专利名称：具备同一电位的电极的相互作用检测部和使用该检测部的传感器芯片、以及相互作用检 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测物质间的相互作用的^支术。更详细地 说，涉及一种利用电动力学的作用来检测物质间的相互作用的 技术。
背景技术：
近年来，利用微列阵技术将规定的DN A精密排列的所谓的 DNA芯片或DNA微列阵(以下，在本申请中统称为"DNA芯片，，) 的生物鉴定用的集成基板被利用到基因的变异分析、SNPs(单 核苷酸多态性)分析、基因表达频率分析等中，开始广泛地灵活 运用于新药开发、临床诊断、药理基因体学、进化研究、法医 学以及其他领域中。
该"DNA芯片"在玻璃基板、硅基板上集成了多种/很多的 DNA寡聚链、cDNA(complementary DNA:互补DNA)等核苷酸 链，因此特征在于能够彻底地解析杂交。此外，开发出各种检 测核酸分子以外的生物体分子间的相互作用的传感器芯片(例
如蛋白质芯片)和检测装置。
在此，近年来开始提出如下的技术在规定的反应区域中， 在使物质间进行相互作用从而检测该作用的鉴定系统中，利用 电泳、介电泳等电动力学的效果。下面例示该^支术。
首先，在日本特开2001-330608号公报中，公开了如下的 技术使用固定在铸型基板上的核酸探针铸型链，沿着该铸型 链合成核酸探针链，利用电场将该合成的探针固定在其它阵列 基板上，由此简单且低成本地制造核酸链固定化阵列。
在日本特开2001-242135号公才艮中，公开了如下的技术 由互相可安装和拆卸的主体部和机架构成，纟艮多针状电极在主 体部的内侧突出成矩阵状，在该针状电极上固定由不同的基因 序列构成的寡聚核苷酸，将共用电极配设在机架的凹处使其不 与该针状电极4妄触，在共用电极与针状电极间施加电压，并才全 测电流，从而检测通过前述寡聚核苷酸杂交所得到的双链 DNA。
在曰本特开2004-135512号7》报中公开了如下结构的杂交 检测部反应区域构成为边利用电场使前述4全测用核苷酸链伸 长、边通过介电泳的作用固定在扫描电极的端部，其中，所述 反应区域为检测用核苷酸链和具有与该检测用核苷酸链有互补 性的碱基序列的目标核苷酸链之间的杂交场所。
在前述的现有技术中，都利用相对配置在反应区域上的电 极或电极群。因而存在如下技术上的问题电场(电力线)形成 在相对电极间，因此难以在整个反应区域中达到期望的电动力 学的效果。
另外，DNA芯片、蛋白质芯片等传感器芯片中的反应区域 通常是狭小的，因此当设置具有相对配置关系的电极或电极群 时，存在如下的技术性问题(l)反应区域的构造变得更复杂、 (2)为了形成相对电极而产生反应区域的形态限制、(3)芯片制造 的工程数增加、(4)向电极的供电线的引线也复杂化等。
因此，本发明的主要目的在于提供一种在整个反应区域中 得到电动力学的效果、并且具备构造更简单的反应区域的相互 作用检测部等。
发明内容
本发明首先提供相互作用检测部，其至少具备提供物质
间的相互作用的场所的反应区域、和面向该反应区域而设置的
具有同 一电位的电极或电才及群；以及至少具备一个该相互作用 检测部的结构的传感器芯片。关于对前述电极或电极群施加的 电场，例如通过使用交流电场，得到介电泳等期望的电动力学效果。
另外，通过采用电极或电极群的表面具备凹凸形状的结 构，能够在凹凸形状特别是在不平坦部位附近形成不均匀电场。 在形成该不均匀电场的区域中，能够有效地得到介电泳的作用。 除此之外，通过用绝缘层覆盖电极或电极群的表面，可防止由 有时储存在反应区域中的离子溶液所引起的电化学反应。
在反应区域中进行的前述相互作用并不一皮狭义地限定，当 举出 一个例子时，可举出认为介电泳的作用对相互作用的效率、 精确度带来更好的效果的核酸链间的杂交。
接着，在本发明中提供相互作用检测装置，其至少具备 提供物质间的相互作用的场所的反应区域、面向该反应区域而 设置的具有同 一电位的电极或电极群、以及对该电极或电极群 施力口电场用的电场施力口单元。
