专利名称：生物物质检测用元件、方法及装置、带电物质移动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基因、蛋白质等生物物质的检测用的生物物质检测用元件、生物物质检测周方法及装置、以及带电物质移动装置。
人们知道，患者在感染C型肝炎后，经过肝硬化向肝癌转变，采用干扰素治疗是治疗方法之一。但是报告显示，在日本人中干扰素的照射只对2～3成的人有效，即使有效副作用也很大。为此，预先对干扰素的治疗效果进行预测，只有希望得到期待的效果时才使用的预测治疗(テイラ一メイド)医疗最近开始引起关注。
在干扰素的治疗效果预测中，迄今为止已知的方法均通过基因水平来调查病毒的类型或病毒的量。认为日本人中多数对1b型效果不明显；对2a型虽然有效果，但当病毒的量超过106copy/mL时，大多效果也不明显。在实际的诊断中多将以上方法组合使用，然而也有难于进行预测的情况。最近，有报道采用以存在于编码MxA蛋白质的启动子区中的碱基多态性(SNP)为指标的方法进行干扰素的治疗效果预测。据说对G/G型，干扰素的治疗效果较低，而对G/T、T/T型具有较好的作用。
通过上述的解析基因水平的方法，对干扰素的治疗效果的预测成为可能一直在进行。但到目前为止，均采用复杂的、昂贵的现有技术(电泳、微板+EIA等)进行，在临床检查中迫切寻求更简便的方法。
在此背景下，采用被称为DNA芯片的生物物质检测元件进行的基因检测技术为人们所关注(Beattie等，1993，Fodor等1991，Khrapko等1989，Southern等1994)。DNA芯片是将多种序列不同的DNA探针固定在数cm的见方的玻璃或硅的芯片上制得的，在芯片上使以荧光色素、放射性同位素(RI)标记的样品基因、或未标记的样品基因与标记的寡核苷酸的混合物进行反应。若在样品中存在与芯片上的DNA探针的互补的序列，则会得到芯片上特定部位发出的信号。如果预先知道固定化的DNA探针的序列及位置，就可以简单地知道样品中基因的碱基序列。上述的DNA芯片，通过一次试验可得到关于碱基序列的很多的信息，作为临床诊断技术，有可利用的可能性(Pease等1994，Parinov等1996)。
图25为采用DNA芯片的电化学基因检测方法原理的模式图。
现有的代表性的DNA芯片，从芯片一端设置的样品液导入部将由基因的水溶液组成的样品液导入，流过固定化在矩阵状分量中的各种DNA探针上后，通过芯片另一端设置的样品液排出部排出。DNA芯片整体为树脂制的封套所覆盖，固定DNA探针的部分，为读取荧光等光学信号制成透明的。
上述的现有的DNA芯片的问题在于，样品液在由芯片的一端流向另一端的过程中，形成被导入矩阵状排列的DNA探针上的构成，样品液很难均一地流过DNA探针之上，使基因很难与DNA探针确实地进行反应，容易使检测的结果产生波动。
另外，一般样品液中的基因的浓度很稀薄，特别是使用没有基因浓缩作用的现有的DNA芯片时，有必要采用PCR法等基因扩增法预先对作为检测对象的基因进行扩增。
在采用DNA芯片通过电化学方法测定基因的生物物质检测装置中，现有采用如图27所示的，向容器100中容纳的适当的电解质溶液中的电极施加电压，同时进行电流测定。即容器中插有称为对极、参比极及作用极的电极101、102和103。
参比极102、对极101是提供基准电位的电极，用以维持设定的电位。在参比极102和对极101之间连接着电压计106。该电压计106测定对极101的电位。在对极101和作用极103之间连接着可变直流电源104。通过此可变直流电源104施加电压。通过使此可变直流电压源104施加的电压变化(具体地来说，扫描)从而产生电流的变化。通过电流计105测定，对是否存在基因进行检测。
如图28为采用图27显示构造的生物物质检测装置，使用核酸插入剂用电化学方法进行基因检测的顺序。首先，供给样品液(步骤S1)。使样品液附着在固定化于作用极上的DNA探针(与特定的DNA反应的单链DNA链)上，将样品液中的DNA转变成单链状态进行杂交。然后，将未附着于DNA探针上的样品液清洗(步骤S2)，继而为提高检测的灵敏度，供给与双链DNA进行特异性反应的插入剂(核酸插入剂)(步骤S3)，进而将多余的插入剂清洗(步骤S4)。最后，在对极101和作用极103之间加以电压，测定插入剂产生的氧化电流，即测定插入剂产生的电化学信号(步骤5)。
图26表示使用Hoechst 33258为插入剂的电流-电位特性曲线。
现有的生物物质检测装置由于对一个作用极(DNA芯片)仅测定一次电流，很难提高基因检测的灵敏度。图29表示使用电化学DNA芯片，测定某个质粒(YRBYRB259)时电流随浓度的变化。可见由于本底电流较高，难以对低浓度的基因进行检测。由于一般样品液中的基因的浓度很稀薄，有必要采用PCR法等基因扩增法预先对作为检测对象的基因进行扩增。
按照本发明的实施方式，提供一种检测含有带电的生物物质的样品液中的该生物物质的生物物质检测装置。该生物物质检测装置包括基板及在基板上沿圆周方向以一定距离间隔排列的生物物质检测用元件。该生物物质检测用元件包含分别固定化了与特定的生物物质进行反应的配体各个电极。向基板上前述的电极排列的中央部分导入样品液，使此样品液向电极的方向呈放射状移动。
如此，在沿着圆周方向配置的生物物质检测用元件排列的电极的排列的中央部分的样品液导入部将样品液导入，均匀地供给到在生物物质检测用元件周围部分设置的配体固定化部的该电极上，从而使对样品液中的生物物质的检测在均一的条件下进行变为可能。
在基板上的样品液接受部(导入样品液的位置)至少设置一个第1电极，在基板上的第1电极周围沿着圆周方向按一定间隔，固定分别与特定的生物物质进行反应的配体而成的多个的第2电极，构成生物物质检测用元件，通过驱动此生物物质检测用元件的驱动电路，向第1电极施加与生物物质所带电荷同极性的电压，向第2电极的至少一部分施加与生物物质所带电荷相反极性的电压进行驱动动作，利用静电作用力使生物物质在第1电极上效果明显地移动。
另外，通过驱动生物物质检测用元件的驱动电路，分别向第2电极中圆周方向的一部分的电极施加与所带电荷相反极性的电压，另一部分的电极施加与所带电荷相同极性的电压，同时将施加该同极性的电压及相反极性的电压的电极的位置按顺序变化进行驱动动作，使样品液中的检测对象生物物质沿第2电极排列的圆周方向移动，可与该第2电极的各个固定的配体均匀地有效进行充分的反应。
本发明的实施方式中，在生物物质检测用元件中的第1电极与第2电极之间的以同心圆状配置再至少设置两个环状电极，通过驱动生物物质检测用元件的驱动电路，施加对此至少两个环状电极极性的控制的电压，进行驱动动作，使样品液中的生物物质在浓缩的同时向第2电极的方向移动。
这样，通过使导入到生物物质检测用元件的中央部的样品液中的生物物质一边浓缩，一边按顺序地向周边部分移动，最终以浓缩状态供给到固定着配体的第2电极，不用像现有的使用基因扩增法预先对检测对象进行扩增，使检测对象的生物物质与配体充分地进行反应，从而提高检测的效率。
基于本发明的实施方式的生物物质检测用元件得到的检测信号，可以是电流、电位等电信号，也可以是荧光、发光、显色等光学信号。
另外，本发明的目的在于，提供一种可以使生物物质与配体在均一的条件下进行反应、且可以对样品液中的生物物质进行浓缩从而进一步提高检测灵敏度的生物物质检测方法。
按照本发明的实施方式，提供一种对含有带电的生物物质的样品液中的该生物物质的检测方法。该生物物质检测方法中，向基板上排列的分别固定化了与特定的生物物质反应的配体的电极形成的生物物质检测元件上供给样品液后(a)向生物物质检测元件上供给插入剂，(b)基于特定的生物物质与配体反应，测定插入剂的电化学信号，以及(c)将配体上附着的插入剂的除去，通过将上述一系列的步骤反复操作，进行生物物质的检测。
因此，使用基板上排列的分别固定化了与特定的生物物质反应的配体的电极形成的生物物质检测元件，样品液和插入剂经过清洗步骤，可以反复供给到生物物质检测元件上，着眼于此，通过(a)向生物物质检测元件供给插入剂，(b)基于特定的生物物质与配体反应，测定插入剂的电化学信号，以及(c)将配体上附着的插入剂除去，上述一系列步骤的反复操作，进行电化学信号的累计，可以进行对生物物质的高灵敏度的检测。
另外，本发明的实施方式提供一种带电物质的移动装置。这个带电物质的移动装置具备基板、在基板上沿规定的方向排列的多个的电极和使样品液中的带电物质在该电极上沿规定的方向移动的驱动该电极的驱动电路。驱动电路上多个的电极中一部分施加与带电物质的带电极性相反的电压，同时将施加与带电物质的带电极性相反电压的电极的位置沿电极的排列方向依次变化。
