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JP2004061426A - Base sequence detector and base sequence automatic analyzer - Google Patents

Base sequence detector and base sequence automatic analyzer Download PDF

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JP2004061426A
JP2004061426A JP2002223393A JP2002223393A JP2004061426A JP 2004061426 A JP2004061426 A JP 2004061426A JP 2002223393 A JP2002223393 A JP 2002223393A JP 2002223393 A JP2002223393 A JP 2002223393A JP 2004061426 A JP2004061426 A JP 2004061426A
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JP
Japan
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cell
base sequence
port
air
sample
Prior art date
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Abandoned
Application number
JP2002223393A
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Japanese (ja)
Inventor
Sadahito Hongo
本郷 禎人
Shigeru Wakayama
若山 茂
Takiji Ishimura
石村 多喜二
Minoru Ishikawa
石川 実
Shinji Yanaga
弥永 真司
Kenji Oki
大木 健司
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2002223393A priority Critical patent/JP2004061426A/en
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Abstract

【課題】セル内における面内均一性を向上させる。
【解決手段】DNAプローブが固定化される複数の電極21aとを備え、セル底面を定める塩基配列検出チップ21と、チップ21に当接されるシール材24底面からシール材24上面までをシール材内周により複数の電極21aを取り囲むように設けられ、セル側面を定めるシール材24と、シール材24上面に当接されてシール材24上面を塞ぎ、セル上面を定めるチップカートリッジ上蓋112と、セル上面に開口し、セル115内に薬液又はエアを送入する送入ポート116aと、セル上面に開口し、セル内から薬液又はエアを送出する送出ポートと116bと、チップカートリッジ上蓋112に設けられ、セル内に試料を注入する試料注入口119を備え、送入ポート116aから送出ポート116bへの薬液又はエアの流路は細長形状に形成されてなる。
【選択図】  図5
An object is to improve in-plane uniformity in a cell.
The chip includes a plurality of electrodes to which a DNA probe is immobilized, a base sequence detection chip for defining a cell bottom surface, and a seal material for contacting the chip from the bottom surface of the seal material to the top surface of the seal material. A seal member 24 provided so as to surround the plurality of electrodes 21a by the inner periphery and defining a cell side surface; a chip cartridge upper lid 112 abutting on the seal material 24 upper surface to close the seal material 24 upper surface and define the cell upper surface; An inlet port 116a that opens on the upper surface and feeds a chemical solution or air into the cell 115, an outlet port 116b that opens on the upper surface of the cell and sends a chemical solution or air from inside the cell, and a chip cartridge upper lid 112 are provided. And a sample inlet 119 for injecting a sample into the cell, and the flow path of the chemical or air from the inlet port 116a to the outlet port 116b is narrow. It becomes formed in a shape.
[Selection diagram] FIG.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塩基配列を検出する塩基配列検出装置と、この塩基配列検出装置を自動で制御し、測定信号を自動解析する塩基配列自動解析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来は、例えば、ハイブリダイゼーションのみを行う装置、このハイブリダイゼーションの後に挿入剤を添加した後の電気化学測定のみを行う装置、もしくは、ハイブリダイゼーションからバッファによる洗浄までを自動で行う装置は、それぞれ存在していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような装置を用いて測定を行った場合、各工程が終了すると、作業者は、サンプルを次の工程のための装置にマニュアルで移送する必要があるため、時間的に拘束される。また、工程間の移送に作業者が関与するため、各サンプル間のデータの再現性に乏しい、という問題があった。
【0004】
一方、反応を行わせるためのセル内の反応条件いかんにより測定結果が変動する問題もあった。これは、例えば電気化学的反応を行わせるセル内における反応の面内不均一性に起因すると考えられる。
【0005】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、セル内における面内均一性を向上させる塩基配列検出装置を提供することにある。
【0006】
また、本発明の別の目的は、反応から送液、測定までの自動で行うことができる塩基配列自動解析装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の観点によれば、流路内における試料と所定の塩基配列を有するプローブの電気化学的反応により試料中の塩基配列を検出する塩基配列検出装置であって、基板と、前記基板上に複数設けられ、前記プローブが固定化される複数の電極とを備えた塩基配列検出チップと、この基板上に前記複数の電極を取り囲むように設けられ、薬液又はエアを前記基板上に密閉するセルと、前記セル上面に開口し、前記セル内に薬液又はエアを送入する送入ポートと、前記セル上面に開口し、前記セル内から薬液又はエアを送出する送出ポートと、前記セル上面に開口するように設けられ、前記セル内に試料を注入する試料注入口とを具備してなり、前記セル内に形成される前記送入ポートから前記送出ポートへの前記薬液又はエアの流路とは垂直な方向の前記セルの幅が、前記送入ポートと前記送出ポートの距離よりも小さく形成されてなる塩基配列検出装置が提供される。
【0008】
この発明の別の一の観点によれば、セル上面、セル側面及びセル底面により定められるセル内における試料と所定の塩基配列を有するプローブの電気化学的反応により試料中の塩基配列を検出する塩基配列検出装置であって、基板と、この基板上に形成され、前記プローブが固定化される複数の電極とを備え、前記基板表面により前記セル底面を定める塩基配列検出チップと、前記基板に当接されるシール材底面から所定の高さを有するシール材上面までをシール材内周により前記複数の電極を取り囲むように設けられ、前記セル側面を定めるシール材と、前記シール材上面に当接されて前記シール材上面を塞ぎ、前記セル上面を定めるチップカートリッジ上蓋と、前記チップカートリッジ上蓋の前記セル上面に開口し、前記セル内に薬液又はエアを送入する送入ポートと、前記チップカートリッジ上蓋の前記セル上面に開口し、前記セル内から薬液又はエアを送出する送出ポートと、前記チップカートリッジ上蓋に設けられ、前記セル内に試料を注入する試料注入口とを具備してなり、前記セル内に形成される前記送入ポートから前記送出ポートへの前記薬液又はエアの流路の方向とは垂直な方向の前記セルの幅が、前記送入ポートと前記送出ポートの距離よりも小さく形成されてなる塩基配列検出装置が提供される。
【0009】
また、本発明のさらに別の観点によれば、上述したような塩基配列検出装置と、前記送入ポートに連通し、該送入ポートを介して前記セル内に薬液又はエアを供給する第1の配管と、前記第1の配管の薬液又はエアの流量を制御する第1の弁とを備えた供給系と、前記送出ポートに連通し、該送出ポートを介して前記セル内から薬液又はエアを排出する第2の配管と、前記第2の配管の薬液又はエアの流量を制御する第2の弁と、第2の配管に設けられ、前記セル内から薬液又はエアを吸い上げるポンプとを備えた排出系と、前記複数の電極と別の対極との間に電圧を印加する電圧印加部を備えた測定系と、前記塩基配列検出チップの温度を制御する温度制御機構と、前記送液系の前記第1の弁、第2の弁及びポンプと、前記測定系の前記電圧印加部と、前記温度制御機構とを制御し、前記複数の電極から電気化学反応信号を検出し、この電気化学反応信号を測定データとして格納する制御機構と、前記制御機構に制御条件パラメータを与えて前記制御機構を制御するとともに、前記測定データに基づいて塩基配列の解析処理を実行するコンピュータとを具備してなる塩基配列自動解析装置が提供される。
【0010】
また、装置に係る本発明は、その装置により実現される方法の発明としても成立する。
【0011】
また、装置または方法に係る本発明は、コンピュータに当該装置を制御する手順を実行させるためのプログラム、このプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体としても成立する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0013】
図1は本発明の一実施形態に係る塩基配列自動解析装置の全体構成を示す概念図である。図1に示すように、塩基配列自動解析装置1は、チップカートリッジ11(塩基配列検出装置)と、このチップカートリッジ11と電気的に接続される測定系12、チップカートリッジ11に設けられた流路とインタフェース部を介して物理的に接続される送液系13及びチップカートリッジ11の温度制御を行う温度制御機構14から構成される。
【0014】
これら測定系12、送液系13及び温度制御機構14は制御機構15により制御される。制御機構15は、コンピュータ16に電気的に接続されており、このコンピュータ16に備えられたプログラムにより、制御機構15が制御される。本実施形態では、チップカートリッジ11、測定系12、送液系13及び温度制御機構14を測定ユニット10と称する。
【0015】
チップカートリッジ11には、DNAプローブが固定化される塩基配列検出チップ21が実装されたプリント基板22が取り付けられて用いられる。
【0016】
以下の実施形態では、検出の目的とするDNAの塩基配列を標的塩基配列と呼ぶ。そして、この標的塩基配列とは相補性があり、この標的塩基配列と選択的に反応する塩基配列を標的相補塩配列と呼ぶ。この標的相補塩基配列を含むDNAプローブが塩基配列検出チップ21の作用極に固定化される。塩基配列検出チップ21のセル内に導入される試料(検体溶液)には、検査の対象となるDNAが含まれている。この検査の対象となるDNAの塩基配列を検体塩基配列と呼ぶ。
【0017】
この実施形態の塩基配列検出装置は、この検体塩基配列と標的相補塩基配列をハイブリダイゼーションさせ、その反応の有無をバッファ、挿入剤導入後にモニタリングすることにより、試料中に標的塩基配列が含まれているか否かを判別する。
【0018】
図2はチップカートリッジ11の詳細な構成を示す図であり、(a)は上面から見た図、(b)はA−A方向から見た図、(c)はB−B方向から見た部分透視断面図、(d)はチップカートリッジ11の一構成要素である支持体111を裏面から見た図を示している。
【0019】
チップカートリッジ本体110は、プリント基板22を下部側から支持する支持体111と、この支持体111とともにプリント基板22を上部側から挟み込み固定支持するためのチップカートリッジ上蓋112からなる。
【0020】
チップカートリッジ上蓋112の側部には2つの開口が設けられ、その開口のうちの1つにはインタフェース部113aが、他の1つにはインタフェース部113bが接続されている。これらインタフェース部113a及び113bは、送液系13とチップカートリッジ11のインタフェースとして機能する。
【0021】
これらインタフェース部113a及び113bの内部にはそれぞれ流路114a及び114bが設けられている。流路114aを介して、送液系13上流側からの薬液やエアをチップカートリッジ11内部に送入する。流路114bを介して、チップカートリッジ11内の試料、薬液及びエアを送液系13下流側に送出する。
【0022】
図2(a)乃至(c)では、流路114a及び114bは破線で示されている。これら流路114a及び114bは、インタフェース部113a及び113bからチップカートリッジ上蓋112内まで連通しており、さらには図2(a)で円形の破線で示されたセル115に通じている。セル115は、塩基配列検出チップ21とこの塩基配列検出チップ21に導入される各種溶液との電気化学反応を生じさせるために設けられる領域である。このセル115は、塩基配列検出チップ21が実装されたプリント基板22の四隅がこのチップカートリッジ11のチップカートリッジ上蓋112に基板固定ねじ25により固定化されている場合に、塩基配列検出チップ21とシール材24、チップカートリッジ上蓋112に囲まれた閉空間領域で定められる。塩基配列検出チップ21を実装したプリント基板22がチップカートリッジ上蓋112に固定化された状態で、支持体111とチップカートリッジ上蓋112によりプリント基板22がシール材24を挟んで保持される。さらに、上蓋固定ねじ117によりチップカートリッジ上蓋112が固定される。これにより、流路114aからセル115を介して流路114bまで連通した各種薬液やエアの注入・吐出経路が定められる。なお、塩基配列検出チップ21は、プリント基板22に封止樹脂23により封止されている。
【0023】
セル115の上面に位置するチップカートリッジ上蓋112には、送入ポート116a及び送出ポート116bが設けられている。送入ポート116aは、チップカートリッジ上蓋112の側面から底面まで貫通し、セル孔部115aでチップカートリッジ上蓋112の底面に開口している。送出ポート116bは、チップカートリッジ上蓋112の別の側面から底面まで貫通し、セル孔部115bでチップカートリッジ上蓋112の底面に開口している。送入ポート116aが流路114aに、送出ポート116bが流路114bに接続されることにより、流路114aとセル115,流路114bとセル115が連通する。
【0024】
プリント基板22表面であってセル115から離間した位置に、電気コネクタ22aが設定されている。電気コネクタ22aは、プリント基板22の基板本体のリードフレームと電気的に接続されている。また、この基板本体のリードフレームは、塩基配列検出チップ21の各種電極とリードなどにより電気的に接続されている。この電気コネクタ22aに測定系12の端子を接続することにより、塩基配列検出チップ21で得られる電気信号を、プリント基板22の所定の位置に設けられた所定の端子を介して、さらには電気コネクタ22aを介して測定系12に出力することができる。
【0025】
図2(d)に示すように、支持体111はコの字型をしており、中央に切り込み部111aが設けられている。この切り込み部111aはプリント基板22よりも小さく、塩基配列検出チップ21よりも大きな形状となっている。これにより、支持体111によるプリント基板22の支持機能を保ちつつ、塩基配列検出チップ21に支持体111を介さずに温度制御機構14を接して配置することができる。117aはねじ孔であり、上蓋固定ネジ117が固定される。
【0026】
塩基配列検出チップ21の温度を調節する温度制御機構14としては、例えばペルティエ素子が用いられる。これにより、±0.5℃の温度制御が可能である。DNAの反応は、室温に比較的近い温度範囲において行うのが一般的である。従って、ヒーターのみでの温度制御は安定性に乏しい。また、温度プロファイルにより、DNAの反応を制御する必要があるため、別に冷却機構が必要になってきてしまう。その点、ペルティエ素子は、電流の向きを変えることにより、加熱・冷却いずれも可能であるため、最適である。
【0027】
図3は上蓋固定ねじ117で固定する前の支持体111とチップカートリッジ上蓋112を示す図である。図3に示すように、チップカートリッジ上蓋112に、塩基配列検出チップ21が実装されたプリント基板22の四隅が基板固定ねじ25で固定されている。チップカートリッジ上蓋112には、シール材24が一体化されている。従って、塩基配列検出チップ21上に、シール材24とチップカートリッジ上蓋112で囲まれたセル115が定められる。さらに、上蓋固定ねじ117で支持体111にチップカートリッジ上蓋112が固定されて用いられる。なお、基板固定ねじ25は、プリント基板22の裏面側から固定しても、表面側から固定してもよい。このように、チップカートリッジ上蓋112にプリント基板22を固定化することにより、塩基配列検出チップ21、シール材24及びチップカートリッジ上蓋112の間の密着性を確実に保持することができる。
【0028】
図4は塩基配列検出チップ21を実装したプリント基板22の詳細な構成を示す図である。図4に示すように、プリント基板22上には、塩基配列検出チップ21が封止樹脂23により封止されている。塩基配列検出チップ21上には、例えば作用極や対極として動作する電極21aや、参照極として動作する電極21bが設けられている。電極21aは図4では電極21bで分けられる4つの領域に1つずつ設けられる場合を模式的に示してあるが、各領域に作用極と対極のそれぞれを1つあるいは複数設けてもよいことはもちろんである。また、電極21bの形状は図4に示したものに限定されない。また、参考のため、図4にはセル115が定められる領域を破線で示してある。図4に示すように、セル115は、電極21aや21bなどがセル115の領域内に位置するように定められる。
【0029】
プリント基板22の端部には電気コネクタ22aが設置されている。塩基配列検出チップ21の電極21aや電極21bと電気コネクタ22aは、プリント基板22表面に設けられたリードフレームなどにより電気的に接続されている。電気コネクタ22aには、測定系12の信号インタフェースを接続することにより、塩基配列検出チップ21の各電極と測定系12とを電気的に接続することができる。
【0030】
図5(a)は図2(a)に示すセル115及びセル115に通じる薬液供給系統をC−C方向から見た断面図、図5(b)はセル115近傍の上面図である。
【0031】
図5(a)に示すように、例えばパッキンリングなどのシール材24は、チップカートリッジ上蓋112と塩基配列検出チップ21により狭着固定されることにより形成される閉空間がセル115である。セル115の底面は塩基配列検出チップ21の表面により定められる。セル115の側面はシール材24により定められ、セル115の上面はチップカートリッジ上蓋112の下面により定められる。シール材24の底面は、塩基配列検出チップ21と間隙無く接し、シール材24の上面は、チップカートリッジ上蓋112の下面と間隙無く接する。これにより、セル孔部115a及び115b以外は完全に密閉された閉空間が定められ、塩基配列検出チップ21と蓋120との液密が保持される。
【0032】
セル115の断面形状は、上面から見ると図5(b)に示すような円形をなしている。この円形のセル115の外縁に断面が円形の送入ポート116a及び送出ポート116bがセル115の円の中心を挟んでほぼ対称の位置に設けられている。送入ポート116a及び送出ポート116bの外周は、セル115の外周にほぼ接している。また、送入ポート116a及び送出ポート116b円形断面の中心軸は、セル115の円形底面の中心を通る直線115c上に位置する。
【0033】
送入ポート116a及び送出ポート116bは各々セル115の上面から上方に、セル底面に対してほぼ垂直な方向に所定の高さまで延びている。送入ポート116a及び送出ポート116bはさらにセル115の中心から互いに遠ざかる方向にその流路が折れており、流路114a及び114bにそれぞれ接続される。
【0034】
図5(b)に示すように、送入ポート116a及び送出ポート116b、流路114a及び114bの各々の中心軸は、直線115c上にほぼ位置する。送出ポート116bは、セル底面に対してほぼ垂直な方向に所定の高さまで延び、さらにセル115の中心から遠ざかる方向にほぼ直角に折れているが、その折れ曲がり位置で2つの経路に分岐する。その一つの経路は、チップカートリッジ上蓋112の表面まで貫通し、試料注入口119に通じている。これにより、試料注入口119から注入された試料は、送出ポート116bを通ってセル115に導入される。試料注入口119と送出ポート116bの中心軸はほぼ一致しており、試料注入口119の口径は、送出ポート116bの口径よりも大きく設定されている。また、試料注入口119近傍に設けられた蓋120により試料注入口119を塞ぐことができる。これにより、試料注入口119を利用せず、薬液を流路114aからセル115を介して流路114bに循環させる場合に薬液が試料注入口119から流出するのを防止することができ、薬液の経路を確保することができる。また、蓋120にはシール材121が設けられており、試料注入口119を密閉することにより、薬液のわずかな漏出を防止できる。図5(a)の例では特に示していないが、送出ポート116bから流路114bに接続される経路のみを残して試料注入口119への経路を完全に塞ぐような深さのシール材121を用いれば、試料注入口119側への薬液やエアの滞留を低減することができる。
【0035】
以上のような構成により、薬液やエアは図5(a)の矢印で示される方向に、流路114a、送入ポート116a、セル115,送出ポート116b、流路114bの順に流れることができる。また、試料は、試料注入口119から注入され、矢印の方向に送出ポート116bを通ってセル115内に導入される。従って、試料は送出側から注入されることとなり、薬液の供給の流れと試料の注入経路が逆に設定されている。これにより、洗浄工程において、試料の洗浄効率を高めることができる。
【0036】
図6(a)は図5(a)の破線で囲まれた部分の変形例であり、図6(b)は図6(a)の変形例におけるセル115を上面から見た図である。図6(a)に示すように、送入ポート116aはザグリ孔115dを有する。すなわち、送入ポート116aはザグリ孔115dに向けて口径が段階的に広がり、送入ポート116aの開口から離れた位置の口径はザグリ孔115dの口径に比べて小さくなっている。これを上面から見ると、図6(b)に示すような位置関係となる。ザグリ孔115dは送入ポート116aの口径dよりも大きな口径d11を有する。送入ポート116aの外周とシール材24の内周はほぼ一致して配置されている。従って、ザグリ孔115dの外周の一部はセル115の周縁部と重なりを有するように位置している。なお、ザグリ孔115dの外周は円形である必要は無く、図6(b)に示すように、直線115cと平行な方向の孔幅がそれに垂直な方向の孔幅よりも小さく設定される楕円形状でもよい。
【0037】
なお、この図6ではザグリ孔115dを送入ポート116aに設ける場合を示したが、送出ポート116bに同じようなザグリ孔を設けてもよい。
【0038】
このように、セル115の開口部にザグリ孔115dを設けることにより、セル115への導入口がロート状の形状になり、薬液や気泡を吸い出しやすく、薬液や気泡がセル115内に残りにくいという効果を有する。
【0039】
図7は、セル115近傍の各構成要素の位置関係のより詳細な構成を示す図であり、図7(a)は断面図、図7(b)は上面図である。図7(a)において、dはシール材24の高さである。図7(b)において、dはセル115の中心軸Oから外周までの距離、dはシール材24の外径、d,dはそれぞれ送入ポート116a及び送出ポート116bのポート断面の半径であり、d<d,d<dである。送入ポート116a及び送出ポート116bの中心軸をそれぞれO及びOとし、軸Oと軸Oの距離をd01、軸Oと軸Oの距離をd02とすると、d01+d=d、d02+d=dが成立する。セル115の半径dは、3mm〜30mm程度に設定され、送入ポート116a及び送出ポート116bの半径d,dはそれぞれ0.3mm〜2mm程度に設定される。シール材24の高さdは0.5mm程度に設定される。
【0040】
このように、底面が円形のセル115の上面の周縁部に送入ポート116a及び送出ポート116bを開口することにより、薬液の送液の際にセル115内をエアで置換するときに薬液がセル115内から抜け、薬液残りを防止できる。また、エアが充填されたセル115内に薬液を導入する場合にも、セル115内にエア残り無く充填することができる。また、試料注入口119も送出ポート116bに連通するように設けられているため、試料注入の際のセル115内へのエア残りを防止し、セル115内を試料で充填することができる。
【0041】
これにより、DNAプローブの電気化学反応によりセル115内で得られる電流特性のセル115内の面内均一性が向上し、SNPs検出の信頼性が向上する。
【0042】
図7(c)は、基板固定ねじ25でシール材24をチップカートリッジ上蓋112と塩基配列検出チップ21の間に狭着固定させる様子を示している。同図の矢印に示す方向に基板固定ねじ25の固定の際に押圧される。より具体的には、シール材24を塩基配列検出チップ21の上に載置した上でチップカートリッジ上蓋112を基板固定ねじ25で固定することによりシール材24上面とチップカートリッジ上蓋112との間が隙間無く接触し、シール材24下面と塩基配列検出チップ21表面との間が隙間無く接触し、セル115が定められる。
【0043】
なお、チップカートリッジ上蓋112の送入ポート116a及び送出ポート116bの外周とシール材24の内周の位置決めのため、チップカートリッジ上蓋112のセル孔部115a及び115bの外側に受け孔を設けてもよい。これにより、受け孔にシール材24が嵌合してチップカートリッジ上蓋112に対してシール材24が位置決めされる。
【0044】
図8は図7に示すセル115近傍の各構成要素の変形例を示す図である。図8(a)は断面図、図8(b)は上面図である。図7と共通する構成には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。図8が図7と異なるのは、チップカートリッジ上蓋112と一体型の高さd41のシール材24aを用いることと、チップカートリッジ上蓋112にシール材24aとほぼ同じ内径及び外径を有し、チップカートリッジ上蓋112の底面に設けられた高さd42のリング状凸部112aを設けることである。リング状凸部112aは、セル115の中心軸Oと同じ中心軸を有し、かつその内径はd、外径はdである。また、リング状凸部112aには例えばスクリーン印刷などにより予めシール材24aが印刷され、シール材24aと一体的に形成されている。これにより、図7に示す構成のようにシール材とチップカートリッジ上蓋との位置決めを行うことなくセル115を定めることができ、セル115の組み立て工程が簡便になる。
【0045】
図8(c)に示すように、予め固定されたシール材24aを有するチップカートリッジ上蓋112を塩基配列検出チップ21に対して上蓋固定ねじ117を用いて矢印の方向に押圧して固定することにより簡単にセル115を定めることができる。また、高さd41及びd42を図7のシール材の高さdに対してd=d41+d42となるように設計することにより、図7の場合と同じ高さのセル115を定めることができる。また、シール材24aとリング状凸部112aとの一体化は、スクリーン印刷以外の手法を用いてもよい。例えば、シール材24aあるいはリング状凸部112aの一方に突起を設け、他方にこの突起と嵌合する孔部を設けることにより一体化を実現してもよい。この場合、シール材24aをチップカートリッジ上蓋112から自由に取り外すことができるという利点を有する。
【0046】
セル115の形状の変形例の断面図を図9〜図11に示す。
【0047】
図9(a)に示すように、セル115の断面(底面)は半径dの円形をなし、このセル115を取り囲むように外径dの円筒形状のシール材24が配置される。この図9(a)に示す構成は前述した図5や図7に示す構成と共通する。
【0048】
図9(b)は、セル115の形状が多角形である。また、シール材24は外径dの外周を有する点は共通するが、その内周はセル115の多角形状にあわせて多角形をなす。図9(b)では、送入ポート116aから送出ポート116bへの流路の方向とは垂直な方向の幅が、送入ポート116aと送出ポート116bの距離よりも小さく形成されている。これにより、流路の方向に若干細長のセル形状が定められる。これにより、送入ポート116aと送出ポート116bを結んだ直線115cから大きく離れた位置における薬液残りやエア残りが少なくなるため、測定のための各種電気化学反応の面内均一性が向上する。図9(b)では多角形の一形態として八角形の場合を示したが、これに限定されず、三角形、四角形、五角形…の多角形でもよいことはもちろんである。
【0049】
図10(a)は、セル115の形状が楕円形である。シール材24の外周は外径dの円形形状をなし、内周は楕円形状をなす。楕円の中心はOである。楕円の長軸は直線115c上に位置し、長軸の長さは2×dで定められる。楕円の短軸は直線115cとは垂直でかつ中心軸Oを通る直線115e上に位置し、短軸の長さは2×dで定められ、d<dが成立する。このように、楕円形状のセル115を用いると、図9(a)のような円形形状の場合に比較して送入ポート116aから送出ポート116bへの薬液の経路の幅が小さくなり、流路に沿って細長の形状となる。従って、薬液の経路の広がり位置の薬液残りやエア残りが少なくなるため、測定のための各種電気化学反応の面内均一性が向上する。
【0050】
図10(b)は、セル115断面の外周のポート近傍が、多次数方程式により表現される曲線により定められる。シール材24の外周は外径d3の円形形状をなし、内周は多次数方程式により表現される曲線により定められる。セル115の中心Oから、セル115の外周と直線115cの交点までの距離はdである。より具体的には、セル115の外周と直線115cの交点を原点とし、直線115cをy軸、直線115cと垂直に交わり、かつ前記原点を通る直線115fをx軸とすると、セル115の外周の形状は、所定の多次数方程式の曲線の形状に一致する。方程式は自由に設定可能であり、設定により例えば放物線の形状などに設定可能である。
【0051】
なお、この曲線はセル115の送入ポート116a側の半分の外周のみを定めるもので、x軸を直線115gと定めて得られる同様の方程式の曲線により残り半分の送出ポート116b側のセル外周形状が定められる。これにより、送入ポート116aが設けられた上流側と送出ポート116bが設けられた下流側のセル115の外周形状が直線115eを境界として線対称の形状をなす。
【0052】