构成本装置的前述电场施加单元可釆用例如在电极或电 极群与接地部之间施加交流电场的单元。另外，在该单元中还 可以通过阻抗匹配电i 各施加高频电场。
在本装置中，通过施加电场，对前述反应区域中存在的物 质施加介电泳等电动力学作用。
在此，说明与本发明有关的主要的技术用语。
"相互作用"广义意味着物质间包含非共价键、共价键、氢 键的化学性结合或离解，例如广义包含核酸分子间的杂交、蛋 白质间的相互作用、抗原抗体反应等物质间的化学性结合或离 解。此外，"杂交"意味着具有互补的碱基序列结构的物质间的
互补链(双链)形成反应。
"核酸链，，意味着噪呤或嘧啶碱基和糖进行糖苷键合而得至lj
的核苷的磷酸酯的聚合物(核苷酸链)，广义包括含有DNA探针 的寡聚核普酸、多聚核苷酸、噤呤核苷酸和嘧啶核苷酸聚合而 成的DNA(全长或其片段)、通过逆转录得到的cDNA(cDNA探 针)、RNA、聚酰胺核苷酸书f生物(PNA)等。
"反应区域"是可提供杂交等相互作用的场所的区域，举出 一个例子就是可储存液相、凝胶等的具有井形状的反应场。
"介电泳"是在电场不均匀的场中，分子向电场强的一方驱 动的现象。在施加交流电压的情况下，随着施加的电压的4l性 的反转，极化作用的极性也反转，因此可以获得与直流情况相 同的驱动效果(参照監修 林輝、"7,夕口 7 、>y ^材料技術 (、>一工厶、>一発行)"、P37 P46 .第5章.細胞:fe上t^DNAO 7 二匕° - P — 乂 3 乂)。特别是在高频交流电场中，力与时间平 均电场的平方梯度成比例地作用在偶才及子上，并发生泳动。
已知，例如核酸分子在液相中受到电场作用时进行伸长或 移动。认为该原理是通过形成骨架的磷酸离子(负电荷)以及存 在于其周围的水产生电离作用得到的氢原子(正电荷)而形成了 离子云(Y才y曇)，由于施加高频高电压，由这些负电荷和正 电荷产生的极化矢量(偶极子)整体朝向一个方向，其结果伸长， 此外，在施加不均匀电场的情况下，向电力线集中的部位进行 移动(Seiichi Suzuki, Takeshi Yamanashi, Shin-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.l， P75-83( 1998))。
物质间的相互作用并检测该相互作用的基板，与前述物质的种 类无关地广义地包含，不限于前述相互作用的检测原理。在该
传感器芯片中至少包含将DNA探针等核酸链固定并精密排列 的状态下的DNA芯片(DNA微列阵)、适合4全测蛋白质间的相互 作用、抗原抗体反应等的蛋白质芯片等。
在本发明中是在反应区域中设置具有同 一电位的电极或 电极群的结构，而不是设置了相对配置的电招"即相对电极)的 结构，因此能够使施加电场(电力线)向电极的周围全方位发散。
够在整个反应区域中形成电气性梯度或不均匀电场。由此，能 够通过电动力学的泳动作用将分散在反应区域中的物质高效 地、且更多地聚集到电极侧。
由于不需要在反应区域内形成相对电才及，因此反应区域的 形态限制也少，可使;险测部的构造简单。例如，在电场施加单 元中，关于供电用的配线自身，由于只要预先将接地部连接在
因此也可以使作为检测装置的构造简单。
图1是作为本发明所涉及的相互作用检测部(以下简称为 "检测部"。)而说明最佳的第 一 实施方式的基本结构的要部立体
图2是该检测部的横向截面图。 图3是图2中的A-A线截面图。
图4简略地示出了阻抗匹配电路(8)的电路结构的 一 个例子。
图5是表示电场施加单元的最佳实施方式的更详细的结构
的框图。
图6是用电力线示意性地示出向反应区域(2)施加电场的情
形的截面图(与图2相同的截面图)。
图7是表示本发明所涉及的检测部的第二实施方式的图。
图8是表示在电极E,与才妻地间施加了 士20V、 lMHz的交流电 场的情况下的垂直方向的电场强度分布的图。
图9是表示施加了该交流电场的情况下的倾斜方向的电场 强度分布的图。
图IO是表示施加了该交流电场的情况下的水平方向的电场 强度分布的图。
图11是表示垂直方向的电场强度的变化率(电场强度的平 方斜率)分布的图。
