JP5097495B2 - Biomolecule detection element and method for producing biomolecule detection element - Google Patents
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本発明は、生体分子をセンシングするための検出素子及びその製造方法並びに生体分子検出方法に関するものである。 The present invention relates to a detection element for sensing a biomolecule, a manufacturing method thereof, and a biomolecule detection method.
近年、ヒトゲノムDNAの解読がほぼ終了したことにより、遺伝子の機能を解明する研究が盛んに行われている。そこでは、生体内の遺伝子やタンパク質を特異的かつ網羅的に検出することが必要であり、遺伝子・タンパク質検出技術の開発が世界的に進められている。一方で、生体内に進入した病原菌やウイルスを、遺伝子やタンパク質レベルで特定する技術も従来から検討されており、実用化されつつある。このような目的に応じて、特定の遺伝子やタンパク質等の生体分子を検出するための手段として、種々のバイオセンサが用いられている。最も一般的なバイオセンサの構造は、生体分子を捕捉するプローブ分子が固体表面上に固定されたものである。核酸を捕捉する場合には、プローブ分子として主に核酸が用いられ、タンパク質を捕捉する場合には、プローブ分子として主にタンパク質が用いられる。基板にプローブ分子を固定したバイオセンサのメリットは、同一の基板に、多種類のプローブ分子をスポッティングやインクジェットなどの方式を用いて固定できることである。このバイオセンサ基板を用いれば、多種類の生体分子に対する網羅的な解析を一度に迅速に行うことができる。そして基板表面を利用したバイオセンサの代表例が、DNAマイクロアレイやプロテインチップのような生体分子検出素子である。DNAマイクロアレイに代表される生体分子検出素子は、将来は癌等の病気の診断を含む医療診断に使われると予想されている。医療診断にDNAマイクロアレイを用いる場合には、マイクロアレイから得られるデータに対して高い信頼性が要求される。また、検体中の微量な生体分子を検出するため、高感度に検出することも要求される。そこで、様々な検出方法の中で、比較的高感度な生体分子に蛍光色素を付加する蛍光法が主に用いられている。 In recent years, since the decoding of human genomic DNA has almost been completed, research to elucidate the function of genes has been actively conducted. In this case, it is necessary to specifically and comprehensively detect genes and proteins in the living body, and development of gene / protein detection techniques is being promoted worldwide. On the other hand, techniques for identifying pathogenic bacteria and viruses that have entered the living body at the gene or protein level have been studied and are being put into practical use. Various biosensors are used as means for detecting biomolecules such as specific genes and proteins in accordance with such purposes. The most common biosensor structure has a probe molecule that captures a biomolecule immobilized on a solid surface. When capturing nucleic acids, nucleic acids are mainly used as probe molecules, and when capturing proteins, proteins are mainly used as probe molecules. The merit of a biosensor in which probe molecules are immobilized on a substrate is that many types of probe molecules can be immobilized on the same substrate by using a method such as spotting or inkjet. By using this biosensor substrate, it is possible to quickly perform a comprehensive analysis on many types of biomolecules at once. Typical examples of biosensors using the substrate surface are biomolecule detection elements such as DNA microarrays and protein chips. Biomolecule detection elements represented by DNA microarrays are expected to be used for medical diagnosis including diagnosis of diseases such as cancer in the future. When a DNA microarray is used for medical diagnosis, high reliability is required for data obtained from the microarray. Moreover, in order to detect a trace amount of biomolecules in a specimen, it is also required to detect with high sensitivity. Thus, among various detection methods, a fluorescence method in which a fluorescent dye is added to a relatively high sensitivity biomolecule is mainly used.
一方、最近、DNAマイクロアレイで行われているような遺伝子発現解析の精度の大幅向上を狙って、特許文献1ないし非特許文献1に示されているように、単一分子ベースのシーケンシング(SBS(Sequencing by Synthesis)法等)による遺伝子配列決定方法が開発されている。この方法は、基板表面に適当なプライマーで修飾された検体のポリヌクレオチドを固定し、これを鋳型としてポリメラーゼによる一塩基ずつの伸長反応を実行し、検体ポリヌクレオチドの相補鎖を形成させるものである。この一塩基伸長の個々のステップで、異なる4種のヌクレオチドのそれぞれのプリン又はピリミジン部、あるいは3リン酸のリン酸基の末端部にユニークな蛍光色素を導入しておき、伸長ステップ毎に単一分子蛍光検出を行うことで、導入されたヌクレオチドを識別する。このステップを繰り返し、単一ポリヌクレオチド固定サイトごとのシーケンスを読み取って、検体の配列情報を網羅的に取得する。ここでは、高いS/N比で検出し、シーケンシング時の配列決定の正確性を向上させることが重要となる。
On the other hand, as shown in
これらのDNAを解析する手段であるマイクロアレイあるいはシーケンシングを用いて少量のサンプルを検出するためには、蛍光検出感度を上げることが必要である。蛍光検出感度を向上させるために蛍光増強を用いる方法が非特許文献2に報告されている。非特許文献2では、プローブ分子であるDNAを修飾した銀ナノ粒子を基板に固定し、蛍光標識された検体中の分子と反応させている。反応量を検出するために蛍光励起光を照射すると、銀ナノ粒子の自由電子が共鳴振動、すなわち局在プラズモン共鳴を起し蛍光が増強する。この現象を用いることで、感度を向上させることができるとしている。
In order to detect a small amount of sample using microarray or sequencing which is a means for analyzing these DNAs, it is necessary to increase the fluorescence detection sensitivity. A method of using fluorescence enhancement to improve the fluorescence detection sensitivity is reported in
一方で、蛍光分子が金属微粒子近傍に位置する場合の蛍光輻射速度の変化、即ち蛍光分子の量子効率の変化を計算した例が非特許文献3に報告されている。金属微粒子周囲の電位ポテンシャル、金属微粒子の持つ双極子モーメントと金属微粒子の近傍に位置する蛍光分子の双極子モーメント等の関係から、蛍光分子が金属微粒子の近傍にある場合、蛍光輻射速度が増加する可能性があることを示している。また特許文献2には、粒子状あるいは膜状の金属と蛍光分子の間にスペーサを設けることで、金属によって蛍光を消光させることなく増強させる装置が示されている。
On the other hand, Non-Patent Document 3 reports an example in which the change in the fluorescence radiation rate when the fluorescent molecule is located in the vicinity of the metal fine particle, that is, the change in the quantum efficiency of the fluorescent molecule is calculated. Fluorescence radiation speed increases when the fluorescent molecule is in the vicinity of the metal fine particle due to the relationship between the potential around the metal fine particle, the dipole moment of the metal fine particle and the dipole moment of the fluorescent molecule located in the vicinity of the metal fine particle. It indicates that there is a possibility.
非特許文献4は、銀微粒子表面に吸着した分子からのラマン散乱光が1014程度増強すると報告している。銀微粒子表面全てにおいて、強い増強度が見られるのではなく、10%程度の限られたサイトで極めて強い増強度が得られることを見出し、そのサイトをホットサイトと呼んでいる。一方で、非特許文献5は、銀粒子と銀粒子の接合部で非常に強いラマン散乱増強が見られることを報告している。同様に、非特許文献6に、2つの金属微粒子が直線状に並んだ場合及び3つの金属微粒子がトライアングル状に並んだ場合に、金属微粒子間で比較的強い電磁場が生じることが示唆されている。 Non-Patent Document 4 reports that Raman scattered light from molecules adsorbed on the surface of silver fine particles is enhanced by about 10 14 . On the surface of all silver fine particles, a strong enhancement is not found, but a very strong enhancement can be obtained at a limited site of about 10%, and the site is called a hot site. On the other hand, Non-Patent Document 5 reports that very strong Raman scattering enhancement is observed at the joint between silver particles and silver particles. Similarly, Non-Patent Document 6 suggests that a relatively strong electromagnetic field is generated between metal fine particles when two metal fine particles are arranged in a straight line and when three metal fine particles are arranged in a triangle. .
DNAマイクロアレイを用いて検出を行う際には、通常、検出工程の前工程で、抽出したDNAを増幅させる。これは、アレイの検出限界を上回るDNA量を得るためである。PCR(Polymerase Chain Reaction)等の増幅工程では、抽出したDNA配列の全てが増幅されるのではなく、特定のDNAが増幅される。従って、増幅されなかったDNA断片は検出されないという問題点がある。また、この増幅プロセスによって、検査プロセスが煩雑になるだけでなく、増幅時のバラツキから検査結果の定量的解釈が困難になるという問題点もある。医療診断あるいは病理解析を行うためには、検体から抽出したDNAをもれなく定量的に検出することが重要になる。したがって、この増幅工程を省いて検出を行うべく、DNAマイクロアレイの感度を大幅に向上させる必要がある。非特許文献2に開示された銀アイランド蛍光増強を用いたDNA検出方法では、銀アイランド上にプローブ分子となるDNAを複数本固定したアレイを用いている。捕捉すべきFluorescein 付きDNAとプローブ分子が反応し結合した場合、12倍の蛍光増強が得られると報告している。しかし、増幅せずにDNA検出を行うためには、更なる蛍光増強、例えば二桁以上の増強が必要である。そこで、強い蛍光増強場を形成する必要がある。前述の特許文献2には、高い蛍光強度を得るための金属配置及び密度、あるいは金属と蛍光分子間の距離に関する具体的な記載は見られない。
When detection is performed using a DNA microarray, the extracted DNA is usually amplified in the previous step of the detection step. This is to obtain an amount of DNA that exceeds the detection limit of the array. In an amplification process such as PCR (Polymerase Chain Reaction), the entire extracted DNA sequence is not amplified, but specific DNA is amplified. Therefore, there is a problem that DNA fragments that are not amplified are not detected. In addition, this amplification process not only complicates the inspection process, but also has a problem that it is difficult to quantitatively interpret the inspection result due to variations during amplification. In order to perform medical diagnosis or pathological analysis, it is important to quantitatively detect DNA extracted from the specimen. Therefore, it is necessary to greatly improve the sensitivity of the DNA microarray in order to perform detection without this amplification step. The DNA detection method using silver island fluorescence enhancement disclosed in Non-Patent
一方で、単一分子DNAシーケンシング時には、DNAに一塩基(A,T,C,G)を伸長させる際に、一塩基に付加させた蛍光分子からの蛍光を例えばCCDカメラの一画素で測定することによってシーケンシングを行う。この場合、伸長ステップ毎に単一分子レベルでの蛍光計測が必要である。蛍光検出の検出スループット向上及びS/N比向上のためには、蛍光分子からの蛍光強度を大幅に増大させる必要がある。単一分子蛍光の強度を増大させることができれば、蛍光の露光時間を短縮でき、したがって、検出時間を短縮することができる。また、検出部分のみに蛍光増強場を形成し、シグナル成分のみを増強することも必要である。すなわち、非特異的に吸着した蛍光分子からの蛍光強度といったノイズ成分を増強することなく、S/N比を向上させることが必要である。 On the other hand, at the time of single molecule DNA sequencing, when a single base (A, T, C, G) is extended to DNA, the fluorescence from the fluorescent molecule added to the single base is measured with one pixel of a CCD camera, for example. To perform sequencing. In this case, fluorescence measurement at a single molecule level is required for each extension step. In order to improve the detection throughput and S / N ratio of fluorescence detection, it is necessary to greatly increase the fluorescence intensity from the fluorescent molecule. If the intensity of single molecule fluorescence can be increased, the exposure time of fluorescence can be shortened, and therefore the detection time can be shortened. It is also necessary to form a fluorescence enhancement field only in the detection portion and enhance only the signal component. That is, it is necessary to improve the S / N ratio without enhancing noise components such as fluorescence intensity from nonspecifically adsorbed fluorescent molecules.
以上の理由により、検出スループット向上及びS/N比向上の点から、検出部分に、局所的に高い蛍光増強場を形成することが本発明の課題である。また、使用するそれぞれの蛍光色素の励起波長に適した蛍光増強場を設計することも本発明の課題である。 For the above reasons, it is an object of the present invention to form a locally high fluorescence enhancement field in the detection portion from the viewpoint of improving detection throughput and S / N ratio. It is also an object of the present invention to design a fluorescence enhancement field suitable for the excitation wavelength of each fluorescent dye used.
本発明では、基板の表面に金属微粒子とプローブ分子とを規則的に複数配列し、それぞれが複数の金属微粒子とプローブ分子とを含む検出スポットを複数設け、各検出スポット内では複数の金属微粒子を近接させて配置することで、局所的に高い蛍光増強効果が得られる生体分子検出素子を実現する。検出スポット内に含まれる複数の金属微粒子は基板表面に回転対称に固定するのが好ましい。ここで、回転対称とは、金属微粒子群の質量中心を通りかつ基板表面に垂直な軸に対して、各金属微粒子が同一円周上に基板表面に並んでいることを意味する。隣接した金属微粒子同士は接触していても、あるいは一定の隙間を持っていても良い。金属微粒子の半径をrとし隣接する金属微粒子の中心間の距離をdとすると、例えば金属微粒子同士が接触した場合d=2rである。dの範囲を2r以上4r以下(2r≦d≦4r)にすることで、金属微粒子間に強い蛍光増強場を形成する。 In the present invention, a plurality of metal fine particles and probe molecules are regularly arranged on the surface of the substrate, and a plurality of detection spots each including a plurality of metal fine particles and probe molecules are provided. By arranging them close to each other, a biomolecule detection element capable of obtaining a high fluorescence enhancement effect locally is realized. The plurality of metal fine particles contained in the detection spot are preferably fixed on the substrate surface in a rotationally symmetrical manner. Here, the rotational symmetry means that the metal fine particles are arranged on the substrate surface on the same circumference with respect to an axis passing through the center of mass of the metal fine particle group and perpendicular to the substrate surface. Adjacent metal fine particles may be in contact with each other or may have a certain gap. If the radius of the metal fine particle is r and the distance between the centers of the adjacent metal fine particles is d, for example, d = 2r when the metal fine particles contact each other. By setting the range of d between 2r and 4r (2r ≦ d ≦ 4r), a strong fluorescence enhancement field is formed between the metal fine particles.
更に、基板に固定されたプローブ分子に修飾した蛍光分子を、軸対称に固定された金属微粒子群の重心点から6rの距離(R≦6r)に存在させることで高い蛍光増強を得る。したがって、プローブ分子は重心点から6rの距離に存在させる。この時、プローブ分子全体が金属微粒子群の重心点から6rの距離に含まれるようにする。更にこのプローブ分子を、前述の蛍光増強場を形成する金属微粒子群の粒子径と異なる径の金属微粒子に固定することによって、プローブ分子に修飾した蛍光分子を効果的に蛍光増強場内に載置する、すなわち蛍光分子の金属微粒子群の重心点からの距離Rを、R≦6r以内に容易に制御することができる。 Further, high fluorescence enhancement is obtained by allowing fluorescent molecules modified with probe molecules fixed on the substrate to exist at a distance of 6r (R ≦ 6r) from the center of gravity of the metal fine particle group fixed in an axial symmetry. Therefore, the probe molecule is present at a distance of 6r from the center of gravity. At this time, the entire probe molecule is included within a distance of 6r from the center of gravity of the metal fine particle group. Further, by fixing the probe molecule to the metal fine particle having a diameter different from the particle diameter of the metal fine particle group forming the fluorescence enhancement field, the fluorescent molecule modified with the probe molecule is effectively placed in the fluorescence enhancement field. That is, the distance R from the center of gravity of the metal fine particle group of the fluorescent molecule can be easily controlled within R ≦ 6r.
