专利名称：生物测定基底、基底信息读取器及基底信息读取方法
技术领域：
本发明涉及在生物信息学(生命信息科学)领域中特别有用的用于生物测定(bioassay)的基底、以及用于解译用于生物测定的基底上的信息的设备。
背景技术：
目前，为了分析分子间相互反应过程、基因突变、单核苷酸多态性(SNP)或者基因表达的频率，已知下面的生物测定技术。在该技术中，要检测的核苷酸链或者蛋白质，如具有已知序列的DNA探针，被置于一基底上的预定检测表面区域，以光学检测与目标分子的相互反应过程的状态。该技术已经开始广泛应用于许多领域，如新药的开发、临床诊断、遗传药理学(pharmacogenetics)和有争议的医药。
称为DNA芯片或者DNA微阵列(此后总称为DNA芯片)的用于生物鉴定的集成基底，是一种用于有效执行上述生物测定技术的典型工具。在该集成基底中，例如使用微阵列技术精细排列预定的DNA探针。
在DNA芯片中，各种类型的许多DNA低聚链(oligo chain)或者互补DNA(cDNA)等集成在玻璃基底或者硅基底上。DNA芯片允许如杂交(hybridization)的分子间相互反应过程的完整分析。
现在将简要说明使用DNA芯片的分析方法的例子。从例如细胞或者组织提取的mRNA由PCR放大，其中DNA探针以固相固定在玻璃基底或者硅基底上。由例如反转录PCR并入一荧光探针dNTP的同时执行PCR放大。因此，在基底上进行杂交并且使用预定检测器测量荧光。
根据用于各种DNA芯片中的荧光测量设备，固定在检测表面上的、用于标记与一要检测的核苷酸链杂交的目标核苷酸链的荧光物质，或者插入互补结合点(complementary bonding site)的荧光插入物(intercalator)，使用具有预定波长的激发光激发，以便检测发射的荧光。
图5是简要说明检测杂交的已知方法的一般原理的图。首先，多个要检测的核苷酸链D通过固定在预定反应区域101(点区域)来排列，反应区域101在基底100的X方向和Y方向排列。要滴下的目标核苷酸链T预先以荧光物质F标记。
要检测的核苷酸链D和以荧光物质标记的目标核苷酸链T在反应区域101、101等杂交。洗涤操作后，如电荷耦合器件(CCD)照相机的二维光传感器102检测来自反应区域101、101等的荧光。因此，依赖于是否产生活跃的杂交，在每个反应区域101可观察光或暗。控制器103将来自二维光传感器的图像数据传输给计算机，在此图像显示在显示器104上。因此，可完整分析哪个要检测的核苷酸链D与目标核苷酸链T杂交。
然而，在上述已知技术中，要检测的核苷酸链如DNA探针、或者目标核苷酸链通过手动操作排列或者使用自动驱动X-Y台滴下。因此，每个过程是耗时的。
进而，因为使用二维传感器的分析观察需要大的光学系统，所以难于产生便携检测设备。此外，在传感器分辨方面，排列大量DNA探针是困难的。
因此，本发明的主要目的在于在形成在盘形基底上的多个任意反应区域上，有效和精确地设置或者滴下要检测的物质或者目标物质。而且，本发明的主要目的还在于在任意反应区域精确地检测如杂交的相互反应过程。
发明内容
为了解决上述技术问题，首先，本发明提供下面的用于生物测定的基底。在本发明中，术语生物测定一般指基于物质之间的杂交或者其它相互反应的生物化学分析。
根据本发明的用于生物测定的基底包括能光学地解译记录的信息的盘形基底。该基底包括多个要检测的区域，该要检测的区域包括下面的区域(1)和(2)作为单元(1)数据检测区域，至少包括反应区域，提供用于要检测的物质和目标物质的相互反应过程的区域；以及(2)伺服区域，置于与数据检测区域不重叠的区域中，并且光学地提供数据检测区域上的位置信息。
