流の測定要素（電流計１６，１６’）及び電圧用の測定要素（電圧計１５，１５’）から必要とされる測定データを受け取る。

図６は、本発明によるアレイの電流強度の個別的な制御用の回路図を示し、この場合、加熱及び電気化学的測定が前後して行われる。この電流供給は、図示された中央の変圧器１４を介して行われる。電極１３，１３’，１３”の前方及び後方の多重ダブルスイッチ１１，１１’は、この電極の加熱のために前記電極１３，１３’，１３”を通過する電流をオン又はオフし、かつ電気化学的測定の目的で電極１３，１３’，１３”の互いの流電気的隔離を可能にする。同時に、電圧計１５，１５’，１５”を介して電極１３，１３’，１３”に印加される電圧が測定され、かつ電流計１６，１６’，１６”を用いて電流の強さが測定される。測定されたデータは、電極１３，１３’，１３”の各自の制御装置１７，１７’，１７”に送信され、前記制御装置は電気抵抗体１２，１２’，１２”にそれの電流の流量に関して影響を及ぼす。

図７は、個別的な温度制御のための回路図を示し、この場合、加熱及び電気化学的測定は同時に行われる。この場合には、加熱された電極１３，１３’は各時点で流電気的に互いに隔離されている。加熱電流供給手段との接続は、個々のトランスデューサー１８，１８’を用いて実現されている。電気化学的測定装置と加熱された電極１３，１３’との対称的な接続のためには、中央接点１９，１９’が用いられる。

図８は、中央のアクチュエータ（例えば電気抵抗体１２）を用いた全ての電極の中央温度制御の原理的構成を示し、前記アクチュエータは全ての電極１３，１３’，１３”のための加熱電流に影響を及ぼす。これは制御ユニット１０により制御され、前記制御ユニットは測定要素（温度センサ９）のデータを受け取る。それぞれ異なる加熱は、前方に配置されたトリム抵抗体２０，２０’，２０”によって達成される。

図９には、同時の加熱及び電気化学的測定を予定しない簡単な変法が示されている。この場合は、その電流供給は、中央の変圧器１４を介しても行われ、その際、電極１３，１３’，１３”を流れる電流は、電気抵抗体１２を介して中央制御される。この抵抗体１２は、制御ユニット１０によって制御され、前記制御ユニットは、図４から明らかなように、アレイ上に配置されている温度センサー９により影響される。この場合も、電極１３，１３’，１３”の前方及び後方には多重ダブルスイッチ１１，１１’が配置されており、前記多重ダブルスイッチは電気化学的測定のために前記の電極を互いに流電気的に隔離することができる。電極１３，１３’，１３”に直接接続されているトリム抵抗体２０，２０’，２０”によって、個々の電極１３，１３’，１３”間の加熱のための電流の強さの差を調節することができ、従って電極１３，１３’，１３”のそれぞれ異なる加熱が行われる。

図１０は、個々のトランスデューサー１８，１８’によって電極１３，１３’を永続的に流電気的に互いに隔離することができるため、加熱及び電気化学的測定が同時に可能である簡単な変法を示す。この場合も、電気化学的測定装置と加熱された電極との対称的な接続のためには、中央接点１９，１９’が用いられる。

図１１には、パッシブヒートシンク２１によって、試料溶液２２の温度を一定に保つ様子が図示される。前記試料溶液２２は、電極アレイ（支持体３上の電極１３から構成される）とヒートシンク２１との間に薄層の形で存在する。

図１２は、試料溶液２２の積極的な冷却を行う変法を表す。ヒートシンク２１と、電極１３と支持体３との上に存在する試料溶液２２との間に、ペルティエ素子２３が配置されている。ペルティエ素子２３の熱い面２４にはヒートシンク２１が当接している。それにより、一方で試料溶液２２は、ペルティエ素子２３の冷却された冷たい面２５で周囲温度を下回る値に冷却され、他方で試料溶液２２の温度は、ペルティエ電流の影響により任意の値に調節される。好ましくは、ヒートシンク２１の下側又は試料溶液２２と接しているペルティエ素子２３の下側は、金又は白金で被覆されている。この金層又は白金層は、電気化学的測定の目的でアレイの作用電極用の共通の対電極として利用される。

