WO2004077041A1 - 核酸濃度定量分析チップ、核酸濃度定量分析装置および核酸濃度定量分析方法 - Google Patents

Abstract

標的核酸と相補的な核酸を有する同一の核酸プローブが各々に固定化され、かつ各々が異なるセンサ面積を有する複数の作用極（１４１）と、作用極（１４１）で得られた検出信号を各々のセンサ面積について正規化する正規化回路とを備える。

Description

明 細 書

核酸濃度定量分析チップ、 核酸濃度定量分析装置および核 酸濃度定量分析方法

技術分野

本発明は , 検体中に含まれる標的核酸の濃度を定量的に分 析する核酸濃度定量分析チップ、 核酸濃度定量分析装置およ び核酸濃度定量分析方法に関する。

背景技術

従来から、 検体中に標的核酸が含まれるか否かを検出する 核酸検出のための D N Aチ ッ プが存在 していた （特許文献

1 ： 特開平 1 0 — 1 4 6 1 8 3 号公報） 。

しかしなが ら、 遺伝子の発現解析を行う 際には ， 検体中に 含まれる低濃度の標的核酸の濃度を， 広範囲のダィナミ ック レ ンジで高精度に測定する こ と が必須となるが 前述の D N

Aチップでは、 十分な定 性およびダイナミ ック レ ンジが得 られていた と はいえなかつた。

発明の開示

本発明の 目的は、 核酸濃度を広範囲のダィナ ック レンジ で高精度に測定する核酸濃度定量分析チップ、 核酸濃度定量 分析装置および核酸濃度定量分析方法を提供する こ と にある。

この発明の一の観点によれば 、 標的核酸と相 S的な核酸を 有する核酸プローブが固中化され、 かつ各々 が異なるセンサ 面積 有する複数の核酸センサと、 刖 m核酸センサの第 1 の 検出信号をセ ンサ面積について正規化する第 1 の正規化部と を具備してなる こ と を特徴とする核酸濃度 Λ£直分析チップが 提供される。

また、 本発明の別の観点によれば、 標的核酸と相補的な核 酸を有する核酸プ ブが固定化され、 つ各々 が異なるセ ンサ面積を有する複数の核酸セ ンサと 、 肓 U 5し核酸プ ブが 固定化されず 、 かつ各々が異なる言 U記セ ンサ面積を有る / 、ソ ク グラ ゥ ン ド レベノレセ ンサと In記核酸センサの第 1 の検出 信号をセンサ ¾積につレ、て正規化する第 1 の正規化部と 、 m 記バック グラ クン レベルセ ンサの第 2 の検出信号を 記セ ンサ面積について正規化する笛 2 の正規化部と、 ftu記第 1 の 正規化部の第 1 の出力信号電流を電圧変換する第 1 の電 im ¾ 圧変換部と、 刖記第 2 の正規化部の第 2 の出力信号 流を電 圧変換する第 2 の電流電圧変換部と、 刖記第 1 の電流 圧変 換部の第 1 の出力電圧を A / D変換して第 1 のデジタル丁 タ を生成 し、 刖記 2 の m流電圧変換部の第 2 の出力 圧を

Aノ D変換して第 2 の丁ジタル Tータ を生成する A / D変換 部と、 刖記第 1 のァジタル丁 一タ力 ら第 2 のデジタル了 一タ を減算する減算部と を具備してなる こ と を特徴とする核酸濃 度定量分析装置が提供される

また、 本発明の別の観点によれば、 標的核酸と相補的な核 酸を有する核酸プ 一ブが固定化され、 かつ各々 が異なるセ ンサ面積を有する複数の核酸セ ンサと、 記核酸プ 一プが 固定化されず かつ各々が異なる刖記セ ンサ面積を有するバ ック グラ ゥン レベルセ ンサと 、 IU記核酸センサの第 1 の検 出信号をセンサ面積について正規化する 1 の正規化部と、 刖記ノ ック グラ クン ド、レベルセ ンサの第 2 の検出信号を §己 センサ面積について正規化する第 2 の正規化部と 、 前記第 1 の正規化部の第 1 の出力信号電流を電圧変換する第 1 の電流 電圧変換部と、 前記第 2 の正規化部の第 2 の出力信号電流を 電圧変換する第 2 の電流電圧変換部と 、 前記第 1 の電流電圧 変換部の第 1 の出力電圧から前記第 2 の電流電圧変換部の第 2 の出力電圧を減算する減算部と 、 前記減算部の第 3 の出力 電圧を A / D変換する A / D変換部と を具備 してなる こ と を 特徴とする核酸濃度定量分析装置が提供される。

また、 本発明の別の観点によれば、 標的核酸と相補的な核 酸を有する核酸プローブが固定化され、 かつ各々 が異なるセ ンサ面積を有する複数の核酸センサと 、 前記核酸プローブが 固定化されず、 かつ各々 が異なる前記セ ンサ面積を有するバ ッ ク グラ ウン ドレベルセ ンサと 、 前記核酸セ ンサの第 1 の検 出信号から前記バッ ク ダラ ゥン ド レベルセ ンサの第 2 の検出 信号を減算する減算部と、 前記減算部の減算出力信号をセ ン サ面積について正規化する正規化部と を具備 してなる こ と を 特徴とする核酸濃度定量分析チップが提供される。

また、 本発明の別の観点によれば、 標的核酸と相補的な核 酸を有する核酸プローブが固定化され、 かつ各々 が異なるセ ンサ面積を有する複数の核酸センサと、 前記核酸センサの検 出信号をセ ンサ面積について正規化 し正規化信号を出力する 第 1 の正規化部と を備えた核酸濃度定量分析チップと 、 前記 正規化信号に基づき核酸濃度を算出する核酸濃度算出装置と を具備してなる こ と を特徴とする核酸濃度定量分析装置が提 供される。 また、 本発明の別の観点によれば 的核酸と相補的な核 酸を有する核酸プロ ブが固定化され かつ各々 が異なるセ ンサ面積を有する複数の核酸センサの検出信号を各々 のセ ン

、

サ面積について正規化 して正規化信号 出力 し 刖記正規化 信号に基づき核酸濃度を算出する -- と を特徴とする核酸濃度 定量分析方法が提供される

図面の簡単な説明

図 1 は本発明の第 1 実施形態に係る核酸濃 定 分析装置 の全体構成を示す図。

図 2 は同実施形態に係る核酸検出用チクプの外観構成の変 形例を示す図。

図 3 は同実施形態に係る核酸検出用チ プの測定回路のブ ロ ッ ク図。

図 4 は同実施形態に係るモジュ ルの詳細な構成の一例を 示す図。

図 5 は同実施形態に係る改良 したモジュ ルの詳細な構成 を示す図

図 6 は同実施形態に係る核酸検出用チクプの素子断面図の 一例を示す図。

図 7 は同実施形態に係る作用極の電極面積の概今図。

図 8 は同実施形態に係るプ口 ブ系列を用いた検出結果を 示す図。

図 9 は同実施形態に係る核酸濃度定 分析装置の動作のフ ローチャー 卜。

図 1 0 は同実施形態に係る校正の具体的な処理の一例のフ ロ ーチヤー ト。

図 1 1 は同実施形態に係る電流値取得処理の詳細を示すフ ローチヤ ー ト 。

図 1 2 は同実施形態に係る測定処理の詳細について のフ 口 一チ ヤ一 ト 。

図 1 3 は同実施形態に係る正規化を行 う ための回路の詳細 な構成を示す図。

図 1 4 は同実施形態に係る核酸濃度定量分析装置の変形例 に係る核酸検出用チップの概念図。

図 1 5 は同実施形態に係る減算回路を含む回路の詳細な構 成例を示す図。

図 1 6 は同実施形態に係る減算回路の変形例を示す図。 図 1 7 は同実施形態に係るバッ ク グラ ウン ド測定用電極付 チップを用いた分析処理フ 一を示す図。