例如，要检测的区域包括至少在基底的圆周方向，最好在基底的圆周方向和径向，分割的格形单元结构。要检测的区域的形状没有特别限制。在这样的要检测的区域中，数据检测区域和伺服区域设置在分开的区域中。这是要检测的区域的结构特征。即，数据检测区域具有提供要用于相互反应过程的区域的专用功能，并且没有提供位置信息的功能。另一方面，伺服区域具有提供在每个要检测的区域中特定的位置信息的专用功能，并且没有提供要用于相互反应过程的区域的功能。
在基底旋转的同时，在盘形基底的多个要检测的区域上滴下采样溶液。此外，检测相互反应过程的状态。为了实现这些目的，多个要检测的区域可在圆周方向排列。特别地，多个要检测的区域可以同心圆或者螺旋形排列在基底上。
在每个要检测的区域中的反应区域可包括检测表面，在该检测表面上进行表面处理，以便固定要检测的物质。相互反应过程可在固定在检测表面上的要检测的物质和目标物质之间进行。
用于光盘技术的跟踪标记和地址标记可应用于伺服区域中的位置信息。使用光拾取从这些标记提供信息。跟踪标记在径向提供每个要检测的区域的位置信息。例如，可使用位于在径向偏离+1/4轨道和-1/4轨道的位置的不规则标记。地址标记提供基底上的每个要检测的区域的地址信息。例如，地址标记可根据形成在基底上的精细不规则样式来形成。
要检测的物质和目标物质可以是核苷酸链，而相互反应过程可以是杂交。在此情形，根据本发明的用于生物测定的基底，可用作为DNA芯片，并且可应用于例如基因的完整分析。
本发明还提供一种用于精确地光学地解译上述用于生物测定的基底的信息的设备或方法。
特别是，在用于解译基底信息的设备或方法中，根据从伺服区域获得的位置信息，控制定位排出头的操作或步骤和定位光头的操作或步骤，该排出头用于在数据检测区域上滴下预定的采样溶液，该光头用于照射光并且用于接收反射光(在本发明中，此后称为光拾取)，以检测位置信息并且检测有关反应区域中的相互反应过程的信息。最好，数据检测区域仅仅使用用于检测的激发光来照射，而不使用用于获得伺服区域中的位置信息的光来照射。上述反射光表示从基底返回的光，作为在基底的伺服区域或数据检测区域上的光照的结果。
根据本设备或本方法，要检测的物质或目标物质可在形成在盘形基底上的多个任意反应区域上有效和精确地设置或者滴下。而且，可精确检测在任意反应区域的如杂交的相互反应过程。
如上所述，本发明具有如下技术意义提供一种有关DNA芯片或者生物传感器芯片的新颖的集成基底技术，并且提供一种解译来自集成基底的信息的技术。
图1是根据本发明说明用于生物测定的基底1和要检测的区域2的结构的简化图。
图2是说明在根据本发明的基底1中要检测的区域2的布局示例的图。
图3是说明形成根据本发明的要检测的区域2的数据检测区域21的实施例的外观的透视图。
图4是根据本发明说明用于解译基底信息的设备(U)和使用设备(U)解译基底信息的方法的优选实施例的图。
图5是说明典型已知技术的结构的简化图。
具体实施例方式
现在将参照附图来说明本发明的优选实施例。图1是根据本发明说明用于生物测定的基底和要检测的区域的结构的简化图，图2是说明在根据本发明的基底中要检测的区域的布局示例的图，而图3是说明形成根据本发明的要检测的区域的数据检测区域的实施例的外观的透视图。
鉴于本发明的各目的，可用于本发明的各实施例包括具有大量要检测的区域、并且可大规模廉价生产的基底。要检测的区域的结构设计为如DNA探针的要检测的物质可在短时间有效率地排列在基底上。可用于本发明的各实施例还包括用于解译基底信息的设备，其尺寸更紧凑并且可检测物质之间的相互反应过程(例如杂交)。
首先，图1等所示的盘形基底1用于本发明中。要检测的物质在旋转方向(圆周方向)和径向分别排列在基底1上。
