JP3842600B2 - 荷電物質移動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば遺伝子やタンパク質などの生体物質のような荷電物質を移動するための荷電物質移動装置に係り、特に生体物質検出装置に好適な荷電物質移動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遺伝子やタンパク質のような生体物質の検出システムの開発が進められている。例えば、遺伝子の検出はインターフェロンによる治療効果予測に利用されている。このインターフェロンによる治療効果予測を例に、従来の生体物質検出技術について述べる。
【０００３】
Ｃ型肝炎に感染すると、肝硬変を経て肝癌に進行することが知られており、その治療法の一つにインターフェロンを用いる方法がある。ただ、日本人ではインターフェロンの照射は約２〜３割の人にしか効果がなく、効果があっても非常に強い副作用が報告されている。そのため、あらかじめインターフェロンの治療効果を予測し、効果が期待できるときだけ使うテイラーメイド医療が最近注目され始めた。
【０００４】
インターフェロンによる治療効果の予測には、これまでウイルスの型およびウイルス量を遺伝子レベルで調べる方法が知られている。これは日本人に多い１ｂ型には効果が少ないが、２ａ型には効果的に作用し、またウイルス量が１０６copy/mL以上と多い場合にも効果が少ないと考えられている。実際の診断ではこれらの組み合わせによることが多く、予測が難しい場合があった。また最近、インターフェロンによる治療効果を予測する方法として、ＭｘＡたんぱく質をコードする遺伝子のプロモータ領域に存在する一塩基多型（ＳＮＰ）を指標にした方法が報告された。これはＧ／Ｇ型ではインターフェロンの効果が低く、逆にＧ／Ｔ型、Ｔ／Ｔ型には効果的に作用するというものである。
【０００５】
このように遺伝子レベルの解析で、インターフェロンの治療効果予測が可能になりつつあるが、これまでは全て煩雑で高価な従来技術（電気泳動やマイクロプレート＋ＥＩＡ等）を利用して検出を行う方法であり、臨床検査として行う場合はより簡便な手法が求められていた。
【０００６】
このような背景の下で最近、ＤＮＡチップと呼ばれる生体物質検出用素子による遺伝子検査技術が注目を集めている(Beattie et al. 1993, Fodor et al. 1991, Khrapko et al. 1989, Southern et al. 1994)。ＤＮＡチップは、複数種の配列が異なるＤＮＡプローブを固定化した数ｃｍ角の硝子やシリコンのチップからできており、チップ上で蛍光色素や放射線同位元素（ＲＩ）等で標識した試料遺伝子、あるいは未標識の試料遺伝子と標識オリゴヌクレオチドの混合物を反応させる。試料中にチップ上のＤＮＡプローブと相補的な配列が存在すると、チップ上の特定部位で標識に由来する信号が得られる。固定化しておいたＤＮＡプローブの配列と位置があらかじめ分っていれば、試料遺伝子中に存在する塩基配列を簡単に調べることができる。こうしたＤＮＡチップは、１回の試験で塩基配列に関する多くの情報が得られることから、臨床診断技術として利用できる可能性がある(Pease et al. 1994, Parinov et al. 1996)。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような生体物質検出装置では、ＤＮＡチップなどの生体物質検出用素子上の電極に形成されたＤＮＡプローブなどのリガンドと、試料液中の検出対象の生体物質を反応させるために、生体物質検出素子上で試料液中の生体物質を移動させることが必要となる。ところが、従来では試料液を単純に生体物質検出用素子上に流していたため、生体物質をそれに対応するリガンドと必ずしも反応させることができないという問題があった。
【０００８】