図 1 8 は同実施形態に係る電流値取得操作の詳細なフ ロ ー チヤ一 卜。

図 1 9 は同実施形態に係る さ らなる変形例に係る核酸検出 用チップの概念図

図 2 0 は同実施形態に係る飽和レベル校正用電極付チップ を用いた分析処理フ 口一チャ一 ト。

図 2 1 は同実施形態に係る電流値およびビッ トパター ン取 得操作の詳細なフ ロ ーチャ一 卜 。

図 2 2 は同実施形態に係る飽和 レベル校正用電極付チップ を用 レヽた測定処理 （ s 2 ) の詳細な処理フ ロ ーチヤ一 ト。

図 2 3 は同実施形態に係る 3 電極系の電極配置に関する変 形例の平面図

図 2 4 は |pj実施形態に係る さ らに別の電極配置の変形例の 平面図

図 2 5 は |pj実施形態に係る補償回路の構成の一例を示す図。 図 2 6 は |Rj実施形態に係る補償回路の一例を示す図。

図 2 7 は |pj実施形態に係る核酸検出用チシ プの変形例を示 す上 m図

図 2 8 は |RJ実施形態に係るチ V プ保持用力セ ッ ト の斜視図。 図 2 9 は 実施形態に係る飽和 レベル、 ノ^ック グラ ウン ド レベルヽ 閾値決定アルゴリ ズムの一例のフ 一チヤー ト を示 す図

図 3 0 は同実施形態に係るモジユ ールの変形例を示す図。 図 3 1 は同実施形態に係る ijl流検出回路及び正規化回路の 概念図

図 3 2 は本発明の第 2実施形態に係るバクク グラ ウ ン ド電 流の問題点を説明するための図

図 3 3 は |pj実施形態に係る問題点を解決するための回路構 成の一例を示す図。

図 3 4 は IP]実施形態に係る電流電圧変換回路の —例を示す 図。

図 3 5 は |PJ実施形態に係る電流電圧変換回路の一例を示す 図。

図 3 6 は 実施形態に係る電流電圧変換回路の一例を示す 図 3 7 は 実施形態に係る電流電圧変換回路の一例を示す 3 8 は本発明の第 ³実施形態に係るモ ジュ ールの構成の 一例を示す図。

図 3 9 は本発明の第 4実施形態に係るモジュールの構成の 一例を示す図。

図 4 0 は本発明の第 5実施形態に係るモ ジュ ールの構成の 一例を示す図。

図 4 1 は本発明の第 6実施形態に係るモ ジュ ールの構成の 一例を示す図。

図 4 2 は同実施形態に係る キャパシタ C _bの構成の一例を 示す図

図 4 3 は本発明の第 7実施形態に係るオーバーラ ップファ ク タ一 y を説明するための図。

図 4 4 は本発明の第 8実施形態に係る核酸濃度定量分析チ ップの要部断面を示す図。

図 4 5 は同実施形態に係る核酸濃度定量分析チップの別の 一例を示す模式図。

図 4 6 は同実施形態に係る核酸濃度範囲を説明するための 図。

図 4 7 は同実施形態に係る検出グラ フをよ り 詳細に示 した 図。

図 4 8 は同実施形態に係る核酸プローブ固定化領域面積を 変化させたグラ フ例を示す図。

4 9 乃至 8 1 は同実施形態に係るチップの構成例を示す 図 8 2 乃至 8 5 は上記実施形態に係る核酸濃度定量分析装 匱の機能プロ ックの一例を示す図。

発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照 しなが ら本発明の実施形態を説明する。

(第 1 実施形態）

図 1 は本 明の第 1 実施形態に係る核酸濃度定量分析装置

1 の全体構成を示す図である。 図 1 に示すよ う に、 核酸濃度 定量分析装置 1 は、 分析装置筐体 1 1 と核酸検出用チップ 1

2 力 らなる。 こ の核酸濃度定量分析装置 1 は 、 分析装置筐体

1 1 に核酸検出用チップ 1 2 を装着して核酸検出用チップ 1

2 にア レイ状に設け られたセンサ 1 2 a から検出される核酸 の濃度を定量分祈する。

分析衣置筐体 1 1 は、 送液 Z温調機器 1 1 1 と 、 チップ Z 筐体ィ ンタ フ エ一ス 1 1 2 と、 演算処理装置 1 1 3 と 、 制御 機構 1 1 4 と、 ュ ' ~ザイ ンタフ ―ス 1 1 5 と、 記 fe装 rf 1

1 6 からなる。 送液 / ik R¾機器 1 1 1 は 、 送液機 と温調機 器からなる。 送液機 は、 核酸検出用チップ 1 2 の緩衝剤 ゃ揷入剤な どの薬液の送液と、 核酸検出用チップ 1 2 力 らの 薬液の廃液を行 5 。 温調機 ¾ff は、 核酸検出用チップ 1 2 の各 センサ 1 2 a の温度調整を行う加熱機 や冷却機 ¾^な どから なる。 温調機器は、 図示しない温度センサの検出 曰

慨度に基づ き所望の温度に核酸検出用チップ 1 2 を調整する

チップ /筐体ィ ンタ フ エース 1 1 2 は 、 核酸検出用チップ

1 2 内の電子回路に電 ¾,的 ¾ eれる のチクプ /筐体 イ ンタ フ エース 1 1 2 は、 核酸検出用チップ 1 2 から得られ る各種電気信号を演算処理 置 1 1 3 に出力する 演算処理装置 1 1 3 は、 ュ一ザイ ンタ フ ェ一ス 1 1 ヽ 憶装置 1 1 6 と と あに例えばノヽ⁰ー ソナノレ n ン ピュ 一タ と 同等 の機能を実現 る 。 演算処理壯置 1 1 3 は C P Uな ど らな る。 ユーザィ ンタ フエース 1 1 5 はキー ヽ ■ ~ ド、ヽ マ ウ ス な ど の入力装置 、 デイ ス プ レイ などからなる の演算処理装置

1 1 3 に格納されたプ口 グラムが例えば し 、装置 1 1 6 力 ら 読み出され実行される。 れによ り 、 演算処理装置 1 1 3 が 測定値の各種分析処理を行 分析手段と して機能する。 その 結果、 測定ピーク値のフ ィ ッティ ング等の処 aを実行する こ とがでさ る 得られた分析処理データは し 1 1 6 に格 納される。

図 2 は本実施形態で用い られる測定回路を集積した低雑音 測定の可能な核酸検出用チップ 1 2 の外観構成の変形例を示 す図である 図 1 では、 センサ 1 2 a がァ レィ状に設け られ ている場合を示した 。 図 2 の変形例の場 π ヽ 核酸検出用チッ プ 1 2 は直線型のチップ形状を有する。 チップ本体 1 2 1 の 表面には直線状の溝部が設け られる。 この溝部が薬液な どを 収容 し流すための流路 1 2 2 と して機能する この流路 1 2

2 は、 検体溶液と プローブ核酸と のノ、ィプリ ダィゼーシ ヨ ン 反応な どの 気化学反応を生じさせるセルと して機能する。 チップ本体 1 2 1 ヽ 流路 1 2 2 と もに、 薬液 ェァの流れる 方向に沿つて細長の形状を有している。 チップ本体 1 2 1 の 長手方向の長さは 2 5 〜 5 0 m禾£度であ り 、 長手方向 と垂 直、 すなわち薬液やエアの流れる方向 と は垂直な方向の幅は 0220S

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5 ni mよ り も小さい。 流路 1 2 2 内には、 複数の電気分解用 電極 1 2 3 が直線状に配列されている。 これら電気分解用電 極 1 2 3 は、 例えば 2 m m程度の間隔をも ってほぼ等間隔に 4つずつ配列されている。 これら複数の電気分解用電極 1 2 3 の各々 が各種電気化学反応を検出するセ ンサと して機能す る。 電気分解用電極 1 2 3 は、 後述する よ う に作用極、 対極、 参照極の組からなる。 代替的には、 例えば 1 つの対極あ るい は 1 つの参照極を、 複数の作用極に対して配置しても よい し、 作用極、 対極及び参照極を 1 つずつ対応させて配置 しても よ レ、。

