WO2006129464A1 - 同一電位の電極を備える相互作用検出部と該検出部を用いるセンサーチップ、並びに相互作用検出装置 - Google Patents

同一電位の電極を備える相互作用検出部と該検出部を用いるセンサーチップ、並びに相互作用検出装置 Download PDF

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Definitions

  • Interaction detection unit having electrodes of the same potential, sensor chip using the detection unit, and interaction detection device
  • the present invention relates to a technique for detecting an interaction between substances. More specifically, the present invention relates to a technique for detecting an interaction between substances using an electrodynamic action.
  • DNA chips in which predetermined DNA is finely arranged by microarray technology, have been used for gene mutation analysis, SNPs (-nucleotide polymorphism) analysis, gene expression frequency analysis, etc., and widely used in fields such as drug discovery, clinical diagnosis, pharmacogenomics, evolutionary research, forensic medicine and other fields First time.
  • SNPs nucleotide polymorphism
  • This "DNA chip” is a comprehensive coverage of hybridization because many and many nucleotides such as DNA oligos and cDNA (complementary DNA) are integrated on a glass substrate or silicon substrate. It is characterized by the fact that it can be analyzed. In addition, various sensor chips (for example, protein chips) and detection devices for detecting interactions between biomolecules other than nucleic acid molecules have been developed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-330608 discloses that a nucleic acid probe chain immobilized on a saddle type substrate is used to synthesize a nucleic acid probe chain along the saddle type chain, and the synthesized prosthesis.
  • a technique for manufacturing a nucleic acid chain-fixing cage array simply and at a low cost by fixing a groove on another array substrate using an electric field is disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-242135 is composed of a body part and a frame that are detachable from each other, and a large number of pin electrodes project in a matrix shape inside the body part, and different gene Immobilize the oligonucleotide with the alignment power and do not contact this pin electrode.
  • a common electrode is arranged in the hollow of the frame, a voltage is applied between the common electrode and the pin electrode, and the current is detected to detect the double-stranded DNA obtained by hybridization of the oligonucleotide. Techniques to do this are disclosed.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-135512 discloses a reaction that serves as a hybridization field between a detection nucleotide chain and a target nucleotide chain having a base sequence complementary to the detection nucleotide chain.
  • a hybridization detection unit in which a region can be fixed to an end of a scanning electrode by the action of dielectrophoresis while extending the detection nucleotide chain by an electric field.
  • the main object of the present invention is to provide an interaction detection unit or the like having a reaction region in which an electrodynamic effect is obtained in the entire reaction region and having a simpler structure.
  • the present invention first includes an interaction detection unit comprising at least a reaction region that provides a field of interaction between substances, and an electrode or a group of electrodes that are provided in the reaction region and have the same potential.
  • a sensor chip having at least one interaction detection unit is also provided.
  • the electric field applied to the electrode or electrode group obtains a desired electrodynamic effect such as dielectrophoresis by adopting an alternating electric field, for example.
  • a non-uniform electric field can be formed particularly in the vicinity of the stepped portion of the concavo-convex shape. In the region where the non-uniform electric field is formed, the action of dielectrophoresis can be obtained effectively.
  • the interaction that proceeds in the reaction region is not limited to a narrow range.
  • the action of dielectrophoresis is considered to give a better effect on the efficiency and accuracy of the interaction. There can be mentioned.
  • a reaction region that provides a field of interaction between substances, an electrode or a group of electrodes that are disposed adjacent to the reaction region, and an electric field applying unit for the electrode or the electrode group And at least an interaction detecting device.
  • the electric field applying means constituting the apparatus for example, means for applying an alternating electric field between an electrode or a group of electrodes and a ground portion can be adopted. In this means, it is also possible to apply a high-frequency electric field via an impedance matching circuit.
  • an electrodynamic action such as dielectric swimming is applied to the substance existing in the reaction region by applying an electric field.
  • Interaction broadly means a chemical bond or dissociation including non-covalent bond, covalent bond, hydrogen bond between substances, for example, hybridization between nucleic acid molecules, between proteins Widely includes chemical bonds or dissociation between substances such as interactions and antigen-antibody reactions.
  • “Hybridization” means a complementary strand (double strand) forming reaction between substances having a complementary base sequence structure.
  • Nucleic acid chain means a polymer (nucleotide chain) of a nucleoside phosphate ester in which a purine or pyrimidine base and a sugar are glycosidically bonded, and includes oligonucleotides, polynucleotides, purine nucleotides containing probe DNA. It includes a wide range of DNAs (full length or fragments thereof) polymerized with pyrimidine nucleotides, cDNA (c probe DNA) obtained by reverse transcription, RNA, polyamide nucleotide derivatives (PNA) and the like.
  • reaction region is a region that can provide a field of interaction such as hybridization, and, for example, a reaction field having a well shape that can store a liquid phase or gel. .
  • a nucleic acid molecule expands or moves when subjected to an electric field in a liquid phase.
  • the principle is thought to be that ion turbidity is formed by phosphate ions (negative charges) forming the skeleton and hydrogen atoms (positive charges) formed by water in the vicinity of these ions.
  • the polarization vector (dipole) generated by the electric charge is oriented in one direction as a whole by the application of high-frequency high voltage, and as a result, the electric field lines are concentrated when a nonuniform electric field is applied.
  • “Sensor chip” means a substrate for detecting an interaction between substances in a predetermined reaction region on the substrate, and is widely used regardless of the type of the substance. The detection principle of the interaction is not questioned.