図10(b)の例では、送入ポート116aの近傍のセル115の断面形状は、送出ポート116bに向かって広がる放物線の形状となっている。また、送出ポート116bの近傍のセル115の断面形状は、送入ポート116aに向かって広がる放物線の形状となっている。これにより、送入ポート116a及び送出ポート116b近傍でかつ送入ポート116aと送出ポート116bを結んだ経路から外れた領域、すなわちポート隅の領域が、図9(a)のような円形断面の場合に比較して狭くなる。その結果、ポート隅の領域にエアや薬液が残りにくくなり、測定の電流特性が向上する。また、送入ポート116aと送出ポート116bの距離に比較して、セル115の幅、すなわち流路とは垂直な方向の幅が狭くなっている点は図9(b)や図10(a)と同じである。
【0053】
図11(a)は図10(b)の変形例である。図10(b)の場合、送入ポート116aが設けられた上流側と送出ポート116bが設けられた下流側のセル115の外周形状が互いに線対称の場合を示したが、この図11(a)の場合非対称の形状をなす。セル115の外周と直線115cの交点を原点とし、直線115cをy軸、直線115cと垂直に交わり、かつ前記原点を通る直線を115fをx軸とすると、セル115の外周の形状は、所定の多次数方程式の曲線の形状に一致する。
【0054】
同図の場合、方程式は送入ポート116a側と送出ポート116b側とで異なる値に設定される。これにより、同図に示すように、直線115eを境界として薬液の上流側と下流側で非対称な形状のセルが構成される。送出ポート116b側が、セル115の外側に凸の形状となっており、送入ポート116a側はセル115の外側に若干凸の形状となっているが、その曲率は送出ポート116b側よりも大きい。
【0055】
もちろん、送入ポート116a側と送出ポート116b側とでセル115の形状を図11(a)に示す場合とは逆にしてもよい。さらに後述するように、送出ポート116bの形成位置とシール材24の位置にわずかに間隙を設けてもよい。
【0056】
上流側、あるいは下流側のいずれか一方のセル外周を多次数方程式で表現される曲線の形状にし、他方はそのような方程式で表現されない曲線の形状としてもよいし、双方とも多次数方程式で表現できない曲線の形状にしてもよい。
【0057】
図11(b)は図9(b)の変形例である。図9(b)と同様に、セル115の外周形状が多角形であるが、図11(b)の場合正六角形である。この正六角形の中心に対して互いに点対称な位置にある2つの頂点が、直線115c上に位置している。そして、この2つの頂点近傍の正六角形外周に接するようにセル孔部115a及び115bが配置されている。また、送入ポート116aと送出ポート116bの距離に比較して、セル115の幅、すなわち流路とは垂直な方向の幅が狭くなっている点は図9(b)などと同じである。
【0058】
なお、上述の図9(a)、(b)、図10(a)、(b)及び図11(a)、(b)では、参考のため送入ポート116a及び送出ポート116bの外周位置、すなわちセル孔部115a及び115bの外周位置がセル115の外周と接する場合を例に説明してあるが、送入ポート116a又は送出ポート116bとセル115の外周がセル115内に収まる場合や、セル115外にはみ出す場合(例えばザグリ孔115dが用いられる場合)にも適用可能である。
【0059】
セル115と送入ポート116a及び送出ポート116bとの位置関係の変形例の断面図を図12〜図16に示す。なお、これら図12〜図16における送入ポート116a及び送出ポート116bの位置は、これらポートのセル孔部115a及び115bにおける外周位置、すなわちセル115に対する開口位置を示すものであり、ザグリ孔115dが用いられる場合には、ザグリ孔115dの断面の外周位置を示す。
【0060】
位置関係は、送入側/送出側の別と、セル115断面の外周と送入ポート116a又は送出ポート116bが重なる場合/接する場合/離れている場合の別、送入ポート116aと送出ポート116bがセル115の中心軸Oに対して対称の位置にある場合/非対称の位置にある場合の別により、少なくとも18種類の組合せが考えられる。
【0061】
また、図12〜図16では、図5、図7や図9(a)に示した場合と同様に、セル115の断面形状が円形形状の場合を例に説明するが、図9(b)や図10(a)、(b)、図11(a)、(b)に示す場合にもセル形状を変更するのみで同様に適用可能である。
【0062】
図12(a)は、送入側、送出側ともにセル115断面の外周にポート外周が重なる場合を示す。図7(b)と同様に、dを円形のセル115の中心Oからの外周までの距離、dをシール材24の外径、d,dをそれぞれ送入ポート116a及び送出ポート116bのポート断面(セル孔部115a及び115b断面)の半径、送入ポート116a及び送出ポート116bの中心軸をO及びOとし軸Oと軸Oの距離をd01、軸Oと軸Oの距離をd02とすると、d01+d>d、d02+d>dが成立する。
【0063】
図12(b)は、送入側はセル115断面の外周にポート外周が重なり、送出側はセル115断面の外周にポート外周が接する場合を示す。この例の場合、d01+d>d、d02+d=dが成立する。
【0064】
図13(a)は、送入側はセル115断面の外周にポート外周が接し、送出側はセル115断面の外周にポート外周が重なる場合を示し、図12(b)の場合とは送入側の構成と送出側の構成が逆になった場合を示す。この例の場合、d01+d=d、d02+d>dが成立する。
【0065】
図13(b)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が重なり、送出側はセル115断面の外周とポート外周が離れている場合を示す。この例の場合、d01+d>d、d02+d<dが成立する。
【0066】
図14(a)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が離れており、送出側はセル115断面の外周とポート外周が重なる場合を示す。この例の場合、d01+d<d、d02+d>dが成立する。
【0067】
図14(b)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が接し、送出側はセル115断面の外周にポート外周が接する場合を示す。この例の場合、d01+d=d、d02+d=dが成立する。この例は図7(b)に示した場合と共通する。
【0068】
図15(a)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が接し、送出側はセル115断面の外周にポート外周が離れている場合を示す。この例の場合、d01+d=d、d02+d<dが成立する。
【0069】
図15(b)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が離れており、送出側はセル115断面の外周とポート外周が接する場合を示す。この例の場合、d01+d<d、d02+d=dが成立する。
【0070】
図16(a)は、送入側はセル115断面の外周とポート外周が離れており、送出側はセル115断面の外周にポート外周が離れている場合を示す。この例の場合、d01+d<d、d02+d<dが成立する。
【0071】
以上、図12〜図15、図16(a)は、ポートとセルの重なりの有無による9つの変形例を示した。図16(b)は、これらポートとセルの重なりの有無による9つの変形例にさらに組み合わせて適用できる。これら9つの変形例は、送入ポート116aと送出ポート116bがセル115の中心Oに対して対称の位置にある場合を示したが、図16(b)は、送入ポート116aと送出ポート116bがセル115の中心Oに対して非対称の位置にある例を示す。従って、9つの変形例にさらにこの図16(b)を組み合わせることにより、少なくとも18の組合せが実現できる。
【0072】
図16(b)に示すように、送入ポート116aと送出ポート116bを結んだ直線は、セル115の中心軸Oを通らない。すなわち、送入ポート116aの中心Oとセル115の中心Oを結んだ直線115hが、送出ポート116bの中心Oとセル115の中心Oを結んだ直線115cと一致しない。従って、送入ポート116aと送出ポート116bがセル115の中心Oに対して非対称の位置に設けられている。
【0073】
図16(b)では、送液側はセル115断面の外周にポート外周が重なり、吐液側はセル115断面の外周にポート外周が接する場合、すなわちd01+d>d、d02+d=dが成立する場合(図12(b)に相当)を示しているが、図12(b)を除く図12〜図15、図16(a)に示す残り8つの変形例で示した位置関係を適用してもよいことはもちろんである。
【0074】
以上図9〜図16に示したセル115の形状の組合せのうち最適と考えられる形状を図36(a)及び(b)に示す。図36(a)は、図11(a)のセル形状と図13(a)のポートの位置関係を組み合わせた例、図36(b)は、図10(a)のセル形状と図13(a)のポートの位置関係を組み合わせた例である。
【0075】
図36(a)及び(b)に示すように、送入ポート116aから送出ポート116bへの流路を考えた場合、いずれも各ポート間の距離よりも流路の幅が狭い細長のセル形状となっている。これにより、送入ポート116aと送出ポート116bを結んだ直線から大きく離れた地点における薬液残りやエア残りが少なくなり、測定のための電気化学反応の面内均一性が向上する。
【0076】
また、送入ポート116aのポート隅の領域は狭く、そのポート隅近傍におけるセル周縁を定める曲線の曲率は、送出ポート116bのポート隅近傍におけるセル周縁を定める曲線の曲率よりも大きくなっている。さらに、送入ポート116aの周縁部は、セル115上面の周縁部と接するか、あるいは重なるように形成されている。また、送出ポート116bの周縁部は、セル115上面の周縁部と離れて形成されている。これにより、薬液やエア送入の際に送入ポート116aのポート隅近傍に生じやすい薬液残りやエア残りを低減することができるとともに、薬液や送出の際に送出ポート116bのポート隅で生じる送液速度のばらつきを低減することができ、エア残りなどを低減することができる。
【0077】
次に、前述した塩基配列検出チップ21及びプリント基板22の製造方法について図17の工程断面図に沿って説明する。
【0078】
シリコン基板211を洗浄した後、シリコン基板211を加熱し、シリコン基板211表面に熱酸化膜212を形成する。シリコン基板211の代わりにガラス基板を用いてもよい。
【0079】
次に、基板全面にTi膜213を例えば50nmの膜厚で、次いでAu膜214を例えば200nmの膜厚でスパッタリングにより形成する。ここで、Au膜214はその結晶面方位が<111>配向になっていることが好ましい。次に、後に電極や配線となる領域を保護するようにフォトレジスト膜210をパターニングし(図17(a))、Au膜214及びTi膜213膜をエッチングする(図17(b))。本実施形態ではAu膜214のエッチングにはKI/I混合溶液を、TiのエッチングにはNHOH/H混合溶液を用いた。Au膜214のエッチングには、希釈した王水を用いる方法や、イオンミリングで除去する方法もある。Ti膜213のエッチングも、同様に、弗酸や、バッファード弗酸を用いてウェットエッチング処理する方法や、例えば、CF/O混合ガスによるプラズマを用いたドライエッチングによる方法も適用可能である。
【0080】
次に、フォトレジスト膜210を酸素アッシングにより除去する(図17(c))。フォトレジスト膜210の除去工程は、溶剤を用いたり、レジストストリッパを用いたり、また、これらと酸素アッシング工程を併用したりして行うことも可能である。
【0081】
次に、全面にフォトレジスト膜215を塗布し、電極部及びボンディングパッドを開口するようにパターニングする(図17(d))。その後、クリーンオーブン内で、例えば、200℃において、30分間ハードベイクを行う。ハードベイクの方法は、熱板を用いたり、また、処理条件も適宜変更可能である。ここでは、フォトレジスト膜215を保護膜として選択したが、フォトレジスト以外に、ポリイミド、BCB(ベンゾシクロブテン)等の有機膜を用いることも可能である。また、SiO、SiOやSiNのような無機膜を保護膜に用いても良い。その場合、電極部を保護するようにフォトレジスト膜215を開口してSiO等を堆積し、リフトオフ法により、電極部以外の領域を保護したり、もしくは、全面にSiN等を形成した後、電極部のみを開口するようにフォトレジスト膜215をパターン形成し、エッチングにより電極上のSiN膜等を除去し、最後にフォトレジスト膜215を剥離することにより形成してもよい。
【0082】
次に、ダイシングを行うことによりチップ化する。最後に、電極部表面を清浄化するため、CF/O混合プラズマによる処理を行う。これにより、塩基配列検出チップ21が得られる。そして、この塩基配列検出チップ21を電気コネクタ22aが実装されたプリント基板22上にマウントする。そして、塩基配列検出チップ21のボンディングパッドとプリント基板22上のリード配線とをワイヤボンディングにより接続する。その後、封止樹脂23を用いてワイヤボンディング部分を保護する。
【0083】
以上の工程により、塩基配列検出チップ21を実装したプリント基板22を作製することができる。
【0084】
作製された塩基配列検出チップ21の上面図を図18に示す。図18に示すように、チップ表面の中央近傍には、電極21aが複数設けられている。この図18における四角形状の電極21aは作用極及び対極として用いられる電極であり、これら作用極及び対極の集合をほぼ4分割するように縦方向と横方向にほぼ垂直に交わる十字型の電極21bが参照極として用いられる電極である。また、これら電極21a,21bが形成される領域は、破線で示されるセル115の底面に重なるようにして用いられる。また、チップ周辺部にはボンディングパッド221が配置される。そして、電極21aの各々と、電極21bは、それぞれボンディングパッド221に配線222で接続される。なお、この図18では示していないが、ボンディングパッド221の形成された周辺部分は前述の封止樹脂23により封止される。
【0085】
次に、送液系13の具体的な構成の一例を図19を用いて説明する。この送液系13は、カセット11の流路114a側に設けられた供給系統と、流路114b側に設けられた排出系統に大別される。
【0086】
配管404の最上流には、エア供給源401が接続されている。このエア供給源401の下流側には、エア以外の薬液などが配管404を介してエア供給源401に逆流するのを防止する逆止弁402が設けられ、さらに下流側には2方電磁弁403(V)が設けられている。これにより配管404からチップカートリッジ11の方へ流れ込むエアの流量が制御される。
【0087】
配管414には、薬液の一つとしてのミリQ水を収容したミリQ水供給源411が接続されている。このミリQ水供給源411の下流側には、ミリQ水以外の薬液やエアなどがミリQ水供給源411に逆流するのを防止する逆止弁412が設けられ、さらに下流側には3方電磁弁413(Vwa)が設けられている。この3方電磁弁413により、配管404と配管415の連通と、配管414と配管415の連通の切替が行われる。すなわち、3方電磁弁413の非通電時には配管404を配管415に連通させ、通電時には配管414を配管415に連通させる。これにより、配管415へのエアとミリQ水の供給切替が行える。
【0088】
配管424には、薬液の一つとしてのバッファ(緩衝液)を収容したバッファ供給源421が接続されている。このバッファ供給源421の下流側には、バッファ以外の薬液やエアなどがバッファ供給源421に逆流するのを防止する逆止弁422が設けられ、さらに下流側には3方電磁弁423(Vba)が設けられている。この3方電磁弁423により、配管424と配管425の連通と、配管415と配管425の連通の切替が行われる。すなわち、3方電磁弁423の非通電時には配管415を配管425に連通させ、通電時には配管424を配管425に連通させる。これにより、配管425へのバッファの供給と、エアあるいはミリQ水の供給の切替が行える。
【0089】
配管434には、薬液の一つとしての挿入剤を収容した挿入剤供給源431が接続されている。この挿入剤供給源431の下流側には、挿入剤以外の薬液やエアなどが挿入剤供給源431に逆流するのを防止する逆止弁432が設けられ、さらに下流側には3方電磁弁433(Vin)が設けられている。この3方電磁弁433により、配管434と配管435の連通と、配管425と配管435の連通の切替が行われる。すなわち、3方電磁弁433の非通電時には配管425を配管435に連通させ、通電時には配管434を配管435に連通させる。これにより、配管435への挿入剤の供給と、エア、ミリQ水あるいはバッファの供給の切替が行える。
【0090】
以上、エアや薬液の供給系統において、2方電磁弁403及び3方電磁弁413,423及び433を制御することにより、配管435を介してチップカートリッジ11に供給されるエアや、ミリQ水、バッファ及び挿入剤などの薬液の供給の切替を行い、また供給されるエアやこれら薬液の流量を制御することができる。
【0091】
配管435の上流側は前述した3方電磁弁433が連通し、その下流側は3方電磁弁441(Vcbin)が連通している。3方電磁弁441により、配管435が配管440及びバイパス配管446に分岐させることができる。3方電磁弁441は、非通電時には配管435をバイパス配管446に連通させ、通電時には配管435を配管440に連通させる切替を行う。また、3方電磁弁445は、非通電時にはバイパス配管446を配管450に連通させ、通電時には配管440を配管450に連通させる切替を行う。これら3方電磁弁441及び445により、各種薬液やエアなどの供給をバイパス配管446及び配管440に切替えることができる。
【0092】
配管440には、3方電磁弁441から見て下流側に向かって順に2方電磁弁442(V1in)、チップカートリッジ11、液センサ443、2方電磁弁444(V1out)、3方電磁弁445(Vcbout)が設けられている。2方電磁弁442側には、チップカートリッジ11の送入系統に相当する流路114aが連通し、2方電磁弁444側には、チップカートリッジ11の送出系統に相当する流路114bが連通している。これにより、チップカートリッジ11の送入系統に配管440を介して薬液やエアなどが供給され、チップカートリッジ11の送出系統からこれら薬液やエアなどを排出することができる。また、2方電磁弁442及び444により、この送液及び吐液の経路における薬液やエアなどの流量を制御することができる。また、液センサ443により、チップカートリッジ11に流れ込み、あるいはチップカートリッジ11から排出される薬液の流量をモニタすることができる。
【0093】
配管450には、3方電磁弁445から見て下流側に向かって順に2方電磁弁451(Vvin)、減圧領域452、2方電磁弁453(Vout)、送液ポンプ454、3方電磁弁455(Vww)が設けられている。2方電磁弁451及び453は、減圧領域452前後の経路における薬液やエアの逆流を防止する。また、送液ポンプ454はチューブポンプからなり、チップカートリッジ11から見て送出側(下流側)の排出系統に設けられている点が特徴である。すなわち、チューブポンプを用いることにより、薬液がチューブ壁以外の機構に接しないため、汚染防止の観点から好ましい。また、チップカートリッジ11への薬液やエアの供給及び排出を吸引動作により行うことにより、チップカートリッジ11内部での薬液とエアの置換が潤滑に行うことができるのみならず、万一の場合として配管に緩みが生じたり、もしくはチップカートリッジ11が配管440から外れたりした場合にも、液漏れが生じない。これにより、装置設置の安全性が向上する。
【0094】
もちろん、ポンプをチップカートリッジ11上流側の配管に設け、このポンプによりチップカートリッジ11にエアや薬液を押し出す構成としてもよい。また、ポンプは、チューブポンプに限ることなく、シリンジポンプ、プランジャポンプ、ダイアフラムポンプ、マグネットポンプ等を用いることもできる。
【0095】
3方電磁弁455は、非通電時には配管450を配管461に連通させ、通電時には配管450を配管463に連通させるように切替を行う。配管461には廃液タンク462が設けられ、配管463には挿入剤廃液タンク464が設けられている。これにより、挿入剤以外のミリQ水、バッファなどの薬液を3方電磁弁455の切替により廃液タンク462に導き、挿入剤を挿入剤廃液タンク464に導くことができる。これにより、挿入剤を分別回収することが可能となる。
【0096】
なお、各電磁弁の間は、テフロンチューブ等の配管で接続してもよいが本実施形態では、チップカートリッジ11に対してその上流側と下流側でそれぞれ電磁弁と流路を一体型構造としたマニフォールド構造で構成している。これにより、配管内の容量が少なくなることから、必要な薬液量を大幅に削減できる。また、配管内における薬液流れが安定するため、検出結果の再現性や安定性が向上する。
【0097】
この図19に示す送液系13を用いた塩基配列検出のための送液工程を図20のフローチャートを用いて説明する。
【0098】
まず、電極21a上に固定化されたDNAプローブと試料とのハイブリダイゼーション反応をセル115内で実行させる(s21)。このハイブリダイゼーション反応の実行では、例えばチップカートリッジ11の底面、すなわちプリント基板22の底面が45℃程度となるように温度制御機構14を制御し、例えば60分間保持する。
【0099】
このハイブリダイゼーション反応と並行して、薬液ラインの立ち上げを行う(s22)。具体的には、3方電磁弁441及び445を制御することによりバイパス配管446側を利用し、3方電磁弁433を通電させることで挿入剤供給源431から挿入剤を例えば10秒程度供給する。3方電磁弁455は通電させ、配管450からの挿入剤は挿入剤廃液タンク464に収容される。次いで、挿入剤とエアを交互に例えば5秒ずつ程度繰り返し配管435からバイパス配管446に導入する。次いで、エアのみを配管435からバイパス配管446に導入する。この段階で廃液タンク462に廃液切替を行う。そして、バッファをバッファ供給源421からバイパス配管446に導入する。その後、ミリQ水とエアを交互に例えば5秒ずつ程度繰り返し配管435からバイパス配管446に導入する。
【0100】
この薬液ラインの立ち上げが終了し、ハイブリダイゼーション反応が終了すると、配管内洗浄が行われる(s23)。配管内洗浄は、例えば温度制御機構14によりプリント基板22の温度を25℃程度とした上で、ミリQ水でバイパス配管446をパージした後、エアとミリQ水を交互に例えば5秒ずつ程度繰り返し導入する。次に、チップカートリッジ内洗浄が行われる(s24)。チップカートリッジ内洗浄は、薬液導入経路をバイパス配管446から配管440に切り替え、エアとミリQ水を交互に例えば5秒ずつ程度繰り返し配管440に導入する。そして、液センサ443によりチップカートリッジ11内に水が充填されたことを確認した上で、導入経路をバイパス配管446に切り替える。
【0101】
次に、配管内バッファパージが行われる(s25)。配管内バッファパージでは、バッファとミリQ水が混合しないようにまずエアをバイパス配管446に導入する。次に、エアとバッファを交互に例えば5秒ずつ程度繰り返しバイパス配管446に導入する。そして、バイパス配管446に設けられた液センサ447によりバイパス配管446がバッファで置換されたことを確認する。
【0102】
次に、チップカートリッジ内バッファ注入が行われる(s26)。チップカートリッジ内バッファ注入では、まずバイパス配管446から配管440に切り替え、エアとバッファを交互に例えば5秒ずつ程度繰り返しチップカートリッジ11内に導入する。
【0103】
次に、チップカートリッジ11へのバッファ充填が行われる(s27)。バッファ充填では、液センサ443でチップカートリッジ11内の状態を監視しながらバッファをチップカートリッジ11に導入し、例えば60℃で30分間放置することにより、不要な試料の洗浄を行う(s28)。不要な試料の洗浄工程後、配管440からバイパス配管446に切り替え、ミリQ水を導入することにより配管内洗浄が行われる(s29)。この配管内洗浄では、さらにエアとミリQ水が交互に例えば5秒程度ずつ繰り返し導入される。
【0104】
次に、チップカートリッジ内洗浄が行われる(s30)。チップカートリッジ内洗浄では、バイパス配管446からチップカートリッジ11に切り替えられ、エアと水が交互に例えば5秒程度ずつ繰り返し導入される。その後、液センサ443によりチップカートリッジ11内にミリQ水が充填されたことを確認した上でバイパス配管446に切り替えられる。
【0105】
次に、測定が開始される。測定では、まず配管内挿入剤パージが行われる(s31)。この配管内挿入剤パージでは、バイパス配管446にエアを導入しながら廃液を挿入剤廃液タンク464に切り替える。次に、エアと挿入剤を交互に例えば5秒程度ずつ繰り返しバイパス配管446に供給した後、バイパス配管446が挿入剤で置換されたかを液センサ447を用いて検出する。
【0106】
次に、チップカートリッジ11内挿入剤注入が行われる(s32)。この工程では、先ずバイパス配管446からチップカートリッジ11側に切り替えられた後、エアと挿入剤が交互に例えば5秒ずつ程度繰り返し導入される。
【0107】
次に、液センサ443での監視の下、チップカートリッジ11への挿入剤充填が行われる(s33)。その後測定が行われる(s34)。
【0108】
測定が終了すると、バイパス配管446にミリQ水を導入し、次いでエアとミリQ水を交互に例えば5秒程度ずつ導入した後エアで置換して配管内洗浄が行われる(s35)。
【0109】
最後に、バイパス配管446からチップカートリッジ11に置換してエアとミリQ水を交互に例えば5秒程度ずつ導入し、チップカートリッジ11内をさらにエアで置換してチップカートリッジ内洗浄が行われ(s36)、一連の送液工程が終了する。
【0110】
このように、図19の送液系13を用いた図20に示した工程によれば、薬液の置換を効率的に行うため、薬液/エア/薬液/エアというように、配管内をエアと薬液が交互に流れるシーケンスを作って送液することができる。このような送液方法とすることにより、薬液交換において、古い薬液と新しい薬液の混合を最小限にすることが可能である。その結果、液交換の遷移状態が減り、最終的な電気化学特性の再現性を向上することができる。更に、薬液交換の効率化による、送液時間の短縮・薬液量の削減を実現することが出来る。また、このような薬液/エアシーケンス送液により、反応セル115内の薬液濃度を常に一定に保つことが出来るので、電流特性の面内均一性が向上、即ち検出の信頼性が向上する。
【0111】
また、セル115内への薬液充填の方法として、気泡が混入してしまう場合の対処として、チップカートリッジ出口バルブとしての2方電磁弁444を閉じた状態で、チップカートリッジ下流側の配管440内を減圧状態にして(ポンプ454を動作させた状態で、2方電磁弁451を制御することにより、減圧領域452を減圧してから2方電磁弁453を制御して、減圧領域452の減圧状態を保つ)から、2方電磁弁444を開けることにより、チップカートリッジ反応セル115内に薬液を導入することができる。
【0112】
なお、この図20に示した送液のタイミングはほんの一例にすぎず、測定の目的、対象、条件などに応じて種々変更することができる。
【0113】
図21は、測定系12の具体的な構成を示す図である。この図21に示す測定系12は、対極502の入力に対して参照極503の電圧を負帰還させることにより、セル115内の電極や溶液などの各種条件の変動によらずに溶液中に所望の電圧を印加する3電極方式のポテンシオ・スタット12aである。
【0114】
より具体的には、ポテンシオ・スタット12aは、作用極501に対する参照極503の電圧をある所定の特性に設定されるように対極502の電圧を変化させ、挿入剤の酸化電流を電気化学的に測定する。
【0115】
作用極501は、標的塩基配列とは相補的な標的相補塩基配列を有するDNAプローブが固定化される電極であり、セル115内の反応電流を検出する電極である。対極502は、作用極501との間に所定の電圧を印加してセル115内に電流を供給する電極である。参照極503は、参照極503と作用極501との間の電圧を所定の電圧特性に制御すべく、その電極電圧を対極502に負帰還させる電極であり、これにより対極502による電圧が制御され、セル115内の各種検出条件に左右されない精度の高い酸化電流検出が行える。
【0116】
電極間を流れる電流を検出するための電圧パターンを発生させる電圧パターン発生回路510が配線512bを介して参照極503の参照電圧制御用の反転増幅器512(OP)の反転入力端子に接続されている。
【0117】
電圧パターン発生回路510は、制御機構15から入力されるデジタル信号をアナログ信号に変換して電圧パターンを発生させる回路であり、DA変換器を備える。
【0118】
配線512bには抵抗Rが接続されている。反転増幅器512の非反転入力端子は接地され、出力端子には配線502aが接続されている。反転増幅器512の反転入力端子側の配線512bと出力端子側の配線502aは配線512aで接続されている。この配線512aには、フィードバック抵抗Rff及びスイッチSWからなる保護回路500が設けられている。
【0119】
配線502aは端子Cに接続されている。端子Cは、塩基配列検出チップ21上の対極502に接続されている。対極502が複数設けられている場合には、各々に対して並列に端子Cが接続される。これにより、1つの電圧パターンにより複数の対極502に同時に電圧を印加することができる。
【0120】
配線502aには、端子Cへの電圧印加のオンオフ制御を行うスイッチSWが設けられている。
【0121】
反転増幅器512に設けられた保護回路500により、対極502に過剰な電圧がかからないような構成となっている。従って、測定時に過剰な電圧が印加され、溶液が電気分解されてしまうことにより、所望の挿入剤の酸化電流検出に影響を及ぼすことが無く、安定した測定が可能となる。
【0122】
端子Rは配線503aにより電圧フォロア増幅器513(OP)の非反転入力端子に接続されている。電圧フォロア増幅器の反転入力端子は、その出力端子に接続された配線513bと配線513aにより短絡している。配線513bには抵抗Rが設けられており、配線512bの抵抗と、配線512aと配線512bの交点との間に接続されている。これにより、電圧パターン発生回路510により生成される電圧パターンに、参照極503の電圧をフィードバックさせた電圧を反転増幅器512に入力させ、そのような電圧を反転増幅した出力に基づき対極502の電圧を制御する。
【0123】
端子Wは配線501aによりトランス・インピーダンス増幅器511(OP)の反転入力端子に接続されている。トランス・インピーダンス増幅器511の非反転入力端子は接地され、その出力端子に接続された配線511bと配線501aとは配線511aにより接続されている。配線511aには抵抗Rが設けられている。このトランス・インピーダンス増幅器511の出力側の端子Oの電圧をV、電流をIとすると、V=I・Rとなる。この端子Oから得られる電気化学信号は制御機構15に出力される。作用極501は複数あるため、端子W及び端子Oは作用極501のそれぞれに対応して複数設けられる。複数の端子Oからの出力は後述する信号切替部により切り替えられ、AD変換されることにより各作用極501からの電気化学信号をデジタル値としてほぼ同時に取得することができる。なお、端子W及び端子Oの間のトランス・インピーダンス増幅器511などの回路は、複数の作用極501で共有してもよい。この場合、配線501aに複数の端子Wからの配線を切り替えるための信号切替部を備えればよい。
【0124】
この図21のポテンシオ・スタット12aを用いた測定系12の効果を従来のポテンシオ・スタットを用いた場合と比較して説明する。従来のポテンシオ・スタットを図22に示す。図22に示すように、従来のポテンシオ・スタット12a’の構成は、図21の示すポテンシオ・スタット12aとほぼ共通する。異なるのは、反転増幅器512に保護回路500が設けられていない点である。電圧パターン発生回路510の出力端子Iにおける電圧をVrefin、端子Cにおける電圧をV、端子Rの電圧をVrefoutとする。参照極503の負帰還により、Vrefout=R/R・Vrefinが成立する。
【0125】
この場合、電圧Vrefin、スイッチSWやSWのスイッチ切替状態、電圧Vc及び電圧Vrefoutの電圧特性やスイッチ切替状態の一例をポテンシオ・スタット12aについて示したのが図23、ポテンシオ・スタット12a’について示したのが図24である。
【0126】
図23で、(a)は電圧Vrefinの電圧波形、(b)はスイッチSWのスイッチ切替状態、(c)はスイッチSWのスイッチ切替状態、(d)は電圧Vの電圧波形、(e)は電圧Vrefoutの電圧波形である。
【0127】