また、一般的には特に検出対象が遺伝子の場合、試料液中の遺伝子濃度が低いために、ＰＣＲ法などの遺伝子増幅法により予め対象となる遺伝子を増幅する必要があった。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、生体物質のような荷電物質と荷電物質検出用素子上の各リガンドとを効率良く反応させるように荷電物質を移動させることができる荷電物質移動装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明はさらに試料中の検出対象荷電物質の濃縮をも可能として生体物質検出装置に用いた場合の検出感度向上を達成できる荷電物質移動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は基板と、この基板上に所定の配列方向に沿って配列された複数の電極と、試料溶液中の荷電物質を該電極上でその配列方向に沿って移動させるために該電極を駆動する駆動回路とを具備し、駆動回路は複数の電極のうちの一部の電極に荷電物質の荷電極性と逆極性の電圧を印加し、かつ該逆極性の電圧を印加する電極の位置を電極の配列方向に順次変化させることを特徴とする。遺伝子検出装置に適用する場合、複数の電極には所定の荷電物質と反応するリガンドがそれぞれ固定化される。
【００１２】
このように荷電物質は電極上をその配列方向に沿って順次移動するので、生体物質の検出に適用した場合、生体物質と電極に固定化された各リガンドとを効率良く反応させることが可能となる。
【００１３】
また、本発明では駆動回路が複数の電極のうち荷電物質の荷電極性と逆極性の電圧を印加する電極に対して、電極の配列方向で隣接する少なくとも一つの電極に荷電極性と同一極性の電圧を印加してもよい。このように電極に電圧を印加すると、所定の電極に静電吸引力でトラップされた荷電物質が隣接する電極からの静電反発力で当該所定の電極上に閉じ込められることにより、荷電物質の濃縮も可能となるため、生体物質検出に用いた場合、検出感度が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の生体物質検出装置に適用した実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す断面図である。基台１は、中央上部に後に詳しく説明する生体物質検出用素子５を載せるための突出した素子載置部２を有し、さらに図中左側に試料液通過孔３、中央下部に試料液通過孔３に連通した試料液排出口４をそれぞれ有する。
【００１５】
基台１上には、素子載置部２に載せられた生体物質検出用素子５を上下両側から保持すると共に、素子５への試料液の案内と、素子５を通過した試料液の試料液通過孔３への案内を主として行うための上部ホルダ６及び下部ホルダ７が配置されている。
【００１６】
上部ホルダ６の中央部には試料液導入部８が設けられており、この試料液導入部８には試料液供給パイプ１０が接続されている。試料液供給パイプ１０から試料液導入部８に導入された試料液は、生体物質検出用素子５上に案内され、ここで生体物質の検出に供された後、下部ホルダ６と上部ホルダ７とによって形成された試料液案内ダクト９及び基台１に形成された試料液通過孔３を経て、試料液排出口４から外部へ排出される。
【００１７】
上部ホルダ６には長方形状の貫通孔１１が形成されており、この貫通孔１１を通して接触電極１５を挿入することにより、接触電極１５の先端を生体物質検出用素子５上の作用極として機能する電極に接触させることが可能である。この接触電極１５を用いることにより、生体物質検出用信号を電流、電位などの電気的信号として取り出すことができる。
【００１８】
図２は、生体物質検出用素子５の構成を示す平面図である。素子基板２０上の図１中に示した試料液導入部８直下の位置に、凹部からなる試料液受入部２１が設けられている。さらに、素子基板２０上には試料液受入部２１に一端を連通させた渦巻き状の試料液案内溝２２が形成され、この案内溝２２の底部に渦巻きに沿って作用極として機能する複数の円形状の電極２３が配列されている。素子基板２０の案内溝２２の他端には試料液排出部２４が設けられ、この試料液排出部２４は図１中に示した試料液案内ダクト９に連通している。
【００１９】
電極２３には、少なくとも一種類の特異的検出用リガンドが固定されている。すなわち、電極２３はリガンド固定化部を兼ねている。電極２３の各々に固定化されるリガンドは、検出対象の生体物質に応じて、例えば遺伝子、遺伝子プローブ、タンパク質、タンパク質断片、補酵素、レセプタ及び糖鎖のいずれかから選択される。
【００２０】
電極２３の各々に異なったリガンドを固定化すれば、一度に複数の生体物質を検出することができる。また、電極２３の各々に同じリガンドを固定化することで、一度に多数の生体物質の検出を行うことも可能である。フォトリソグラフィを利用して、あらかじめ素子基板２０上に多数の電極２３（リガンド固定化部）をパターニングしておくと、生体物質検出用素子５の量産性が向上する。