実施例１
アレイは、ガラスからなる支持体３上にスパッタリング又は蒸着により形成された、層状の貴金属製要素の電極１３の配列からなる。本発明による楕円形の電極１３は図１、２及び４に図示されている。この形状により、本発明においては、加熱電流が供給されると直ぐに、個々の電極１３の表面が均一に加熱される。電極１３は、それぞれ、２つの電気的加熱電流接点５，５’を有し、それに比較的大きな横断面を有する銅からなる電流供給手段２，２’が接続されており、そして前記電極１３は電気的に加熱することができる。また、前記加熱電流接点５，５’は、電気化学的測定機器、例えばポテンシオスタット、ガルバノスタット、電圧計の接続のために用いられる。図１ｂには、被覆層４，４’が図示されており、前記被覆層は加熱電流接点５，５’及び電気的電流供給手段２，２’を電気的に絶縁している。

実施例２
本発明によるアレイは、２５μｍの直径を有する薄い金ワイヤの配列からなる。それぞれのワイヤ片が、分析アレイの加熱可能な要素である。その表面が、核酸オリゴマーからなる自己集合した単分子層で修飾されている。全てのワイヤ片は個別に制御可能であり、従ってそれぞれ個別に調節された加熱電流を流すことができる。ハイブリダイゼーション及びその検出は実施例３に記載したのと同様に行う。ワイヤに沿った均一な温度は、加熱電流接点の領域での絶縁材料による部分的な被覆によって達成され、その寸法は経験的に決定することができる。

実施例３
４５個の塩基を含みかつ末端がＨＳ−（ＣＨ）_６−基で修飾されているオリゴヌクレオチドが、自己集合した単分子層の形で金層又は金ワイヤ上に存在する。このオリゴヌクレオチドはプローブ分子として利用され、これらは場合により存在するアナライト分子もしくはターゲット分子と、その塩基配列が十分に互いに相補的である場合には結合する。それにより、ターゲット分子そのものを一定の確実性で同定することができる。前記金層は、オーム抵抗体としてのその特性から加熱電流回路の一部である。前記金層は電気化学的測定回路とも接続されている。本発明においては、この金層は、他のこの種の層と一緒に、ガラス基材である支持体上に存在し、そして熱的分析アレイの電極を形成する。前記アレイ電極は、金のスパッタリング又は蒸着によってガラス基材上に形成される。図１には、１６個の要素から構成されるこのようなアレイが図示されている。プローブ分子及びターゲット分子の間の結合の強さは、特に分子長、グアニン−シトシン塩基対の含有量並びにプローブ配列とターゲット配列との間の一致の度合いに依存する。十分に高い温度においてこの結合が切り離される。適切な温度の選択により、高い一致性を有する分子と低い一致性を有する分子とを区別することができる。それぞれのアレイ電極は、それに固定されたプローブ分子の固有の塩基配列によって特徴付けられているために、完全に相補的な分子とミスマッチ分子とを区別するために固有の「適切な」温度を有する。この場合、本発明では、各アレイ電極の温度は、各自の加熱電流によって個別に調節され、そして全ての電極は１つの温度センサーによって中央で一緒に制御される。それにより、外部からの熱的影響、例えば周囲温度の変動又は異なる試料溶液温度を補うことができる。

