JP2004350613A - Apparatus for feeding or recovering sample substance and method for treating sample substance - Google Patents

Apparatus for feeding or recovering sample substance and method for treating sample substance Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus and a method for feeding and recovering a sample substance, by which the sample substance is not dried and it is not required to carry out washing operation by using a washing liquid and loss of the sample substance for detection can remarkably be decreased. <P>SOLUTION: The apparatus is at least equipped with a solution tank 11 for storing a solution containing a chargeable sample substance S (T or D), a conductive gel storage tank 12 made to communicate with the solution tank 11 and a first electrode E<SB>1</SB>for forming a direct electric field X<SB>1</SB>(or X<SB>2</SB>). The apparatus or the method comprises feeding the sample substance S (T or D) in the solution tank 11 through a conductive gel G to a reaction region 21 on a substrate 2 by forming the direct electric field X<SB>1</SB>(or X<SB>2</SB>) by applying voltage to a space between the first electrode E<SB>1</SB>and a second electrode E<SB>2</SB>attached to the reaction region 21 of the outside or recovering the sample substance S (T or D) which exists in the reaction region 21 through the conductive gel G into the solution tank 11 of the apparatus 1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電性の試料物質を、直流電界の作用を利用して、基板等に形成された反応領域に対して供給したり、該反応領域から試料物質を回収したりするための装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
試料物質を微小な反応領域に対して滴下して供給する技術がある。具体的には、所定の反応領域に対して、DNAプローブ等の試料物質を含む微小滴を所定の反応領域(「スポット領域」ともいう。)に正確に滴下する方法がある。この方法の代表例として、インクジェットプリンティング法やマイクロメカニカルスポッティング法等が知られている。
【0003】
「インクジェットプリンティング法」は、インクジェットプリンターで用いられるノズルを応用する方法であって、電気を用いてインクジェットプリンターのようにプリンターヘッドから基板に検出用試料物質を噴射して、固定する方法である。この方法には、圧電式インクジェット法、バブルジェット法、超音波ジェット法がある。圧電式インクジェット法は、圧電体にパルスを印加することによって生じる変位の圧力によって液滴を飛ばす方法である。バブルジェット法は、熱方式であって、ノズル中のヒーターを熱して発生させた気泡の圧力によって液滴を飛ばす方式である。超音波ジェット法は、超音波ビームを液体の自由面に当てて、局所的に高い圧力を与えることによってその箇所から微小滴を放出させる方式である。
【0004】
「マイクロメカニカルスポッティング法」は、マイクロスポッティングペン、キャピラリー(細管)、あるいはピンセットを装着させたプリントヘッドを用いて、検出用試料物質を含む微小滴を基板上の検出表面部位にスポットしていく方法である。
【0005】
このような試料物質のスポッティング技術は、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)等が微細配列されて集積されている、いわゆるDNAチップ又はDNAマイクロアレイ(以下、「DNAチップ」と総称。)と呼ばれるバイオアッセイ用の集積基板を作製又は製造する際の重要技術となっている。
【0006】
「DNAチップ」は、例えば、ガラス基板やシリコン基板上に供給されて固定化されたDNAプローブ等に対して、標的DNAを含む試料溶液を供給してハイブリダイゼーション行い、これに続いてハイブリダイゼーションを示さなかったDNAやミスハイブリしたDNA等を洗い流す作業(以下「洗浄作業」と称する。)を行った後に、所定の検出器で蛍光測定等を行うことによって、分子間の相互作用の解析や遺伝子の変異解析、SNPs(一塩基多型)分析、遺伝子発現頻度解析等に広く用いられている。
【0007】
その他、特許文献1には、高密度マイクロアレイを、試料溶液をエレクトロスプレイすることによって作成する技術が開示されている。特許文献2には、同一スポットに対して試料溶液を、上記インクジェットプリンティング法により複数回供給する技術が開示されている。特許文献3には、プローブを含む液体を上記インクジェットプリンティング法により固相表面に付着させる技術が開示されている。特許文献4には、ハイブリダイゼーション後に、緩衝液で洗浄して検出実験を行う技術が開示されている。
【0008】
【特許文献1】
特開2001−281252号公報。
【特許文献2】
特開2001−186880号公報。
【特許文献3】
特開平11−187900号公報。
【特許文献4】
特開2003−300号公報。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の試料物質(含む溶液)のスポッティング技術においては、基板上に試料物質を滴下する作業(試料物質を供給する作業)や滴下された試料物質を所定表面部位に固定化する作業等を行う際に、試料物質が乾燥雰囲気に晒されるため、その分子構造(例えば、高次構造などの立体構造)に悪影響を及ぼす可能性があるという問題があった。
【0010】
また、相互作用(例えば、ハイブリダイゼーション)を実施した後に行われる上記洗浄作業においては、偽陽性や偽陰性の検出エラーを極力発生させないようにするために、的確な洗浄溶液の選定並びに洗浄溶液の条件設定に関して、実験作業者は充分に配慮しなければならなかった。
【0011】
さらに、前記洗浄作業によって、反応領域に存在している固定化不十分状態あるいは未固定状態の検出用試料物質(例えば、DNAプローブ)が、洗浄目的である試料物質と一緒に洗い流されてしまうので、貴重な実験材料(検出用試料物質)にロスが生じ、DNAチップ等の製造コストを押し上げてしまうという問題があった。
【0012】
そこで、本発明は、主に、(1)試料物質を乾燥させることがない、(2)洗浄液を用いる洗浄作業を行う必要がない、(3)検出用試料物質のロスを大幅に減少できる、以上(1)〜(3)の利点を有する、試料物質の供給又は回収のための装置及び方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では、第一に、以下の「試料物質供給回収装置」を提供する。この装置は、陰電荷又は陽電荷に荷電する性質を有する試料物質を、直流電界の駆動力によって所定反応領域へ供給したり、あるいはこの反応領域中に遊離状態や弱い結合力で存在している試料物質を、前記駆動力によって回収したりできるように工夫された装置である。具体的には、本発明に係る装置は、荷電性の試料物質を含む溶液を貯留する「溶液槽」と、前記溶液槽に連通された「電導性ゲル収容槽」と、前記溶液及び前記電導性ゲルに直流電界を形成するための「第一電極」と、を少なくとも備えている。この構成において、前記溶液槽に貯留された溶液と電導性ゲルの界面は接している。
【0014】
この装置構成においては、例えば、溶液槽の上部等に配置された前記第一電極と外部の反応領域に付設された第二電極に印加することによって、前記溶液槽の溶液から電導性ゲルを通過して反応領域へ至る「直流電界」(例えば、約10V/cm)を形成することができる。この「直流電界」は、荷電した試料物質を電界方向に沿って駆動させる役割を果たす。すなわち、陰電荷を帯びた試料物質を陽極側へ、陽電荷を帯びた試料物質を陰極側へ移動させる作用を発揮する。
【0015】
例えば、陰電荷を帯びた試料物質を反応領域に供給する場合は、前記第一電極を陰極、反応領域に付設された第二電極を陽極として直流電界を形成し、陰電荷を帯びた試料物質を溶液槽に回収する場合は、第一電極を陽極、第二電極を陰極として直流電界を形成すればよい。同様に、陽電荷を帯びた試料物質を反応領域に供給する場合は、前記第一電極を陽極、反応領域に付設された第二電極を陰極として直流電界を形成し、この陽電荷を帯びた試料物質を溶液槽に回収する場合は、第一電極を陰極、第二電極を陽極として直流電界を形成すればよい。
【0016】
この直流電界による荷電性試料物質の駆動作用によって、前記溶液槽内の試料物質を、電動性ゲルを移動通過させて反応領域へ供給したり、この反応領域内に存在する試料物質を、前記電動性ゲルを通過移動させて前記溶液槽に回収したりすることが、自在に行うことができる。なお、前記溶液槽に回収される試料物質は、例えば、反応領域の所定表面部位に未固定状態又は固定化不十分状態の試料物質である。
【0017】
この荷電性の試料物質の供給又は回収に係わる作業は、前記電導性ゲルを反応領域(に貯留されている溶液界面)に密着させた状態で行うことになるので、作業工程中に試料物質を乾燥雰囲気に晒してしまうことがない。このため、前記作業の過程において、試料物質の分子構造(例えば、高次構造などの立体構造)に悪影響を与えてしまうことがないという利点がある。即ち、試料物質を、所定のパートナー分子との間で相互作用できる分子構造状態を保持したままの状態で、外部の反応領域に供給したり、あるいは該反応領域から回収したりすることができる。
【0018】
また、本発明に係る装置では、上記した「直流電界」に加え、前記反応領域に貯留された溶液に「高周波電界」を形成する手段を備えるように工夫することもできる。
【0019】
例えば、1MV/m程度の高周波電界を印加すると、ヌクレオチド分子(リン酸イオン等を備えるヌクレオチド鎖の陰電荷とイオン化した水素原子の陽電荷で構成される多数の分極ベクトルからなるヌクレオチド分子)に誘電分極が生じ、その結果、ヌクレオチド分子が電界と平行に直線状に引き伸ばすことができる。
【0020】
より詳しくは、ハイブリダイゼーションを検出するための検出用試料物質として機能するDNAプローブ等のヌクレオチド分子を反応領域に供給し、この反応領域の所定表面部位(検出表面)に前記ヌクレオチド分子の一端(末端)を固定化した状態では、このヌクレオチド分子は、ランダムコイル状等に丸まったり、重層したりしている。このような立体構造状態では、塩基同士が重層するので、反応時に立体障害が発生する。ヌクレオチド分子を高周波電界の作用で直線状に引き伸ばすと、塩基同士が重層することが無くなるため、反応時の立体障害が少なくなって、ハイブリダイゼーション反応が短時間で円滑に進むようになるので、検出の効率や精度を向上させることができる。
【0021】
ここで、上記「高周波電界」を形成するための具体的手段としては、反応領域(の例えば、底面)に付設された第二電極と前記第一電極以外の「第三電極」との間で形成することもできるし、前記反応領域を挟むように対設してなる「対向電極」によって形成することもできる。
【0022】
第一電極と第二電極は、試料物質を供給又は回収するための「直流電界」を形成する役割を果たし、第一電極と第三電極、あるいは前記対向電極は、試料物質を伸長するための「高周波電界」を形成する役割を果たす。なお、第一電極と第二電極を用いて、直流電界と高周波電界の両方を形成できるように工夫してもよい。
【0023】
ここで、高周波電界形成に用いられる前記第三電極として、反応領域に付設された第二電極と対向する位置に移動可能であって、かつ該位置から退去可能に構成された可動電極を採用することができる。この「可動電極」は、試料物質の供給作業時又は回収作業時には、他の所定位置に待機しており、これらの作業が完了したら、(反応領域に付設された)第二電極と対向する位置(例えば、反応領域の上方位置)に移動して高周波電界を形成し、この電界形成作業(伸長作業)が完了したら再び前記待機位置に戻るという動作を、コンピュータ制御等によって実行可能な可動性の電極である。
【0024】
また、この第三電極として、上記した電導性ゲル収容槽の下面(あるいは底面)位置に設けられ、前記試料物質が通過可能な形状とされた電極を採用することもできる。例えば、試料物質が通過可能なサイズの微細孔が均等かつ多数形成された電極板である。これらの微細孔は、第一電極と第二電極との間で形成された直流電界の作用によって移動してくる試料物質を反応領域方向あるいは溶液槽方向に通過させるという役割を果たす。
【0025】
本発明に係る装置は、DNAプローブ等の検出用ヌクレオチド分子(ヌクレオチド鎖)を基板上の反応領域に供給する装置として、あるいは該反応領域の所定表面部位に固定化された検出用ヌクレオチド分子を伸長する装置として好適である。
【0026】
以上のように、本発明に係る装置は、溶液槽内の溶液に含まれている荷電性の試料物質を反応領域へ効率良くかつ迅速に供給するための装置として好適である。また、反応領域(の所定表面部位)に固定化されないで遊離状態にある検出用試料物質や固体化が不充分な状態(固定化結合が弱い状態)にある検出用試料物質を強制的に回収する装置としても好適である。あるいは、固定化された検出用試料物質と相互作用を示さなかった物質や誤相互作用(例えば、ミスハイブリダイゼーション)した試料物質を強制的に回収する装置としても好適である。
