WO2005040797A1

WO2005040797A1 - 給電用配線が延設されたバイオアッセイ用基板

Info

Publication number: WO2005040797A1
Application number: PCT/JP2004/015967
Authority: WO
Inventors: Akira Yoshio
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-05-06
Also published as: EP1679515A1; CN1871514A; JP2005127945A; JP4206900B2; US20070077644A1; EP1679515A4

Abstract

円盤状基板上に多数配列される反応領域に付設される電極に対する給電用配線構成の提供。基板（Ａ）上に多数配設された物質間の相互作用の場となる反応領域（Ｒ）に設けられた電極に対して、前記基板中心部に設けられた通電部（Ｕ）から前記電極への給電用配線である、前記通電部（Ｕ）から基板外周方向へ導出された第一配線（１）と、該第一配線から枝分れした第二配線（２）と、該第二配線からさらに枝分れした第三配線（３）と、を設けておき、前記通電部（Ｕ）からこれらの給電用配線（１，２，３）を介して前記電極に印加し、前記反応領域（Ｒ）に電界を形成する。

Description

給電用配線が延設されたバイオアッセィ用基板技術分野

本発明は、円盤状基板からな明る DN Aチップその他のバイオアッセィ用基板に関する。より詳しくは、円盤状基板の所定箇所に設けられた通電部から基板上に配設された各反応領域書中の電極に対して延設される給電用配線構成、特に前記反応領域周辺の給電用配線構成に係わる技術に関する。背景技術

本発明に関する第一の従来技術は、マイクロアレイ技術によって所定の DNAが微細配列された、いわゆる DNAチップ又は DNAマイクロアレイ（以下、「DNAチップ」と総称。 ) と呼ばれるバイオアツセィ用の集積基板に関する技術である。この DNAチップ技術は、ガラス基板ゃシリコン基板上に多種 ·多数の DN Aオリゴ鎖ゃ c DNA

(complementary DNA) 等が集積されていることから、ハイブリダィゼーション等の分子間相互反応の網羅的解析が可能となる点が特徴とされている（特許文献 1 (特表平 4一 5 0 5 7 6 3号公報）、特許文献 2 (特表平 1 0— 5 0 3 8 4 1号公報）など参照）。このため DN Aチップは、遺伝子の変異解析、 S NP s (—塩基多型）分析、遺伝子発現頻度解析等に利用されており、創薬、臨床診断、薬理ジエノミタス、法医学その他の分野において広範囲に活用され始めている。 DN Aチップ以外にも、基板上にタンパク質を固定したプロティンチップや種々の物質間の相互作用を解析するためのバイオセンサーチップなども開発されている。第二の従来技術は、液相中において荷電して存在する物質に対する電界の作用に係わる技術である。具体的には、ヌクレオチド鎖（核酸分子）は、液相中において電界の作用を受けると伸長又は移動することが知られており、その原理は、ヌクレオチド鎖の骨格をなすリン酸イオン（陰電荷）とその周辺にある水がイオン化した水素原子（陽電荷）とによつてイオン曇を作っていると考えられ、これらの陰電荷及び陽電荷により生じる分極ベクトル（双極子）力、高周波高電圧の印加により全体として一方向を向き、その結果としてヌクレオチド鎖が伸長し、加えて、電気力線が一部に集中する不均一電界が印加された場合、ヌクレオチド鎖は電気力線が集中する部位に向かって移動する（非特許文献 1 (Seiichi SUZUKI, Takesni Yamanashi, Shm-ichi Tazawa, Osamu Kurosawa and Masao Washizu： "Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric field using fluorescence

anisotropy" , IEEE Transaction on Industrial

Applications, Vol.34， No.1, P75- 83(1998)。 ) 参照）。また、数十から数百 μ mのギヤップを持つ微細電極中に D N A溶液をおき、ここに 1 MV Zm、 1 MH z程度の高周波電界を印加すると、ランダムコイル状で存在する D NAに誘電分極が生じ、その結果、 D NA分子は電界と平行に直線状に引き伸ばされる。そして、この誘電泳動と呼ばれる電気力学的効果によって、分極した D NAは自発的に電極端へと引き寄せられ、電極エッジにその一端を接した形で固定されることが知られている（非特許文献 2 (鷲津正夫、「見ながら行う D N Aハンドリング」、可視化情報 V o l . 2 0 N o . 7 6 ( 2 0 0 0年 1月））参照）。