図24で、(a)は電圧Vrefinの電圧波形、(b)はスイッチSWのスイッチ切替状態、(c)は電圧Vの電圧波形、(d)は電圧Vrefoutの電圧波形である。
【0128】
従来のポテンシオ・スタット12a’における測定手法を図24を用いて説明する。
【0129】
例えば図24(a)に示すように、時間tからtまで一定の電圧を与え、その後時間tに電圧0となるように線形的に電圧を減少させるような電圧パターンを電圧パターン発生回路510で発生させる。そして、例えば図24(b)に示すように、時間tから所定の時間経過した時間tにおいて、スイッチSWを閉じて対極502に電圧を付与する場合を想定する。この場合、測定の開始時、すなわちスイッチSWを閉じるまではスイッチSWが開いた状態となっている。
【0130】
反転増幅器512の利得は非常に大きいため、スイッチSWがONされフィードバックループが構成される前に、反転増幅器512の反転入力端子に多少の電圧が印加されていれば、反転増幅器512の出力は飽和状態となる。一方、電圧Vrefinが0Vでも、反転増幅器512の入力オフセット電圧のために飽和状態となる。この場合、入力オフセット電圧の反対の極性に飽和する。
【0131】
このように、反転増幅器512の出力電圧は反転増幅器512の電源電圧の近傍まで飽和状態となっている。従って、スイッチSWが閉状態となったとき、対極502に過剰な電圧が印加される。この過剰な電圧は、図24(a)の斜線で示した部分に相当する。この過剰電圧により、セル115内の溶液に電気分解などの意図しない電気化学反応が生じる。その結果、本来意図すべき電気化学反応の測定に悪影響を及ぼす。
【0132】
この従来のポテンシオ・スタット12a’の不都合を解消すべく、本実施形態のポテンシオ・スタット12aでは、保護回路500を用いる。本実施形態のポテンシオ・スタット12aの場合、測定を開始する前、すなわち時間tよりも前の初期状態では、電圧Vrefinを0V、スイッチSWを閉状態、かつスイッチSWを開状態とする。まず、時間tでスイッチSWを閉状態にする。この状態では、スイッチSWは未だ開状態であり、保護回路500は機能していない。反転増幅器512は常に負帰還をかけた状態で用いられるので、対極502には過剰な電圧が印加されない。
【0133】
この時間tから所定の時間後の時間tで、スイッチSWを閉状態とし、保護回路500を機能させる。その後、時間tから電圧パターン発生回路510で発生させた電圧Vrefinを印加する。この電圧Vrefinにより、所望の電圧が参照極503に設定されるので、その応答は一次遅れの特性を持ち、対極502には過剰の電圧がかかることは無い。
【0134】
図25はポテンシオ・スタット12aと12a’における対極502に印加される電流/電圧特性曲線を示す図である。図25に示すように、従来のポテンシオ・スタット12a’の場合、電流及び電圧ともに大きくマイナスになる特性を持つのに対して、本実施形態のポテンシオ・スタット12aの場合、電圧がマイナスになっても電流が一定値におさまる。電圧がマイナスの値になると、セル115の溶液中の意図しない電気分解が進行してしまう。これにより、例えば電極に気泡が発生したり、電極の組成が変わってしまうなどの弊害があった。これに対して本実施形態の例のように保護回路500を設けることにより、意図しない電圧が対極502に印加されるのを防止することができるため、意図しない電気分解がセル115内の薬液中で生じるのを回避することができる。従って、所望の挿入剤の酸化電流検出に影響を及ぼすことがなく、安定した測定が可能である。
【0135】
図21に示す測定系12としてのポテンシオ・スタット12aの変形例を図26〜図29に示す。図26及び図27は測定系12として3電極方式のポテンシオ・スタットが用いられる例を、図28及び図29は測定系12として4電極方式のポテンシオ・スタットが用いられる例を示す。
【0136】
図26に示すポテンシオ・スタット12bは、図21に示すポテンシオ・スタット12aと基本的な構成は共通する。同一構成には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。ポテンシオ・スタット12bは、配線512aを含めて保護回路500が設けられていない点がポテンシオ・スタット12aと異なる。この保護回路500の代わりに、配線502aに抵抗Rが設けられている。このように、対極502側の反転増幅器512の出力に直列に抵抗Rを接続することにより、電気二重層容量により対極にかかる電圧は一次遅れとなる。これにより、セル115中の薬液に対する影響を少なくすることができる。
【0137】
図27に示すポテンシオ・スタット12cは、ポテンシオ・スタット12aや12bとは構成が若干異なる。このポテンシオ・スタット12cでは、電流検出抵抗Rを対極502側に設け、その検出電流を高入力インピーダンス差動アンプ520で電圧に変換する。以下、その構成をより詳細に説明する。
【0138】
図27に示すように、電極間を流れる電流を検出するための電圧パターンを発生させる電圧パターン発生回路510が配線512bを介して反転増幅器512(OP)の反転入力端子に接続されている。この配線512bには抵抗Rが接続されている。反転増幅器512の非反転入力端子は接地され、出力端子には配線512fが接続されている。反転増幅器512の出力端子と反転入力端子は保護回路500で接続されている。
【0139】
配線512fは端末Cへの電圧印加のオンオフ制御を行うスイッチSWが設けられている。また、配線512fには、交点512cで2つの配線521a及び521bに分岐している。配線521aは、高入力インピーダンス差動アンプ520のうちの増幅器522の非反転入力端子に接続されている。
【0140】
配線521bには、電流検出抵抗Rが設けられている。さらにこの配線521bは交点521dで配線502aと配線521eに分岐している。配線502aは端子Cに接続され、配線521eは高入力インピーダンス差動アンプ520における増幅器523の非反転入力端子に接続されている。
【0141】
参照極503側の端子Rから反転増幅器512の反転入力端子に電圧をフィードバックさせるための電圧フォロア増幅器513、配線513a及び513b、抵抗Rの構成は図21と共通する。
【0142】
作用極501側の端子Wは、配線501aにより接地される。
【0143】
高入力インピーダンス差動アンプ520は、電流検出抵抗Rを経ない配線521aからの出力と、電流検出抵抗Rを経た配線521eの出力の差動電圧を増幅して端子Oに出力する。増幅器522及び523の各々の反転入力端子は抵抗Rを有する配線522aで接続される。増幅器522の反転入力端子と出力端子は抵抗Rを有する配線522bにより接続される。増幅器523の反転入力端子と出力端子は抵抗Rを有する配線523aにより接続される。増幅器522の出力は抵抗Rを介して増幅器524の反転入力端子に接続される。増幅器523の出力は抵抗Rを介して増幅器525の非反転入力端子に接続される。増幅器524は抵抗Rを介して接地される。増幅器524の反転入力端子と出力端子は抵抗Rを有する配線522dにより接続される。増幅器524の出力端子は配線524bにより端子Oに接続される。
【0144】
このポテンシオ・スタット12cの場合、作用極501ではなく対極502側から酸化電流を検出する。
【0145】
このように、図27に示すようなポテンシオ・スタット12cを用いても、ポテンシオ・スタット12aと同様の効果を得ることができる。
【0146】
図28に示す4電極方式のポテンシオ・スタット12dの対極502側及び作用極501側の構成は図21のポテンシオ・スタット12aの構成と共通する。ポテンシオ・スタット12dの場合、2つの参照極5031及び5032からの電圧を高入力インピーダンス差動アンプ520を用いて差動増幅し、その出力電圧を対極502側の反転増幅器512にフィードバックさせる。このように、2つの参照極間の電位差を検出し、その値が所定の電圧特性となるように対極502からの供給電流を制御する。
【0147】
図28に示すように、参照極5031側の端子Rは、増幅器523の非反転入力端子に接続されている。参照極5032側の端子Rは増幅器522の非反転入力端子に接続されている。高入力インピーダンス差動アンプ520は、これら増幅器522及び523の各々の非反転入力端子の2つの電圧を差動増幅して出力する。その出力側には抵抗Rを介して配線512bに接続されている。
【0148】
このように、図28に示すポテンシオ・スタット12dを用いても、ポテンシオ・スタット12aと同様の効果を得ることができる。
【0149】
図29に示す4電極方式のポテンシオ・スタット12eは、図27に示すポテンシオ・スタット12cと基本的な構成は共通する。ポテンシオ・スタット12cと異なるのは、ポテンシオ・スタット12eは参照極取り出し電圧を2つにした点、その2つの電圧を差動増幅し、対極502側にフィードバックさせる点である。対極502側及び作用極501側の構成はポテンシオ・スタット12cと共通するので詳細な説明は省略する。なお、520’は前述した高入力インピーダンス差動アンプ520と同じ構成の高入力インピーダンス差動アンプである。
【0150】
図29に示すように、ポテンシオ・スタット12eは、2つの参照極5031側の端子Rと、参照極5032側の端子Rの出力をそれぞれ増幅器523の非反転入力端子及び増幅器522の非反転入力端子に接続する。前述の通り、高入力インピーダンス差動アンプ520はこれら2つの入力を差動増幅して出力する。その出力側には抵抗Rが接続され、この抵抗Rを介して配線512bに接続される。これにより、高入力インピーダンス差動アンプ520の出力が反転増幅器512の入力側にフィードバックされる。
【0151】
図30は制御機構15及びコンピュータ16の他の構成要素との関連性を示す概念図である。図30に示すように、コンピュータ16は、メインプロセッサ16aとインタフェース16bから構成される。このインタフェース16bを介してローカルバス17を通じて複数の制御機構15との間でデータの送受信を行うことができる。制御機構は測定制御機構本体15aと、この測定制御機構本体15aにより取り扱われるデータを格納するデータメモリ15bから構成される。制御機構15は、測定ユニット10の各々に対して1つずつ設けられている。このように、複数接続された測定ユニット10を1つのメインプロセッサ16aに接続することにより、メインプロセッサ16aの負荷を軽減することができる。
【0152】
図31は制御機構15の詳細な構成の一例を示す図である。図31に示すように、測定制御機構本体15aは、ローカルバス17に接続された初期値レジスタ151、刻み値レジスタ152、終了値レジスタ153、インターバルレジスタ154及び動作設定レジスタ155を有する。
【0153】
初期値レジスタ151、刻み値レジスタ152、終了値レジスタ153、インターバルレジスタ154及び動作設定レジスタ155は、それぞれメインプロセッサ16aにより設定可能な初期値、刻み値、終了値、測定時間間隔、動作モードを格納する。これら初期値、刻み値、終了値、測定時間間隔、動作モードが設定されるとデータ測定動作が開始される。
【0154】
初期値、刻み値及び終了値は、電圧パターン発生回路510で発生させる電圧パターンの電圧値に相当する値を示しており、初期値から終了値まで刻み値毎にデジタル値として電圧パターンが設定される。例えば、時間tから時間tまで所定の波形の電圧パターンを生成する場合、時間tにおける電圧値は初期値に相当し、その時間tから測定時間間隔Δt毎に刻み値だけ電圧値が変動していき、このような電圧値が終了値まで刻み続けられる。
【0155】
セレクタ158は、初期値レジスタの出力値と加算機156の出力値のうち、測定開始時のみ初期値を選択して出力し、次データからは加算器156の加算結果を選択して出力する。このセレクタ158の出力値がタイミング発生器161からの出力信号に同期して測定系12の電圧パターン発生回路510に出力される。電圧パターン発生回路510は、セレクタ158からの出力値に相当する電圧値の電圧を発生させる。これにより、前述した図23(a)に示す電圧波形の電圧パターンを発生させることができる。
【0156】
加算レジスタ157は、セレクタ158の出力値をタイミング発生器161の出力信号に同期して一時格納する。
【0157】
加算器156は、初期値レジスタ151の初期値に刻み値レジスタ152の刻み値を加算してセレクタ158及び比較器159に出力する。加算レジスタ157に格納されている値は測定系12に出力される電圧値に相当するため、加算器156はその測定系12への出力電圧値に刻み値を加算した電圧値に相当する値を出力する。比較器159は、加算器156の加算結果と終了値レジスタ153からの終了値を比較し、加算結果が終了値を超えた場合にカウンタ160にカウントの終了を示す信号を出力する。
【0158】
カウンタ160は、インターバルレジスタ154からの測定時間間隔で定められた時間期間だけ動作設定レジスタ155からの動作設定モードに基づき、比較器159からカウントの終了を信号が入力されるまでクロックをカウントし続ける。動作設定モードには、例えば作用極の同時測定個数に応じて単独測定モード、4極設定モード、8極設定モードなどが設定可能である。例えば単独測定モードが設定されている場合、カウンタ160は測定時間間隔で定められた時間期間だけカウントをし、カウント値をタイミング発生器161に出力する。4極設定モードが設定されている場合、測定時間間隔を4分割した時間期間ごとにカウントして、カウント値をタイミング発生器161に出力する。このように、複数極設定モードが設定されている場合には、測定時間間隔をその極数分だけ分割した時間期間ごとにカウントする。
【0159】
タイミング発生器161は、クロックをカウントしながらカウンタ160からのカウント値の出力タイミングに同期してアドレス信号及び書込信号をデータメモリ15bに出力する。また、タイミング発生器161は、動作設定レジスタ155からの動作設定モードに応じて信号検出部162の信号切替部163を切り替える。
【0160】
信号切替部163には、測定系12の複数の作用極501の端子Oの各々に接続されている。複数の作用極501で同時に端子Oから挿入剤による電気化学信号が検出できるが、この信号切替部163により、複数の作用極501からの電気化学信号を選択的に検出することができる。
【0161】
信号検出部162は、タイミング発生器161により制御された信号切替部163で切り替えられた作用極501からの電気化学信号をAD変換してデータバス164を介してデータメモリ15bに出力する。これにより、データメモリ15bには、タイミング発生器161からの書込信号が入力されるごとにその書込信号ごとに与えられたアドレス位置にデータバス164からのデータを順次書き込むことができる。
【0162】
例えば単極設定モードの場合、測定時間間隔が10msecであれば、タイミング発生器161から書込信号及び1つのアドレスが10msecに1度データメモリ15bに出力されるとともに、信号検出部162からデータバス15bを介して電気化学信号のデジタル変換値が1つデータメモリ15bに出力される。
【0163】
4極設定モードの場合、測定時間間隔が10msecであれば、タイミング発生器161から書込信号および4つのアドレスが10msecに4度データメモリ15bに出力されるとともに、信号検出部162からデータバス15bを介して電気化学信号のデジタル変換値が4つシーケンシャルにデータメモリ15bに出力される。これにより、測定時間間隔ごとにほぼ同時に検出された電気化学信号をデータとして格納できる。
【0164】
なお、測定の精度を向上させるため、複数極設定モードの場合に、測定時間間隔を等間隔に分割したタイミングに同期させずに、複数の作用極501からの信号検出のタイミングを短縮することもできる。例えば、信号切替部163の切替信号を測定時間間隔の中のわずかな時間に複数生成することにより、測定時間間隔に左右されない測定精度を保持することができる。例えば測定時間間隔が10msecであれば、最初の9msecまでは切替信号を生成せず、9msecから10msecまでの1msecに4つの切替信号を生成して信号切替部163に出力するようにタイミング発生器161をプログラムしておく。これにより、4つの作用極501からの電気化学信号を1msec内に検出することができる。従って、測定時間間隔を長く設定してもそれによる測定時間間隔のばらつきが生じず、高い精度を保持できる。
【0165】
データメモリ15bに格納された測定データはコンピュータ16のメインプロセッサ16aにより読み出され、各種信号解析に用いられる。
【0166】
このように、測定された複数の電気化学信号をタイミング発生器161により測定時間間隔よりも短時間で切り替えて選択的に検出することで、作用極501の各々の信号をほぼ同時に測定することができる。
【0167】
次に、測定データに基づきコンピュータ16により信号解析を行う測定データ解析手法の一例を説明する。ここでは、ターゲットDNAのSNP位置の塩基がG型(ホモ型)か、T型(ホモ型)か、あるいはGT型(ヘテロ型)かを判定する型判定の解析手法を図32のフローチャートを用いて説明する。なお、図1や図30などでは特に示していないが、コンピュータ16のメインプロセッサ16aは、型判定フィルタリング、型判定処理、判定結果出力などを行うための複数の指令からなる解析プログラムを実行することにより、型判定フィルタリング、型判定処理、判定結果出力を実行する。また、前述した制御機構15の制御は、別途制御プログラムが設けられている。これら解析プログラムや制御プログラムは、コンピュータ16に設けられた記録媒体読取装置が記録媒体に格納された解析プログラムを読み取ることにより実行されてもよいし、コンピュータ16に設けられた磁気ディスクなどの記憶装置から読み出されて実行されてもよい。
【0168】
この測定データ解析を行う前提として、まず、検出の目的とされる標的塩基配列をSNP位置の塩基をA,G,C,Tとして4種類用意し、その標的塩基配列と相補的な塩基配列を有する標的相補DNAプローブを各種類について複数ずつ各作用極501に固定化させる。また、これら4種類の標的相補DNAプローブとは異なる塩基配列を有するDNAプローブ(以下、ネガティブコントロールと称する)を別の作用極501に複数固定化させる(s61)。なお、作用極501に固定化されるDNAプローブの種類は原則1つである。
【0169】
次に、上述した標的相補DNAプローブが固定化された塩基配列検出チップに検体DNAプローブを含む試料を注入してハイブリダイゼーション反応などの電気化学反応を生じさせ(s62)、バッファによる洗浄、挿入剤の導入を経て測定系12を用いて代表電流値を算出する(s63)。
【0170】
代表電流値とは、各DNAプローブのハイブリダイゼーション反応の発生を定量的に把握するために有効な数値を指し、一例としては、検出される信号の電流値の最大値(ピーク電流値)などが該当する。ピーク電流値の算出は、各作用極501上に固定化されたDNAプローブにハイブリダイゼーションした2本鎖DNAに結合した挿入剤からの酸化電流信号を測定し、その電流値のピークを得ることで導出される。ピーク電流値の検出には、挿入剤からの酸化電流信号以外のバックグラウンド電流を差し引くことにより行うのが望ましい。
【0171】
もちろん、信号処理の精度や目的に応じていかなる値を代表電流値と定めてもよいが、例えば酸化電流信号の積分値などが該当する。もちろん、電流値に限らず、電圧値、これら電流や電圧に対して数値解析処理を行った値などを代表値と定めることもできる。
【0172】
SNP位置の塩基をA,G,C,T型とした標的DNAに関する測定データ、すなわち代表電流値をそれぞれX、X、X、Xと定義し、ネガティブコントロールのDNAプローブの代表電流値をXと定義する。また、代表電流値は、各種別に応じて複数得られるので、それぞれを互いに識別すべく、1番目のXをXa1、2番目のXaをXa2、…というように定義する。
【0173】
また、SNP位置の塩基をA,G,C,T型としたターゲットDNAの得られる代表電流値の個数をn、n、n、n個、ネガティブコントロールについて得られる代表電流値の個数をn個と定義する。
【0174】
次に、得られた代表電流値X、X、X、X、Xのうち、明らかに異常なデータを除去すべく、型判定フィルタリング処理を実行する(s64)。
【0175】
この型判定フィルタリング処理のフローチャートを図33に示す。この図33の型判定フィルタリング処理は、X、X、X、X、Xについてそれぞれ別個に行われる。例えばXを例にとると、Xについて得られたn個の代表電流値のうち、明らかに異常なデータと思われる代表電流値をこの型判定フィルタリングで排除する。X、X、X、Xについても同様に行われる。
【0176】
なお、この図33の説明では、データ種別に応じて同様の処理が行われるため、Xのフィルタリングを例に説明する。
【0177】
具体的には、図33に示すように、まず測定グループまず測定グループの全測定データの設定、すなわちデータセットの設定を行う(s81)。例えばXであれば、Xa1、Xa2、…、Xanaをデータセットとして設定する。
【0178】
次に、これら測定データXa1、Xa2、…、XanaについてのCV値(以下、CV)を算出する(s82)。このCVは、測定データXa1、Xa2、…、Xanaの標準偏差を平均値で除算することにより得られる。そして、得られた値CVが10%、すなわち0.1以上か否かを判定する(s83)。
【0179】
10%以上であれば、測定データのうち最小値を除いたna−1個のデータセットのCV値(以下、CV)を算出する(s84)。10%未満であれば、明らかに異常なデータは無いと判定し、後述する型判定に進む。
【0180】
CVを算出した後、CV≧2×CVか否かを判定する(s85)。この不等式が成立すれば、(s86)に進み、さらに測定データのうち最小値を除いたna−2個のデータセットを新たにデータセットと定義し、(s82)に戻り、異常データのフィルタリングを繰り返し行う。
【0181】
不等式が成立しなければ、最小値側ではなく最大値側に異常なデータがあると判定し、測定データのうち最大値を除いたna−2個のデータセットのCV値(以下、CV)を算出する(s87)。そして、CV≧2×CVが成立するか否かを判定する(s88)。成立すれば、さらに測定データのうち最大値を除いたna−3個のデータセットを新たにデータセットと定義し、(s82)に戻り、異常データのフィルタリングを繰り返し行う。成立しなければ、明らかに異常なデータは無いと判定し、後述する型判定に進む。
【0182】
以上に示した型判定フィルタリングをX、X、X、Xについても行う。
【0183】
次に、得られた型判定フィルタリング結果を用いて型判定処理を実行する(s65)。この型判定処理の一例を図34のフローチャートを用いて説明する。なお、図34の例では、ターゲットDNAのSNP位置の塩基がG型か、T型か、あるいはGT型かを判定する型判定の場合を示している。また、この型判定処理は、大別して最大グループ判定アルゴリズム、2標本t検定アルゴリズムからなる。
【0184】
図34に示すように、まず各グループ毎の代表電流値の平均値を抽出する(s91)。グループとは、X、X、X、X、Xなど、標的塩基配列が異なるものは別グループ、標的塩基配列が一致するものは同一グループとする。(s64)で型判定フィルタリングにより明らかに異常なデータが排除された測定データが抽出される。もちろん、(s64)の型判定フィルタリング以外のフィルタリングにより以上データを排除した測定データを抽出してもよいし、何らフィルタリングを行わない測定データを抽出してもよい。なお、代表電流値の平均値ではなく、これら統計値から統計処理して得られた別の統計処理値を求めてもよい。
【0185】
標的DNAのSNP位置の塩基がA,G,C,Tの場合をそれぞれグループA〜T、ネガティブコントロールをグループNとして説明する。また、得られた平均値をX、X、X、X、Xそれぞれのグループについて、M、M、M、M、Mとする。
【0186】
次に、得られた平均値M、M、M、M、Mについて、最大はグループGの平均値Mか否かを判定する(s92)。最大であれば(s93)へ、最大でなければ(s97)に進む。
【0187】
(s97)では、平均値M、M、M、M、Mについて、最大はグループTの平均値Mか否かを判定する。最大であれば(s98)へ、最大でなければグループG、Tともに最大でないこととなり、判定不能として再検査が行われる。
【0188】
(s93)では、グループGの測定データXg1、Xg2、…と、グループNの測定データXn1、Xn2、…との間に差があるか否かを判定する。差があるか否かは、例えば2標本t検定が用いられる。具体的には、2標本T検定で求めた確率Pと有意水準αとの代表関係を比較し、
H0:P≧αならば、有意差無し(帰無仮説)
H1:P<αならば、有意差あり(対立仮説)
と判定する。有意水準αは、コンピュータ16を用いてユーザが設定できる。この(s93)の例では、グループGの測定データとグループNの測定データの値に差があるかというH1の設問を提起し、この設問に対し、これら2つのグループの間に差が無いと仮定するH0という仮説を設定する。そして、グループGの測定データの平均値MとグループNの測定データの平均値Mに2つのグループの差が要約されているとして、確率を求める。確率の算出は、グループGの統計値Xg1、Xg2、…とグループNの統計値Xn1,Xn2、…に基づき統計定数t、自由度φを算出し、t分布の確率密度変数の積分値から確率Pを求める。
【0189】
得られた確率Pについて、P≧αなら、H0を棄却できず、判定を保留する。すなわち、差が無いと判定する。P<αならH0を棄却し仮説H1を採用し、差があると判定する。
【0190】
このようにして判定結果が「差がある」と判定された場合には(s94)に進み、「差が無い」と判定された場合には判定不能として再検査される。
【0191】
(s94)では、グループGとグループAについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があれば(s95)に進み、差が無ければ判定不能として再検査される。
【0192】
(s95)では、グループGとグループCについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があれば(s96)に進み、差が無ければ判定不能として再検査される。
【0193】
(s96)では、グループGとグループTについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があればグループG型と決定する。グループG型が平均値最大、かつ他の測定グループと差があるためである。差が無ければグループGT型と決定する。グループG型が平均値最大であるが、グループG型とグループT型に測定結果に差が無いからである。
【0194】
(s98)では、グループTとグループNについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があれば(s99)に進み、差が無ければ判定不能として再検査される。
【0195】
(s99)では、グループTとグループAについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があれば(s100)に進み、差が無ければ判定不能として再検査される。
【0196】
(s100)では、グループTとグループCについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があれば(s101)に進み、差が無ければ判定不能として再検査される。
【0197】
(s101)では、グループTとグループGについて(s93)と同様の2標本t検定を用いて2つのグループに差があるか否かを判定する。差があればグループT型と決定する。グループT型が平均値最大、かつ他の測定グループと差があるためである。差が無ければグループGT型と決定する。グループT型が平均値最大であるが、グループT型とグループG型に測定結果に差が無いからである。
【0198】
以上の判定結果はコンピュータ16に設けられた図示しない表示装置に表示される(s66)。このような型判定アルゴリズムを用いることにより、ヘテロ型の判定をすることが可能となる。
【0199】
なお、図32〜図34では、G型、T型あるいはGT型のいずれに該当するかを判定する手法を示したが、A型,G型,C型,T型のうちのいずれか2つの型、あるいはそれらのヘテロの判定に適用できることはもちろんである。また、必ずしもA型,G型,C型,T型のグループの4種類について測定データを取得する必要は無く、SNPの考えられ得る2つの塩基に関する2グループのみについて取得するのみでもよいし、その2グループにネガティブコントロールの1グループを加えてもよい。
【0200】
前述した塩基配列検出装置を用いた塩基配列の自動解析手法について図35のシーケンス図を用いて説明する。
【0201】
図35に示すように、まずコンピュータ16を用いて自動解析のための自動解析条件パラメータの設定を行い、設定された自動解析条件パラメータに基づく自動解析の実行をコンピュータ16にユーザが指示する(s301)。自動解析条件パラメータは、制御機構15を制御するための制御パラメータである。制御機構15で用いられる制御パラメータは、測定系12を制御するための測定系制御パラメータ、送液系13を制御するための送液系制御パラメータ、温度制御機構14を制御するための温度制御機構制御パラメータからなる。
【0202】
測定系制御パラメータは、前述した図31に示す初期値レジスタ151、刻み値レジスタ152、終了値レジスタ153、インターバルレジスタ154及び動作設定レジスタ155に格納される入力設定パラメータであり、初期値、刻み値、終了値、測定時間間隔、動作モードからなる。
【0203】
送液系制御パラメータは、図19に示す電磁弁403,413,423,433,441,442,444,445,451,453,463を制御する電磁弁制御パラメータ、液センサ443,447を制御するセンサ制御パラメータ、ポンプ454を制御するポンプ制御パラメータを有する。これら電磁弁制御パラメータ、センサ制御パラメータ、ポンプ制御パラメータは、図20の(s22)〜(s36)に示すような一連の工程をシーケンシャルに実行するための条件として、制御対象の制御量、制御対象の制御タイミング、制御対象を制御する制御条件などをパラメータの詳細として含む。
【0204】
温度制御パラメータは、原則として送液系制御パラメータに付随して与えられるものである。すなわち、送液系制御パラメータを設定することにより、送液系13の動作に対応して温度制御パラメータが設定される。これにより、送液系13と連動した温度制御機構14の温度制御が可能になる。
【0205】
自動解析の実行により、自動解析条件パラメータは、制御機構15に送信される(s302)。制御機構15は、受信した自動解析条件パラメータのうち、測定系制御パラメータに基づき測定系12を制御し、送液系制御パラメータに基づき送液系13を制御し、温度制御機構制御パラメータに基づき温度制御機構14を制御する。また、制御機構15はこれら測定系12,送液系13及び温度制御機構14を制御するタイミングを各制御パラメータに含まれる制御タイミングや制御条件に基づき管理する。従って、制御のシーケンスはユーザにより設定された自動解析条件パラメータにより自由に定められるが、この図35では代表的な一例について説明する。
【0206】
なお、この自動解析とは別に、ユーザはチップカートリッジ11を用意する。これはまず所望のDNAプローブが作用極501に固定化された塩基配列検出チップ21が封止されたプリント基板22を基板固定ねじ25によりチップカートリッジ11の支持体111に固定化し、チップカートリッジ11への取り付けを行っている(s401)。そして、シール材24を塩基配列検出チップ21の所定の位置に載置した状態で、上蓋固定ねじ117によりチップカートリッジ上蓋112と支持体111を固定化し、セル115を形成された状態で準備されている(s402)。チップカートリッジ11に対して、試料注入口119から試料を注入する(s403)。チップカートリッジ11を装置本体に装着して、開始操作を行うことにより、ハイブリダイゼーション反応(s21)が開始される。なお、注入する試料の容量は、セル115の容積よりも若干多い量にするのが望ましい。これにより、セル115内をエア残り無く試料で完全に充填することができる。
【0207】
制御機構15は、コンピュータ16から受信した測定系制御パラメータに基づき測定系のタイミングの制御を開始する(s303)。
【0208】
また、制御機構15は、コンピュータ16から受信した送液系制御パラメータに基づき送液系13の各構成要素を順次制御する(s304)。また、図35では特に図示しないが、この送液系13の制御と連動して、温度制御機構制御パラメータに基づき温度制御機構14の温度制御を行う。この制御により、送液系13は図20の(s21)〜(s36)(s34を除く)に示したハイブリダイゼーション反応を含む送液工程を自動実行する(s305)とともに、その送液工程で指定された温度に塩基配列検出チップ21が設定されるように温度制御機構14を自動制御する。