  • This sensor chip is a DNA chip (DNA microarray) in which nucleic acid strands such as DNA probes are immobilized and finely arranged, and is suitable for detection of protein interactions and antigen-antibody reactions. Includes at least a mouth tin tip.
  • the applied electric field (lines of electric force) is reduced. It can diverge in all directions around the electrode. That is, an electric field (electric field lines) can be diverged over a wide range by directing the entire reaction region, so that an electric gradient or a nonuniform electric field can be formed in the entire reaction region. As a result, the substances dispersed in the reaction region can be collected efficiently and more frequently to the electrode side by electrodynamic migration.
  • the structure of the detection unit with few morphological restrictions on the reaction region can be simplified.
  • the power supply wiring itself should be connected to the system side with the grounding part preliminarily connected, and the wiring to the detection part only needs to be connected to the electrode in the high lysis reaction region.
  • the structure as a detection device can be simplified.
  • FIG. 1 is a three-dimensional perspective view of an essential part for explaining the basic configuration of a first embodiment suitable as an interaction detection unit (hereinafter abbreviated as "detection unit”) according to the present invention. .
  • FIG. 2 is a lateral cross-sectional view of the same detection unit.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 4 shows a simple example of the circuit configuration of the impedance matching circuit (8).
  • FIG. 5 is a block diagram showing a more detailed configuration of a preferred embodiment of the electric field applying means.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (common cross-sectional view as in FIG. 2) schematically showing, by electric lines of force, an electric field applied to the reaction region (2).
  • FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the detection unit according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a vertical electric field intensity distribution when an AC electric field of ⁇ 20 V, 1 MHz is applied between the electrode E and the ground.
  • FIG. 9 is a diagram showing an electric field strength distribution in an oblique direction when the AC electric field is applied.
  • FIG. 10 is a diagram showing a horizontal electric field strength distribution when the AC electric field is applied.
  • FIG. 11 is a graph showing a distribution of change rate of electric field strength in the vertical direction (the slope of the square of the electric field strength).
  • FIG. 12 is a diagram showing a change rate of the electric field strength in the oblique direction (the slope of the square of the electric field strength).
  • Fig.13 shows the distribution rate of the electric field strength in the horizontal direction (the slope of the square of the electric field strength). It is a figure.
  • Fig. 14 is a substitute for a drawing that shows electric field strength data (right) and numerical data of derivative of electric field strength square (left) for each distance (unit: / zm) in the vertical, diagonal, and horizontal directions. Data table.
  • FIG. 15 is a diagram showing the concept of vertical (Z), horizontal (H), and diagonal (R) directions related to the electric field intensity distribution around the electrodes.
  • FIG. 1 is a three-dimensional perspective view of a main part for explaining the basic configuration of a first embodiment suitable as an interaction detection unit (hereinafter referred to as “detection unit”) according to the present invention.
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIGS. 1 to 3 show a preferred first embodiment of the detection unit 1 according to the present invention.
  • the detection unit 1 is provided with a reaction region 2 having a well shape (concave shape) that can store or hold a medium such as a solution or gel.
  • This reaction region 2 functions as a region or space that provides a field of interaction between substances such as hybridization. For example, an alternating electric field is applied to the medium stored or held in the reaction region 2 via the electrode E formed so as to face the reaction region 2.
  • the electrode E is formed of a metal such as aluminum or gold, or a transparent conductor such as ITO (indium monosulfide oxide).
  • the electrode in the reaction region 2 is formed. Located at the center of the bottom surface 21.
  • the location where the electrode E is formed is not limited to the bottom surface 21 and may be formed, for example, so as to face the reaction region 2 at the position of the upper substrate 5 or a spacer 6 described later! / ,.
  • this electrode E is composed of SiO, SiC, SiN, SiOC, SiOF,
  • the surface of the electrode can function as a detection surface on which a detection substance D such as a DNA probe is immobilized. Specifically, a surface treatment that can fix the end of the detection substance D such as probe DNA is applied to the surface of the electrode E in advance.
  • the detection substance D can be immobilized by a reaction such as a coupling reaction between the surface of the electrode E and the end of the probe DNA (an example of the detection substance D).
  • a reaction such as a coupling reaction between the surface of the electrode E and the end of the probe DNA (an example of the detection substance D).
  • a reaction such as a coupling reaction between the surface of the electrode E and the end of the probe DNA (an example of the detection substance D).
  • a reaction such as a coupling reaction between the surface of the electrode E and the end of the probe DNA (an example of the detection substance D).
  • a reaction such as a coupling reaction between the surface of the electrode E and the end of the probe DNA (an example of the detection substance D).
  • streptavidin it is suitable for fixing the end of the detection substance D that has been piotinized.
  • a thiol (SH) group it is suitable for immobilizing a detection substance D such as probe DNA modified with a thiol group at the end with a dis
  • symbol D shown in FIG. 1 and the like is a detection substance typified by a DNA probe whose end is fixed on the surface of electrode E, and symbol T is specific to detection substance D.
  • Each target substance that exhibits a strong interaction is shown schematically.
  • the symbol W shown in FIGS. 2 and 3 indicates a complex formed by a specific interaction (for example, hybridization) between the detection substance D and the target substance T (for example, two Strand nucleic acid).
  • Reference numerals 4 and 5 shown in FIGS. 1 to 3 denote substrates.
  • the substrate 4 is, for example, a light transmissive substrate optically capable of reading recorded information in the reaction region (in the present invention, interaction information).
  • the substrate denoted by reference numeral 5 functions as a lid that closes the reaction region 2, and may be formed of the same base material as the substrate 4 depending on the purpose! It can be formed with ⁇ .