金属微粒子の材料としては、貴金属、貴金属の合金、あるいは貴金属の積層体が良い。蛍光励起光と金属微粒子のプラズモン共鳴による近接場の効果を活用して蛍光強度を増強する。隣接する金属微粒子間の距離を変化させると、局在プラズモン共鳴の波長が長波長側にシフトする(Optics Communications 220, p. 137 (2003))。金属微粒子群の配置及び大きさを適正化することによって、検出に用いる蛍光色素の励起波長と局在プラズモン共鳴波長を一致させ、強い蛍光増強を得る。 As the material for the metal fine particles, a noble metal, a noble metal alloy, or a noble metal laminate is preferable. Fluorescence intensity is enhanced by utilizing the near-field effect of fluorescence excitation light and plasmon resonance of metal particles. When the distance between adjacent metal fine particles is changed, the wavelength of localized plasmon resonance shifts to the longer wavelength side (Optics Communications 220, p. 137 (2003)). By optimizing the arrangement and size of the metal fine particle group, the excitation wavelength of the fluorescent dye used for detection and the localized plasmon resonance wavelength are matched to obtain strong fluorescence enhancement.
本発明によれば、生体分子検出用の蛍光分子を、金属微粒子群により形成した強い蛍光増強場にさらすことによって、極めて高い蛍光強度を得ることができる。本発明をマイクロアレイ等のバイオチップに用いた場合には、蛍光増強効果によってアレイの感度を大幅に向上させることができる。したがって、検体サンプルからDNAを抽出した後に、抽出したDNAを増幅することなしにそのまま測定することを可能にする。検出バラツキを発生させる増幅工程を省くことで、検出の定量性向上に寄与する。 According to the present invention, extremely high fluorescence intensity can be obtained by exposing fluorescent molecules for biomolecule detection to a strong fluorescence enhancement field formed by metal fine particle groups. When the present invention is used for a biochip such as a microarray, the sensitivity of the array can be greatly improved by the fluorescence enhancement effect. Therefore, after extracting the DNA from the specimen sample, the extracted DNA can be measured as it is without being amplified. By omitting the amplification process that generates detection variation, it contributes to the improvement of the quantitativeness of detection.
次に、本発明を単一分子DNAシーケンサに用いた場合、局所的な蛍光増強場を活用して検出部分のみの蛍光増強を達成できる。したがって、単一蛍光分子からの蛍光を高S/N比で安定に検出することが可能となる。また、蛍光増強が得られるため露光時間を大幅に短縮でき、検出スループットを向上させることができる。 Next, when the present invention is used for a single-molecule DNA sequencer, it is possible to achieve fluorescence enhancement of only the detection portion by utilizing a local fluorescence enhancement field. Therefore, it is possible to stably detect fluorescence from a single fluorescent molecule with a high S / N ratio. Further, since fluorescence enhancement is obtained, the exposure time can be greatly shortened, and the detection throughput can be improved.
更に、蛍光色素の励起波長と、局在プラズモン共鳴波長を一致させて強い蛍光増強場を得ることにより、様々な蛍光色素に対して感度向上を図ることができる。 Furthermore, by obtaining a strong fluorescence enhancement field by matching the excitation wavelength of the fluorescent dye with the localized plasmon resonance wavelength, it is possible to improve the sensitivity for various fluorescent dyes.
以上から、検出感度向上、検出データの定量性向上、検出スループット向上の三つの効果が同時に得られる生体分子検出素子を提供できる。 From the above, it is possible to provide a biomolecule detection element that can simultaneously obtain the three effects of improved detection sensitivity, improved quantitativeness of detected data, and improved detection throughput.
図1に、本発明による生体分子検出素子の表面構造の一例を示す。まず担体基板101の表面にリンカーのパターン102が形成されている。この時、このパターンは、図1に示すように、基板に垂直な軸108に対して軸対称に設置した蛍光増強用の金属微粒子104を固定するためのドットパターン102と、プローブ分子固定用の金属微粒子105を固定するためのドットパターン103から成る。ここでリンカーとは、担体基板表面側が共有結合により固定され、基板と反対側にはアミノ基やチオール基のような金属と強い相互作用をする官能基を持つ分子、あるいは基板と金属微粒子の密着性を上げるための金属薄膜である。このリンカーと金属微粒子を結合することにより、一つの金属微粒子固定ドットの上に一つの金属微粒子を固定する。軸108に対称に配列された金属微粒子104の群は蛍光増強場形成用であり、中央の金属微粒子105はプローブ分子固定用の粒子である。この金属微粒子105の表面には、プローブ分子106を固定する。
FIG. 1 shows an example of the surface structure of a biomolecule detection element according to the present invention. First, a
担体基板表面上の金属微粒子が固定された領域即ち金属微粒子固定ドットパターン以外の領域には、種々の生体分子の非特異的な吸着を防止するための吸着阻害分子を固定し、吸着阻害層107を形成する。さらに、プローブ分子固定用金属微粒子105の表面のうち、プローブ分子が結合していない領域には、第二の吸着阻害分子を固定し、金属微粒子表面への種々の生体分子の非特異的な吸着も防止する。なお金属微粒子表面の吸着阻害層は図1では省略してある。検出用の蛍光分子は、プローブ分子106に修飾される。
Adsorption inhibiting molecules for preventing non-specific adsorption of various biomolecules are fixed to the area where the metal fine particles are fixed on the surface of the carrier substrate, that is, the area other than the metal fine particle fixed dot pattern. Form. Furthermore, a second adsorption-inhibiting molecule is immobilized on the surface of the probe molecule-fixing metal
次に、本発明の生体分子検出素子を製造するプロセス概念の一例を、図2を用いて説明する。ここでは、ポジ型電子線レジストを用いた電子線直接描画によるパターン形成を利用したプロセスを取り上げる。製造プロセスは下記の10工程からなる。
(1) 基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布
(2) 電子線描画及び現像による開口形成
(3) リンカー分子層の形成I(金属微粒子固定ドット:リンカー分子A)
(4) 蛍光増強用金属微粒子の固定
(5) プローブ分子固定用金属微粒子の固定
(6) レジスト剥離
(7) リンカー分子層の形成II
(8) 吸着阻害分子の形成I(吸着阻害分子C)
(9) プローブ分子の固定
(10) 表面吸着阻害分子の形成II(金属微粒子表面:吸着阻害分子D)
Next, an example of a process concept for manufacturing the biomolecule detection element of the present invention will be described with reference to FIG. Here, a process using pattern formation by direct electron beam drawing using a positive electron beam resist is taken up. The manufacturing process consists of the following 10 steps.
(1) Application of positive electron beam resist to the substrate surface
(2) Opening by electron beam drawing and development
(3) Formation of linker molecule layer I (metal fine particle fixed dot: linker molecule A)
(4) Immobilization of metal particles for fluorescence enhancement
(5) Immobilization of metal fine particles for probe molecule immobilization
(6) Remove resist
(7) Formation of linker molecular layer II
(8) Formation of adsorption-inhibiting molecule I (Adsorption-inhibiting molecule C)
(9) Immobilization of probe molecules
(10) Formation of surface adsorption-inhibiting molecules II (metal particle surface: adsorption-inhibiting molecule D)
各工程について以下に説明する。
(1) 基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布:図2(a)
先ず担体基板201を洗浄する。具体的には例えば、基板201をNaOH水溶液等のアルカリ性水溶液で洗浄した後、HCl水溶液等の酸性水溶液で洗浄し、純水ですすいだ後に乾燥する。あるいは、硫酸と過酸化水素を約4:1で混合した溶液で有機物汚染を洗浄する。基板としては、ガラス基板(スライドガラス)、石英基板、プラスチック基板等を用いることができる。また、金属コーティング基板等でもよい。基板の材質は、表面にシラノール基を有するものが好ましい。
Each step will be described below.
(1) Application of positive electron beam resist to substrate surface: Fig. 2 (a)
First, the
次いで、基板にポジ型電子線レジスト202をスピンコートし、所定の温度で乾燥ベークする。本発明では、レジスト膜厚は塗膜の均一性が確保できることを前提としてできるだけ薄いことが望ましいが、スループロセス検討結果から少なくとも100nm以下が望ましく、さらに好ましくは60nm以下が好適である。 Next, a positive electron beam resist 202 is spin-coated on the substrate, and dry-baked at a predetermined temperature. In the present invention, it is desirable that the resist film thickness be as thin as possible on the assumption that the uniformity of the coating film can be ensured, but it is preferably at least 100 nm or less, more preferably 60 nm or less, from the results of through process studies.
なお、図2のプロセスでは酸化膜付きSiウェハのような導電性基板の上で電子線描画を実施する場合を想定しているが、酸化膜が例えば10nm以上と厚い場合や、石英、ガラスのような絶縁性基板の上で電子線描画を施す場合には、基板のチャージアップを防ぐために電子線レジストの表面にさらに水溶性導電性樹脂の極薄膜を形成する。この導電性樹脂薄膜もスピンコートで容易に形成でき、レジストの電子線感度にはほとんど影響を与えない。また描画後、水洗によって容易に溶解除去され、次のレジスト現像工程には一切影響を与えない。 In the process of FIG. 2, it is assumed that electron beam drawing is performed on a conductive substrate such as a Si wafer with an oxide film. However, the oxide film is thick, for example, 10 nm or more, or quartz or glass is used. When electron beam drawing is performed on such an insulating substrate, an ultrathin film of a water-soluble conductive resin is further formed on the surface of the electron beam resist in order to prevent charge-up of the substrate. This conductive resin thin film can also be easily formed by spin coating, and hardly affects the electron beam sensitivity of the resist. Moreover, after drawing, it is easily dissolved and removed by washing with water, and does not affect the next resist development process.
ここでは、ポジ型電子線レジストを用いているが、描画パターンによってはネガ型レジストを用いても良い。 Although a positive electron beam resist is used here, a negative resist may be used depending on the drawing pattern.
(2) 電子線描画及び現像による開口形成:図2(b)
電子線描画は、目的の解像度を満たす電子線描画装置によって実行する。ここでは、実効解像度(最小加工寸法)10nmの電界放射型電子線描画装置を用い、ドットパターンを描画する。基本パターンは円形であり、サイズは最小20nmφから100nmφ程度が主要な値である。電子線走査フィールドは、75μm〜2400μm角の範囲であり、必要に応じて走査フィールドを繋ぎ合わせ、照射面積を確保する。走査フィールド内ではx方向、y方向それぞれ数万ステップ程度に分割され、各ステップにてスポット径約2〜3 nmの EB (electron beam)がパルス照射される。レーザー干渉計を用いた高精度アライメント機構を用い、走査フィールド繋ぎ精度は3σで50nm以下(走査フィールド600μmの場合)程度を確保する。電子線描画パターンはCADデータとして設計し、コンピュータ制御により描画を実行する。描画パターンはナノ孔加工であり、スループットの観点からポジ型レジストが向いている。ポジ型電子線レジスト塗布基板を電子線描画した後、所定の有機溶剤系現像液に浸漬して、照射部のレジストを除去し、さらにリンス液で洗浄して蛍光増強用金属微粒子を固定するための開口パターン203及びプローブ分子固定用金属微粒子を固定するための開口パターン204を得る。φ20nmからφ100nmの開口パターンは光学顕微鏡では観察できないので、電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡(AFM)を用いてパターン解像検査を行う。
(2) Opening by electron beam drawing and development: Fig. 2 (b)
The electron beam drawing is executed by an electron beam drawing apparatus that satisfies a target resolution. Here, a dot pattern is drawn using a field emission electron beam drawing apparatus having an effective resolution (minimum processing dimension) of 10 nm. The basic pattern is a circle, and the minimum size is about 20 nmφ to 100 nmφ. The electron beam scanning field is in the range of 75 μm to 2400 μm square, and the scanning fields are connected as necessary to ensure the irradiation area. The scanning field is divided into tens of thousands of steps in each of the x and y directions, and EB (electron beam) with a spot diameter of about 2 to 3 nm is pulsed at each step. A high-precision alignment mechanism using a laser interferometer is used, and the scanning field joining accuracy is secured to about 50 nm or less (when the scanning field is 600 μm) at 3σ. The electron beam drawing pattern is designed as CAD data, and drawing is executed by computer control. The drawing pattern is nanopore processing, and a positive resist is suitable from the viewpoint of throughput. In order to fix fluorescence-enhanced metal fine particles by drawing an electron beam on a positive-type electron beam resist-coated substrate and then immersing it in a predetermined organic solvent-based developer to remove the resist on the irradiated area and washing with a rinse solution The
ここで、例えば蛍光増強用金属微粒子を固定するための開口部203の孔径は、プローブ分子固定用の金属微粒子を固定するための開口部204の孔径よりも大きくする。これは、蛍光増強用とプローブ分子固定用の金属微粒子を別々に固定させるためである。即ち、初めに径の比較的大きな蛍光増強用金属微粒子を開口部203に入れ、次いで、径の比較的小さなプローブ分子固定用の金属微粒子を開口部204に入れるためである。
Here, for example, the hole diameter of the
また、発明の効果に記載したように、強い蛍光増強を得るためには、蛍光増強用の金属微粒子の半径をrとし、隣接する金属微粒子の中心間の距離をdとすると、dを2r≦d≦4rの範囲にする必要がある。したがって、隣接する蛍光増強用金属微粒子を固定するための開口部203間の距離d’を2r≦d’≦4rとする。
Further, as described in the effect of the invention, in order to obtain strong fluorescence enhancement, assuming that the radius of the metal particle for fluorescence enhancement is r and the distance between the centers of adjacent metal particles is d, d is 2r ≦ It must be in the range of d ≦ 4r. Therefore, the distance d ′ between the
(3) リンカー分子層の形成I(金属微粒子固定ドット):図2(c)
電子線レジスト開口パターンを形成した基板を、リンカー分子Aの溶液に浸漬し、開口パターン底の酸化膜(SiO2)表面に反応させる。リンカー分子Aとしては、金属微粒子と結合する活性基を持つシランカップリング剤などを使用する。シランカップリング剤としては、例えば、基板表面にアミノ基を固定する場合には、3-アミノプロピルトリメトキシシラン(3-aminopropyltrimthoxysilane)、3-アミノプロピルトリエトキシシラン(3-aminopropyltriethoxysilane)、N-(2-aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane)、(aminoethyl-aminomethyl) phenethyltrimethoxysilane等を用いることができる。一方、基板表面にチオール基を固定する場合には、3-mercaptopropyltrimethoxysilane等を用いることができる。溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、トルエン、ベンゼン、水等を用いることができる。反応温度は、通常、20℃〜85℃の範囲である。ここで、リンカー分子Aは、開口部の酸化膜表面とはシラノール基と共有結合で固定されるが、レジスト表面部では表面に結合基が存在しないため物理吸着しているだけである。リンカー分子Aのアミノ基又はチオール基が基板と反対側に露出し、それによって次工程の金属微粒子と結合する。
(3) Formation of linker molecular layer I (metal fine particle fixed dot): Fig. 2 (c)
The substrate on which the electron beam resist opening pattern is formed is immersed in a solution of the linker molecule A and reacted with the oxide film (SiO 2 ) surface at the bottom of the opening pattern. As the linker molecule A, a silane coupling agent having an active group that binds to metal fine particles is used. Examples of the silane coupling agent include 3-aminopropyltrimthoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N- (when fixing an amino group on the substrate surface. 2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane), (aminoethyl-aminomethyl) phenethyltrimethoxysilane, and the like can be used. On the other hand, when fixing a thiol group to the substrate surface, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane or the like can be used. As the solvent, for example, ethanol, methanol, toluene, benzene, water and the like can be used. The reaction temperature is usually in the range of 20 ° C to 85 ° C. Here, the linker molecule A is fixed to the surface of the oxide film in the opening by a covalent bond with the silanol group, but is physically adsorbed on the resist surface portion because there is no bonding group on the surface. The amino group or thiol group of the linker molecule A is exposed on the side opposite to the substrate, thereby binding to the metal fine particles in the next step.