【００２１】
電極２３は、例えば素子基板２０上に形成された多層配線により電極パッド２５にそれぞれ接続される。電極パッド２５には、電極２３に所定の電圧を印加して電極２３を駆動する駆動回路２６が接続される。この駆動回路２６の動作については、後に詳しく説明する。
【００２２】
このように試料液供給パイプ１０から供給される試料液は、上部ホルダ６及び下部ホルダ７により案内されて生体物質検出用素子５に中央部から導入され、素子５の周辺部に設けられたリガンド固定化部上に均一に供給された後、下方から排出される構成となっている。従って、試料液中の生体物質の検出を均一な条件で行うことが可能である。
【００２３】
検出対象生体物質が遺伝子の場合、電極２３にはリガンドとしてＤＮＡプローブが固定される。ＤＮＡプローブとは、周知のように特定の遺伝子と反応する１本鎖遺伝子である。試料液中の遺伝子を１本鎖状態にしておくと、電極２３に固定されているＤＮＡプローブに対応して特定の配列を持つ遺伝子のみが電極２３にトラップされ、やがてＤＮＡプローブとその遺伝子とが相補的な結合を行う（ハイブリダイゼーション）。
【００２４】
以上の構成をさらに具体的に説明すると、まず、素子基板２０に用いる基板材料は特に限定されるものではないが、例えばガラス、石英ガラス、アルミナ、サファイア、フォルステライト、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、等の無機絶緑材料を使用できる。また、ポリエチレン、エチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル、含フッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、スチレン・アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、シリコーン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリスルホン等の有機材料を基板材料に用いることもできる。さらに、後述する光学的手法で生体物質検出を行う場合であれば、基板材料としてナイロンやセルロースなどの繊維薄膜を適用することも可能である。
【００２５】
電極２３に用いる電極材料についても、特に限定されるものではないが、リガンド固定化スポットを含む電極については、生体物質の検出を電気化学的に検出する場合、例えば、金、金の合金、銀、プラチナ、水銀、ニッケル、パラジウム、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、タングステン等の金属単体及びこれらの金属を少なくとも２種以上含む合金、あるいはグラファイト、グラシーカーボン等の炭素等、またはこれらの酸化物、化合物、あるいは酸化珪素等の半導体化合物や、ＣＣＤ、ＦＥＴ、ＣＭＯＳなど各種半導体デバイスを用いることが可能である。
【００２６】
電極２３の作製法としては、メッキ、印刷、スパッタ、蒸着などを用いることができる。蒸着法としては、抵抗加熱法、高周波加熱法及び電子ビーム加熱法のいずれかを用いることができる。スパッタリング法としては、直流２極スパッタリング、バイアススパッタリング、非対称交流スパッタリング、ゲッタスパッタリング及び高周波スパッタリングのいずれかを用いることが可能である。さらに、電極としてポリピロール、ポリアニリンなどの電解重合膜や導電性高分子も用いることが可能である。
【００２７】
電極２３の表面を覆う絶縁性薄膜に用いる絶縁材料については、特に限定されるものではないが、例えばフォトポリマやフォトレジスト材料が好ましい。フォトレジスト材料としては、光露光用フォトレジスト、遠紫外用フォトレジスト、Ｘ線用フォトレジスト、電子線用フォトレジストが用いられる。光露光用フォトレジストには、主原料が環化ゴム、ポリけい皮酸、ノボラック樹脂が挙げられる。遠紫外用フォトレジストには、環化ゴム、フェノール樹脂、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ），ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等が用いられる。また、Ｘ線用レジストには、ＣＯＰ、メタルアクリレートほか、薄膜ハンドブック（オーム社）に薄膜ハンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることができる。電子線用レジストには、ＰＭＭＡ等のような薄膜ハンドブック（オーム社）に記載の物質を用いることが可能である。ここで用いるレジストの厚さは１０ｎｍ以上、１ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２８】