こ の流路 1 2 2 の薬液やェァの最上流側を流路端 1 2 2 a とする と 、 流路端 1 2 2 a から流路端 1 2 2 b に向けて薬液 やエアが流れる。 ¾ちろん 、 測定手法によっては、 流路端 1

2 2 b から流路端 1 2 2 a に薬液ゃェァを逆流させても よい が、 いずれの場合も薬液やエアは一旦から他端に長手方向に 沿つて流れる

チ ップ本体 1 2 1 の端部 1 2 1 a 及び 1 2 1 b には 、 複数 のボンディ ング用ノ、。ッ ド 1 2 4 が設け られている のボン ディ ング用パッ ド 1 2 4 の各々 は、 電気分解用電極 1 2 3 に チップ本体 1 2 1 内で電気的に接続されてレヽる。 このポンデ ィ ング用パッ ド 1 2 4 にチップ一筐体ィ ンタ フエ一ス 1 1 2 を電気的に接続して測定を行う 。 これによ り 、 ボンディ ング 用パッ ド 1 2 4から電気分解用電極 1 2 3 で検出 される f¾i 5¾ 信号を取 り 出 し、 分析装置筐体 1 1 に出力する こ とができ る。

一般的に 、 核酸を検出するための例えば D N Aチップにお いては チ プ上のセンサと して機能する電極 面上に溶液 を流入流出する操作、 すなわち送液操作を行わなければな ら ない。 この送液を行 う 流路についてはその容量が々いと検体 の総量が多 < なって しま う チップ上にセンサを 2次 70状の ア レイ と して配置する場合 、 流路を蛇行させた り 幅広の流 路を設けなけ i%ばな らない 。 蛇行 した細い流路は 上流側か ら下流側 流れる薬液にかかる流体抵 が大さ < な り 送液 の効率を著しく 損ねる。 そこで、 図 2 のよ う に チ プ本体

1 2 1 流路 1 2 2 を直線型にする。 また の流路 1 2 2 に沿つて直線状にセ ンサを配置する こ と によ り 送液効率の 低下や測定値の局地的なばらつき を回避し得る

更に プ ーブ核酸をチップ上に滴下するのに使用するス ポッティ ングロ ポッ ト の溶液吐出 口 も 流路 1 2 2 内の ¾ 分解用電極 1 2 3 の 4 つの集合体毎に一次元的に配置する これによ 一回の位置合わせですべてのプ D ブ核酸を滴 下する と ができ る。 その結 テップ作製過程が効率化し 得る。

代替的には 、 こ の図 2 に示す直線状の核酸検 用チ Vプ 1

2 は、 例んば図 2 8 に示すよ う に 、 核酸検出用チップ 1 2 を 保持するチップ保持用カセ ッ 卜 1 2 0 の溝部 1 2 0 a に 、 そ れぞれ等間 に複数平行に核酸検出用チクプ 1 2 をはめ込み 固定する そ して、 チップ表面を溶液封止用の ゴム ングを 介してガラス板な どで封止 1 。

図 3 は核酸検出用チップ 1 2 の測定回路のブ シク図であ る。 図 3 に示すよ う に、 チップ 1 2 内には ィ ンタフェ一ス 04 002205

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1 3 1 と、 チップ制御回路 1 3 2 と、 測定信号発生回路 1 3

3 と 、 D / Aコ ン 一タ 1 3 4 と、 複数のモジユーノレ 1 3 5 と、 セ レク タ 1 3 6 とヽ . / D コ ンバータ 1 3 7 が集積され ている。

イ ンタ フ エ一 ス 1 3 1 はヽ チップ外部と の電気信号の送受 を行う。 チップ制御回路 1 3 2 は、 チップ 1 2外部からィ ン タ フ エース 1 3 1 を介 して与 X.られた測定開始の指令に基づ き測定信号発生回路 1 3 3 とセ レク タ 1 3 6 を制御する。 測 定信号発生回路 1 3 3 は、 チ -yプ制御回路 1 3 2 の指令に基 づき電圧掃引を行う 具体的には、 測定信号発生回路 1 3 3 はデジタ ルの電圧掃引信号を発生させ、 D Z A コ ンバー タ 1

3 4 に出力する

D / A コ ンパ一タ 1 3 4 はヽ デジタル電圧掃引信号をアナ 口グ測定信号に D / A変換して複数のモジュ ール 1 3 5 に出 力する。 モジュ ― ノレ 1 3 5 には 、 様々 な測定回路が集積され ている。 こ の測定回路は、 例 ばポテ ンシ才 · ス タ ツ トなど の 3 電極系、 溶液系に与える電圧を制御する回路、 プローブ から出力 される電流をコ ピ し電圧に変換する回路、 バック グラ ウン ド信号減算用回路な ど 。、め る 。

モジユ ー ノレ 1 3 5 の構成はヽ 測定の手法や測定の目 的な ど に応 じて種々変更される 例えば、 バック グラ ウ ン ド信号減 算用回路を含めずにヽ 減算に相当する処理を演算処理装置 1

1 3 が担当する よ つ に しても よい。 すなわち、 こ の場合、 モ ジユ ーノレ 1 3 5 内には 、 通常のセンサ と、 ノ ック グラ ウン ド レベル検出用センサ と を含むセンサ 1 2 a と 、 センサ 1 2 a の出力を正規化する正規化回路と、 正規化回路の正規化出力 を電流電圧変換する電流電圧変換回路と を配置す そ して、 電流電圧変換回路の出 j J土をセ レク タ 1 3 D A / D コ ン タ 1 3 7 、 イ ンタ フ エ 一ス 1 3 1 を介 して核酸検出用チ ップ 1 2外に測定データ と して出力す Ό こ の測定丁ータは さ ら に チップ /箧体イ ンタ フェ一ス 1 1 2 を介 して演算処 理装置 1 1 3 に出力 される。 演算処理装置 1 1 3 は、 こ のチ ッ プ /筐体イ ンタ フ ヱ ース 1 1 2 らの測定了 タの う ち、 通常のセンサからの通常測定丁 タから、 ノ 、ソク グラ ゥ ン ド レベル検出用セ ンサか ら のバ V ク グラ ゥン ド測定丁一タ を減 算する

モ ジュ ール 1 3 5 を用いて 伝子の検出をする場合は、 以 下の手順を踏む。 まず初めに モジ ル 1 3 5 内部 Ik されたセ ンサ 1 2 a を検体に浸 させヽ ハィ プ ]) ダイ ーシ ョ ン反 J心を行う。 こ の反応を所定時間行つた後 挿入剤が添 加された緩衝液にセ ンサ 1 2 a を浸漬させ 分解を行 う。

S 分解を行う 際は、 セノレ内部に浸漬された所定の電極 （対 極） に D Z A コ ンパ一タ 1 3 4 からァナ口 グの電圧を入力す る。 電圧印加側の電極 (対極 参照極 ) と は別に 、 検出用回 路がプ ープ核酸の固定化されたセ ンサ用 の検出側電極 （作 用極 ) に接続されてい ~ ί記 圧入力の再に 所定の掃引

· - 電圧を入力するの と 同時に、 の検出用回路が 挿入剤の電 気分解に起因する電流を検出する の検出用回路は電流電 圧変換を行い、 検出信号と して検出結果を随時セ レク タ 1 3

6 に出力する。 セ レ ク タ 1 3 6 は チップ制御回路 1 3 2 の P T/JP2004/002205

14 制御に基づき複 のモシュ ル 1 3 5 のァ レィ をスキャ ンす る。 このス キヤンによ り得られた時分割多重化された検出信 号を A Z D コンバ一タ 1 3 7 に出力する。 A / D コ ンノく一タ