ここでは、工程(1)(2)で電子線レジスト開口パターンを形成させた後に、工程(3)でリンカー分子層を形成させたが、基板を洗浄した後に基板全面に工程(3)でリンカー分子を結合させ、その後(1)(2)の工程を経て電子線レジスト開口パターンを形成させても良い。 Here, after forming an electron beam resist opening pattern in steps (1) and (2), a linker molecule layer was formed in step (3). An electron beam resist opening pattern may be formed through the steps (1) and (2) after molecules are bonded.
あるいは、上記のように、リンカー分子として有機系材料を用いることなく、無機系材料を用いても良い。例えば、電子線レジスト開口パターンを形成した基板に、TiやCrといった薄膜をスパッタリング蒸着によって成膜させても良い。 Alternatively, as described above, an inorganic material may be used without using an organic material as a linker molecule. For example, a thin film such as Ti or Cr may be formed by sputtering deposition on a substrate on which an electron beam resist opening pattern is formed.
(4) 蛍光増強用金属微粒子の固定:図2(d)
基板表面の活性基と金属微粒子の相互作用により、基板表面に金属微粒子を固定する。図2(d)は、金属微粒子205が固定された担体表面の様子を示す。金属微粒子材料としては、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金を用いることができる。あるいは、これらの貴金属類で作られた微粒子上に他の貴金属がコーティングされたもの、例えば金微粒子上に銀がコーティングされた金属微粒子を用いてもよい。金属微粒子径は、金属微粒子の基板への固定安定性という観点から10nm以上が望ましい。一方、蛍光を増強させるという観点から、金属微粒子径は蛍光増強効果が得られる範囲の粒子径を用いるのが良い。
(4) Immobilization of metal particles for fluorescence enhancement: Fig. 2 (d)
The metal fine particles are fixed to the substrate surface by the interaction between the active groups on the substrate surface and the metal fine particles. FIG. 2D shows the state of the carrier surface on which the metal
蛍光増強用の金属微粒子は、蛍光増強場の形成のみに使用する。したがって、その表面へのプローブ分子等の反応を阻止する必要がある。そこで、蛍光増強用の金属微粒子の表面に、反応阻止層206を設ける。一方で、この蛍光増強用の金属微粒子を「(3) リンカー分子層の形成I」で示したリンカー分子を介して固定させる必要があるため、リンカー分子との結合サイトを持たなければならない。そこで、例えば反応阻止層を形成するための分子として、分子の末端に金属微粒子と反応するチオール基を有し、もう一方の末端に、例えばアミノ基と結合するNHSエステルあるいはカルボキシル基、イソチオシアナート基、エポキシ基、アルデヒド基等を有する分子を用いる。
The metal fine particles for enhancing fluorescence are used only for forming a fluorescence enhancement field. Therefore, it is necessary to prevent the reaction of probe molecules and the like on the surface. Therefore, a
金属微粒子の濃度は、通常、30wt%以下であり、反応温度は、通常、20℃〜85℃の範囲である。また反応時間は、0.5時間から50時間の間である。金属微粒子の反応時間は、レジストパターンの無い、リンカー分子だけの単純表面における反応時間を参考に決める。この時、レジスト開口部203の底面に金属微粒子205を到達させ、表面活性基と金属微粒子を反応させて固定するのに充分な時間で反応させる。
The concentration of the metal fine particles is usually 30 wt% or less, and the reaction temperature is usually in the range of 20 ° C to 85 ° C. The reaction time is between 0.5 hours and 50 hours. The reaction time of the metal fine particles is determined with reference to the reaction time on a simple surface with only a linker molecule without a resist pattern. At this time, the metal
ここで、プローブ分子固定用の金属微粒子を固定するためのレジスト開口部204の孔径は蛍光増強用の金属微粒子205の直径よりも小さく、この工程では、開口部204に金属微粒子は入らない。
Here, the hole diameter of the resist opening 204 for fixing the metal fine particles for fixing the probe molecules is smaller than the diameter of the metal
(5) プローブ分子固定用金属微粒子の固定:図2(e)
工程(4)と同様に、基板表面の活性基と金属微粒子の相互作用により、基板表面にプローブ分子固定用金属微粒子を固定する。図2(e)は、プローブ分子固定用の金属微粒子207が固定化された担体表面の様子を示す。金属微粒子207の材料としては、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金を用いることができる。あるいは、これらの貴金属類で作られた微粒子上に他の貴金属がコーティングされたもの、例えば金微粒子上に銀がコーティングされた金属微粒子を用いてもよい。金属微粒子径は、金属微粒子の基板への固定安定性という観点から10nm以上が望ましい。一方で、蛍光増強用の金属微粒子よりも小さい方が望ましい。
(5) Fixing metal fine particles for probe molecule fixation: Fig. 2 (e)
Similar to the step (4), the metal fine particles for immobilizing probe molecules are immobilized on the substrate surface by the interaction between the active groups on the substrate surface and the metal fine particles. FIG. 2 (e) shows the state of the surface of the carrier on which the metal
金属微粒子の固定反応溶媒として、水、あるいはエタノール、トルエンを用いることができる。溶液中での金属微粒子の凝集を防ぐために、保護剤を用いる。保護剤として、クエン酸、メルカプトコハク酸、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸、テトラメチルアンモニウム、ポリエチレンイミン、1−デカンチオール、1−オクタンチオール、デシルアミン、ホスフィン(bis(p-sulfonatophenyl)phenylphosphine)等を用いることができる。 Water, ethanol, or toluene can be used as a fixing reaction solvent for the metal fine particles. A protective agent is used in order to prevent aggregation of metal fine particles in the solution. As a protective agent, citric acid, mercaptosuccinic acid, polyvinylpyrrolidone, polyacrylic acid, tetramethylammonium, polyethyleneimine, 1-decanethiol, 1-octanethiol, decylamine, phosphine (bis (p-sulfonatophenyl) phenylphosphine), etc. are used. be able to.
金属微粒子の濃度は、通常、30wt%以下であり、反応温度は、通常、20℃−85℃の範囲である。また反応時間は、0.5時間から50時間の間である。 The concentration of the metal fine particles is usually 30 wt% or less, and the reaction temperature is usually in the range of 20 ° C. to 85 ° C. The reaction time is between 0.5 hours and 50 hours.
ここで、金属微粒子が、各サイトに複数個入らずに一個ずつ固定され、かつ開口パターン部への金属微粒子の固定充填率を高く保つために、金属微粒子径と電子線レジスト開口部の径の関係は以下の条件を満たすのが良い。すなわち、金属微粒子径/電子線レジスト開口部径の比をγとすると0.5≦γ≦1を満たすのが良い。γが0.5より小さい場合、電子線レジスト開口径に比べて金属微粒子径が充分小さいため、各サイトに金属微粒子が複数個入ってしまう。一方、γが1より大きい場合、電子線レジスト開口孔底部に金属微粒子が拡散できず、充填率が著しく低くなる。 Here, in order to fix the metal fine particles one by one without entering each site and to keep the fixed filling rate of the metal fine particles into the opening pattern portion, the metal fine particle diameter and the electron beam resist opening diameter The relationship should satisfy the following conditions: That is, when the ratio of the metal fine particle diameter / electron beam resist opening diameter is γ, 0.5 ≦ γ ≦ 1 should be satisfied. When γ is smaller than 0.5, since the metal fine particle diameter is sufficiently smaller than the electron beam resist opening diameter, a plurality of metal fine particles enter each site. On the other hand, if γ is greater than 1, the metal fine particles cannot diffuse into the bottom of the electron beam resist opening hole, and the filling rate is significantly reduced.
ここで(4)(5)の工程では、溶液中に分散した金属微粒子を基板上に固定する方法を示したが、例えば、貴金属類である金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウムのいずれか、あるいはそれらの合金をスパッタリング蒸着によって成膜させても良い。 Here, in the steps (4) and (5), the method of fixing the metal fine particles dispersed in the solution on the substrate has been shown. For example, the noble metals gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium Alternatively, any of osmium or an alloy thereof may be formed by sputtering deposition.
(6) レジスト剥離:図2(f)
専用レジスト剥離液に工程(5)が終了した基板を浸漬し、レジストを溶解除去する。この際、レジスト上に吸着している金属微粒子及びリンカー分子Aがリフトオフにより除去され、基板表面に共有結合したリンカー分子Aからなる微粒子固定ドットとその上に固定された金属微粒子だけが残る。この段階で重要なことは、金属微粒子が、各サイトに一個ずつ固定されていることと、ドットパターンへの金属微粒子固定充填率が高いこと、ドット外のエリアには金属微粒子の残留付着が無いことである。
(6) Resist removal: Fig. 2 (f)
The substrate after step (5) is immersed in a dedicated resist stripper to dissolve and remove the resist. At this time, the metal fine particles and the linker molecules A adsorbed on the resist are removed by lift-off, and only the fine particle fixing dots composed of the linker molecules A covalently bonded to the substrate surface and the metal fine particles fixed thereon are left. What is important at this stage is that the metal fine particles are fixed to each site one by one, the metal fine particle fixed filling rate to the dot pattern is high, and there is no residual adhesion of metal fine particles in the area outside the dots. That is.
ここでは、工程(4)(5)の金属微粒子の固定後に工程(6)のレジスト剥離を行っているが、工程(6)のレジスト剥離を行った後に、工程(5)でプローブ分子固定用の金属微粒子を固定しても良い。すなわち、レジストを剥離し、リンカー分子層のパターン表面と、金属微粒子溶液を反応させて金属微粒子を固定してもよい。 Here, the resist stripping in step (6) is performed after fixing the metal fine particles in steps (4) and (5), but after the resist stripping in step (6), the probe molecule fixing in step (5) The metal fine particles may be fixed. That is, the resist may be peeled off, and the metal particle solution may be fixed by reacting the pattern surface of the linker molecule layer with the metal particle solution.
(7) リンカー分子層の形成II(微粒子固定ドット外表面):図2(g)
基板表面のうち、金属微粒子が固定されていない表面に、後のプロセスで生体分子や試薬が非特異的に吸着する可能性が高い。これらの非特異吸着は、デバイスとして用いた場合のノイズとなるため、徹底的に防止する必要がある。このため金属微粒子固定ドットパターン以外のエリアに吸着阻害分子を固定し、対策する。図2(g)は、この目的のために、まずリンカー分子Bを形成した様子を示す。ここで、金属微粒子固定ドットに用いた、アミノ基やチオール基を含むシランカップリング剤を用いると、既に表面に固定されている金属微粒子表面に対しても反応するために、最終的な金属微粒子表面へのプローブ固定の障害にもなりかねない。そこで、ここでは金属微粒子とは相互作用せず、基板表面とだけ反応するリンカー分子が望ましい。このような物質として、例えばエポキシ基やカルボキシル基を持つシランカップリング剤が有望である。
(7) Formation of linker molecular layer II (outer surface of fine particle fixed dots): FIG. 2 (g)
There is a high possibility that biomolecules and reagents will be non-specifically adsorbed on the surface of the substrate where metal fine particles are not fixed in a later process. These non-specific adsorptions cause noise when used as a device and must be thoroughly prevented. For this reason, an adsorption inhibiting molecule is fixed in an area other than the metal fine particle fixed dot pattern, and a countermeasure is taken. FIG. 2 (g) shows how the linker molecule B is first formed for this purpose. Here, when the silane coupling agent containing an amino group or thiol group used for the metal fine particle fixed dot is used, it reacts with the surface of the metal fine particle already fixed on the surface, so that the final metal fine particle It can also be an obstacle to fixing the probe to the surface. Therefore, here, a linker molecule that does not interact with the metal fine particles and reacts only with the substrate surface is desirable. As such a substance, for example, a silane coupling agent having an epoxy group or a carboxyl group is promising.
(8) 吸着阻害分子の形成I(吸着阻害分子C):図2(h)
工程(7)で形成したリンカー分子Bの上に、生体分子の非特異吸着を防止する分子として吸着阻害分子Cを結合させる。リンカー分子Bが、上記エポキシ基を持つシランカップリング剤の場合は、エポキシ基やカルボキシル基と反応するアミノ基や水酸基等を持つ吸着阻害分子が有効であり、具体的には、アミノ基を末端にもつ低分子量のポリエチレングリコール(PEG)や水酸基を持つカルボキシメチルデキストラン(CM-Dextran)などが使える。ただし、リンカー分子Bのみで充分非特異吸着を防止できる場合には、吸着阻害分子Cは必ずしも必要ではない。
(8) Formation of adsorption-inhibiting molecule I (adsorption-inhibiting molecule C): Fig. 2 (h)
On the linker molecule B formed in the step (7), an adsorption inhibiting molecule C is bound as a molecule for preventing nonspecific adsorption of the biomolecule. In the case where the linker molecule B is a silane coupling agent having the above epoxy group, an adsorption inhibiting molecule having an amino group or a hydroxyl group that reacts with the epoxy group or the carboxyl group is effective. Low molecular weight polyethylene glycol (PEG) and carboxymethyl dextran (CM-Dextran) having a hydroxyl group can be used. However, when the nonspecific adsorption can be sufficiently prevented only by the linker molecule B, the adsorption inhibiting molecule C is not necessarily required.
(9) プローブ分子の固定工程:図2(i)
この工程では、プローブ分子固定用の金属微粒子上に、この金属微粒子と結合することができる官能基を持つプローブ分子を反応させ、金属微粒子上にプローブ分子を固定する。図2(i)は、プローブ分子をPとして、基板表面の様子を示す。
(9) Probe molecule immobilization process: Fig. 2 (i)
In this step, probe molecules having a functional group capable of binding to the metal fine particles are reacted on the metal fine particles for fixing the probe molecules, and the probe molecules are fixed on the metal fine particles. FIG. 2 (i) shows the state of the substrate surface with P as the probe molecule.