作用極である電極２３をフォトレジストによって被覆し、リソグラフィを行うことで、電極２３の面積を一定にすることが可能になる。これによって、ＤＮＡプローブなどのリガンド固定化量がそれぞれの電極２３間で均一になり、再現性に優れた生体物質検出を可能にする。従来、レジスト材料は最終的には除去するのが一般的であるが、電極２３がＤＮＡプローブの固定された遺伝子検出用である場合においては、レジスト材料を除去することなく電極２３の一部として用いることも可能である。この場合は、用いるレジスト材料に耐水性の高い物質を使用する必要がある。
【００２９】
電極２３の上部に形成する絶緑薄膜には、フォトレジスト材料以外の材料を用いることも可能である。例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎｉ等の酸化物、窒化物、炭化物、そのの他合金を用いることも可能である。これらの材料をスパッタ、蒸着あるいはＣＶＤ等を用いて薄膜を形成した後、フォトリソグラフィで電極露出部のパターニングを行い、面積を一定に制御する。
【００３０】
次に、図３〜図６を用いて駆動回路２６の駆動動作について説明する。駆動回路２６は、電極２３に所定極性の電圧を印加することにより、生体物質検出用素子５上の中央部に設けられた試料液受入部２１に受入した試料液中の検出対象生体物質を順次電極２３の配列方向に移動させる。
【００３１】
検出対象生体物質が遺伝子の場合、遺伝子の水溶液である試料液が試料液供給パイプ１０から試料液導入部８を介して生体物質検出用素子５上の試料液受入部２１に供給され、案内溝２２によって電極２３上に案内される。遺伝子の荷電極性は負であり、図３〜図６では検出対象生体物質が遺伝子の場合の駆動例について示している。図３〜図６は、いずれも電極２３に対する電圧印加状態の時間的推移を示しており、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に電圧印加状態（電圧の極性）は推移するものとする。
【００３２】
図３の駆動例について説明すると、まず図３（ａ）に示すように試料液受入部２１に最も近い電極２３−１に遺伝子の荷電極性と逆極性である正極性の電圧を印加し、この電極２３−１に隣接する電極２３−２に負極性の電圧を印加する。従って、試料液受入部２１に供給された試料液は、遺伝子の荷電極性と逆極性の電圧が印加されている電極２３−１による静電吸引力によって電極２３−１上に移動する。この際、試料液に若干の負圧を与えると、試料液はより速やかに移動することができる。電極２３−１に隣接する電極２３−２には、遺伝子の荷電極性と同極性の電圧が印加されているため、遺伝子は電極２３−１上にトラップされる。
【００３３】
次に、図３（ｂ）に示すように電極２３−１に印加する電圧の極性を反転させて負極性とし、さらに隣接する電極２３−２に印加する電圧の極性も反転させて正極性とする。このとき、試料液中の遺伝子はその荷電極性と同極性の電圧が印加された電極２３−１からは静電反発力を受け、荷電極性と逆極性の電圧が印加された電極２３−２からは静電吸引力を受けるため、電極２３−１上から電極２３−２上へと移動し、電極２３−２上にトラップされることになる。
【００３４】
次に、図３（ｃ）に示すように電極２３−２に印加する電圧の極性を反転させて負極性とし、さらに隣接する電極２３−３に印加する電圧の極性も反転させて正極性とすることにより、試料液中の遺伝子を電極２３−２上から電極２３−３上へと移動させ、トラップさせる。
【００３５】