  • Reference numeral 6 shown in FIG. 1 and the like denotes a space formed of an insulating material such as SiO or synthetic resin.
  • the spacer member 6 may be formed separately or integrally with the substrates 4 and 5.
  • the reaction region 2 that plays a role in providing a field of interaction such as noise and hybridization is formed by a known optical disk mastering technique. be able to.
  • the switch S On Z-off operation allows voltage to be applied with a power source V such as an AC power source (electric field applying means).
  • the electric field concentrates in the vicinity of the electrode E, and a nonuniform electric field can be formed.
  • a suitable electrode structure for generating this non-uniform electric field is not particularly shown, but the surface of the electrode E is subjected to, for example, roughing into a concavo-convex shape or patterning to form an island shape. It is conceivable that the electric field easily concentrates on the convex part (mountain part) on the surface of the electrode E.
  • the electric field can be concentrated particularly on the corners of the convex portions or the bent portions of the concave portions, so that the action and effect of dielectrophoresis can be more reliably performed in the region near the electrode E.
  • the method for roughening the electrode surface can be carried out using, for example, a known sputtering vapor deposition technique, epitaxy vapor deposition technique or etching technique, but is not particularly limited.
  • the electric field strength, frequency, and application time to be applied are not particularly limited, and it is desirable to select an appropriate electric field strength, frequency, and application time depending on the type, molecular length, etc. of the substance to be applied with the electric field.
  • the waveform is not limited to a sine wave, but may be a triangular wave, for example.
  • an impedance matching circuit 8 is provided between the electrode E and the power source V, and impedance matching is performed. It is preferable to be able to turn on electricity.
  • FIG. 4 simply shows an example of the circuit configuration of the impedance matching circuit 8.
  • the impedance matching circuit 8 is provided between the grounded power source V and the grounded detection unit 1, and each of the two variable capacitors (Capacitors) C and C is grounded.
  • a circuit (neutralizing coil) Ln A circuit (neutralizing coil) Ln.
  • variable capacitors C and C serve to adjust the capacitance when an electric field is applied.
  • the inductance neutralizing circuit Ln plays a role of adjusting the inductance. Using such a configuration, the internal impedance output from the power supply (signal generation source) V and the load impedance of the power supply are matched.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a more detailed configuration of a preferred embodiment of the electric field applying means.
  • a signal output from a grounded power source (that is, a signal generation source) V is connected to the power source V, and is amplified by an amplifier 81 to be extracted as an output signal. Then, the transmission wave Wt related to the output signal is detected by entering the signal detector (sensor) 83 via the directional coupler indicated by reference numeral 82, and the output power is detected by the measuring device 84. Measured. The control unit 85 monitors this measured value.
  • the reflected wave Wr from the terminal electrode E force is detected by the signal detector (sensor) 86 via the directional coupler 82, and the reflected power is measured by the measuring device 87.
  • the control unit 85 monitors this measured value.
  • the impedance matching means described above In the technique of applying an electrodynamic action to a substance existing in the reaction region 2 of the detection unit 1, for example, a nucleic acid molecule, by the impedance matching means described above, the electric power supplied from the power source V to the counter electrode E Loss is reduced and the input power is maximized [0052]
  • the input power (supplied power) to the reaction region 2 is made constant (stabilized), and further, the waveform disturbance of the pulse signal generated when using a high-frequency electric field, an alternating electric field, particularly a high-frequency alternating electric field. It is possible to reliably eliminate the reflected wave Wr of the electrode E force that causes problems such as suppression and phase delay of input power.
  • nucleic acid chain as the target substance T is present in the reaction region 2
  • This nucleic acid chain is subjected to an electrodynamic action called dielectrophoresis, and has a strong electric field strength. Run toward E.
  • the target nucleic acid chain gathers on the surface of the electrode E on which the nucleic acid chain such as probe DNA that functions as the detection substance D is fixed in advance, and the hybridization proceeds efficiently.
  • the target nucleic acid strand is moved to the surface of the electrode E in a short time and the concentration thereof is increased, so that the hybridization time with the nucleic acid strand immobilized on the surface of the electrode E is greatly increased. It can be shortened.
  • the hybridization signal may be measured by measuring the amount of light from the inter force rate that specifically binds to the double strand (double-stranded nucleic acid) and emits light, or binds to the target DNA in advance.
  • the amount of light emitted from the fluorescent dye thus applied may be measured after removing excess DNA after the hybridization. Or you may measure the light-emission quantity accompanying a hybridization reaction using a molecular beacon.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (common cross-sectional view as in FIG. 2) schematically showing the electric field applied to the reaction region 2 with lines of electric force.
  • the dielectrophoresis is performed.
  • the desired electrodynamic action such as can be exerted on the entire reaction zone 2.
  • the electric field (electric field lines) can be diverged over a wide range by directing the entire reaction region 2, so that an electric gradient or a non-uniform electric field can be formed in the entire reaction region 2.
  • the substance dispersed in the reaction zone 2 can be efficiently and more numerous. It can be gathered to the side by electrodynamic migration.
  • FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the detection unit according to the present invention.
  • the detection unit 10 according to the second embodiment includes three electrodes E 1, E 2, E having the same potential in the reaction region 2.
  • Fig.8 shows the electric field strength distribution in the vertical direction, diagonal direction and horizontal direction when an AC electric field of 1MHz is applied, and also the electric field in vertical direction, diagonal direction and horizontal direction.
  • Fig. 11, Fig. 12 and Fig. 13 show the intensity change rate (the slope of the square of the electric field strength).