图12是表示倾斜方向的电场强度的变化率(电场强度的平 方斜率)分布的图。
图13是表示水平方向的电场强度的变化率(电场强度的平 方斜率)分布的图。
图14是表示垂直方向、倾斜方向、水平方向各自的距离(单 位iim;)的电场强度数据(右)和电场强度平方的微分的数值数据 (左)的附图代用数据表。
图15是表示与电极周围的电场强度分布有关的垂直(Z)、水 平(Il)、斜向(R)的各方向的概念的图。
具体实施例方式
下面参照
用于实施本发明的最佳方式。此外，附 图所示的各实施方式表示本发明所涉及的物体、方法的代表性 的实施方式的一例，并没有由此来限定性地解释本发明的范围。
图1是作为本发明所涉及的相互作用检测部(以下简称为
"-险测部"。)而说明最佳的第 一 实施方式的基本结构的要部立体
图，图2是其截面图，图3是图2中的A-A线截面图。
首先，图1 图3示出了本发明所涉及的检测部l的最佳的第 一实施方式。如图所示，在该检测部l中设置有可储存或保持溶 液、凝胶等介质的井形状(凹部形状)的反应区域2。
该反应区域2作为提供杂交等的物质间的相互作用的场所 的区域或空间而发挥功能。对储存或保持在该反应区域2中的介 质，通过形成为面向该反应区域2的电极Et来施加例如交流电 场。
在此，前述电才及E,由铝、金等金属或ITO(铟锡氧化物)等透 明的导体形成，在本实施方式的例子中配置在前述反应区域2 的底面21的中央位置上。此外，电极E,的形成场所并不限于前 述底面21，例如也可以在上方侧的基才反5、后述的隔板6的位置 上面向反应区域2地形成。
如图1 图3所示，最好利用由选自Si02、 SiC、 SiN、 SiOC、 Si()F、 Ti02等中的材料形成的绝缘层3来覆盖该电极E,。这是为 了防止由有时储存在反应区域2中的离子溶液引起的电化学反 应。
检测表面而发挥功能。具体地说，预先对电极E,的表面实施能 够将探针DNA等检测用物质D的末端进行固定的表面处理。
关于检测用物质D的固定，能够通过电极E,的表面与探针 D N A (检测用物质D的 一 例)的末端的耦合反应等反应来进行。例
固定生物素化的检测用物质D的末端。或者，在利用硫醇(SH) 基来进行表面处理的电极表面的情况下，适合以二硫化物键 (-S- S-键)来固定末端上修饰有硫醇基的探针DNA等的检测用
物质D。
此外，在图1等中所示的符号D示意性地示出了末端固定于
电极E,的表面上的DNA探针所代表的检测用物质，符号T示意 性地示出了表示与检测用物质D特异性相互作用的目标物质。 另外，在图2、图3中示出的符号W表示通过前述检测用物质D 与目标物质T之间的特异性相互作用(例如杂交)而形成的复合 体(例如双《连核酸)。
图l至图3中所示的符号4、 5表示基板。基板4是例如能够 在光学上读取反应区域内的记录信息(在本发明中是相互作用 信息)的光透射性基板，例如由石英玻璃、硅、聚碳酸酯、聚苯 乙烯、聚烯烃、其它合成树脂形成。用符号5来表示的另一个基 板作为封闭反应区域2的盖而发挥功能，既可以根据目的由与基 板4相同的基材来形成，也可以用具有光反射功能的材料来形 成。
图l等中示出的符号6是由Si02、合成树脂等绝缘材料形成 的隔板部件。此外，该隔板部件6与基板4、 5既可以分开形成， 也可以形成为一体。在将隔板部件6与基板4或5成形为一体的情 况下，能够利用公知的光盘控制技术形成发挥提供杂交等的相 互作用的场所的作用的反应区域2。
接着，能够通过开关S的接通/断开操作在前述电极E,与设 置在反应区域2外的接地部7之间，以交流电源等的电源V施加 电压(电场施加单元)。
在这种电场施加单元的结构中，没有必要在狭窄的反应区 域2内作出与电极E^t应的相对电极，因此可^吏前述反应区域2 的构造简单化。并且，在施加电场的情况下，只要预先将配线 自身的接地部连接在系统侧、并将向检测部的配线仅连接在反 应区域2内的电极E,上即可，因此也可以使作为检测(杂交以及
信号检测)装置的构造简单化。
当接通开关S时，电场集中在电极E,附近，从而可形成不 均匀电场。作为用于产生该不均匀电场的最佳的电极构造，虽