以下、同様にして試料液中の遺伝子の荷電極性と同一極性の電圧を印加する電極の位置及び荷電極性と逆極性の電圧を印加する電極の位置を順次ずらせることにより、遺伝子を順次隣接する電極上へと移動させることができる。この移動の過程で、ある電極上に保持された特定の遺伝子が当該電極に固定化されているリガンドと相補的な配列を持っていると、それらの遺伝子とリガンドとが反応して結合することになる。すなわち、ハイブリダイゼーションが生じる。
【００３６】
このようにして遺伝子は、生体物質検出用素子５において電極２３上をその配列方向に沿って順次移動し、試料液排出部２４から素子５の外部へ排出されることになる。
【００３７】
図４に、本実施形態における駆動回路２６の他の駆動例を示す。図３に示した駆動例では、例えば図３（ｂ）を参照すると、電極２３のうち遺伝子をトラップしている電極の電極２３−２の遺伝子の移動方向と反対側の電極２３−１にのみ遺伝子の荷電極性と同極性である負極性の電圧を印加したが、図４（ｂ）に示すように移動方向側の電極２３−３にも負極性の電圧を印加するようにしてもよい。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）（ｂ）（ｃ）と同じタイミングでの電圧印加状態を示しており、図４（ａ）に示す最初の状態は図３（ａ）と同様であるが、図４（ｂ）（ｃ）では正極性の電圧が印加された電極から見て遺伝子の移動方向前後（電極２３の配列方向の両側）の電極に負極性の電圧を印加している。
【００３８】
このようにすると、電極２３のうち遺伝子をトラップしている正極性の電圧が印加された電極に対して、遺伝子移動方向前後の両電極に負極性の電圧が印加されていることにより、これら両電極による静電反発力によって、遺伝子をトラップしている電極上に遺伝子が閉じ込められるため、遺伝子の濃縮が可能となる。従って、遺伝子の検出を効率よく行うことができ、予め遺伝子を増幅する必要がなくなるか、あるいは増幅の程度が緩和される。
【００３９】
次に、図５の駆動例では電極２３のうち隣接する２個の電極に正極性の電圧を印加し、当該２個の電極の組に隣接する電極にこれと逆極性の電圧を印加する動作を電極２３の配列方向において電極１個分ずつずらせて行っている。
【００４０】
さらに、図６は同時に全ての電極２３に電圧を印加する駆動例であり、図５と同様に電極２３のうち隣接する２個の電極に正極性の電圧を印加し、当該２個の電極の組に隣接する電極にこれと逆極性の電圧を印加する動作を電極２３の配列方向において電極１個分ずつずらせて行っている。
【００４１】
なお、電極２３のうち遺伝子の荷電極性と逆極性である正極性の電圧を印加する電極の数ｎ、同極性である負極性の電圧を印加する電極の数ｍ、印加電圧の極性を切り替える際のずらせる電極数ｐとしたとき、ｎ，ｍ，ｐは全て１以上の任意の数に選ぶことができる。最も単純には、ｎ＝ｍ＝ｐ＝１でもよく、その場合、電極２３の一つに注目すると、印加電圧の極性を周期的に正極性と負極性とに交互に切り替えることになる
図７は、本発明の他の実施形態に係る生体物質検出用素子における電極構成と駆動例を示している。同図に示されるように、本実施形態では生体物質検出用素子における素子基板の中央部に配置された試料液受入部３１を中心とする円周上に案内溝３２が形成され、この案内溝３２の底部にリガンドが固体化された電極３３が配列されている。試料液受入部３１に供給された試料液は、案内溝３２内に導かれ、電極３３上に到達する。
【００４２】
このような構成において、図示しない駆動回路により図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、図６に示した駆動例と同様に電極３３に電圧を印加することによって、試料溶液中の遺伝子などの検出対象生体物質を円周に沿って電極３３上を移動させることができる。
【００４３】
すなわち、まず図７（ａ）に示すように電極３３のうち点線で囲んだ隣接する２個の電極の組に正極性の電圧を印加し、この組の電極に隣接する電極に負極性の電圧を印加する。次に、所定の単位時間後に、図７（ｂ）に示すように正極性の電圧を印加する２個の電極の組の位置を電極１個分だけずらせ、それに伴い２個の電極の組に隣接した負極性の電圧を印加する電極の位置も電極１個分だけずらせる。さらに所定の単位時間経過後に、図７（ｃ）に示すように正極性の電圧を印加する２個の電極の組の位置と極性の電圧を印加する電極の位置を電極１個分だけずらせる。以下、このような印加電圧の極性の切り替えを単位時間毎に、つまり所定周期で行うことにより、試料液中の検出対象生体物質（例えば遺伝子）が隣接する電極３３の配列上を円周方向に移動し、電極３３の各々に固定されているリガンドと均一に効率よく反応することができる。