1 3 7 は、 測定信号を A / D変換してデジ ル検出信号と し てイ ンタ フエ一ス 1 3 1 を介してチップ外部に出力する。

こ の よ う に、 センサ表面が測定対象である検体溶液に浸漬 される と 、 核酸検出用チップ 1 2 内部では 、 電気分解測定を 行いチップ外部に送出する までの操作が図 3 に示す核酸検出 用チップ 1 2 内部のノヽ一 ゥエアで行われる 。 また、 チップ 外部に取り 出されたデ タから ピークの抽出 、 閾値と の比較 ビッ トノヽ⁰ターンの取得ヽ 数表と の照合によ る検体に含まれる 拡散濃度の出力までの作業は 、 図 1 の分析装置筐体 1 1 内の 演算処理装置 1 1 3 に いてソ フ ト ウエア的に行われる。

図 4 はモジュ一ル 1 3 5 の詳細な構成の一例を示す図であ る。 このモジュ一ル 1 3 5 は 、 端子 I に入力される掃引電圧 に対し、 演算増幅 as. 1 5 2 の反転入力端子に接続される抵抗

R _s および R _f を用いて参照極 1 4 3 の電圧を負帰還させる こ と によ り 、 セル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 ォ · スタ ツ トである。

このポテンシォ . ス タ ツ ト は、 作用極 1 4 1 に対する参照 極 1 4 3 の電圧が所定の特性に設定される よ う に対極 1 4 2 の電圧を変化させる こ と によ り 、 揷入剤の酸化電流を電気化 学的に測定する。 以下、 作用極 1 4 1 , 対極 1 4 2 および参 照極 1 4 3 の電極の組を 3 電極系 1 4 0 と称する。 作用極 1 4 1 は、 標的核酸と は相補的な標的相補核酸を有 するプローブ核酸 1 0 0 が固定化され得るセンサ用の電極で あ り、 セル内の反応電流を検出する電極であ 。 対極 1 4 2 は 、 作用極 1 4 1 と の間に電圧を印加 してセンサに電流を供 給する電極である。 参照極 1 4 3 は、 参照極 1 4 3 と作用極

1 4 1 と の間の電圧を所定の電圧に制御すベ < 、 その電極電 位を掃引電圧の入力に負帰還させる電極である 。 この参照極

1 4 3 によ り 、 セル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

D / Aコ ンノ ータ 1 3 4 からの電圧掃引信号が配線 1 5 2 b を介 して参照極 1 4 3 の参昭電圧制御用の演算増幅器 1 5

2 の反転入力端子に入力される

配線 1 5 2 b には抵抗 R _sが接続されている 。 演算増幅

1 5 2 の非反転入力端子は接地され、 出力端子には配線 1 4

2 a が接続されている。

配線 1 4 2 a は核酸検出用チップ 1 2 上の対極 1 4 2 に接 されている。 対極 1 4 2 が複数設け られている 口 には 、 各々 の対極 1 4 2 に対 して並列に配線 1 4 2 a が接続される これによ り 、 1 つの電圧パタ一ンによ り複数の対極 1 4 2 に 時に電圧を印加する こ と ができ る。 また、 極間電圧をよ り 正確に制御する場合は、 演算増幅器 1 5 2 ねよび 1 5 3 で 構成される一式の帰還回路をセンサ用の 1 つの作用極 1 4 1 に対 して配置する。 こ の場 ■ A

aヽ 複数の抵抗 R _sが D / Aコ ン ー タ 1 3 4 の出力に対し並列に接続される

参照極 1 4 3 は配線 1 4 3 a によ り 演算増幅器 1 反転入力端子に接続されている。 演算増幅器 1 5 3 の反転入 力端子は、 その出力端子に接続された配線 1 5 3 b と配線 1 5 3 a によ り 短絡 している。 配線 1 5 3 b には抵抗 R _f が設 け られている。 配線 1 5 3 b は配線 1 5 2 b の抵抗 R _s と演 算増幅器 1 5 2 の反転入力端子の間に接続されている。 これ によ り 、 電圧掃引信号 V i _nに、 参照極 1 4 3 の電圧をフ ィ ー ドバック させた電圧を演算増幅器 1 5 2 に入力させる。 こ の入力電圧を反転増幅した出力に基づき参照極 1 4 3 と作用 極 1 4 1 の間の電圧が制御される。

作用極 1 4 1 は配線 1 4 1 a によ り 演算増幅器 1 5 1 の反 転入力端子に接続されている。 演算増幅器 1 5 1 の非反転入 力端子は接地される。 演算増幅器 1 5 1 の出力端子に接続さ れた配線 1 5 1 c と配線 1 4 1 a と は配線 1 5 1 a によ り接 続されている。 配線 1 5 1 c には抵抗 R _wが設け られている。 この演算増幅器 1 5 1 の出力側の端子 O の電圧を V _w、 電流 を I _wとする と 、 V _w = I _w ■ R _wが成立する。 この端子 Oか ら得られる電気化学信号はセ レク タ 1 3 6 に出力 される。

図 5 は図 4 に示すモジュール 1 3 5 を改良 したモジユーノレ 1 5 0 の詳細な構成を示す図である。 図 4 と共通する構成に は同一符号を付 し、 その詳細な説明は省略する。 対極 1 4 2 及び参照極 1 4 3 からなる電圧印加側の回路構成は図 4 と共 通する。 集積度向上のため、 作用極 1 4 1側で抵抗器を使用 せず、 作用極 1 4 1 側に設け られた抵抗 R _wに代えて演算増 幅器 1 5 1 と 6 つの ト ラ ンジス タ M l 〜M 6 力、 ら なる回路力、 らなる電流検出回路を用いている。 M l は P M O S ト ラ ンジ P T/JP2004/002205

17 ス タ、 M 2 は N M O S ト ラ ンジス タである。

図 4 に示 したモジュール 1 3 5 では、 回路の集積化を効率 的に行う のに不利な要素が含まれている。 この不利な要素と は、 抵抗 R _wであ る。 抵抗 R _w と 演算増幅器 1 5 1 で構成さ れる ト ラ ンスイ ンピーダンス増幅回路は、 極一般的な構成で ある。 すなわち、 こ の ト ラ ンスイ ン ピーダンス増幅回路は、 作用極 1 4 1 の電位を溶液、 回路等周囲の条件にかかわらず 一定に保つ動作を実現し、 かつ作用極 1 4 1 からの電流を作 用極 1 4 1 の電位を変化させる こ と な く 自 由に取 り 出すこ と を可能にする回路であ り 、 電気分解測定に一般的に用い られ る。 作用極 1 4 1 から取り 出される電流が微弱であ り 、 これ を高精度に測定しょ う とする場合、 この抵抗は、 素子自身が 発生する雑音が低いものを選ばなければな らな く 、 かつその 抵抗値も大き く なければな らない。 この要件を満たす抵抗を 集積回路上で実現しょ う とする と、 素子面積が大き く なる等 によ り 、 集積回路の特徴を生かした実現が困難と なる。 よつ て、 抵抗素子はチップ外部に単体素子で実装されている場合 が多い。 この場合、 装置全体が大き く な り 、 更に測定の同時 性が損なわれるな どの不都合が生じる。

そこで、 本実施形態の場合、 図 5 に示すよ う に、 抵抗素子 を用いない電流検出回路が提供される。 図 5 において、 演算 増幅器 1 5 1 の出力端子は ト ラ ンジス タ M 1 及び M 2 のグー ト に接続される。 また、 作用極 1 4 1 に接続された配線 1 5 1 a は、 ト ラ ンジス タ M l の ソース及び ト ラ ンジス タ M 2 の ソースに接続される。 また、 ト ラ ンジス タ M l 及び M 2 のボ ディ ーは と もに配線 1 5 1 a に 絡され 卜 ラ ンジス タ Μ

1 の ド レイ ンは ト ラ ンジス タ M 3 の ド、 レィ ンに接統 θ れる。 卜 ラ ン 、ノス タ M 3 の ソ一ス は一 V s の負電源に接続さ れ、 ゲ 一 ト は ト ラ ンジス タ M 5 のゲー h及ぴ ト ラ ンジス タ Μ 3 の ド レイ ンに短絡されてい これに よ り 、 ト ラ ンジスタ Μ 3 と