現在の D NAチップ技術は、液相中での物質間の相互作用の場を提供する反応領域を基板に予め多数設定しておき、この反応領域中に D N A プローブ等の検出用ヌクレオチド鎖を固定しておくことによって、この検出用ヌクレオチド鎖と相補的な標的ヌクレオチド鎖との間の相互作用であるハイプリダイゼーションを網羅的に解析する技術として普及しつつある。

この D N Aチップ技術を実施する場合において、前記反応領域中に前記検出用ヌクレオチド鎖（例えば、 D N Aプローブ）を、丸まったランダムコイル様の状態ではなく、伸長状態で固定しておくことが可能となれば、物質の高次構造に起因する、いわゆる立体障害の弊害や前記検出用ヌクレオチド鎖と周辺表面との干渉（俩えば、付着や接触）がなくなるので、ハイブリダィゼーシヨンの効率力 s向上すると考えられる。

この新規着想に基づいて、基板上に配歹 ϋされる反応領域中に、検出用表面として機能する電極を予め配置しておき、この電極とこれに対向する電極との間で、反応領域中の液相に電界を印加する構成を本願発明者らが新規に案出し、これによつて、該液相中にランダムコイル状で存在する検出用ヌクレオチド鎖を高周波電界の作用で伸長させ、かつ前記電極エッジにその末端部位を固定させるとともに、効率良くハイプリダイゼーションを進行させることができる技銜を確立することができた。

しかし、前記技術を実用化するに当たっては、基板上に多数配置される電極への通電手段が必須となるので、霪極構造を備える反応領域を様々な配列形態で、多数配設するのに有利な基板形態である円盤状基板を採用した場合においては、すべての反応慎域の各電極に給電するための多数の配線を、干渉がないように基板上に整然と延設しなければならないという課題が生ずる。

また、このような円盤状基板においてぼ、該基板上に、統一された形状の反応領域を周方向、放射状あるいはスノ、。ィラル状に配列し、加えて、複数の反応領域単位でのブロック分け（グループ分け）ができれば、基板スペース効率や記録情報の集積率が高まり、遺伝子等の網羅的、効率的解析に好適なバイオアツセィ用基板を提供できる。従って、このような反応領域の配列形態に適合した酉己線構成、特に反応領域周辺の配線構成を鋭意研究する必要がある。

また、多数の反応領域が配列された円盤状基板の記録情報を読み取る際には、 C Dその他の光ディスクの記録情報読み取り作業と同様に、回転同期サーポやトラッキングサーポをかけることが考えられる。この場合、これらのサーボに利用できる専用の信号やマークを基板から読み取ることができるようにする必要があるが、基板上の構成がより複雑になつてしまうという問題が生じる。

そこで、本発明は、円盤状基板を採用することに伴う新規課題を解決するために、給電用配線構成に工夫が施された円盤状のバイオアッセィ用基板、特に、複数の反応領域で構成されるブロック周辺の給電用配線構成に工夫が施された円盤状のバイオアッセィ用基板を提供することを主な目的とする。発明の開示