【００４４】
このようにして、生体物質検出用素子に導入された試料液中の検出対象生体物質を濃縮させながら順次電極３３上を移動させることが可能となる。すなわち、本実施形態によるとリガンドが固定化された電極３３上で検出対象生体物質が濃縮状態となるため、従来のようにＰＣＲ法などの遺伝子増幅法によって予め検出対象生体物質を増幅することなく、検出対象生体物質とリガンドを効率よく反応させることができ、検出効率が向上する。
【００４５】
図８（ａ）（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す平面図及び断面図である。
本実施形態の生体物質検出装置においては、基台４０の中央に形成された突出部４０Ａ上の中央に、試料液受入部４１と、試料液受入部４１を中心として形成された凹部４２、及び凹部４２内に試料液受入部４１を中心として放射状に形成された扇状の複数の電極４３が設けられている。電極４３には、リガンドが固定化されている。さらに、基台４０には、生体物質検出用素子を通過した試料液を試料液排出口に案内する試料液通過孔４４が設けられている。
【００４６】
このような生体物質検出装置をにおいても、電極４３を図示しない駆動回路によって図７で説明したと同様に駆動することにより、検出対象生体物質を濃縮させつつ電極４３が配列された円周方向に順次移動させ、検出対象生体物質とリガンドを効率よく反応させることができる。
【００４７】
図９には、本発明の別の実施形態に係る生体物質検出用素子の構成を示す。
素子基板５０上の対向する二つの角の近傍に、試料液受入部５１及び試料液排出部５４が配置されている。さらに、これら試料液受入部５１と試料液排出部５４との間にジグザグ状の試料液案内溝５２が形成され、この試料液案内溝５２内にリガンドが固定化された電極５３が配置されている。
【００４８】
このような構成の生体物質検出用素子を用いた場合においても、電極５３を図示しない駆動回路により図３〜図６で説明したと同様に駆動することによって、検出対象生体物質を電極５３が配列された円周方向に順次移動させ、さらには移動中に検出対象生体物質を濃縮させることで、リガンドを効率よく反応させることが可能となる。
【００４９】
図１０は、本発明のさらに別の実施形態として、複数の反応工程を有する生体物質処理装置の概略構成を示している。
本実施形態では、基板６０上に複数の反応室６１Ａ〜６１Ｆが配置され、これらの反応室６１Ａ〜６１Ｆは試料液案内溝６２によって適宜連絡されている。試料液案内溝６２には、電極６３が配列されている。電極６３は、例えばリガンドが固定化されていてもよい。
【００５０】
このような生体物質処理装置においても、電極６３を図示しない駆動回路により図３〜図６で説明したと同様に駆動することによって、処理対象生体物質を電極５３が配列された円周方向に順次移動させ、さらには移動中に処理対象生体物質を濃縮させることで、処理対象生体物質を反応室６１Ａ〜６１Ｆ内で効率よく反応処理することが可能となる。
【００５１】
次に、図１１を用いて本発明のさらに別の実施形態に係る生体物質処理装置を説明する。本実施形態は、電荷を有しない生体物質の処理に使用される装置であり、例えば界面活性剤などによるミセル構造となっている。
【００５２】
ミセル構造とは、非荷電物質をミセルで被覆することによって強制的に荷電させた構造であり、図１１では生体物質が負極性に荷電されている。このようにミセル構造により強制的に荷電させた生体物質を移動を移動させる場合にも、上述した各実施形態で説明した構成の生体物質移動装置や生体物質処理装置を用いることができる。
【００５３】
本発明による生体物質移動装置を用いた生体物質検出用素子ないしは生体物質検出装置が対象とする試料検体は、特に限定されるものではなく、例えば、血液、血清、白血球、尿、便、***、唾液、組織、培養細胞、喀痰等を用いることができる。ここで、検出対象物質が遺伝子の場合、これらの試料検体から例えば遺伝子の抽出を行う。抽出方法は特に限定されるものではなく、フェノール−クロロホルム法等の液一液抽出法や、担体を用いる固液抽出法を用いることができる。また、市販の核酸抽出方法ＱＩＡａｍｐ（ＱＩＡＧＥＮ社製）、スマイテスト（住友金属社製）等を利用することも可能である。