本基板を用いて生体分子の検出を行う際、プローブ分子と検出すべき分子が反応した時に強い信号を得るため、例えば検出標識となる蛍光分子を蛍光増強場内に位置させること、すなわち蛍光分子と蛍光増強用金属微粒子群の重心点207との距離RをR≦6r以内にすることが必要である。蛍光増強の条件については後述する。したがって、蛍光分子で標識したターゲットを結合させるプローブDNAの長さは図2(i)に示すようにR≦6r以内であることが望ましい。
When detecting biomolecules using this substrate, in order to obtain a strong signal when the probe molecule reacts with the molecule to be detected, for example, the fluorescent molecule serving as the detection label is positioned within the fluorescence enhancement field, that is, the fluorescent molecule and The distance R from the
ここで、金属微粒子として金ナノ粒子を用い、プローブ分子として、チオール基を5’末端に持つプローブDNAを用いた場合について説明する。まず、プローブDNA固定条件を算出することを目的に、金ナノ粒子を均一にランダム分散固定し、上記(6)(7)に示した工程で非特異吸着を防止する吸着阻害分子がコーティングされた基板を用い、この基板に対してチオール末端基付きDNAを反応させる。チオールは金ナノ粒子表面だけに反応して吸着するが、この吸着挙動をSPR法(Surface plasmon resonance:表面プラズモン共鳴)を用いて定量化した。DNA溶液濃度と固定されたプローブ分子数の関係を測定したところ、単純なLangmuir型吸着曲線示すことが判った。この曲線から、金ナノ粒子一個当りに固定されたプローブ分子数とDNA溶液濃度の関係を把握することができる。目標のプローブ分子数を固定できる濃度に調整したDNA溶液に金ナノ粒子を固定した基板を浸漬し、所定温度で所定時間反応させた後、洗浄液で洗浄し、乾燥させた。 Here, a case where gold nanoparticles are used as the metal fine particles and probe DNA having a thiol group at the 5 'end is used as the probe molecule will be described. First, for the purpose of calculating probe DNA immobilization conditions, gold nanoparticles were uniformly dispersed and immobilized, and coated with adsorption-inhibiting molecules that prevent non-specific adsorption in the steps (6) and (7) above. A substrate is used, and thiol-terminated DNA is reacted with the substrate. Thiol reacts and adsorbs only on the gold nanoparticle surface, and this adsorption behavior was quantified using the SPR method (Surface plasmon resonance). When the relationship between the DNA solution concentration and the number of immobilized probe molecules was measured, it was found that a simple Langmuir type adsorption curve was shown. From this curve, the relationship between the number of probe molecules immobilized per gold nanoparticle and the concentration of the DNA solution can be grasped. A substrate on which gold nanoparticles were fixed was immersed in a DNA solution adjusted to a concentration capable of fixing the target number of probe molecules, reacted at a predetermined temperature for a predetermined time, washed with a cleaning solution, and dried.
プローブDNAを溶解させる溶液としては、リン酸バッファなどの中性付近の水溶液を用いることができる。この溶液にプローブDNAを溶解させる。この時のプローブDNAの濃度は、例えば従来のDNAチップでは通常、0.5μM〜100μMであるが、例えば、金ナノ粒子に単一分子のプローブDNAを固定する場合は、プローブDNAの濃度は数nM以下程度が適している。なおプローブDNAの最適濃度は、固定表面の状態に依存し、具体的には金微粒子のサイズ・固定密度によって変動するため、金属微粒子固定パターンの設計に応じてそれぞれプローブDNA最適濃度を決定する。 As a solution for dissolving the probe DNA, a neutral aqueous solution such as a phosphate buffer can be used. The probe DNA is dissolved in this solution. The concentration of the probe DNA at this time is usually 0.5 μM to 100 μM, for example, in a conventional DNA chip. For example, when a single molecule of probe DNA is immobilized on gold nanoparticles, the concentration of the probe DNA is several nM. The following are suitable. The optimum concentration of probe DNA depends on the state of the immobilization surface, and specifically varies depending on the size and immobilization density of gold fine particles. Therefore, the optimum concentration of probe DNA is determined according to the design of the metal fine particle immobilization pattern.
担体としてSiウェハやガラス基板を用いた金ナノ粒子固定基板の場合、基板の所望の位置に、プローブDNAを溶解した反応液を所望のサイズにスポッティングできる。この時、基板に多種類のプローブDNAをスポッティングすることが可能であり、こうすると例えばDNAマイクロアレイとして使える。反応温度は、通常、25℃から40℃の範囲である。また、反応時間は、通常、2時間から24時間の範囲である。反応させる時に溶液が乾燥しないよう、充分湿度を保った環境で反応させる。 In the case of a gold nanoparticle fixed substrate using a Si wafer or a glass substrate as a carrier, a reaction solution in which probe DNA is dissolved can be spotted at a desired position on the substrate. At this time, it is possible to spot many kinds of probe DNAs on the substrate, which can be used as, for example, a DNA microarray. The reaction temperature is usually in the range of 25 ° C to 40 ° C. The reaction time is usually in the range of 2 to 24 hours. In order to prevent the solution from drying during the reaction, the reaction is carried out in a sufficiently humid environment.
金とチオール基は結合し易いため、チオール基を末端に持つプローブDNAが金ナノ粒子上のみに固定される。金ナノ粒子が固定されていない領域(金微粒子固定ドット外の領域)は、吸着阻害分子BまたはCで覆われているため、プローブDNAはほとんど吸着しない。以後、吸着阻害分子でコーティングすることをブロッキングと呼ぶ。 Since gold and a thiol group are easily bonded, a probe DNA having a thiol group at the end is immobilized only on the gold nanoparticle. Since the region where gold nanoparticles are not fixed (the region outside the gold fine particle fixed dot) is covered with the adsorption-inhibiting molecules B or C, the probe DNA hardly adsorbs. Hereinafter, coating with adsorption-inhibiting molecules is called blocking.
ここでは、金属微粒子を基板に固定した後に、金属微粒子が固定された部分以外の基板表面をブロッキングし、その後にプローブ分子を固定したが、金属微粒子にプローブ分子を固定した後に、この金属微粒子を表面に固定し、その後に金属微粒子が固定された部分以外の基板表面をブロッキングしても良い。 Here, after fixing the metal fine particles to the substrate, the substrate surface other than the portion where the metal fine particles are fixed is blocked, and then the probe molecules are fixed. However, after fixing the probe molecules to the metal fine particles, It may be fixed on the surface, and then the substrate surface other than the portion where the metal fine particles are fixed may be blocked.
(10) 吸着阻害分子の形成工程II(金属微粒子表面):図2(j)
プローブ分子固定用の金属微粒子表面で、プローブDNAが固定されなかった領域は、検体の生体分子を吸着させる可能性がある。よって、このプローブDNA固定部以外の金属微粒子表面をブロッキングする。図2(j)は、吸着阻害分子Dを用いて、金属微粒子表面をブロッキング処理した後の基板表面の様子を示す。
(10) Formation process II of adsorption-inhibiting molecules (metal fine particle surface): Fig. 2 (j)
A region where the probe DNA is not immobilized on the surface of the metal fine particle for immobilizing the probe molecule may adsorb the biomolecule of the specimen. Therefore, the metal fine particle surface other than the probe DNA fixing part is blocked. FIG. 2 (j) shows the state of the substrate surface after blocking the surface of the metal fine particles using the adsorption inhibiting molecule D.
ここで、金属微粒子として金ナノ粒子を用いた場合、金と反応し易く、かつ生体分子を吸着し難いブロッキング剤として、1−メルカプトヘキサノール、2−メルカプトエタノール、ホスフィン(bis(p-sulfonatophenyl)phenylphosphine)等を用いることができる。これらのブロッキング剤を溶解した水溶液と担体表面を反応させ、ブロッキング材料を固定する。 Here, when gold nanoparticles are used as the metal fine particles, 1-mercaptohexanol, 2-mercaptoethanol, phosphine (bis (p-sulfonatophenyl) phenylphosphine) can be used as a blocking agent that easily reacts with gold and hardly adsorbs biomolecules. ) Etc. can be used. The aqueous solution in which these blocking agents are dissolved and the surface of the carrier are reacted to fix the blocking material.
反応温度は、通常、4℃〜35℃の範囲であり、反応時間は、通常、0.5時間〜10時間である。この反応では、水溶液中のブロッキング剤の濃度が高い場合、ブロッキング剤が金ナノ粒子と反応し金ナノ粒子を覆うことで、金属微粒子と担体の間の結合力を弱める。その結果、金属微粒子が担体表面で拡散し金属微粒子が表面で凝集する可能性がある。したがって、ブロッキング剤反応溶液の濃度を100μM以下の範囲とした。 The reaction temperature is usually in the range of 4 ° C to 35 ° C, and the reaction time is usually 0.5 hours to 10 hours. In this reaction, when the concentration of the blocking agent in the aqueous solution is high, the blocking agent reacts with the gold nanoparticles to cover the gold nanoparticles, thereby weakening the binding force between the metal fine particles and the carrier. As a result, the metal fine particles may diffuse on the support surface and the metal fine particles may aggregate on the surface. Therefore, the concentration of the blocking agent reaction solution was set to a range of 100 μM or less.
ここでは、金属微粒子にプローブDNAを固定した後に吸着阻害分子Dを固定したが、プローブDNAと吸着阻害分子Dを同時に固定しても良い。すなわち、プローブDNAを溶解させた溶液に吸着阻害分子Dを混合し、その溶液と金属微粒子を反応させても良い。 Here, the adsorption inhibition molecule D is immobilized after immobilizing the probe DNA to the metal fine particles, but the probe DNA and the adsorption inhibition molecule D may be immobilized simultaneously. That is, the adsorption inhibiting molecule D may be mixed in a solution in which the probe DNA is dissolved, and the solution and the metal fine particles may be reacted.
ここで、金ナノ粒子グリッドアレイ基板において、金ナノ粒子上に固定したプローブ分子がプローブDNAであるアレイ基板を、DNAマイクロアレイとして用いる場合について、以下(11)で説明する。 Here, in the gold nanoparticle grid array substrate, the case where an array substrate in which the probe molecule immobilized on the gold nanoparticle is probe DNA is used as a DNA microarray will be described in the following (11).
(11) DNAマイクロアレイを用いた検出工程:図3、図4
前述の(1)〜(10)に述べた工程を経て作成した生体分子検出素子表面に、蛍光修飾された検体試料溶液を反応させる。ここではプローブ分子304としてプローブDNAを用い、検出用生体分子として核酸を用いた場合について図3を用いて説明する。簡略化のためリンカー分子、吸着阻害分子などは図示を省略した。これに対して、蛍光分子305によって蛍光修飾されたターゲットDNA306が検体試料として供給された状況を図3(a)に示す。ここで、プローブDNAとターゲットDNAの塩基配列が完全に相補的である場合は互いに速やかに反応し、図3(b)のように相補的水素結合307で結合した2本鎖DNAを形成する。これがハイブリダイゼーション反応である。
(11) Detection process using DNA microarray: FIGS. 3 and 4
The specimen sample solution modified with fluorescence is reacted with the surface of the biomolecule detection element prepared through the steps described in (1) to (10) above. Here, a case where a probe DNA is used as the
なお、ハイブリダイゼーション反応の具体的条件としては、検出用の蛍光修飾された核酸を、界面活性剤を添加したSSC(Standard Saline Citrate)溶液に溶解し、生体分子検出素子表面にこの溶液を接触させる。溶液中の核酸量は0.1amol〜1nmolであり、反応温度は、通常、25℃〜60℃、反応時間は、通常、1時間〜24時間である。この条件で、検出用の核酸がプローブDNAの配列と完全相補的であった場合、速やかに反応して相補的水素結合により形成された2本鎖DNAを生成する。DNAマイクロアレイの場合には、基板表面に、多種類の配列のプローブDNAをスポットし、これらのプローブDNAと検体試料とハイブリダイゼーション反応させ、各スポットからの蛍光強度をスキャナーで計測し、データ化する。 As specific conditions for the hybridization reaction, the fluorescence-modified nucleic acid for detection is dissolved in an SSC (Standard Saline Citrate) solution to which a surfactant is added, and this solution is brought into contact with the surface of the biomolecule detection element. . The amount of nucleic acid in the solution is 0.1 amol to 1 nmol, the reaction temperature is usually 25 ° C. to 60 ° C., and the reaction time is usually 1 hour to 24 hours. Under these conditions, when the nucleic acid for detection is completely complementary to the sequence of the probe DNA, it reacts quickly to produce double-stranded DNA formed by complementary hydrogen bonding. In the case of DNA microarrays, probe DNAs of various types are spotted on the substrate surface, these probe DNAs and specimen samples are hybridized, and the fluorescence intensity from each spot is measured with a scanner and converted into data. .
ここで重要なことは、蛍光増強用金属微粒子205群を軸対称に基板201の表面に固定することで、蛍光増強が効果的に利用できることである。金属微粒子固有の蛍光強度増強について説明する。この現象については非特許文献3に詳しい記載がある。金属微粒子は、光が入射されると、金属微粒子内の自由電子が分極し振動する。この金属微粒子内の自由電子の振動と、入射光の振動電場が共鳴することを局在プラズモン共鳴と呼ぶ。局在プラズモン共鳴が起こると、金属微粒子表面での電場強度が入射光の電場強度に比べて各段に大きくなる。
What is important here is that the fluorescence enhancement can be effectively used by fixing the group of fluorescence enhancement metal
次に、上述の蛍光増強について、その二つの要因を説明する。蛍光増強する要因の一つは、電場増強による蛍光分子の量子効率の向上である。蛍光分子の近傍に金属微粒子が存在する場合、電場増強の影響による金属微粒子の双極子モーメント及び蛍光分子の双極子モーメントの相互作用によって、蛍光発光過程で発光速度が加速される。したがって、蛍光分子の量子効率が上がる。ただし、量子効率は1を超えることはないため、量子効率1を持つ蛍光分子では、金属微粒子による量子効率の増加は期待できない。しかし、実際にバイオセンサで用いられる蛍光分子は、量子効率が0.04−0.3程度のものが多く、これらの蛍光分子に対して金属微粒子による量子効率の向上が期待できる。 Next, two factors for the above-described fluorescence enhancement will be described. One of the factors that enhance fluorescence is the improvement of quantum efficiency of fluorescent molecules by electric field enhancement. When metal fine particles are present in the vicinity of the fluorescent molecule, the emission speed is accelerated in the fluorescence emission process due to the interaction between the dipole moment of the metal fine particle and the dipole moment of the fluorescent molecule due to the effect of the electric field enhancement. Therefore, the quantum efficiency of the fluorescent molecule is increased. However, since the quantum efficiency does not exceed 1, a fluorescent molecule having a quantum efficiency of 1 cannot be expected to increase the quantum efficiency due to the metal fine particles. However, many fluorescent molecules that are actually used in biosensors have a quantum efficiency of about 0.04-0.3, and an improvement in quantum efficiency can be expected from these fluorescent molecules by metal fine particles.
第二の要因は、金属微粒子近傍の電場増強による光散乱強度の増加である。局在プラズモン共鳴により金属微粒子の分極率が増加し近傍の電場が増強されると、金属微粒子からの散乱光強度も増強される。散乱光強度が増加すれば、蛍光分子を励起させるための入射エネルギー密度が増加し、従って蛍光分子の光吸収量も増加する。以上の二つの要因によって、蛍光強度が増加する。 The second factor is an increase in light scattering intensity due to an electric field enhancement near the metal fine particles. When the polarizability of the metal fine particles is increased by local plasmon resonance and the electric field in the vicinity is enhanced, the intensity of scattered light from the metal fine particles is also enhanced. When the scattered light intensity increases, the incident energy density for exciting the fluorescent molecules increases, and thus the light absorption amount of the fluorescent molecules also increases. The fluorescence intensity increases due to the above two factors.