可使用用于如CD、DVD和MD的光学信息记录介质的盘基底(盘)的基材料，形成基底1。此基材料包括石英玻璃、硅、聚碳酸酯、聚苯乙烯和其它可塑模为盘形的合成树脂，最好是可经过注塑的合成树脂。该盘形可使用这些基材料来形成。使用由廉价合成树脂构成的基底可实现低于用于已知方法的玻璃芯片的运营成本，此外还允许规模生产。在基底1的中心可形成一孔(图中未显示)。设置该孔以便在旋转该基底时使用主轴固定。
作为反射层的沉积铝层形成在基底1的一个表面上。沉积铝层具有约40nm厚，并且用作为反射层。该反射层具有从具有至少1.5折射率的单个基底的、至少4％的表面反射。由清澈的玻璃或者清澈的树脂构成的光透射层设置在反射层上。在基材料具有高反射性时，不必形成反射层，因为基材料本身的表面用作为反射平面。形成具有高反射性的膜，例如金属膜，能以高灵敏度检测以荧光物质标记的目标物质的荧光强度。
如图2所示，以扩展状态显示的图1的、许多要检测的格形(cellular)区域2，在沉积在基底1的表面上的光透射层上、在圆周方向排列。在下面有关要检测的区域2的功能的说明中，单股核苷酸链用作为要检测的物质和目标物质的典型例子。但是，要检测的区域2中的目标反应物不限于上述。
每个要检测的区域2包括标号21表示的数据检测区域和标号22表示的伺服区域。数据检测区域21包括检测表面21a和反应区域21b。表面处理通过常用方法在检测表面21a上进行，以便固定要检测的核苷酸链的结尾部分，其在图3中由符号D表示。在反应区域21b，进行预先固定在检测表面21a上的要检测的核苷酸链D和随后从排出头(喷嘴)N滴下的目标核苷酸链之间的杂交作用。在图3中，为了简化数据检测区域的形状，数据检测区域俯视时显示为矩形，虽然实际上数据检测区域俯视时具有弧形。
在检测表面21a上进行表面处理，使得要检测的核苷酸链D的结尾由于偶联反应等的结合(bonding)来固定。换言之，以下是充分的在检测表面21a上进行优选的表面处理，以便固定要检测的核苷酸链D如DNA探针的结尾部分，结尾部分预先被处理。因此，检测表面21a的种类不严格限制。例如，以链霉亲合素(streptoavidin)处理的检测表面适合于固定生物素化的(biotinylate)核苷酸链的结尾。
与要检测的物质或者目标物质没有相互反应的隔离(spacer)分子最好插入检测表面21a和要检测的核苷酸链D(即要检测的物质)之间。在此情形，因为要检测的核苷酸链D可更加暴露于反应区域21b中，可减少与目标核苷酸链T杂交中的空间位阻(steric hindrance)。结果，可提高杂交效率。
在反应区域21b上滴下采样溶液S的方法可在常用方法中间适当选择，采样溶液S包含要检测的核苷酸链D或者目标核苷酸链T。可优选使用喷墨打印方法。
这是因为通过精确跟随预定反应区域21b小液滴可被准确滴下。用于喷墨打印机的喷嘴应用于此喷墨打印方法。如在喷墨打印机中，要检测的物质使用电从打印头喷到基底以便固定。该方法包括压电喷墨方法、喷泡方法(注册商标)和超声喷射方法。
在本发明中，压电喷墨方法可具体用作为喷墨打印方法。在压电喷墨方法中，由通过施加脉冲给压电材料而产生的排出压力(displacement pressure)来喷射小液滴。因为小液滴(droplet)的大小可通过改变施加的脉冲形状来控制，所以适合提高分析精确度。在小液滴的表面具有小的曲率半径(radialcurvature)时，小液滴的大小可被控制以便为小。在小液滴的表面具有大的曲率半径时，小液滴的大小可被控制以便为大。此外，通过突然改变负方向的脉冲，小液滴的表面可被拉向内部，从而减小曲率半径。