这种带电物质的移动装置应用于基因检测装置时，在多个电极上分别固定着与特定的带电物质反应的配体。由于带电物质在电极上沿排列方向依次移动，可使生物物质与固定在电极上的各配体高效率地反应。
另外，涉及本发明的实施方式的带电物质的移动装置中，与向驱动电路的多个的电极中施加与带电物质的带电极性相反的电压相对，也可以向电极的排列方向上相邻的至少一个电极施加与带电物质的带电极性相同极性的电压。这样邻接向电极施加电压后，规定的电极上通过静电吸引力捕获的带电物质因的电极的静电斥力被关入该规定的电极上，可以对带电物质进行浓缩，在检测生物物质时，可以提高检测灵敏度。
附图的简略的说明
图1为显示本发明的第1种实施方式的包含生物物质检测用元件的生物物质检测装置的构成的剖视图。
图2A为第1种实施方式的上部支架的顶视2B为第1种实施方式的上部支架的剖视2C为第1种实施方式的上部支架的底视3A为第1种实施方式的下部支架的顶视3B为第1种实施方式的下部支架的剖视3C为第1种实施方式的下部支架的底视4为第1种实施方式的生物物质检测用元件的平面图和生物物质检测用元件的驱动电路的连线示意5A-5C为第1种实施方式的生物物质检测用元件的基本动作的说明6A-6C为用于说明第1种实施方式的生物物质检测用元件中检测对象生物物质在作用极上的移动动作的7A-7C为用于说明第1种实施方式的变形例的元件的电极构成和生物物质检测用元件中检测对象生物物质的浓缩以及向周边部分的移动动作的8A-8C为用于说明第1种实施方式的变形例的生物物质检测用元件中检测对象生物物质在作用极上的移动动作的9为第1种实施方式的另一变形例的生物物质检测用元件的构成的平面示意10为第1种实施方式的再一变形例的生物物质检测用元件的平面图和生物物质检测用元件的驱动电路的连线示意11为显示本发明的第2种实施方式的生物物质检测装置构成的剖视12为说明第2种实施方式中生物物质的检测顺序的流程13为本发明的第2种实施方式的变形例的生物物质检测元件构成的剖视14为适用于本发明的第3种实施方式的带电物质移动装置的生物物质检测装置的构成的剖视15为第3种实施方式的生物物质检测元件的简略构成的平面16A-16C为第3种实施方式的生物物质检测元件的第1个驱动例的示意17A-17C为第3种实施方式的生物物质检测元件的第2个驱动例的示意18A-18C为第3种实施方式的生物物质检测元件的第3个驱动例的示意19A-19C为第3种实施方式的生物物质检测元件的第4个驱动例的示意20A-20C为第3种实施方式的其他生物物质检测元件的电极构成和该生物物质检测用元件中检测对象生物物质的浓缩及移动动作的说明21A-21B为第3种实施方式的其他生物物质检测元件的构成的剖视22为第3种实施方式的变形例的生物物质检测元件的构成的剖视23为适用于本发明第4种实施方式的带电物质移动装置的生物物质处理装置的简略构成的示意24为适用于本发明第5种实施方式的带电物质移动装置有关的生物物质处理装置的简略构成中胶团结构的示意25为电化学基因检测方法的原理说明26为电化学基因检测方法中DNA结合物质(Hoechst 33258)的电流-电位应答的示意27为使用现有的电化学检测的生物物质检测装置的构成的剖视28为使用现有的电化学检测的生物物质的检测顺序的流程29为使用现有的电化学检测方法的生物物质的检测得到的基因检测结果例的示意图发明详述以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。(第1种实施方式)图1为本发明的第1种实施方式的生物物质检测装置的构成的剖视图。在基台1的上面的中央部分有突出的、用以承载生物物质检测元件5的元件装载部分2，生物物质检测用元件5将在后面详细说明，图中两侧分别有样品液通过孔3，中央部分的下面有与样品液通过孔3相连的样品液排出口4。
在基台1上，主要为使装载在元件载置部分2上的生物物质检测元件5由上下两侧固定的同时，将样品液导向元件5，使通过元件5的样品液导向样品液通过孔3，配置了上部支架6及下部支架7。关于上部支架6及下部支架7的构造，将在后面详细说明。
在上部支架6的中央部分设有样品液导入部分8，在样品液导入部分8上连接着样品液供给管10的前端口。样品液供给管10在图上未显示的后端口部分连接着图上未显示的样品液源，样品液受到来自样品液的适当的正压后被导入样品液导入部分8。导入到样品液导入部分8的样品液被引导到生物物质检测元件5上，在这里供生物物质检测之后，经过上部支架6及下部支架7形成的样品液引导槽9及基台1上形成的样品液通过孔3，受到样品液排出口4适当的负压后向外排出。
在上部支架6上有长方形的贯通孔11，通过贯通孔11插入接触电极15，可以使接触电极15的前端与生物物质检测元件5上起到作用极的作用的电极相接触。通过使用接触电极15可以将生物物质检测信号用电流、电位等电信号的形式采集。
图2A、2B和2C分别显示了上部支架6的顶视图、剖视图和底视图。图2C中以箭头表示样品液经过的路径。在上部支架6上与生物物质检测元件5相对的下面的中央部分12(与基台1上的元件装置部分2相对的部分)向下侧略微突出，在中央部分12的周围，形成了与图1中显示的样品液引导槽9连接的环状的样品液通路13。上部支架6的下面设有形成样品液引导槽9的凹部9A。
上部支架6的中央部分形成的样品液导入部分8的前端呈细的形状的孔，由此样品液导入部分8导入的样品液，首先呈放射状向四周扩散，通过这个过程，将其导向到生物物质检测元件5的配体固定部分上。之后样品液通过样品液通路13导向到样品液导引槽9，经前述基台上形成的样品液通过孔3由样品液排出口4向外排出。
图3A、3B、3C分别表示下部支架7的顶视图、剖视图和底视图。下部支架7的中央部分上形成了图1中所示的基台1上的元件装置部分2插入的孔14。另外，图中下部支架7的左右两侧形成了图1中显示的样品液引导槽9另外的一部分形成的矩形的凹部9B及与凹部9B相连的圆形孔9C。
这样，由样品液供给管10供给的样品液，通过上部支架6和下部支架7的引导从生物物质检测元件5的中央部分导入，向元件5的周围设置的配体固定部分上均一地供给后由下方排出。从而使样品液中的生物物质的检测可以在均一的条件下进行。
如图1中所示，生物物质检测元件5由上部支架6和下部支架7固定。此时，生物物质检测元件5相对于生物物质检测装置是固定的，也就是构成了电极一体型也可以，如将上部支架6取走，也可构成与生物物质检测装置相对可脱离的电极分离型。
接下来，参照图4对本实施方式中生物物质检测元件5的具体结构进行说明。
生物物质检测元件5如图4所示由在元件基板20上的电极21、22、23及电极板24构成。电极21、22、23可以与元件基板20的表面在同一面上，或与元件基板20的表面有一定距离埋设于表面之下亦可。电极21、22、23及电极板24由元件基板20上形成的例如多层布线等相连接。
这里，设在中央部分的圆形电极21起到对极的作用。以电极21为中心形成的圆形的电极23，发挥作为为给对极作电位基准的参比极的作用。在电极23的内侧圆周上，按设定距离配置多个圆形电极22，这些电极22发挥着检测生物物质的作用极的功能。电极21、22、23的表面上覆盖着图中未显示的绝缘性薄膜，此绝缘性薄膜已进行了光刻处理。通过这种处理，电极21、22、23的表面的一部分露出用以采集电信号的导体部分。关于绝缘性薄膜的光刻处理将在后面详细叙述。
作为作用极的电极22上，至少固定着一种特异性的检测用的配体。即，电极22兼作为配体固定化部。固定化在电极22上的各种各样的配体，随检测对象的生物物质的不同，可以选择基因、基因探针、蛋白质、蛋白质片段、辅酶、受体及糖链中的任一种。
这里，在电极22的各个上固定化不同的配体，一次就可以对多个生物物质进行检测。若在各个电极22上固定化相同的配体，也可以一次对大量生物物质进行检测。利用光刻技术，可以预先对元件基板20上的多个电极22(配体固定化部分)形成图形，可以提高生物物质检测元件5的批量生产性能。
当检测对象的生物物质为基因时，在电极22上作为配体固定着DNA探针。众所周知，DNA探针是与特定的基因反应的单链基因。样品液中的基因为单链的状态时，只有与电极22上固定的DNA探针相应的具有特定碱基序列的基因才会被电极22捕获，即DNA探针与这个基因进行相补的结合(杂交)。