【0027】
本装置では、直流電界の強度を調整することによって、試料物質の供給速度、回収速度、供給量、回収量、回収物質の種類等を調節することが可能である。例えば、試料物質の回収作業では、直流電界の強度を低下させることによって、固定化されないで遊離状態にある検出用試料物質のみを回収したり(固体化が不充分な状態にある検出用試料物質を回収しないようにしたり)、固定化された検出用試料物質と相互作用を示さなかった遊離物質のみを回収したり(誤相互作用した試料物質を回収しないようにしたり)することができる。
【0028】
本発明では、第二に、以下の「試料物質供給方法」を提供する。具体的には、溶液中に含まれている荷電性の試料物質を、直流電界の作用により電導性ゲルを移動通過させ、所定の反応領域に供給する試料物質供給方法を提供する。
【0029】
この方法は、ヌクレオチド分子等の荷電性の試料物質を一時溶液中に収容しておいて、直流電界の形成によって、この試料物質を前記溶液中から電導性ゲルへ移動させ、続いてこの電導性ゲルを通過させて、所定の反応領域に供給する。即ち、本方法は、荷電性の試料物質は、溶液→電導性ゲル→反応領域の経路で移動させる方法である。
【0030】
また、この方法は、前記反応領域に臨むように形成された表面(検出表面)に対して、前記試料物質を固定化する手順を含む方法とすることができる。即ち、試料物質の供給手順と固定化手順の両方を備えた方法とすることができる。
【0031】
また、前記固定化手順の際には直流電界オフにすることによって、前記表面に対する試料物質の固体化反応を、物質のブラウン運動に専ら委ねて行うようにする。これにより、固定化反応を電界の影響がない状態で円滑に進行させることができる。
【0032】
さらに、本方法を、高周波電界の作用によって固定化されたヌクレオチド分子を伸長させる手順を含む方法に発展させ、固定化されたヌクレオチド分子をハイブリダイゼーションし易い直鎖状構造に整えることができるようにする。
【0033】
本方法は、反応領域中に既に固定化された前記試料物質と相互作用を示す他の荷電性の試料物質を、直流電界の作用によって前記電導性ゲルを移動させて反応領域に供給する方法に発展させることができる。即ち、相互作用を行う少なくとも二種類の試料物質を、直流電界の作用によって所定の反応領域に順次供給する方法を提供できる。また、この相互作用を行う際に直流電界オフにすることにより、該相互作用をブラウン運動に専ら委ねて行うように工夫することによって、電界の影響が状態で相互作用を円滑に進行させることができる。
【0034】
本発明では、第三に、以下の「試料物質回収方法」を提供する。
【0035】
まず、反応領域中の溶液に存在する荷電性の試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動させて、所定の溶液槽に回収する試料物質回収方法を提供する。
【0036】
本方法によって反応領域中から回収される試料物質は、前記反応領域の所定表面部位(検出表面)に固定化された検出用試料物質との間で相互作用を示さなかった物質、あるいは反応領域の所定表面部位に未固定状態又は固定化不十分状態にある試料物質を挙げることができる。
【0037】
次に、本発明では、溶液中に含まれている荷電性の検出用試料物質を、(1)直流電界の作用によって電導性ゲルを移動させて所定の反応領域に供給する手順と、(2)前記反応領域に臨む所定表面部位に対して、前記検出用試料物質を固定化する手順と、(3)前記表面部位に未固定状態又は固定化不十分状態の前記検出用試料物質を直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動通過させて溶液槽に回収する手順と、(4)溶液中に含まれている荷電性の標的試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲルを移動させて所定の反応領域に供給する手順と、(5)固定化された前記検出用試料物質と標的試料物質との間の相互作用を行う手順と、(6)固定化された前記検出用試料物質との間で相互作用を示さなかった標的試料物質又は/及び誤相互作用した標的試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動通過させて溶液槽に回収する手順と、を含む試料物質供給回収方法を提供する。
【0038】
この方法は、検出用試料物質供給→検出用試料物質固定化→未固定状態等の検出用試料物質回収→標的試料物質供給→相互作用→相互作用を示さなかった標的試料物質等の回収、という一連の相互作用検出手順をすべて含む包括的な方法である。
【0039】
この方法では、固定化された検出用試料物質がヌクレオチド分子である場合において、高周波電界の作用によって該ヌクレオチド分子を伸長させる手順を含むように工夫し、前記固定化及び/又は前記相互作用を行う場合には、直流電界オフにするように工夫した方法も提供できる。
【0040】
ここで、本願における主な技術用語の定義付けを行う。
【0041】
「反応領域」は、液相中においてハイブリダイゼーションその他の物質間の相互作用の場を提供できる試料溶液貯留領域である。例えば、基板上に形成された微小な凹構造又はウエル構造部位を挙げることができる。「表面」あるいは「表面部位」は、物質間の相互作用を検出するために、検出用の試料物質を固定化するために必要な表面処理が施された検出用の表面である。
【0042】
「相互作用」は、物質間の化学的結合あるいは解離を広く意味する。例えば、一本鎖ヌクレオチド分子間の相互反応、即ちハイブリダイゼーションに加え、二本鎖ヌクレオチド分子とペプチド(又はタンパク質)の相互反応、酵素応答反応その他の分子間相互反応、抗原抗体反応、タンパク質間等の高分子間の相互作用、低分子と高分子との間の相互作用、低分子間の相互作用を広く含み、狭く解釈されない。
【0043】
「検出用試料物質」は、反応領域の表面部位に直接的に又は間接的に固定化される物質であり、「標的試料物質」は、前記検出用試料物質と特異的な相互作用を示す物質であって、場合によっては、蛍光物質等により標識される。
【0044】
「ヌクレオチド分子」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を意味し、DNAプローブを含むオリゴヌクレオチド、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オドが重合したDNA(全長あるいはその断片)、逆転写により得られるcDNA(cDNAプローブ)、RNA、ポリアミドヌクレオチド誘導体(PNA)等を広く含む。
【0045】
「ハイブリダイゼーション」は、相補的な塩基配列構造を備えるヌクレオチド鎖間の相補鎖(二重鎖)形成反応を意味する。
【0046】
「立体障害(steric hindrance)」は、分子内の反応中心等の近傍に嵩高い置換基の存在や反応分子の姿勢や立体構造(高次構造)によって、反応相手の分子の接近が困難になることによって、所望の反応(本願では、ハイブリダイゼーション)が起こりにくくなる現象を意味する。
【0047】
「対向電極」は、電圧印加可能な一対の電極を意味する。
【0048】
「電導性ゲル」は、アガロースゲルなどの電導性のゲルを意味する。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に狭く限定されない。
【0050】
まず、図1に示された符号1は、本発明に係る試料物質供給回収装置の好適な実施形態をしめしている。この試料物質供給回収装置1(以下「装置1」と略称する。)は、下方側に配置された基板2の所定領域に対して荷電性の試料物質Sを供給する装置、又は前記基板2から所定の前記試料物質Sを回収する装置として機能するものである。
【0051】
本装置1は、前記試料物質Sを含む溶液Lを貯留する容器状の溶液槽11と、電導性ゲルGを収容する電導性ゲル収容槽12と、前記溶解槽11の上部に取り付けられた第一電極Eとから構成されている。
【0052】
電導性ゲル収容槽12は、溶液槽11に連設されており、溶液槽11に収容された溶液Lと電導性ゲルGの界面は接した状態となっている。電導性ゲルGは、溶液槽1中の溶液Lが下側に漏れていかないように封止する役割も果たしている。
【0053】
前記溶液槽11の溶液L中に含まれる荷電性の試料物質Sは、溶液L中で陰電荷又は陽電荷を帯びる物質であれば広く利用でき、例えば、ヌクレオチド分子、ペプチド、タンパク質等を挙げることができる。なお、溶液Lとしては、DNA等のヌクレオチド分子を緩衝液等で溶解したものを用いることができる。
【0054】
電導性ゲル収容槽12に収容された電導性ゲルGは、溶液Lの溶媒(緩衝液等)は通過できないが、直流電界の作用によって荷電性の試料物質Sを移動通過させることができる性質を有するゲルであればどのようなものでも適宜採用可能である。
【0055】
装置1の下側の基板2は、石英ガラスや合成樹脂等で形成されたものであり、例えば、DNAチップ、プロテインチップその他のセンサーチップを構成する基板である。基板2の上面には、微少容積のウエル形状等からなる凹部構造部位であって、緩衝液等の溶液を貯留可能な反応領域(スポット領域)21が設けられている。
【0056】
この反応領域21に対して、装置1の溶液槽11から試料物質Sが、所定の手順によって供給等される(後述)。本装置1は、反応領域21に密着させた状態で試料物質Sを供給又は回収する構成であるので、試料物質Sを乾燥雰囲気に晒すことなく、基板2上にスポッティングすることができる。
【0057】
反応領域21のいずれかの箇所には、試料物質S(例えば、DNAプローブ等の検出用試料物質D)を固定化できるように表面処理が施されている表面部位あるいは金属薄膜表面部位3(以下「検出表面3」という。)が設けられている。
【0058】
この検出表面3は、反応領域21の底面や側壁面等に適宜設けられており、装置1から供給されてきた試料物質Sの一部と化学結合し、該試料物質Sを固定する部位として機能する表面である。例えば、試料物質SがDNAプローブ等の検出用ヌクレオチド分子である場合、ヌクレオチド分子の一端(末端)が検出表面3に固定される。本発明において、検出表面3の構成自体狭く限定されない。
【0059】
この検出表面3の裏面側部位には、図1中に符号Eで示された第二電極が付設されている。この第二電極Eは、装置1が反応領域21の上方に位置されたときに、装置1の上記第一電極Eと一対の対向電極を形成できる関係にあって、スイッチ4のオン/オフ操作によって電源Vを介して電圧印加可能とされている。
【0060】
この構成により、電極E−Eは、溶液L、電導性ゲルG、反応領域21(中の溶液)を通過する直流電界(後述)を形成する役割を果たす。なお、第一電極Eと第二電極Eは、陰極、陽極の切り替えが自在に行うことができる構成とされている。
【0061】
具体的に説明すると、試料物質Sが陰電荷を帯びている場合、第一電極Eを陰極、第二電極Eを陽極として直流電界を形成すると、該試料物質Sは陽極である第二電極E側に向かって移動する。第一電極Eを陽極、第二電極Eを陰極として直流電界を形成すると、該試料物質Sは陽極である第一電極E側に向かって移動する。
【0062】
一方、試料物質Sが陽電荷を帯びている場合、第一電極Eを陰極、第二電極Eを陽極として直流電界を形成すると、該試料物質Sは陰極である第一電極E側に向かって移動する。第一電極Eを陽極、第二電極Eを陰極として直流電界を形成すると、該試料物質Sは陰極である第二電極E側に向かって移動する。
【0063】
以下、添付した図2、図3に基づいて、試料物質Sのひとつである検出用試料物質Dを、基板2の反応領域21の検出表面3に供給して、固定化する手順を説明する。なお、以下の説明では、試料物質Sが、DNAプローブのように陰電荷を帯びた検出用試料物質Dである場合を代表例として説明するが、これに狭く限定する趣旨ではない。
【0064】
まず、図2(A)は、装置1が基板2上方に離れて位置している様子を示している。この状態では、まだ電極E−Eに電圧が印加されていない状態であるので、検出用試料物質Dは、溶液槽11の溶液L中に依然留まっている。
【0065】
続いて、図2(B)では、装置1が基板2の反応領域21に着いて、第一電極E−第二電極E間に電圧が印加されている(この場合、第一電極Eが陰極、第二電極Eが陽極)。これにより溶液L→電導性ゲルG→反応領域21を通過する直流電界Xが形成される。この直流電界Xの作用によって検出用試料物質Dが溶液槽11から電動性ゲル収容槽12を移動通過し、反応領域21へ供給されている。なお、図2(B)中のDは、検出表面3に固定化された検出用試料物質を示している。
【0066】
次に、図2(C)は、反応領域21に存在する未固定状態あるいは不完全状態で固定化されている検出用試料物質(符号Dで示す。)が装置1の溶液槽11へ回収されている様子を示す図である。この手順段階では、第一電極Eが陽極、第二電極Eが陰極に切り替えられており、直流電界Xとは逆向きの直流電界Xが形成されている。
【0067】
図2(B)に示す手順を経て、反応領域21に検出用試料物質Dが供給されると、この検出用試料物質Dの特定部位が検出表面Dに化学結合して固定化される。固定化は、リンカー分子やスペーサ分子を介して行われる場合もある。
【0068】
この固定化の際、立体障害等に起因して、固定化されなかったものや未完全に固定化された検出用試料物質Dが反応領域21中に混在してしまう。そこで、反応領域21中に確実に固定化された検出用試料物質Dのみを残すことができる適度な電圧強度を選択して、直流電界Xとは逆向きの直流電界Xを形成し、検出用試料物質Dを、電導性ゲル収容槽12を移動通過させて、上方の溶液槽11へ回収する(図2(C)参照)。これにより、反応領域21中には、固定化された検出用試料物質Dのみを存在させることができる。
【0069】
図3は、図2(A)〜(C)の手順を電界形成手順の形式で模式的に示した図である。まず、第一電極Eを陰極、第二電極Eを陽極として直流電界Xを形成して検出用試料物質Dを反応領域21に供給する。続いて、一旦電界オフにして検出用試料物質Dの固定化反応を進行させ、所定時間後に、第一電極Eを陽極、第二電極Eを陰極に切り替え、前記直流電界Xとは逆向きの直流電界Xを形成する。
【0070】
ここで、固定化反応の際に直流電界をオフにすると、検出表面3と検出用試料物質Dとの間の化学結合(固定化反応)を、専ら検出用試料物質Dの自然なブラウン運動に委ねた状態で進行させることができるので好適である。
【0071】