在图2所示的例子中，排列要检测的区域2，使得盘在圆周方向被均分为8部分。在径向也排列两行要检测的区域2。要检测的区域2的数量没有特别限制。要检测的区域2最好以同心圆或者螺旋形排列，因为如后所述，要检测的核苷酸链D或者目标核苷酸链T可在旋转基底1时被连续滴下。此外，上述结构可连续执行数据解译。这里，词语连续不仅指连续执行操作而不中断的情形，而且也指几乎连续执行操作而不中断操作一长时间段的情形。
在图2所示的例子中，排列要检测的区域2，使得盘在圆周方向被均分。虽然伺服区域22的长度依赖于要写的伺服信息而具有略微的变化，但与整个基底1的尺寸相比，该长度可视为大致相同。因此，在要检测的区域2的位置变得越靠近外圆周时，数据检测区域21的长度变得越大。
所有要检测的区域2可具有相同尺寸的数据检测区域21。但是在此情形，在如后所述解译基底信息时，最好如下控制基底的旋转速度，以便执行可靠检测在位于外圆周的要检测的区域2的基底的旋转速度，最好低于在位于内圆周的要检测的区域2的基底的旋转速度。因此，在解译(即读取)期间，在所有数据检测区域21的线速度的波动被抑制。
相反，在排列要检测的区域2使得盘在圆周方向被均分时，基底1的旋转速度可以是恒定的，而不管要检测的区域2的位置。此论点通过对照光盘技术中的恒定角速度(CAV)记录模式和恒定线速度(CLV)记录模式可容易地理解。
在本发明中，例如，采样溶液S从排列在圆周方向的要检测的区域2(的反应区域21b)上的排出头N以高精度滴下，同时旋转作为例子的图2所示的盘形基底1。用于检测来自每个要检测的区域2的荧光的光拾取操作被控制。
位于圆周方向多个分割部分的要检测的区域2最好以螺旋形即以径向旋涡形排列。以这样的结构，可连续滴下采样溶液S，并且也可连续执行光拾取分析。
现在参照图4说明根据本发明的用于解译基底信息的设备和使用该设备解译基底信息的方法的优选实施例。
如上所述，每个要检测的区域2包括数据检测区域21和伺服区域22。伺服区域22包括控制径向位置的伺服标记221；以及地址标记222，用于提供在基底1上的每个要检测的区域2的地址信息(再次参见图1)。在如图1或者图2所示安排的要检测的区域2在圆周方向或以螺旋形排列时，数据检测区域21和伺服区域22以该顺序一个接另一个地排列。结果，伺服区域22不连续排列，以用作为用于光盘技术领域的采样伺服系统。图1中的线L指示光拾取再生信号。
伺服标记221和地址标记222可根据常用的光盘母版制作过程形成。即，在基底1考虑为光盘时，作为滴下的检测位置的反应区域21b视为用户数据区域。同步坑使用采样伺服系统等排列在其它区域中。其它区域还用作为跟踪伺服。而且，地址区域(盘上的地理地址，参见图2)可插入下面的位置，从而提供位置信息。
每个地址区域以作为开始样式(pattern)的扇区标记开始，并且通过组合提供实际旋转盘的旋转相位的可变频率振荡器(VFO)来形成，地址标记提供地址数据的开始位置，而标识符(ID)包括轨道和扇区等的数。
在基底1的径向的信息基于从精细误差信号和地址标记222获得的轨道位置信息。该精细误差信号基于来自位于在径向偏离+1/4轨道和-1/4轨道的位置的伺服标记221(参见图1)的信号电平差。图4中标号3指示的半径载物台(radius stage)根据上述轨道位置信息驱动整个基底1。因此，光头H和排出头N被定位。
执行光拾取的光头H和排出头N的定位根据地址跟踪误差信号TE和聚焦误差信号FE来控制。地址跟踪误差信号TE和聚焦误差信号FE从使用光拾取从在半径载物台3上旋转的基底1的读取侧获得的再生信号获得。