【0209】
制御機構15は、この送液工程の中途の(s34)の測定工程のタイミングに同期して測定系12に測定指令を行う(s305)。すなわち、送液工程の(s34)の測定工程のタイミングで、制御機構15の初期値レジスタ151、刻み値レジスタ152、終了値レジスタ153、インターバルレジスタ154及び動作設定レジスタ155に初期値、刻み値、終了値、測定時間間隔、動作設定モードを格納する。なお、前述の(s303)の測定系タイミング制御をこの(s305)と同時に行わせてもよい。
【0210】
測定系12は、この測定指令に基づき例えば電圧パターンを発生させて測定を行い(s306)、得られた測定信号は端子Oから制御機構15に出力される(s307)。制御機構15は、受信した測定信号を信号処理し、測定データとしてデータメモリ15bに格納する(s308)。この測定データは、コンピュータ16にローカルバス17を介して出力される(s309)。コンピュータ16はこの測定データを受信する(s310)。
【0211】
このようにして必要な測定データが得られると、コンピュータ16は測定データに基づき図33で示される(s64)の型判定フィルタリングを実行する。型判定フィルタリングが終了すると、フィルタリングされたデータに基づき図34に示される型判定処理を実行する(s65)。最後に、得られた判定処理結果をコンピュータ16に備え付けの表示装置に表示する(s66)。
【0212】
このように本実施形態によれば、セル115の形状が最適化されているため、セル115内における面内均一性を向上させることができる。
【0213】
また、検体DNA溶液をチップカートリッジ11に注入した後は、ハイブリダイゼーションから、バッファ溶液による非特異吸着DNAの洗浄、挿入剤の注入、電気化学測定、測定データの格納、測定データに基づく標的塩基配列の判定までを、自動で行うことができる。これにより、検出信号の再現性・検出精度を向上させ、結果導出までの時間を短縮できる。
【0214】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【0215】
作用極501に固定化するプローブはDNAプローブとする場合を示したが、DNA以外の他の核酸からなるプローブでもよいし、核酸以外でも所定の塩基配列を有するプローブであればよい。
【0216】
コンピュータ16と制御機構15の処理の分担は上述したものに限定されない。例えば、測定系12、送液系13、温度制御機構14がコンピュータ16からの指令を解釈し各構成要素を実行するプロセッサを有していれば、制御機構15は省略されてもよい。この場合、図31に示すような制御機構15の機能はコンピュータ16が実行する。
【0217】
測定系12、送液系13、温度制御機構14のタイミングの管理は、これら測定系12、送液系13、温度制御機構14がタイミングを管理するプロセッサを有していれば、そのプロセッサの管理するタイミングに基づき各処理を実行する。この場合、コンピュータ16はこれら測定系12、送液系13,温度制御機構14に自動解析条件パラメータを送信すれば、タイミングを管理する必要が無い。
【0218】
また、コンピュータ16が測定系12、送液系13,温度制御機構14、制御機構15のタイミング制御を行ってもよい。
【0219】
また、試料注入口119は送出ポート116bに連通させる例を示したが、送入ポート116aに連通させるようにしてもよい。また、送入ポート116aと送出ポート116bの数はそれぞれ1つずつ設ける場合を示したが、これに限定されない。例えば、送入ポート116aをセル115の中心に1つ設け、送出ポート116bをセル115の周縁部に複数放射状の位置に設けるというように、ポートの数はいくつに増やしてもよい。更に、送入ポート116a及び送出ポート116bが、セル底面に対して垂直に伸びている例を示したが、これに限定されるものではなく、セル底面に対して平行に伸びる構成になっていてもよい。また、塩基配列検出チップ21上の電極21a、21bやボンディングパッド221はTiやAuの積層構造で示したが、他の材料を用いた電極やパッドを用いてもよい。また、電極21a、21bの配置は図18に示したものに限定されない。作用極501、対極502、参照極503の各々の電極数も図示したものに限定されない。
【0220】
また、送液系13は図19に示したものに限定されない。例えば、反応の種類に応じてエア、ミリQ水、バッファ、挿入剤以外の薬液や気体を供給する供給系を付加することにより、セル115内におけるより複雑な反応を実行させることができる。また、各配管同士の薬液やエアの供給経路、供給量の制御は、電磁弁以外で行ってもよい。図20に示した送液系13の動作はほんの一例にすぎず、反応の目的などに応じて種々変更することができる。
【0221】
また、図32〜図34では、この塩基配列自動解析装置1を型判定に用いる場合を示したが、ほんの一例にすぎず、他の解析目的に用いられてもよい。また、図35に示した自動化手法もほんの一例にすぎず、チップカートリッジ11、測定系12、送液系13,温度制御機構及び制御機構15の構成を種々変更することによりその自動化シーケンスも種々変更される。
【0222】
作用極501、対極502及び参照極503のいずれも塩基配列検出チップ21上に配置される場合を示したが、これに限定されない。例えば、作用極501のみを塩基配列検出チップ21上に配置し、対極502及び参照極503はチップカートリッジ上蓋112側に形成してもよいし、対極502及び参照極503のいずれかは塩基配列検出チップ21上に配置してもよい。このように、これら作用極501、対極502及び参照極503を異なる平面に三次元的に配置してもよい。
【0223】
また、塩基配列検出チップ21とチップカートリッジ上蓋112側の関係を上下逆転させて用いてもよい。
【0224】
【実施例】
上述した実施形態の塩基配列検出装置を用い、SNPs検出を行った例を以下説明する。ここでは、MxA−88位遺伝子のSNPs塩基配列が、G/G型であるかT/T型であるか、もしくはG/Tヘテロであるかを判別する場合に適用する。
【0225】
塩基配列検出チップの作用極501には、MxA遺伝子に相補的な配列を持つDNAプローブをあらかじめ固定化しておく。SNP位置の塩基をATGCと置換した4種類のプローブDNA断片と、全く異なる配列を持つDNA断片(ネガティブ・コントロールと呼ぶ)をそれぞれ別の電極(作用極501)上に固定化しておく。ここでは、N末端にシステインを修飾したそれぞれのプローブを200nLずつスポットして1時間放置することにより、Auからなる作用極501への固定化を行った。このようにして、準備した塩基配列検出チップ21が封止されたプリント基板22をチップカートリッジ11に装着しておく。
【0226】
次に、SNP位置の塩基がG型であるターゲットとなるDNAを2xSSC−1mmol/L EDTA溶液に溶解した後、試料注入口119からピペット等を用いて、セル115内に注入する。ここで、試料溶液は、送出ポート116b側の試料注入口119から、セル115内に溶液を満たしながら送入ポート116a側に流れていく。送入ポート116aは、シール材24に接する位置に形成されていることから、セル115内に気泡を残すことなく、完全に試料溶液をセル115内に充填することが出来る。
【0227】
次に、このチップカートリッジ11を装置本体(測定系12,送液系13,温度制御機構14)に装着し、コンピュータ16による装置プログラムを始動させることにより、以降の処理は、すべて自動的に行われる。
【0228】
ここでは、自動処理の内容を説明する。まず、45℃にて15分間反応(ハイブリダイゼーション)させる。その後、送液系13の電磁弁やポンプを制御することにより、0.2xSSC−1mmol/L EDTA溶液をセル115内に送液する。そして、セル115内にこの溶液を充填した状態で、55℃にて30分間保持することにより、塩基配列検出チップ21上の配列の異なる電極211,212に非特異吸着したDNAを洗浄する。次に、10μmol/Lのヘキスト33258溶液をセル115内に送液する。そして、セル115内に充填した状態で、測定系12により、各作用極501におけるヘキスト33258からの酸化電流を測定する。
【0229】
続いて、コンピュータ16は、解析プログラムにより、電流・電圧特性カーブから、ヘキストの酸化電流に相当する領域を抽出し、そのピーク電流値を各電極(作用極501)に対して導出する。更に、解析プログラムのアルゴリズムに従って型判定フィルタリングなどの統計処理を行い、ターゲットDNAの型判定を行う。得られた判定結果はコンピュータ16のディスプレイに表示される。その結果、プローブ配列がC型のプローブに相当する電極からの信号強度が最も大きく、ターゲットDNAのSNP位置の塩基配列はG型との判定が出来た。
【0230】
塩基配列検出チップ21面内における同一種の電極に対する電流値の均一性は、CV値で3%以内となった。その結果、SNPs検出の信頼性が従来方法に比べて向上した。
【0231】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、セル内における面内均一性を向上させることができる。
【0232】
また、別の本発明によれば、塩基配列検出及び検出したデータの解析までを含め自動で実行することができるため、データや測定の再現性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る塩基配列検出装置の全体構成を示す概念図。
【図2】同実施形態に係るチップカートリッジの構成の詳細を示す図
【図3】同実施形態に係る上蓋固定ねじで固定する前の支持体とチップカートリッジ上蓋を示す図。
【図4】同実施形態に係る塩基配列検出チップを実装したプリント基板の詳細な構成を示す図。
【図5】同実施形態に係るセル及びセルに通じる薬液供給系統を示す図。
【図6】同実施形態に係るセルの変形例を示す図。
【図7】同実施形態に係るセル近傍の各構成要素の位置関係のより詳細な構成を示す図。
【図8】同実施形態に係るセル近傍の各構成要素の変形例を示す図。
【図9】同実施形態に係るセルの形状の変形例の断面図。
【図10】同実施形態に係るセルの形状の変形例の断面図。
【図11】同実施形態に係るセルの形状の変形例の断面図。
【図12】同実施形態に係るセルと送液ポート及び吐液ポートとの位置関係の変形例の断面図。
【図13】同実施形態に係るセルと送液ポート及び吐液ポートとの位置関係の変形例の断面図。
【図14】同実施形態に係るセルと送液ポート及び吐液ポートとの位置関係の変形例の断面図。
【図15】同実施形態に係るセルと送液ポート及び吐液ポートとの位置関係の変形例の断面図。
【図16】同実施形態に係るセルと送液ポート及び吐液ポートとの位置関係の変形例の断面図。
【図17】同実施形態に係る塩基配列検出チップ及びプリント基板の製造方法の工程断面図。
【図18】同実施形態に係る塩基配列検出チップの上面図。
【図19】同実施形態に係る送液系の具体的な構成の一例を示す図。
【図20】同実施形態に係る送液系を用いた塩基配列検出のための送液工程のフローチャートを示す図。
【図21】同実施形態に係る測定系の具体的な構成を示す図。
【図22】従来のポテンシオ・スタットの構成を示す図。
【図23】同実施形態に係る電圧特性を示す図。
【図24】従来のポテンシオ・スタットの電圧特性を示す図。
【図25】同実施形態に係るポテンシオ・スタットと従来のポテンシオ・スタットにおける対極に印加される電流/電圧特性曲線を示す図。
【図26】同実施形態に係るポテンシオ・スタットの変形例を示す図。
【図27】同実施形態に係るポテンシオ・スタットの変形例を示す図。
【図28】同実施形態に係るポテンシオ・スタットの変形例を示す図。
【図29】同実施形態に係るポテンシオ・スタットの変形例を示す図。
【図30】同実施形態に係る制御機構及びコンピュータの他の構成要素との関連性を示す概念図。
【図31】同実施形態に係る制御機構の詳細な構成の一例を示す図。
【図32】同実施形態に係る測定データ解析手法の一例を示す図。
【図33】同実施形態に係る型判定フィルタリング処理のフローチャートを示す図。
【図34】同実施形態に係る型判定処理の一例を示す図。
【図35】同実施形態に係る塩基配列検出装置を用いた塩基配列の自動解析手法のシーケンス図。
【図36】同実施形態に係る最適なセル形状の一例を示す図。
【符号の説明】
1…塩基配列検出装置
10…測定ユニット
11…チップカートリッジ
12…測定系
12a,12b,12c,12d,12e…ポテンシオ・スタット
13…送液系
14…温度制御機構
15…制御機構
16…コンピュータ
17…ローカルバス
21…塩基配列検出チップ
21a…電極(作用極、対極)
21b…電極(参照極)
22…プリント基板
22a…電気コネクタ
23…封止樹脂
24,24a…シール材
25…基板固定ねじ
110…チップカートリッジ本体
111…支持体
112…チップカートリッジ上蓋
113a,113b…インタフェース部
114a,114b…流路
115…セル
115a,115b…セル孔部
115c,115e,115f,115g,115h…直線
115d…ザグリ孔
116a…吐液ポート
116b…送液ポート
117…上蓋固定ねじ
117a…ねじ孔
119…試料注入口
120…蓋
121…シール材
500…保護回路
501…作用極
502…対極
503…参照極
510…電圧パターン発生回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a base sequence detection device for detecting a base sequence, and a base sequence automatic analyzer for automatically controlling the base sequence detection device and automatically analyzing a measurement signal.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for example, there is an apparatus that performs only hybridization, an apparatus that performs only electrochemical measurement after adding an intercalating agent after the hybridization, or an apparatus that automatically performs steps from hybridization to washing with a buffer. Was.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When the measurement is performed using the apparatus as described above, when each step is completed, the operator is required to manually transfer the sample to the apparatus for the next step, which is time-constrained. In addition, since an operator is involved in transfer between processes, there is a problem that data reproducibility between samples is poor.
[0004]
On the other hand, there is also a problem that the measurement result varies depending on the reaction conditions in the cell for performing the reaction. This is considered to be due to, for example, in-plane non-uniformity of the reaction in the cell in which the electrochemical reaction is performed.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a base sequence detection device that improves in-plane uniformity in a cell.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a base sequence automatic analyzer that can automatically perform from reaction to liquid sending and measurement.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, there is provided a base sequence detection device for detecting a base sequence in a sample by an electrochemical reaction between a sample and a probe having a predetermined base sequence in a flow path, comprising: a substrate; A plurality of base sequence detection chips provided with a plurality of electrodes to which the probes are immobilized, and a base solution detection chip provided on the substrate so as to surround the plurality of electrodes, and a chemical solution or air is sealed on the substrate. A cell, a delivery port that opens on the upper surface of the cell and sends a chemical solution or air into the cell, a delivery port that opens on the upper surface of the cell, and sends a solution or air from inside the cell, and the cell A sample injection port provided to open on the upper surface and injecting a sample into the cell, wherein the flow of the chemical solution or air from the inlet port formed in the cell to the outlet port is provided. What is a road The width of the straight direction of the cell, the feed base sequence detecting device in which is smaller than the distance of the incoming port and the delivery port is provided.
[0008]
According to another aspect of the present invention, a base for detecting a base sequence in a sample by an electrochemical reaction between a sample and a probe having a predetermined base sequence in a cell defined by a cell top surface, a cell side surface, and a cell bottom surface An array detection device, comprising: a substrate; a plurality of electrodes formed on the substrate, to which the probes are fixed; a base sequence detection chip defining the cell bottom surface by the substrate surface; A seal member is provided so as to surround the plurality of electrodes by a seal material inner circumference from a seal material bottom surface to be contacted to a seal material upper surface having a predetermined height, and abuts on the seal material defining the cell side surface and the seal material upper surface. To seal the upper surface of the sealing material and open the upper surface of the chip cartridge upper lid that defines the upper surface of the cell, and a chemical solution or liquid in the cell. An inlet port for sending air, an opening on the upper surface of the cell of the chip cartridge upper cover, a sending port for sending a chemical solution or air from inside the cell, and a transfer port provided on the chip cartridge upper cover, and a sample in the cell. And a sample injection port to be injected, wherein the width of the cell in a direction perpendicular to the direction of the flow path of the drug solution or air from the inlet port formed in the cell to the outlet port, There is provided a base sequence detection device formed to be smaller than the distance between the input port and the output port.
[0009]
According to still another aspect of the present invention, there is provided a device for detecting a base sequence as described above, which is connected to the inlet port, and supplies a chemical solution or air into the cell via the inlet port. And a supply system including a first valve for controlling a flow rate of a chemical solution or air in the first pipe, and a chemical solution or air from the inside of the cell through the delivery port, communicating with the delivery port. And a second valve for controlling a flow rate of a chemical solution or air in the second piping, and a pump provided in the second piping and sucking up a chemical solution or air from inside the cell. A discharge system, a measurement system including a voltage application unit for applying a voltage between the plurality of electrodes and another counter electrode, a temperature control mechanism for controlling the temperature of the base sequence detection chip, and the liquid sending system. The first valve, the second valve, and the pump of the measurement system; The control unit controls the application unit and the temperature control mechanism, detects an electrochemical reaction signal from the plurality of electrodes, and stores the electrochemical reaction signal as measurement data, and provides a control condition parameter to the control mechanism. And a computer that controls the control mechanism and executes a base sequence analysis process based on the measurement data.
[0010]
Further, the present invention relating to an apparatus is also realized as an invention of a method realized by the apparatus.
[0011]
Further, the present invention according to an apparatus or a method is realized as a program for causing a computer to execute a procedure for controlling the apparatus, and a computer-readable recording medium on which the program is recorded.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of an automatic base sequence analysis apparatus according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the automatic base sequence analyzer 1 includes a chip cartridge 11 (base sequence detector), a measurement system 12 electrically connected to the chip cartridge 11, and a flow path provided in the chip cartridge 11. And a temperature control mechanism 14 for physically controlling the temperature of the chip cartridge 11 and a liquid feeding system 13 physically connected via an interface unit.
[0014]
The measurement system 12, the liquid feeding system 13, and the temperature control mechanism 14 are controlled by a control mechanism 15. The control mechanism 15 is electrically connected to a computer 16, and the control mechanism 15 is controlled by a program provided in the computer 16. In the present embodiment, the chip cartridge 11, the measurement system 12, the liquid supply system 13, and the temperature control mechanism 14 are referred to as a measurement unit 10.
[0015]
A printed circuit board 22 on which a base sequence detection chip 21 to which a DNA probe is immobilized is mounted is used for the chip cartridge 11.
[0016]
In the following embodiments, the base sequence of the DNA to be detected is referred to as a target base sequence. Then, the base sequence having complementarity with the target base sequence and selectively reacting with the target base sequence is referred to as a target complementary salt sequence. The DNA probe containing the target complementary base sequence is immobilized on the working electrode of the base sequence detection chip 21. The sample (sample solution) introduced into the cell of the base sequence detection chip 21 contains DNA to be tested. The base sequence of the DNA to be tested is called a sample base sequence.
[0017]
The base sequence detection device of this embodiment hybridizes the sample base sequence with the target complementary base sequence, buffers the presence or absence of the reaction, and monitors after the introduction of the intercalating agent, so that the target base sequence is contained in the sample. Is determined.