以上の装置構成あるいは手順に基づいて、反応領域21中に検出用試料物質Dが固定化された状態の基板2を形成することができる。これは、DNAプローブ等の検出用ヌクレオチド分子が固定化されたDNAチップや検出用のタンパク質が固定化されたプロテインチップその他のセンサーチップの作製又は製造に広く利用できる。
【0072】
次に、図4、図5に基づいて、反応領域21中の検出表面3に検出用試料物質Dが固定化されている状態の基板2に対して、試料物質Sである標的試料物質Tを供給等する手順を説明する。
【0073】
まず、図4(A)は、装置1が基板2上方に離れて位置決めされた様子を示している。この状態では、まだ電極E−Eに電圧が印加されていない状態であるので、標的試料物質Tは、溶液槽11の溶液L中に依然留まっている。
【0074】
続いて、図4(B)では、装置1が基板2の反応領域21に密封状態で着いて、第一電極E−第二電極E間に電圧が印加されている(この場合、第一電極Eが陰極、第二電極Eが陽極)。これにより、溶液L→電導性ゲルG→反応領域21を通過する直流電界Xが形成される。この直流電界Xの作用によって陰電荷を帯びた標的試料物質Tが溶液槽11から電動性ゲル収容槽12を移動通過して反応領域21へ供給される。
【0075】
次に、図4(C)は、反応領域21に固定化されている検出用試料物質Dと相互作用(ここでは、ハイブリダイゼーション)を示さなかった標的試料物質等(符号T)を装置1の溶液槽11へ回収する様子を示す図である。この手順段階では、第一電極Eが陽極、第二電極Eが陰極に切り替えられ、直流電界Xとは逆向きの直流電界Xが形成されている。
【0076】
図4(B)に示す手順を経て、反応領域21に標的試料物質Tが供給されてくると、この標的試料物質Tの特定部位(特定塩基配列部分)は、検出表面3に固定化されている検出用試料物質Dと相互作用(ここでは、ハイブリダイゼーション)を示す。
【0077】
このとき、検出用試料物質Dや標的試料物質Tはランダムコイル状に丸まったりしているので、立体障害等が発生する。これにより、反応領域21中には、検出用試料物質Dと相互作用して結合した(二重鎖を形成した)標的試料物質Tに加えて、相互作用せずに反応領域12に遊離している標的試料物質や検出用試料物質Dと誤相互作用(ここでは、ミスハイブリダイゼーション)した状態の標的試料物質(以下これらをまとめて「標的試料物質T」で示す。)が存在する。
【0078】
これらの標的試料物質Tを反応領域21に放置しておくと、相互作用の有無を検出する作業段階で、擬陽性や偽陰性を示してしまう原因となるので、検出作業段階前に、反応領域21中から標的試料物質Tを除いておくことが望ましい。
【0079】
そこで、反応領域21中において、検出用試料物質Dと相互作用を示した標的試料物質Tのみを残すことができる適度な電圧強度を選択して、上記直流電界Xとは逆向きの直流電界Xを形成し、相互作用を示さなかったり、誤相互作用を示したりした標的試料物質Tを、電導性ゲル収容槽12を移動通過させて、上方の溶液槽1に回収する(図4(C)参照)。これにより、反応領域21中には、相互作用を示した標的試料物質T(とD)のみを存在させることができる。
【0080】
図5は、図2(A)〜(C)から図4(A)〜(C)に至る一連の方法手順を、電界形成手順の形式に従って模式的に示した図である。
【0081】
まず、第一電極Eを陰極、第二電極Eを陽極として直流電界Xを形成して陰電荷を帯びた検出用試料物質Dを反応領域21に供給し(図2(B)参照)、続いて、一旦電界オフにして検出用試料物質Dの検出表面3への固定化反応を進行させ、所定時間後に、第一電極Eを陽極、第二電極Eを陰極に切り替え、前記直流電界Xとは逆向きの直流電界Xを形成し、未固定状態あるいは固定化不充分の検出用試料物質Dを溶液槽11に回収する(図2(C)参照)。この回収された検出用試料物質Dは再利用できる。
【0082】
次に、標的試料物質Tが収容された装置1を基板2移動させ(図4(A)参照)、続いて、第一電極Eを陰極、第二電極Eを陽極として直流電界Xを形成して陰電荷を帯びた標的試料物質Tを反応領域21に供給する(図4(B)参照)。
【0083】
続いて、一旦電界オフにして、固定化された検出用試料物質Dと標的試料物質Tの相互作用を物質間のブラウン運動に委ねて効率よく進行させ、所定時間後に、第一電極Eを陽極、第二電極Eを陰極に切り替えて前記直流電界Xとは逆向きの直流電界Xを形成する。
【0084】
この直流電界Xによって、検出用試料物質Dと相互作用せずに反応領域12に遊離していたり、あるいは検出用試料物質Dと誤相互作用していたりする標的試料物質Tを、電導性ゲルGを移動通過させて、溶液槽11に回収する(図4(C)参照)。
【0085】
以上の装置構成あるいは手順を利用すれば、基板2の反応領域21中に検出用試料物質Dを供給し、この検出用試料物質Dの固定化反応を効率よく進行させ、その後、検出精度に悪影響を与える未固定状態等にある検出用試料物質Dを反応領域21から回収し、続いて、該反応領域21に標的試料物質Tを供給し、該標的試料物質Tを(検出表面3に)固定化された検出用試料物質Dとの間の相互作用(例えば、ハイブリダイゼーション)を進行させ、その後、検出精度に悪影響を与える誤相互作用等した標的試料物質Tを反応領域21から回収するという一連の方法(アッセイ)を円滑に実施することができる。
【0086】
以下、直流電界に加えて、「高周波電界」を形成する手段又は手順を用いるように、更に改良工夫された装置構成あるいは手順に係る発明について、図6〜図10に基づいて説明する。
【0087】
これらの改良発明は、1MV/m程度の高周波電界を印加すると、ヌクレオチド分子(リン酸イオン等を備えるヌクレオチド鎖の陰電荷とイオン化した水素原子の陽電荷で構成される多数の分極ベクトルからなるヌクレオチド分子)に誘電分極が発生し、その結果、ヌクレオチド分子が電界と平行に直線状に引き伸ばされる現象又は原理を利用するものである。
【0088】
高周波電界を形成する具体的な手段あるいは方法としては、可動電極(第三電極)と第二電極を用いる方法(図6)、ゲル収容槽2の下面に配置された第三電極と第二電極を用いる方法(図7)、基板Bの反応領域4に貯留する溶液を挟んで対設されている対向電極を設置する方法(図9)等がある。この高周波電界を形成する手段又は手順を備える装置又は方法は、検出用試料物質DがDNAプローブ等のヌクレオチド分子の時に、特に有効である。
【0089】
まず、図6中の符号E31は、上記した第一電極Eや第二電極E以外の第三の電極であって、高周波電界形成のために用意された「可動電極」を示している。図2(A)〜(C)及び図3に示された方法やその他の方法に従って、反応領域21に検出用試料物質D(DNAプローブ等)が固定化された基板2(DNAチップ等)を準備し、これを用いる。
【0090】
可動電極E31は、その動作がすべてコンピュータ制御等されており、所定のコンピュータプログラムに従って、所定の位置決め動作を行うように定められている。具体的には、まず、待機位置から基板2上に移動してくる動作が実行され、続いて、反応領域21を閉塞するように着く動作を行う(図6(A)参照)。
【0091】
続いて、この可動電極E31と第二電極Eとの間に電圧を印加し、反応領域12中の溶液(緩衝液等)に1MV/m程度の高周波電界Yを形成する。これにより、反応領域21中に固定化された検出用試料物質D(DNAプローブ等のヌクレオチド分子等)を、高周波電界Yの作用によって、直線状に引き伸ばすことができる(伸長作業、図6(B)の符号D参照)。
【0092】
続いて、この伸長作業が終了したら、可動電極E31を反応領域12上方から移動させて(図6(C))、かわりに上記装置1を当該反応領域12上方まで移動させる(図6(D)参照)。
【0093】
次に、第一電極Eと第二電極Eとの間に電圧を印加して、第二電極Eに向かう直流電界Xを形成する。この直流電界Xによって、装置1の溶液槽1に収容された溶液L中の標的試料物質Tを反応領域21に供給する(図6(E)参照)。
【0094】
続いて、所定時間電界オフの状態として、相互作用を効率良く進行させた後に、第一電極Eと第二電極Eとの間に電圧を印加して第一電極Eに向かう直流電界Xを形成する。この直流電界Xによって、反応領域21中の標的試料物質Tを装置1の溶液槽1の溶液L中へ回収する(図6(F)参照)。この回収作業が完了したら、装置1を基板2から引き上げる(図6(G)参照)。
【0095】
図6に示された上記手順を行うことによって、伸長状態とされた検出用試料物質Dと標的物質Tとの間の相互作用を、立体障害の影響が少ない条件下で行うことができる。
【0096】
次に、図7及び図8では、符号Yで示された「高周波電界」を形成するために、電導性ゲル収容槽12の下面(あるいは底面)位置に第三電極E32を設けた実施形態を示している。
【0097】
この実施形態では、装置1に第三電極E32が一体化されているため、装置1に加えてさらに上記可動電極E31を移動させる必要がないという作業上の利点がある。また、第三電極E32は、収容槽12からゲルGを脱落し難くするという機能も発揮するので、この点でも好適である。
【0098】
この第三電極E32は、図7に示すように、電導性ゲル収容槽12の下面(あるいは底面)位置に嵌着等されて配置された電極板であって、電極板を貫通する多数の微小孔4が規則正しく配列された形態を備えている。この微少孔4は、少なくとも試料物質S(T,D)を円滑に通過させることができる程度の口径又はサイズに設定する。
【0099】
以下、図8を参照して、第三電極E32が一体化されている装置1を用いた方法を説明する。まず、図8(A)では、検出用試料物質Dの固定化が既に完了した基板2上に、第三電極E32が一体化された装置1を移動させ手順を表している。そして、この装置1を反応領域21に着けて、第二電極Eと第三電極E32との間に電圧を印加し、反応領域21中に高周波電界Yを形成する(図8(B)参照)。この高周波電界Yの作用によって、検出表面3に伸長状態で固定化された検出用試料物質Dが多数配列されることになる。
【0100】
次に、図8(C)に示す手順では、第一電極Eと第二電極Eとの間に電圧を印加し、溶液槽11から電導性ゲル収容槽12を経て反応領域12に至る直流電界Xを形成する。この直流電界Xの作用によって基板2の反応領域21へ標的試料物質Tを供給する。
【0101】
図8(D)に示す手順では、固定化された検出試料物質Dと標的試料物質Tとの特異的な相互作用によって両者が結合している中で、相互作用を示さなかったり、誤相互作用したりした標的試料物質Tを、直流電界Xと反対方向の反応領域12から電導性ゲル収容槽12を経て溶液槽11に至る直流電界Xによって、装置1の溶液槽1に回収する。
【0102】
次に、図9に基づいて、高周波電界Yを形成する別の実施形態を説明する。この実施形態では、基板2の反応領域21の側壁面のいずれかに検出表面3を形成しておき、かつ反応領域21を挟むように対向電極E、Eを配設しておく。
【0103】
装置1から供給される検出用試料物質Dは、側壁の前記検出表面3に固定化される(図9(A)のD参照)。この固定化された検出用試料物質Dを対向電極E、Eに電圧を印加することによって形成される高周波電界Yによって、横方向に伸長する((図9(B)参照)。
【0104】
次に、装置1を反応領域12に密着させて、第一電極Eと第二電極Eとに電圧を印加し、溶液槽11から電導性ゲル収容槽12を経て反応領域12に至る直流電界Xを形成する。この直流電界Xの作用によって基板2の反応領域21へ標的試料物質Tを供給する(図9(C)参照)。
【0105】
続いて、図9では特に示さないが、直流電界Xをオフにして、相互作用を進行させ、続いて、相互作用を示さなかったり、誤相互作用を示したりした標的試料物質Tを直流電界Xにより回収し、検出作業に入る。
【0106】
図10は、高周波電界Yを用いた試料物質S(T,D)の供給回収方法を電界形成手順に従って説明する図である。
【0107】
まず、第一電極Eと第二電極Eとの間で形成した直流電界Xによって、検出用試料物質Dを溶液槽1から電導性ゲルGを介して反応領域21に供給する。次に、この直流電界Xをオフにして固定化反応を進行させる。
【0108】
そして、前記直流電界Xと反対向きの直流電界Xを第一電極Eと第二電極Eとの間で形成することによって、固定化されなかったり、固定化不十分であったりする検出用試料物質Dを、反応領域21から電導性ゲルGを介して溶液槽11に回収する。
【0109】
続いて、高周波電界Yを上記第三電極であるE31(可動電極)又はE32と第二電極Eとの間で形成したり、上記対向電極E−Eの間で形成したりすることによって、検出表面3に固定化された検出用試料物質Dを伸長する。
【0110】
そして、再び直流電界Xによって標的試料物質Tを溶液槽1から電導性ゲルGを介して反応領域21に供給する。次に、前記直流電界Xをオフにして、伸長状態の検出用試料物質Dと標的試料物質Tの相互作用を進行させる。
【0111】
続いて、直流電界Xと反対向きの直流電界Xを第一電極Eと第二電極Eとの間で形成することにより、相互作用しなかったり、誤相互作用(ミスハイブリ)を示したりした標的試料物質Tを反応領域21から電導性ゲルGを介して溶液槽11に回収する。
【0112】
図11は、基板2の一例を示している。なお、この基板2は、ガラス基板、シリコン基板等の上に、多種・多数の検出用試料物質Dを集積することができるものであればどのようなものでもよい。図11では、円板上の基板を用いているが、基板の形状、構成等は、これに限定されない。
【0113】
図11では、基板2の表面に、多数の反応領域21が配設されている。基板2上の反応領域21に装置1を着けて、試料物質S(検出用試料物質D又は標的試料物質T)を供給したり、回収したりする。装置1は、一つの反応領域(例えばR)のみを狙って試料物質Sを供給したり、回収したりできるものでもよいし、複数の反応領域(例えば、R又はR)や基板2上のすべての反応領域21に同時に試料物質Sを供給したり、回収したりできるものでもよい。
【0114】
検出用試料物質Dは、一般に、多種類のものを基板2上に集積させる場合が多い。そのような場合には、一つの反応領域21に対応した装置1を用意し、各反応領域21に、それぞれ別の検出用試料物質Dを供給して、検出用の基板2(手例えば、DNAチップ)を作製する。
【0115】
一方、標的試料物質Tは、一般に、一種のものを、複数の反応領域に供給する場合が多い。そのような場合には、所定範囲の複数の反応領域21に同時に標的試料物質Tを供給できる装置1を用いる。
【0116】
以上のように、本発明に係る装置1は、一つの反応領域21に対応するもの、一列分の反応領域21(R)対応するもの、複数列の反応領域21(R)に対応するもの、基板2上のすべての反応領域21に対応するものなどを目的に応じて、使い分けることができる。