在图4中，标号8指示光检测器，用于俘获和检测返回光Pz，其经过分色镜7直接进入并且具有特定波长区域。标号9指示转换器，用于执行来自光检测器8的信号的IV转换。标号10指示误差信号检测元件。误差信号检测元件10提供地址跟踪误差信号TE和聚焦误差信号FE。标号11指示相位补偿电路元件，标号12指示半径载物台驱动电路元件，而标号13指示锁相环(PLL)电路元件和地址检测元件。标号14指示轨道地址和目标位置之间的粗误差信号，该信号从PLL电路元件和地址检测元件13获得。在采样伺服系统中，采样保持电路可在误差信号检测元件10中形成。
对应于光盘技术中的再现光学系统的光头H的聚焦，根据通过通常用于常用光盘设备的矫正散光(astigmatic)方法获得的聚焦误差信号FE(参见图4)，由控制物镜4来执行。标号15指示用于聚焦光头H的相位补偿电路元件。标号16指示聚焦驱动电路元件，用于控制物镜4的移动。
随后，在采样溶液S从排出头N排出时，根据从再生信号获得的要检测的区域2的伺服信号，要检测的区域2(的位置)由标号13表示的地址检测元件检测。在排出头N设置在(要检测的区域2的)数据检测区域21上方时，包含要检测的核苷酸链D或者目标核苷酸链T的采样溶液S(参见图4)，根据在由标号13表示的PLL电路中产生的定时信号I排出。图4中的标号17指示驱动电路，用于根据定时信号I控制使用排出头N的采样溶液S的排出操作。
为了防止要检测的核苷酸链D或者目标核苷酸链T的光照效应，设计该设备使得为伺服提供的再现LD光源5仅仅发射在(每个要检测的区域2的)伺服区域22中(参见图1)。图4中的符号Px指示从再现LD光源5发射的、用于伺服的激光束。
在检测荧光水平时，用于伺服的再现LD光源5在数据检测区域21熄灭(参见图1)。替代地，图4所示的用于荧光激发的光源6在检测(即再现)时使用，并且使用从光源6发射的激发光Py照射标记目标核苷酸链T的荧光物质F(或者插入双股核苷酸链的荧光插入物)。
随后，激发光Py的返回光Pz使用具有波长选择性的分光镜7偏转90度(参见图4)。返回光Pz使用后面的光检测器18俘获和检测，并且经过使用后面的转换器19的IV转换。荧光水平在检测元件20被检测。分析结果显示在计算机C的显示器上。
现在说明在图4所示的实施例中提供(标号5和6表示的)两个光源的原因。在光盘技术中，用于伺服的光源的波长例如对CD是780nm、对DVD是650nm。这些波长对应于红光和接近红光的光。
另一方面，例如如后所述的、用于标记核苷酸链的荧光物质F(参见图3)具有约440nm的激发波长，即蓝区域中的光。在使用具有接近用于CD或者DVD的光源的波长的激发波长的荧光物质F时，光源5和6可以共同使用。但是，在为了精确伺服控制的目的而增加光强时，可在某种程度上影响要检测的物质D或目标物质T。
为了这些原因，光源6具有适于荧光物质F的波长，并且具有不影响要检测的物质D或目标物质T的强度。用于CD或者DVD的光源或者类似光源，可用作为光源5。控制光源5的强度范围使得可精确进行伺服控制。因此，可执行有效的伺服控制和检测操作，同时在要检测的物质D或目标物质T上的光照效应可被抑制。
两个光源5和6可组合在一个光源中，并且光强可在数据检测区域21和伺服区域22之间改变。因此，可进行适于荧光测量和位置信息的解译的光拾取。
在本发明中，用于标记采样物质的方法不严格限制。例如，除了用于标记具有荧光物质的目标物质的方法，可使用荧光插入物。在杂交的双股核苷酸链中引入荧光插入物，以便在要检测的核苷酸链D的基和目标核苷酸链T的基之间的氢键中插入。结果，荧光波长移到长波长侧，此外，可根据荧光强度和引入双股DNA的荧光插入物的量之间的相关来进行量化检测。用于荧光插入物中的荧光染料的例子包括POPO-1和TOTO-3。
使用用于解译基底信息的上述设备U，可通过在每个要检测的区域2的数据检测区域21和伺服区域22的时间共享来控制光源5和6。结果，可进行误差信号的高精度控制，此外，可防止采样物质(T，D)的破坏。