一方で、蛍光分子が金属のごく近傍に有る場合、蛍光の消光が観察される。これは、蛍光分子の励起エネルギーが金ナノ粒子中自由電子のフェルミ準位を上回り、かつ至近距離にある場合に、その励起エネルギーが金属微粒子にエネルギー移動するためである。金属微粒子の場合、この移動速度は蛍光分子と金属微粒子間の距離の6乗に反比例する。したがって、蛍光分子が金属微粒子の極表面に位置する場合にのみ、蛍光増強度がこの蛍光消光によって低下する場合がある。図3に示したように、プローブ分子と蛍光分子付きの検出すべき分子を反応させる場合で、例えばプローブ分子としてDNAを用いた場合、反応後に形成した2本鎖DNAはリジッドな構造となるため、蛍光分子が金属微粒子に接触する確率は極めて低くなる。更に、これらの金属微粒子には反応阻害層または吸着阻害分子層等がコーティングされているため、蛍光分子が金属微粒子に直接接触する可能性は低い。 On the other hand, when the fluorescent molecule is in close proximity to the metal, fluorescence quenching is observed. This is because when the excitation energy of the fluorescent molecule exceeds the Fermi level of free electrons in the gold nanoparticle and is at a close distance, the excitation energy is transferred to the metal fine particles. In the case of metal fine particles, this moving speed is inversely proportional to the sixth power of the distance between the fluorescent molecule and the metal fine particles. Therefore, only when the fluorescent molecule is located on the extreme surface of the metal fine particle, the fluorescence enhancement intensity may be reduced by this fluorescence quenching. As shown in FIG. 3, when a probe molecule and a molecule to be detected with a fluorescent molecule are reacted, for example, when DNA is used as the probe molecule, the double-stranded DNA formed after the reaction has a rigid structure. The probability that the fluorescent molecules come into contact with the metal fine particles is extremely low. Furthermore, since these metal fine particles are coated with a reaction inhibition layer, an adsorption inhibition molecular layer, or the like, the possibility that the fluorescent molecules are in direct contact with the metal fine particles is low.
ここで、図4に示すように、直径50nmの金ナノ粒子401をガラス402上に置き、ガラス側から532nm p偏光レーザー403を全反射モードで入射しエバネッセント光を発生させる系を考える。金ナノ粒子の周囲の媒体は水404である。エバネッセント光の電界方向を405で示す。この系において、FDTD(Finite Difference Time Domain)法を用いたシミュレーションを行い、上記レーザー光(電磁場)を全反射モードで入射させた時の金ナノ粒子周辺に生じる電場強度を計算した結果を図5(a)に示す。計算結果、金ナノ粒子極近傍で最大約20倍の電界強度の増幅が生じた。また、金ナノ粒子401からの距離が離れるに連れて電場強度は減少した。最も電場強度増幅が大きい領域は503であり、次いで504の領域、次いで505の領域の順に電場強度増幅値が小さくなった。505の外側の領域では、電場増幅がほとんど見られない。これらの金ナノ粒子近傍の増強された電界によって蛍光増強が引き起こされる。
Here, as shown in FIG. 4, a system is considered in which
一方で、2個の金ナノ粒子401が隣接した場合のFDTD法を用いたシミュレーション結果を図5(b)に示す。この場合、2個の金ナノ粒子の接点付近で電界強度が大きくなり、最大約90倍の電界強度の増幅が生じた。最も電場強度増幅が大きい領域は507であり、次いで508の領域、次いで509の領域、次いで510の領域の順に電場強度増幅率が小さくなった。510の外側の領域では、電場増幅がほとんど見られない。図5(a) (b)の503〜505, 507〜510に示した領域の塗りつぶしマークは、電場強度増幅率の大きさを表し、同じマークであれば同じ増幅率を持つ。例えば、図5(a)領域503と図5(b)領域508は同じ電場強度増幅率である。図5(a)と(b)を比較すると、図5(b)の2個の金ナノ粒子が隣接した場合の方が、電界強度が増幅される領域が図5(a)の金ナノ粒子1個の時と比べて広範囲になった。また、2個の金ナノ粒子が隣接した場合の方が、電場強度増幅率がより大きい領域(507)が生じた。
On the other hand, FIG. 5 (b) shows a simulation result using the FDTD method when two
図5(c)に2個の金ナノ粒子間の距離を広げた場合の金ナノ粒子周辺の電場強度計算結果を示す。金ナノ粒子401間の距離がd=4r(図5(c))の時、金ナノ粒子周囲に生じる電場強度は、ほとんど金ナノ粒子一個の場合と同じになった。すなわち、図5(b)の2個の金ナノ粒子が隣接した場合に見られた、より強い電場強度増幅率の領域が見られなくなった。また、蛍光増強が得られる領域は、金ナノ粒子1個の場合とほとんど等しくなった。
FIG. 5 (c) shows the electric field intensity calculation results around the gold nanoparticles when the distance between the two gold nanoparticles is increased. When the distance between the
図5(b)と図5(c)の中間点である2r<d<4rでは、電場強度の増幅率や増幅率が高い範囲が、dの値が増加するに従って減少した。ここでは、直径50nmの金ナノ粒子を例に挙げて説明したが、50nm以外の直径の金ナノ粒子にも同様の電場強度増幅現象が見られた。2個の金ナノ粒子を近接した場合、電場増強増幅率の増加及び増幅領域の拡大が見られた。 At 2r <d <4r, which is an intermediate point between FIG. 5B and FIG. 5C, the electric field strength amplification factor and the range in which the amplification factor is high decreased as the value of d increased. Here, explanation was given by taking gold nanoparticles having a diameter of 50 nm as an example, but the same electric field intensity amplification phenomenon was also observed in gold nanoparticles having a diameter other than 50 nm. When two gold nanoparticles were brought close to each other, an increase in electric field-enhanced amplification factor and an expansion of the amplification region were observed.
電場増強が見られた領域で、蛍光増強が観察される。したがって、図5(a)に示すように半径rの金ナノ粒子が1個存在する場合には、蛍光分子と金ナノ粒子の中心との距離RがR≦2〜3r以内の場合に蛍光増強が得られる。一方で、図5(b)に示すように金ナノ粒子2個が隣接する場合には、蛍光分子と金ナノ粒子の重心との距離RがR≦6r以内の場合で蛍光増強が得られる。図5(c)に示したd=4rの場合、蛍光増強が得られる領域は、金ナノ粒子1個の場合とほとんど等しくなる。ここでは金ナノ粒子2個を用いた場合の計算結果を示したが、図6(a)(b)の上面図に示すように、金ナノ粒子3個及び4個を回転対称に配置した場合も同様に、金ナノ粒子1個の場合よりも強い電界強度増幅が見られ、かつ強い電場強度増幅の領域範囲の拡大が見られた。 Fluorescence enhancement is observed in the region where electric field enhancement is observed. Therefore, as shown in FIG. 5 (a), when there is one gold nanoparticle of radius r, the fluorescence enhancement occurs when the distance R between the fluorescent molecule and the center of the gold nanoparticle is within R ≦ 2-3r. Is obtained. On the other hand, when two gold nanoparticles are adjacent to each other as shown in FIG. 5B, fluorescence enhancement is obtained when the distance R between the fluorescent molecule and the center of gravity of the gold nanoparticles is within R ≦ 6r. In the case of d = 4r shown in FIG. 5 (c), the region where fluorescence enhancement is obtained is almost equal to the case of one gold nanoparticle. Here, the calculation results when two gold nanoparticles are used are shown. However, as shown in the top views of FIGS. 6 (a) and 6 (b), three and four gold nanoparticles are arranged rotationally symmetrically. Similarly, stronger electric field intensity amplification was observed than in the case of a single gold nanoparticle, and the region range of strong electric field intensity amplification was increased.
以上のメカニズムによって、複数の金属微粒子をプローブ分子の固定場に用いた場合には、検体分子を超高感度に蛍光検出することができ、生体分子検出素子としての大幅な感度向上が達成できる。 With the above mechanism, when a plurality of metal fine particles are used for the probe molecule fixation field, the analyte molecules can be detected with ultra-high sensitivity, and a significant improvement in sensitivity as a biomolecule detection element can be achieved.
また、用いる蛍光色素の種類に合わせてそれぞれ励起光で最大の蛍光増強効果が得られるよう金属微粒子の配置を構築することもできる。金属微粒子間の距離を変化させることによって、局在プラズモン共鳴波長がシフトする。この局在プラズモン共鳴波長と蛍光分子の励起波長が一致した時に、高い電場増強すなわち高い蛍光増強が得られる。したがって、用いる蛍光色素の種類に対して励起光とプラズモン共鳴波長を一致させるべく金属微粒子を配置すればよい。 In addition, the arrangement of the metal fine particles can be constructed so that the maximum fluorescence enhancement effect can be obtained with excitation light according to the type of fluorescent dye used. By changing the distance between the metal fine particles, the localized plasmon resonance wavelength is shifted. When the localized plasmon resonance wavelength and the excitation wavelength of the fluorescent molecule coincide, a high electric field enhancement, that is, a high fluorescence enhancement is obtained. Therefore, the metal fine particles may be arranged so that the excitation light and the plasmon resonance wavelength coincide with the type of fluorescent dye to be used.
また上の例では、金ナノ粒子を基板表面に2次元に並べたが、金ナノ粒子を凹凸ある表面に3次元的に配列しても良い。例えば、金ナノ粒子とシランカップリング剤の混入した溶液を用いて、ゾルゲル法により、金ナノ粒子が3次元的に密に配列した膜を形成しても強い蛍光増強場が得られる。あるいは、金のナノ形状を金の蒸着等を用いて形成しても同様の蛍光増強場が得られる。 In the above example, the gold nanoparticles are arranged two-dimensionally on the surface of the substrate, but the gold nanoparticles may be arranged three-dimensionally on an uneven surface. For example, using a solution in which gold nanoparticles and a silane coupling agent are mixed, a strong fluorescence enhancement field can be obtained even when a film in which gold nanoparticles are three-dimensionally densely formed is formed by a sol-gel method. Alternatively, the same fluorescence enhancement field can be obtained by forming gold nano-shapes using gold vapor deposition or the like.
上の例では,プローブ分子をプローブ分子固定用金属微粒子上に固定したが、プローブ分子を蛍光増強場用の金属微粒子上に固定しても蛍光増強効果が得られる。 In the above example, the probe molecule is immobilized on the metal fine particle for immobilizing the probe molecule. However, the fluorescence enhancement effect can be obtained even if the probe molecule is immobilized on the metal fine particle for the fluorescence enhancement field.
次に、前述の(1)〜(10)に述べた工程を経て作製した金属微粒子固定基板をDNAシーケンシングに用いる場合について説明する。DNAシーケンシングに用いる場合、図7に示すように、基板701の表面に、軸対称に固定された蛍光増強用金属微粒子702の群とプローブ分子固定用金属微粒子703を格子状に並べる。図7では金属ナノ粒子群をグリッド状に並べているが、格子状の格子とは正方格子、三角格子、六角格子、ハニカム型格子、長方形格子等の様々な形状の格子を指す。また、図7では、蛍光増強用の金属微粒子群とプローブ分子固定用の金属微粒子を全て直線上に並べているが、必ずしも一直線上に並べる必要はない。蛍光増強用の金属微粒子群の重心を通る線が基板に対して様々な角度を取るように形成しても良い。
Next, the case where the metal fine particle fixed substrate prepared through the steps described in the above (1) to (10) is used for DNA sequencing will be described. When used for DNA sequencing, as shown in FIG. 7, a group of fluorescence enhancing metal
(12) DNAシーケンシング評価:図8
まず、前述の(1)〜(8)に述べた工程によって、図7に示すように、蛍光増強用の金属微粒子群とプローブ分子固定用の金属微粒子を基板表面上にグリッド状に並べた。工程(2)において、電子線描画する際に、レジスト開口パターンを繰返しグリッド状に加工していく。工程(9)において、図8に示すように、配列解析対象となる単一分子DNA801を固定するためのプローブ分子802を基板701上に金属微粒子703を介して配列させる。702は軸対称に配置した蛍光増強用の金属微粒子である。プローブ分子を固定する際には、プローブ分子固定用の金属微粒子に対して一本のプローブ分子が固定するように、プローブ分子固定溶液の濃度を調整する。
(12) DNA sequencing evaluation: Fig. 8
First, as shown in FIG. 7, the group of fine particles for enhancing fluorescence and the fine metal particles for fixing probe molecules were arranged in a grid on the substrate surface by the steps described in the above (1) to (8). In step (2), when the electron beam is drawn, the resist opening pattern is repeatedly processed into a grid shape. In step (9), as shown in FIG. 8,
次に、配列解析対象の単一分子DNA801をプローブ分子802と1対1で反応させ基板に固定する。解析対象の単一分子DNA801をプローブ分子802と反応させる際の条件として、単一分子DNAを、NaCl等の塩を含む溶液に溶かし、この溶液とプローブ分子を固定したアレイ基板表面とを接触させる。反応温度は、通常、20℃〜80℃、反応時間は、通常1時間〜24時間程度である。解析対象の単一分子DNAとプローブ分子が反応するためには、プローブ分子は単一分子DNAとの反応サイトを持つ必要がある。例えば、解析対象の単一分子DNAがAAAAAAAAAといったPolyA配列を持つ場合、これと相補的な配列であるTTTTTTTT等のTが連続したPolyT配列を有するプローブ分子を使用する。
Next, the
次に、図7に示した格子間ピッチLの大きさについて述べる。DNAシーケンシングでは、背景技術で述べたように、蛍光強度を測定することによってDNA配列を読み取る。シーケンシング時には、固定されたある単一分子からの蛍光と、その分子と隣接する単一分子DNAからの蛍光を独立して測定する必要がある。したがって、ピッチLは、蛍光読取光学系の解像度と同等あるいはより大きい値とする必要がある。また、同じ理由によってCCDカメラ読取の1画素のサイズよりも大きい値とする必要がある。 Next, the size of the interstitial pitch L shown in FIG. 7 will be described. In DNA sequencing, as described in the background art, a DNA sequence is read by measuring fluorescence intensity. At the time of sequencing, it is necessary to independently measure the fluorescence from a fixed single molecule and the fluorescence from a single molecule DNA adjacent to the molecule. Therefore, the pitch L needs to be equal to or larger than the resolution of the fluorescence reading optical system. For the same reason, the value needs to be larger than the size of one pixel read by the CCD camera.