  • FIG. 14 is a drawing substitute data showing field strength data (right) and numerical value data (left) of field strength square for each distance (unit: / zm) in the vertical, diagonal, and horizontal directions. It is a table.
  • FIG. 15 is a diagram showing the concept of the vertical (Z), horizontal (H), and diagonal (R) directions related to the electric field intensity distribution around the electrodes.
  • the present invention can be used as a technique for detecting an interaction between substances efficiently and in a short time with high accuracy by utilizing an electrodynamic action. It can be used as sensor chip technology typified by DNA chip and protein chip and a device for detecting the interaction.

Abstract

　電気力学的効果が反応領域全域で得られ、かつより構造が簡略な反応領域を備える相互作用検出部などを提供すること。物質間の相互作用の場を提供する反応領域２と、該反応領域２に臨設された同一の電位を持つ電極Ｅ１（又は電極群）と、を少なくとも備える相互作用検出部１を提供する。また、この相互作用検出部１を備えるＤＮＡチップやタンパクチップなどのセンサーチップや前記検出部１を用いる相互作用検出装置を提供する。

Description

明 細 書
同一電位の電極を備える相互作用検出部と該検出部を用いるセンサー チップ、並びに相互作用検出装置
技術分野
[0001] 本発明は、物質間の相互作用を検出する技術に関する。より詳しくは、電気力学的 作用を利用して物質間の相互作用を検出する技術に関する。
背景技術
[0002] 近年、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、本願では「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が、遺伝子の変異解析、 SNPs (—塩基多型)分析、遺 伝子発現頻度解析等に利用されるようになり、創薬、臨床診断、薬理ジエノミタス、進 化の研究、法医学その他の分野にぉ 、て広範囲に活用され始めて 、る。
[0003] この「DNAチップ」は、ガラス基板やシリコン基板上に多種'多数の DNAオリゴ鎖 や cDNA (complementary DNA)等のヌクレオチド鎖が集積されていることから、ハイ ブリダィゼーシヨンの網羅的解析が可能となる点が特徴とされている。その他、核酸 分子以外の生体分子間の相互作用を検出するセンサーチップ (例えば、プロテイン チップ)や検出装置が種々開発されている。
[0004] ここで、所定の反応領域にお!、て、物質間の相互作用を進行させてこれを検出す るアツセィ系にお 、て、電気泳動や誘電泳動などの電気的力学的効果を利用する技 術が近年提案され始めている。以下、当該技術を例示する。
[0005] まず、特開 2001— 330608号公報には、铸型基板上に固定された核酸プローブ 铸型鎖を用い、該铸型鎖に沿って核酸プローブ鎖を合成し、この合成されたプロ一 ブを、電界を利用して別のアレイ基板上に固定することにより、簡易かつ低コストで核 酸鎖固定ィ匕アレイを製造する技術が開示されている。
[0006] 特開 2001— 242135号公報には、互いに着脱可能な本体部とフレームとから構成 され、本体部の内側にはマトリックス状に多数のピン電極が突出され、このピン電極 には異なる遺伝子配列力 成るオリゴヌクレオチドを固定し、このピン電極と接触しな いようにフレームの窪みに共通電極が配設し、共通電極とピン電極間に電圧を印加 し、電流を検出して前記オリゴヌクレオチドのハイブリダィゼーシヨンにより得られた二 本鎖 DNAを検出する技術が開示されている。
[0007] 特開 2004— 135512号公報には、検出用ヌクレオチド鎖と該検出用ヌクレオチド 鎖と相補性のある塩基配列を備える標的ヌクレオチド鎖との間のハイブリダィゼーショ ンの場となる反応領域が、前記検出用ヌクレオチド鎖を電界により伸長させながら、 誘電泳動の作用によって走査電極の端部に固定できる構成とされたハイブリダィゼ ーシヨン検出部が開示されている。
[0008] 上掲した先行技術では、いずれも反応領域に対向配置された電極又は電極群を 利用するものである。したがって、電界 (電気力線）は、対向電極間で形成されるので 、反応領域全体に所望の電気力学的効果を及ぶようにすることが難 ヽと ヽぅ技術 的課題があった。
[0009] また、 DNAチップやプロテインチップなどのセンサーチップにおける反応領域は、 一般に狭小であるので、対向配置関係にある電極あるいは電極群を設けると、（1)反 応領域の構造がより複雑になる、（2)対向電極を形成するために反応領域の形態的 制約が発生する、（3)チップ製造の工程数が増える、（4)電極への給電線の引き廻 しも複雑ィ匕する、などの技術的課題があった。
[0010] そこで、本発明は、電気力学的効果が反応領域全域で得られ、かつより構造が簡 略な反応領域を備える相互作用検出部などを提供することを主な目的とする。