【0117】
多数の(又は全ての)反応領域21に対応した装置1の場合、溶液槽1に入れる試料物質D、Tを適宜変えることによって、効率的に手順を行うことができる。検出用試料物質Dは、それぞれの溶液槽1に別々の物質を入れておいてから、その後の手順を行えば、供給、固定化、回収等の一連の工程を、同時に行うことができる。
【0118】
標的試料物質Tの場合、全ての(装置1の)溶液槽1に同種の物質を入れてから、その後の工程を行うことにより、一回の作業で、相互作用の検出等を行うことができる。その他、例えば、数列ごとに、違う物質を入れて、いくつかの実験、検定等を一回の作業で行うこともできる。なお、一連の工程、特に、装置1と基板2の移動及び組み合わせや、電界の形成手順等は、コンピュータ制御等によって実行可能である。
【0119】
【発明の効果】
本発明には、以下のような効果がある。
【0120】
本発明に係る「試料物質供給回収装置」を用いることにより、試料物質を乾燥雰囲気に晒さすことなく、試料物質を基板上にスポッティングすることができる。
【0121】
この装置は、検出用試料物質を基板上にスポッティングできるだけでなく、検出用試料物質を固定した基板に標的試料物質を供給し、検出用試料物質と標的試料物質が相互作用(例えば、ハイブリダイゼーション)を示すかどうかを検出する実験に役立てることができる。
【0122】
また、本発明に係る装置や方法を用いて、相互作用を示すかどうかを検出する実験を行う場合は、従来のような洗浄液を用いた洗浄工程を必要としないから、実験作業者は、的確な洗浄溶液の選定や洗浄溶液の条件設定に関して配慮する必要がなく、簡易かつ効果的な相互作用実験を実施することができる。また、洗浄作業による試料物質のロスを防ぎ、効率的かつ経済的な実験が可能となる。
【0123】
本発明に係る装置又は方法では、直流電界に加えて、高周波電界を用いることができるため、特に、DNAプローブ等のヌクレオチド分子を検出用試料物質として用いる場合においてこれを伸長させることができるので、標的試料物質との相互作用(ハイブリダイゼーション等)の効率を向上させることができる。
【0124】
本発明では、試料物質を基板上(の反応領域)に供給する方法、基板上(の検出表面)に固定化等されなかった試料物質を回収する方法、検出用試料物質と標的試料物質の相互作用を確実に検出できる方法を提供できる。
【0125】
その他、本発明は、DNAプローブ等のヌクレオチド分子で特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る試料物質供給回収装置(1)の好適な実施形態を示す図。
【図2】同装置(1)を用いて検出用試料物質(D)を供給、固定化、回収する一連の方法を示した図。
【図3】同方法を電界形成手順に従って説明する図。
【図4】同装置(1)を用いて標的試料物質(T)を供給、固定化、回収する一連の方法を示した図。
【図5】同方法を電界形成手順に従って説明する図。
【図6】第三電極として可動電極(E31)を用いた場合の一連の方法を示した図。
【図7】電導性ゲル収容槽(12)の下面に配置される第三電極(E32)の構成を示す図。
【図8】同第三電極(E32)が設けられた装置(1)を利用する一連の方法を示した図。
【図9】反応領域(21)に対向電極(E,E)を設けた場合の一連の方法を示した図。
【図10】高周波電界(Y)を形成する手順を含む一連の方法を電界形成手順に従って説明する図。
【図11】装置1から試料物質(S)が供給等される基板2の領域例を示す図。
【符号の説明】
1 試料物質供給回収装置(装置)
2 基板
3 検出表面(試料物質が固定化される表面部位)
11 溶液槽
12 電導性ゲル収容槽
21 反応領域
D 検出用試料物質
固定化された検出用試料物質
未固定あるいは固定化不充分の検出用試料物質
伸長された検出用試料物質
第一電極
第二電極
31,E32 第三電極
,E 対向電極
G 電導性ゲル
L 溶液
S 試料物質
T 標的試料物質
相互作用した標的試料物質
相互作用しなかったり、誤相互作用を示したりした標的試料物質
供給用の直流電界
回収用の直流電界
Y 高周波電界
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides an apparatus for supplying a charged sample material to a reaction region formed on a substrate or the like by using the action of a DC electric field, or for recovering a sample material from the reaction region. About the method.
[0002]
[Prior art]
There is a technique of supplying a sample substance dropwise to a minute reaction area. Specifically, there is a method in which a minute droplet containing a sample substance such as a DNA probe is accurately dropped on a predetermined reaction region (also referred to as a “spot region”). As typical examples of this method, an ink jet printing method, a micro mechanical spotting method, and the like are known.
[0003]
The “ink-jet printing method” is a method in which a nozzle used in an ink-jet printer is applied, and is a method in which a sample material for detection is jetted from a printer head to a substrate using electricity, and fixed. This method includes a piezoelectric ink jet method, a bubble jet method, and an ultrasonic jet method. The piezoelectric ink jet method is a method in which a droplet is ejected by a displacement pressure generated by applying a pulse to a piezoelectric body. The bubble jet method is a thermal method in which droplets are ejected by the pressure of bubbles generated by heating a heater in a nozzle. The ultrasonic jet method is a method in which an ultrasonic beam is applied to a free surface of a liquid to apply a locally high pressure to discharge a microdroplet from the portion.
[0004]
The “micromechanical spotting method” is a method in which a microdroplet containing a sample substance for detection is spotted on a detection surface on a substrate using a printhead equipped with a microspotting pen, capillary (capillary tube), or tweezers. It is.
[0005]
Such a sample substance spotting technique is based on a so-called DNA chip or DNA microarray (hereinafter, referred to as a “microchip”) in which various types and a large number of DNA oligo chains and cDNA (complementary DNA) are arranged in a fine array on a glass substrate or a silicon substrate. This is an important technique for producing or manufacturing an integrated substrate for a bioassay called "DNA chip".
[0006]
The “DNA chip” is, for example, a sample solution containing a target DNA is supplied to a DNA probe or the like supplied and immobilized on a glass substrate or a silicon substrate, and hybridization is performed. After performing an operation of washing away DNAs not shown or mishybridized DNA (hereinafter, referred to as “washing operation”), fluorescence measurement or the like is performed with a predetermined detector to analyze the interaction between molecules and perform gene analysis. It is widely used for mutation analysis, SNPs (single nucleotide polymorphism) analysis, gene expression frequency analysis and the like.
[0007]
In addition, Patent Document 1 discloses a technique for creating a high-density microarray by electrospraying a sample solution. Patent Literature 2 discloses a technique of supplying a sample solution to the same spot a plurality of times by the above-described inkjet printing method. Patent Literature 3 discloses a technique in which a liquid containing a probe is attached to a solid phase surface by the above-described inkjet printing method. Patent Literature 4 discloses a technique of performing a detection experiment by washing with a buffer after hybridization.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-281252.
[Patent Document 2]
JP-A-2001-186880.
[Patent Document 3]
JP-A-11-187900.
[Patent Document 4]
JP-A-2003-300.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional sample material (including solution) spotting technique, an operation of dropping the sample substance on the substrate (operation of supplying the sample substance) and an operation of immobilizing the dropped sample substance on a predetermined surface portion are performed. When performing, there is a problem that since the sample substance is exposed to a dry atmosphere, the molecular structure (for example, a three-dimensional structure such as a higher-order structure) may be adversely affected.
[0010]
In addition, in the above-mentioned washing operation performed after performing the interaction (for example, hybridization), in order to minimize false positive and false negative detection errors, selection of an appropriate washing solution and use of the washing solution are performed. The experimenter had to give due consideration to setting the conditions.