[0018]
2A and 2B are diagrams showing a detailed configuration of the chip cartridge 11, wherein FIG. 2A is a view from the top, FIG. 2B is a view from the AA direction, and FIG. 2C is a view from the BB direction. FIG. 4D is a partial perspective cross-sectional view, and FIG. 4D is a view of a support 111, which is one component of the chip cartridge 11, as viewed from the back.
[0019]
The chip cartridge main body 110 includes a support 111 for supporting the printed circuit board 22 from the lower side, and a chip cartridge upper lid 112 for sandwiching and supporting the printed circuit board 22 from the upper side together with the support 111.
[0020]
Two openings are provided on the side of the chip cartridge upper lid 112, and one of the openings is connected to the interface unit 113a, and the other is connected to the interface unit 113b. These interface units 113a and 113b function as an interface between the liquid feeding system 13 and the chip cartridge 11.
[0021]
Channels 114a and 114b are provided inside the interface units 113a and 113b, respectively. A chemical solution or air from the upstream side of the liquid sending system 13 is sent into the chip cartridge 11 via the flow path 114a. The sample, the chemical solution, and the air in the chip cartridge 11 are sent to the downstream side of the liquid sending system 13 via the flow path 114b.
[0022]
2A to 2C, the flow paths 114a and 114b are indicated by broken lines. These flow paths 114a and 114b communicate from the interface portions 113a and 113b to the inside of the chip cartridge upper lid 112, and further to a cell 115 indicated by a circular broken line in FIG. 2A. The cell 115 is an area provided for causing an electrochemical reaction between the base sequence detection chip 21 and various solutions introduced into the base sequence detection chip 21. When the four corners of the printed board 22 on which the base sequence detection chip 21 is mounted are fixed to the chip cartridge upper lid 112 of the chip cartridge 11 by the board fixing screws 25, the cell 115 is sealed with the base sequence detection chip 21. The material 24 is defined by a closed space region surrounded by the chip cartridge upper lid 112. In a state where the printed board 22 on which the base sequence detection chip 21 is mounted is fixed to the chip cartridge upper lid 112, the printed board 22 is held by the support 111 and the chip cartridge upper lid 112 with the sealant 24 interposed therebetween. Further, the chip cartridge upper lid 112 is fixed by the upper lid fixing screw 117. Thereby, the injection / discharge paths of various chemicals and air that are communicated from the flow path 114a to the flow path 114b via the cell 115 are determined. The base sequence detection chip 21 is sealed on a printed board 22 with a sealing resin 23.
[0023]
The chip cartridge upper lid 112 located on the upper surface of the cell 115 is provided with an inlet port 116a and an outlet port 116b. The inlet port 116a penetrates from the side surface to the bottom surface of the chip cartridge upper cover 112, and opens to the bottom surface of the chip cartridge upper cover 112 at the cell hole 115a. The delivery port 116b penetrates from the other side surface to the bottom surface of the chip cartridge upper cover 112, and opens to the bottom surface of the chip cartridge upper cover 112 at the cell hole 115b. By connecting the inlet port 116a to the channel 114a and the outlet port 116b to the channel 114b, the channel 114a communicates with the cell 115, and the channel 114b communicates with the cell 115.
[0024]
An electrical connector 22a is set on the surface of the printed board 22 at a position separated from the cell 115. The electrical connector 22a is electrically connected to the lead frame of the board main body of the printed board 22. The lead frame of the substrate body is electrically connected to various electrodes of the base sequence detection chip 21 by leads and the like. By connecting a terminal of the measurement system 12 to the electric connector 22a, an electric signal obtained by the base sequence detection chip 21 can be transmitted through a predetermined terminal provided at a predetermined position on the printed circuit board 22, and further to the electric connector. The signal can be output to the measurement system 12 via 22a.
[0025]
As shown in FIG. 2D, the support 111 has a U-shape, and a cutout 111a is provided in the center. The cutout 111a is smaller than the printed board 22 and larger than the base sequence detection chip 21. Thus, the temperature control mechanism 14 can be disposed in contact with the base sequence detection chip 21 without the support 111 while maintaining the support function of the printed board 22 by the support 111. Reference numeral 117a denotes a screw hole to which an upper cover fixing screw 117 is fixed.
[0026]
As the temperature control mechanism 14 for adjusting the temperature of the base sequence detection chip 21, for example, a Peltier element is used. Thereby, temperature control of ± 0.5 ° C. is possible. The reaction of DNA is generally performed in a temperature range relatively close to room temperature. Therefore, the temperature control using only the heater has poor stability. Further, since it is necessary to control the reaction of DNA by the temperature profile, a cooling mechanism is required separately. In that regard, the Peltier element is optimal because it can perform both heating and cooling by changing the direction of the current.
[0027]
FIG. 3 is a diagram showing the support 111 and the chip cartridge upper lid 112 before being fixed by the upper lid fixing screw 117. As shown in FIG. 3, four corners of a printed board 22 on which the base sequence detection chip 21 is mounted are fixed to the chip cartridge upper lid 112 with board fixing screws 25. The sealant 24 is integrated with the chip cartridge upper lid 112. Therefore, a cell 115 surrounded by the sealant 24 and the chip cartridge upper lid 112 is defined on the base sequence detection chip 21. Furthermore, the chip cartridge upper lid 112 is used by being fixed to the support 111 with the upper lid fixing screw 117. The board fixing screw 25 may be fixed from the back side of the printed board 22 or may be fixed from the front side. In this manner, by fixing the printed circuit board 22 to the chip cartridge upper lid 112, the adhesion between the base sequence detection chip 21, the sealant 24, and the chip cartridge upper lid 112 can be reliably maintained.
[0028]
FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of the printed circuit board 22 on which the base sequence detection chip 21 is mounted. As shown in FIG. 4, a base sequence detection chip 21 is sealed on a printed board 22 by a sealing resin 23. On the base sequence detection chip 21, for example, an electrode 21a operating as a working electrode or a counter electrode and an electrode 21b operating as a reference electrode are provided. FIG. 4 schematically shows a case in which one electrode 21a is provided in each of four regions divided by the electrode 21b. However, one or more working electrodes and counter electrodes may be provided in each region. Of course. Further, the shape of the electrode 21b is not limited to that shown in FIG. Also, for reference, FIG. 4 shows a region where the cell 115 is defined by a broken line. As shown in FIG. 4, the cell 115 is defined such that the electrodes 21a and 21b are located in the area of the cell 115.
[0029]
An electrical connector 22 a is provided at an end of the printed circuit board 22. The electrodes 21a and 21b of the base sequence detection chip 21 and the electrical connector 22a are electrically connected by a lead frame provided on the surface of the printed circuit board 22 or the like. By connecting the signal interface of the measurement system 12 to the electric connector 22a, each electrode of the base sequence detection chip 21 and the measurement system 12 can be electrically connected.
[0030]
FIG. 5A is a cross-sectional view of the cell 115 shown in FIG. 2A and a chemical solution supply system leading to the cell 115 as viewed from the C-C direction. FIG. 5B is a top view of the vicinity of the cell 115.
[0031]
As shown in FIG. 5A, a closed space formed by tightly fixing the sealing material 24 such as a packing ring by the chip cartridge upper lid 112 and the base sequence detection chip 21 is the cell 115. The bottom surface of the cell 115 is determined by the surface of the base sequence detection chip 21. The side surface of the cell 115 is defined by the sealing material 24, and the upper surface of the cell 115 is defined by the lower surface of the chip cartridge upper lid 112. The bottom surface of the sealing material 24 is in contact with the base sequence detection chip 21 without any gap, and the top surface of the sealing material 24 is in contact with the bottom surface of the chip cartridge upper lid 112 without any gap. Thus, a completely closed space other than the cell holes 115a and 115b is defined, and the liquid tightness between the base sequence detection chip 21 and the lid 120 is maintained.
[0032]
The cross-sectional shape of the cell 115 has a circular shape as shown in FIG. An input port 116a and an output port 116b having a circular cross section are provided on the outer edge of the circular cell 115 at substantially symmetric positions with respect to the center of the circle of the cell 115. The outer circumferences of the input port 116a and the output port 116b are almost in contact with the outer circumference of the cell 115. The central axes of the circular cross sections of the inlet port 116a and the outlet port 116b are located on a straight line 115c passing through the center of the circular bottom surface of the cell 115.
[0033]
The inlet port 116a and the outlet port 116b each extend upward from the upper surface of the cell 115 to a predetermined height in a direction substantially perpendicular to the cell bottom surface. The inlet port 116a and the outlet port 116b have their flow paths bent in a direction away from the center of the cell 115, and are connected to the flow paths 114a and 114b, respectively.
[0034]
As shown in FIG. 5B, the central axes of the inlet port 116a and the outlet port 116b, and the flow paths 114a and 114b are substantially located on a straight line 115c. The delivery port 116b extends to a predetermined height in a direction substantially perpendicular to the cell bottom surface, and is further bent at a substantially right angle in a direction away from the center of the cell 115, and branches into two paths at the bent position. One of the paths penetrates to the surface of the chip cartridge upper lid 112 and communicates with the sample inlet 119. As a result, the sample injected from the sample inlet 119 is introduced into the cell 115 through the delivery port 116b. The central axes of the sample inlet 119 and the delivery port 116b substantially coincide with each other, and the diameter of the sample inlet 119 is set larger than the diameter of the delivery port 116b. Further, the sample inlet 119 can be closed by the lid 120 provided near the sample inlet 119. Accordingly, when the chemical solution is circulated from the flow path 114a to the flow path 114b via the cell 115 without using the sample injection port 119, the chemical liquid can be prevented from flowing out from the sample injection port 119, and the chemical liquid can be prevented from flowing out. A route can be secured. Further, a sealing material 121 is provided on the lid 120, and by sealing the sample inlet 119, a slight leakage of the chemical solution can be prevented. Although not particularly shown in the example of FIG. 5A, a sealing material 121 having a depth that completely blocks the path from the delivery port 116b to the flow path 114b to the sample inlet 119 is left. If used, the retention of a chemical solution or air on the sample inlet 119 side can be reduced.
[0035]
With the above-described configuration, the liquid medicine and air can flow in the direction indicated by the arrow in FIG. 5A in the order of the flow path 114a, the inlet port 116a, the cell 115, the output port 116b, and the flow path 114b. The sample is injected from the sample inlet 119, and is introduced into the cell 115 through the delivery port 116b in the direction of the arrow. Therefore, the sample is injected from the sending side, and the flow of the supply of the chemical solution and the injection path of the sample are set in reverse. Thereby, in the cleaning step, the cleaning efficiency of the sample can be increased.
[0036]
FIG. 6A is a modified example of a portion surrounded by a broken line in FIG. 5A, and FIG. 6B is a view of the cell 115 in the modified example of FIG. As shown in FIG. 6A, the inlet port 116a has a counterbore hole 115d. In other words, the diameter of the inlet port 116a gradually increases toward the counterbore hole 115d, and the diameter of the port far from the opening of the inlet port 116a is smaller than the diameter of the counterbore hole 115d. When viewed from above, the positional relationship is as shown in FIG. The counterbore hole 115d has a diameter d of the inlet port 116a. 1 Larger diameter d 11 Having. The outer periphery of the inlet port 116a and the inner periphery of the sealing material 24 are arranged substantially in alignment. Therefore, a part of the outer periphery of the counterbore hole 115d is positioned so as to overlap the peripheral edge of the cell 115. The outer periphery of the counterbore hole 115d does not need to be circular, and as shown in FIG. 6B, an oval shape in which the hole width in the direction parallel to the straight line 115c is set smaller than the hole width in the direction perpendicular to the straight line 115c. May be.
[0037]
Although FIG. 6 shows a case where the counterbore hole 115d is provided in the sending port 116a, a similar counterbore hole may be provided in the sending port 116b.
[0038]
By providing the counterbore hole 115d at the opening of the cell 115, the inlet to the cell 115 has a funnel-like shape, so that it is easy to suck out a chemical solution or bubbles, and it is difficult for the solution or bubbles to remain in the cell 115. Has an effect.
[0039]
FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a more detailed configuration of the positional relationship between components near the cell 115. FIG. 7A is a sectional view, and FIG. 7B is a top view. In FIG. 7A, d 4 Is the height of the sealing material 24. In FIG. 7B, d 0 Is the distance from the central axis O of the cell 115 to the outer periphery, d 3 Is the outer diameter of the sealing material 24, d 1 , D 2 Are the port cross-sectional radii of the inlet port 116a and the outlet port 116b, respectively, and d 1 <D 3 , D 2 <D 3 It is. The central axes of the inlet port 116a and the outlet port 116b are 1 And O 2 And axis O and axis O 1 Distance of d 01 , Axis O and axis O 2 Distance of d 02 Then d 01 + D 1 = D 0 , D 02 + D 2 = D 0 Holds. Radius d of cell 115 0 Is set to about 3 mm to 30 mm, and the radius d of the input port 116a and the output port 116b is 2 , D 3 Are set to about 0.3 mm to 2 mm, respectively. Height d of sealing material 24 4 Is set to about 0.5 mm.
[0040]
As described above, by opening the inlet port 116a and the outlet port 116b at the peripheral edge of the upper surface of the cell 115 having a circular bottom, the chemical liquid is displaced when the inside of the cell 115 is replaced with air when the chemical liquid is supplied. 115, it is possible to prevent the chemical solution remaining. Also, when a chemical solution is introduced into the cell 115 filled with air, the cell 115 can be filled without remaining air. Further, since the sample inlet 119 is also provided so as to communicate with the delivery port 116b, it is possible to prevent air from remaining in the cell 115 during sample injection and to fill the cell 115 with the sample.
[0041]
Thereby, the in-plane uniformity of the current characteristics obtained in the cell 115 by the electrochemical reaction of the DNA probe in the cell 115 is improved, and the reliability of SNPs detection is improved.
[0042]
FIG. 7C shows a state in which the sealing material 24 is tightly fixed between the chip cartridge upper lid 112 and the base sequence detection chip 21 by the substrate fixing screw 25. It is pressed when the substrate fixing screw 25 is fixed in the direction indicated by the arrow in FIG. More specifically, after the sealant 24 is placed on the base sequence detection chip 21 and the chip cartridge upper lid 112 is fixed with the substrate fixing screw 25, the space between the upper surface of the sealant 24 and the chip cartridge upper lid 112 is changed. Contact is made without a gap, and the gap between the lower surface of the sealing material 24 and the surface of the base sequence detection chip 21 is made without a gap, and the cell 115 is defined.
[0043]
A receiving hole may be provided outside the cell hole portions 115a and 115b of the chip cartridge upper lid 112 for positioning the outer periphery of the inlet port 116a and the outlet port 116b of the chip cartridge upper lid 112 and the inner periphery of the sealant 24. . As a result, the sealant 24 fits into the receiving hole, and the sealant 24 is positioned with respect to the chip cartridge upper lid 112.
[0044]
FIG. 8 is a diagram showing a modification of each component near the cell 115 shown in FIG. FIG. 8A is a sectional view, and FIG. 8B is a top view. The same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted. FIG. 8 differs from FIG. 7 in that the height d is 41 Is used, and the chip cartridge upper cover 112 has substantially the same inner diameter and outer diameter as the seal material 24a, and the height d provided on the bottom surface of the chip cartridge upper cover 112. 42 Is to provide the ring-shaped convex portion 112a. The ring-shaped convex portion 112a has the same central axis as the central axis O of the cell 115, and has an inner diameter d. 0 , The outer diameter is d 3 It is. The seal member 24a is printed in advance on the ring-shaped convex portion 112a by, for example, screen printing or the like, and is formed integrally with the seal member 24a. Thus, the cell 115 can be determined without positioning the sealing material and the chip cartridge upper lid as in the configuration shown in FIG. 7, and the assembly process of the cell 115 is simplified.
[0045]
As shown in FIG. 8C, the chip cartridge upper lid 112 having the sealing material 24a fixed in advance is fixed to the base sequence detection chip 21 by pressing the upper lid fixing screw 117 in the direction of the arrow using the upper lid fixing screw 117. The cell 115 can be easily defined. Also, height d 41 And d 42 Is the height d of the sealing material in FIG. 4 For d 4 = D 41 + D 42 The cell 115 having the same height as that in the case of FIG. 7 can be determined. Further, the sealing member 24a and the ring-shaped convex portion 112a may be integrated by a method other than screen printing. For example, the protrusions may be provided on one of the sealing member 24a or the ring-shaped convex portion 112a, and the other may be provided with a hole to be fitted with the protrusion to achieve the integration. In this case, there is an advantage that the sealing material 24a can be freely removed from the chip cartridge upper lid 112.
[0046]
FIGS. 9 to 11 show sectional views of modified examples of the shape of the cell 115. FIG.
[0047]
As shown in FIG. 9A, the cross section (bottom surface) of the cell 115 has a radius d. 0 And has an outer diameter d surrounding the cell 115. 3 Is disposed. The configuration shown in FIG. 9A is common to the configurations shown in FIGS. 5 and 7 described above.
[0048]
In FIG. 9B, the shape of the cell 115 is a polygon. Further, the sealing material 24 has an outer diameter d. 3 Are common, but the inner circumference forms a polygon in accordance with the polygonal shape of the cell 115. In FIG. 9B, the width in the direction perpendicular to the direction of the flow path from the inlet port 116a to the outlet port 116b is formed smaller than the distance between the inlet port 116a and the outlet port 116b. This defines a slightly elongated cell shape in the direction of the flow path. Thereby, the residual amount of the chemical solution and the residual air at a position far away from the straight line 115c connecting the inlet port 116a and the outlet port 116b are reduced, so that the in-plane uniformity of various electrochemical reactions for measurement is improved. FIG. 9B shows an octagon as an example of a polygon. However, the present invention is not limited to this, and a polygon such as a triangle, a quadrangle, a pentagon, or the like may be used.
[0049]
FIG. 10A shows that the shape of the cell 115 is elliptical. The outer circumference of the sealing material 24 has an outer diameter d. 3 , And the inner periphery has an elliptical shape. The center of the ellipse is O. The major axis of the ellipse is located on the straight line 115c, and the length of the major axis is 2 × d 0 Is determined by The minor axis of the ellipse is located on a straight line 115e perpendicular to the straight line 115c and passing through the central axis O, and the length of the minor axis is 2 × d 5 And d 5 <D 0 Holds. As described above, when the elliptical cell 115 is used, the width of the path of the chemical from the inlet port 116a to the outlet port 116b becomes smaller than that of the circular cell as shown in FIG. Along the shape. Therefore, the remaining amount of the chemical solution and the air remaining at the spread position of the path of the chemical solution are reduced, and the in-plane uniformity of various electrochemical reactions for measurement is improved.
[0050]
In FIG. 10B, the vicinity of the port on the outer periphery of the cross section of the cell 115 is defined by a curve expressed by a multi-order equation. The outer periphery of the seal member 24 has a circular shape with an outer diameter d3, and the inner periphery is determined by a curve expressed by a multi-order equation. The distance from the center O of the cell 115 to the intersection between the outer periphery of the cell 115 and the straight line 115c is d 0 It is. More specifically, assuming that the intersection point between the outer periphery of the cell 115 and the straight line 115c is the origin, the straight line 115c intersects the y-axis and the straight line 115c perpendicularly, and the straight line 115f passing through the origin is the x-axis, The shape matches the shape of the curve of the given multi-order equation. The equation can be freely set, and can be set to, for example, a parabolic shape by setting.
[0051]
Note that this curve defines only the outer periphery of the half of the cell 115 on the side of the inlet port 116a. The curve of the same equation obtained by defining the x-axis as a straight line 115g indicates the outer peripheral shape of the cell on the side of the other half of the outlet port 116b. Is determined. Thereby, the outer peripheral shape of the cell 115 on the upstream side provided with the inlet port 116a and the downstream side provided with the outlet port 116b has a line-symmetrical shape with the straight line 115e as a boundary.
[0052]
In the example of FIG. 10B, the cross-sectional shape of the cell 115 near the inlet port 116a is a parabolic shape that extends toward the outlet port 116b. The cross-sectional shape of the cell 115 near the delivery port 116b is a parabolic shape that extends toward the delivery port 116a. As a result, when the area near the input port 116a and the output port 116b and deviated from the path connecting the input port 116a and the output port 116b, that is, the area at the port corner has a circular cross section as shown in FIG. It becomes narrower than. As a result, air and the chemical liquid hardly remain in the port corner region, and the current characteristics of the measurement are improved. 9B and 10A that the width of the cell 115, that is, the width in the direction perpendicular to the flow path is smaller than the distance between the inlet port 116a and the outlet port 116b. Is the same as
[0053]
FIG. 11A is a modified example of FIG. In the case of FIG. 10B, the case is shown where the outer peripheral shapes of the upstream side provided with the input port 116a and the downstream side 115 provided with the output port 116b are line-symmetric with each other. In the case of ()), the shape is asymmetric. Assuming that the intersection point between the outer periphery of the cell 115 and the straight line 115c is the origin, the straight line 115c is the y-axis, the straight line that intersects the straight line 115c perpendicularly, and the straight line passing through the origin is the 115f, the outer periphery of the cell 115 has a predetermined shape. It matches the shape of the curve of the multi-order equation.
[0054]
In the case of the figure, the equation is set to different values on the side of the sending port 116a and the side of the sending port 116b. As a result, as shown in the figure, cells having an asymmetric shape on the upstream side and the downstream side of the chemical solution with the straight line 115e as a boundary are formed. The delivery port 116b has a convex shape outside the cell 115, and the delivery port 116a has a slightly convex shape outside the cell 115, but its curvature is larger than that of the delivery port 116b.
[0055]
Of course, the shape of the cell 115 on the side of the sending port 116a and the side of the sending port 116b may be reversed from that shown in FIG. Further, as described later, a slight gap may be provided between the position where the delivery port 116b is formed and the position of the sealing material 24.
[0056]
Either the cell periphery on the upstream side or the downstream side may be in the shape of a curve expressed by a multi-order equation, the other may be in the shape of a curve not expressed by such an equation, or both may be expressed by a multi-order equation The shape of the curve may not be possible.
[0057]
FIG. 11B is a modified example of FIG. 9B. As in FIG. 9B, the outer peripheral shape of the cell 115 is a polygon, but in the case of FIG. 11B, it is a regular hexagon. Two vertices that are point-symmetric with respect to the center of the regular hexagon are located on the straight line 115c. The cell holes 115a and 115b are arranged so as to be in contact with the outer periphery of the regular hexagon near the two vertices. The point that the width of the cell 115, that is, the width in the direction perpendicular to the flow path is smaller than the distance between the inlet port 116a and the outlet port 116b is the same as in FIG. 9B and the like.
[0058]
9 (a), 9 (b), 10 (a), (b) and 11 (a), (b) described above, the outer peripheral positions of the sending port 116a and the sending port 116b are shown for reference. That is, the case where the outer peripheral positions of the cell holes 115a and 115b are in contact with the outer periphery of the cell 115 is described as an example, but the case where the outer periphery of the cell 115 with the input port 116a or the output port 116b fits inside the cell 115, The present invention is also applicable to a case where the counterbore is protruded from the outside (for example, a case where the counterbore hole 115d is used).
[0059]
FIGS. 12 to 16 show cross-sectional views of modified examples of the positional relationship between the cell 115 and the input port 116a and the output port 116b. The positions of the inlet port 116a and the outlet port 116b in FIGS. 12 to 16 indicate the outer peripheral positions of these ports in the cell holes 115a and 115b, that is, the positions of the openings for the cells 115. When used, it indicates the outer peripheral position of the cross section of the counterbore hole 115d.
[0060]
The positional relationship is different between the sending side and the sending side, and when the outer circumference of the cross section of the cell 115 is overlapped / contacted / separated from the sending port 116a or sending port 116b, the sending port 116a and the sending port 116b. Are symmetrical / asymmetrical with respect to the central axis O of the cell 115, and at least 18 types of combinations are conceivable.
[0061]
FIGS. 12 to 16 illustrate a case where the cross-sectional shape of the cell 115 is circular, as in the case illustrated in FIGS. 5, 7, and 9 (a). 10 (a), 10 (b), 11 (a), and 11 (b), the same applies only by changing the cell shape.
[0062]
FIG. 12A shows a case where the outer periphery of the port overlaps the outer periphery of the cross section of the cell 115 on both the sending side and the sending side. As in FIG. 7B, d 0 Is the distance from the center O of the circular cell 115 to the outer periphery, d 3 Is the outer diameter of the sealing material 24, d 1 , D 2 The radius of the port section (section of the cell holes 115a and 115b) of the inlet port 116a and the outlet port 116b, and the central axes of the inlet port 116a and the outlet port 116b 1 And O 2 And axis O and axis O 1 Distance of d 01 , Axis O and axis O 2 Distance of d 02 Then d 01 + D 1 > D 0 , D 02 + D 2 > D 0 Holds.
[0063]
FIG. 12B illustrates a case where the port side overlaps with the outer circumference of the cell 115 cross section on the sending side and the port outer circumference contacts with the outer circumference of the cell 115 cross section on the sending side. In this example, d 01 + D 1 > D 0 , D 02 + D 2 = D 0 Holds.
[0064]
FIG. 13A shows the case where the port side contacts the outer circumference of the cross section of the cell 115 on the sending side, and the outer circumference of the port overlaps the outer circumference of the cross section of the cell 115 on the sending side. The case where the configuration on the sending side and the configuration on the sending side are reversed is shown. In this example, d 01 + D 1 = D 0 , D 02 + D 2 > D 0 Holds.
[0065]
FIG. 13B shows a case where the outer circumference of the cross section of the cell 115 and the outer circumference of the port overlap on the sending side, and the outer circumference of the cross section of the cell 115 and the outer circumference of the port are separated on the sending side. In this example, d 01 + D 1 > D 0 , D 02 + D 2 <D 0 Holds.
[0066]
FIG. 14A shows a case where the outer periphery of the cross section of the cell 115 and the outer periphery of the port are separated on the sending side, and the outer periphery of the cross section of the cell 115 and the outer periphery of the port overlap on the sending side. In this example, d 01 + D 1 <D 0 , D 02 + D 2 > D 0 Holds.
[0067]
FIG. 14B shows a case where the outer periphery of the cross section of the cell 115 contacts the outer periphery of the port on the sending side, and the outer periphery of the port contacts the outer periphery of the cross section of the cell 115 on the sending side. In this example, d 01 + D 1 = D 0 , D 02 + D 2 = D 0 Holds. This example is common to the case shown in FIG.
[0068]
FIG. 15A shows a case where the outer periphery of the cross section of the cell 115 is in contact with the outer periphery of the port on the sending side, and the outer periphery of the port is separated from the outer periphery of the cross section of the cell 115 on the sending side. In this example, d 01 + D 1 = D 0 , D 02 + D 2 <D 0 Holds.