実施例４
多数の試料を、所定の核酸配列によるハイブリダイゼーション技術を用いて分析する。前記配列は極めて長いか、又は配列断片の決定すべき数が極めて多く、ＤＮＡアレイの使用が必要であるかのいずれかである。この場合、適当なプローブ分子が設けられた熱的分析アレイを、フローシステム（Fliessapparatur）中の検出器として使用することができる。各試料は、ハイブリダイゼーション、電気化学的シグナルトランスダクション及び熱的再生からなるサイクルで測定した。前記再生の際は、プローブ分子は、それぞれの核酸配列の解離温度を上回る加熱によって熱的にターゲット分子から分離される。引き続き、同じアレイが次の試料のために使用され、それにより大きな試料処理量が可能となる。前記ハイブリダイゼーションは、完全に相補的なターゲット配列の場合にだけ高い選択率でハイブリッド複合体を形成することができる温度で行われる。

実施例５
他の応用例は、タンパク質の分析である。プロテオーム分析の場合には、同時に異なるタンパク質種を特性決定しなければならないという問題がある。それというのもプロテオームは全ての存在するタンパク質のそれぞれの状態によって特徴付けられ、かつ常に時間的な変化が起こっているためである。

タンパク質はイムノアッセイにより決定することができ、前記イムノアッセイは分子的認識（鍵と鍵穴の原理）に基づく。これは、本発明による分析アレイを用いてそれぞれの種類に合わせた様々な温度で同時に行うことができる。

実施例６
水性試料を、ｐＨ値、塩化物含有量、グルコース含有量及び鉛含有量について検査する。これは、電気化学的方法のポテンシオメトリー、アンペロメトリー及びインバースボルタンメトリーを用いて行うことができる。この場合も、４つの反応表面（電極）を有する簡単な選択的に加熱される分析アレイが使用され、前記４つの反応表面は全て相応に修飾されている。これは、室温でｐＨ値もしくは塩化物含有量をポテンシオメトリーにより測定するための２種のイオン選択性電極と、４０℃でのアンペロメトリーによるグルコース測定するための酵素修飾された電極と、８０℃での濃縮工程を有するインバースボルタンメトリー鉛測定のための炭層電極から構成される。

実施例７
酵素の活性は、０、１０、２０、３０、４０、５０及び６０℃の温度で同時に測定する。このためには、冷却のためのペルティエ素子と結合されている分析アレイが使用される。その反応表面は相応な酵素で修飾されており、そして電気化学的セル中に導入されている。ペルティエ素子を用いて、アレイの初期温度を０℃に低下させる。選択的加熱により、個々の反応表面を、０〜６０℃の間の所望の温度に調節する。酵素の活性は、基質の添加の後にアンペロメトリーにより個々のアレイ要素で追跡することができる。

図１ａは、１６個の電極を備えたアレイの上から見た図を表す。図１ｂは、電極を備えたアレイの断面図を表す。 図２は、平面状に配置された電極を備えたアレイを表す。 図３は、Ｕ字型電極を備えたアレイを表し、その際、２つの電極がそれぞれ１つの対照的な配置になるように接続されている。 図４は、温度センサーを有する、１６個の電極を備えたアレイの上から見た図を表す。 図５は、個別的な温度制御の原理的なブロック配線図を表す。 図６は、個別的な温度制御及び多重ダブルスイッチを介した接続のためのアレイの回路を表す。 図７は、個別的な温度制御及びそれぞれ各自のトランスデューサーを介した電極の接続のためのアレイの回路を表す。 図８は、全体的な温度制御の原理的なブロック配線図を表す。 図９は、中央温度制御及び多重ダブルスイッチを介した接続を備えたアレイの回路を表す。 図１０は、中央温度制御及びそれぞれ各自のトランスデューサーを介した電極の接続を備えたアレイの回路を表す。 図１１は、リブ付きのパッシブヒートシンクを用いたアレイ上での試料溶液の冷却を表す。 図１２は、ペルティエ素子とリブ付きのヒートシンクを用いたアレイ上での試料溶液の積極的冷却を表す。