発明の開示
[0011] 本発明は、まず、物質間の相互作用の場を提供する反応領域と、該反応領域に臨 設された同一の電位を持つ電極又は電極群と、を少なくとも備える相互作用検出部 、並びに該相互作用検出部を少なくとも一つ備える構成のセンサーチップを提供す る。前記電極又は電極群に印加する電界は、例えば、交流電界を採用することによ つて、誘電泳動などの所望の電気力学的効果を得る。
[0012] また、電極や電極群の表面が凹凸形状を備える構成を採用することによって、凹凸 形状の特に段差部位近傍に不均一電界を形成することができる。この不均一電界が 形成された領域では、誘電泳動の作用を効果的に得ることができる。カロえて、電極又 は電極群の表面を絶縁層で覆うことによって、反応領域中に貯留される場合があるィ オン溶液による電気化学的な反応を防止することができる。
[0013] 反応領域で進行させる前記相互作用は、狭く限定されないが、一例を挙げれば、 誘電泳動の作用が、相互作用の効率や精度により良い効果を与えると考えられる核 酸鎖間のハイブリダィゼーシヨンを挙げることができる。
[0014] 次に本発明では、物質間の相互作用の場を提供する反応領域と、該反応領域に 臨設された同一の電位を持つ電極又は電極群と、該電極又は電極群に対する電界 印加手段と、を少なくとも備える相互作用検出装置を提供する。
[0015] 本装置を構成する前記電界印加手段は、例えば、電極又は電極群と接地部との間 に交流電界を印加する手段を採用できる。また、この手段では、インピーダンスマツ チング回路を介して高周波電界を印加することも可能である。
[0016] 本装置では、電界印加によって、前記反応領域に存在する物質に対して、誘電泳 動などの電気力学的作用を加える。
[0017] ここで、本発明に関連する主たる技術用語について説明する。
[0018] 「相互作用」とは、物質間の非共有結合、共有結合、水素結合を含む化学的結合 あるいは解離を広く意味し、例えば、核酸分子間のハイブリダィゼーシヨン、タンパク 質間の相互作用、抗原抗体反応などの物質間の化学的結合あるいは解離を広く含 む。なお、「ハイブリダィゼーシヨン」は、相補的な塩基配列構造を備える物質間の相 補鎖 (二本鎖)形成反応を意味する。
[0019] 「核酸鎖」とは、プリンまたはピリミジン塩基と糖がグリコシド結合したヌクレオシドのリ ン酸エステルの重合体 (ヌクレオチド鎖）を意味し、プローブ DNAを含むオリゴヌタレ ォチド、ポリヌクレオチド、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチォドが重合した DN A (全長あるいはその断片）、逆転写により得られる cDNA(cプローブ DNA)、 RNA 、ポリアミドヌクレオチド誘導体 (PNA)等を広く含む。
[0020] 「反応領域」は、ハイブリダィゼーシヨンなどの相互作用の場を提供できる領域であ り、一例を挙げるなら、液相やゲルなどを貯留できるゥエル形状を有する反応場であ る。
[0021] 「誘電泳動」は、電界が一様でない場において、分子が電界の強い方へ駆動する 現象である。交流電圧をかけた場合も、かけた電圧の極性の反転につれて分極の極 性も反転するので、直流の場合と同様に駆動効果が得られる (監修'林 輝、「マイク ロマシンと材料技術（シーエムシー発行）」、 Ρ37〜Ρ46 ·第 5章 ·細胞および DNAの マニピュレーション参照)。特に、高周波交流電界中においては、時間的平均電場の 自乗の勾配に比例して双極子に力が働き、泳動する。
[0022] 例えば、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 とが知られている。その原理は、骨格をなすリン酸イオン (陰電荷)とその周辺にある 水がイオンィ匕した水素原子（陽電荷）とによっ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）が、高周波高電圧の印 加により全体として一方向を向き、その結果として伸長し、カロえて、不均一電界が印 加された場合、電気力線が集中する部位に向かって移動する（Seiichi Suzuki, Takes hi Yamanashi'Shin— ichi Tazawa.Osamu Kurosawa and Masao Washizu: 'Quantitative analysis on electrostatic orientation of DNA in stationary AC electric neld using fluo rescence anisotropy ,ΙΕΕΕ Transaction on Industrial Applications,Vol.34,No.1 ,P75- 83(1998))。
[0023] 「センサーチップ」は、基板上の所定の反応領域において、物質間の相互作用を進 行させ、該相互作用を検出するための基板を意味し、前記物質の種類に関係なく広 く包含し、前記相互作用の検出原理は問わない。このセンサーチップには、 DNAプ ローブなどの核酸鎖が固定ィ匕されて微細配列された状態とされた DNAチップ (DN Aマイクロアレイ)やタンパク質間の相互作用や抗原抗体反応などの検出に適するプ 口ティンチップなどを少なくとも含む。
[0024] 本発明では、反応領域に対向配置された電極 (即ち、対向電極)ではなぐ同一の 電位を持つ電極又は電極群が設けられた構成であることから、印加電界 (電気力線） を電極の周辺全方位へ発散させることができる。即ち、反応領域全域に向力つて、広 範囲に電界 (電気力線)を発散させることができるので、反応領域全体に電気的な勾 配、あるいは不均一電界を形成できる。これにより、反応領域中に分散している物質 を効率良ぐかつ、より数多ぐ電極側へ電気力学的な泳動作用によって寄せ集める ことができる。 [0025] 反応領域内に対向電極を形成する必要がないため、反応領域の形態的な制約も 少なぐ検出部の構造を簡略ィ匕できる。例えば、電界印加手段では、給電用の配線 自体を、接地部はあら力じめシステム側に接続しておき、検出部への配線はハイプリ ダイゼーシヨン反応領域の電極だけに接続すればよ 1、ため、検出装置としての構造 も簡易化できる。