[0011]
Further, the above-mentioned washing operation causes the insufficiently immobilized or unimmobilized detection sample substance (eg, DNA probe) present in the reaction area to be washed away together with the sample substance to be washed. In addition, there is a problem that a loss occurs in a valuable experimental material (a sample substance for detection), which raises a manufacturing cost of a DNA chip or the like.
[0012]
Therefore, the present invention mainly (1) does not dry the sample substance, (2) does not need to perform a cleaning operation using a cleaning liquid, and (3) can greatly reduce the loss of the sample substance for detection. It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for supplying or recovering a sample substance, which have the above advantages (1) to (3).
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, first, the following “sample substance supply / recovery device” is provided. In this apparatus, a sample substance having a property of being charged to a negative charge or a positive charge is supplied to a predetermined reaction region by a driving force of a DC electric field, or is present in a free state or a weak binding force in the reaction region. This is a device devised so that a sample substance can be collected by the driving force. Specifically, the apparatus according to the present invention includes a “solution tank” for storing a solution containing a charged sample substance, an “conductive gel storage tank” connected to the solution tank, and the solution and the conductive material. And a "first electrode" for forming a DC electric field in the conductive gel. In this configuration, the interface between the solution stored in the solution tank and the conductive gel is in contact.
[0014]
In this device configuration, for example, the conductive gel is passed from the solution in the solution tank by applying a voltage to the first electrode disposed in the upper part of the solution tank and the second electrode attached to the external reaction area. To form a “DC electric field” (for example, about 10 V / cm) reaching the reaction region. This “DC electric field” plays a role of driving the charged sample substance in the direction of the electric field. That is, an effect of moving the negatively charged sample substance to the anode side and the positively charged sample substance to the cathode side is exhibited.
[0015]
For example, when supplying a negatively charged sample substance to the reaction region, a DC electric field is formed using the first electrode as a cathode and the second electrode attached to the reaction region as an anode, and the negatively charged sample material is formed. Is collected in a solution tank, a DC electric field may be formed using the first electrode as an anode and the second electrode as a cathode. Similarly, when supplying a positively charged sample substance to the reaction region, a DC electric field is formed using the first electrode as an anode and the second electrode attached to the reaction region as a cathode, and the positive electrode is charged. When the sample substance is collected in the solution tank, a DC electric field may be formed using the first electrode as a cathode and the second electrode as an anode.
[0016]
By the action of driving the charged sample material by the DC electric field, the sample material in the solution tank is supplied to the reaction region by moving and passing through the motorized gel, or the sample material present in the reaction region is It is possible to freely move the conductive gel and collect it in the solution tank. The sample substance collected in the solution tank is, for example, an unfixed or insufficiently fixed sample substance at a predetermined surface of the reaction region.
[0017]
The work relating to the supply or collection of the charged sample substance is performed in a state where the conductive gel is brought into close contact with the reaction area (the interface of the solution stored in the reaction area). No exposure to dry atmosphere. Therefore, there is an advantage that the molecular structure of the sample substance (for example, a three-dimensional structure such as a higher-order structure) is not adversely affected in the course of the work. That is, the sample substance can be supplied to an external reaction region or recovered from the reaction region while maintaining a molecular structure state capable of interacting with a predetermined partner molecule.
[0018]
In addition, in the apparatus according to the present invention, in addition to the above-described “DC electric field”, a device for forming a “high-frequency electric field” in the solution stored in the reaction region may be provided.
[0019]
For example, when a high-frequency electric field of about 1 MV / m is applied, a nucleotide molecule (a nucleotide molecule composed of a large number of polarization vectors composed of a negative charge of a nucleotide chain having phosphate ions and the like and a positive charge of an ionized hydrogen atom) becomes dielectric. Polarization occurs so that the nucleotide molecule can be stretched linearly parallel to the electric field.
[0020]
More specifically, a nucleotide molecule such as a DNA probe that functions as a detection sample substance for detecting hybridization is supplied to the reaction region, and one end (terminal) of the nucleotide molecule is placed on a predetermined surface portion (detection surface) of the reaction region. In the state where () is immobilized, the nucleotide molecules are rounded or layered in a random coil shape or the like. In such a three-dimensional structure, the bases are overlaid with each other, so that steric hindrance occurs during the reaction. When a nucleotide molecule is stretched linearly by the action of a high-frequency electric field, bases do not overlap each other, so steric hindrance during the reaction is reduced, and the hybridization reaction proceeds smoothly in a short time, so detection Efficiency and accuracy can be improved.
[0021]
Here, as a specific means for forming the “high-frequency electric field”, a “third electrode” other than the first electrode and a second electrode attached to the reaction region (for example, the bottom surface) may be used. It can be formed, or can be formed by a “counter electrode” opposed to the reaction region.
[0022]
The first electrode and the second electrode serve to form a “DC electric field” for supplying or recovering the sample substance, and the first electrode and the third electrode, or the counter electrode, for extending the sample substance. It plays a role in forming a “high-frequency electric field”. Note that the first electrode and the second electrode may be designed so that both a DC electric field and a high-frequency electric field can be formed.
[0023]
Here, as the third electrode used for forming the high-frequency electric field, a movable electrode configured to be movable to a position facing the second electrode provided in the reaction region and to be able to retreat from the position is employed. be able to. This “movable electrode” is waiting at another predetermined position during the supply operation or the recovery operation of the sample substance, and when these operations are completed, the position opposite to the second electrode (attached to the reaction area) (E.g., a position above the reaction area) to form a high-frequency electric field, and when the electric field forming operation (extending operation) is completed, returning to the standby position again can be performed by computer control or the like. Electrodes.
[0024]
Further, as the third electrode, an electrode provided at a lower surface (or a bottom surface) position of the above-mentioned conductive gel storage tank and having a shape through which the sample substance can pass can be adopted. For example, it is an electrode plate in which fine holes of a size that allows a sample substance to pass through are formed uniformly and in large numbers. These micropores serve to pass the sample substance moving by the action of the DC electric field formed between the first electrode and the second electrode in the direction of the reaction region or in the direction of the solution tank.
[0025]
The device according to the present invention is a device for supplying a nucleotide molecule (nucleotide chain) for detection such as a DNA probe to a reaction region on a substrate, or extending a nucleotide molecule for detection immobilized on a predetermined surface portion of the reaction region. It is suitable as a device for performing the above.
[0026]
As described above, the device according to the present invention is suitable as a device for efficiently and quickly supplying a charged sample substance contained in a solution in a solution tank to a reaction region. In addition, forcibly collect detection sample material that is not immobilized in the reaction area (at a predetermined surface area) and that is in a free state or inadequately solidified (weak immobilized bond). It is also suitable as a device for performing. Alternatively, the present invention is also suitable as a device for forcibly recovering a substance that does not show any interaction with the immobilized detection sample substance or a sample substance that has erroneously interacted (for example, mishybridized).
[0027]
In this apparatus, by adjusting the intensity of the DC electric field, it is possible to adjust the supply speed, the recovery speed, the supply amount, the recovery amount, the type of the recovery material, and the like of the sample substance. For example, in the collection operation of the sample substance, the intensity of the DC electric field is reduced to collect only the detection sample substance which is not immobilized and is in a free state (for example, the detection sample substance which is in an insufficiently solidified state). ), Or only free substances that did not interact with the immobilized sample substance for detection can be collected (so that sample substances that have erroneously interacted can be prevented).
[0028]
Secondly, the present invention provides the following “sample substance supply method”. Specifically, the present invention provides a method for supplying a sample substance, which allows a charged sample substance contained in a solution to move and pass through a conductive gel by the action of a DC electric field and supply the charged sample substance to a predetermined reaction region.
[0029]
In this method, a charged sample substance such as a nucleotide molecule is temporarily stored in a solution, and the sample substance is transferred from the solution to a conductive gel by forming a DC electric field. The gel is passed and supplied to a predetermined reaction area. That is, the present method is a method in which a charged sample substance is moved in a route of a solution → a conductive gel → a reaction region.
[0030]
Further, this method can be a method including a step of immobilizing the sample substance on a surface (detection surface) formed so as to face the reaction region. That is, the method may be provided with both a procedure for supplying the sample substance and a procedure for immobilizing the sample substance.
[0031]
In the immobilization procedure, the DC electric field is turned off, so that the solidification reaction of the sample substance on the surface is performed exclusively by Brownian motion of the substance. This allows the immobilization reaction to proceed smoothly without being affected by the electric field.
[0032]
Furthermore, the present method is developed into a method including a procedure of extending an immobilized nucleotide molecule by the action of a high-frequency electric field so that the immobilized nucleotide molecule can be arranged in a linear structure that is easy to hybridize. I do.
[0033]
The present method is directed to a method of supplying another charged sample substance that interacts with the sample substance already immobilized in the reaction area to the reaction area by moving the conductive gel by the action of a DC electric field. Can be developed. That is, it is possible to provide a method of sequentially supplying at least two types of sample substances that interact with each other to a predetermined reaction region by the action of a DC electric field. In addition, by turning off the DC electric field when performing this interaction, by devising that the interaction is performed exclusively by Brownian motion, the interaction can proceed smoothly under the influence of the electric field. it can.
[0034]
Thirdly, the present invention provides the following “sample substance recovery method”.
[0035]
First, the present invention provides a sample substance recovery method in which a charged sample substance existing in a solution in a reaction region is moved in a conductive gel by the action of a DC electric field and collected in a predetermined solution tank.
[0036]
The sample substance recovered from the reaction area by the present method is a substance that has not shown an interaction with the detection sample substance immobilized on a predetermined surface portion (detection surface) of the reaction area, or a substance of the reaction area. A sample substance in an unfixed state or in an insufficiently fixed state at a predetermined surface site can be exemplified.
[0037]
Next, in the present invention, (1) a procedure of supplying a charged detection sample substance contained in a solution to a predetermined reaction region by moving a conductive gel by the action of a DC electric field; A) immobilizing the sample substance for detection on a predetermined surface site facing the reaction area; and (3) applying a DC electric field to the sample substance for detection in an unfixed or insufficiently immobilized state on the surface site. And (4) transferring the charged target sample substance contained in the solution to the conductive gel by the action of a DC electric field. (5) a procedure for supplying an interaction between the immobilized detection sample substance and the target sample substance, (6) a procedure for performing the interaction between the immobilized detection sample substance and the target sample substance, Target sample substance that did not show an interaction between Beauty erroneous interactions with target sample substance, provides a procedure for recovering the solution vessel is moved passed through the conductive gel by the action of the DC electric field, the sample material supply recovery method comprising.
[0038]
This method is called supply of detection sample material → fixation of detection sample material → recovery of detection sample material in an unfixed state → supply of target sample material → interaction → collection of target sample material that showed no interaction. It is a comprehensive method that includes a whole series of interaction detection procedures.
[0039]
In this method, when the immobilized detection sample substance is a nucleotide molecule, the immobilization and / or the interaction is performed by devising a procedure for extending the nucleotide molecule by the action of a high-frequency electric field. In such a case, a method devised to turn off the DC electric field can be provided.
[0040]
Here, the main technical terms in the present application are defined.
[0041]
A "reaction zone" is a sample solution storage area that can provide a place for hybridization and other interactions between substances in the liquid phase. For example, a small concave structure or a well structure portion formed on a substrate can be cited. “Surface” or “surface site” is a detection surface that has been subjected to a surface treatment necessary to immobilize a sample substance for detection in order to detect an interaction between substances.
[0042]
"Interaction" broadly refers to chemical bonding or dissociation between substances. For example, in addition to the interaction between single-stranded nucleotide molecules, that is, hybridization, the interaction between a double-stranded nucleotide molecule and a peptide (or protein), the enzymatic response reaction and other intermolecular interactions, the antigen-antibody reaction, the interprotein etc. Include the interaction between small molecules, the interaction between small molecules and large molecules, and the interaction between small molecules, and are not interpreted narrowly.
[0043]
The “detection sample substance” is a substance that is directly or indirectly immobilized on the surface of the reaction region, and the “target sample substance” is a substance that exhibits a specific interaction with the detection sample substance. In some cases, it is labeled with a fluorescent substance or the like.