[0069]
FIG. 15B shows a case where the outer periphery of the cross section of the cell 115 is separated from the outer periphery of the port on the sending side, and the outer periphery of the cross section of the cell 115 is contacted with the outer periphery of the port on the sending side. In this example, d 01 + D 1 <D 0 , D 02 + D 2 = D 0 Holds.
[0070]
FIG. 16A shows a case where the outer periphery of the cross section of the cell 115 is separated from the outer periphery of the port on the sending side, and the outer periphery of the port is separated from the outer periphery of the cross section of the cell 115 on the sending side. In this example, d 01 + D 1 <D 0 , D 02 + D 2 <D 0 Holds.
[0071]
As described above, FIGS. 12 to 15 and FIG. 16A show nine modified examples depending on whether or not the port and the cell overlap. FIG. 16 (b) can be applied in further combination to these nine modifications depending on whether or not the port and the cell overlap. These nine modifications show the case where the input port 116a and the output port 116b are located symmetrically with respect to the center O of the cell 115. FIG. 16B shows the case where the input port 116a and the output port 116b are arranged. Is an asymmetric position with respect to the center O of the cell 115. Therefore, at least 18 combinations can be realized by further combining the nine modifications with FIG. 16B.
[0072]
As shown in FIG. 16B, a straight line connecting the input port 116a and the output port 116b does not pass through the central axis O of the cell 115. That is, the center O of the inlet port 116a 1 A straight line 115h connecting the center O of the cell 115 to the center O of the delivery port 116b 1 Does not coincide with the straight line 115c connecting the center O of the Therefore, the sending port 116a and the sending port 116b are provided at positions asymmetric with respect to the center O of the cell 115.
[0073]
In FIG. 16 (b), the outer periphery of the port overlaps the outer periphery of the cross section of the cell 115 on the liquid sending side, and the outer periphery of the port contacts the outer periphery of the cross section of the cell 115 on the discharge side, that is, d. 01 + D 1 > D 0 , D 02 + D 2 = D 0 (Corresponding to FIG. 12B), but the positional relationships shown in the remaining eight modifications shown in FIGS. 12 to 15 and 16A except for FIG. Of course, it may be applied.
[0074]
FIGS. 36 (a) and 36 (b) show the optimal shapes among the combinations of the shapes of the cells 115 shown in FIGS. FIG. 36A shows an example in which the cell shape in FIG. 11A is combined with the positional relationship between the ports in FIG. 13A, and FIG. 36B shows the cell shape in FIG. This is an example in which the port positional relationships in FIG.
[0075]
As shown in FIGS. 36 (a) and (b), when considering the flow path from the input port 116a to the output port 116b, an elongated cell shape in which the width of the flow path is narrower than the distance between each port. It has become. This reduces the residual amount of the chemical solution and the residual air at a point far away from the straight line connecting the inlet port 116a and the outlet port 116b, and improves the in-plane uniformity of the electrochemical reaction for measurement.
[0076]
Further, the area of the port corner of the input port 116a is narrow, and the curvature of the curve defining the cell edge near the port corner is larger than the curvature of the curve defining the cell edge near the port corner of the output port 116b. Further, the peripheral portion of the inlet port 116a is formed so as to contact or overlap with the peripheral portion on the upper surface of the cell 115. Further, the peripheral portion of the delivery port 116b is formed apart from the peripheral portion of the upper surface of the cell 115. Thereby, it is possible to reduce the residual chemical solution and air remaining near the port corner of the inlet port 116a when the chemical solution or the air is supplied, and to reduce the amount of the chemical solution or air generated at the port corner of the delivery port 116b when the chemical solution or the air is delivered. Fluctuations in the liquid velocity can be reduced, and residual air and the like can be reduced.
[0077]
Next, a method for manufacturing the above-described base sequence detection chip 21 and printed circuit board 22 will be described with reference to the process cross-sectional views of FIGS.
[0078]
After cleaning the silicon substrate 211, the silicon substrate 211 is heated to form a thermal oxide film 212 on the surface of the silicon substrate 211. A glass substrate may be used instead of the silicon substrate 211.
[0079]
Next, a Ti film 213 is formed with a thickness of, for example, 50 nm on the entire surface of the substrate, and then an Au film 214 is formed with a thickness of, for example, 200 nm by sputtering. Here, the Au film 214 preferably has a crystal plane orientation of <111> orientation. Next, the photoresist film 210 is patterned so as to protect a region to be an electrode or a wiring later (FIG. 17A), and the Au film 214 and the Ti film 213 are etched (FIG. 17B). In this embodiment, KI / I is used for etching the Au film 214. 2 The mixed solution is mixed with NH for Ti etching. 4 OH / H 2 O 2 A mixed solution was used. The etching of the Au film 214 includes a method using diluted aqua regia and a method of removing it by ion milling. Similarly, for the etching of the Ti film 213, a wet etching process using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid, for example, CF 4 / O 2 A method by dry etching using plasma with a mixed gas is also applicable.
[0080]
Next, the photoresist film 210 is removed by oxygen ashing (FIG. 17C). The step of removing the photoresist film 210 can be performed using a solvent, using a resist stripper, or using these together with an oxygen ashing step.
[0081]
Next, a photoresist film 215 is applied on the entire surface and patterned so as to open the electrode portion and the bonding pad (FIG. 17D). Then, hard baking is performed in a clean oven at, for example, 200 ° C. for 30 minutes. For the hard baking method, a hot plate can be used, and processing conditions can be appropriately changed. Here, the photoresist film 215 is selected as the protective film, but an organic film such as polyimide or BCB (benzocyclobutene) may be used instead of the photoresist. In addition, SiO, SiO 2 An inorganic film such as SiN or SiN may be used for the protective film. In this case, the photoresist film 215 is opened to protect the electrode portion, SiO or the like is deposited, and a region other than the electrode portion is protected by a lift-off method, or SiN or the like is formed on the entire surface. The photoresist film 215 may be formed by forming a pattern so that only the portions are opened, removing the SiN film or the like on the electrode by etching, and finally peeling off the photoresist film 215.
[0082]
Next, chips are formed by dicing. Finally, to clean the surface of the electrode, CF 4 / O 2 A process using mixed plasma is performed. Thereby, the base sequence detection chip 21 is obtained. Then, the base sequence detection chip 21 is mounted on the printed circuit board 22 on which the electric connector 22a is mounted. Then, the bonding pads of the base sequence detection chip 21 and the lead wires on the printed circuit board 22 are connected by wire bonding. After that, the wire bonding portion is protected by using the sealing resin 23.
[0083]
Through the above steps, the printed circuit board 22 on which the base sequence detection chip 21 is mounted can be manufactured.
[0084]
FIG. 18 shows a top view of the prepared base sequence detection chip 21. As shown in FIG. 18, a plurality of electrodes 21a are provided near the center of the chip surface. The square electrode 21a in FIG. 18 is an electrode used as a working electrode and a counter electrode, and a cross-shaped electrode 21b that intersects the vertical and horizontal directions substantially vertically so as to divide the set of the working electrode and the counter electrode into approximately four. Is an electrode used as a reference electrode. The region where the electrodes 21a and 21b are formed is used so as to overlap the bottom surface of the cell 115 indicated by the broken line. Further, a bonding pad 221 is arranged around the chip. Each of the electrodes 21a and the electrode 21b are connected to the bonding pad 221 by a wiring 222. Although not shown in FIG. 18, the peripheral portion where the bonding pad 221 is formed is sealed with the sealing resin 23 described above.
[0085]
Next, an example of a specific configuration of the liquid feeding system 13 will be described with reference to FIG. The liquid feeding system 13 is roughly divided into a supply system provided on the channel 114a side of the cassette 11 and a discharge system provided on the channel 114b side.
[0086]
An air supply source 401 is connected to the uppermost stream of the pipe 404. On the downstream side of the air supply source 401, a check valve 402 for preventing a chemical solution other than air from flowing back to the air supply source 401 via a pipe 404 is provided, and further on the downstream side, a two-way solenoid valve is provided. 403 (V a ) Is provided. Thus, the flow rate of the air flowing from the pipe 404 toward the chip cartridge 11 is controlled.
[0087]
A milli-Q water supply source 411 containing milli-Q water as one of the chemicals is connected to the pipe 414. On the downstream side of the milli-Q water supply source 411, there is provided a check valve 412 for preventing a chemical solution or air other than the milli-Q water from flowing back to the milli-Q water supply source 411. Solenoid valve 413 (V wa ) Is provided. The communication between the pipe 404 and the pipe 415 and the communication between the pipe 414 and the pipe 415 are switched by the three-way solenoid valve 413. That is, the pipe 404 communicates with the pipe 415 when the three-way solenoid valve 413 is not energized, and the pipe 414 communicates with the pipe 415 when energized. Thereby, the supply of air and milli-Q water to the pipe 415 can be switched.
[0088]
A buffer supply source 421 containing a buffer (buffer solution) as one of the chemicals is connected to the pipe 424. On the downstream side of the buffer supply source 421, there is provided a check valve 422 for preventing a chemical solution or air other than the buffer from flowing back to the buffer supply source 421, and further on the downstream side, a three-way solenoid valve 423 (V ba ) Is provided. The communication between the pipe 424 and the pipe 425 and the communication between the pipe 415 and the pipe 425 are switched by the three-way solenoid valve 423. That is, when the three-way solenoid valve 423 is not energized, the pipe 415 is connected to the pipe 425, and when energized, the pipe 424 is connected to the pipe 425. Thereby, the supply of the buffer to the pipe 425 and the supply of the air or the milli-Q water can be switched.
[0089]
The pipe 434 is connected to an intercalating agent supply source 431 containing an intercalating agent as one of the chemicals. A check valve 432 is provided on the downstream side of the intercalating agent supply source 431 to prevent a chemical solution or air other than the intercalating agent from flowing back to the intercalating agent supply source 431, and further on the downstream side, a three-way solenoid valve is provided. 433 (V in ) Is provided. The three-way solenoid valve 433 switches between the communication between the pipe 434 and the pipe 435 and the communication between the pipe 425 and the pipe 435. That is, when the three-way solenoid valve 433 is not energized, the pipe 425 communicates with the pipe 435, and when energized, the pipe 434 communicates with the pipe 435. Thereby, the supply of the intercalating agent to the pipe 435 and the supply of air, milli-Q water or a buffer can be switched.
[0090]
As described above, by controlling the two-way solenoid valve 403 and the three-way solenoid valves 413, 423, and 433 in the air or chemical supply system, the air supplied to the chip cartridge 11 via the pipe 435, the milli-Q water, The supply of chemicals such as a buffer and an insert can be switched, and the supplied air and the flow rates of these chemicals can be controlled.
[0091]
The upstream side of the pipe 435 communicates with the above-described three-way solenoid valve 433, and the downstream side thereof communicates with the three-way solenoid valve 441 (V cbin ) Are in communication. With the three-way solenoid valve 441, the pipe 435 can be branched into the pipe 440 and the bypass pipe 446. The three-way solenoid valve 441 switches the pipe 435 to communicate with the bypass pipe 446 when not energized, and switches the pipe 435 to communicate with the pipe 440 when energized. The three-way solenoid valve 445 switches the bypass pipe 446 to communicate with the pipe 450 when not energized, and switches the pipe 440 to communicate with the pipe 450 when energized. By these three-way solenoid valves 441 and 445, the supply of various chemicals and air can be switched to the bypass pipe 446 and the pipe 440.
[0092]
In the pipe 440, the two-way solenoid valve 442 (V 1in ), Chip cartridge 11, liquid sensor 443, two-way solenoid valve 444 (V 1 out ) 3-way solenoid valve 445 (V cbout ) Is provided. The two-way solenoid valve 442 communicates with a flow path 114a corresponding to the feeding system of the chip cartridge 11, and the two-way solenoid valve 444 communicates with a flow path 114b corresponding to the sending system of the chip cartridge 11. ing. As a result, a chemical solution, air, and the like are supplied to the feed system of the chip cartridge 11 via the pipe 440, and the chemical solution, air, and the like can be discharged from the feed system of the chip cartridge 11. In addition, the two-way solenoid valves 442 and 444 can control the flow rate of a chemical solution, air, and the like in the liquid supply and discharge paths. The liquid sensor 443 can monitor the flow rate of the chemical solution flowing into the chip cartridge 11 or discharged from the chip cartridge 11.
[0093]
In the pipe 450, the two-way solenoid valve 451 (V vin ), Decompression region 452, two-way solenoid valve 453 (V out ), Liquid sending pump 454, three-way solenoid valve 455 (V ww ) Is provided. The two-way solenoid valves 451 and 453 prevent backflow of the chemical solution and air in the path before and after the pressure reduction region 452. The liquid feed pump 454 is formed of a tube pump, and is characterized in that it is provided in a discharge system on the sending side (downstream side) when viewed from the chip cartridge 11. That is, by using a tube pump, the chemical solution does not come into contact with a mechanism other than the tube wall, which is preferable from the viewpoint of preventing contamination. Further, by supplying and discharging the chemical solution and the air to and from the chip cartridge 11 by the suction operation, the replacement of the chemical solution and the air inside the chip cartridge 11 can be performed not only in a lubricating manner, but also in the case of the piping. When the chip cartridge 11 is loosened or the chip cartridge 11 comes off the pipe 440, no liquid leakage occurs. Thereby, the safety of installation of the device is improved.
[0094]
Of course, a pump may be provided in the pipe on the upstream side of the chip cartridge 11, and the pump and the air may be pushed out to the chip cartridge 11 by the pump. Further, the pump is not limited to the tube pump, but may be a syringe pump, a plunger pump, a diaphragm pump, a magnet pump, or the like.
[0095]
The three-way solenoid valve 455 switches so that the pipe 450 communicates with the pipe 461 when not energized, and connects the pipe 450 with the pipe 463 when energized. The pipe 461 is provided with a waste liquid tank 462, and the pipe 463 is provided with an intercalating agent waste liquid tank 464. As a result, chemicals such as milli-Q water and buffer other than the intercalating agent can be guided to the waste liquid tank 462 by switching the three-way solenoid valve 455, and the intercalating agent can be guided to the intercalating agent waste liquid tank 464. This makes it possible to separate and collect the intercalating agent.
[0096]
The electromagnetic valves may be connected to each other by a pipe such as a Teflon tube, but in the present embodiment, the electromagnetic valves and the flow paths are integrated with the chip cartridge 11 on the upstream side and the downstream side, respectively. It has a manifold structure. As a result, the volume in the pipe is reduced, so that the required amount of the chemical solution can be significantly reduced. Further, since the flow of the chemical solution in the pipe is stabilized, the reproducibility and stability of the detection result are improved.
[0097]
A liquid sending step for detecting a base sequence using the liquid sending system 13 shown in FIG. 19 will be described with reference to the flowchart in FIG.
[0098]
First, a hybridization reaction between the DNA probe immobilized on the electrode 21a and the sample is performed in the cell 115 (s21). In the execution of the hybridization reaction, the temperature control mechanism 14 is controlled so that, for example, the bottom surface of the chip cartridge 11, that is, the bottom surface of the printed circuit board 22 is about 45 ° C., and is held, for example, for 60 minutes.
[0099]
In parallel with this hybridization reaction, a chemical solution line is set up (s22). Specifically, by controlling the three-way solenoid valves 441 and 445, the bypass pipe 446 is used, and the three-way solenoid valve 433 is energized to supply the intercalating agent from the intercalating agent supply source 431 for, for example, about 10 seconds. . The three-way solenoid valve 455 is energized, and the intercalating agent from the pipe 450 is stored in the intercalating agent waste liquid tank 464. Next, the intercalating agent and air are alternately introduced into the bypass pipe 446 from the pipe 435 alternately, for example, about every 5 seconds. Next, only air is introduced from the pipe 435 to the bypass pipe 446. At this stage, the waste liquid is switched to the waste liquid tank 462. Then, the buffer is introduced from the buffer supply source 421 into the bypass pipe 446. Thereafter, Milli-Q water and air are alternately introduced into the bypass pipe 446 from the pipe 435 alternately, for example, about every 5 seconds.
[0100]
When the startup of the chemical solution line is completed and the hybridization reaction is completed, the inside of the pipe is washed (s23). In the cleaning of the inside of the pipe, for example, after the temperature of the printed circuit board 22 is set to about 25 ° C. by the temperature control mechanism 14, the bypass pipe 446 is purged with milli-Q water, and then air and milli-Q water are alternately changed, for example, for about 5 seconds each. Introduce repeatedly. Next, the inside of the chip cartridge is washed (s24). In the cleaning in the chip cartridge, the chemical solution introduction path is switched from the bypass pipe 446 to the pipe 440, and air and milli-Q water are alternately introduced into the pipe 440, for example, about every 5 seconds. Then, after confirming that the chip cartridge 11 is filled with water by the liquid sensor 443, the introduction path is switched to the bypass pipe 446.
[0101]
Next, a buffer purge in the pipe is performed (s25). In the buffer purge in the pipe, air is first introduced into the bypass pipe 446 so that the buffer and the milli-Q water are not mixed. Next, the air and the buffer are alternately introduced into the bypass pipe 446 alternately, for example, about every 5 seconds. Then, the liquid sensor 447 provided in the bypass pipe 446 confirms that the buffer has replaced the bypass pipe 446.
[0102]
Next, buffer injection into the chip cartridge is performed (s26). In the buffer injection in the chip cartridge, first, the pipe is switched from the bypass pipe 446 to the pipe 440, and the air and the buffer are alternately introduced into the chip cartridge 11 alternately, for example, about every 5 seconds.
[0103]
Next, a buffer is filled into the chip cartridge 11 (s27). In filling the buffer, the buffer is introduced into the chip cartridge 11 while monitoring the state in the chip cartridge 11 with the liquid sensor 443, and unnecessary samples are washed by leaving the buffer at, for example, 60 ° C. for 30 minutes (s28). After the unnecessary sample washing step, the pipe 440 is switched to the bypass pipe 446, and the inside of the pipe is washed by introducing milli-Q water (s29). In this cleaning in the pipe, air and milli-Q water are alternately and repeatedly introduced, for example, for about 5 seconds each.
[0104]
Next, the inside of the chip cartridge is washed (s30). In the cleaning in the chip cartridge, the bypass pipe 446 is switched to the chip cartridge 11, and air and water are alternately introduced repeatedly, for example, for about 5 seconds each. After that, the liquid cartridge 443 is switched to the bypass pipe 446 after confirming that the chip cartridge 11 is filled with the milli-Q water.
[0105]
Next, the measurement is started. In the measurement, first, an insertion agent purge in a pipe is performed (s31). In the in-pipe insertion agent purge, the waste liquid is switched to the insertion agent waste liquid tank 464 while introducing air into the bypass pipe 446. Next, after alternately supplying the air and the insert agent to the bypass pipe 446 alternately, for example, about every 5 seconds, the liquid sensor 447 detects whether the bypass pipe 446 has been replaced with the insert agent.
[0106]
Next, an insertion agent is injected into the chip cartridge 11 (s32). In this step, the air and the insert are alternately introduced repeatedly, for example, about every 5 seconds after switching from the bypass pipe 446 to the chip cartridge 11 side.
[0107]
Next, under the monitoring of the liquid sensor 443, the filling agent is filled into the chip cartridge 11 (s33). Thereafter, measurement is performed (s34).
[0108]
When the measurement is completed, milli-Q water is introduced into the bypass pipe 446, and then air and milli-Q water are alternately introduced, for example, for about 5 seconds each, and then replaced with air to clean the inside of the pipe (s35).
[0109]
Finally, the chip cartridge 11 is replaced from the bypass pipe 446, and air and milli-Q water are alternately introduced, for example, for about 5 seconds, and the inside of the chip cartridge 11 is further replaced with air to clean the inside of the chip cartridge (s36). ), A series of liquid feeding steps is completed.
[0110]
As described above, according to the process shown in FIG. 20 using the liquid feeding system 13 of FIG. 19, in order to efficiently perform the replacement of the chemical solution, the inside of the pipe is connected with the air such as chemical solution / air / chemical solution / air. The liquid can be sent by creating a sequence in which the chemical liquid flows alternately. By adopting such a liquid sending method, it is possible to minimize the mixing of the old chemical liquid and the new chemical liquid in the chemical liquid exchange. As a result, the transition state of the liquid exchange is reduced, and the reproducibility of the final electrochemical characteristics can be improved. Further, it is possible to shorten the liquid sending time and reduce the amount of the chemical solution by increasing the efficiency of the chemical solution exchange. In addition, since the concentration of the chemical solution in the reaction cell 115 can always be kept constant by such a chemical / air sequence liquid supply, the in-plane uniformity of the current characteristics, that is, the reliability of detection is improved.
[0111]
As a method of filling the cell 115 with the chemical solution, in order to cope with the case where air bubbles are mixed, the inside of the pipe 440 on the downstream side of the chip cartridge with the two-way electromagnetic valve 444 serving as the chip cartridge outlet valve closed. By reducing the pressure in the decompression state (by controlling the two-way solenoid valve 451 while the pump 454 is operated, the decompression area 452 is depressurized and then the two-way solenoid valve 453 is controlled to change the decompression state in the decompression area 452 Therefore, by opening the two-way solenoid valve 444, a chemical solution can be introduced into the chip cartridge reaction cell 115.
[0112]
The timing of the liquid transfer shown in FIG. 20 is merely an example, and can be variously changed according to the purpose, target, condition, and the like of the measurement.
[0113]
FIG. 21 is a diagram illustrating a specific configuration of the measurement system 12. The measurement system 12 shown in FIG. 21 performs the negative feedback of the voltage of the reference electrode 503 with respect to the input of the counter electrode 502, so that the desired Is a three-electrode type potentiostat 12a for applying a voltage of 5V.
[0114]
More specifically, the potentiostat 12a changes the voltage of the counter electrode 502 so that the voltage of the reference electrode 503 with respect to the working electrode 501 is set to a predetermined characteristic, and electrochemically reduces the oxidation current of the intercalating agent. Measure.
[0115]
The working electrode 501 is an electrode on which a DNA probe having a target complementary base sequence complementary to the target base sequence is immobilized, and is an electrode for detecting a reaction current in the cell 115. The counter electrode 502 is an electrode that applies a predetermined voltage to the working electrode 501 and supplies a current into the cell 115. The reference electrode 503 is an electrode for negatively feeding back its electrode voltage to the counter electrode 502 in order to control the voltage between the reference electrode 503 and the working electrode 501 to a predetermined voltage characteristic, whereby the voltage of the counter electrode 502 is controlled. In addition, highly accurate oxidation current detection can be performed without being affected by various detection conditions in the cell 115.
[0116]
A voltage pattern generation circuit 510 that generates a voltage pattern for detecting a current flowing between the electrodes is connected to an inverting amplifier 512 (OP) for controlling a reference voltage of a reference electrode 503 via a wiring 512b. c ) Is connected to the inverting input terminal.
[0117]
The voltage pattern generation circuit 510 is a circuit that converts a digital signal input from the control mechanism 15 into an analog signal to generate a voltage pattern, and includes a DA converter.
[0118]
The wiring 512b has a resistor R s Is connected. The non-inverting input terminal of the inverting amplifier 512 is grounded, and the output terminal is connected to the wiring 502a. The wiring 512b on the inverting input terminal side of the inverting amplifier 512 and the wiring 502a on the output terminal side are connected by a wiring 512a. This wiring 512a has a feedback resistor R ff And switch SW f Is provided.
[0119]
The wiring 502a is connected to the terminal C. The terminal C is connected to the counter electrode 502 on the base sequence detection chip 21. When a plurality of counter electrodes 502 are provided, a terminal C is connected to each of them in parallel. Thus, a voltage can be simultaneously applied to the plurality of counter electrodes 502 by one voltage pattern.
[0120]
A switch SW for performing on / off control of voltage application to the terminal C is provided on the wiring 502a. 0 Is provided.
[0121]
The protection circuit 500 provided in the inverting amplifier 512 has a configuration in which an excessive voltage is not applied to the counter electrode 502. Therefore, when an excessive voltage is applied during the measurement and the solution is electrolyzed, it does not affect the detection of the oxidation current of the desired intercalating agent, and stable measurement can be performed.
[0122]
The terminal R is connected to the voltage follower amplifier 513 (OP r ) Is connected to the non-inverting input terminal. The inverting input terminal of the voltage follower amplifier is short-circuited by the wiring 513b and the wiring 513a connected to the output terminal. A resistor R is connected to the wiring 513b. f Are connected between the resistance of the wiring 512b and the intersection of the wiring 512a and the wiring 512b. Thus, the voltage obtained by feeding back the voltage of the reference electrode 503 is input to the inverting amplifier 512 in the voltage pattern generated by the voltage pattern generating circuit 510, and the voltage of the counter electrode 502 is changed based on the output obtained by inverting and amplifying such a voltage. Control.
[0123]
The terminal W is connected to the trans-impedance amplifier 511 (OP w ) Is connected to the inverting input terminal. The non-inverting input terminal of the trans-impedance amplifier 511 is grounded, and the wiring 511b and the wiring 501a connected to the output terminal are connected by the wiring 511a. A resistor R is connected to the wiring 511a. w Is provided. The voltage at the output terminal O of the transimpedance amplifier 511 is w , The current is I w Then V w = I w ・ R w It becomes. The electrochemical signal obtained from the terminal O is output to the control mechanism 15. Since there are a plurality of working electrodes 501, a plurality of terminals W and terminals O are provided corresponding to each of the working electrodes 501. Outputs from the plurality of terminals O are switched by a signal switching unit described later, and are subjected to A / D conversion, so that electrochemical signals from each working electrode 501 can be obtained almost simultaneously as digital values. A circuit such as the trans-impedance amplifier 511 between the terminal W and the terminal O may be shared by a plurality of working electrodes 501. In this case, the wiring 501a may include a signal switching unit for switching the wiring from the plurality of terminals W.
[0124]
The effect of the measuring system 12 using the potentiostat 12a in FIG. 21 will be described in comparison with the case where a conventional potentiostat is used. FIG. 22 shows a conventional potentiostat. As shown in FIG. 22, the configuration of the conventional potentiostat 12a 'is substantially common to the potentiostat 12a shown in FIG. The difference is that the inverting amplifier 512 is not provided with the protection circuit 500. The voltage at the output terminal I of the voltage pattern generation circuit 510 is V refin , The voltage at terminal C is V c And the voltage at the terminal R is V refout And Due to the negative feedback of the reference pole 503, V refout = R f / R s ・ V refin Holds.
[0125]
In this case, the voltage V refin , Switch SW 0 And SW f Switch switching state, voltage Vc and voltage V refout FIG. 23 shows an example of the voltage characteristics and the switch switching state of the potentiostat 12a, and FIG. 24 shows an example of the potentiostat 12a '.