図面の簡単な説明
[0026] [図 1]図 1は、本発明に係る相互作用検出部 (以下、「検出部」と略称。）として好適な 第一実施形態の基本構成を説明する要部立体斜視図である。
[図 2]図 2は、同検出部の横方向断面図である。
[図 3]図 3は、図 2中の A-A線断面図である。
[図 4]図 4は、インピーダンスマッチング回路（8)の回路構成の一例が簡略に示されて いる。
[図 5]図 5は、電界印加手段の好適な実施形態のより詳細な構成を示すブロック図で ある。
[図 6]図 6は、反応領域（2)へ電界が印加されている様子を電気力線で模式的に示し た断面図（図 2と共通の断面図)である。
[図 7]図 7は、本発明に係る検出部の第二実施形態を示す図である。
[図 8]図 8は、電極 Eと接地間に ± 20V、 1MHzの交流電界を印加した場合の鉛直 方向の電界強度分布を示す図である。
[図 9]図 9は、同交流電界を印加した場合の斜め方向の電界強度分布を示す図であ る。
[図 10]図 10は、同交流電界を印加した場合の水平方向の電界強度分布を示す図で ある。
[図 11]図 11は、鉛直方向の電界強度の変化率 (電界強度の二乗の傾き)分布を示 す図である。
[図 12]図 12は、斜め方向の電界強度の変化率 (電界強度の二乗の傾き）分布を示す 図である。
[図 13]図 13は、水平方向の電界強度の変化率 (電界強度の二乗の傾き）分布を示 す図である。
[図 14]図 14は、鉛直方向、斜め方向、水平方向のそれぞれの距離 (単位：/ z m)の電 界強度データ (右）と電界強度二乗の微分の数値データ (左）を示す図面代用データ 表である。
[図 15]図 15は、電極周辺の電界強度分布に係わる鉛直 (Z)、水平 (H)、斜め（R)の 各方向の概念を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0027] 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。なお、添付図面に示された各実施形態は、本発明に係わる物や方法の代表 的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈される ことはない。
[0028] 図 1は、本発明に係る相互作用検出部 (以下、「検出部」と略称。）として好適な第 一実施形態の基本構成を説明する要部立体斜視図、図 2は、その断面図、図 3は、 図 2中の A-A線断面図である。
[0029] まず、図 1〜図 3は、本発明に係る検出部 1の好適な第一実施形態を示している。こ の検出部 1には、図示されているように、溶液やゲルなどの媒質を貯留又は保持でき るゥエル形状 (凹部形状)の反応領域 2が設けられて 、る。
[0030] この反応領域 2は、ハイブリダィゼーシヨン等の物質間の相互作用の場を提供する 領域又は空間として機能する。この反応領域 2に貯留又は保持された媒質には、該 反応領域 2に臨むように形成された電極 Eを介して、例えば、交流電界が印加される
[0031] ここで、前記電極 Eは、アルミニウムや金などの金属、あるいは ITO (インジウム一ス ズーオキサイド)等の透明な導体で形成されており、本実施形態の例では、前記反応 領域 2の底面 21の中央位置に配置されている。なお、電極 Eの形成場所は、前記 底面 21に限定されず、例えば、上方側の基板 5や後述するスぺーサ 6の位置に、反 応領域 2に臨むように形成してもよ!/、。
[0032] この電極 Eは、図 1〜図 3に示されているように、 SiO、 SiC、 SiN、 SiOC、 SiOF、
1 2
TiO等カゝら選択される材料によって形成された絶縁層 3で覆うことが望ましい。反応 領域 2中に貯留される場合があるイオン溶液による電気化学的な反応を防止するた めである。
[0033] 電極 の表面は、 DNAプローブ等の検出用物質 Dが固定ィ匕される検出表面とし て機能させることができる。具体的には、予めプローブ DNA等の検出用物質 Dの末 端を固定ィ匕できる表面処理を電極 E表面に施しておくことにようにする。
[0034] 検出用物質 Dの固定は、電極 Eの表面とプローブ DNA (検出用物質 Dの一例）の 末端がカップリング反応等の反応によって行うことができる。例えば、ストレブトァビジ ンによって表面処理された電極表面の場合には、ピオチンィ匕された検出用物質 Dの 末端の固定に適している。あるいは、チオール（SH)基によって表面処理された電極 表面の場合には、チオール基が末端に修飾されたプローブ DNA等の検出用物質 D をジスルフイド結合（ S— S 結合)で固定することに適して!/、る。
[0035] なお、図 1等に示された符号 Dは、電極 Eの表面に末端が固定された DNAプロ一 ブに代表される検出用物質を、符号 Tは、検出用物質 Dと特異的な相互作用を示す 標的物質を、それぞれ模式的に示している。また、図 2、図 3中に示す符号 Wは、前 記検出用物質 Dと標的物質 Tとの間の特異的な相互作用（例えば、ハイブリダィゼー シヨン）によって形成された複合体 (例、二本鎖核酸)を示している。
[0036] 図 1から図 3に示されている符号 4、 5は基板を示している。基板 4は、例えば、光学 的に反応領域内の記録情報 (本発明では相互作用情報)の読み取りが可能とされた 光透過性の基板であり、例えば、石英ガラスやシリコン、ポリカーボネート、ポリスチレ ン、ポリオレフインやその他の合成樹脂によって形成されている。一方の符号 5で示さ れた基板は、反応領域 2を閉塞する蓋として機能し、目的に応じて、基板 4と同様の 基材で形成してもよ!、し、光反射機能を有する材料で形成してもよ ヽ。