(1)根据本发明，要检测的物质或目标物质可在形成在盘形基底上的多个任意反应区域上有效和精确地设置或者滴下。而且，可精确检测任意反应区域中的如杂交的相互反应过程。
(2)使用可非常廉价地大规模生产的类似于光盘的基底，物质之间的杂交或其它相互反应过程的严格检测可被精确测量而不破坏采样物质。
(3)本发明在基于DNA芯片或者生物传感器芯片的生物测定方法中特别有用。本发明可用于基因突变的分析、单核苷酸多态性(SNP)的分析、基因表达的频率的分析等。本发明可广泛应用于许多领域，如开发新药、临床诊断、遗传药理学和有争议的医药。此外，本发明可用于例如检测抗原-抗体反应和检测内分泌干扰化学药品。
权利要求
1.一种用于生物测定的基底，具有盘形，并且能光学地解译记录的信息，该基底包括多个要检测的区域，该要检测的区域包括下面的区域(1)和(2)作为单元(1)数据检测区域，至少包括反应区域，提供用于要检测的物质和目标物质的相互反应过程的区域；以及(2)伺服区域，置于与数据检测区域不重叠的区域中，并且光学地提供数据检测区域上的位置信息。
2.根据权利要求1所述的用于生物测定的基底，其中反应区域包括检测表面，在该检测表面上进行表面处理，以便固定要检测的物质。
3.根据权利要求1所述的用于生物测定的基底，其中要检测的物质和目标物质是核苷酸链，而相互反应过程是杂交。
4.根据权利要求1所述的用于生物测定的基底，其中多个要检测的区域在圆周方向排列。
5.根据权利要求4所述的用于生物测定的基底，其中多个要检测的区域在俯视时以同心圆或者螺旋形排列。
6.根据权利要求1所述的用于生物测定的基底，其中位置信息包括跟踪标记和地址标记。
7.一种用于解译基底信息的设备，该设备用于光学地解译根据权利要求1所述的用于生物测定的基底的信息，其中，根据从伺服区域获得的位置信息，控制排出头的定位操作和光头的定位操作，该排出头用于在数据检测区域上滴下采样溶液，该光头用于照射光并且接收反射光，以检测位置信息并且检测有关反应区域中的相互反应过程的信息。
8.根据权利要求7所述的用于解译基底信息的设备，其中仅仅使用用于检测的激发光来照射数据检测区域。
9.一种用于解译基底信息的方法，该方法用于光学地解译用于生物测定的基底的信息，该基底具有盘形，并且能光学地解译记录的信息，该基底包括数据检测区域，至少包括反应区域，提供用于要检测的物质和目标物质的相互反应过程的区域；以及伺服区域，置于与数据检测区域不重叠的区域中，并且光学地提供数据检测区域上的位置信息，其中，根据从伺服区域获得的位置信息，控制定位排出头的步骤和定位光头的步骤，该排出头用于在数据检测区域上滴下采样溶液，该光头用于照射光并且接收反射光，以检测位置信息并且检测有关反应区域中的相互反应过程的信息。
10.根据权利要求9所述的用于解译基底信息的方法，其中仅仅使用用于检测的激发光来照射数据检测区域。
全文摘要
一种用于生物测定的基底，其上采样物质可在任意反应区域部分上有效和恰当地设置或者滴下，以便恰当地检测在任意反应区域部分中的如杂交的相互反应。该基底(1)包括检测单元(2)，该检测单元(2)包括数据检测区域(21)，至少包括反应区域(21b)，用于提供要检测的物质(D)和目标物质(T)之间发生相互反应的区域；以及(22)伺服区域，形成在与数据检测区域(21)不重叠的区域，并且用作为光学地提供数据检测区域(21)的位置信息。
文档编号C12M1/00GK1678910SQ0382022
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月29日 优先权日2002年8月30日
发明者藤田五郎 申请人:索尼株式会社