[0126]
In FIG. 23, (a) shows the voltage V refin (B) is a switch SW 0 Switch switching state, (c) is a switch SW f (D) is the voltage V c (E) is the voltage V refout FIG.
[0127]
In FIG. 24, (a) shows the voltage V refin (B) is a switch SW 0 (C) is the voltage V c (D) is the voltage V refout FIG.
[0128]
A measuring method in the conventional potentiostat 12a 'will be described with reference to FIG.
[0129]
For example, as shown in FIG. 1 To t 3 Until the time t 4 A voltage pattern is generated by the voltage pattern generation circuit 510 so as to linearly decrease the voltage so that the voltage becomes zero. Then, for example, as shown in FIG. 1 Time t after a predetermined time has elapsed since 2 In the switch SW 0 Is closed and a voltage is applied to the counter electrode 502. In this case, at the start of the measurement, ie, the switch SW 0 Switch SW until is closed 0 Is open.
[0130]
Since the gain of the inverting amplifier 512 is very large, the switch SW 0 If a slight voltage is applied to the inverting input terminal of the inverting amplifier 512 before is turned on and the feedback loop is formed, the output of the inverting amplifier 512 is saturated. On the other hand, the voltage V refin Is saturated even due to the input offset voltage of the inverting amplifier 512. In this case, it saturates to the opposite polarity of the input offset voltage.
[0131]
Thus, the output voltage of the inverting amplifier 512 is saturated up to the vicinity of the power supply voltage of the inverting amplifier 512. Therefore, the switch SW 0 Is closed, an excessive voltage is applied to the counter electrode 502. This excess voltage corresponds to the hatched portion in FIG. This excessive voltage causes an unintended electrochemical reaction such as electrolysis in the solution in the cell 115. As a result, the measurement of the intended electrochemical reaction is adversely affected.
[0132]
In order to solve the inconvenience of the conventional potentiostat 12a ', the potentiostat 12a of the present embodiment uses the protection circuit 500. In the case of the potentiostat 12a of the present embodiment, before starting the measurement, that is, at the time t a Before the initial state, the voltage V refin 0V, switch SW f Is closed and switch SW 0 Is opened. First, time t a Switch SW 0 Is closed. In this state, the switch SW f Is still open, and the protection circuit 500 is not functioning. Since the inverting amplifier 512 is always used with negative feedback applied, no excessive voltage is applied to the counter electrode 502.
[0133]
This time t a Time t after a predetermined time from b And switch SW f Is closed, and the protection circuit 500 is operated. Then time t 1 From the voltage V generated by the voltage pattern generation circuit 510 refin Is applied. This voltage V refin As a result, a desired voltage is set to the reference electrode 503, so that the response has a first-order lag characteristic, and no excessive voltage is applied to the counter electrode 502.
[0134]
FIG. 25 is a diagram showing a current / voltage characteristic curve applied to the counter electrode 502 in the potentiostats 12a and 12a '. As shown in FIG. 25, in the case of the conventional potentiostat 12a ', both the current and the voltage have characteristics of being greatly negative, whereas in the case of the potentiostat 12a of the present embodiment, the voltage is negative. Also, the current falls to a constant value. When the voltage becomes a negative value, unintended electrolysis in the solution of the cell 115 proceeds. As a result, for example, there are adverse effects such as generation of bubbles in the electrode and change in the composition of the electrode. On the other hand, by providing the protection circuit 500 as in the example of the present embodiment, it is possible to prevent an unintended voltage from being applied to the counter electrode 502. Can be avoided. Therefore, stable measurement is possible without affecting the detection of the oxidation current of the desired intercalating agent.
[0135]
Modifications of the potentiostat 12a as the measurement system 12 shown in FIG. 21 are shown in FIGS. FIGS. 26 and 27 show examples in which a three-electrode potentiostat is used as the measurement system 12, and FIGS. 28 and 29 show examples in which a four-electrode potentiostat is used as the measurement system 12.
[0136]
The potentiostat 12b shown in FIG. 26 has the same basic configuration as the potentiostat 12a shown in FIG. The same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description will be omitted. The potentiostat 12b differs from the potentiostat 12a in that the protection circuit 500 including the wiring 512a is not provided. Instead of this protection circuit 500, a resistor R c Is provided. Thus, the resistance R is connected in series with the output of the inverting amplifier 512 on the counter electrode 502 side. c , The voltage applied to the counter electrode by the electric double layer capacitance has a first-order lag. Thereby, the influence on the chemical solution in the cell 115 can be reduced.
[0137]
The configuration of the potentiostat 12c shown in FIG. 27 is slightly different from that of the potentiostats 12a and 12b. In this potentiostat 12c, the current detection resistor R c Is provided on the counter electrode 502 side, and the detected current is converted into a voltage by the high input impedance differential amplifier 520. Hereinafter, the configuration will be described in more detail.
[0138]
As shown in FIG. 27, a voltage pattern generating circuit 510 for generating a voltage pattern for detecting a current flowing between the electrodes is connected to an inverting amplifier 512 (OP) via a wiring 512b. c ) Is connected to the inverting input terminal. This wiring 512b has a resistor R s Is connected. The non-inverting input terminal of the inverting amplifier 512 is grounded, and the output terminal is connected to the wiring 512f. The output terminal and the inverting input terminal of the inverting amplifier 512 are connected by the protection circuit 500.
[0139]
The wiring 512f is a switch SW for performing on / off control of voltage application to the terminal C. 0 Is provided. The wiring 512f branches into two wirings 521a and 521b at an intersection 512c. The wiring 521a is connected to the non-inverting input terminal of the amplifier 522 of the high input impedance differential amplifier 520.
[0140]
The wiring 521b has a current detection resistor R c Is provided. Further, the wiring 521b branches into a wiring 502a and a wiring 521e at an intersection 521d. The wiring 502a is connected to the terminal C, and the wiring 521e is connected to the non-inverting input terminal of the amplifier 523 in the high input impedance differential amplifier 520.
[0141]
A voltage follower amplifier 513 for feeding back a voltage from the terminal R on the reference pole 503 side to the inverting input terminal of the inverting amplifier 512, wirings 513a and 513b, and a resistor R f Is common to FIG.
[0142]
The terminal W on the working electrode 501 side is grounded by the wiring 501a.
[0143]
The high input impedance differential amplifier 520 includes a current detection resistor R c The output from the wiring 521a that does not pass through c Is amplified and output to the terminal O. The inverting input terminal of each of the amplifiers 522 and 523 is a resistor R 1 Are connected by a wiring 522a having The inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 522 are connected to a resistor R. 2 Are connected by a wiring 522b having The inverting input terminal and the output terminal of the amplifier 523 are connected to a resistor R. 3 Are connected by a wiring 523a having The output of amplifier 522 is a resistor R 4 To the inverting input terminal of the amplifier 524. The output of the amplifier 523 is a resistor R 5 To the non-inverting input terminal of the amplifier 525. Amplifier 524 has a resistor R 6 Grounded. The inverting input terminal and output terminal of the amplifier 524 are connected to a resistor R. 7 Are connected by a wiring 522d having The output terminal of the amplifier 524 is connected to the terminal O by a wiring 524b.
[0144]
In the case of the potentiostat 12c, the oxidation current is detected not from the working electrode 501 but from the counter electrode 502 side.
[0145]
As described above, even when the potentiostat 12c as shown in FIG. 27 is used, the same effect as that of the potentiostat 12a can be obtained.
[0146]
The configuration of the counter electrode 502 side and the working electrode 501 side of the four-electrode type potentiostat 12d shown in FIG. 28 is common to the configuration of the potentiostat 12a of FIG. In the case of the potentiostat 12d, the voltage from the two reference poles 5031 and 5032 is differentially amplified using the high input impedance differential amplifier 520, and the output voltage is fed back to the inverting amplifier 512 on the counter electrode 502 side. As described above, the potential difference between the two reference electrodes is detected, and the supply current from the counter electrode 502 is controlled so that the value has a predetermined voltage characteristic.
[0147]
As shown in FIG. 28, the terminal R on the reference electrode 5031 side 1 Is connected to the non-inverting input terminal of the amplifier 523. Terminal R on reference electrode 5032 side 2 Is connected to the non-inverting input terminal of the amplifier 522. The high input impedance differential amplifier 520 differentially amplifies and outputs two voltages of the non-inverting input terminals of each of these amplifiers 522 and 523. The output side has a resistor R f To the wiring 512b.
[0148]
As described above, even when the potentiostat 12d shown in FIG. 28 is used, the same effect as the potentiostat 12a can be obtained.
[0149]
The four-electrode potentiostat 12e shown in FIG. 29 has the same basic configuration as the potentiostat 12c shown in FIG. The difference from the potentiostat 12c is that the potentiostat 12e has two reference pole extraction voltages, and that the two voltages are differentially amplified and fed back to the counter electrode 502 side. Since the configurations on the counter electrode 502 side and the working electrode 501 side are common to the potentiostat 12c, detailed description will be omitted. 520 ′ is a high input impedance differential amplifier having the same configuration as the high input impedance differential amplifier 520 described above.
[0150]
As shown in FIG. 29, the potentiostat 12e has two terminals R on the side of the reference electrode 5031. 1 And the terminal R on the reference electrode 5032 side 2 Are connected to the non-inverting input terminal of the amplifier 523 and the non-inverting input terminal of the amplifier 522, respectively. As described above, the high input impedance differential amplifier 520 differentially amplifies these two inputs and outputs the result. The output side has a resistor R f Is connected, and the resistance R f Is connected to the wiring 512b. As a result, the output of the high input impedance differential amplifier 520 is fed back to the input side of the inverting amplifier 512.
[0151]
FIG. 30 is a conceptual diagram showing the relationship between the control mechanism 15 and other components of the computer 16. As shown in FIG. 30, the computer 16 includes a main processor 16a and an interface 16b. Data can be transmitted and received between the plurality of control mechanisms 15 via the local bus 17 via the interface 16b. The control mechanism includes a measurement control mechanism main body 15a and a data memory 15b for storing data handled by the measurement control mechanism main body 15a. One control mechanism 15 is provided for each of the measurement units 10. In this way, by connecting a plurality of connected measurement units 10 to one main processor 16a, the load on the main processor 16a can be reduced.
[0152]
FIG. 31 is a diagram illustrating an example of a detailed configuration of the control mechanism 15. As shown in FIG. 31, the measurement control mechanism main body 15a has an initial value register 151, a step value register 152, an end value register 153, an interval register 154, and an operation setting register 155 connected to the local bus 17.
[0153]
The initial value register 151, step value register 152, end value register 153, interval register 154, and operation setting register 155 store an initial value, step value, end value, measurement time interval, and operation mode that can be set by the main processor 16a, respectively. I do. When these initial value, step value, end value, measurement time interval, and operation mode are set, the data measurement operation is started.
[0154]
The initial value, the step value, and the end value indicate values corresponding to the voltage values of the voltage pattern generated by the voltage pattern generation circuit 510, and the voltage pattern is set as a digital value for each step value from the initial value to the end value. You. For example, time t 1 From time t 5 When a voltage pattern having a predetermined waveform is generated until time t 1 Is equivalent to the initial value, and the time t 1 , The voltage value fluctuates by the step value at every measurement time interval Δt, and such a voltage value continues to be stepped until the end value.
[0155]
The selector 158 selects and outputs the initial value only at the start of the measurement from the output value of the initial value register and the output value of the adder 156, and selects and outputs the addition result of the adder 156 from the next data. The output value of the selector 158 is output to the voltage pattern generation circuit 510 of the measurement system 12 in synchronization with the output signal from the timing generator 161. Voltage pattern generation circuit 510 generates a voltage having a voltage value corresponding to the output value from selector 158. As a result, a voltage pattern having the voltage waveform shown in FIG. 23A can be generated.
[0156]
The addition register 157 temporarily stores the output value of the selector 158 in synchronization with the output signal of the timing generator 161.
[0157]
The adder 156 adds the step value of the step value register 152 to the initial value of the initial value register 151, and outputs the result to the selector 158 and the comparator 159. Since the value stored in the addition register 157 corresponds to the voltage value output to the measurement system 12, the adder 156 calculates the value corresponding to the voltage value obtained by adding the step value to the output voltage value to the measurement system 12. Output. Comparator 159 compares the addition result of adder 156 with the end value from end value register 153, and outputs a signal indicating the end of counting to counter 160 when the addition result exceeds the end value.
[0158]
The counter 160 continues to count the clock until a signal is input from the comparator 159 to stop counting based on the operation setting mode from the operation setting register 155 for a time period determined by the measurement time interval from the interval register 154. . In the operation setting mode, for example, a single measurement mode, a four-pole setting mode, an eight-pole setting mode, or the like can be set according to the number of simultaneously measured working electrodes. For example, when the single measurement mode is set, the counter 160 counts for a time period determined by the measurement time interval, and outputs the count value to the timing generator 161. When the four-pole setting mode is set, counting is performed for each time period obtained by dividing the measurement time interval into four, and the count value is output to the timing generator 161. As described above, when the multi-pole setting mode is set, the measurement time interval is counted for each time period divided by the number of poles.
[0159]
The timing generator 161 outputs an address signal and a write signal to the data memory 15b in synchronization with the output timing of the count value from the counter 160 while counting clocks. Further, the timing generator 161 switches the signal switching unit 163 of the signal detection unit 162 according to the operation setting mode from the operation setting register 155.
[0160]
The signal switching unit 163 is connected to each of the terminals O of the plurality of working electrodes 501 of the measurement system 12. Although the electrochemical signals due to the intercalating agent can be simultaneously detected from the terminal O by the plurality of working electrodes 501, the electrochemical signals from the plurality of working electrodes 501 can be selectively detected by the signal switching unit 163.
[0161]
The signal detection unit 162 AD-converts the electrochemical signal from the working electrode 501 switched by the signal switching unit 163 controlled by the timing generator 161, and outputs the electrochemical signal to the data memory 15 b via the data bus 164. Thus, every time a write signal is input from the timing generator 161, data from the data bus 164 can be sequentially written to the data memory 15 b at an address position given for each write signal.
[0162]
For example, in the single-pole setting mode, if the measurement time interval is 10 msec, the write signal and one address are output from the timing generator 161 to the data memory 15 b once every 10 msec, and the signal detection unit 162 outputs the data bus. One digitally converted value of the electrochemical signal is output to the data memory 15b via 15b.
[0163]
In the case of the 4-pole setting mode, if the measurement time interval is 10 msec, the write signal and the four addresses are output from the timing generator 161 to the data memory 15b four times in 10 msec, and the signal detection unit 162 outputs the data bus 15b. , Four digitally converted values of the electrochemical signal are sequentially output to the data memory 15b. As a result, electrochemical signals detected almost simultaneously at each measurement time interval can be stored as data.
[0164]
In order to improve the accuracy of the measurement, in the case of the multi-pole setting mode, the timing of signal detection from the plurality of working electrodes 501 may be shortened without synchronizing with the timing obtained by dividing the measurement time interval into equal intervals. it can. For example, by generating a plurality of switching signals of the signal switching unit 163 at a short time within the measurement time interval, measurement accuracy independent of the measurement time interval can be maintained. For example, if the measurement time interval is 10 msec, the timing generator 161 does not generate the switching signal until the first 9 msec, generates four switching signals in 1 msec from 9 msec to 10 msec, and outputs it to the signal switching unit 163. Is programmed. Thus, the electrochemical signals from the four working electrodes 501 can be detected within 1 msec. Therefore, even if the measurement time interval is set to be long, the measurement time interval does not vary due to the measurement time interval, and high accuracy can be maintained.
[0165]
The measurement data stored in the data memory 15b is read by the main processor 16a of the computer 16 and used for various signal analysis.
[0166]
As described above, by selectively switching a plurality of measured electrochemical signals by the timing generator 161 in a shorter time than the measurement time interval, it is possible to measure each signal of the working electrode 501 almost simultaneously. it can.
[0167]
Next, an example of a measurement data analysis method in which a signal is analyzed by the computer 16 based on the measurement data will be described. Here, the analysis method of the type determination for determining whether the base at the SNP position of the target DNA is G type (homo type), T type (homo type), or GT type (hetero type) is described with reference to the flowchart of FIG. Will be explained. Although not particularly shown in FIG. 1 or FIG. 30, the main processor 16a of the computer 16 executes an analysis program including a plurality of instructions for performing type determination filtering, type determination processing, determination result output, and the like. Performs type determination filtering, type determination processing, and determination result output. Further, a control program is separately provided for controlling the control mechanism 15 described above. The analysis program and the control program may be executed by a recording medium reading device provided in the computer 16 reading the analysis program stored in the recording medium, or a storage device such as a magnetic disk provided in the computer 16. And may be executed by being read.
[0168]
As a precondition for performing this measurement data analysis, first, four types of target base sequences to be detected are prepared as bases at SNP positions A, G, C, and T, and a base sequence complementary to the target base sequence is prepared. A plurality of target complementary DNA probes of each type are immobilized on each working electrode 501. In addition, a plurality of DNA probes (hereinafter, referred to as negative controls) having base sequences different from those of the four types of target complementary DNA probes are immobilized on another working electrode 501 (s61). The number of types of DNA probes immobilized on the working electrode 501 is basically one.
[0169]
Next, a sample containing the sample DNA probe is injected into the base sequence detection chip having the target complementary DNA probe immobilized thereon to cause an electrochemical reaction such as a hybridization reaction (s62). Then, a representative current value is calculated by using the measurement system 12 after the introduction of (S63).
[0170]
The representative current value refers to a numerical value effective for quantitatively grasping the occurrence of a hybridization reaction of each DNA probe, and as an example, the maximum value (peak current value) of the detected signal current value is used. Applicable. The peak current value is calculated by measuring the oxidation current signal from the intercalating agent bound to the double-stranded DNA hybridized to the DNA probe immobilized on each working electrode 501, and obtaining the peak of the current value. Derived. It is desirable to detect the peak current value by subtracting a background current other than the oxidation current signal from the intercalating agent.
[0171]
Of course, any value may be determined as the representative current value according to the accuracy and purpose of the signal processing, but for example, an integrated value of the oxidation current signal or the like is applicable. Of course, not only the current value, but also a voltage value, a value obtained by performing a numerical analysis process on the current and the voltage, and the like can be determined as the representative value.
[0172]
The measured data on the target DNA having A, G, C, and T bases at the SNP position, that is, the representative current values are represented by X, respectively. a , X g , X c , X t And the representative current value of the negative control DNA probe is X n Is defined. Also, since a plurality of representative current values can be obtained for each type, the first X value is used to identify each of them. a To X a1 X is the second Xa a2 , ... are defined.
[0173]
In addition, the number of representative current values obtained from the target DNA having the A, G, C, and T bases at the SNP position is represented by n. a , N g , N c , N t , The number of representative current values obtained for the negative control is n n Is defined as
[0174]
Next, the obtained representative current value X a , X g , X c , X t , X n Among them, a type determination filtering process is executed to remove apparently abnormal data (s64).
[0175]
FIG. 33 shows a flowchart of the type determination filtering process. The type determination filtering process of FIG. a , X g , X c , X t , X n Are performed separately. For example X a For example, X a N obtained for a Among the representative current values, a representative current value that is apparently abnormal data is excluded by this type determination filtering. X g , X c , X t , X n Is performed similarly.
[0176]
In the description of FIG. 33, the same processing is performed according to the data type. a An example of filtering will be described.
[0177]
Specifically, as shown in FIG. 33, first, all measurement data of the measurement group are set, that is, a data set is set (s81). For example X a Then X a1 , X a2 , ..., X ana Is set as a data set.
[0178]
Next, these measurement data X a1 , X a2 , ..., X ana CV value (hereinafter referred to as CV 0 ) Is calculated (s82). This CV 0 Is the measurement data X a1 , X a2 , ..., X ana Divided by the mean. And the obtained value CV 0 Is 10%, that is, 0.1 or more (s83).
[0179]
If it is 10% or more, the CV value of na-1 data sets excluding the minimum value among the measurement data (hereinafter, CV value) 1 ) Is calculated (s84). If it is less than 10%, it is determined that there is no clearly abnormal data, and the process proceeds to the type determination described later.
[0180]
CV 1 Is calculated, then CV 0 ≧ 2 × CV 1 It is determined whether or not (s85). If this inequality holds, the process proceeds to (s86), further defines na-2 data sets other than the minimum value among the measured data as new data sets, returns to (s82), and performs filtering of abnormal data. Repeat.
[0181]
If the inequality expression does not hold, it is determined that abnormal data exists on the maximum value side instead of the minimum value side, and the CV values of na-2 data sets (hereinafter, CV values) of the measurement data excluding the maximum value are determined. 2 ) Is calculated (s87). And CV 0 ≧ 2 × CV 2 Is determined (S88). If the condition is satisfied, na-3 data sets other than the maximum value among the measured data are newly defined as data sets, and the process returns to (s82) to repeat the filtering of abnormal data. If not, it is determined that there is no obviously abnormal data, and the process proceeds to the type determination described later.
[0182]
The type determination filtering shown above is g , X c , X t , X n Also do.
[0183]
Next, a type determination process is performed using the obtained type determination filtering result (s65). An example of this type determination processing will be described with reference to the flowchart in FIG. Note that the example of FIG. 34 shows a case of type determination for determining whether the base at the SNP position of the target DNA is G-type, T-type, or GT-type. This type determination processing is roughly divided into a maximum group determination algorithm and a two-sample t-test algorithm.
[0184]
As shown in FIG. 34, first, the average value of the representative current values for each group is extracted (s91). Group is X a , X g , X c , X t , X n For example, those having different target nucleotide sequences belong to another group, and those having the same target nucleotide sequence belong to the same group. In (s64), the measurement data from which the abnormal data is clearly excluded by the type determination filtering is extracted. Of course, measurement data from which the above data has been eliminated may be extracted by filtering other than the type determination filtering in (s64), or measurement data without any filtering may be extracted. Note that, instead of the average value of the representative current values, another statistical processing value obtained by performing statistical processing from these statistical values may be obtained.
[0185]
The case where the base at the SNP position of the target DNA is A, G, C, T will be described as groups A to T, respectively, and the negative control will be described as group N. Further, the obtained average value is represented by X a , X g , X c , X t , X n For each group, M a , M g , M c , M t , M n And
[0186]
Next, the obtained average value M a , M g , M c , M t , M n , The maximum is the average value M of group G g It is determined whether or not (s92). If it is the maximum, the process proceeds to (s93), and if it is not the maximum, the process proceeds to (s97).
[0187]
In (s97), the average value M a , M g , M c , M t , M n , The maximum is the average value M of the group T t It is determined whether or not. If it is the maximum, the process proceeds to (s98). If it is not the maximum, both the groups G and T are not the maximum.
[0188]
In (s93), the measurement data X of the group G g1 , X g2 , ..., measurement data X of group N n1 , X n2 ,... Are determined. For example, a two-sample t-test is used to determine whether there is a difference. Specifically, a representative relationship between the probability P obtained by the two-sample T test and the significance level α is compared,
H0: If P ≧ α, no significant difference (null hypothesis)
H1: If P <α, there is a significant difference (alternative hypothesis)
Is determined. The significance level α can be set by the user using the computer 16. In the example of (s93), a question of H1 is raised as to whether there is a difference between the measurement data of the group G and the measurement data of the group N, and if there is no difference between these two groups in response to this question. A hypothesis H0 to be assumed is set. Then, the average value M of the measurement data of the group G g And the average value M of the measurement data of group N n , The difference between the two groups is summarized and the probability is determined. The calculation of the probability is based on the statistical value X of the group G. g1 , X g2 , ... and the statistical value X of group N n1 , X n2 ,... Are calculated, and the probability P is obtained from the integral value of the probability density variable of the t distribution.
[0189]
Regarding the obtained probability P, if P ≧ α, H0 cannot be rejected and the determination is suspended. That is, it is determined that there is no difference. If P <α, H0 is rejected, hypothesis H1 is adopted, and it is determined that there is a difference.
[0190]
In this way, when the determination result is determined to be “difference”, the process proceeds to (s94), and when the determination result is “no difference”, the determination is re-tested as impossible.
[0191]
In (s94), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for group G and group A. If there is a difference, the process proceeds to (s95).
[0192]
In (s95), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for group G and group C. If there is a difference, the process proceeds to (s96), and if there is no difference, it is re-tested as impossible to determine.
[0193]
In (s96), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for group G and group T. If there is a difference, it is determined to be a group G type. This is because the group G type has the maximum average value and a difference from the other measurement groups. If there is no difference, it is determined to be a group GT type. This is because the group G type has the maximum average value, but there is no difference in the measurement result between the group G type and the group T type.
[0194]
In (s98), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for group T and group N. If there is a difference, the process proceeds to (s99).
[0195]
In (s99), it is determined whether or not there is a difference between the two groups for the group T and the group A using the same two-sample t-test as in (s93). If there is a difference, the process proceeds to (s100).
[0196]
In (s100), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for groups T and C. If there is a difference, the process proceeds to (s101).
[0197]
In (s101), it is determined whether or not there is a difference between the two groups using the same two-sample t-test as in (s93) for groups T and G. If there is a difference, it is determined to be a group T type. This is because the group T type has the maximum average value and a difference from the other measurement groups. If there is no difference, it is determined to be a group GT type. This is because the group T type has the maximum average value, but there is no difference in the measurement results between the group T type and the group G type.
[0198]
The above determination result is displayed on a display device (not shown) provided in the computer 16 (s66). By using such a type determination algorithm, it is possible to determine a hetero type.
[0199]
FIGS. 32 to 34 show a method of determining which of the G type, the T type and the GT type, but any two of the A type, the G type, the C type, and the T type. It is needless to say that the present invention can be applied to the determination of types or their heterogeneity. Further, it is not always necessary to acquire measurement data for four types of A, G, C, and T groups, and it is sufficient to acquire only two groups for two possible bases of SNP. One group of the negative control may be added to the two groups.
[0200]
An automatic base sequence analysis method using the above-described base sequence detection apparatus will be described with reference to the sequence diagram of FIG.
[0201]
As shown in FIG. 35, first, automatic analysis condition parameters for automatic analysis are set using the computer 16, and the user instructs the computer 16 to execute automatic analysis based on the set automatic analysis condition parameters (s301). ). The automatic analysis condition parameters are control parameters for controlling the control mechanism 15. The control parameters used in the control mechanism 15 include a measurement system control parameter for controlling the measurement system 12, a liquid supply system control parameter for controlling the liquid supply system 13, and a temperature control mechanism for controlling the temperature control mechanism 14. Consists of control parameters.