図9に示すように、プローブ分子802をプライマーとして、ポリメラーゼ904によるポリメラーゼ反応により、プローブ分子802の先端にヌクレオチド905を一塩基伸長させる。この反応時には、ヌクレオチドを、例えば、塩化マグネシウム等の塩を含む溶液に溶解し、この溶液を基板と接触させる。酵素であるポリメラーゼの失活を防止するため、ジチオスレイトール(DTT)やグリセロール、界面活性剤等を上記溶液に混合しても良い。図9に示すように、伸長したヌクレオチドには蛍光分子906を結合している。この蛍光分子からの蛍光を読み取ることで、ヌクレオチドが伸長したか否か、あるいは、伸長したヌクレオチドの種類、例えば、A,T,C,Gを判別する。
As shown in FIG. 9,
図10にシーケンシング読取システムを示す。このシステムでは、励起レーザー光1001を基板701の裏面から石英プリズム1002を通して全反射条件で入射させる。一塩基伸長時に、伸長したヌクレオチド905に結合した蛍光分子906を、全反射条件で入射したレーザー光のうち単一分子DNA801が固定された側に染み出したエバネッセント光によって励起する。生じた蛍光1010を、基板上面に載置した高感度CCDカメラ1011によって測定する。
FIG. 10 shows a sequencing reading system. In this system,
具体的な装置構成を図11に示す。基板701に全反射条件でレーザーを入射するためのレーザー光源1102、石英プリズム1002への入射角度を調整するためのミラー1104及びレンズ1105、及び入射光の強度を調整するためのフィルタ1106、蛍光分子から生じる蛍光を集光するための対物レンズ1107、蛍光分子からの蛍光のみを検出するためのフィルタ1108、CCDカメラ1011、シーケンシング反応を行うための試薬類である酵素や蛍光分子、ヌクレオチド等を供給するためのフローセル1110、フローセル内に供給する試薬の種類や量を調整するためのフローコントローラ1111、蛍光強度の経時変化データからDNA配列のシーケンシングを行うためのデータ解析システム1112によってシーケンシング装置が構成されている。
A specific apparatus configuration is shown in FIG. A
ポリメラーゼ反応でヌクレオチドが結合された後、例えば、ポリメラーゼによって取り込まれたヌクレオチドのリン酸基が切断される。この様子を図10を用いて説明する。蛍光分子がヌクレオチドのリン酸基の末端に結合している場合には、リン酸基の切断と共に、蛍光分子が解析対象の単一分子DNA801部から離れ除去される。除去された後に、別種類のヌクレオチドを反応させる。例えば、まずヌクレオチドAを含む溶液と基板を接触させ、ポリメラーゼ反応によってAが一塩基伸長した場合には、上記の読取システムによって蛍光が検出される。ヌクレオチドAが伸長しなかった場合には蛍光は検出されない。この測定結果から、蛍光が検出されたグリッドサイトでは、解析対象の単一分子DNAがAと相補的であるTを解析対象部分に持つことがわかる。一方、蛍光が検出されなかったグリッドサイトでは、解析対象部分にTを持たないことがわかる。次に例えばヌクレオチドCを含む溶液と基板を接触させた後に、蛍光を検出し、各グリッドサイトにおいて、単一分子DNAの解析対象部分にCと相補的なGを有するか否かを判別する。次に、ヌクレオチドTあるいはGを反応させる。これらの作業を繰り返すことで、各グリッドサイトに固定した単一分子DNAの配列を読み取る。あるいは、A,T,C, G4種類を含む溶液を基板と接触させ、これらのヌクレオチドが順次反応していく様子をリアルタイムに各点で読み取っても良い。
After the nucleotide is bound by the polymerase reaction, for example, the phosphate group of the nucleotide incorporated by the polymerase is cleaved. This will be described with reference to FIG. When the fluorescent molecule is bound to the end of the phosphate group of the nucleotide, the fluorescent molecule is removed away from the
ここでは、一塩基伸長に用いる試薬としてdNTPのリン酸部分に蛍光色素が標識された試薬を用いたが、プリン、ピリミジン部に蛍光色素が結合された試薬、あるいは3’OH末端に蛍光色素が結合された試薬を用いても同様に配列を解読することができる。 Here, as a reagent used for single-base extension, a reagent in which a fluorescent dye is labeled on the phosphate part of dNTP is used, but a reagent in which a fluorescent dye is bound to purine and pyrimidine moieties, or a fluorescent dye is attached to the 3′OH end. The sequence can be similarly deciphered using the bound reagent.
ここで重要なことは、蛍光増強用の金属微粒子群702の複合効果で、蛍光強度が増強されることである。その理由については (11)に述べた通りである。通常、単一蛍光分子からの蛍光を測定する際には、高感度に測定するために、励起光のパワー密度を上げ、検出系に光子を増幅するデバイスを用いる等の工夫が必要であり、蛍光励起及び検出系が大掛かりで複雑な系になる。しかし、本発明の蛍光増強効果を用いることで、蛍光検出系をコンパクトに設計することが可能になる。また、露光時間を大幅に短縮できるため、検出スループットを向上させることもできる。更には、検出領域のみ局所的に蛍光増強できるため、検出領域以外に非特異的に吸着した蛍光分子からのノイズ成分を増強させることなくシグナル成分のみ増強させることができる。
What is important here is that the fluorescence intensity is enhanced by the combined effect of the metal
本発明の金属微粒子固定基板を用いれば、S/N比高く検出できることから解析の正確性が各段に向上し、また、検出スループットも大幅に向上させることができる。更には、固定された解析対象DNAの場所(座標)が予めわかっているため、場所を特定するために行う工程、例えば、解析対象DNAに予め蛍光標識を付加させ、解析を始める前にこの蛍光をマッピングすることで解析対象DNAの場所を確認するといった工程を省略できる。 By using the metal fine particle fixed substrate of the present invention, detection can be performed with a high S / N ratio, so that the accuracy of analysis can be improved at each stage and the detection throughput can be greatly improved. Furthermore, since the location (coordinates) of the fixed DNA to be analyzed is known in advance, a step for identifying the location, for example, adding a fluorescent label to the DNA to be analyzed in advance, and before starting the analysis The step of confirming the location of the DNA to be analyzed can be omitted by mapping.
ここで、プローブ分子を固定するための固定サイトとして金属微粒子を用いたが、金属微粒子を介すことなく、プローブ分子を直接基板に固定しても良い。この場合、蛍光増強用金属微粒子を固定した後に、プローブ分子固定用の金属微粒子を固定するサイトにコーティングされたリンカー分子のアミノ基等を起点としてプローブ分子を固定する。例えば、アミノ基と反応する官能基であるイソチオシアネート基を両末端に持つ分子を反応させ、更に残ったイソチオシアネート基とアミノ基を末端に持つプローブ分子を反応させる。あるいはNHSエステル、エポキシ基、カルボキシル基、アルデヒド基を末端に持つプローブ分子をリンカー分子の官能基と直接反応させても良い。 Here, the metal fine particles are used as the fixing sites for fixing the probe molecules. However, the probe molecules may be directly fixed to the substrate without using the metal fine particles. In this case, after fixing the fluorescence enhancing metal fine particles, the probe molecules are fixed starting from the amino group of the linker molecule coated on the site where the metal fine particles for fixing the probe molecules are fixed. For example, a molecule having an isothiocyanate group that is a functional group that reacts with an amino group is reacted, and the remaining isothiocyanate group is reacted with a probe molecule having an amino group at the end. Alternatively, a probe molecule having an NHS ester, epoxy group, carboxyl group, or aldehyde group at the terminal may be directly reacted with a functional group of the linker molecule.
本発明を実施するための最良の形態では、2個の金属微粒子によって蛍光増強用の軸対称の金属微粒子群を形成したが、3個、4個の金属微粒子を回転対称に配置した金属微粒子群を形成した場合でも同様の蛍光増強効果が得られる。例えば,4個の金属微粒子を回転対称に並べ、プローブ分子固定用の金属微粒子を中心に載置すると,1検出スポットあたりの合計金属微粒子数は5個となる。また、金属微粒子をフラットな表面に固定した場合を示したが、金属微粒子が基板内に埋めこまれた金属微粒子3D分散形状を形成した場合でも同様に高い蛍光増強効果が得られる。 In the best mode for carrying out the present invention, a group of axially symmetrical metal particles for enhancing fluorescence is formed by two metal particles, but a group of metal particles in which three and four metal particles are arranged rotationally symmetrically. The same fluorescence enhancement effect can be obtained even when the is formed. For example, if four metal fine particles are arranged in a rotationally symmetrical manner and placed on the center of the metal fine particles for fixing probe molecules, the total number of metal fine particles per detection spot is five. Further, although the case where the metal fine particles are fixed on a flat surface is shown, a high fluorescence enhancement effect can be obtained in the same manner even when a metal fine particle 3D dispersion shape in which the metal fine particles are embedded in the substrate is formed.
本発明では、リソグラフィのプロセスを用いて担体基板表面にリンカー分子からなる規則的なドットパターンを形成し、このリンカー分子が保有する活性基と金属微粒子との結合を利用して、金属微粒子固定パターン基板を形成した。リソグラフィの方法としては電子線描画に限ったものではなく、電子線リソグラフィの代わりに近接場リソグラフィを用いることも可能である。但しその場合には、メンブレンマスクを電子線リソグラフィによって作製し、このマスクを用いたコンタクト露光によってレジスト加工を実行する。この場合、同じパターンであれば繰り返し高スループットで作製できるので、量産性の高いプロセスを達成できる。また、リンカー分子の規則的ドットパターンを、リソグラフィを用いることなくナノコンタクトプリント技術やナノインプリント技術を用いて行うことも可能である。あるいは、リソグラフィと金属薄膜形成技術を用いて金ナノパターンを形成しても良い。 In the present invention, a regular dot pattern consisting of a linker molecule is formed on the surface of a carrier substrate using a lithography process, and a bond between the active group possessed by the linker molecule and the metal fine particle is used to form a metal fine particle fixing pattern. A substrate was formed. The lithography method is not limited to electron beam lithography, and near-field lithography can be used instead of electron beam lithography. However, in that case, a membrane mask is produced by electron beam lithography, and resist processing is executed by contact exposure using this mask. In this case, since the same pattern can be repeatedly produced with high throughput, a process with high mass productivity can be achieved. It is also possible to perform a regular dot pattern of linker molecules using nanocontact printing technology or nanoimprinting technology without using lithography. Alternatively, the gold nanopattern may be formed using lithography and a metal thin film forming technique.
次に、本発明を実施例により詳細に説明するが、特にDNAマイクロアレイ及びDNAシーケンサに適用した例について説明する。なお本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、核酸、タンパク、糖鎖などのあらゆる生体分子の検出用として用いることのできる蛍光検出素子の性能向上に寄与する基本技術である。また本発明の蛍光検出素子は、生体分子の検出用に限定されるものではなく、環境ホルモン等の化学物質一般を蛍光法により検出する際に用いることもできる。 Next, the present invention will be described in detail with reference to examples, but examples in particular applied to DNA microarrays and DNA sequencers will be described. In addition, this invention is not limited to the following Example, It is a basic technique which contributes to the performance improvement of the fluorescence detection element which can be used for the detection of all biomolecules, such as a nucleic acid, protein, and a sugar chain. Further, the fluorescence detection element of the present invention is not limited to the detection of biomolecules, and can also be used when detecting chemical substances in general such as environmental hormones by the fluorescence method.
本実施例では、本発明の生体分子検出素子をDNAマイクロアレイに用いた場合の例を示す。以下に示した(工程1)から(工程8)によりDNAマイクロアレイを作製し、(工程9)でそのDNAマイクロアレイを用いてハイブリダイゼーション反応を行った。
(工程1)基板表面へのポジ型電子線レジストの塗布工程:図12(a)
担体基板1201として、平坦性の高い熱酸化膜100nm付き4インチSi基板を用いた。基板を0.1wt%のNaOH水溶液で洗浄し、更に0.1wt%のHCl水溶液で洗浄し、純水で充分すすいだ後に乾燥した。ここで、レジストとして用いたポジ型レジストは、主鎖切断型のレジストである。レジストをアニソールで希釈し、スピンコーターを用いてコーティングした。コーティング後、溶剤を除去するためにN2フロー中180℃、20minベークした。本実施例では、レジスト膜厚は充分薄く、かつEB加工による膜減りが見られない60nm膜厚(レジスト:アニソール=1:3希釈)とした。また、EB描画中の基板の帯電を防止するため、塗布したレジスト膜1202の上に導電性ポリマー(ポリイソチアナフテンスルホネート)溶液をコーティングした。この溶液は、導電性ポリマーをコロイド粒子にし、界面活性剤を用いて分散させたものである。同じスピンコーターを用いて導電性ポリマー1203をコーティングした後、溶剤を除去するためにN2フロー中で100℃、10minベークした。
In this example, an example in which the biomolecule detection element of the present invention is used in a DNA microarray is shown. A DNA microarray was prepared by the following (Step 1) to (Step 8), and a hybridization reaction was performed using the DNA microarray in (Step 9).
(Process 1) Application process of positive electron beam resist on substrate surface: FIG. 12 (a)
As the
(工程2)電子線描画及び現像による開口形成:図12(b)
電子線走査フィールド内ではx方向、y方向それぞれ60,000ステップに分割され、各ステップにてスポット径約2〜3nmの電子線をパルス照射する。どのステップ位置で電子線照射をするかを、CADソフトを用いて指定することにより、所望のパターンを形成する。電子線加工開口径は、固定させる金属微粒子と同等である必要がある。本実施例では、安定に固定でき、かつ蛍光増強効果を得ることができる直径30nmの金ナノ粒子を蛍光増強用の金ナノ粒子として用いた。また、直径15nmの金ナノ粒子をプローブ分子固定用の金ナノ粒子として用いた。直径30nmの金ナノ粒子を孤立固定できるよう、金ナノ粒子固定用のEB開口径をφ35nmとした。
(Step 2) Opening by electron beam drawing and development: FIG. 12 (b)
The electron beam scanning field is divided into 60,000 steps in each of the x and y directions, and an electron beam having a spot diameter of about 2 to 3 nm is pulsed at each step. A desired pattern is formed by designating the electron beam irradiation at which step position using CAD software. The electron beam machining opening diameter needs to be equivalent to the metal fine particles to be fixed. In this example, gold nanoparticles having a diameter of 30 nm that can be stably fixed and have a fluorescence enhancement effect were used as the gold nanoparticles for fluorescence enhancement. In addition, gold nanoparticles with a diameter of 15 nm were used as gold nanoparticles for probe molecule fixation. The EB opening diameter for fixing gold nanoparticles was set to φ35 nm so that gold nanoparticles with a diameter of 30 nm could be isolated and fixed.
本実施例で用いた描画パターンを図13に示す。φ35nm及びφ20nmのパターンを格子状にそれぞれ100nmピッチで並べた。この時、d’を55nm(約3.7r)とした。この描画パターンを200μm角のエリアに加工した。またこの200μm角の加工エリアを基板上に100点作成した。加工エリアは基板上に2mmピッチで格子状に並べた。フィールドサイズは150μm角とし、電子線ビーム電流5×10-11Aで電子線描画を行った。 FIG. 13 shows a drawing pattern used in this example. Patterns of φ35 nm and φ20 nm were arranged in a lattice pattern at a pitch of 100 nm. At this time, d ′ was 55 nm (about 3.7 r). This drawing pattern was processed into an area of 200 μm square. In addition, 100 200 μm square processing areas were created on the substrate. The processing areas were arranged in a grid pattern at a pitch of 2 mm on the substrate. The field size was 150 μm square, and electron beam drawing was performed with an electron beam current of 5 × 10 −11 A.
電子線照射によって主鎖が切断された部分を溶解する現像液として、n-アミルアセテートを用いた。最表面に導電性ポリマーが塗布されているため、まずこれを純水で除去し、次に、25℃、15秒n-アミルアセテート溶液に浸漬して現像後、リンス溶媒Methyl isobutyl ketone 89%/ Isopropyl alcohol 11%溶液でリンス洗浄した。これら一連のプロセスによって、直径30nmの蛍光増強用金ナノ粒子固定用の開口孔1204及び直径15nmのプローブ分子固定用の金ナノ粒子固定用開口孔1205を加工した。開口孔は電子顕微鏡で確認した。
N-amyl acetate was used as a developing solution for dissolving the portion of the main chain that was cut by electron beam irradiation. Since the conductive polymer is coated on the outermost surface, this is first removed with pure water, then immersed in an n-amyl acetate solution at 25 ° C. for 15 seconds, developed, and then rinsed with a rinsing solvent Methyl isobutyl ketone 89% / It was rinsed with an 11% solution of Isopropyl alcohol. Through these series of processes, the
(工程3)アミノ化層の形成(金属微粒子固定ドット):図12(c)
電子線レジスト開口パターンを形成した基板を、シランカップリング剤である3-アミノプロピルトリメトキシシラン(3-aminopropyltrimthoxysilane, APTMS)溶液に浸漬した。尚、APTMSを希釈する溶媒としてメタノールを用いた。反応温度は室温、反応時間は5分とし、反応後、メタノールで充分洗浄し乾燥した。この結果、開口孔底にAPTMSが吸着する。この基板を80℃で2hrアニールした。このアニールプロセスによって、APTMSと開口孔底のSiO2の間にシロキサン結合が形成され、開口孔底が安定にアミノ化される。一方、レジスト上にもAPTMSが吸着するため、レジスト上にもAPTMSが残留する。
(Step 3) Formation of an aminated layer (metal fine particle fixed dots): FIG. 12 (c)
The substrate on which the electron beam resist opening pattern was formed was immersed in a 3-aminopropyltrimthoxysilane (APTMS) solution that was a silane coupling agent. Methanol was used as a solvent for diluting APTMS. The reaction temperature was room temperature and the reaction time was 5 minutes. After the reaction, the product was thoroughly washed with methanol and dried. As a result, APTMS is adsorbed on the bottom of the opening hole. This substrate was annealed at 80 ° C. for 2 hours. By this annealing process, a siloxane bond is formed between APTMS and the SiO 2 at the bottom of the aperture, and the aperture bottom is stably aminated. On the other hand, since APTMS is adsorbed on the resist, APTMS remains on the resist.