【００５４】
次に、こうして抽出した遺伝子の試料溶液を前述の実施形態で説明した生体物質検出用素子（ＤＮＡチップ）上に導入し、リガンドであるＤＮＡプローブが固定化された電極上でハイブリダイゼーション反応を行う。反応溶液は、例えばイオン強度０.０１〜５の範囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液とする。この溶液中にはハイブリダイゼーション促進剤である硫酸デキストランや、サケ***ＤＮＡ、牛胸腺ＤＮＡ、ＥＤＴＡ、界面活性剤などを適宜添加することが可能である。ここに抽出した試料遺伝子を添加し、生体物質検出用素子への導入前に９０℃以上で熱変性させることが必要となる。未反応の試料遺伝子は、試料液排出口４から回収され、必要に応じて再度、生体物質検出用素子用素子に導入することもできる。
【００５５】
抽出した遺伝子は、あらかじめＦＩＴＣやＣｙ３、Ｃｙ５、ローダミンなどの蛍光色素やビオチン、ハプテン、オキシダーゼやポスファターゼ等の酵素や、フェロセンやキノン類等の電気化学的に活性な物質で標識するか、あるいは、これらの物質で標識したセカンドプローブを用いることで検出が可能になる。蛍光色素で標識した場合には、光学的検出が可能になる。
【００５６】
電気化学的に活性なＤＮＡ結合物質を用いた検出を行う場合は、以下のような手順で検出を行う。
ＤＮＡプローブが固定化された電極（作用極）の表面に形成された二本鎖ＤＮＡ部分に、選択的に結合するＤＮＡ結合物質を作用させ、電気化学的な測定を行う。ここで用いられるＤＮＡ結合物質は特に限定されるものではないが、例えば、ヘキスト３３２５８、アクリジンオレンジ、キナクリン、ドウノマイシン、メタロインターカレータ、ビスアクリジン等のビスインターカレータ、トリスインターカレータ、ポリインターカレータ等を用いることが可能である。さらに、これらのインターカレータを電気化学的に活性な金属錯体、例えば、フェロセン、ビオロゲン等で修飾しておくことも可能である。
【００５７】
ＤＮＡ結合物質の濃度は、その種類によって異なるが、一般的には１ｎｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌの範囲で使用する。この際、イオン強度０.００１〜５の範囲で、ｐＨ５〜１０の範囲の緩衝液を用いる。
【００５８】
作用極としての電極をＤＮＡ結合物質と反応させた後、洗浄し、電気化学的な測定を行う。電気化学的な測定は、３電極タイプ、すなわち参照極、対極、作用極、あるいは２電極タイプ、すなわち対極、作用極で行う。測定では、ＤＮＡ結合物質が電気化学的に反応する電位以上の電位を印加し、ＤＮＡ結合物質に由来する反応電流値を測定する。この際、電位は定速で掃引するか、あるいはパルスで印加するか、あるいは、定電位を印加することができる。測定には、ポテンショスタット、デジタルマルチメータ、ファンクションジェネレータ等の装置を用いて電流、電圧を制御する。
【００５９】
【実施例１】
図２で説明した生体物質検出用素子をインターフェロン治療効果予測用ＤＮＡチップとして構成し、以下の実験を行った。
まず、ヒトの白血球から染色体ＤＮＡを採取し、適当なプライマを用いてＭｘＡ遺伝子部分の１００ｂｐ程度の断片をＰＣＲ増幅した。増幅後、熱変性させたものをＤＮＡチップに導入した。なお、予めＤＮＡチップの電極３３上にはＭｘＡ遺伝子中に存在するＳＮＰ（一塩基多型）に関連するＤＮＡプローブが固定化されている。試料液の導入後、電極２３を駆動し、最終的に余剰試料液が観測されてから緩衝液で洗浄し、ＤＮＡ結合物質（ヘキスト３３２５８）を作用させたところ、インターフェロン治療効果を予測できることが分かった。
【００６０】
さらに、この場合、図６で説明したように電極２３に印加する電圧の極性を切り替えることにより、導入した遺伝子を濃縮させつつ周辺部に移動させ、遺伝子が電極２３上にトラップされた状態で、個々の電極２３に印加する電圧の極性を切り替えて、遺伝子を電極２３の配列上を移動させることにより、ＰＣＲ増幅を行わなくとも、精度良く治療効果予測ができることが分かった。
【００６１】
【実施例２】
図９で説明した生体物質検出用素子を腫瘍マーカ検出用チップとして構成し、以下の実験を行った。