M 5 がカ レン 卜 ミ ラ一構造をな している

ト ラ ンジス タ M 5 の ソ一スは ― V の '貝 ¾源に接続され、 ド レイ ンは 卜 ラ ンジス タ M 6 の ド、 レィ ンに接続されている。 ト ラ ンジス タ M 6 のゲ一 ト は ト ラ ンジス タ M 4 のゲー ト およ び ド レイ ン と短絡されている。 また 、 h ラ ンジス タ Μ 4 と Μ

6 の ソースは 、 + V s の正電源に接 れる これに よ り 、 ト ラ ンジス タ M 4 と 卜 ラ ンジス タ M 6 が力 レ ン 卜 ミ ラ一構造 をな している

電流 I が図 5 中矢印の方向、 すなわち作用極 1 4 1 力 ら電 流検出回路側に流れる ¾ 口 、 卜 ラ ンジス タ M 5 に流れる 流 が出力側に取り 出 される。 逆に 、 図矢印 と 逆方向、 すなわ ち電流検出回路側か ら作用極 1 4 1 側に電流が流れる場合は、 ト ラ ンジス タ M 6 を流れる電流が取 り 出 される 。 その電流は 電流計 1 5 4 で計測される

こ のよ う な構成においてヽ 卜 ラ ンジス タ M 1 力 ら Μ 6 まで のそれぞれの ト ラ ンス コ ンダク タ ンス をそれぞれ ]3 ！ , β ₂ β β β . |3 ₆ と する と 、 良好な線形性を成立 させる た めには、 β , = β ₂ , お よ び j3 ₃ = ]3 ₄， ]3 ₅ = j3 ₆ 力 S成立 する こ と が必要であ る。 なお、 e ₃ = β ₅ , /3 ₄ = j3 ₆カ 成立 する場合は， 測定する も と の電流 と 出力 される電流 と の比が 1 ： 1 と なる。 測定電流を増幅 したい場合には、 J3

= 1 : Β 、 β ₄ ： β ₆ = 1 ： Β と する。 これによ り 、 の増幅率が現される。 すなわち、 M O S F E Tのゲ

よびゲー ト幅を L , w と し、 ト ラ ンジスタ Μ 1 〜 Μ

S F E T ) のゲー ト長を L i L s ゲ一 ト幅を w 3

する と 、 ( w 3 / L 3 ) ： ( w ₅ / L ₅ ) = 1 ： B ,

L ₄ ) ： ( w ₆ / L ₆ ) = 1 ： B と設計すればよい。

本明細書に いて、 増幅は、 1 倍を 口える倍率で増幅する のみな らず 、 1倍で増幅する場合も含まれる ものとす 0。 こ の図 5 に示す回路動作を酸化電流の観測を例にと り 説明 する。

作用極 1 4 1 で酸化が起こる と きヽ 酸化電流は作用極 1 4

1 から電流検出回路側に流れ込む。 の と き に生ずる電圧降 下によ り ヽ 配線 1 5 1 a側の電位が上昇する。 そ して、 演算 増幅器 1 5 1 の出力端子の電位は演算増幅器によ り 逆に大き

< 下げられヽ ト ラ ンジスタ M 1 がォン状態と なる。 これによ り 、 h ラ ンジス タ M 3 に電流が流れヽ 配線 1 5 1 a の電位は 負帰還がかかり 接地電位に固定される 。 一方、 ト ラ ンジスタ

Μ 3 を流れる電流は 卜 ラ ンジスタ M 5 にコ ピーされる。 この 卜 ラ ンジス タ M 5 を流れる電流は電流計 1 5 4で計測可能で ある o

遠元電流が観測される場合には、 酸化電流の場合と は正負 が逆の特性が作用極 1 4 1 側の電流検出回路で生じる。 すな わち、 配線 1 tJ 1 . 側の電位が電流によって生ずる電圧降下 によ つて、 演算増幅布 1 5 1 の非反転端子の電位に対して下 げられ ト ラ ンジスタ Μ 2 がオン状態になる。 れによ り 卜 ラ ンジスタ M 4 に電流が流れる。 この ト ラ ンジスタ Μ 4 に 流れる電流は ト ラ ンジスタ M 6 にコ ピーさ る この 卜 フ ン ジス タ M 6 を流れる ¾流は 流計 1 5 4 で自 由に取り 出 し可 能である

のよ う に、 還元 流観測の場合は、 酸化電流観測に け る h ラ ンジスタ M 1 Μ 3 よび Μ 5 の動作と逆特性で同 じ 動作が 卜 ラ ンジスタ M 2 M 4 および Μ 6 で行われる れ によ り 酸化および還兀 %流の双方の電流計測が可能と なる 。

なお f ト ラ ンジスタ Μ 1 と Μ 2 のボディ を短絡する場 には N型基板のプ セスの場合には Ρ Μ O S を Ρ型基板 のプ セ ス の場合には Ν Μ O S をそれぞれ完全に素子分離す る必要がめ る れはプ口セスによっては実現可能であるが、 必ずしも完全に分離する こ とが必要ではない。 た と えば N 型 板 P ゥエルプ セスの場合、 P M O S のボディ を 全 に分離する こ と は - 難しい。 の場合、 ト ラ ンジスタ Μ 1 のポ ティ は正電源に直結される 。 こ の回路でも同等の回路機能 が実現される。 さ らに h ラ ンジスタ Μ 2 のポディ をち負 源に直結しても同等の回路機能が実現される。 ただし ·>- の場 e ₃ = β ₄ β _Θ を出来る 限 り 正確に実現する のが望ま しい。

図 6 は作用極 1 4 1 を含む核酸検出用チップ 1 2 の素子断 面図の 例を示す図でめる 図 6 に示すよ う に、 下地である

S i 基板 1 6 1 には I 化された回路が標準的な C Μ o

Sプ口セス を経て作製される S i 基板 1 6 1 には、 絶縁膜、 半導体膜、 金属膜な どから なる回路が形成されている。 S i 板 1 6 1 中にはゥェノレ 1

6 2 が形成されてい ' S i 基板 1 6 1 表面には 、 個々 の素 子間を分離する フィ ― ノレ ド酸化膜 1 6 3 が形成されている。 ゥエル 1 6 2 の各々 の中には、 ウ エノレ 1 6 2 よ り も浅い拡散 層 1 6 6 a 及び 1 6 D b が形成されている。 フィ一ル ド酸化 膜 1 6 3 の上面を含め、 S i 基板 1 6 1 上に全面にゲ一 ト酸 化膜 1 6 5 が形成されている。 拡散層 1 6 6 a 及び 1 6 6 b の間であってゲー 卜酸化膜 1 6 5 上にはグー ト電極 1 6 7 が 形成されている。

さ らにこのゲー 卜酸化膜 1 6 5 の上面及びグー ト電極 1 6

7 の上面及び側面を覆 う よ う に、 層間絶縁膜 1 6 8 が形成さ れている。 この層間絶縁膜 1 6 8 中には、 ゲ一 ト電極 1 6 7 に電気的に接続する よ う に、 A 1 や C u な どの金属からなる 第 1 コ ンタ ク ト プラ グ 1 6 9 i及び第 1 層配線 1 6 9 ₂が、 層間絶縁膜 1 6 8 上まで延在して形成されている。 層間絶縁 膜 1 6 8 の上には、 第 1 コンタ ク トプラ グ 1 6 9 及び第 1 層配線 1 6 9 ₂の上面及び側面を含めて T E O S な どによ り 層間絶縁膜 1 7 0 が形成されている。

この層間絶縁膜 1 7 0 中には、 第 1 層配線 1 6 9 ₂に電気 的に接続する よ う に、 A 1 や C u などの金属からなる第 2 コ ンタ ク ト プラ グ 1 7 1 i及び第 2 層配線 1 7 1 ₂が層間絶縁 膜 1 7 0 の上まで延在 して形成されている。 層間絶縁膜 1 7 0 の上には、 第 2 コ ンタ ク ト プラ グ 1 7 1 及ぴ第 2層配線 1 7 1 ₂の上面及ぴ側面を含めて、 層間絶縁膜 1 7 2 が形成 されてレヽる。