[0037] 図 1などに示された符号 6は、 SiOや合成樹脂などの絶縁材で形成されたスぺー
2
サ部材である。なお、このスぺーサ部材 6は、基板 4や 5と別体形成、一体形成のい ずれでもよい。スぺーサ部材 6を基板 4あるいは 5と一体成形する場合は、公知の光 ディスクマスタリング技術によって、ノ、イブリダィゼーシヨンなどの相互作用の場を提 供する役割を果たす反応領域 2を形成することができる。
[0038] 続いて、上記電極 Eと反応領域 2外に設けられた接地部 7との間では、スィッチ Sの オン Zオフ操作によって、交流電源等の電源 Vで電圧が印加可能な構成となって ヽ る (電界印加手段)。
[0039] このような電界印加手段の構成では、狭小な反応領域 2内に電極 Eに対応する対 向電極を作る必要は無くなるので、前記反応領域 2の構造を簡略化できる。さらに、 電界印加をする場合、配線自体も接地部はあらカゝじめシステム側に接続しておき、検 出部への配線は反応領域 2内の電極 だけに接続すればよいので、検出（ハイプリ ダイゼーシヨンおよび信号検出）装置としての構造も簡易化が可能である。
[0040] スィッチ Sをオンにすると、電極 E近傍には電界が集中して、不均一電界を形成す ることができる。この不均一電界を生じさせるための好適な電極構造としては、特に図 示しないが、電極 Eの表面を、例えば、凹凸形状に粗面加工を施したり、島状になる ようにパター-ング形成したりすることによって、電界が、該電極 Eの表面の凸部位（ 山状部位）に集中し易くすることが考えられる。
[0041] このような構成では、凸部の角部、あるいは凹部の屈曲部などに、特に電界を集中 させることができるので、電極 Eの近傍領域において、誘電泳動の作用や効果をより 確実に利用できる。なお、電極表面を粗面加工する方法は、例えば、公知のスパッタ リング蒸着技術、ェピキタシー蒸着技術やエッチング技術を用いて実施することがで きるが、特に限定されない。
[0042] この不均一電界の作用によって、前記反応領域 2中にランダムに分散して存在して いる物質を、誘電泳動などの電気力学的作用によって、電極 E側へ引き寄せること や、電界に沿った方向に伸張させることも可能となる。
[0043] この印加する電界強度、周波数、印加時間は特に限定されるものではなぐ電界印 加対象の物質の種類、分子長等により、適正な電界強度、周波数、印加時間を選ぶ ことが望ましい。波形についても、サイン波に限定するものではなぐ例えば、三角波 等でもよい。
[0044] 実際に交流電界を印加する場合は、図 3に示されているように、電極 Eと電源 Vの 間にインピーダンスマッチング回路 8を設けておき、インピーダンスの整合をとることに より、効率的に電力が投入できるようにすることが好ま 、。
[0045] 図 4には、インピーダンスマッチング回路 8の回路構成の一例が簡略に示されてい る。インピーダンスマッチング回路 8は、接地された電源 Vと接地された検出部 1との 間に設けられ、各々接地されている二つの可変コンデンサ（Capacitor) C , Cと、こ
1 2 れらの可変コンデンサ C , Cの間に介在している中和素子であるインダクタンス中和
1 2
回路（中和コイル) Lnと、を備える。
[0046] 可変コンデンサ C , Cは、電界印加するときに、静電容量を調整する役割を果たし
1 2
、インダクタンス中和回路 Lnは、インダクタンスを調整する役割を果たす。このような 構成を用いて、電源 (信号発生源) Vカゝら出力される内部インピーダンスと電源の負 荷インピーダンスをマッチング (整合)する。
[0047] さらに、図 5には、電界印加手段の好適な実施形態のより詳細な構成がブロック図 的に示されている。
[0048] 接地された電源 (即ち、信号発生源) Vカゝら出力された信号は、該電源 Vに接続さ れて 、る増幅器 (アンプ) 81によって増大されて出力信号として取り出される。そして 、この出力信号に係わる伝送波 Wtは、符号 82で示す方向性結合器 (Directional Co upler)を介して、信号検出器 (センサー） 83に入って検出され、測定器 84で出力電 力が測定される。制御部 85は、この測定値を監視する。
[0049] また、末端の電極 E力ゝらの反射波 Wrは、方向性結合器 82を介して、信号検出器（ センサー） 86で検出され、測定器 87で反射電力が測定される。制御部 85は、この測 定値を監視する。
[0050] インピーダンスマッチング回路 8は、前記測定値に基づいて制御部 85から発せられ た制御信号 Cに基づいて、電源の内部インピーダンス Zvの大きさと対向電極 Eの負 荷インピーダンス Zeの大きさをそれぞれ調整し（図 5参照）、これにより、両インピーダ ンス Zv,Zeを整合して Zv=Zeとする。具体的には、制御部 85で測定された反射電力 が最も小さくなるように、マッチング回路 8内の容量成分あるいはインダクタンス成分 を、例えば、モータ駆動により変化させることでインピーダンス自動調整が行われる。
[0051] 以上のインピーダンスマッチング手段によって、検出部 1の反応領域 2内に存在す る物質、例えば、核酸分子に対する電気力学的作用を加える技術において、電源 V から対向電極 Eへ投入される電力の損失低減が図られ、その投入電力が最大となる [0052] また、反応領域 2に対する投入電力 (供給電力）の一定化 (安定化)、さらには、高 周波電界、交流電界、特に高周波交流電界を利用する場合に発生するパルス信号 の波形乱れの抑制、投入電力の位相遅れなどの問題の原因となる電極 E力もの反 射波 Wrの消去などを、確実に行うことができる。