然没有特别进行图示，但是考虑通过对电极E,的表面例如实施 粗面加工而形成为凹凸形状，或图案形成为岛状，从而使电场 容易集中在该电才及E,表面的凸部位(山状部位)。
在这种结构中，特别是能够使电场集中到凸部的角部或凹 部的弯曲部等，因此在电极E,的附近区域能够更可靠地利用介 电泳的作用、效果。此外，对电极表面进4亍粗面加工的方法可 使用例如公知的賊射蒸镀技术、外延蒸镀技术、蚀刻技术来实 施，并不特別限定。
利用该不均匀电场的作用，还能够使随机分散地存在于前 述反应区域2中的物质通过介电泳等电动力学作用吸引到电极
K,侧、或沿着电场的方向延伸。
该施加的电场强度、频率、施加时间并不,皮特别限定，最 好根据电场施加对象的物质的种类、分子长度等来选择合适的 电场强度、频率、施加时间。关于波形也不限定于正弦波，例 如也可以是三角波等。
如图3所示，在实际施加交流电场的情况下，最好事先在 电极E,与电源V之间设置阻抗匹配电3各8来进行阻抗的匹配，由 此能够有效地输入电力。
在图4中简单地示出了阻抗匹配电i 各8的电^各结构的 一例。 阻抗匹配电路8设置在接地的电源V与接地的检测部l之间，具 备各自接地的两个可变电容器(Capacitor)d、 C2以及作为在这 些可变电容器C, 、 C2之间存在的中和元件的电感中和电路(中和 线圏)Ln。
可变电容器d、 (:2在施加电场时起到调整静电电容的作
用，电感中和电^各Ln起到调整电感的作用。^使用这种结构，4吏 从电源(信号产生源)V输出的内部阻抗和电源的负载阻抗匹配 (matching)。
并且，在图5中以框图的形式示出了电场施加单元的最佳
实施方式的更详细的结构。
从接地的电源(即，信号产生源)V输出的信号通过连接在该 电源V上的放大器(amplifier)81被放大而作为输出信号被取出。 而且，与该输出信号有关的传输波Wt通过由符号82表示的方向 性耦合器(Directional Coupler)输入到信号检测器(传感器)83而 被检测，并由测量器84测量输出电力。控制部85监视该测量值。
另外，来自末端的电极E,的反射波Wr通过方向性耦合器82 由信号检测器(传感器)86进行检测，由测量器87测量反射电力。 控制部85监视该测量值。
阻抗匹配电路8根据基于前述测量值而从控制部85发出的 控制信号C,分別调整电源的内部阻抗Zv的大小和相对电极f" 的负载阻抗Ze的大小(参照图5),由此使两个阻抗Zv、 Ze匹配使 得Zv^Ze。具体地说，为了使由控制部85测量的反射电力最小， 例如通过马达驱动来改变匹配电i 各8内的电容成分或电感成分， 从而进行阻抗自动调整。
在通过以上的阻抗匹配单元对存在于才企测部1的反应区域 2内的物质、例如核酸分子施加电动力学作用的技术中，实现减 少从电源V向相对电极E,投入的电力的损失，使其投入电力最 大。
另外，能够可靠地进行对反应区域2的投入电力(供给电力) 的固定化(稳定化)，进而可靠地抑制在利用高频波电场、交流 电场、特别是高频交流电场的情况下产生的脉冲信号的波形紊 乱、消除成为投入电力的相位延迟等问题原因的来自电极E,的
反射波Wr等。
如果以反应区域2中存在作为标准物质T的核酸链的情况 为例进行说明，则该核酸链受到称为介电泳的电动力学的作用 而向电场强度强的电极E, —方泳动。其结果，目标核酸链集中 到预先固定有作为检测用物质D而发挥功能的探针DNA等核酸 链的电极Ej表面上，从而有效地进行杂交。
即，通过前述介电泳-使成为目标的核酸嗜连在短时间内向电 极Ii,的表面移动，提高其浓度，由此能够大幅度地缩短与固定 在电极E!表面上的核酸链之间的杂交时间。
并且，当单链的核酸链由于介电泳的作用而伸长时，与蜷 曲成随机缠绕状态时相比，杂交时的立体障碍减少，因此可提 高杂交的效率。
此外，关于杂交的信号，既可以测量特异地结合于双链(双 链核酸)并发光的来自嵌入剂的光量，也可以预先除去杂交后剩 余的DNA之后对来自与目标DNA结合的荧光染料的发光量进 行测量。或者也可以利用分子信标来测量伴随杂交反应的发光