对以上构成进行具体说明如下，首先，元件基板20所使用的基板材料没有特殊的限定，例如，可使用玻璃、石英玻璃、氧化铝、蓝宝石、镁橄榄石、碳化硅、氧化硅、氮化硅等无机绝缘材料。另外，基板材料也可以用聚乙烯、乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、不饱和聚酯、含氟树脂、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯乙缩醛、丙烯酸树脂、聚丙烯腈、聚苯乙烯、缩醛树脂、聚碳酸酯、聚酰胺、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、苯乙烯丙烯腈共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、硅氧烷树脂、聚苯醚、聚砜等有机材料。进而，若如后面所述采用光学方法对生物物质进行检测时，基板材料也可适当采用尼龙和纤维素等纤维薄膜的材料。
电极21、22、23的适用材料也没有特殊的限定，特别对作为作用极的电极22的材料(含有配体固定化点)，在用电化学方法对生物物质进行检测时，可使用如金、金合金、银、铂、汞、镍、钯、硅、锗、镓、钨等的金属单质和至少含这些金属2种以上的合金，或者用石墨、玻璃态碳(グラシ一カ一ボン)等的碳等、或它们的氧化物、化合物，或氧化硅等的半导体化合物，CCD、FET、CMOS等各种半导体器件上使用的物质。
电极21、22、23的制法可用电镀、印刷、溅镀、蒸镀等。作为蒸镀法，可用阻抗加热法、高频加热法以及电子束加热法中的任一种。作为溅镀法可使用直流两极溅射、偏压溅射、非对称交流溅射、吸气溅射以及高频溅射中的任一种。进一步，作为电极，也可以使用聚吡咯、聚苯胺等的电解聚合膜或导电性高分子。
电极21、22、23的表面覆盖的绝缘性薄膜所用的绝缘材料也没有特殊的限定，优选光聚合物、光刻胶材料。作为光刻胶材料，使用光曝光用光刻胶、远紫外用光刻胶、X线用光刻胶、电子射线用光刻胶。曝光用光刻胶中主原料可举环化橡胶、聚肉桂酸、酚醛清漆树脂等。远紫外用光刻胶中可用环化橡胶、酚醛树脂、聚甲基异丙烯酮(PMIPK)、聚甲基丙烯酸甲酯等。另外，X线用光刻胶，除COP、丙烯酸甲酯之外，可使用薄膜手册(オ-ム公司)上记载的物质。电子射线用光刻胶，可使用PMMA等《薄膜手册》(オ-ム公司)上记载的物质。此时，所用的光刻胶的厚度希望在10nm～1mm。
由于作为作用极的电极22被光刻胶材料所覆盖后进行光刻，可以将电极22的面积控制为定值。因此，可以使DNA探针等配体的固定化量在各个电极22间分布均一，可使生物物质的检测的重现性良好。以往，一般在最后将光刻胶材料除去，但当电极22上固定化DNA探针用于基因检测时，也可以不将光刻胶材料除去而直接将其作为电极22的一部分使用。此时，使用的刻蚀材料必须为耐水性高的材料。
电极21、22、23上形成的绝缘薄膜也可以采用光刻胶材料之外的材料。例如，Si、Ti、Al、Zn、Pb、Cd、W、Mo、Cr、Ta、Ni等的氧化物、氮化物、碳化物及它们的合金等也可采用。这些材料通过溅镀、蒸镀或CVD等形成薄膜后，采用光刻法对电极的外露部分形成图形，控制面积一定。
电极21、22、23通过电极板24与驱动电路25相连。驱动电路25通过对电极21、22、23各电极施加规定极性的电压，使导入到生物物质检测元件5的中央部分的样品液向周围呈放射状扩散，导向到作用极电极22上，进而在电极22上使样品液中的检测对象的生物物质依次沿电极22的排列方向移动。
这个动作可以参照图5进行说明。检测对象的生物物质为基因时，将作为样品液的基因的水溶液由样品液供给管10通过样品液导入部8导入到生物物质检测元件5上，供给中央部分的电极21上。基因的带电极性为负。
导入样品液时，由如图5所示的驱动电路25，分别向作为对极的电极21施加与基因的带电极性相同的负极性的电压，向作为作用极的电极22施加与基因的带电极性相反的正极性的电压，向作为参比电极的电极23分别施加负极性的电压。因此，供给到电极21上的样品液受到被施加在与基因的带电极性相同的负极性的电压的电极21上的静电反作用力的作用，向周边部分呈放射状移动。此时，如前面叙述若向样品液施加若干的负压，则样品液可以以更快的速度移动。
由电极21向周边部分移动的样品液最后将到达电极22。这里，因为电极22上施加了与基因的带电极性相反的正极性的电压，基因在静电作用力的作用下，在电极22上被捕获。这种情况下，在电极22的外周设置的环状的参比电极电极23，与电极21一样，被施加与基因的带电极性相同的负极性的电压，电极22上的基因受到电极23的静电斥力的作用，在电极22上形成向内闭合的形状，不会向电极23之外扩散。
这样在电极22上样品液中的基因被捕获后，固定在电极22上的DNA探针与样品液中特定的基因反应而结合。这为杂交。此时，电极22上的基因因如上述在电极23的静电斥力的作用下向内闭合而被浓缩，与配体的反应即杂交可以高效率地进行。
接下来如图5B所示，使电极21和电极22施加的电压的极性与图5A相同，仅通过在电极23上施加与基因的带电极性相反的正极性的电压，使电极22上样品液中的基因中，与配体未反应的基因因电极23的静电吸引力而与电极22脱离，被捕获到电极23上。
之后，若在电极22与电极23上均施加以相同的负极性电压，则被捕获在电极23上的、也就是未与配体进行反应的基因会更向外移动，与样品液一起从元件基板20上经过样品液导向槽9和样品液通过孔3，由样品液排出口4排出。
另外，也可以控制施加电压的极性从图5A的状态不是到图5B而是到图5C所示的状态。也说是说，向电极21上施加电压的极性为正极性，向电极22上施加电压的极性为负极性。同时，向电极23上施加电压的极性为正极性。另外，电极21的极性为负极性也可以。由于电极21是正极性，使电极22上的基因从该电极脱离的效果增强。但在中央残留有不要的基因，其后所以必须进行冲洗步骤。另外，当电极21是负极性时，电极22上附着的不要的基因被外侧电极23吸引，使后清洗步骤容易。对于电极21的极性采用正或负极性来说，优选考虑包括清洗步骤的整个系统加以决定。
上述动作说明中，如图5A、5B所示那样，对多个的电极22全部施加同检测对象基因带电极性相同(负极性)极性的电压，利用电极22在圆周上排列，通过动态切换向电极22上施加的电压，也可以使样品中的基因在电极22上按排列方向(圆周方向)依次移动。
参照图6进行说明，首先，如图6A所示，对电极22中以虚线包围的相邻的2个电极组施加正极性电压，与该电组邻接的电极施加负极性电压。以电极22的排列方向的圆周方向看。施加在电极22上的极性为…正-正-负-正-正-负-正-正-负-正…。
下一步，在规定的单位时间后，如图6B所示，在施加正极性电压的2个电极性的位置分别错开1个电极，随之，与2个电极组相邻的施加负极性电压的电极的位置也分别错开1个电极。进一步，在规定单位时间后，如图6C所示，在施加正极性电压的2个电极组的位置和施加负极性电压的电极的位置分别错开1个电极。图6B、6C的例中，施加正极性电压的2个电极组的位置和施加负极性电压的电极的位置按顺时针方向挪动。以下，每单位时间，也就是规定周期进行这样的切换施加电压的极性。
这样，通过对电极22边切换极性边施加电压，样品液中的检测对象生物物质(例如基因)以圆周方向移动到相邻的电极22的排列上，可与电极22上固定的配体(例如DNA探针)均一高效地反应。也就是说，检测对象生化学物质通过在电极22排列上的移动过程，必在与该检测对象生物物质有互补关系的固定配体的电极上的位置，此时，可与该配体发生反应。
此时，因为被配体固定化部分的电极22捕获的检测对象的生物物质(此例中为基因)受到电极22中施加的与检测对象的生物物质带电极性相反的电压的电极的静电斥力的作用，非特异性结合的生物物质被强制排除，可以使检测精度显著提高。
在图6的例子中，将向相邻的2个电极22施加以第1种极性的电压(上例中为负极性)，向与这两个电极相邻的施加相反的第2种极性的电压(上例中为正极性)的动作沿电极22的排列方向上的错开一个电极依次进行，但并不是限定于此。令施加第1种极性的电压的电极的个数为n，施加第2种极性的电压的电极的个数为m，将施加电压进行切换时错开的电极的个数为p时，n、m、p均可选择1以上的任意数。最简单的情况时，n＝m＝p＝1也可以，此时，在电极22的每个电极上施加的电压的极性周期性地按负极性正极性交替进行切换。
接下来，参照图7对发明中另一实施方式的生物物质检测元件的电极构成进行说明。
在图7所示的生物物质检测元件中，中央部分设置有发挥作为对极功能的圆形的电极31，其外侧按规定间隔排列圆环状的电极34A，进一步在其外侧相隔一定间隔再排列另一个圆环状的电极34B。电极34B的外侧圆周上，与前面的实施方式相似，按规定间隔排列着多个的圆形的电极32，这些电极32发挥作用极的功能。在电极32的外侧圆周上按设定间隔设置有圆环状的电极33A，33B，电极33A，33B发挥参比极的功能。