層間絶縁膜 1 7 2 には、 層配線 1 7 1 ₂に電気的に接 続する よ う に 、 溝部 (以下 、 小溝部と称する） が形成されて いる。 図 6 では小溝部は 1 つ し BXけ られていないが、 実際 には電極数や電極 の数に J心して複数設け られる。 こ の小溝 部底面以外の層間絶縁膜 1 7 2 の表 よび小溝部側面には、 ノ ッ シベーショ ン膜 1 9 1 が層間絶縁膜 1 7 2 を覆う よ う に 形成されている。 小溝部外のパッシベ一シ ヨ ン膜 1 9 1 の上 には、 小溝部から所定の距離離れて他の小溝部と仕切るため の酸化膜ゃフォ 卜 レジス ト膜な どからなる絶縁膜 1 9 4 が形 成されてレヽる の絶縁膜 1 9 4 によ り仕切 られた溝部 （以 下、 大溝部と称する ) には 、 小溝部底面から側面さ らには小 溝部外のノ、。ッシベ一ショ ン膜 1 9 1 表面まで延在する よ う に

T i 電極 1 9 および A u電極 1 9 3 が順次積層 して埋め込 み形成されている · - ο の A u電極 1 9 3 上にプローブ核酸 1

0 0 が固定化される o

次に 、 上 ¾!iした核酸検出用チップ 1 2 の製造方法を説明す る。

まず、 L O C O S プ ロ セ スを用いて S i 基板 1 6 1 の一部 に例えば 8 0 0 n mの膜厚のフィ ール ド酸化膜 1 6 3 を形成 する。 次いで、 こ の フ ィ ール ド酸化膜 1 6 3 をマ ス ク と して 不純物ィオン注入及び拡散な どの工程を経て S i 基板 1 6 1 の表面に ゥエル 1 6 2 を形成する。 次いで、 S i 基板 1 6 1 及ぴフィ 一ル ド酸化膜 1 6 3 の表面を酸化 して例えば 5 0 n _mの膜厚のゲー ト酸化膜 1 6 5 を形成する。 その後、 さ らに このグー ト酸化膜 1 6 5 上に例えば 5 0 0 11 の膜厚のポリ シリ コ ン膜を形成する 。 次に、 素子形成領域上のポリ シリ コ ン膜を選択的に除去 して素子形成領域上にホ V シリ コ ン膜を 選択的に残存させる この選択的に残存したホ シリ コ ン膜 はゲー ト電極 1 6 7 と して機能する。 次に 素子形成領域上 に選択的に残存させたゲー ト電極 1 6 7 をマス ク と して不純 物ィ オン注入及び拡散な どの工程を経てクェル 1 6 2 中に拡 散層 1 6 6 a及び 1 6 6 b を形成する の拡散層 1 D 6 a 及び 1 6 6 b とグー 卜電極 1 6 7 によ り 拡散層 1 6 6 a 及 ぴ 1 6 6 b を ソ ―ス あるいは ド レイ ン とする 卜 ラ ンジス タが 形成される。

次に、 装置全面に例えば 1 5 5 0 η mの膜厚の B P S Gな どの層間絶縁膜 1 6 8 を形成する。 そ して の層間絶縁膜

1 6 8 中に拡散層 1 6 6 a に貫通する よ ラ に ンタク ト を形 成する。

次に、 このコ ンタ ク トが充填する よ Ό に層間絶縁膜 1 6 8 上に例えば 8 0 0 n mの膜厚の A 1 — S 1 ― C U などからな る金属膜を形成する この金属膜を選択的に除去する こ と に よ り 拡散層 与

1 6 6 a に 的に接続される第 1 ンタ ク トプ ラグ 1 6 9 及び第 1 層配線 1 6 9 ₂が形成される。

次に、 この第 1 コ ンタ ク ト プラ グ 1 6 9 及ぴ第 1 層配線 1 6 9 ₂の上面及び側面を含め、 層間絶縁膜 1 6 8 上に例え ば 1 0 5 0 n mの膜厚の T E O S な どの層間絶縁膜 1 7 0 を 形成する。 そ して、 こ の層間絶縁膜 1 7 0 中に第 1 層配線 1 6 9 ₂に貫通する よ う にコ ンタ ク ト を形成する。 そ して、 こ のコ ンタ ク トが充填する よ う に層間絶縁膜 1 7 0上に例えば 1 0 0 0 n mの膜厚の A 1 — S i 一 C uな ど力、らなる金属膜 を形成する。 この金属膜を選択的に除去する こ と によ り 第 1 層配線 1 6 9 ₂に電気的に接続される第 2 コ ンタ ク トプラ グ 1 7 1 及び第 2層配線 1 7 1 ₂が形成される。

次に、 こ の第 2 コ ンタ ク ト プラ グ 1 7 1 及び第 2層配線 1 7 1 ₂ の上面及び側面を含め、 層間絶縁膜 1 7 0 上に例え ば O A 1 P S Gなど力、らなる例えば 1 0 5 0 n mの膜 厚の層間絶縁膜 1 7 2 を形成する。 そ して、 この層間絶縁膜

1 7 2 中に笛 2層配線 1 7 1 ₂に貫通する よ う にコ ンタ ク ト を形成する そ して 、 このコンタ ク ト の底面おょぴ側面を覆 い、 また層間絶縁膜 1 7 2表面まで延在する よ う に、 例えば

1 0 0 n mの膜厚の O P S i N力、らなるパッシベーシ ョ ン膜

1 9 1 を形成する そ して、 このパッ シベーショ ン膜 1 9 1 の う ち、 小溝部底面に形成されたものを選択的に除去する。 これによ りヽ 2層配線 1 7 1 ₂表面が露出する。

次いで 、 の第 2層配線 1 7 1 ₂を覆い、 かつ小溝部底面 および側面ヽ さ らには小溝部外のパ ッ シベーシ ヨ ン膜 1 9 1 表面まで例えば 1 0 0 n mの膜厚の T i 膜および例えば 2 0

0 n mの膜 の A u膜を順次積層形成する。 そ して、 小溝部 外のパッシベ一シ ン膜 1 9 1 表面に形成された部分をパタ 一ユングする その結果、 小溝部底面および側面、 さ ら には

/ 、、/シベ シ ン膜 1 9 1 表面の一部まで延在した T i 電極

1 9 2 および A u 極 1 9 3 が形成される。

さ らに れら T i 電極 1 9 2 および A u電極 1 9 3 の上 面及ぴ側面を含めて、 パッシベ ¹ ~シ ン 1 9 1 の上に絶縁 膜 1 9 4 を形成する。 そ して 、 こ の絶縁膜 1 9 4上を T i 電 極 1 9 2 および A u電極 1 9 3 が露出する よ う にパ夕 一二ン' グ して選択的に除去す - れ り ヽ 大溝部が形成される。 な ， 図 6 においては小溝部外の A / T i 膜に絶縁膜 1

9 4 が ：掛力 らなレヽょ う にパタ —ニ ングする例が示されている が、 の限 り ではない A u / T i 膜に掛かる よ う に絶縁膜

1 9 4 をハ。ターニ ング し、 残存部分でセンサ用 極の面積を 決定しても よい。

また 、 絶縁膜 1 9 4 の形成およびパタ一二ングを行つた後、 大溝部に T i 電極 1 9 および A u 極 1 9 3 を形成しても よい

絶縁膜 1 9 4 で仕切 られる大 ？冓部がセルと して機能する。 すなわち、 こ の大溝部に検体溶液 2 0 0 が滴下されヽ さ らに は緩衝剤、 エア、 揷入剤な どが導入される こ と によ り 、 A u 電極 1 9 3 上で電気化学反 j心が生じる