在此，图6是用电力线示意性地示出了向反应区域2施加电 场的情形的截面图(与图2相同的截面图)。
如该图6所示，在本发明所涉及的检测部l中，由于从不具 有相对电极的电极Ej朝向整个反应区域2形成电场，因此能够对 整个反应区域2产生介电泳等期望的电动力学作用。
即，能够朝向整个反应区域2使电场(电力线)广范围地发 散，因此能够在整个反应区域2中形成电气梯度或不均匀电场。 由此，能够通过电动力学泳动作用使分散在反应区域2中的物质 有效地并且更多地聚集到电极E,侧。
图7是表示本发明所涉及的检测部的第二实施方式的图。
电位的三个电4及E!、 E2、 E3。同 一电位的电才及的凄t量可以是两 个、三个、或其以上的数量，也可以在基板4的上面等以各种模 式自由配设多个电才及。
在此，在直径为100pm、高度为5^m的反应区域内设置的 直径10为pm的电极E,中，假设接地部无限远，在图8、图9、图 IO中示出了在电才及E，与接地间施加了士20V、 lMHz的交流电场 的情况下的垂直方向、倾斜方向、水平方向各自的电场强度分 布，另外在图ll、图12、图13中示出了垂直方向、倾斜方向、 水平方向各自的电场强度的变化率(电场强度的平方斜率)分
布。另外，图14是表示垂直方向、倾斜方向、水平方向各自的 距离(单位pm)的电场强度数据(右)和电场强度平方的微分的 数值数据(左)的附图代用数据表。此外，图15是表示与电极周 围的电场强度分布有关的垂直(Z)、水平(H)、倾斜(R)的各方向
的概念的图。
从这些附图所示的结果可知，在反应区域内形成电场，在 电极(Et)附近其电场强度更大，产生不均匀电场。此外，在实 际施加交流电场的情况下，如上所述，优选通过进行阻抗匹配 使得能够有效地接通电力。
产业上的可利用性
本发明可作为利用电动力学的作用来高效地、在短时间内 高精度地检测物质间的相互作用的技术而利用。可作为DNA芯 片、蛋白质芯片等所代表的传感器芯片技术、用于检测前述相 互作用的装置而利用。
权利要求
1.一种相互作用检测部，至少具备提供物质间的相互作用的场所的反应区域；以及面向该反应区域而设置的具有同一电位的电极或电极群。
2. 根据权利要求l所述的相互作用检测部，其特征在于， 对所述电t及或电才及群施加交流电场。
3. 根据权利要求l所述的相互作用检测部，其特征在于， 所述电极或电极群的表面具备凹凸形状。
4. 根据权利要求l所述的相互作用检测部，其特征在于， 所述电极或电极群的表面用绝缘层覆盖。
5. 根据权利要求l所述的相互作用^f全测部，其特征在于， 所述相互作用是核酸链间的杂交。
6. —种传感器芯片，其特征在于， 至少具备一个权利要求l所述的相互作用；f佥测部。
7. —种相互作用检测装置，至少具备 提供物质间的相互作用的场所的反应区域；面向该反应区域而设置的具有同 一 电位的电才及或电才及群；以及对该电极或电极群施加电场用的电场施加单元。
8. 才艮据权利要求7所述的相互作用检测装置，其特征在于， 所述电场施加单元是在电极或电极群与接地部之间施加交流电场的单元。
9. 根据权利要求7所述的相互作用检测部，其特征在于， 所；i电场施加单元通过阻抗匹配电^各施加高频电场。
10. 根据权利要求7所述的相互作用检测装置，其特征在于， 通过施力。电场，对所述反应区域中存在的物质施力p电动力学作用。
11. 根据权利要求9所述的相互作用检测装置，其特征在于， 所述电动力学作用是电泳和/或介电泳
全文摘要
本发明提供一种可以在整个反应区域中得到电动力学效果、且具备构造更简单的反应区域的相互作用检测部等。提供相互作用检测部1，其至少具备提供物质间的相互作用的场所的反应区域2以及面向该反应区域2而设置的具有同一电位的电极E<sub>1</sub>(或电极群)。另外，提供具备该相互作用检测部1的DNA芯片、蛋白质芯片等传感器芯片和使用前述检测部1的相互作用检测装置。
文档编号G01N33/53GK101189517SQ20068001972
公开日2008年5月28日 申请日期2006年5月12日 优先权日2005年6月3日
发明者濑川雄司, 胜本洋一 申请人:索尼株式会社