[0044]
The term “nucleotide molecule” means a polymer of a phosphate ester of a nucleoside in which a purine or pyrimidine base and a sugar are glycoside-linked, and an oligonucleotide including a DNA probe, a polynucleotide, a DNA obtained by polymerizing a purine nucleotide and a pyrimidine nucleotide ( (Full length or fragment thereof), cDNA (cDNA probe), RNA, polyamide nucleotide derivative (PNA), etc. obtained by reverse transcription.
[0045]
“Hybridization” means a reaction of forming a complementary strand (duplex) between nucleotide chains having a complementary base sequence structure.
[0046]
"Steric hindrance" means that the presence of a bulky substituent in the vicinity of a reaction center or the like in a molecule or the posture or tertiary structure (higher-order structure) of a reaction molecule makes it difficult for a molecule of a reaction partner to approach. This means a phenomenon in which a desired reaction (in the present application, hybridization) hardly occurs.
[0047]
“Counter electrode” means a pair of electrodes to which a voltage can be applied.
[0048]
"Conductive gel" means a conductive gel such as agarose gel.
[0049]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention is not narrowly limited to the embodiments described below.
[0050]
First, reference numeral 1 shown in FIG. 1 indicates a preferred embodiment of the sample substance supply / recovery device according to the present invention. This sample material supply / recovery device 1 (hereinafter abbreviated as “device 1”) is a device that supplies a chargeable sample material S to a predetermined region of a substrate 2 disposed below, or from the substrate 2 It functions as an apparatus for collecting the predetermined sample material S.
[0051]
The present apparatus 1 has a container-shaped solution tank 11 for storing the solution L containing the sample substance S, a conductive gel storage tank 12 for storing the conductive gel G, and a second tank attached to the upper part of the dissolution tank 11. One electrode E 1 It is composed of
[0052]
The conductive gel storage tank 12 is connected to the solution tank 11, and the interface between the solution L and the conductive gel G stored in the solution tank 11 is in contact with each other. The conductive gel G also serves to seal the solution L in the solution tank 1 so as not to leak downward.
[0053]
The charged sample substance S contained in the solution L of the solution tank 11 can be widely used as long as it has a negative charge or a positive charge in the solution L, and examples thereof include nucleotide molecules, peptides, and proteins. Can be. As the solution L, a solution obtained by dissolving nucleotide molecules such as DNA with a buffer solution or the like can be used.
[0054]
The conductive gel G stored in the conductive gel storage tank 12 cannot pass through the solvent (such as a buffer) of the solution L, but has a property that the charged sample material S can be moved and passed by the action of the DC electric field. Any gel can be appropriately used as long as it has a gel.
[0055]
The substrate 2 on the lower side of the device 1 is formed of quartz glass, synthetic resin, or the like, and is, for example, a substrate constituting a DNA chip, a protein chip, or another sensor chip. On the upper surface of the substrate 2, there is provided a reaction region (spot region) 21 which is a concave structure portion having a small volume of a well shape or the like and capable of storing a solution such as a buffer solution.
[0056]
The sample substance S is supplied to the reaction region 21 from the solution tank 11 of the apparatus 1 by a predetermined procedure (described later). Since the present apparatus 1 is configured to supply or recover the sample material S in a state of being in close contact with the reaction region 21, the sample material S can be spotted on the substrate 2 without exposing the sample material S to a dry atmosphere.
[0057]
In any part of the reaction region 21, a surface portion or a metal thin film surface portion 3 (hereinafter, referred to as a metal thin film surface portion 3) which has been subjected to a surface treatment so that the sample material S (for example, a sample material D for detection such as a DNA probe) can be immobilized. "Detection surface 3") is provided.
[0058]
The detection surface 3 is appropriately provided on a bottom surface, a side wall surface, or the like of the reaction region 21 and functions as a portion that chemically bonds to a part of the sample material S supplied from the apparatus 1 and fixes the sample material S. Surface. For example, when the sample substance S is a nucleotide molecule for detection such as a DNA probe, one end (terminal) of the nucleotide molecule is fixed to the detection surface 3. In the present invention, the configuration of the detection surface 3 is not narrowly limited.
[0059]
On the back side of the detection surface 3, reference numeral E in FIG. 2 A second electrode indicated by. This second electrode E 2 The first electrode E of the device 1 when the device 1 is positioned above the reaction area 21; 1 And a pair of opposing electrodes can be formed, and a voltage can be applied via a power supply V by turning on / off the switch 4.
[0060]
With this configuration, the electrode E 1 -E 2 Plays a role in forming a DC electric field (described later) passing through the solution L, the conductive gel G, and the reaction region 21 (the solution therein). The first electrode E 1 And the second electrode E 2 Is configured so that the cathode and anode can be freely switched.
[0061]
Specifically, when the sample material S has a negative charge, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 When a DC electric field is formed using the sample as a positive electrode, the sample material S becomes a second electrode E as an anode. 2 Move towards the side. First electrode E 1 To the anode and the second electrode E 2 When a direct current electric field is formed with the cathode as the cathode, the sample material S is the first electrode E as the anode. 2 Move towards the side.
[0062]
On the other hand, when the sample material S is positively charged, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 When a direct current electric field is formed using the sample electrode as an anode, the sample material S becomes a first electrode E as a cathode. 1 Move towards the side. First electrode E 1 To the anode and the second electrode E 2 Is used as a cathode to form a DC electric field, the sample material S becomes a second electrode E as a cathode. 2 Move towards the side.
[0063]
Hereinafter, a procedure for supplying and immobilizing the detection sample substance D, which is one of the sample substances S, to the detection surface 3 of the reaction region 21 of the substrate 2 will be described with reference to FIGS. In the following description, a case where the sample substance S is a negatively charged detection sample substance D such as a DNA probe will be described as a representative example, but the present invention is not limited to this.
[0064]
First, FIG. 2A shows a state where the apparatus 1 is located above the substrate 2 at a distance. In this state, the electrode E 1 -E 2 , The detection sample substance D is still in the solution L in the solution tank 11.
[0065]
Subsequently, in FIG. 2B, the apparatus 1 arrives at the reaction area 21 of the substrate 2 and the first electrode E 1 -Second electrode E 2 A voltage is applied between them (in this case, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 Is the anode). Thereby, the solution L → the conductive gel G → the DC electric field X passing through the reaction region 21 1 Is formed. This DC electric field X 1 The sample substance D for detection moves from the solution tank 11 to the electric gel storage tank 12 by the action of and is supplied to the reaction area 21. Note that D in FIG. 1 Indicates a detection sample substance immobilized on the detection surface 3.
[0066]
Next, FIG. 2 (C) shows a detection sample substance (symbol D) immobilized in an unfixed state or an incomplete state existing in the reaction region 21. 2 Indicated by FIG. 3 is a diagram showing a state in which the liquid is collected in the solution tank 11 of the apparatus 1. At this stage of the procedure, the first electrode E 1 Is the anode, the second electrode E 2 Has been switched to the cathode, and the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 Is formed.
[0067]
When the detection sample substance D is supplied to the reaction region 21 through the procedure shown in FIG. 2B, a specific site of the detection sample substance D is chemically bonded to the detection surface D and is immobilized. Immobilization may be performed via a linker molecule or a spacer molecule in some cases.
[0068]
In this immobilization, due to steric hindrance, etc., the immobilized or incompletely immobilized detection sample substance D 2 Are mixed in the reaction region 21. Therefore, the detection sample substance D securely immobilized in the reaction region 21 1 Select an appropriate voltage strength that can leave only the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 To form a sample substance D for detection. 2 Is passed through the conductive gel storage tank 12 and collected in the upper solution tank 11 (see FIG. 2C). As a result, the reaction sample 21 contains the immobilized detection sample substance D. 1 Only can be present.
[0069]
FIG. 3 is a diagram schematically showing the procedure of FIGS. 2A to 2C in the form of an electric field forming procedure. First, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 DC electric field X 1 To supply the detection sample substance D to the reaction area 21. Subsequently, the electric field is temporarily turned off to allow the immobilization reaction of the detection sample substance D to proceed, and after a predetermined time, the first electrode E 1 To the anode and the second electrode E 2 To the cathode, the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 To form
[0070]
Here, when the DC electric field is turned off at the time of the immobilization reaction, the chemical bond (immobilization reaction) between the detection surface 3 and the detection sample substance D is exclusively changed to the natural Brownian motion of the detection sample substance D. This is preferable because it can be advanced in a state where it is entrusted.
[0071]
Based on the above device configuration or procedure, the substrate 2 in which the detection sample substance D is immobilized in the reaction region 21 can be formed. This can be widely used for the production or production of a DNA chip on which a nucleotide molecule for detection such as a DNA probe is immobilized, a protein chip on which a protein for detection is immobilized, or other sensor chips.
[0072]
Next, based on FIGS. 4 and 5, the detection sample substance D is placed on the detection surface 3 in the reaction area 21. 1 A procedure for supplying a target sample substance T, which is a sample substance S, to the substrate 2 on which is fixed is described.
[0073]
First, FIG. 4A shows a state where the apparatus 1 is positioned above the substrate 2 so as to be separated therefrom. In this state, the electrode E 1 -E 2 Since no voltage is applied to the target sample substance T, the target sample substance T still remains in the solution L in the solution tank 11.
[0074]
Subsequently, in FIG. 4 (B), the apparatus 1 arrives at the reaction region 21 of the substrate 2 in a sealed state, and the first electrode E 1 -Second electrode E 2 A voltage is applied between them (in this case, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 Is the anode). Thus, the solution L → the conductive gel G → the DC electric field X passing through the reaction region 21 1 Is formed. This DC electric field X 1 The negatively charged target sample substance T moves from the solution tank 11 through the motorized gel storage tank 12 and is supplied to the reaction area 21 by the action of.
[0075]
Next, FIG. 4C shows the detection sample substance D immobilized in the reaction area 21. 1 And a target sample substance that did not show an interaction (here, hybridization) 2 FIG. 3 is a diagram showing a state in which the liquid crystal is collected into the solution tank 11 of the apparatus 1. At this stage of the procedure, the first electrode E 1 Is the anode, the second electrode E 2 Is switched to the cathode and the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 Is formed.
[0076]
When the target sample substance T is supplied to the reaction region 21 through the procedure shown in FIG. 4B, the specific site (specific base sequence portion) of the target sample substance T is immobilized on the detection surface 3. Detection sample substance D 1 And the interaction (here, hybridization).
[0077]
At this time, the detection sample substance D 1 Since the target sample substance T and the target sample substance T are rounded in a random coil shape, steric hindrance and the like occur. Thereby, the sample substance D for detection is contained in the reaction area 21. 1 Sample substance T that interacts with and binds (forms a duplex) 1 In addition to the above, the target sample substance and the sample substance D for detection which are released into the reaction region 12 without interaction. 1 And a target sample substance in a state of misinteraction (here, mishybridization) (hereinafter collectively referred to as “target sample substance T”). 2 ". ) Exists.
[0078]
These target sample substances T 2 Leaving in the reaction region 21 may cause false positives or false negatives in the operation stage for detecting the presence or absence of the interaction. Therefore, before the detection operation stage, the target sample substance T 2 It is desirable to remove.
[0079]
Therefore, in the reaction area 21, the detection sample substance D 1 Target substance T that interacted with 1 Select an appropriate voltage intensity that can leave only the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 , The target sample substance T that did not show an interaction or showed a false interaction 2 Is passed through the conductive gel storage tank 12 and collected in the upper solution tank 1 (see FIG. 4C). As a result, the target sample substance T that has shown an interaction 1 (And D 1 ) Can be present.
[0080]
FIG. 5 is a diagram schematically showing a series of method procedures from FIGS. 2A to 2C to FIGS. 4A to 4C according to the format of an electric field forming procedure.
[0081]
First, the first electrode E 1 Is the cathode, the second electrode E 2 DC electric field X 1 The negatively charged detection sample substance D is supplied to the reaction region 21 (see FIG. 2B), and then the electric field is temporarily turned off to fix the detection sample substance D to the detection surface 3. Reaction, and after a predetermined time, the first electrode E 1 To the anode and the second electrode E 2 To the cathode, the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 And the sample substance D for detection in an unfixed state or insufficiently fixed 2 Is collected in the solution tank 11 (see FIG. 2C). The recovered sample material D for detection 2 Can be reused.