また 、 こ の絶縁膜 1 9 4 のほかにパクキンヽ o リ ングなど を用いて検体溶液 2 0 0 、 緩衝剤ヽ ェァ 揷入剤を導入する 領域を確保しても よい

のよ う に、 図 6 は作用極 1 4 1 を今む核酸検出用チップ

1 2 の断面構造を示 したがヽ 対極 1 4 2 よび参照極 1 4 3 についても同様の断面構造をなす の場 a ヽ 対極 1 4 2や 参照極 1 4 3 が作用極 1 4 1 と 同 じ大溝部に互いに離間 して 配置される構成をなす 。 対極 1 4 2や夢昭、極 1 4 3 の m八 π 、

A u電極 1 9 3 上にプ π 一ブ核酸 1 0 0 を固 化させる必要 は無い。 もちろんヽ 作用極 1 4 1 と して用いる場合であって も、 利用 目的に応じてプローブ核酸 1 0 0 を固定化させずに 利用 しても よい また 、 測定目的に応 じて、 各電極の面積を 種々変更する こ とがで 図 7 は本実施形態の核酸定量分析を行う ための作用極 1 4

1 の電極面積の概合図である。 図 7 に示すよ に、 同一の核 酸からの電流あるいはノ^ック グラ ゥン ド電流を測定するため の作用極 1 4 1 の電極面積は、 も つ と も大きい '面積を A 0 と する と A 0ヽ α A 0 ' 、 ² A o、 ひ ³ A o 、 … ( < 1 ) とレヽ ぅ よ つ に、 等比級数をなす

電流検出型の核酸検出用チップにおいて、 電極面積を小さ く し 、 その分ハ ブ リ ダィゼーショ ンに費やす時間を長く し て特異的な信号の絶対 を高く する。 これはヽ 挿入剤 と して 利用 される電気化学的に活性な標識物質が、 電極の表面、 特 に核酸が固定化さ ^ る領域に非特異に結合する量を少な く す るためである。 ·>- れによ り 、 核酸 2本鎖に特異的に結合する 揷入斉 IJ力 ら得られる信号の比率を高める こ と ができ る。 すな わち 、 バッ ク グラ ク ン ド、レべノレに対する信号レベノレを高める こ と が で き る の A

a 検 出 感 度 の 最 小 濃 度 c _{m i n}(cop y/ml)は電極面積 A ( c m ² )に対し、

1 n C _{m i n} = 0 . 7 2 1 n A + 8

の関係を持つ。 こ の関係式によれば、 プローブ分子数の面 密度が一定の場合、 1 種類の核酸を固定した作用極 1 4 1 の 電極面積 Aの各々が等比数列に従 う 1 組のプローブ系列を用 いる。 これによ り 、'広い検出感度のダイナミ ック レ ンジを実 現可能な核酸分析装置が実現される。 なお、 電極面積 Aの 各々 は、 実質的に等比数列をなす関係にあればよい。 すなわ ち、 電極面積 Aの各々 は、 等比数列から ± 1 0 %の範囲の値 を と っていればよい。 核酸の定量分析では、 図 7 のよ う な電 極の系列を一組作り、 同一の濃度に調製した単一のプローブ を固定化 し、 ある濃度の検体を適当な時間ハィ ブリ ダィ ズす ればよい。 また、 同 じ電極系列に対して固定化されるプロ一 ブの分子数の面密度は共通する よ う に設定される。

図 7 に示すプローブ系列を用いた検出結果を図 8 に示す。 図 8 は、 検体溶液とハイプ リ ダイ ズするプローブ核酸を固定 化 して所定の時間ハイ プリ ダイズさせた場合の信号強度と、 そのよ う なプローブ核酸を固定化 しない場合に同様の条件で 測定した信号強度を示 している。 縦軸の信号強度は、 センサ (電極） 表面上に固定化したプローブすべてにハイプリ ダイ ゼーシヨ ンが起こった と き に得られる信号強度で正規化 して ある。 以下、 正規化された信号強度を正規化信号強度と称す る。

ある核酸濃度の検体をある一定の時間ハイ ブリ ダィ ズする と、 小さいセンサ面上では反応時間中にほとんどのプローブ 核酸にハイ プリ ダイゼーショ ンが起こ るため、 正規化信号強 度は 1 に限り な く 近い。 逆に、 大きいセンサ面上ではハイブ リ の起こ つたプローブ核酸の絶対数が少な く 、 バ ック グラ ゥ ン ド レベルと 同等な信号強度しか得られない。 この中間に位 置するセンサ面の面積が適正な電極上では、 バッ ク ダラ ゥン ドレベルと信号強度 1 の間の大き さの正規化信号強度が得ら れる。 適正な電極と はヽ 例えば図 8 において ひ ⁴ A。の電極 面積を持つ電極である こ こで、 複数の濃度既知の核酸を予 め測定し， バック グラ クン ドレペルと飽和 レベルすなわち正 規化信号強度 1 との間で信号の得りれる電極面積と核酸濃度 の関係を算出 してお < この関係 め知っていれば、 核酸 濃度を同定でき 核酸濃度を同定するため、 濃度未知の核 酸についても、 どの面積のセンサ面で正規化信号強度が飽和 レべノレと ノ ック グラ ゥン ドレべノレの間に現れたかを知ればよ い。 更には、 その信号強度の大き さ によって、 よ り 正確に濃 度を知る こ と が可能と なる。

センサ面上から得られ 、 未た電極 ¾積で正規化 していない 信号の絶対値は電極面積に比例する と考え られる。 したがつ て、 センサ面の電極面積をある因子 α ( α < 1 ) で小さ く す れば、 信号の絶 ·>- 対値も れに応じて低く なる。 電流検出型の 核酸検出用チップでこれを行お う とする場合、 よ り 高感度の ポテンシヨ スタ ツ ト を用いる こ と が必要である。 よって、 セ ンサと 同一基板上のよ り センサに近い部位に測定回路を集積 化 して配置する こ と が望ま しい

次に、 上述 した核酸濃度定量分析装置 1 の動作を図 9 〜図

1 2 のフ ロ ーチャ― ト に沿つて説明する

定量分析はヽ 図 9 に示すよ う に、 校正 ( s 1 ) を行った後、 測定 （ s 2 ) を経て終了する。 校正は 、 測定対象たる検体溶 液に含まれる核酸濃度を分析する前の ビッ 卜パターンを得る ための処理であ Ό ビ、 トパターンと は 、 測定対象の濃度の 判定条件を示すデータである。 5

29 図 1 0 は校正 （ s 1 ) の具体的な処理の一例のフローチヤ ー トである。 図 1 0 に示すよ う に、 まず核酸を含まない溶液 Tに、 プローブ核酸が固定化されていないセンサ 1 2 a 、 あ るいはプローブ核酸は固定化されているが溶液 T と はハイ プ リ ダイ ズしないプロープ核酸が固定化されたセンサ 1 2 a を 浸漬する （ s 1 1 ) 。 そ して、 電流値取得処理を実行する

( s 1 2 ) 。 得られた電流値に基づきバック グラ ウン ドレベ ル （電流値） が定め られる。

( s 1 2 ) に示す電流値取得処理の具体的な処理フ ローは 後述する図 1 1 のフ ローチャー ト に示される。

次に、 核酸を含む溶液 S の測定を行 う （ s 1 3 ) 。 具体的 には、 測定を行 う べき レンジをカバーする N種類の濃度 C 0， C ！ , …， C _N _！ ( i = 0， 1 , …， N - 1 ) の核酸溶液 S ₀， S ！ , …， S _N— を、 M種類の電極面積 Α 〗 （ j = 0， 1 , …， M - 1 ) について M X N個用意する。 そ して、 濃度 C i の核酸溶液 s i を、 同一の核酸プローブが固定化された M種類の異な る 電極面積 A j のセ ンサ 1 2 a 内に滴下する