在这样的构成中，用图中未表示的电路将图7中各电极31，34A，32，33A，33B上施加的电压的极性进行切换，可以使样品液中的生物物质一边浓缩一边向周边移动。
也就是说，首先如图7A所示，向电极31施加负极性的电压，向电极34A施加正极性的电压，向电极34B施加负极性的电压，进而向电极32施加正极性的电压，向电极33A，33B施加负极性的电压。此时，如前面的实施方式一样，生物物质检测元件的中央部分导入的样品液中的带负电极性生物物质(如基因)就会受到被施加的与其带电极性同极性电压的中央部分电极31的静电斥力的作用，向周边移动。
这里，因为处于电极31外侧位置的电极34A上施加与样品液中生物物质的带电极性相反的电压，处于电极34A外周侧位置的电极34B上施加与样品液中生物物质的带电极性相同的电压，从电极31上移动到电极34A上的生物物质在电极34A的静电吸引力和电极34A两侧位置的电极31及电极34B的静电斥力的作用下，在电极34A上闭合而被浓缩。
接下来，在驱动电路的作用下，如图7B所示，将电极34A上施加的电压变为负极性，将电极34B上施加的电压变为正极性。其他电极31，32，33A，33B上施加的电压的极性与图7A的状态保持一致。在图7A中被关闭在电极34A上的检测对象生物物质，在图7B的状态下因电极34A的静电斥力的作用和电极34B静电吸引力的作用而向电极34B上移动。
接下来，在驱动电路的作用下，如图7C所示，图7B的状态中仅将电极34B上施加的电压变为负极性，则在电极34B上移动的检测对象生物物质，会受到电极34A，34B的静电斥力的作用和电极32静电吸引力的作用而向电极32上移动。这种状态下，电极32上的检测对象生物物质会受到电极32静电吸引力的作用及其两侧位置的电极34A和电极33A的静电斥力的作用而被关闭在电极32上，从而被浓缩。
这样生物物质检测元件的中央部分导入的样品液中的生物物质(如基因)就会一边被浓缩一边向周边移动，最终可以以浓缩的状态供给于固定有配体的电极32上。也就是说，本实施方式中的固定有配体的电极32上的检测对象生物物质为浓缩的状态，不必采用过去的PCR法等基因扩增法预先对检测对象生物物质进行扩增，可以使检测对象生物物质和配体进行高效率的反应，提高检测效率。
另外，本实施方式中的生物物质检测元件也可以同前面的实施方式一样，如图8显示，通过将作用极电极32上施加的电压的极性进行切换，使样品液中的生物物质在电极32上沿排列方向(圆周方向)按顺序移动。
也就是说，首先，如图8A所示，向电极32之中用虚线圈起来的相邻的2个电极组上施加正极性的电压，向与这个电极组相邻的电极施加负极性的电压。然后，在设定时间之后，如图8B所示，将施加正极性的电压的2个的电极组位置错开一个电极，同时将与2个的电极组相邻的施加负极性的电压的电极的位置也错开一个电极。再经过规定时间之后，如图8C显示将施加正极性的电压的2个的电极组的位置和施加负极性的电压的电极的位置分别错开一个电极。然后，像这样每隔单位时间即规定周期，就将施加电压进行切换，使样品液中的检测对象生物物质(如基因)沿圆周相邻的电极32的方向移动，与分别固定化在电极32上的配体进行均一的高效率的反应。
图9表示第1种实施方式的另一变形例的生物物质检测元件的构成的平面图。
本实施方式中的生物物质检测元件中，在元件基板40的中央上部配置作为对极的圆形的第1电极41，周边部分配置有作为圆环状的参比电极的第3电极43，这与前面的两个实施方式是一样的。与前面的两个实施方式不同的是作用极的第2电极42A、42B如图所示在同心圆上排成两列。此例中作为作用极的电极虽排成两列，但也可排成三列以上。
这样，由于作为作用极的电极排成多列，可以使检测对象生物物质与固定化在这些电极上的配体的反应更确实地进行，可以进一步提高检测效率。
图10表示本发明中又一种的实施方式中生物物质检测元件和驱动电路的构成。本实施方式中的生物物质检测元件5上，除去了前面的实施方式中说明的第1电极21，在除去电极21的位置上，也就是第2电极的排列的中央部分作为样品液受入部25。还有，伴随电极21的除去，电极21和驱动电路5之间的连线也被除去。
前面的实施方式中，如图5A中所说明的，通过分别向第1电极21施加与基因带电极性同样的负极性的电压，向第2电极22施加与基因带电极性相反的正极性的电压，供给于电极21上的样品液受到基因的带电极性和电极21的静电斥力的作用，很容易地向电极22呈放射状的移动。
然而，如果前述的由样品液排出口4将样品液向外排出时，适当增加对样品液的负压，则供给到样品液受入部25的样品液就会像前面的实施方式中叙述的那样即使不利用电极21的静电斥力，仅在第2电极22的静电吸引力的作用下就可以向电极22的方向移动。
另外，同样的变化也适用于图7～图9所示的构成中，如除去图7～图8中的第1电极31或图9所示的第1电极41，也可以在除去电极31和电极41的位置上构成样品液接受部。
作为本发明的生物物质检测元件及生物物质检测装置的检测对象样品检体没有特殊的限定，例如血液、血清、白细胞、尿、粪便、精液、唾液、组织、培养细胞、咳痰均可使用。这里，当检测对象物为基因时，应从以上样品检体中提取出如基因等。对提取方法没有特殊的限定，苯酚-氯仿法等液液萃取法、使用载体的固液萃取法等均可利用。另外，也可以采用市售的核酸提取方法QIAamp(QIAGEN公司出品)、Sumaitest(住友金属公司出品)等。
然后，将提取出的基因的样品溶液导入到前面的实施方式中说明的生物物质检测元件(DNA芯片)上，在固定化了配体DNA探针的电极上进行杂交反应。反应溶液可为例如离子强度0.01～5的范围内，pH5～10的范围内的缓冲液。此溶液中可适量添加杂交反应促进剂如硫酸葡聚糖、鲑精DNA、牛胸腺DNA、EDTA、表面活性剂等。这里，添加提取的样品基因，在导入到生物物质检测元件之前必须经过90℃以上的温度使其热变性。未反应的样品基因由样品液排出口4回收，必要时可以再次导入到生物物质检测元件中。
提取的基因预先用FITC、Cy3、Cy5、碱性蕊香红等荧光色素、生物素、半抗原、氧化酶或磷酸酯酶等酶、二茂铁、醌等的电化学活性物质标记，或者是使用这些物质标记的第二探针，从而可以进行检测。用荧光色素标记时，可以进行光学测定。
使用电化学活性的DNA结合物质进行测出时，按以下的顺序进行测出。
DNA探针使选择结合的DNA结合物质作用于在固定化的电极(作用极)的表面形成的双链DNA的部分，进行电化学检测。这里，所用的DNA结合物质没有特别的限制，可使用。例如，Hoechst 33258、吖啶橙，喹吖因、道诺霉素、金属嵌入剂、二吖啶橙等二嵌入剂、三嵌入剂、多嵌入剂等。进一步，将这些嵌入剂用电化学活性金属配合物加二茂铁、辅酶R(viologen)等修饰也可以。
DNA结合物质的浓度，因种类而异，一般在1ng/ml～1mg/ml的范围使用。这时，用离子强度为0.001～5、pH5～10的缓冲液。
作为作用极的电极与DNA结合物质反应后，清洗，进行电化学测定。电化学测定通过3电极型，即，参比电极、对极、作用极，或者2电极型，即对极、作用极进行测定。测定时，施加的电位在DNA结合物质发生电化学反应的电位以上，测定由DNA结合物质而来的反应电流。这时，电位可定位扫描、或脉冲施加、或施加定电位。测定用电势恒定器、数字万用表、信号发生器等的装置控制电流、电压。
采用图1～图3、图7和图8中说明的生物物质检测元件作为构成电极一体型预测干扰素治疗效果所使用DNA芯片，进行以下实验。
首先，取人白细胞染色体DNA，使用适合的引物对MxA基因部分的100bp左右的片段进行PCR扩增。扩增后将热变性的片段导入到DNA芯片上。另外，预先在DNA芯片的电极32上将与MxA基因中存在的SNP(碱基多态性)相关联的DNA探针固定化。导入样品后，放置2小时，用缓冲液清洗，使DNA结合物质(Hoechst 33258)进行作用，即使不采用电学方法对带电进行控制，也可以对干扰素的治疗效果进行预测，但由于液体的流动方式不同结果产生的波动很明显。
为此，如图8中说明，通过切换施加在各电极上的电压，使导入的基因在浓缩的同时向周边部分移动，基因在电极32上呈被捕获的状态，如图7所示，通过切换施加在每个电极32上的电压的极性，使基因在电极32的排列上移动，即使不用PCR扩增也可以进行精度良好的治疗效果的预测。
采用实施方式中说明的生物物质检测元件构成作为电极分离型生物物质检测芯片，进行以下实验。