本発明では、まず、物質間の相 5：作用の場となる反応領域が配設されており、該反応領域に設けられた電極と、前記基板中心部に設けられた通電部と、該通電部から前記電極への給電用配線と、を備える円盤状基板に関し、（ 1 ) 前記通電部から基板外周方向へ向けて導出された「第一配線」、（ 2 ) 該第一配線から拔分れした「第二配線」、（ 3 ) 該第二配線からさらに枝分れした「第三配線」、以上（ 1 ) 〜（3 ) に分類可能な配線種から構成しておき、前記通電部から前記給電用配線を介して前記電極に印加し、前記反応領域に電界を形成するように工夫されたパイオアッセィ用基板を提供する。そして、本発明では、このバイオアツセィ用基板における前記第三配線を、前記第二配線から半径方向外側又は内側に向けて延設する構成を提供し、また、この第三配線を（反応領域の）前記電極に接続する末端給電配線として利用し、さらに、この第三配線を、基板中心を通過する半径方向線上に延設しておき、かつ基板中心側から外周側に向けて徐々に幅が太くなる構成とする。この構成によって、隣り合う該第三配線の間に挟まれて配列された前記反応領域の幅が一定になるように工夫できる。

第三配線の中心線の延長線が基板中心を通過する構成を提供し、場合によっては、この第三配線それ自体を（反応領域の）電極機能を兼ねる構成も提供する。また、反応領域に形成される電極が、互いに対向する少なくとも一対の電極から構成されている場合も想定し、このような場合には、対向する一方側の電極と他方側の電極が、それぞれ別の第二配線から交互に枝分かれした第三配線に接続させる構成も提供できる。本発明に係るバイオアツセィ用基板上に配設される反応領域は、所定数単位でグループ分け（ブロック分け）することも可能であり、基板上の前記反応領域のすべてを、同心円又はスパイラル線状に効率よく配設することも自在に行うことができる。本発明に係るバイオアツセィ用基板は、このような配列構成をなす反応領域のすべてに対して、確実かつ効率的に給電できる好適な配線構成を有するからである。

また、基板上に配設された反応領域のすべてを、基板中心を通過する半径方向線上に配設させておくと、各反応領域の位置検出サーポが容易となるという利点もある。なお、上記した第二配線を基板上の記録情報を読み取る際の回転同期信号やトヲッキング信号の基準として用いることによって、基板上に別途の信号基準を設ける必要がなくなるので、この点で、基板の構成あるいは構造を簡素化できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係るバイオアツセィ用基板の第一実施形態（A ) を説明するための簡略図である。

図 2は、反応領域（R ) の典型的な形態を示す拡大図である。

図 3は、本発明に係るバイオアツセィ用基板の第 2実施形態（B ) を説明するための簡略図である。

図 4は、図 3において符号 Yで示された円形内基板領域の要部拡大図である。

図 5は、第三配線自体を電極として用いる構成を説明するための簡略図である。

図 6は、第一配線（ 1 ) から導出されて延設される第二配線（2 ) が全体外観視したときに、スパイラル状をなすように設けられた配線構成を備える基板（C ) を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を実施するための好適な形態について、添付図面を参照しながら説明する。

まず、図 1は、本発明に係るバイオツセィ用基板の配線構成の第一実施形態を説明するための簡略図である。なお、以下に使用するすべての図面では、説明の便宜上、基板上の構成を簡素化して示している。図 1中の符号 Aは、本発明に係るバイオアッセィ用基板（以下「基板」と略称。）を示している。この基板 Aは、ガラスや合成樹脂などの絶縁材料で形成されており、図 1に示されているように、全体外観視、円盤状の形態を備えている。この基板 A上には、ミクロンオーダーの微小な反応領域 R， R - · · が放射状、周方向、スパイラル状等の形状例に配設され、かつグループ分け可能な構成とされている。

これらの反応領域 Rの典型的な形態を図 2に拡大して示す。この反応領域 Rは、物質間の相互作用（例えば、ハイブリダィゼーシヨン）の場を提供する微少な領域であって、一般には、インクジェットノズル Nや図示しないディスペンサーなどから滴下される溶液やゲルなどの所定容量の媒質 Sを、貯留又は保持することができるゥエル形状（凹部形状）を有している。