腫瘍マーカ検出用チップを構成するために各種ヒト腫瘍マーカに対する抗体を電極５３の表面に固定化した。非特異的吸着を防ぐために、１％牛血清アルブミンを作用させた。実施例１と同様の操作で順に電極のチャージを変化させ、ヒト血清を試料にして腫瘍マーカの検出を行ったところ、０．１ｎｇ／ｍＬオーダーまで高感度に再現性良く検出できることが示された。なお、この際には、第２抗体として西洋大根由来ペルオキシダーゼで標識したものを使用し、発光検出系用の基質を最後に流した。
【００６２】
なお、上述した実施形態では生体物質移動装置について説明したが、本発明は生体物質移動装置のみに限定されるものではなく、所定の荷電極性を有する荷電物質の移動装置に全て適用が可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば生体物質と生体物質検出用素子上の各リガンドとを効率良く反応させるように生体物質を移動させることができる。
【００６４】
さらに、本発明によると試料中の検出対象生体物質の濃縮をも可能として生体物質検出装置に用いた場合の検出感度向上を達成できる生体物質移動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す断面図
【図２】同実施形態における生体物質検出用素子の概略構成を示す平面図
【図３】同実施形態に係る生体物質検出用素子の第１の駆動例を示す図
【図４】同実施形態に係る生体物質検出用素子の第２の駆動例を示す図
【図５】同実施形態に係る生体物質検出用素子の第３の駆動例を示す図
【図６】同実施形態に係る生体物質検出用素子の第４の駆動例を示す図
【図７】本発明の他の実施形態に係る生体物質検出用素子の電極構成と該生体物質検出用素子における検出対象生体物質の濃縮及び移動動作を説明するための図
【図８】本発明の他の実施形態に係る生体物質検出装置の構成を示す平面図及び断面図
【図９】本発明の別の実施形態に係る生体物質検出用素子の構成を示す平面図
【図１０】本発明の一実施形態に係る生体物質処理装置の概略構成を示す平面図
【図１１】本発明のさらに別の実施形態に係る生体物質処理装置の概略構成を示す平面図
【符号の説明】
１…基台
２…素子載置部
３…試料液通過孔
４…試料液排出口
５…生体物質検出用素子
６…上部ホルダ
７…下部ホルダ
８…試料液導入部
９…試料液案内ダクト
２０…素子基板
２１…試料液受入部
２２…試料液案内溝
２３…電極
２４…試料液排出部
２５…電極パッド
２６…駆動回路
３１…試料液受入部
３２…試料液案内溝
３３…電極
４０…基台
４１…試料液受入部
４２…凹部
４３…電極
４４…試料液排出部
５０…素子基板
５１…試料液受入部
５２…試料液案内溝
５３…電極
５４…試料液排出部
６０…基板
６１Ａ〜６１Ｆ…反応室
６２…試料液案内溝
６３…電極

Claims (3)

1. 所定の荷電極性を有する荷電物質を移動させる装置において、
   案内溝を有する基板と、
   前記案内溝の底部に所定の配列方向に沿って配列された複数の電極と、
   前記複数の電極のうちの一部の電極に前記荷電物質の荷電極性と逆極性の電圧を印加すると共に前記逆極性の電圧を印加する電極に対して前記配列方向で隣接する両側の電極に前記荷電極性と同一極性の電圧を印加し、かつ該逆極性の電圧を印加する電極の位置を前記配列方向に順次変化させる駆動動作を行うことによって、前記荷電物質を前記複数の電極上で前記配列方向に沿って移動させるための駆動回路とを具備する荷電物質移動装置。
2. 前記案内溝は渦巻き状であることを特徴とする請求項１記載の荷電物質移動装置。
3. 所定の荷電極性を有する荷電物質を移動させる装置において、
   前記荷電物質の受入部を中心とする凹部を有する基板と、
   前記凹部に前記受入部を中心として放射状に形成され、所定の配列方向に沿って配列された扇状の複数の電極と、
   前記複数の電極のうちの一部の電極に前記荷電物質の荷電極性と逆極性の電圧を印加すると共に前記逆極性の電圧を印加する電極に対して前記配列方向で隣接する両側の電極に前記荷電極性と同一極性の電圧を印加し、かつ該逆極性の電圧を印加する電極の位置を前記配列方向に順次変化させる駆動動作を行うことによって、前記荷電物質を前記複数の電極上で前記配列方向に沿って移動させるための駆動回路とを具備する荷電物質移動装置。

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