(工程4)蛍光増強用金ナノ粒子の固定:図12(d)
直径が30nmの金ナノ粒子表面全面にNHSエステルをコーティング1207した。具体的には、片側の末端に金と反応するチオール基を持ち、もう片方の末端にNHSエステルを有する分子を用いて金ナノ粒子全面をコーティングした。次に、開口孔底部をアミノ化した基板に、コーティングを施した金ナノ粒子クエン酸溶液を作用させた。反応温度は室温であり、反応時間は20時間である。この時、金ナノ粒子は表面NHSエステルと表面のアミノ基が反応してアミド結合を形成し金ナノ粒子1206が固定される。金ナノ粒子を反応させた後、充分純水洗浄した。
(Step 4) Immobilization of gold nanoparticles for fluorescence enhancement: FIG. 12 (d)
The entire surface of the gold nanoparticle having a diameter of 30 nm was coated with
(工程5)プローブDNA固定用の金ナノ粒子固定:図12(e)
基板に、直径が15nmの金ナノ粒子クエン酸溶液を作用させた。反応温度は室温であり、反応時間は20時間である。金ナノ粒子表面はクエン酸で覆われ負電荷を持つ。一方、アミノ化された表面は正電荷を持つため、金ナノ粒子は表面のアミノ基と引き合い、金ナノ粒子1208が固定される。金ナノ粒子を反応させた後、充分純水洗浄した。
(Step 5) Immobilization of gold nanoparticles for probe DNA immobilization: FIG. 12 (e)
A gold nanoparticle citric acid solution having a diameter of 15 nm was allowed to act on the substrate. The reaction temperature is room temperature and the reaction time is 20 hours. The gold nanoparticle surface is covered with citric acid and has a negative charge. On the other hand, since the aminated surface has a positive charge, the gold nanoparticle attracts the surface amino group, and the
(工程6)レジスト剥離:図12(f)
基板をジメチルアセトアミドに3分浸漬させ、レジストを除去した。この際、レジスト上に付着した金ナノ粒子が基板に再付着しないよう、充分量のジメチルアセトアミドを使用した。ジメチルアセトアミドに浸漬後、エタノール洗浄と純水洗浄を充分に行った。このプロセスによって、レジスト上に吸着された金ナノ粒子もリフトオフされ、開口部に固定された金ナノ粒子のみが残留する。
(Step 6) Resist peeling: FIG. 12 (f)
The substrate was immersed in dimethylacetamide for 3 minutes to remove the resist. At this time, a sufficient amount of dimethylacetamide was used so that the gold nanoparticles adhered on the resist did not reattach to the substrate. After immersion in dimethylacetamide, ethanol washing and pure water washing were sufficiently performed. By this process, the gold nanoparticles adsorbed on the resist are also lifted off, and only the gold nanoparticles fixed in the openings remain.
(工程7)吸着阻害分子層の固定:図12(g)
金ナノ粒子30nmを格子状に配列させた基板をエタノールに浸漬し乾燥後、エポキシ基をコーティングした。Diisopropylethylamine 0.8%が添加された3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane(GOPS) 7.7%の脱水トルエン溶液中で、上記基板を85℃下で2hr反応させることによってエポキシ基を金ナノ粒子が固定されていない領域にコーティングした。反応後、脱水トルエン及びエタノールで洗浄し乾燥させた。
(Step 7) Immobilization of adsorption-inhibiting molecular layer: FIG. 12 (g)
A substrate on which
(工程8)プローブDNAの固定:図12(h)
工程6及び7でエポキシ基をコーティングした基板をエタノール洗浄した後、基板表面とチオール基を末端に持つ50mer 1本鎖プローブDNA溶液を金ナノ粒子コーティング領域であるそれぞれ200μm角エリアにスポッティングした。用いたDNAの塩基配列は1種類であり、1種類のプローブDNA(1209)を100点にスポットした。その5’末端側からの塩基配列を下記に示す。
AGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
(Step 8) Immobilization of probe DNA: FIG. 12 (h)
After the substrates coated with epoxy groups in Steps 6 and 7 were washed with ethanol, a 50-mer single-stranded probe DNA solution having a substrate surface and a thiol group at the end was spotted on each 200 μm square area as a gold nanoparticle coating region. The DNA used had one type of base sequence, and one type of probe DNA (1209) was spotted at 100 points. The base sequence from the 5 ′ end side is shown below.
AGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
プローブDNA反応溶液は、チオール基を5’末端に持つ50mer 1本鎖DNAを1M Phosphate buffer (pH 6.7)に溶解した溶液である。このプローブDNA反応溶液とプローブ固定用の金ナノ粒子を室温24hr、100%湿度下で反応させた後、2×SSC、0.1%SDS溶液ですすぎ、純水で2回洗浄した後に乾燥した。 Probe DNA The reaction solution is a solution that dissolve the 50 mer 1-stranded DNA in 1M Phosphate buffer (pH 6.7) having a thiol group at the 5 'end. The probe DNA reaction solution and the gold nanoparticles for probe fixation were reacted at room temperature for 24 hours under 100% humidity, rinsed with 2 × SSC, 0.1% SDS solution, washed twice with pure water, and dried.
(工程9)ハイブリダイゼーション
プローブDNAを固定した基板に、プローブDNAと完全相補的な配列をもち、3’末端に蛍光分子Cy3を標識した一本鎖のターゲットDNAをハイブリダイゼーションさせた。ハイブリダイゼーション溶液として5×SSC(Standard Saline Citrate)と0.5%SDS溶液Sodium Dodecyl Sulphate)の混合液を用いた。ターゲットDNA量を0.1amolから1fmol まで変化させ、それぞれ42℃で20時間ハイブリダイゼーションさせた。その後、2×SSC、0.1%SDS溶液、2×SSC溶液で洗浄を行い、乾燥した。乾燥させた基板表面に対し、蛍光スキャナーを用いて励起光を入射し、表面からの蛍光強度を測定した。励起レーザー光の波長は532nmであり、このレーザー光をスポットエリアでスキャンさせた。発生した蛍光を光電子倍増管で検出した。測定した蛍光強度はハイブリダイゼーション反応したターゲットDNA量に比例するものである。
(Step 9) Hybridization A single-stranded target DNA having a sequence completely complementary to the probe DNA and labeled with the fluorescent molecule Cy3 at the 3 ′ end was hybridized on the substrate on which the probe DNA was immobilized. As a hybridization solution, a mixture of 5 × SSC (Standard Saline Citrate) and 0.5% SDS solution (Sodium Dodecyl Sulphate) was used. The amount of target DNA was changed from 0.1 amol to 1 fmol, and hybridization was performed at 42 ° C. for 20 hours, respectively. Then, it was washed with 2 × SSC, 0.1% SDS solution and 2 × SSC solution and dried. Excitation light was incident on the dried substrate surface using a fluorescence scanner, and the fluorescence intensity from the surface was measured. The wavelength of the excitation laser beam was 532 nm, and this laser beam was scanned in the spot area. The generated fluorescence was detected with a photomultiplier tube. The measured fluorescence intensity is proportional to the amount of target DNA subjected to the hybridization reaction.
一方、Si基板上に一般的な従来からある1本鎖DNAの固定方法で、プローブDNAを固定した基板を作製した。Si基板を上記(工程1)に示した方法と同様に洗浄した後に、(工程3)に示した方法でシランカップリング剤であるAPTMSを全面にコーティングし基板表面をアミノ化した。その後に、末端のアミノ基に、イソチオシアナート基を有するPDC(phenylenediisothiocyanate)を反応させた。更に、このイソチオシアナート基とアミノ基を5’末端に持つプローブDNAを反応させ固定した。用いたプローブDNAの配列は、(工程8)で示したDNA配列と同じである。プローブDNAを反応させる際に用いた反応溶液は、弱アルカリの炭酸バッファにプローブDNAを1μM溶解させた溶液である。この溶液をイソチオシアナート化した基板にスポットした。スポット点数は100点であり、スポット径は200μmφである。室温24hr、100%湿度下で反応させた後、基板を2×SSC、0.1%SDS溶液ですすぎ、純水で2回洗浄した後に乾燥した。この基板を前述した方法で蛍光分子付きのターゲットDNAとハイブリダイゼーションさせた後に、蛍光強度を測定した。 On the other hand, a substrate on which a probe DNA was immobilized was prepared by a conventional single-stranded DNA immobilization method on a Si substrate. After cleaning the Si substrate in the same manner as in the above (Step 1), the surface of the substrate was aminated by coating APTMS as a silane coupling agent by the method shown in (Step 3). Thereafter, PDC (phenylenediisothiocyanate) having an isothiocyanate group was reacted with the terminal amino group. Further, this isothiocyanate group and probe DNA having an amino group at the 5 'end were reacted and immobilized. The sequence of the probe DNA used is the same as the DNA sequence shown in (Step 8). The reaction solution used when the probe DNA was reacted was a solution in which 1 μM of the probe DNA was dissolved in a weak alkaline carbonate buffer. This solution was spotted on an isothiocyanated substrate. The number of spot points is 100, and the spot diameter is 200 μmφ. After reacting at room temperature for 24 hours and 100% humidity, the substrate was rinsed with 2 × SSC, 0.1% SDS solution, washed twice with pure water, and then dried. After the substrate was hybridized with the target DNA with fluorescent molecules by the method described above, the fluorescence intensity was measured.
蛍光強度の平均値とターゲットDNA量の関係を図14に示す。その結果、蛍光増強用金ナノ粒子群を固定した本発明のアレイでは従来アレイに比べて検出感度が向上した。従来のアレイでは、100amolが検出限界であるのに対し、蛍光増強用金ナノ粒子群を固定したアレイでは0.1amol以下のDNAを検出できる。これは、固定した金ナノ粒子群によって大きな電界強度増幅が得られ、より大きな蛍光増強効果を得ることができるためである。 FIG. 14 shows the relationship between the average value of fluorescence intensity and the amount of target DNA. As a result, the detection sensitivity of the array of the present invention in which the gold nanoparticle group for fluorescence enhancement was fixed was improved as compared with the conventional array. In the conventional array, 100 amol is the detection limit, whereas in the array in which the fluorescence enhancement gold nanoparticle group is fixed, DNA of 0.1 amol or less can be detected. This is because large electric field intensity amplification can be obtained by the fixed gold nanoparticle group, and a larger fluorescence enhancement effect can be obtained.
更に、プローブDNAと、そのプローブDNAに完全相補的な配列を持つターゲットDNAの長さを変化させた時の蛍光検出結果を図15に示す。ターゲットDNAの5’末端に蛍光標識を修飾しているため、ターゲットDNAの長さを変化させると、蛍光分子と蛍光増強用金ナノ粒子群の重心との距離が変わる。その結果、金ナノ粒子群の重心と蛍光分子の距離が60 nm (4r)以内では大きな蛍光増強を持ち、90nm(6r)以内でも増強効果を持つことがわかった。 Further, FIG. 15 shows the fluorescence detection results when the lengths of the probe DNA and the target DNA having a sequence completely complementary to the probe DNA are changed. Since the fluorescent label is modified at the 5 'end of the target DNA, changing the length of the target DNA changes the distance between the fluorescent molecule and the center of gravity of the fluorescence enhancing gold nanoparticle group. As a result, it was found that when the distance between the center of gravity of the gold nanoparticle group and the fluorescent molecule was within 60 nm (4r), the fluorescence was greatly enhanced, and even within 90 nm (6r).
本実施例では、本発明の生体分子検出素子をDNAシーケンシングに用いた例を示す。DNAシーケンシングを行うために、実施例1に示した工程1から工程8に従ってDNAシーケンシング基板を作製した。
In this example, an example in which the biomolecule detection element of the present invention is used for DNA sequencing is shown. In order to perform DNA sequencing, a DNA sequencing substrate was prepared according to
本実施例の場合、基板にSi基板ではなく石英基板を用いた。工程2の電子線描画及び現像による開口形成において、図16に示すように、蛍光増強用の直径30nmの金ナノ粒子を配置するためのφ35nmの加工パターン及びプローブDNA固定用の直径15nmの金ナノ粒子を配置するためのφ20nmの開口パターンを格子状に1μmピッチで並べた。このパターンにより金ナノ粒子群を1μmピッチ格子状に配置した。この場合、蛍光強度を検出するCCDカメラの1画素を1μm角とすると、シーケンシング時に、一画素でDNA一分子からの蛍光信号を読み取ることができる。画素数をより細かくし、例えば4画素でDNA一分子からの蛍光信号を読み取る、あるいは9画素でDNA一分子からの蛍光信号を読み取っても良い。
In this example, a quartz substrate was used instead of a Si substrate. In the opening formation by electron beam drawing and development in
工程8で固定するプローブDNAとして、図17に示すように、5’末端にチオール基を持ち、かつT配列を20連続で持つ(TTTTT TTTTT TTTTT TTTTT (PolyT 20mer)オリゴヌクレオチド1702を用いた。この場合、このオリゴヌクレオチド末端のチオール基と金ナノ粒子を結合させることによって、オリゴヌクレオチドを固定する。
As the probe DNA to be immobilized in Step 8, as shown in FIG. 17, an
その後、解析対象となるDNA(1703)をプローブDNAにハイブリダイゼーションさせる。具体的には、解析対象のDNAとして、3’末端からA配列を連続で持ち、下記の配列を持つDNA(1703)をハイブリダイゼーションさせた(図17参照)。
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
Thereafter, the DNA to be analyzed (1703) is hybridized to the probe DNA. Specifically, as the DNA to be analyzed, DNA (1703) having A sequence continuously from the 3 ′ end and having the following sequence was hybridized (see FIG. 17).
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAGTCGAGCGGTAGCACAGAGAGCTTGCTCTCGGGTGACGAGCGGCGGACG
次に、プローブDNAである上記PolyT20mer配列をプライマーとして、解析対象DNAのシーケンシングを行った。作製した金ナノ粒子アレイ基板と、ヌクレオチド3リン酸のリン酸基末端に蛍光標識であるCy3(1705)を持つ4種類のヌクレオチド(1704)を、ポリメラーゼを用いて反応させた。反応時に用いた反応溶液は、10mM Tris-HCl、5mM MgCl2溶液である。ヌクレオチドの濃度は1μMである。ポリメラーゼ反応によって、DNAの塩基配列と相補的な塩基を持つヌクレオチドがDNAに結合する。本実施例の場合、ヌクレオチドCを溶解した溶液と基板を反応させた場合、ヌクレオチドCが結合する。これは、ヌクレオチドCが解析対象DNA配列中のPolyA配列に隣接するGに結合するからである。 Next, the DNA to be analyzed was sequenced using the above PolyT20mer sequence, which is the probe DNA, as a primer. The prepared gold nanoparticle array substrate was reacted with four types of nucleotides (1704) having fluorescent label Cy3 (1705) at the phosphate group end of nucleotide triphosphate using a polymerase. The reaction solution used during the reaction was a 10 mM Tris-HCl, 5 mM MgCl 2 solution. The nucleotide concentration is 1 μM. By the polymerase reaction, nucleotides having a base complementary to the base sequence of DNA bind to DNA. In the case of this example, when a solution in which nucleotide C is dissolved is reacted with the substrate, nucleotide C is bound. This is because nucleotide C binds to G adjacent to the PolyA sequence in the DNA sequence to be analyzed.