この反応領域 Rには、例えば、図 2に示すように、対向する一対の電極 Eい E ₂力 S、反応場 rを挟むように対向配置されていたり、あるいは、図示はしないが、反応場 rの底面等に電極が単独で配置されていたりしている。なお、本発明では、説明の便宜上、少なくとも一つの電極が付設されている反応領域を扱うものであり、電極の具体的な配置位置や形状は、特に限定されない。

ここで、再び図 1を参照すると、基板 Aには、その中心部に所定口径の孔 Hが形成されている。この孔 Hは、基板 Aを保持又は回転させるための図示しないチヤッキング部材ゃ通電治具が挿入される箇所として機能する。この孔 Hの周囲には、リング状の通電部 Uが形成されている。この通電部 Uは、孔 Hに揷着される前記通電治具（図示せず。）と導通可能な構成とされている。

この通電部 Uからは、給電用配線の主配線として機能する二本の第一配線 1 , 1が、半径方向 Xに沿って延設されている。なお、この第一配線 1の本数は、二本に限定されず、必要に応じて本数を増減可能である。図 1に示された基板 Aでは、第一配線 1 , 1からそれぞれ周方向に弧を描くように第二配線 2， 2 · ' が多数延設されている。さらに、これらの第二配線 2からは、半径方向（図 1中 Xで示す方向）の内側と外側に向けて交互に導出されて延びる第三配線 3が多数設けられている。なお、図 1では、説明の便宜上から簡素化し、計 4本の第二配線 2と第三配線 3が図示されている。

この第三配線 3はそれぞれ、基板上に多数配設されている各反応領域 Rの電極 E iや電極 E ₂に接続する末端給電配線としての役割を果たす。即ち、通電部 Uに対して、図示しなレ、通電治具が挿着されたときに、該通電部 Uから第一配線 1、第二配線 2、第三配線 3を順番に介して、所定の反応領域 Rの電極 Eェや電極 E ₂に電圧が印加される。

この電圧印加は、反応領域 R中に、遊離状態又は固定化された状態で存在する D N Aプローブ等の検出用ヌクレオチド鎖 Dゃ該検出用ヌクレォチド鎖 Dと相補的な塩基配列を有する標的ヌクレオチド鎖 Tを伸長させたり、誘電泳動の作用で移動させたりすることを目的として行う（図 2参照）。なお、このような目的に特に適する電界は、高周波高電圧の交流電界である。

図 3は、本発明に係るバイオアッセィ用基板の配線構成の第 2実施形態を説明するための簡略図である。

この図 3において符号 Bで示された基板では、三分割された通電部 U い U ₂ , U ₃が、孔 Hの周囲に形成されており、そして、通電部！；ぃ U ₂ U ₃からは、それぞれ本の第一配線 1 a 1 b , l cが半径方向 X (図 1参照）に沿って延設されてレヽる。なお、このような分割された通電部！； U ₂ U ₃を備える構成を採用すると、基板 Bの給電エリアを選択できるという利点がある。

この基板 Bにおいても、第一配線 1 a 1 , l cのそれぞれから周方向に円弧を描いて第二配線 2が延設されておりこの第二配線 2からは、半径方向（図 1中 Xで示す方向）の内側と外側に向けて交互に延ぴる第三配線 3が多数設けられている。なお、図 3でも、説明の便宜上から簡素化し、第二配線 2と第三配線 3 の数を限定して図示している。次に、図 4は、図 3において符号 Yで示された円形内基板領域の要部拡大図である。