符号の説明

１ 電極表面
２，２’ 電流供給手段
３ 支持体
４，４’ 被覆層
５，５’ 加熱電流接点
６ 反応媒体
７ 反応表面縁部
８ 縦軸
９ 温度センサー
１０ 制御ユニット
１１，１１’ スイッチ
１２，１２’，１２” 抵抗体
１３，１３’，１３” 電極
１４ 変圧器
１５，１５’，１５” 電圧計
１６，１６’，１６” 電流計
１７，１７’，１７” 制御装置
１８，１８’，１８” トランスデューサー
１９，１９’，１９” 中央接点
２０，２０’，２０” トリム抵抗体
２１ ヒートシンク
２２ 試料溶液
２３ ペルティエ素子
２４ ペルティエ素子の熱い面
２５ ペルティエ素子の冷たい面

Claims (18)

1. 化学的又は生化学的分析のための分析装置であって、
   電極表面が電流により加熱され、支持体上に設けられる、少なくとも１つの導電性の加熱可能な電極と、
   加熱電流を電極に供給するために、電極表面の両端に電気的な接点と、が備えられ、かつ、
   ａ）導電性の加熱可能な電極の両端の電気的な接点の一方の端部から他方の端部に延びる縦軸を横切る横断面積を変化させ、又は、
   ｂ）電極表面の接点及び／又は端部が、熱的に絶縁の被覆層で設けられ、及び、
   ｃ）電極の長手方向垂直断面の長さは、電極の長手方向軸の長さより小さくし、
   加熱により、電極表面全体に、均一な温度を提供することを特徴とする分析装置。
2. 電極の縦軸を横切る最も大きい横断面積と最も小さい横断面積との比率が１：１〜１：３であることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
3. 加熱電流接点に接続された電気化学的な測定装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
4. 電極は、電導的なワイヤ、又は、繊維であることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
5. 電気化学的な測定装置に接続するために、電極の両端の間に、付加的な接点を備えることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
6. 電極表面で作用するプローブ分子を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の分析装置。
7. 制御器に接続されている、電極表面の温度を測定するための少なくとも１つの温度センサと、前記温度を加熱電流によって制御する制御器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
8. 前記電極を複数備え、
   さらに前記電極それぞれに接続される抵抗体と、それぞれの前記電極の個別的な温度制御のために、加熱電流が流れる抵抗体に接続された個々の制御器と、前記電極それぞれの抵抗を測定するための電流計及び電圧計とを備えることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
9. 前記電極を複数備え、かつ、
   これらの複数の電極は、互いに電気的に非接触であり、かつ、
   加熱電流を供給するために、それぞれの電極に接続された個々の変換器を備え、その加熱電流がそれぞれの変換器に流れることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
10. 請求項１による分析装置を用いて、化学的及び／又は生化学的物質を分析する方法において、
    プローブ分子層を少なくとも１つの電極の表面に適用し、
    サンプル媒体をプローブ分子の層と接触させ、一方で、表面温度が一様になるように電極表面を加熱し、かつ、
    電極の抵抗を測定することによって、その電極に応じた加熱電流を調節し、電極の温度を制御することを特徴とする方法。
11. 加熱電流を調整するための抵抗体が、前記電極に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記抵抗体は、可変抵抗であり、該可変抵抗は、コンピュータによって制御されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 複数の電極が備えられ、
    前記電極は、互いに電気的に隔離され、
    測定装置の接触子が前記電極の中央に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. アンペロメトリー、ボルタンメトリー、ポテンシオメトリー、又は、クロノポテンシオメトリー、クーロメトリーにより測定が行われることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. 前記プローブ分子が、タンパク質を分子的に認識する分子を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
16. アンペロメトリー、ボルタンメトリー、又は、ポテンシオメトリーが、所定の温度で実施されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
17. フローシステム内のサンプル流は、電極の表面上を通過し、
    前記電極は、電気化学的な測定装置に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 分析装置を用いて分析されたサンプルは、核酸フラグメントを備えることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。

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