[0082]
Next, the device 1 containing the target sample substance T is moved to the substrate 2 (see FIG. 4A). 1 Is the cathode, the second electrode E 2 DC electric field X 1 To supply the negatively charged target sample substance T to the reaction region 21 (see FIG. 4B).
[0083]
Subsequently, the electric field is temporarily turned off, and the immobilized detection sample substance D is detected. 1 The interaction between the target sample material T and the target sample material T is allowed to proceed efficiently by Brownian motion between the materials, and after a predetermined time, the first electrode E 1 To the anode and the second electrode E 2 Is switched to a cathode and the DC electric field X 1 DC electric field X opposite to 2 To form
[0084]
This DC electric field X 2 The detection sample substance D 1 Is released into the reaction region 12 without interacting with 1 Sample substance T that interacts incorrectly with 2 Is passed through the conductive gel G and collected in the solution tank 11 (see FIG. 4C).
[0085]
If the above-described apparatus configuration or procedure is used, the detection sample substance D is supplied into the reaction region 21 of the substrate 2, the immobilization reaction of the detection sample substance D proceeds efficiently, and then the detection accuracy is adversely affected. Sample substance D in an unfixed state or the like that gives 2 Is recovered from the reaction area 21, and then the target sample substance T is supplied to the reaction area 21, and the target sample substance T is immobilized (on the detection surface 3). 1 (Eg, hybridization) between the target sample substance T and the target sample substance T, which has a false interaction that adversely affects the detection accuracy. 2 Is recovered from the reaction region 21 in a series of methods (assays).
[0086]
Hereinafter, inventions relating to a device configuration or procedure further improved so as to use a means or procedure for forming a “high-frequency electric field” in addition to a DC electric field will be described with reference to FIGS. 6 to 10.
[0087]
These improved inventions are characterized in that when a high-frequency electric field of about 1 MV / m is applied, a nucleotide molecule (a nucleotide comprising a large number of polarization vectors composed of a negative charge of a nucleotide chain having phosphate ions and the like and a positive charge of ionized hydrogen atoms) This phenomenon utilizes the phenomenon or principle in which dielectric polarization occurs in a molecule), and as a result, nucleotide molecules are linearly stretched in parallel with an electric field.
[0088]
As a specific means or method for forming a high-frequency electric field, a method using a movable electrode (third electrode) and a second electrode (FIG. 6), a third electrode and a second electrode (FIG. 7), and a method of installing a counter electrode opposed to a solution stored in the reaction region 4 of the substrate B (FIG. 9). The device or method including the means or procedure for forming a high-frequency electric field is particularly effective when the sample substance D for detection is a nucleotide molecule such as a DNA probe.
[0089]
First, reference symbol E in FIG. 31 Is the first electrode E described above. 1 And the second electrode E 2 The third electrode is a “movable electrode” prepared for forming a high-frequency electric field. According to the method shown in FIGS. 2A to 2C and FIG. 3 and other methods, the detection sample substance D 1 A substrate 2 (DNA chip or the like) on which (a DNA probe or the like) is immobilized is prepared and used.
[0090]
Movable electrode E 31 Are all controlled by a computer, and are defined to perform a predetermined positioning operation according to a predetermined computer program. Specifically, first, an operation of moving from the standby position onto the substrate 2 is performed, and then, an operation of arranging to close the reaction region 21 is performed (see FIG. 6A).
[0091]
Subsequently, the movable electrode E 31 And the second electrode E 2 A high-frequency electric field Y of about 1 MV / m is formed in a solution (buffer solution or the like) in the reaction region 12. Thereby, the detection sample substance D immobilized in the reaction area 21 1 (A nucleotide molecule such as a DNA probe) can be linearly stretched by the action of the high-frequency electric field Y (stretching operation, symbol D in FIG. 6B). 3 reference).
[0092]
Subsequently, when the extension operation is completed, the movable electrode E 31 Is moved from above the reaction region 12 (FIG. 6C), and instead, the device 1 is moved to above the reaction region 12 (see FIG. 6D).
[0093]
Next, the first electrode E 1 And the second electrode E 2 To the second electrode E 2 DC electric field X toward 1 To form This DC electric field X 1 Thereby, the target sample substance T in the solution L accommodated in the solution tank 1 of the apparatus 1 is supplied to the reaction region 21 (see FIG. 6E).
[0094]
Subsequently, after the electric field is turned off for a predetermined time and the interaction proceeds efficiently, the first electrode E 1 And the second electrode E 2 Between the first electrode E 1 DC electric field X toward 2 To form This DC electric field X 2 As a result, the target sample substance T in the reaction region 21 2 Is collected in the solution L in the solution tank 1 of the apparatus 1 (see FIG. 6F). When this collection operation is completed, the apparatus 1 is pulled up from the substrate 2 (see FIG. 6 (G)).
[0095]
By performing the above procedure shown in FIG. 6, the detection sample substance D in the extended state is obtained. 3 Interaction between the target substance T and the target substance T can be performed under the condition that the influence of the steric hindrance is small.
[0096]
Next, in FIG. 7 and FIG. 8, in order to form a “high-frequency electric field” indicated by the reference character Y, the third electrode E is placed at the lower surface (or the bottom surface) of the conductive gel container 12. 32 Is shown in the embodiment.
[0097]
In this embodiment, the device 1 includes the third electrode E 32 Are integrated, so that the movable electrode E 31 There is an operational advantage that there is no need to move. In addition, the third electrode E 32 This also has a function of making it difficult for the gel G to fall out of the storage tank 12, and is also preferable in this respect.
[0098]
This third electrode E 32 As shown in FIG. 7, is an electrode plate which is disposed by being fitted to the lower surface (or the bottom surface) of the conductive gel storage tank 12, and a large number of micro holes 4 penetrating the electrode plate are regularly arranged. It is provided with the form. The diameter or the size of the micropores 4 is set to such an extent that at least the sample material S (T, D) can pass smoothly.
[0099]
Hereinafter, with reference to FIG. 32 A method using the device 1 in which is integrated will be described. First, in FIG. 8A, the detection sample substance D 1 The third electrode E is placed on the substrate 2 on which the fixation of 32 Indicates the procedure for moving the integrated device 1. Then, the device 1 is attached to the reaction region 21 and the second electrode E 2 And the third electrode E 32 And a high frequency electric field Y is formed in the reaction region 21 (see FIG. 8B). Due to the action of the high-frequency electric field Y, the detection sample substance D fixed to the detection surface 3 in an extended state. 3 Are arranged in large numbers.
[0100]
Next, in the procedure shown in FIG. 1 And the second electrode E 2 And a DC electric field X from the solution tank 11 to the reaction area 12 via the conductive gel containing tank 12. 1 To form This DC electric field X 1 Supplies the target sample substance T to the reaction region 21 of the substrate 2.
[0101]
In the procedure shown in FIG. 8D, the immobilized detection sample substance D 3 The target sample substance T that has not shown an interaction or has erroneously interacted with each other due to the specific interaction between the target sample substance T and the target sample substance T 2 With the DC electric field X 1 DC electric field X from reaction region 12 in the opposite direction to solution bath 11 through conductive gel storage bath 12 2 Is collected in the solution tank 1 of the apparatus 1.
[0102]
Next, another embodiment for forming the high-frequency electric field Y will be described with reference to FIG. In this embodiment, the detection surface 3 is formed on one of the side walls of the reaction region 21 of the substrate 2, and the counter electrode E is sandwiched between the reaction regions 21. 4 , E 5 Is arranged.
[0103]
The detection sample substance D supplied from the apparatus 1 is immobilized on the detection surface 3 on the side wall (D in FIG. 9A). 1 reference). This immobilized detection sample substance D 1 To the counter electrode E 4 , E 5 Are extended in the horizontal direction by a high-frequency electric field Y formed by applying a voltage to (see FIG. 9B).
[0104]
Next, the device 1 is brought into close contact with the reaction region 12 so that the first electrode E 1 And the second electrode E 2 And a DC electric field X from the solution tank 11 to the reaction area 12 through the conductive gel containing tank 12. 1 To form This DC electric field X 1 The target sample substance T is supplied to the reaction region 21 of the substrate 2 by the action of (see FIG. 9C).
[0105]
Subsequently, although not specifically shown in FIG. 1 Is turned off to allow the interaction to proceed, followed by the target sample substance T that did not show an interaction or showed a false interaction. 2 To the DC electric field X 2 And start detection.
[0106]
FIG. 10 is a diagram illustrating a method of supplying and recovering the sample substance S (T, D) using the high-frequency electric field Y according to an electric field forming procedure.
[0107]
First, the first electrode E 1 And the second electrode E 2 DC electric field X formed between 1 Thus, the detection sample substance D is supplied from the solution tank 1 to the reaction region 21 via the conductive gel G. Next, this DC electric field X 1 Turn off to allow the immobilization reaction to proceed.
[0108]
And the DC electric field X 1 DC electric field X in the opposite direction to 2 To the first electrode E 1 And the second electrode E 2 And the immobilized or incompletely immobilized detection sample substance D 2 Is collected in the solution tank 11 from the reaction region 21 via the conductive gel G.
[0109]
Subsequently, the high-frequency electric field Y is applied to the third electrode E 31 (Movable electrode) or E 32 And the second electrode E 2 And the counter electrode E 4 -E 5 Or the like, thereby forming the detection sample substance D immobilized on the detection surface 3. 1 Elongate.
[0110]
Then again the DC electric field X 1 Thus, the target sample substance T is supplied from the solution tank 1 to the reaction region 21 via the conductive gel G. Next, the DC electric field X 1 Is turned off, and the detection sample substance D in the extended state is 3 With the target sample substance T.
[0111]
Then, the DC electric field X 1 DC electric field X in the opposite direction to 2 To the first electrode E 1 And the second electrode E 2 Between the target sample substance T and the target sample substance T that did not interact with each other or showed a false interaction (mishybridization). 2 Is collected from the reaction region 21 into the solution tank 11 via the conductive gel G.
[0112]
FIG. 11 shows an example of the substrate 2. The substrate 2 may be any substrate as long as it can accumulate many and many kinds of detection sample substances D on a glass substrate, a silicon substrate, or the like. In FIG. 11, a substrate on a disk is used, but the shape, configuration, and the like of the substrate are not limited thereto.
[0113]
In FIG. 11, a large number of reaction regions 21 are provided on the surface of the substrate 2. The apparatus 1 is attached to the reaction region 21 on the substrate 2 to supply or collect the sample substance S (the sample substance D for detection or the target sample substance T). The apparatus 1 includes one reaction region (for example, R 1 ) Can be supplied or recovered with the aim of only the sample substance S, or a plurality of reaction regions (for example, R 2 Or R 3 ) Or the sample material S can be simultaneously supplied to and collected from all the reaction regions 21 on the substrate 2.
[0114]
Generally, in many cases, many kinds of detection sample substances D are integrated on the substrate 2. In such a case, the apparatus 1 corresponding to one reaction area 21 is prepared, and a different sample substance D for detection is supplied to each reaction area 21 and the substrate 2 for detection (for example, DNA, Chip).
[0115]
On the other hand, in general, the target sample substance T is often supplied to a plurality of reaction regions in one kind. In such a case, the apparatus 1 capable of simultaneously supplying the target sample substance T to a plurality of reaction regions 21 in a predetermined range is used.
[0116]
As described above, the apparatus 1 according to the present invention corresponds to one reaction region 21 and one row of reaction regions 21 (R 2 ) Corresponding, multiple rows of reaction regions 21 (R 3 ), Those corresponding to all the reaction regions 21 on the substrate 2, and the like can be selectively used according to the purpose.
[0117]
In the case of the apparatus 1 corresponding to a large number (or all) of the reaction regions 21, the procedure can be efficiently performed by appropriately changing the sample substances D and T to be put in the solution tank 1. A series of steps such as supply, immobilization, and recovery can be performed at the same time by placing a separate substance of the sample substance D for detection in each of the solution tanks 1 and then performing the subsequent procedures.