通電部 U ₃から導出されて延びている第一配線 1 aからは、その隣の第一配線 l c (図 3参照）に向けて周方向に延びている第二配線 2 1 a が形成されているとともに、その外周側には、隣の第一配線 l b (図 3 参照）に向けて周方向に延ぴている第二配線 2 2 aが形成されている。また、図 4には、第一配線 1 aの隣の第一配線 1 b (図 3参照）から該第一配線 1 aの近傍に至るまで延設された第二配線 2 1 b と，第一配線 l aの隣の第一配線 l c (図 3参照）から該第一配線 1 aの近傍に至るまで延設された第二配線 2 2 c とが示されている。この図 4に示すように、第二配線 2 1 b と前記第二配線 2 1 a、第二配線 2 2 c と前記第二配線 2 2 aは、半径の異なる同心円上に位置している。

内側の第二配線 2 1 a とその一周外側の第二配線 2 2 c との間に挟まれた基板領域 Z には、図 2で示す構成の反応領域 Rェ群が所定個数配置されている。また同様に、内側の第二配線 2 1 b とその外側の第二配線 2 2 a との間に挟まれた基板領域 Z ₂は、図 2で示す構成の反応領域 R ₂ 群が所定個数配置されている。

反応領域 R 群と反応領成 R ₂群は、それぞれ別の D N Aプローブ D (図 2参照）が固定化された別の反応領域グループ（ブロック）を構成している。なお、反応領域のグルーピング（プロック分け）の方法は、これに限定されない。

ここで、図 4で示す符号 3 1は、半径方向外側に向けて徐々に太くなるように延設された第三配線であり、同図中の符号 3 2は、半径方向内側に向けて徐々に細くなるように延設された第三配線を示している。

このような扇状あるいは略台形状のごとき形状をなす第三配線 3 1 とその隣の第三配線 3 2とで囲まれた基板領域は矩形状となることから、幅 Wがすべて統一された反応領域 R ( R _{1 5} R ₂ ) を形成でき、しかも、基板中心 Pを通る半径方向線 Lに沿って配列することができる。このような配列構成を採用すれば、すべての反応領域 Rの位置を特定するためのサーボが容易となるので、好適である。

図示しないが、隣り合う第三配線 3 1、 3 2のいずれか一方のみを太さ（又は幅）が徐々に変化する上記形状とすることによって、反応領域 R ( R _{1 ?} R ₂ ) の幅 Wを統一することは可能である。しかしこのような構成では、基板中心 Pを通る半径方向線 Lに沿って反応領域 Rを配列することはできない。

図 4に示すように、各反応領域 Rに配置された電極、電極 E ₂には、第三配線 3 1や 3 2が接続されているので、反応領域 Rに対して電圧印加可能な構成とされている。

なお、図 5に示すように、第三配線 3 ( 3 1， 3 2 ) 自体を反応領域に臨むように形成しておくことによって、第三配線 3 ( 3 1 , 3 2 ) 自体を電極として利用することも可能である。以上、図 4や図 5で示された配線構成は、上記した基板 Aや後述する基板 Bにも適用することができる。

次に、図 6は、第一配線 1から導出されて延設される第二配線 2が、全体を外観視したときに、スパイラル状をなすように設けられた配線構成を備える第三実施形態の基板 Cが示されている。

この基板 Cには、二分割された通電部 υ _{ΐ 5} U ₂が孔 Ηの周囲に設けられているとともに、各通電部 Uい U ₂のそれぞれから一本の第一配線 1 が半径方向 X (図 1参照）に沿って延びている。そして、この第一配線 1， 1から全体外観視したときにスパイラル状に延びる第二配線 2からは、半径方向（図 1中 Xで示す方向）の内側と外側に向けて交互に延ぴる第三配線 3が多数設けられている。上記したような円盤状基板 A， B , Cに延設された給電用配線を、記録情報読み取りの際に使用する回転同期信号の基準として、あるいはトラッキング信号の基準として、兼用することができる。この結果、これらの信号を得るためのピット群ゃバーコ一ド群などの専用の信号やマークを基板に設けなくてもよくなるため、基板の構成をより簡素化することができる。