预先在尼龙膜上固定与各种的人肿瘤的标记物相对应的抗体。以与膜相接触的形状，在膜的下部配置各电极。以人血清为样品进行肿瘤标记物检测时，可确实地进行重现性良好、直到0.1ng/ml级的高灵敏度的检测。还有，此时使用西洋萝卜提取的过氧化物酶标记物作为第2抗体，适用于发光检测用的基质。
(第2种实施方式)图11为本发明第2种实施方式的生物物质检测装置的结构剖视图。基台1的中央上部有承载生物物质检测元件5用的突出的元件载置部分，进一步，图中两侧均有使样品液、插入液及清洗液等通过的液通过孔3，中央部分的下面有与液通过孔3相连的液排出口4。在基台1上，主要地为使载置在元件载置部分2上的生物物质检测元件5从上下两侧固定的同时，将样品液导向元件5，使通过元件5的样品液导向样品液通过孔3，以此为主配置了上部支架6及下部支架7。在上部支架6的中央部分设有液导入部分8，在该液导入部分8上连接着液供给管10。液供给管10上可以选择性地任意连接通过控制部分50控制的样品液供给部分51、插入液供给部分52和清洗液供给部分52。进一步，由控制部分50控制的检测部分54如后面所述对插入液产生的电化学信号进行检测，输出生物物质检测的结果。由液供给管10导入到样品液导入部分8的样品液被引导到生物物质检测元件5上，在这里供生物物质检测之后，经过上部支架6及下部支架7形成的样品液引导槽9及基台1上形成的样品液通过孔3，从液排出口4向外排出。在上部支架6上有长方形的贯通孔11，由贯通孔11插入接触电极15，可以使接触电极15的前端与生物物质检测元件5上作为作用极的作用的电极接触。通过使用接触电极15可以将生物物质检测信号用电流、电位等电信号形式采集。
另外，在图11所示的生物物质检测装置中，上部支架6及下部支架7的详细构成与图2、图3所示的相同。生物物质检测元件5的详细的构成与图4所示相同。如上所述，当检测对象生物物质为基因时，在电极22上固定有作为配体的DNA探针。预先使样品液中的基因成为单链的状态。只有具有与电极22上固定的特定的DNA探针相对应的碱基序列的基因才可以被电极22捕获。最后，DNA探针与这个基因进行互补结合(杂交)。图4中其他如元件基板20使用的基板材料，电极21、22、23使用的材料，电极21、22、23的制法，电极21、22、23表面覆盖的绝缘性薄膜的绝缘材料等均与上面所述相同，此处省略其详细的说明。
这里，参照图12所示的流程图对本实施方式中生物物质的检测顺序进行说明。
首先，最初在控制部分50的控制下，样品液供给部51将含有检测对象生物物质的样品液供给导供给管10(步骤S1)。供给导供给管10中的样品液经过液导入部8导入到生物物质检测元件5上，在受到驱动电路25施加的电压的电极21～23的静电力的作用下，由电极21向电极22上，进而向电极23上依次移动(参照图4)。最终该样品液由生物物质检测元件5上脱离，沿液体导引槽9及液体通过孔3经由液体排出口4排出。
在这个过程中，样品液附着在固定化于电极22的配体上进行杂交。具体地说，例如，检测对象生物物质为基因，配体为DNA探针，也就是与特定的基因反应的单链DNA时，样品液附着在DNA探针上从而使DNA成单链状态。
接下来，进行第一次清洗(步骤S2)，在这个第一次清洗步骤中，在控制部分50的控制下，清洗液供给部53将清洗液供给倒供给管10中。从而将生物物质检测装置内不必的样品液，具体地说，就是附着在电极22上的样品液之外的样品液清洗、除去。除去的不要的样品液与清洗液一起排出。
接下来，在控制部分50的控制下，插入液供给部53将为了提高生物物质检测灵敏度的插入剂，例如与双链DNA特异性反应的核酸插入剂供给到供给管10中(步骤S3)。然后进行第二次清洗(步骤S4)。
在这个第二次清洗步骤中，在控制部分50的控制下，清洗液供给部53将清洗液供给到供给管10中。从而将不要的插入剂，就是除附着在电极22上的插入剂之外的插入剂清洗、除去。除去的不要的样品液与清洗液经过与步骤S1的样品液供给步骤的清洗液排出路径一起排出。
接下来，在控制部分50的控制下，检测部分54在对极电极21和作用极电极22之间施加电压。检测部分54测定电极21和电极22之间流过的电流，该电流就是来自于插入到固定在电极22上的配体与样品液中特定的生物物质的结合部分并附着在该结合部分的插入剂的氧化电流(步骤S5)。
接下来，进行第三次清洗(步骤S6)。在这个第三次清洗步骤中，在控制部分50的控制下，清洗液供给部53将清洗液供给到供给管10中。特别是在此步骤中，将包括附着在固定于电极22上的配体上、用于电化学信号测定的插入剂的所有插入剂清洗、除去。
在上述的步骤S1～S6中反复进行步骤S3～S6，直到判断达到预先设定的规定次数的步骤S7。即反复进行(a)插入剂的供给、(b)电流测定(通过插入剂进行电化学信号的测定)、及(c)将附着在配体上的插入剂的去除等一系列的步骤。
检测部分54将这一系列的步骤中测定的多次的测定结果，即对依赖于检测对象物质的电流(氧化电流)的值进行累加计算。据此，仅对依赖于检测对象物质的插入剂而产生的电化学信号进行累加计算，其他的像背景电流的随机噪音成分在累加计算过程中被消去。因此，可以对特定的生物物质进行高灵敏度的检测。
图13为第2种实施方式的变形例的生物物质检测元件的构成的平面图。
这个生物物质检测元件中，元件基板40上的一端(图中左端)设置有液体导入部41，另一端(图中右端)有液体排出部43，中央部分排列有矩阵状的作为作用极的电极42。由液体导入部41导入各样品液、插入剂、清洗液等，在电极42上移动后，从液体排出部43排出。
使用这样组成的生物物质检测元件时，也按图12所示的顺序步骤操作，可以对特定的生物物质进行与上述同样的高灵敏度的检测。
作为本发明的生物物质检测元件及生物物质检测装置的对象的样品检体没有特殊的限定，例如血液、血清、白细胞、尿、粪便、精液、唾液、组织、培养细胞、咳痰等均可使用。这里，当检测对象为基因时，应从以上的样品检体中提取出如基因等。对提取方法没有特殊的限定，苯酚-氯仿法等液液萃取法、使用载体的固液萃取法等均可利用。另外，也可以采用市售的核酸提取方法QIAamp(QIAGEN公司出品)、Sumaitest(住友金属公司出品)等。
然后，将提取出的基因的样品溶液导入到前面的实施方式中说明的生物物质检测元件(DNA芯片)上，在固定化了作为配体的DNA探针的电极上进行杂交反应。反应溶液可为例如离子强度0.01～5、pH5～10范围内的缓冲液。此溶液中可适量添加杂交反应促进剂如硫酸葡聚糖、鲑精DNA、牛胸腺DNA、EDTA、表面活性剂等。此时添加提取的样品基因，在导入到生物物质检测元件之前必须经过90℃以上的温度使其热变性。未反应的样品基因由样品液排出口4回收，必要时可以再次导入到生物物质检测元件中。
萃取的基因预先用FITC、Cy3、Cy5、碱性蕊香红等荧光色素、生物素、半抗原、氧化酶或磷酸酯酶等的酶、二茂铁、醌等的电化学活性物质标记，或者是使用这些物质标记的第二探针，从而可以进行检测。用荧光色素标记时，可以进行光学测定。
采用具有电化学活性的DNA活性物质进行检测时，按以下顺序进行检测。
DNA探针使选择结合的DNA结合物质作用于在固定化的电极(作用极)的表面形成的双链DNA的部分，进行电化学检测。这里，所用的DNA结合笏质没有特别的限制，可使用例如，Hoechst 33258、吖啶橙、喹吖因、道诺霉素、金属嵌入剂、二吖啶橙等二嵌入剂、三嵌入剂、多嵌入剂等。进一步，将这些嵌入剂用电化学活性金属配合物如二茂铁、辅酶R(viologen)等修饰也可以。
DNA结合物质的浓度随种类的不同而不同，一般使用范围为1ng/ml～1mg/ml。此时采用离子强度0.001～5、pH5～10的范围内的缓冲液。
作为作用极的电极与DNA结合物质反应，清洗，进行电化学测定。电化学测定通过3电极型，即，参比电极、对极、作用极，或者2电极型，即对极、作用极进行测定。测定时，施加的电位在DNA结合物质发生电化学反应的电位以上，测定由DNA结合物质而来的反应电流。这时，电位可定位扫描、或脉冲施加、或施加定电位。测定用电势恒定器、数字万用表、信号发生器等的装置控制电流、电压。
采用图11所示的生物物质检测元件5构成作为预测电极检测型干扰素治疗效果所使用的DNA芯片，进行以下实验。
首先，取人白细胞基因DNA，使用适合的引物对MxA基因部分的100bp左右的片段进行PCR扩增。扩增后将热变性的片段导入到DNA芯片上。另外，预先在DNA芯片的电极32上固定与MxA基因中存在的SNP(碱基多态性)相关的DNA探针。导入样品后，放置2小时，用缓冲液清洗，使DNA结合物质(Hoechst 33258)进行作用时，虽然浓度很高时不采用电学方法对带电进行控制也可以对干扰素的治疗效果进行预测，但由于液体的流动方式不同结果很容易产生波动。