図10及び図11に示した蛍光検出系を用いて、ポリメラーゼ反応過程における蛍光画像を取得する。蛍光の強度は基板上面から高感度CCDカメラで測定した。検出する際に蛍光分子の励起光を全反射条件で当てると、蛍光分子付きヌクレオチドC(1704)が結合したサイトから蛍光が検出される。ヌクレオチドがDNAに結合すると、ポリメラーゼによって取り込まれたヌクレオチドのリン酸基が切断される。これによって、そのリン酸基の末端に結合していた蛍光分子が測定対象DNA部から除去される。次に、ヌクレオチドAを溶解した溶液と基板を反応させた場合、ヌクレオチドCの結合点の隣のTにヌクレオチドAが結合する。結合した際に、蛍光を検出することができる。次に、ヌクレオチドTを溶解した溶液と基板を反応させた場合、ヌクレオチドTはDNAに結合しない。DNA側の次の結合サイトはCであり、ヌクレオチドTとは相補的でないため、ヌクレオチドTが結合せずに蛍光が検出されないことを確認した。 Using the fluorescence detection system shown in FIGS. 10 and 11, a fluorescence image in the polymerase reaction process is acquired. The fluorescence intensity was measured from the top surface of the substrate with a high sensitivity CCD camera. When excitation light of a fluorescent molecule is applied under total reflection conditions at the time of detection, fluorescence is detected from the site where nucleotide C (1704) with fluorescent molecule is bound. When the nucleotide binds to the DNA, the phosphate group of the nucleotide incorporated by the polymerase is cleaved. As a result, the fluorescent molecule bound to the end of the phosphate group is removed from the DNA portion to be measured. Next, when the substrate is reacted with a solution in which nucleotide A is dissolved, nucleotide A binds to T adjacent to the binding point of nucleotide C. Upon binding, fluorescence can be detected. Next, when the substrate is reacted with a solution in which nucleotide T is dissolved, nucleotide T does not bind to DNA. Since the next binding site on the DNA side is C and is not complementary to nucleotide T, it was confirmed that nucleotide T did not bind and fluorescence was not detected.
これらの手順を繰返し、各グリッドにおいて、同様にDNA配列を読むことが可能であった。すなわち、個々のDNA固定サイトからの蛍光信号を他DNAサイトからの信号と分離して検出でき、無効になるDNAを生じさせることなく、繰返しDNAの配列を読むことが可能であった。 These procedures were repeated and it was possible to read the DNA sequence in each grid as well. That is, fluorescence signals from individual DNA fixing sites can be detected separately from signals from other DNA sites, and it was possible to read the DNA sequence repeatedly without producing ineffective DNA.
本実施例では、一塩基伸長に用いる試薬としてdNTPのリン酸部分に蛍光色素が標識された試薬を用いたが、プリン、ピリミジン部に蛍光色素が結合された試薬、あるいは3’OH末端に蛍光色素が結合された試薬を用いても同様の効果が得られる。 In this example, a reagent in which a fluorescent dye is labeled on the phosphate portion of dNTP was used as a reagent for single base extension, but a reagent in which a fluorescent dye is bound to a purine or pyrimidine moiety, or a fluorescence at the 3′OH end. The same effect can be obtained by using a reagent to which a dye is bound.
また、図17の状態で蛍光検出した時の結果を図18に示す。検出蛍光強度は、金ナノ粒子を固定しない従来方法で測定した場合に比べて、高くなった。これは金ナノ粒子群による蛍光増強効果によって、蛍光強度が大幅に増加したためである。したがって、本発明の素子を用いることでより高感度にシーケンシングを行うことができる。あるいは、簡易な蛍光検出系を用いてシーケンシングを行うことができる。更に露光時間を減少させることで高スループット検出が可能になる。 Further, FIG. 18 shows the result when fluorescence is detected in the state of FIG. The detected fluorescence intensity was higher than that measured by a conventional method in which gold nanoparticles were not immobilized. This is because the fluorescence intensity is greatly increased by the fluorescence enhancement effect of the gold nanoparticle group. Therefore, it is possible to perform sequencing with higher sensitivity by using the element of the present invention. Alternatively, sequencing can be performed using a simple fluorescence detection system. Further, high throughput detection is possible by reducing the exposure time.
本発明は、DNAやmRNAの定量解析を行うDNAマイクロアレイや、DNA又はmRNAの配列を読むDNAシーケンシング、蛋白質を分析するプロテインチップとして適用できる。更には、生体分子に限らず一般的な化学物質を蛍光法を用いて検出する際の検出素子に適用できる。 The present invention can be applied as a DNA microarray for quantitative analysis of DNA and mRNA, DNA sequencing for reading DNA or mRNA sequences, and a protein chip for analyzing proteins. Furthermore, the present invention is applicable not only to biomolecules but also to detection elements for detecting general chemical substances using a fluorescence method.
101:担体基板、102:蛍光増強用金属微粒子固定ドット、103:プローブ分子固定用金属微粒子固定ドット、104:蛍光増強用金属微粒子、105:プローブ分子固定用金属微粒子、106:プローブ分子、107:吸着阻害層、108:軸、201:担体基板、202:電子線レジスト、203:蛍光増強用金属微粒子固定のためのレジスト開口部、204:プローブ分子固定用金属微粒子固定のためのレジスト開口部、205:蛍光増強用金属微粒子、206:反応阻止層、207:プローブ分子固定用金属微粒子、304:プローブDNA、305:蛍光分子、306:ターゲットDNA、307:相補的水素結合、401:金ナノ粒子、402:ガラス基板、403:レーザー光、404:水、405:エバネッセント光の電界方向、503:電界強度が高い領域、504:電界強度が503領域以下であるが高い領域、505:電界強度が504領域以下であるが高い領域、507:電界強度が高い領域、508:電界強度が507領域以下であるが高い領域、509:電界強度が508領域以下であるが高い領域、510:電界強度が509領域以下であるが高い領域、701:ガラス基板、702:蛍光増強用金属微粒子、703:プローブ分子固定用金属微粒子、801:配列解析(シーケンシング)対象DNA、802:プローブ分子、904:ポリメラーゼ、905:ヌクレオチド、906:蛍光分子、1001:励起レーザー光、1002:プリズム、1010:蛍光、1011:CCDカメラ、1102:レーザー光源、1104:ミラー、1105:レンズ、1106:フィルタ、1107:対物レンズ、1108:フィルタ、1110:フローセル、1111:フローコントローラ、1112:データ解析システム、1201:基板、1202:電子線レジスト、1203:導電性ポリマー、1204:蛍光増強用金ナノ粒子固定のためのレジスト開口部、1205:プローブ分子固定用金ナノ粒子固定のためのレジスト開口部、1206:蛍光増強用金ナノ粒子、1207:反応阻止層、1208:プローブ分子固定用金ナノ粒子、1208:プローブ分子、1601:基板、1602:蛍光増強用金ナノ粒子固定のためのレジスト開口部、1603:プローブ分子固定用金ナノ粒子固定のためのレジスト開口部、1701:金ナノ粒子、1702:プローブ分子Poly T連続20配列、1703:解析対象単一分子DNA、1704:ヌクレオチドC、1705:蛍光分子Cy3 101: carrier substrate, 102: metal fine particle fixed dot for fluorescence enhancement, 103: metal fine particle fixed dot for probe molecule fixation, 104: metal fine particle for fluorescence enhancement, 105: metal fine particle for probe molecule fixation, 106: probe molecule, 107: Adsorption inhibition layer, 108: shaft, 201: carrier substrate, 202: electron beam resist, 203: resist opening for fixing metal particles for fluorescence enhancement, 204: resist opening for fixing metal particles for probe molecule fixation, 205: Metal fine particles for fluorescence enhancement, 206: Reaction blocking layer, 207: Metal fine particles for immobilizing probe molecules, 304: Probe DNA, 305: Fluorescent molecules, 306: Target DNA, 307: Complementary hydrogen bonding, 401: Gold nanoparticles 402: Glass substrate, 403: Laser light, 404: Water, 405: Evanescent light electric field direction 503: region with high electric field strength, 504: region with electric field strength of 503 region or less but high, 505: region with electric field strength of 504 region or less but high, 507: region with high electric field strength, 508: electric field strength 507 region or less but high region, 509: electric field strength of 508 region or less but high region, 510: electric field strength of 509 region or less but high region, 701: glass substrate, 702: fluorescence enhancement metal fine particles, 703: Metal fine particles for probe molecule fixation, 801: DNA for sequence analysis (sequencing), 802: Probe molecule, 904: Polymerase, 905: Nucleotide, 906: Fluorescent molecule, 1001: Excitation laser beam, 1002: Prism, 1010: Fluorescence, 1011: CCD camera, 1102: laser light source, 1104: mirror, 1105: lens, 106: filter, 1107: objective lens, 1108: filter, 1110: flow cell, 1111: flow controller, 1112: data analysis system, 1201: substrate, 1202: electron beam resist, 1203: conductive polymer, 1204: gold for fluorescence enhancement Resist opening for fixing nanoparticles 1205: Resist opening for fixing gold nanoparticles for fixing probe molecules, 1206: Gold nanoparticles for enhancing fluorescence, 1207: Reaction blocking layer, 1208: Gold nanoparticles for fixing probe molecules Particles, 1208: Probe molecules, 1601: Substrate, 1602: Resist opening for fixing gold nanoparticles for fluorescence enhancement, 1603: Resist opening for fixing gold nanoparticles for fixing probe molecules, 1701: Gold nanoparticles, 1702: Probe molecule Poly T continuous 20 sequences, 1703: Analysis Elephant single molecule DNA, 1704: nucleotide C, 1705: fluorescent molecule Cy3
Claims (18)
それぞれが複数の前記金属微粒子とプローブ分子とを含む検出スポットが複数設けられ、
各検出スポットは、中心間距離dが 2r≦d≦4r を満たすように隣接配置された複数の前記金属微粒子と、当該隣接配置された複数の金属微粒子によって囲まれた領域内に固定されたプローブ分子とを含むことを特徴とする生体分子検出素子。 A plurality of metal microparticles and probe molecules having a radius r capable of obtaining a fluorescence enhancement effect are regularly arranged on the surface of the substrate,
A plurality of detection spots each including a plurality of the metal fine particles and probe molecules are provided,
Each detection spot includes a plurality of the metal fine particles arranged adjacent to each other so that the center distance d satisfies 2r ≦ d ≦ 4r, and a probe fixed in a region surrounded by the plurality of metal fine particles arranged adjacent to each other A biomolecule detection element comprising a molecule.
基板表面に金属微粒子を固定する工程と、
前記基板表面に吸着阻害分子を固定する工程と、
前記金属微粒子にプローブ分子を固定する工程と、
を有することを特徴とする生体分子検出素子の製造方法。 A plurality of metal fine particles with a radius r and a probe molecule that can obtain a fluorescence enhancement effect are regularly arranged on the substrate surface, and a plurality of the metal fine particles arranged adjacent to each other so that the center distance d satisfies 2r ≦ d ≦ 4r; In the method of manufacturing a biomolecule detection element having a plurality of detection spots including probe molecules fixed in a region surrounded by the plurality of metal particles arranged adjacent to each other,
Fixing metal particles on the substrate surface;
Immobilizing adsorption-inhibiting molecules on the substrate surface;
Immobilizing probe molecules on the metal fine particles;
A method for producing a biomolecule detection element, comprising:
前記生体分子検出素子の前記プローブ分子と蛍光標識された試料生体分子とを反応させる工程と、
反応後の生体分子検出素子に励起光を照射する工程と、
前記プローブ分子が固定された領域から発生する蛍光を検出する工程と
を有することを特徴とする生体分子検出方法。 A plurality of metal microparticles and probe molecules having a radius r capable of obtaining a fluorescence enhancement effect on the substrate surface are regularly arranged, and the plurality of metal microparticles are arranged adjacently so that the center distance d satisfies 2r ≦ d ≦ 4r, Using a biomolecule detection element in which the probe molecule is within a distance of 6r from the center of gravity of the plurality of metal particles arranged adjacent to each other,
Reacting the probe molecule of the biomolecule detecting element with a fluorescently labeled sample biomolecule;
Irradiating the biomolecule detection element after the reaction with excitation light;
And a step of detecting fluorescence generated from a region where the probe molecule is fixed.
前記生体分子検出素子の前記プローブ核酸分子と被シーケンシング核酸分子とを反応させる工程と、
前記被シーケンシング核酸分子に、蛍光標識されたヌクレオチドを反応させる工程と、
前記生体分子素子に励起光を照射する工程と、
前記標識されたヌクレオチドから発生する蛍光を検出する工程と
を有することを特徴とする生体分子検出方法。 A plurality of metal microparticles having a radius r and a probe nucleic acid molecule capable of obtaining a fluorescence enhancement effect are regularly arranged on the substrate surface, and the plurality of metal microparticles are arranged adjacent to each other so that the center distance d satisfies 2r ≦ d ≦ 4r. Using a biomolecule detection element in which the probe nucleic acid molecule is within a distance of 6r from the center of gravity of the plurality of metal fine particles arranged adjacent to each other,
Reacting the probe nucleic acid molecule and the nucleic acid molecule to be sequenced of the biomolecule detection element;
Reacting the sequenced nucleic acid molecule with a fluorescently labeled nucleotide;
Irradiating the biomolecular element with excitation light;
And a step of detecting fluorescence generated from the labeled nucleotide.
基板表面に蛍光増強効果が得られる半径rの金属微粒子とプローブ核酸分子とが規則的に複数配列され、中心間距離dが2r≦d≦4r を満たすように複数の前記金属微粒子が隣接配置され、前記プローブ核酸分子が前記隣接配置された複数の金属微粒子の重心点から距離6r以内にあり、前記プローブ核酸分子に被シーケンシング核酸分子を固定した生体分子検出素子を保持する保持部と、
前記生体分子検出素子にシーケンシングに必要な試薬を供給するためのフローセルと、
前記生体分子検出素子に励起光を照射する照射系と、
前記生体分子検出素子からの蛍光を検出する検出系と、
蛍光検出データからシーケンシングを行うためのデータ解析系と
を有することを特徴とするシーケンシング装置。 In a sequencing apparatus that performs sequencing of nucleic acid molecules using a biomolecule detection element,
A plurality of metal microparticles having a radius r and a probe nucleic acid molecule capable of obtaining a fluorescence enhancement effect are regularly arranged on the substrate surface, and the plurality of metal microparticles are arranged adjacent to each other so that the center distance d satisfies 2r ≦ d ≦ 4r. A holding unit for holding a biomolecule detection element in which the probe nucleic acid molecule is within a distance of 6r from the center of gravity of the plurality of adjacently arranged metal fine particles, and the nucleic acid molecule to be sequenced is fixed to the probe nucleic acid molecule;
A flow cell for supplying reagents necessary for sequencing to the biomolecule detection element;
An irradiation system for irradiating the biomolecule detection element with excitation light;
A detection system for detecting fluorescence from the biomolecule detection element;
And a data analysis system for performing sequencing from fluorescence detection data.
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