なお、以上説明したような給電用配線は、目的や基板構成などに応じて、単独の配線層からなる構成、あるいは複数の配線層からなる構成のいずれも採用することができる。例えば、配線層を 2層に分けて構成し、反応領域 Rに設けられた一方の電極への給電と他方の電極の給電を別々の配線層が担うようにすることができる。

本発明に係るバイ才ァッセィ用基板によれば、円盤状の基板に対して電極が付設された反応領域を配列する場合、とくに、前記反応領域が基板上にグループ分けされ、かつ高密度で配設されている場合において、これに対応して、基板上に、前記電極に接続する給電用配線を高密度かつ整然と配線できる。この結果、基板の半径方向内外位置を問わず、反応領域を高密度で形成することが容易となる。また、効率的な配線構成により、配線長が短縮化されるので、配線抵抗を少なくすることができる。

また、本発明に係るバイオアツセィ用基板で採用した配線構成によれば、基板上の反応領域に付設された電極に対して、この電極の配置構成や形態を問わず、確実に給電を行うことができるので、基板設計の自由度を向上させること力 Sできる。

基板上のすべての音 1 分に同一形状、サイズの電極付き反応領域を配列し、これに給電することが可能となる。

円盤状基板に延設された給電用配線を、記録情報読み取りの際に使用する回転同期信号の基準として、あるいはトラッキング信号の基準として、兼用することができる。この結果、これらの信号を得るためのピット群ゃバーコ一ド群などの専用の信号やマークを基板に設けなくてもよくなるので、基板の構成をより簡素化できる。産業上の利用可能性

本発明は、該基板上に電極が付設された反応領域が多数配列される D N Aチップその他のパイオアッセィ用基板、特に円盤状の形態を有するバイオアッセィ用基板として利用することができる。

Claims

求の範囲

1 . 物質間の相互作用の場となる反応領域が配設されており、該反応領域に設けられた電極と、前記基板中心部に設けられた通電部と、該通電部から前記電極への給電用配線と、を備える円盤状基板であって、言盲

前記給電用配線は、前記通電部から基板外周方向へ導出された第一配線と、該第一配線から枝分れした第二配線と、該第二配線からさらに枝分れした第三配線と、から構成されており、

前記通電部から前記給電用配線を介して前記電極に印加し、前記反応領域に電界を形成することを特徴とするバイオアツセィ用基板。

2 . 前記第三配線は、前記第二配線から半径方向外側又は内側に延設されたことを特徴とする請求項 1記載のバイオアツセィ用基板。

3 . 前記第三配線は、前記電極に接続する末端給電配線であることを特徴とする請求項 2記載のバイオアツセィ用基板。

4 . 前記第三配,線は、基板中心を通過する半径方向線上に延設され、かつ基板中心側から外周側に向けて徐々に幅が太くなる構成とし、隣り合う該第三配線の間に挟まれて配列された前記反応領域の幅が一定になるようにしたことを特徴とする請求項 3記載のパイオアッセィ用基板。

5 . 前記第三配線の中心線の延長線が基板中心を通過することを特徴とする請求項 1記載のバイオアツセィ用基板。

6 . 前記第三配,線が前記電極を兼ねることを特徴とする請求項 1記載のバイオアッセィ用基板。

7 . 前記電極は、対向する少なくとも一対の電極から構成されており、対向する一方側の電極と他方側の電極は、それぞれ別の第二配線から交互に枝分かれした第三配線に接続されていることを特徴とする請求項 1 記載のパイオアッセィ用基板。

8 . 前記反応領域は、所定数単位でグループ分けされていることを特徴とする請求項 1記載のバイオアッセィ用基板。

9 . 基板上の前記反応領域のすべてが、同心円又はスパイラル線状に配設されたことを特徴とする請求項 1記載のパイオアッセィ用基板。

1 0 . 前記反応領域のすべてが、基板中心を通過する半径方向線上に配設されたことを特徴とする請求項 1記載のバイオアッセィ用基板。