[0053] 反応領域 2中に、標的物質 Tである核酸鎖が存在する場合を例に説明すれば、こ の核酸鎖は、誘電泳動という電気力学的作用を受けて、電界強度のよい強い電極 E の方へ泳動する。その結果、検出用物質 Dとして機能するプローブ DNAなどの核酸 鎖が予め固定されている電極 E表面上に、標的の核酸鎖が集まって、ノ、イブリダイ ゼーシヨンが効率よく進行する。
[0054] 即ち、前記誘電泳動により、標的となる核酸鎖を短時間で電極 E表面へ移動させ、 その濃度を高めることにより、電極 E表面に固定された核酸鎖とのハイブリダィゼー シヨン時間を大幅に短縮することが可能となる。
[0055] さらには、誘電泳動の作用によって、一本鎖の核酸鎖が伸張すると、ランダムコイル 状態に丸まって 、るときと比較して、ハイブリダィゼーシヨン時の立体障害が減少する ので、ハイブリダィゼーシヨンの効率を向上させることができる。
[0056] なお、ハイブリダィゼーシヨンの信号は、ダブルストランド（二本鎖核酸）に特異的に 結合し発光するインター力レートからの光量を測定しても良いし、あらかじめターゲッ ト DNAに結合させた蛍光色素からの発光量をノ、イブリダィゼーシヨン後に余剰な D NAを除去した後に測定してもよい。あるいは、モレキュラービーコンを利用してハイ ブリダィゼーシヨン反応に伴う発光量を測定してもよい。
[0057] ここで、図 6は、反応領域 2へ電界が印加されている様子を電気力線で模式的に示 した断面図（図 2と共通の断面図)である。
[0058] 本発明に係る検出部 1では、この図 6に示されているように、対向電極を持たない電 極 E力も反応領域 2の全域に向力つて電界が形成されるため、誘電泳動などの所望 の電気力学的作用を反応領域 2の全域へ及ぼすことができる。
[0059] 即ち、反応領域 2の全域に向力つて、広範囲に電界 (電気力線)を発散させることが できるので、反応領域 2の全体に電気的な勾配、あるいは不均一電界を形成できる。 これにより、反応領域 2中に分散している物質を効率良ぐかつ、より数多ぐ電極 E 側へ電気力学的な泳動作用によって寄せ集めることができる。
[0060] 図 7は、本発明に係る検出部の第二実施形態を示す図である。この第二実施形態 である検出部 10は、反応領域 2内に同一電位である三つの電極 E , E , Eを備えて
1 2 3 いる。同一電位の電極の数は、二つや三つ、あるいはそれ以上の数でもよぐ複数の 電極を基板 4の上面などに種々のパターンで配設するのも自由である。
[0061] ここで、直径 100 μ m、高さ 5 μ mの反応領域内に設けられた直径 10 μ mの電極 Ε において、接地部を無限遠に想定し、電極 Eと接地間に ± 20V、 1MHzの交流電 界を印加した場合の鉛直方向、斜め方向、水平方向のそれぞれの電界強度分布を 図 8、図 9、図 10に示し、また、鉛直方向、斜め方向、水平方向のそれぞれの電界強 度の変化率 (電界強度の二乗の傾き)分布を図 11、図 12、図 13に示す。また、図 14 は、鉛直方向、斜め方向、水平方向のそれぞれの距離 (単位： /z m)の電界強度デ ータ (右）と電界強度二乗の微分の数値データ (左）を示す図面代用データ表である 。なお、図 15は、電極周辺の電界強度分布に係わる鉛直 (Z)、水平 (H)、斜め（R) の各方向の概念を示す図である。
[0062] これらの図面に表された結果から、反応領域内には電界が形成され、電極 (E )近 傍では、その電界強度がより大きぐ不均一電界が発生していることがわかる。なお、 実際に交流電界を印加する場合は、上記したように、インピーダンスマッチングをとる ことにより、効率的に電力が投入できるようにすることが好ま 、。
産業上の利用可能性
[0063] 本発明は、電気力学的作用を利用して、物質間の相互作用を効率良ぐ短時間で 、高精度に検出するための技術として利用できる。 DNAチップやプロテインチップな どに代表されるセンサーチップ技術や前記相互作用を検出するための装置として利 用できる。

Claims

請求の範囲
[I] 物質間の相互作用の場を提供する反応領域と、該反応領域に臨設された同一の 電位を持つ電極又は電極群と、を少なくとも備える相互作用検出部。
[2] 前記電極又は電極群に交流電界が印加されることを特徴とする請求項 1記載の相 互作用検出部。
[3] 前記電極又は電極群の表面は凹凸形状を備えることを特徴とする請求項 1記載の 相互作用検出部。
[4] 前記電極又は電極群の表面は、絶縁層で覆われていることを特徴とする請求項 1 記載の相互作用検出部。
[5] 前記相互作用は、核酸鎖間のハイブリダィゼーシヨンであることを特徴とする請求 項 1記載の相互作用検出部。
[6] 請求項 1記載の相互作用検出部を少なくとも一つ備えることを特徴とするセンサー チップ。
[7] 物質間の相互作用の場を提供する反応領域と、
該反応領域に臨設された同一の電位を持つ電極又は電極群と、
該電極又は電極群に対する電界印加手段と、
を少なくとも備える相互作用検出装置。
[8] 前記電界印加手段は、電極又は電極群と接地部との間に交流電界を印加する手 段であることを特徴とする請求項 7記載の相互作用検出装置。
[9] 前記電界印加手段は、インピーダンスマッチング回路を介して高周波電界を印加 することを特徴とする請求項 7記載の相互作用検出部。
[10] 電界印加により、前記反応領域に存在する物質に電気力学的作用を加えることを 特徴とする請求項 7記載の相互作用検出装置。
[I I] 前記電気力学的作用は、電気泳動及び Z又は誘電泳動であることを特徴とする請 求項 9記載の相互作用検出装置。
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