为此，如图8中说明通过切换施加在各电极上电压的极性，使导入的基因在浓缩的同时向周边部分移动，基因在电极32上呈被捕获的状态，如图7所示通过切换施加在每个电极32上电压的极性，使基因在电极32的排列上移动，进而如图12说明的步骤S3-S6显示的一系列步骤多次反复操作，最终不进行PCR扩增也可以进行精度良好的治疗效果的预测。第3种实施方式本发明的第3种实施方式涉及一种为了移动如基因、蛋白质等的生物物质之类的带电物质的带电物质移动装置。特别是，涉及对生物物质检测装置适合的带电物质移动装置。本发明的实施方式提供一种带电物质移动装置，它可使带电物质移动以使生物物质之类的带电物质与带电物质检测用元件上的各配体高效反应。另外，提供一种带电物质移动装置，也能使样品中的检测对象的带电物质浓缩，在用生物物质检测装置时，可达到检测灵敏度的提高。
图14表示本发明的带电物质移动装置适用的第3种实施方式的生物物质检测装置构成的剖视图。基台1中央上部具有突出的元件载置部2，用于搭载生物物质检测用元件5，对该元件后面将进行详细说明，进一步地，分别在图中左侧有样品液通过孔3、中央下部有与样品通过孔3连通的样品排出口4。
基台1上，主要为了从上下端保持元件载置部2上装载的生物物质检测元件5，同时，向元件5导入样品液，引导通过元件5的样品液到样品液通过孔3，设置了上部支架6和下部支架7。
上部支架的中央部分设置样品液导入部8，该样品液导入部8与样品液供给管10连接。从样品液供给管10来的、导入样品液导入部8的样品液，被导入生化学检测用元件5上，在这里供生物物质检测。之后，经过由上部支架6和下部支架7形成的样品液导引槽9和基台1上形成的样品液通过口3，从样品液排出口4排出到外部。
上部支架6中形成长方形的贯通孔11，通过贯通孔用插入接触电极15，可使接触电极15的前端与作为生物物质检测用元件5上的作用极功能的电极接触。由于使用该接触电极15，可得到生物物质检测用信号的电流、电位等的电信号。
图15表示第3种实施方式的生物物质检检测元件5的构成的平面图。在元件基板20上的图14中表示的样品液导入部8的正下方位置，设置凹部形成的样品液接受部21。进一步，在元件基板20上，形成一端与样品液接受部连通的螺旋状的样品液导引沟22，在这个导引沟22的底部有沿着螺旋排列的发挥作为作用极功能的多个圆形的电极23。元件基板20的样品沟22的另一端设有样品液排出部24，此样品液排出部24与图14中表示的样品液导入通道9相连通。
电极23中固定至少一个种类的特异性检测用配体。也就是说，电极23兼是配体固定化部。电极23的各自被固定化的配体，按检测对象的生物物质，例如选自基因、基因探针、蛋白质、蛋白质片段、辅酶、受体以及糖链中的任一种。
如果电极23上各自固定不同的配体，一次可检测多种生物物质。另外，电极23上各自固定相同的配体也可以一次检测大量生物物质。利用光刻术，预先在基板20上形成多个电极23(配体固体化部)的图形，可提高生化学检测元件5的批量生产性。
电极23，例如通过在元件基板20上形成的多层布线分别与电极板25相连。电极板25与驱动对电极23施加规定的电压的驱动电路26相连接。对该驱动电路26的动作，后面作详细说明。
这样，从样品液供给管10供给的样品液，通过上部支架6和下部支架7的引导从中央部被导入生物物质检测用元件5，均一地供给在元件5周边部设置的配体固定化部，从下方被排出。因此，样品液中的生物物质的检测能在均一条件下进行。
检测对象的生物物质是基因时，电极23上作为配体固定的是DNA探针。所谓DNA探针是指众所周知的、与特定的基因反应的单链基因。若样品中的基因以单链状态存在，仅与固定在电极23上的DNA探针相应的具有特定序列的基因被电极23捕获，结果，DNA探针和该基因进行互补结合(杂交)。
进一步对以上的构成具体说明，首先，用于元件基板20的基板材料没有特别的限制，例如，可使用玻璃、石英玻璃、氧化铝、蓝宝石、镁橄榄石、碳化硅、氧化硅、氮化硅等无机绝缘材料。另外，基板材料也可以用聚乙烯、乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、不饱和聚酯、含氟树脂、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯乙缩醛、丙烯酸树脂、聚丙烯腈、聚苯乙烯、缩醛树脂、聚碳酸酯、聚酰胺、酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、苯乙烯丙烯腈共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、硅氧烷树脂、聚苯醚、聚砜等有机材料。进一步地，用后述光学的方法进行生物物质的检测时，作为基板材料，也可以使用尼龙、纤维素之类的纤维薄膜。
电极23中使用的电极材料也没有特别的限制，对含有配体固定化点的电极，用电化学检测生物物质的场合下，可使用如金、金的合金、银、汞、镍、铂、钯、硅、锗、镓、钨等的金属单质和至少含这些金属2种以上的合金，或者用石墨、玻璃态碳等的碳等、或它们的氧化物、化合物，或氧化硅等的半导体化合物，CCD、FET、CMOS等各种半导体器件上使用的物质。
作为电极23的制作法，可用电镀、印刷、溅镀、蒸镀等。作为蒸镀法，可用阻抗加热法，高频加热法以及电子束加热法中的任一种。作为溅镀法可使用直流两极溅射、偏压溅射、非对称交流溅射、吸气溅射以及高频溅射中的任一种。进一步，作为电极，也可以使用聚吡咯、聚苯胺等的电解聚合膜或导电性高分子。
对电极23表面覆盖的绝缘性薄膜使用的绝缘材料无特别的限制。例如，优选光聚合物、光刻胶材料。作为光刻胶材料，使用光曝光用光刻胶、远紫外用光刻胶、X线用光刻胶、电子射线用光刻胶。曝光用光刻胶中主原料可举环化橡胶、聚肉桂酸、酚醛清漆树脂等。远紫外用光刻胶中可用环化橡胶、酚醛树脂、聚甲基异丙烯酮(PMIPK)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。另外，X线用光刻胶，除COP、丙烯酸甲酯之外，可使用《薄膜手册》(オ-ム公司)中记载的物质。电子射线用光刻胶，可使用PMMA等的薄膜手册中(オ-ム公司)记载的物质。此时，所用的光刻胶的厚度希望在10nm～1mm。
由于作用极电极23用光刻胶被覆而进行光刻术，可使电极23的面积为一定。由此，DNA探针等的配体的固定化量在各自的电极23间变得均一，可使生物物质的检测的重现性良好。以往，一般将光刻胶材料最后除去，可是电极23在用于固定DNA探针的基因检测用时，不除去光刻胶材料，也可作为电极23的一部分。这种情况下，所用的光刻胶材料必须使用耐水性高的物质。
电极23的上部形成的绝缘薄膜也可以使用光刻胶材料以外的材料。例如，可使用Si、Ti、Al、Zn、Pb、Cd、W、Mo、Cr、Ta、Ni等的氧化物、氮化物、碳化物、除此之外的合金。这些材料可用溅镀、蒸镀或CVD等形成薄膜后，用光刻胶形成电极露出部分的图形，控制面积一定。
以下，参照图16A-16C，17A-17C，18A-18C，和19A-19C，对驱动电路26的驱动动作进行说明。驱动电路26，由于在电极23上施加规定极性的电压，可以使5上的中央部设置的样品液接受部21接受的样品液中的检测对象生物物质依次沿电极23的排列方向移动。
检测对象生物物质是基因时，基因水溶液的样品液从样品液供给管10通过样品液导入部8供给生物物质检测用元件5上的样品液接受部21中，由导引沟22导入电极23上。基因的带电性是负性，图16A-16C，17A-17C，18A-18C和19A-19C表示检测对象是基因时的驱动例。这些图中任意一个均表示电极23的电压施加状态随时间的推移，电压施加状态(电压的极性)按A→B→C的顺序推移。
对图16A-16C的驱动例进行说明。首先，图16A所示那样，在离样品液接受部21最近的电极23-1上，施加同基因带电性相反的正极性电压，在与电极23-1相邻的电极23-2上施加负极性电压。因此，供给样品液接受部21的样品液，由于受到施加基因带电性相反电压的电极23-1的静电吸引力，向电极23-1上移动。此时，给样品液施加若干负压，液品液可更快地移动与电极23-1相邻的电极23-2中因为施加了与基因带电性相同极性的电压，基因被电极23-1捕获。
接下来，如图16B所示，在电极23-1上施加为使其极性反转为负极性的电压，再在相邻的电极23-2上施加使其极性反转为正极性的电压。此时，样品液中的基因由于受到施加与其带电性相同电压的电极23-1的静电排斥力，受到施加带电性相反电压的电极23-2静电吸引，基因从电极23-1上移动到电极23-2上，被电极23-2捕获。