[0118]
In the case of the target sample substance T, the same kind of substance is put into all the solution tanks 1 (of the apparatus 1), and then the subsequent steps are performed, so that the interaction can be detected in one operation. . In addition, for example, several experiments, tests, and the like can be performed in a single operation by putting different substances in every several columns. Note that a series of steps, in particular, the movement and combination of the apparatus 1 and the substrate 2 and the procedure for forming an electric field can be executed by computer control or the like.
[0119]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects.
[0120]
By using the “sample material supply / recovery device” according to the present invention, the sample material can be spotted on the substrate without exposing the sample material to a dry atmosphere.
[0121]
This apparatus can not only spot a sample substance for detection on a substrate but also supply a target sample substance to a substrate on which the sample substance for detection is immobilized, and the sample substance for detection interacts with the target sample substance (for example, hybridization). Can be used in experiments for detecting whether or not
[0122]
In addition, when performing an experiment to detect whether or not an interaction is exhibited by using the apparatus or the method according to the present invention, a cleaning step using a conventional cleaning solution is not required, and therefore, the experimenter needs to perform an appropriate operation. A simple and effective interaction experiment can be performed without having to consider the selection of a suitable washing solution and setting the conditions of the washing solution. Further, loss of the sample substance due to the washing operation is prevented, and an efficient and economical experiment can be performed.
[0123]
In the apparatus or method according to the present invention, in addition to the DC electric field, since a high-frequency electric field can be used, especially when a nucleotide molecule such as a DNA probe is used as a sample substance for detection, it can be extended. It is possible to improve the efficiency of the interaction (such as hybridization) with the target sample substance.
[0124]
In the present invention, a method of supplying a sample substance onto (a reaction area of) a substrate, a method of recovering a sample substance that has not been immobilized on (a detection surface of) a substrate, and a method of allowing a sample substance for detection to interact with a target sample substance A method capable of reliably detecting the action can be provided.
[0125]
In addition, the present invention is particularly effective for nucleotide molecules such as DNA probes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a preferred embodiment of a sample substance supply / recovery device (1) according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing a series of methods for supplying, immobilizing, and recovering a detection sample substance (D) using the same apparatus (1).
FIG. 3 is a diagram illustrating the same method according to an electric field forming procedure.
FIG. 4 is a view showing a series of methods for supplying, immobilizing, and recovering a target sample substance (T) using the same device (1).
FIG. 5 is a diagram illustrating the same method according to an electric field forming procedure.
FIG. 6 shows a movable electrode (E) as a third electrode. 31 FIG. 4 is a diagram showing a series of methods using ()).
FIG. 7 shows a third electrode (E) arranged on the lower surface of the conductive gel container (12). 32 FIG.
FIG. 8 shows a third electrode (E 32 The figure which showed the series of methods using the device (1) provided with ().
FIG. 9 shows a counter electrode (E) in a reaction area (21). 3 , E 4 The figure which showed the series of methods in case of providing.
FIG. 10 is a diagram illustrating a series of methods including a procedure for forming a high-frequency electric field (Y) according to an electric field forming procedure.
FIG. 11 is a view showing an example of a region of a substrate 2 to which a sample substance (S) is supplied from the apparatus 1;
[Explanation of symbols]
1 Sample material supply and recovery device (device)
2 substrate
3 Detection surface (surface part where sample substance is immobilized)
11 Solution tank
12 Conductive gel storage tank
21 Reaction zone
D Sample substance for detection
D 1 Immobilized detection sample substance
D 2 Unfixed or insufficiently immobilized detection sample substance
D 3 Extended sample material for detection
E 1 First electrode
E 2 Second electrode
E 31 , E 32 Third electrode
E 4 , E 5 Counter electrode
G Conductive gel
L solution
S sample substance
T Target sample substance
T 1 Interacting target sample material
T 2 Target sample material that did not interact or showed false interaction
X 1 DC electric field for supply
X 2 DC electric field for recovery
Y high frequency electric field

Claims (21)

荷電性の試料物質を含む溶液を貯留する溶液槽と、前記溶液槽に連通された電導性ゲル収容槽と、直流電界を形成するための第一電極と、を少なくとも備えており、
前記第一電極と外部の反応領域に付設された第二電極に電圧を印加して前記直流電界を形成することによって、次の(1)、(2)のいずれか一方の手段又は両手段を行う試料物質供給回収装置。
(1)前記溶液槽内の試料物質を、電動性ゲルを移動通過させて前記反応領域へ供給する手段。
(2)前記反応領域内に存在する試料物質を、電動性ゲルを移動通過させて前記溶液槽に回収する手段。
A solution tank for storing a solution containing a chargeable sample substance, a conductive gel storage tank connected to the solution tank, and a first electrode for forming a DC electric field, at least comprising:
By applying a voltage to the first electrode and a second electrode provided in an external reaction region to form the DC electric field, one of the following means (1) and (2) can be used. Sample material supply and recovery device to be performed.
(1) A means for supplying the sample substance in the solution tank to the reaction region by moving and passing the electric gel.
(2) Means for collecting the sample substance present in the reaction region in the solution tank by moving and passing the electric gel.
前記直流電界に加え、前記反応領域に貯留された溶液に高周波電界を形成する手段を備えることを特徴とする請求項1記載の試料物質供給回収装置。2. The apparatus according to claim 1, further comprising means for forming a high-frequency electric field in the solution stored in the reaction region in addition to the DC electric field. 前記高周波電界は、前記第二電極と前記第一電極以外の第三電極との間で形成されることを特徴とする請求項2記載の試料物質供給回収装置。The sample substance supply / recovery device according to claim 2, wherein the high-frequency electric field is formed between the second electrode and a third electrode other than the first electrode. 前記第三電極は、前記第二電極と対向する位置に移動可能であって、該位置から退去可能な可動電極であることを特徴とする請求項3記載の試料物質供給回収装置。The sample substance supply / recovery device according to claim 3, wherein the third electrode is a movable electrode that can move to a position facing the second electrode and can move away from the position. 前記第三電極は、前記電導性ゲル収容槽の下面位置に設けられ、前記試料物質が通過可能な形状とされたことを特徴とする請求項3記載の試料物質供給回収装置。The sample material supply / recovery device according to claim 3, wherein the third electrode is provided at a lower surface position of the conductive gel storage tank, and has a shape through which the sample material can pass. 前記高周波電界は、前記反応領域を挟んで対設されている対向電極によって形成されることを特徴とする請求項2記載の試料物質供給回収装置。3. The sample substance supply / recovery device according to claim 2, wherein the high-frequency electric field is formed by a counter electrode opposed to the reaction region. 前記試料物質は、ヌクレオチド分子であることを特徴とする請求項1記載の試料物質供給回収装置。The sample substance supply / recovery device according to claim 1, wherein the sample substance is a nucleotide molecule. 前記溶液槽に回収される試料物質は、反応領域の所定表面部位に未固定状態又は固定化不十分状態の試料物質であることを特徴とする請求項1記載の試料物質供給回収装置。The sample substance supply / recovery device according to claim 1, wherein the sample substance collected in the solution tank is a sample substance that is not fixed or insufficiently fixed to a predetermined surface portion of a reaction region. 溶液中に含まれている荷電性の試料物質を、直流電界の作用により電導性ゲルを移動通過させ、所定の反応領域に供給する試料物質供給方法。A sample substance supply method in which a charged sample substance contained in a solution is moved and passed through a conductive gel by the action of a DC electric field and supplied to a predetermined reaction region. 前記反応領域に臨む表面に対して、前記試料物質を固定化する手順を含むことを特徴とする請求項9記載の試料物質供給方法。The method according to claim 9, further comprising a step of immobilizing the sample substance on a surface facing the reaction region. 前記固定化手順の際に直流電界オフにすることを特徴とする請求項10記載の試料物質供給方法。11. The method according to claim 10, wherein the DC electric field is turned off during the immobilization procedure. 前記試料物質は、ヌクレオチド分子であることを特徴とする請求項9記載の試料物質供給方法。10. The method according to claim 9, wherein the sample substance is a nucleotide molecule. 固定化された前記ヌクレオチド分子を高周波電界の作用によって伸長させる手順を含むことを特徴とする請求項12記載の試料物質供給方法。13. The method according to claim 12, further comprising the step of extending the immobilized nucleotide molecules by the action of a high-frequency electric field. 反応領域中の固定化された前記試料物質と相互作用を示す他の荷電性の試料物質を、直流電界の作用によって前記電導性ゲルを移動させて反応領域に供給することを特徴とする請求項10記載の試料物質供給方法。The other charged sample material interacting with the sample material immobilized in the reaction region is supplied to the reaction region by moving the conductive gel by the action of a DC electric field. 11. The method for supplying a sample substance according to item 10. 前記相互作用を行う際には、直流電界オフにすることを特徴とする請求項14記載の試料物質供給方法。15. The method according to claim 14, wherein the DC electric field is turned off when the interaction is performed. 反応領域中の溶液に存在する荷電性の試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動通過させて溶液槽に回収する試料物質回収方法。A sample substance collection method in which a charged sample substance present in a solution in a reaction region is moved and passed through a conductive gel by the action of a DC electric field and collected in a solution tank. 回収される試料物質は、反応領域の所定表面部位に未固定状態又は/及び固定化不十分状態の試料物質であることを特徴とする請求項16記載の試料物質回収方法。17. The sample substance recovery method according to claim 16, wherein the sample substance to be recovered is a sample substance which is unfixed and / or insufficiently fixed to a predetermined surface portion of the reaction region. 回収される試料物質は、前記反応領域の所定表面部位に固定化された検出用試料物質との間で相互作用を示さなかった物質又は/及び誤相互作用した物質であることを特徴とする請求項16記載の試料物質回収方法。The sample substance to be recovered is a substance that has not shown an interaction with a detection sample substance immobilized on a predetermined surface portion of the reaction region or / and a substance that has erroneously interacted. Item 17. The method for recovering a sample substance according to Item 16. 溶液中に含まれている荷電性の検出用試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲルを移動させて所定の反応領域に供給する手順と、
前記反応領域に臨む所定表面部位に対して、前記検出用試料物質を固定化する手順と、
前記表面部位に未固定状態又は固定化不十分状態の前記検出用試料物質を直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動通過させて溶液槽に回収する手順と、
溶液中に含まれている荷電性の標的試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲルを移動させて所定の反応領域に供給する手順と、
固定化された前記検出用試料物質と標的試料物質との間の相互作用を行う手順と、
固定化された前記検出用試料物質との間で相互作用を示さなかった標的試料物質又は/及び誤相互作用した標的試料物質を、直流電界の作用によって電導性ゲル内を移動通過させて溶液槽に回収する手順と、を含む試料物質供給回収方法。
A procedure for supplying a charged detection sample substance contained in a solution to a predetermined reaction region by moving a conductive gel by the action of a DC electric field,
For a predetermined surface site facing the reaction region, a procedure of immobilizing the detection sample material,
A procedure in which the detection sample substance in an unfixed state or an insufficiently fixed state is moved and passed through a conductive gel by the action of a DC electric field and collected in a solution tank on the surface site,
A procedure in which the charged target sample substance contained in the solution is supplied to a predetermined reaction region by moving the conductive gel by the action of a DC electric field,
Performing an interaction between the immobilized detection sample substance and the target sample substance,
The solution sample is moved by passing a target sample substance that has not shown an interaction with the immobilized detection sample substance or / and a target sample substance that has erroneously interacted through the conductive gel by the action of a DC electric field. And recovering the sample substance.
固定化された検出用試料物質がヌクレオチド分子である場合において、該ヌクレオチド分子を高周波電界の作用によって伸長させる手順を含むことを特徴とする請求項19記載の試料物質供給回収方法。20. The method according to claim 19, further comprising the step of, when the immobilized detection sample substance is a nucleotide molecule, extending the nucleotide molecule by the action of a high-frequency electric field. 前記固定化及び/又は前記相互作用を行う場合に直流電界オフにすることを特徴とする請求項19記載の試料物質供給回収方法。20. The method for supplying and recovering a sample substance according to claim 19, wherein the DC electric field is turned off when performing the immobilization and / or the interaction.
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