[0202]
The measurement system control parameters are input setting parameters stored in the above-described initial value register 151, step value register 152, end value register 153, interval register 154, and operation setting register 155 shown in FIG. , End value, measurement time interval, and operation mode.
[0203]
The liquid supply system control parameters control the electromagnetic valves 403, 413, 423, 433, 441, 442, 444, 445, 451, 453, and 463 shown in FIG. 19, and control the liquid sensors 443 and 447. It has a sensor control parameter and a pump control parameter for controlling the pump 454. These electromagnetic valve control parameters, sensor control parameters, and pump control parameters are used as conditions for sequentially executing a series of steps as shown in (s22) to (s36) in FIG. Control timing, control conditions for controlling the control target, and the like are included as details of the parameters.
[0204]
The temperature control parameter is given in principle along with the liquid sending system control parameter. That is, by setting the liquid sending system control parameters, the temperature control parameters are set corresponding to the operation of the liquid sending system 13. Thereby, the temperature control of the temperature control mechanism 14 linked with the liquid feeding system 13 can be performed.
[0205]
By executing the automatic analysis, the automatic analysis condition parameters are transmitted to the control mechanism 15 (s302). The control mechanism 15 controls the measurement system 12 based on the measurement system control parameter among the received automatic analysis condition parameters, controls the liquid supply system 13 based on the liquid supply system control parameter, and controls the temperature based on the temperature control mechanism control parameter. The control mechanism 14 is controlled. Further, the control mechanism 15 manages the timing for controlling the measurement system 12, the liquid feeding system 13, and the temperature control mechanism 14 based on control timing and control conditions included in each control parameter. Therefore, the control sequence can be freely determined by the automatic analysis condition parameters set by the user. In FIG. 35, a typical example will be described.
[0206]
In addition to this automatic analysis, the user prepares the chip cartridge 11. First, a printed circuit board 22 in which a base sequence detection chip 21 in which a desired DNA probe is fixed to a working electrode 501 is sealed is fixed to a support 111 of the chip cartridge 11 by a board fixing screw 25, Is mounted (s401). Then, with the sealing material 24 placed at a predetermined position on the base sequence detection chip 21, the chip cartridge upper lid 112 and the support 111 are fixed by the upper lid fixing screw 117, and the cell 115 is prepared in a state where it is formed. (S402). A sample is injected into the chip cartridge 11 from the sample injection port 119 (s403). The hybridization reaction (s21) is started by mounting the chip cartridge 11 on the apparatus main body and performing a start operation. It is desirable that the volume of the sample to be injected is slightly larger than the volume of the cell 115. As a result, the cell 115 can be completely filled with the sample without remaining air.
[0207]
The control mechanism 15 starts controlling the timing of the measurement system based on the measurement system control parameters received from the computer 16 (s303).
[0208]
Further, the control mechanism 15 sequentially controls each component of the liquid sending system 13 based on the liquid sending system control parameters received from the computer 16 (s304). Although not particularly shown in FIG. 35, the temperature of the temperature control mechanism 14 is controlled based on the temperature control mechanism control parameters in conjunction with the control of the liquid supply system 13. With this control, the liquid sending system 13 automatically executes the liquid sending step including the hybridization reaction shown in (s21) to (s36) (excluding s34) in FIG. 20 (s305), and specifies the liquid sending step in the liquid sending step. The temperature control mechanism 14 is automatically controlled so that the base sequence detection chip 21 is set at the set temperature.
[0209]
The control mechanism 15 issues a measurement command to the measurement system 12 in synchronization with the timing of the measurement step (s34) in the middle of the liquid sending step (s305). That is, at the timing of the measurement step (s34) of the liquid sending step, the initial value, step value, step value register 152, end value register 153, interval register 154, and operation setting register 155 of the control mechanism 15 are stored in the initial value, step value, Store the end value, measurement time interval, and operation setting mode. The measurement system timing control in (s303) described above may be performed simultaneously with (s305).
[0210]
The measurement system 12 performs measurement by generating, for example, a voltage pattern based on the measurement command (s306), and the obtained measurement signal is output from the terminal O to the control mechanism 15 (s307). The control mechanism 15 performs signal processing on the received measurement signal and stores it in the data memory 15b as measurement data (s308). This measurement data is output to the computer 16 via the local bus 17 (s309). The computer 16 receives this measurement data (s310).
[0211]
When the necessary measurement data is obtained in this way, the computer 16 executes the type determination filtering (s64) shown in FIG. 33 based on the measurement data. When the type determination filtering is completed, the type determination process shown in FIG. 34 is executed based on the filtered data (s65). Finally, the obtained judgment processing result is displayed on a display device provided in the computer 16 (s66).
[0212]
As described above, according to the present embodiment, since the shape of the cell 115 is optimized, in-plane uniformity in the cell 115 can be improved.
[0213]
After injecting the sample DNA solution into the chip cartridge 11, from hybridization, washing of nonspecifically adsorbed DNA with a buffer solution, injection of an intercalating agent, electrochemical measurement, storage of measurement data, and target base sequence based on the measurement data Up to the determination can be performed automatically. Thereby, the reproducibility and detection accuracy of the detection signal can be improved, and the time until the result is derived can be reduced.
[0214]
The present invention is not limited to the above embodiment.
[0215]
Although the case where the probe to be immobilized on the working electrode 501 is a DNA probe has been described, it may be a probe composed of a nucleic acid other than DNA, or a probe having a predetermined base sequence other than nucleic acid.
[0216]
The sharing of the processing between the computer 16 and the control mechanism 15 is not limited to the above. For example, if the measurement system 12, the liquid supply system 13, and the temperature control mechanism 14 have a processor that interprets a command from the computer 16 and executes each component, the control mechanism 15 may be omitted. In this case, the function of the control mechanism 15 as shown in FIG. 31 is executed by the computer 16.
[0219]
The management of the timing of the measurement system 12, the liquid supply system 13, and the temperature control mechanism 14 is performed by managing the processor if the measurement system 12, the liquid supply system 13, and the temperature control mechanism 14 have a processor for managing the timing. Each process is executed based on the timing of the execution. In this case, if the computer 16 transmits the automatic analysis condition parameters to the measurement system 12, the liquid supply system 13, and the temperature control mechanism 14, there is no need to manage the timing.
[0218]
Further, the computer 16 may perform timing control of the measurement system 12, the liquid feeding system 13, the temperature control mechanism 14, and the control mechanism 15.
[0219]
Further, the example in which the sample inlet 119 is communicated with the delivery port 116b has been described, but the sample inlet 119 may be communicated with the delivery port 116a. Further, the case where the number of the input port 116a and the number of the output port 116b is one each is shown, but the present invention is not limited to this. For example, the number of ports may be increased to any number such that one input port 116a is provided at the center of the cell 115 and plural output ports 116b are provided at a plurality of radial positions on the periphery of the cell 115. Furthermore, the example in which the inlet port 116a and the outlet port 116b extend perpendicularly to the cell bottom surface is shown, but the present invention is not limited to this, and is configured to extend parallel to the cell bottom surface. Is also good. Further, although the electrodes 21a and 21b and the bonding pads 221 on the base sequence detection chip 21 are shown in a laminated structure of Ti or Au, electrodes and pads using other materials may be used. Further, the arrangement of the electrodes 21a and 21b is not limited to that shown in FIG. The numbers of electrodes of the working electrode 501, the counter electrode 502, and the reference electrode 503 are not limited to those illustrated.
[0220]
Further, the liquid feeding system 13 is not limited to the one shown in FIG. For example, a more complicated reaction in the cell 115 can be performed by adding a supply system that supplies a chemical solution or gas other than air, Milli-Q water, a buffer, and an intercalating agent according to the type of reaction. The control of the supply path and supply amount of the chemical solution and air between the respective pipes may be performed by means other than the solenoid valve. The operation of the liquid feeding system 13 shown in FIG. 20 is only an example, and can be variously changed according to the purpose of the reaction and the like.
[0221]
Further, FIGS. 32 to 34 show the case where the automatic base sequence analyzer 1 is used for type determination, but this is only an example, and may be used for other analysis purposes. Also, the automation method shown in FIG. 35 is only an example, and the automation sequence is variously changed by variously changing the configurations of the chip cartridge 11, the measuring system 12, the liquid feeding system 13, the temperature control mechanism and the control mechanism 15. Is done.
[0222]
Although the working electrode 501, the counter electrode 502, and the reference electrode 503 are all arranged on the base sequence detection chip 21, the present invention is not limited to this. For example, only the working electrode 501 may be arranged on the base sequence detection chip 21, and the counter electrode 502 and the reference electrode 503 may be formed on the chip cartridge upper lid 112 side, or one of the counter electrode 502 and the reference electrode 503 may be used for base sequence detection. It may be arranged on the chip 21. Thus, the working electrode 501, the counter electrode 502, and the reference electrode 503 may be three-dimensionally arranged on different planes.
[0223]
Further, the relationship between the base sequence detection chip 21 and the chip cartridge upper lid 112 may be used upside down.
[0224]
【Example】
An example in which SNPs are detected using the base sequence detection device of the above-described embodiment will be described below. Here, the present invention is applied when discriminating whether the nucleotide sequence of the SNPs of the MxA-88 position gene is G / G type, T / T type, or G / T heterozygous.
[0225]
A DNA probe having a sequence complementary to the MxA gene is immobilized on the working electrode 501 of the base sequence detection chip in advance. Four types of probe DNA fragments in which the base at the SNP position is replaced with ATGC and a DNA fragment having a completely different sequence (called a negative control) are immobilized on separate electrodes (working electrode 501). Here, 200 nL of each probe modified with cysteine at the N-terminus was spotted and left for 1 hour to immobilize on the working electrode 501 made of Au. In this way, the printed circuit board 22 in which the prepared base sequence detection chip 21 is sealed is mounted on the chip cartridge 11.
[0226]
Next, a target DNA whose base at the SNP position is G-type is dissolved in a 2 × SSC-1 mmol / L EDTA solution, and then injected into the cell 115 from the sample injection port 119 using a pipette or the like. Here, the sample solution flows from the sample inlet 119 on the delivery port 116b side to the delivery port 116a side while filling the cell 115 with the solution. Since the inlet port 116a is formed at a position in contact with the sealant 24, the sample solution can be completely filled into the cell 115 without leaving air bubbles in the cell 115.
[0227]
Next, the chip cartridge 11 is mounted on the main body of the apparatus (measurement system 12, liquid supply system 13, temperature control mechanism 14), and the computer program is started by the computer 16, so that the subsequent processing is automatically performed. Is
[0228]
Here, the contents of the automatic processing will be described. First, a reaction (hybridization) is performed at 45 ° C. for 15 minutes. Then, the 0.2 × SSC-1 mmol / L EDTA solution is sent into the cell 115 by controlling the electromagnetic valve and the pump of the solution sending system 13. Then, while the cell 115 is filled with the solution, the solution is held at 55 ° C. for 30 minutes to wash the DNA non-specifically adsorbed on the electrodes 211 and 212 having different sequences on the base sequence detection chip 21. Next, a 10 μmol / L Hoechst 33258 solution is sent into the cell 115. Then, with the cell 115 filled, the measurement system 12 measures the oxidation current from the Hoechst 33258 at each working electrode 501.
[0229]
Next, the computer 16 extracts a region corresponding to the Hoechst oxidation current from the current / voltage characteristic curve by the analysis program, and derives a peak current value for each electrode (working electrode 501). Further, statistical processing such as type determination filtering is performed according to the algorithm of the analysis program, and the type of the target DNA is determined. The obtained judgment result is displayed on the display of the computer 16. As a result, the signal intensity from the electrode having the probe sequence corresponding to the C-type probe was the highest, and the base sequence at the SNP position of the target DNA was determined to be G-type.
[0230]
The uniformity of the current value for the same type of electrode within the surface of the base sequence detection chip 21 was within 3% in CV value. As a result, the reliability of SNPs detection was improved as compared with the conventional method.
[0231]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, in-plane uniformity in a cell can be improved.
[0232]
Further, according to another aspect of the present invention, it is possible to automatically execute the processing including the detection of the base sequence and the analysis of the detected data, so that the reproducibility of data and measurement is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the entire configuration of a base sequence detection device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing details of a configuration of a chip cartridge according to the embodiment.
FIG. 3 is a view showing the support and the chip cartridge upper lid before being fixed with the upper lid fixing screw according to the embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a detailed configuration of a printed circuit board on which the base sequence detection chip according to the embodiment is mounted.
FIG. 5 is a view showing a cell and a chemical supply system leading to the cell according to the embodiment;
FIG. 6 is an exemplary view showing a modification of the cell according to the embodiment;
FIG. 7 is an exemplary view showing a more detailed configuration of a positional relationship between components near a cell according to the embodiment;
FIG. 8 is an exemplary view showing a modification of each component near the cell according to the embodiment;
FIG. 9 is a sectional view of a modification of the shape of the cell according to the embodiment;
FIG. 10 is an exemplary sectional view of a modification of the shape of the cell according to the embodiment;
FIG. 11 is an exemplary sectional view of a modification of the shape of the cell according to the embodiment;
FIG. 12 is a cross-sectional view of a modification of the positional relationship between the cell, the liquid supply port, and the liquid discharge port according to the same embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a modification of the positional relationship between the cell and the liquid sending port and the liquid discharging port according to the same embodiment.
FIG. 14 is a sectional view of a modified example of the positional relationship between the cell and the liquid sending port and the liquid discharging port according to the same embodiment.
FIG. 15 is a sectional view of a modified example of the positional relationship between the cell and the liquid sending port and the liquid discharging port according to the embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a modification of the positional relationship between the cell and the liquid supply port and the liquid discharge port according to the same embodiment.
FIG. 17 is a process sectional view of the method for manufacturing a base sequence detection chip and a printed circuit board according to the embodiment.
FIG. 18 is a top view of the base sequence detection chip according to the same embodiment.
FIG. 19 is a view showing an example of a specific configuration of a liquid feeding system according to the embodiment.
FIG. 20 is a view showing a flowchart of a liquid sending step for detecting a base sequence using the liquid sending system according to the embodiment.
FIG. 21 is a view showing a specific configuration of a measurement system according to the embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a conventional potentiostat.
FIG. 23 is a view showing voltage characteristics according to the embodiment.
FIG. 24 is a diagram showing voltage characteristics of a conventional potentiostat.
FIG. 25 is a diagram showing a current / voltage characteristic curve applied to a counter electrode in the potentiostat according to the embodiment and a conventional potentiostat.
FIG. 26 is a view showing a modified example of the potentiostat according to the embodiment.
FIG. 27 is a view showing a modified example of the potentiostat according to the embodiment.
FIG. 28 is a view showing a modified example of the potentiostat according to the embodiment.
FIG. 29 is a view showing a modified example of the potentiostat according to the embodiment.
FIG. 30 is an exemplary conceptual diagram showing the relationship between the control mechanism and other components of the computer according to the embodiment;
FIG. 31 is a diagram showing an example of a detailed configuration of a control mechanism according to the embodiment.
FIG. 32 is an exemplary view showing an example of a measurement data analysis technique according to the embodiment.
FIG. 33 is a view showing a flowchart of a type determination filtering process according to the embodiment.
FIG. 34 is an exemplary view showing an example of a type determination process according to the embodiment.
FIG. 35 is a sequence diagram of an automatic base sequence analysis method using the base sequence detection device according to the embodiment.
FIG. 36 is a diagram showing an example of an optimal cell shape according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... Base sequence detector
10 Measurement unit
11 ... Chip cartridge
12… Measurement system
12a, 12b, 12c, 12d, 12e ... potentiostat
13 ... Liquid feeding system
14. Temperature control mechanism
15 ... Control mechanism
16 ... Computer
17… Local bus
21 ... Base sequence detection chip
21a ... Electrode (working electrode, counter electrode)
21b ... electrode (reference electrode)
22 Printed circuit board
22a ... electrical connector
23 ... sealing resin
24, 24a ... sealing material
25 ... Board fixing screw
110 ... chip cartridge body
111 ... Support
112 ... Chip top cover
113a, 113b ... interface unit
114a, 114b ... flow path
115 ... cell
115a, 115b ... cell hole
115c, 115e, 115f, 115g, 115h ... straight line
115d ... counterbore hole
116a ... Discharge port
116b: Liquid supply port
117: Upper cover fixing screw
117a ... Screw hole
119 ... Sample inlet
120 ... lid
121 ... Seal material
500 ... Protection circuit
501 ... working electrode
502 ... opposite pole
503: Reference electrode
510 ... voltage pattern generation circuit

Claims (8)

流路内における試料と所定の塩基配列を有するプローブの電気化学的反応により試料中の塩基配列を検出する塩基配列検出装置であって、
基板と、前記基板上に複数設けられ、前記プローブが固定化される複数の電極とを備えた塩基配列検出チップと、
この基板上に前記複数の電極を取り囲むように設けられ、薬液又はエアを前記基板上に密閉するセルと、
前記セル上面に開口し、前記セル内に薬液又はエアを送入する送入ポートと、
前記セル上面に開口し、前記セル内から薬液又はエアを送出する送出ポートと、
前記セル上面に開口するように設けられ、前記セル内に試料を注入する試料注入口と
を具備してなり、
前記セル内に形成される前記送入ポートから前記送出ポートへの前記薬液又はエアの流路とは垂直な方向の前記セルの幅が、前記送入ポートと前記送出ポートの距離よりも小さく形成されてなる塩基配列検出装置。
A base sequence detection device that detects a base sequence in the sample by an electrochemical reaction between the sample and a probe having a predetermined base sequence in the flow path,
A substrate, a plurality of base sequence detection chips provided on the substrate and including a plurality of electrodes to which the probes are immobilized,
A cell is provided on the substrate to surround the plurality of electrodes, and a cell that seals a chemical solution or air on the substrate,
An inlet port that opens on the upper surface of the cell and that sends a chemical solution or air into the cell,
A delivery port that opens to the cell upper surface and that delivers a chemical solution or air from inside the cell,
A sample injection port provided to be open on the cell upper surface, and injecting a sample into the cell,
The width of the cell in a direction perpendicular to the flow path of the chemical or air from the inlet port to the outlet port formed in the cell is formed smaller than the distance between the inlet port and the outlet port. A base sequence detection device.
セル上面、セル側面及びセル底面により定められるセル内における試料と所定の塩基配列を有するプローブの電気化学的反応により試料中の塩基配列を検出する塩基配列検出装置であって、
基板と、この基板上に形成され、前記プローブが固定化される複数の電極とを備え、前記基板表面により前記セル底面を定める塩基配列検出チップと、
前記基板に当接されるシール材底面から所定の高さを有するシール材上面までをシール材内周により前記複数の電極を取り囲むように設けられ、前記セル側面を定めるシール材と、
前記シール材上面に当接されて前記シール材上面を塞ぎ、前記セル上面を定めるチップカートリッジ上蓋と、
前記チップカートリッジ上蓋の前記セル上面に開口し、前記セル内に薬液又はエアを送入する送入ポートと、
前記チップカートリッジ上蓋の前記セル上面に開口し、前記セル内から薬液又はエアを送出する送出ポートと、
前記チップカートリッジ上蓋に設けられ、前記セル内に試料を注入する試料注入口と
を具備してなり、
前記セル内に形成される前記送入ポートから前記送出ポートへの前記薬液又はエアの流路の方向とは垂直な方向の前記セルの幅が、前記送入ポートと前記送出ポートの距離よりも小さく形成されてなる塩基配列検出装置。
A base sequence detection device that detects a base sequence in a sample by an electrochemical reaction of a sample and a probe having a predetermined base sequence in a cell defined by a cell top surface, a cell side surface, and a cell bottom surface,
A substrate, comprising a plurality of electrodes formed on the substrate and to which the probes are immobilized, a base sequence detection chip that defines the cell bottom surface by the substrate surface,
A seal material that is provided so as to surround the plurality of electrodes by a seal material inner periphery from a seal material bottom surface to be in contact with the substrate to a seal material upper surface having a predetermined height, and defines a cell side surface;
A chip cartridge upper lid that abuts on the upper surface of the sealing material to close the upper surface of the sealing material and define the upper surface of the cell;
An inlet port that opens on the upper surface of the cell of the chip cartridge upper lid, and that sends a chemical solution or air into the cell,
A delivery port that opens on the cell upper surface of the chip cartridge upper lid and that delivers a chemical solution or air from inside the cell,
A sample injection port for injecting a sample into the cell, provided on the chip cartridge upper lid,
The width of the cell in a direction perpendicular to the direction of the flow path of the chemical or air from the inlet port to the outlet port formed in the cell is greater than the distance between the inlet port and the outlet port. A base sequence detection device formed small.
前記セル上面への前記送入ポートの開口の周縁部は、前記セル上面の周縁部と接し、あるいは重なるように形成され、
前記セル上面への前記送出ポートの開口の周縁部は、前記セル上面の周縁部と離れて形成されてなる請求項2に記載の塩基配列検出装置。
The peripheral portion of the opening of the inlet port to the cell upper surface is formed to be in contact with or overlap with the peripheral portion of the cell upper surface,
The base sequence detection device according to claim 2, wherein a peripheral portion of the opening of the delivery port on the upper surface of the cell is formed apart from a peripheral portion of the upper surface of the cell.
前記試料注入口は、前記送出ポートに連通して設けられてなる請求項2に記載の塩基配列検出装置。The base sequence detection device according to claim 2, wherein the sample inlet is provided in communication with the delivery port. 前記請求項1又は2に記載の塩基配列検出装置と、
前記送入ポートに連通し、該送入ポートを介して前記セル内に薬液又はエアを供給する第1の配管と、前記第1の配管の薬液又はエアの流量を制御する第1の弁とを備えた供給系と、前記送出ポートに連通し、該送出ポートを介して前記セル内から薬液又はエアを排出する第2の配管と、前記第2の配管の薬液又はエアの流量を制御する第2の弁と、第2の配管に設けられ、前記セル内から薬液又はエアを吸い上げるポンプとを備えた排出系と、
前記複数の電極と別の対極との間に電圧を印加する電圧印加部を備えた測定系と、
前記塩基配列検出チップの温度を制御する温度制御機構と、
前記供給系の第1の弁と、前記排出系の第2の弁及びポンプと、前記測定系の前記電圧印加部と、前記温度制御機構とを制御し、前記複数の電極から電気化学反応信号を検出し、この電気化学反応信号を測定データとして格納する制御機構と、
前記制御機構に制御条件パラメータを与えて前記制御機構を制御するとともに、前記測定データに基づいて塩基配列の解析処理を実行するコンピュータと
を具備してなる塩基配列自動解析装置。
The base sequence detection device according to claim 1 or 2,
A first pipe that communicates with the inlet port and supplies a chemical or air into the cell through the inlet port, and a first valve that controls a flow rate of the chemical or air in the first pipe. And a second pipe that communicates with the delivery port and discharges a chemical or air from inside the cell through the delivery port, and controls a flow rate of the chemical or air in the second pipe. A second valve, a discharge system provided in the second pipe, and provided with a pump for sucking up a chemical solution or air from inside the cell;
A measurement system including a voltage application unit that applies a voltage between the plurality of electrodes and another counter electrode,
A temperature control mechanism for controlling the temperature of the base sequence detection chip,
Controlling a first valve of the supply system, a second valve and a pump of the discharge system, the voltage application unit of the measurement system, and the temperature control mechanism, and an electrochemical reaction signal from the plurality of electrodes. And a control mechanism for storing the electrochemical reaction signal as measurement data,
An automatic base sequence analysis apparatus comprising: a computer that controls the control mechanism by giving control condition parameters to the control mechanism and that executes a base sequence analysis process based on the measurement data.
前記電圧印加部は、前記対極に与える電圧パターンを発生させる電圧パターン発生回路と、
前記セル内に設けられた参照極の電圧を前記対極にフィードバックするフィードバック回路と、前記電圧パターン発生回路と前記フィードバック回路のフィードバック電圧に基づき前記対極に与える電圧を増幅する増幅器と、
前記増幅器又は前記増幅器と前記対極との間に設けられた抵抗と、この抵抗へ流れる電流のオンオフ制御を行うスイッチからなる保護回路と
を具備してなる請求項5に記載の塩基配列自動解析装置。
A voltage pattern generating circuit that generates a voltage pattern to be applied to the counter electrode;
A feedback circuit that feeds back a voltage of a reference electrode provided in the cell to the counter electrode, and an amplifier that amplifies a voltage applied to the counter electrode based on a feedback voltage of the voltage pattern generation circuit and the feedback circuit.
The automatic base sequence analysis apparatus according to claim 5, further comprising: a resistor provided between the amplifier or the amplifier and the counter electrode; and a protection circuit including a switch for performing on / off control of a current flowing through the resistor. .
前記塩基配列検出装置は複数からなり、前記制御機構は前記塩基配列検出装置の各々に対して1つずつ設けられてなる請求項5に記載の塩基配列自動解析装置。6. The automatic base sequence analyzer according to claim 5, wherein the base sequence detector comprises a plurality of units, and the control mechanism is provided one for each of the base sequence detectors. 前記コンピュータは、
SNP位置の塩基を第1の塩基とした第1の標的塩基配列とは相補的な第1標的相補塩基配列を有する複数の第1のプローブから得られる複数の第1の電気化学信号と、SNP位置の塩基を第2の塩基とした第2の標的塩基配列とは相補的な第2標的相補塩基配列を有する複数の第2のプローブから得られる第2の電気化学信号のうち、信号値が大きい方を選択し、前記複数の第1の電気化学信号と前記複数の第2の電気化学信号を検定し、互いに有意な差があると検定された場合には試料中のSNP位置の塩基は第1の塩基あるいは第2の塩基のホモ型であると判定し、有意な差が無いと検定された場合には試料中のSNP位置の塩基は第1の塩基と第2の塩基のヘテロ型であると判定する型判定処理を実行する型判定処理部を備える請求項5に記載の塩基配列自動解析装置。
The computer is
A plurality of first electrochemical signals obtained from a plurality of first probes having a first target complementary base sequence complementary to the first target base sequence having the base at the SNP position as a first base; Among the second electrochemical signals obtained from the plurality of second probes having the second target complementary base sequence complementary to the second target base sequence in which the base at the position is the second base, the signal value is The larger one is selected, the plurality of first electrochemical signals and the plurality of second electrochemical signals are tested, and if it is determined that there is a significant difference from each other, the base at the SNP position in the sample is When it is determined that the first base or the second base is homozygous and it is determined that there is no significant difference, the base at the SNP position in the sample is a heterotype of the first base and the second base. Comprising a type determination processing unit for performing a type determination process for determining that Nucleotide sequence automatic analyzer according to 5.
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