然后，如图16C所示，在电极23-2上施加电压极性反转为负极性的电压，再在相邻的电极23-3上施加电压极性反转为正极性的电压，这样，样品中的基因从电极23-2上移动到电极23-3上而被捕获。
以下，同样依次移动施加与样品中的基因带电性相同的电压的电极位置和施加与其带电性相反的电压的电极的位置，可使基因依次向相邻电极上移动。在此移动过程中，某电极上保持有与特定的基因互补序列的固定在电极上的配体时，这些基因与配体发生反应形成结合。即，发生杂交。
这样，基因在生物物质检测用元件5上，沿着电极23的排列方向依次移动电极，从样品液排出部24排出到元件5的外部。
图17A-17C表示本实施方式的驱动电路的另一种驱动例。图16A-16C所示的驱动例中，例如参照图16B，只对与电极23中捕获基因的电极23-2的基因的移动方向相反的一侧电极23-1施加与基因的带电极性相同的负极性的电压，但如图17B所示，在移动方向一侧的电极23-3也可施加负极性的电压。图17A-17C表示分别同图16A-16C设定时间的相同的电压施加状态，图17A表示最初的状态，同图16一样，图17B-17C从中被施加正极性的电压的电极来看，基因的移动方向前后(电极23的排列方向的两侧)的电极施加负极性的电压。
这样，电极23中相对于捕获基因的施加正极性电压的电极，通过在基因移动方向前后的两电极施加负极性的电压，由这两电极产生的静电斥力，在捕获基因的电极上基因被关进去，可浓缩基因。因此，能高效进行基因的检测，不必预先扩增基因，或者扩增的程度可以缓和。
然后，图18A-18C的驱动例中，在电极23中相邻2个电极上施加正极性电压，与2个电极组相邻的电极施加与其相反的电压，在电极23的排列方向上每次错开1个电极进行动作。
进一步，图19A-19C是同时对全部的电极23施加电压的驱动例。与18A-18C时相同，在电极23中相邻的2个电极组施加正极性的电压，与这2个电极组相邻的电极施加与其相反极性的电压，在电极23的排列方向中分别每次错开1个电极进行动作。
另外，电极23中施加与基因的带电极性相反极性的正极性电压的电极数定为n，施加同极性的负极性电压的电极定为m，切换施加电压的极性时，错开的电极数定为p，n、m、p均可以在1以上的任意数中进行选择。最单纯时为n＝m＝p＝1也可以，其他情况，着眼于电极23中的1个，施加电极的极性周期地交互切换为正极性和负极性。
图20A-20C是说明第3种实施方式中其他的生物物质检测用元件的电极构成和该生物物质检测用元件中检测对象生物物质的浓缩和移动动作。同图所示那样，方式中生物物质检测用元件的元件基板的中央部配置样品液接受部31，以它为中心在周围形成导引沟32，此导引沟32的底部排列固定了配体的电极33。在样品液接受部31中供给的样品液被导到导引沟32内到达电极33上。
对这样构成中，通过没有图示的驱动电路，如图20A-20C中所示那样，同图19A-19C所示驱动例相同，通过在电极33上施加电压，可使样品溶液中的基因等检测对象生物物质沿圆周在电极33上移动。
也就是说，首先，如图20A所示，电极33中在以虚线围着的相邻2个电极组上施加正极性的电压，在与这个电极组相邻的电极上施加负极性电压。然后，在规定单位时间后，如图20B所示在施加正极性的电压的2个电极组的位置，只错开1个电极，随之，与2个电极组相邻的施加负极性电压的电极的位置也只错开1个电极。进一步，再经过规定的单位时间后，如图20C所示那样，施加正极性电压的2个电极组的位置和施加负极性电压的电极的位置只错开1个电极。以下，每单位时间这样切换施加电压的极性，即通过以规定的周期进行切换，样品液中的检测对象生物物质(例如基因)以圆周方向在相邻电极33的排列上移动，可与电极33上各自固定的配体均一高效地反应。
这样，导入在生化学检测用元件上的样品液中的检测对象生物物质在浓缩的同时，可以使其在电极33上依次地移动。即，按照本实施方式，检测对象生物物质在固定配体的电极33上变为浓缩状态，所以不用像以前那样预先用PCR法等进行基因扩增，扩增检测对象生物物质，可使检测对象生物物质与配体高效反应，提高检测效率。
图21A-21B表示第3种实施方式的其他的生物物质检测装置构成的平面图和剖视图。
这个生物物质检测装置中，在基台40的中央形成的突出部40A上的中央部，设置样品液接受部41，以样品液接受部41为中心形成凹部42，以及在凹部42内以样品液接受部41为中心以放射状形成扇形的多个电极43。电极43上固定配体。进一步，在基台40上设置导引通过生物物质检测用元件的样品液到样品液排出口的样品液通过孔44。
这样的生物物质检测装置中，电极43由未表示出来的驱动电路按图20A-20C说明的情况同样进行驱动，一边使检测对象生物物质浓缩，一边使其沿电极43排列的圆周方向依次移动，可使检测对象生物物质与配体高效反应。
图22表示第3种实施方式的变形例的生物物质检测用元件构成的平面图。
在元件基板50上相对方向的2个角近旁，设置样品液接受部51和样品液排出部54。进一步，在样品液接受部51和样品液排出部54之间形成曲折形状的样品液导引沟52，在样品液导引沟52内设置固定了配体的电极53。
使用这样构成的生物物质检测用元件时，电极53由未图示出来的驱动电路，经与图16A-16C，17A-17C，18A-18C，19A-19C说明的同样驱动动作，使检测对象生物物质在电极53排列的圆周方向移动，进一步使移动中的检测用生物物质浓缩，与配体高效反应。第4种实施方式图23表示涉及适用于本发明的带电物质移动装置和第4种实施方式的生物物质处理装置的简略构成图。该生物物质处理装置具有多个反应步骤。如图23所示，基板60上配置多个反应室61A～61F，这些反应室61A～61F通过样品液导引沟62适当地被联络。样品液导引沟62中，排列有电极63。电极63，例如也可以固定有配体。
对这种生物物质处理装置，通过没有图示的电极63的驱动电路，与按照16A-16C、17A-17C、18A-18C、19A-19C说明相同的驱动动作，使处理对象生物物质按电极63排列的圆周方向依次移动，进一步，移动中使处理对象生物物质浓缩，可以在反应室61A～67F内高效反应，处理作为处理对象的生物物质。第5种实施方式图24表示涉及适用于本发明的带电物质移动装置的第5种实施方式的生物物质处理装置的胶团结构的示意图。
本实施方式是处理不带电荷的生物物质的使用装置，例如由表面活性剂等形成的胶团结构。
所谓胶团结构是用胶团被覆非电荷物质，强制使其带电的结构。图24中，生物物质被带电为负电性。这样，通过胶团结构使强制带电的生物物质移动的情况下，也可用上述各实施方式中说明构成的生物物质移动装置、生物物质处理装置。
作为由本发明而来的使用生物物质移动装置的生化学检测用元件以至生物物质检测装置的对象，样品检体没有特别的限制，例如可以使用血液、血清、白细胞、尿、便、精液、唾液、组织、培养细胞、咳痰等。这里，当检测对象物质是基因时，从这些样品检体中，例如进行基因提取。提取方法没有特别的限制，可以用酚-氯仿等的液液提取法、用载体的固液提取法。另外，也可利用市售的核酸提取方法QIAamp(QIAGEN公司制)、Sumaitest(住友金属公司制)等。
然后，将这样萃取的基因的样品溶液按照前述的实施方式说明导入生物物质检测用元件(DNA芯片)上，在固定了DNA探针配体的电极上进行杂交反应。反应溶液例如制成离子强度0.01～5、pH为5～10的缓冲液。在此溶液中可添加杂交促进剂硫酸葡聚糖、鲑精DNA、牛胸腺DNA、EDTA、表面活性剂等。此时添加经提取的样品基因，必须在向生物物质检测用元件的导入前经过90℃以上使其热变性。没有反应的样品基因从样品液排出口4回收，必要时也可再次导入生物物质检测用元件中。
萃取的基因预先用FITC、Cy3、Cy5、碱性蕊香红等荧光色素、生物素、半抗原、氧化酶或磷酸酯酶等酶、二茂铁、醌等的电化学活性物质标记，或者是也可以使用这些物质标记的第二探针进行检测。用荧光色素标记时，可以进行光学检测。
使用电化学活性的DNA结合物质进行检测时，按以下的顺序进行检测。
DNA探针使选择结合的DNA结合物质作用于在固定化的电极(作用极)的表面形成的双链DNA的部分，进行电化学检测。这里，所用的DNA结合物质没有特别的限制，可使用例如，Hoechst 3258、吖啶橙、喹吖因、道诺霉素、金属嵌入剂、二吖啶橙等二嵌入剂、三嵌入剂、多嵌入剂等。进一步，将这些嵌入剂用电化学活性金属配合物如二茂(络)铁、辅酶R(viologen)等修饰也可以。
DNA结合物质的浓度，因种类而异，一般在1ng/ml～1mg/ml的范围使用。这时，用离子强度为0.001～5、pH5～10的缓冲液。
作为作用极的电极与DNA结合物质反应后，清洗，进行电化学测定。电化学测定通过3电极型，即，参比电极、对极、作用极，或者2电极型，即对极、作用极进行测定。测定时，施加的电位在DNA结合物质发生电化学反应的电位以上，测定由DNA结合物质而来的反应电流。这时，电位可定位扫描、或脉冲施加、或施加定电位。测定用电势恒定器、数字万用表、信号发生器等的装置控制电流、电压。
实施例4构成图11说明的生物物质检测用元件，作为干扰素治疗效果预测用DNA芯片，进行以下的实验。
首先，从人白细胞中取染色体DNA，用适当的启动剂将MxA基因部分100bp左右的片段PCR扩增。扩增后，使热变性物导入DNA芯片。另外，预先在DNA芯片的电极33上将MxA基因中存在的SNP(碱基多态性)相关的DNA探针固定。样品液导入后，驱动电极23，最终将被观测的剩余液体用缓冲液清洗，使与DNA结合物质作用，得知可预测的干扰素治疗效果。
进一步，这种情况下，如图19A-19C说明，切换施加在电极23上的电压的极性，使导入基因的一边浓缩，一边向周边移动，由基因在电极23上被捕获的状态，切换施加在各个电极23上的电压的极性，使基因在电极23排列上移动，这样，即使不进行PCR扩增，也可进行高精度的治疗效果的预测。
实施例5图22说明的生物物质检测用元件构成肿瘤标记物检测用芯片，进行以下的实验。
为了构成肿瘤标记物检测用芯片，将抗各种人肿瘤标记物的抗体固定在电极53的表面。为防止非特异性吸附，使其与1％牛血清白蛋白作用。同实施例1操作，按顺序变化电极的极性，人血清作为样品进行肿瘤标记物的测定，直至0.1ng/ml级别均能以高灵敏度、重现性良好地检测。另外，此时，作为第2抗体，使用由西洋萝卜而来的过氧化物酶标记的物质，最后使发光检测体系用的基质流出。
另外，通过上述实施方式对生物物质移动装置进行了说明。但本发明并不只限定于生物物质移动装置，对有规定带电极性的带电物质移动装置全部都适用。
其他的优点和修饰对本领域的技术人员将很容易接受。因此，本发明在更广范围内并不限于在此所描述的特定的细节和实施例。相应地，不脱离附录的权利要求和它们的等同物所限定的一般的发明概念的暗示或领域，可以进行各种修饰。
权利要求
1.生物物质检测装置，是将含有带电生物物质的样品液导入并检测该生物物质的生物物质检测装置，其中包括基板；生物物质检测用元件，具有设在该基板上导入上述样品液的位置的至少一个的第1电极、和在该基板上的该第1电极的周围沿着圆周方向以规定的间隔排列，并且分别固定着与特定的生物物质反应的配体而构成的多个第2电极；和驱动电路，通过在前述第1电极上施加与上述生物物质所带电同极性的电压，在电极的至少一部分上施加与前述带电极性相反的电压的驱动动作，驱动前述生物物质检测用元件。
2.权利要求1所述的生物物质检测装置，其中还包括，前述第1电极与第2电极的排列之间以同心圆状排列的至少2个环状电极，前述驱动电路，为了使前述样品液中的生物物质向前述第2电极的方向移动，还进行施加电压控制前述至少2个环状电极的极性的驱动动作。
3.权利要求1所述的生物物质检测装置，其中，前述驱动电路中，前述第2电极中圆周方向的一部分电极施加与前述带电极性相反的电压，另一部分施加与前述带电极性相同的电压，并且，使该相反极性和相同极性的电压的位置依次变化进行驱动动作。
4.权利要求3所述的生物物质检测装置，其中，前述生物物质检测用元件还包括，在前述第1电极和第2电极排列之间以同心圆状配置的前述至少2个环状电极，前述驱动电路，为了使前述样品液中的生物物质向前述第2电极的方向移动，还进行施加电压控制前述至少2个环状电极的极性的驱动作用。
5.生物物质检测用元件，是将含有带电生物物质的样品液导入并检测该生物物质的生物物质检测元件，其中包括基板；设在该基板上的导入前述样品液的位置上的至少一个第1电极；和在该基板上的该第1电极的周围沿着圆周方向以规定的间隔排列，并且分别固定着与特定的生物物质反应的配体而构成的多个第2电极。
6.权利要求5所述的生物物质检测用元件，其中还具有，在第1电极和第2电极排列之间以同心圆状配置至少2个的环状电极。
7.权利要求6所述的生物物质检测用元件，其中还具有，配置在基板上的前述第2电极排列的外周的至少一个第3电极。
8.权利要求7所述的生物物质检测用元件，其中还具有，在电极和第2电极的排列间以同心圆状配置至少2个环状电极。
9.生物物质检测装置，是检测样品液中含有的带电生物物质的生物物质检测装置，包括基板；生物物质检测用元件，具有在该基板上沿圆周方向以规定的间隔排列、分别固定有与特定生物物质反应的配体的多个电极；样品液导入器，将前述样品液导入到前述基板上的前述电极排列的中央部；样品液移动结构，通过电控制前述生物物质检测用元件，使由导入器导入到前述基板上的中央部分的样品液向前述电极方向，以放射状移动。
10.生物物质检测方法，是检测样品液中含有的带电生物物质的，其中包括将前述样品液供给在基板上排列有分别固定有与特定的生物物质反应的配体的电极而形成的生物物质检测用元件后，反复进行以下一系列步骤，检测所述生物物质(a)向前述生物物质检测用元件上供给插入剂，(b)基于与前述特定生物物质与前述配体的反应，测定前述插入剂的电化学信号，以及，(c)除去附着在前述配体上的插入剂。
11.生物物质检测装置，是检测样品液中含有的带电生物物质的生物物质检测装置，包括基板；生物物质检测用元件，具有在该基板上沿圆周方向以规定的间隔排列的、分别固定有与特定生物物质反应的配体多个电极；样品液导入器，将前述样品液导入到前述基板上的前述电极排列的中央部；样品液移动结构，使由导入器导入到前述基板上的中央部分的样品液向前述电极方向，以放射状移动；和反复进行以下一系列步骤的控制器(a)向前述生物物质检测用元件上供给插入剂，(b)基于与前述特定生物物质与前述配体的反应，测定前述插入剂的电化学信号，以及，(c)除去附着在前述配体上的插入剂。
12.生物物质检测装置，是导入含有带电生物物质的样品液并检测该生物物质的生物物质检测装置，其中包括，基板；生物物质检测用元件，具有设在前述基板上导入前述样品液的位置的至少一个第1电极，以及，该基板上的该第1电极的周围沿圆周方向以规定的间隔排列、分别固定有与特定的生物物质反应的配体的多个第2电极；驱动电路，通过对前述第1电极施加与前述生物物质带电极性相同极性的电压、对第2电极的至少一部分施加与前述带电极性相反极性的电压的驱动动作，驱动前述生物物质检测用元件；和控制反复进行以下一系列步骤的控制器(a)向前述生物物质检测用元件上供给插入剂，(b)基于与前述特定化学物质与前述配体的反应，测定前述插入剂的电化学信号，以及，(c)除去附着在前述配体上的插入剂。
13.权利要求12所述的生物物质检测装置，其中，前述驱动电路中，对前述第2电极中的圆周方向的一部分的电极施加同前述带电极性相反的电压，对其他部分施加与前述带电极性相同的电压，而且，使该相反极性和相同极性的电压的位置依次变化，进行驱动动作。
14.权利要求12所述的生物物质检测装置，其中，前述生物物质检测用元件还具有，在前述第1电极与第2电极排列之间以同心圆配置的至少2个环状电极。
15.一种移动具有规定带电极性的带电物质移动装置，其中包括，基板；前述基板上以规定的排列方向排列的多个电极；和驱动电路，对前述多个电极中的电极的一部分施加与前述带电物质的带电极性相反的电压，而且，使施加该反极性的电压的电极位置沿前述排列方向依次变化，进行驱动动作，使前述带电物质在前述多个电极上沿前述排列方向移动。
16.权利要求15所述的装置，其中，前述驱动电路中，相对于前述多个的电极中施加前述相反极性的电压的电极，对在前述排列方向相邻的至少一个电极施加与前述带电极性相同的电压。
17.权利要求15所述的装置，其中，前述带电物质至少一种是生物物质，在前述多个电极上分别固定有与特定的生物物质反应的配体。
全文摘要
公开了一种生物物质检测装置，能检测样品液中含有的基因、蛋白质等的带电生物物质。生物物质检测用元件包括基板、在基板上形成的至少一个的第1电极，以及，在基板上的第1电极的周围沿圆周方向以规定间隔排列、分别固定有与特定生物物质反应的配体的多个第2电极。向基板上的第1电极导入样品液。导入的样品液通过电控制使其沿第2电极的方向以放射状移动。
文档编号G01N33/543GK1410548SQ02141990
公开日2003年4月16日 申请日期2002年9月2日 优先权日2001年8月31日
发明者笠原章裕, 石森义雄 申请人:株式会社东芝