( s i 4 ) 。 これによ り 、 センサ 1 2 a に固定化されたプロ ープ核酸と核酸溶液 S i 中の核酸がハイ プリ ダイ ズする。 そ して、 （ s i 2 ) と 同様の要領で電流値取得処理を実行する

( s 1 5 ) 。 こ の （ s 1 5 ) の電流値取得処理の測定条件は

( s 1 2 ) と 同一に定め られる。 濃度 C i の核酸溶液 S ； に ついて測定が終了する と、 i = i + 1 と され、 さ らに別濃度 の核酸溶液 S i についての測定が行われる （ s 1 6 ) 。 すべ ての濃度でかつすベての電極面積 A j 、 すべての核酸溶液 S i について M X N個の電流値 I _p ( i ' られる と 閾値 I _{t h}が設定される （ s 1 7 )

閾値の設定は、 飽和電流値 I _{s t} と .バ ッ ク グラ ク ノ ト ¾i流 値 I _{b g} と の間の電流値に設定される ₍ , すなわち (飽和 流値 I _{s t} ) > (閾値 I _{t h} ) > (バ V ク グラ ウ ン ド電流値 I _{b g} ) と なる。

閾値を定めるためには、 飽和電流値を知る必要がめ る。 理 想的な飽和電流値は、 基板上のプロ ブ核酸が全て 2本鎖を 形成 している場合に得られる。 こ の飽和電流値を得る には 予め 2本鎖を形成した核酸を固定化した電極から信号を取得 する よ う な実験を行えばよい。 この場合、 2本鎖を形成 して いないプローブ核酸が固定化された電極上の面密度と 同等の 密度で核酸が固定化するのが望ま しい o

ハイプリ ダイ ズ済みの電極を予め作製する こ と が困難でめ れば、 充分濃い標的核酸濃度を持つた試料を充分な時間ハ ブリ ダィ ズさせる。 これによ り 、 実際的な飽和レベノレを定め る こ とが可能と なる。

代替的には、 複数の核酸溶液 S i について異なる面積 A j のセンサで測定を行い、 得られたデータ を分析する。 これに よ り 、 実際的な飽和 レベルの定義する こ と が可能と なる。 こ の場合、 飽和電流値はセ ンサ面積に比例する性質を利用 して 次のよ う に行 う 。 まず、 各電極から得られる電流値を面積に よって正規化しておく この正規化された電流値を異なる面 積間で比較 した場合、 ある面積よ り 小さな開 口面積の電極か ら得られる正規化電流値が、 パック ダラ ゥ ン ドの正規化電流 値よ り 充分大き く、 かつ面積にかかわらずほぼ一定の値であ れば、 この正規化電流値を全ての電極における飽和レベルす なわち正規化信号強度 1 と 定義する こ とが可能である。

また , バック グラ ウ ン ドレベノレを測る こ と について も同様 の こ とが言える。 すなわち、 異なる複数の核酸濃度の溶液に ついて得られるデータ、 および異なる面積の電極から得られ たデータ を分析する こ と によ り 、 バッ ク グラ ウン ドレベルを 推定する こ とが出来る。 この推定では、 まず、 得られた電流 値を面積について正規化する。 そ して、 得られた正規化電流 値を異なる面積間で比較したと き、 ある面積よ り 大きな開口 面積の電極から得られる複数の正規化電流値が飽和レベルよ り 充分小さ く 、 かつ面積にかかわらずほぼ一定の値であれば こ の正規化電流値を全ての電極におけるバック グラ ゥン ドレ ベルと定義する こ と が可能である。

具体的な閾値算出のための飽和レベル、 バック グラ ゥ ン ド レべ/レの決定ァノレゴ リ ズム の一例を図 2 9 の フ ロ ーチヤ一 ト に沿って説明する。

予め濃度が与え られた異なる N種類の濃度の核酸溶液 S i ( i = 0， 1， …， N - 1 ) について、 また 1 本鎖が固定化 された異なる面積 A j ( j = 0 , 1， …， Μ— 1 ) のセンサ 1 2 aすべてについて、 ( s 1 3 ) 〜 ( s 1 6 ) に示 したよ う な操作によ り 電流ピーク値 I _p ( i ， j ) を取得する （ s 8 1 ) 。 こ のピーク値の取得はよ り 後段の回路ゃソフ 卜 ゥェ ァによ り 実行されて も よい。 ピーク値取得を後段で行 う 場合 こ の （ s 8 1 ) では複数の時間における電流値 I を取得して おけばよい。

この （ s 8 1 ) で得られた電流ピーク値を、 それぞれ電極 面積 ( j = 0 , 1 ， …， M - 1 ) によって第 1 の正規化

( s 8 2 ) を行い第 1 正規化電流値 I _n ( i ， j ) を得る。 これによ り 、 単位面積あた り の電流値が得られる。 次いで、 最も濃度の濃い核酸溶液 S _N —ェ と最も小 さ な開 口 面積 A M-i のセンサ 1 2 a の組み合わせか ら得られた電流 I _n ( N— 1 M - 1 ) を飽和電流 と仮定 し、 最も薄い核酸溶液 S 。 と 最も 大き な開 口面積 A。のセ ンサの組み合わせから得られた電流

I _n ( 0 , 0 ) をバ ッ ク グラ ウ ン ド電流 と 仮定する （ s 8

3 ) 。

( s 8 2 ) の第 1 の正規化は、 後述する図 1 3 ではカ レン ト ミ ラー回路の電流增幅率を調整する こ と によ り 実現される , 次に、 個々 の測定電流値 I _n ( i ， j ) について、 シグモ ィ ド関数に よ る評価のための （飽和電流値） - (バック グラ ゥン ド電流値） によ り 第 2 の正規化処理を行 う。 具体的には 以下の式によ り 第 2正規化電流値 I _Q ( i ， j ) を得る （ s 8 4 ) 。

I ₀ ( i ， j ) = { I _n ( i ， j ) 一 I _n ( 0 , 0 ) } Z { I _n ( N— 1 ， M - 1 ) - I _n ( 0 , 0 ) }

次いで、 それぞれの濃度の測定から得られた電極一式につ いてのデータ 系列をシグモイ ド関数にフ ィ ッテ ィ ングする ( s 8 5 ) 。 次に、 フ ィ ッティ ング結果が所定の値以下か否 かを判定する ( s 8 6 ) 。 フィ ッティ ング結果が所定の誤差 の中に入っていれば、 仮定した値を飽和レベル、 バッ ク グラ ゥン ドレベルと決定する （ s 8 8 ) 。 所定の誤差を超える場 合には、 i 、 j のいずれかを変えた、 異なる核酸についての 電流値を飽和 レベル I _{s t}、 ノ ッ ク グラ ウ ン ド レベル I _{b g} と 仮定する （ s 8 7 ) 。

こ のよ う に、 ( s 8 8 ) で与え られた飽和レベル及びバッ ク グラ ゥ ン ド レベルに対 して、 (飽和電流値 I _{s t} ) > (閾 値 I _{t h} ) > (バ ック グラ ウン ド電流値 I _{b g} ) を満たす閾値 I _{t h}を設定すればよい。 なお、 こ こ で挙げた閾値設定処理 はほんの一例にすぎない。 例えば、 （ s 8 4 ) における面積 当た り の電流値に対する第 1 の正規化処理は、 シグモイ ド関 数以外の関数へのフィ ッティ ングを用いた評価を行う 場合、 飽和電流値 I _{s t} に基づき正規化処理を行なっても よい。 こ の場合、 正規化電流値 I 。 （ i ， j ) は以下の通 り になる。

I 0 ( i - J ) = I „ ( i ， j ) / I n ( N — 1 ， M -

1 )

このよ う に閾値 I _{t h}を設定し、 またこの閾値 I _{t h} とハイ ブリ ダィゼーシ ヨ ン時間の関係を設定すれば、 閾値 I _{t h}を 超えた電極の数と、 濃度を予め測定した校正用の試料と の間 に 1 対 1 の関係を見出すこ と ができ る。 例えば閾値 I _{t h}を 超えた場合を " 1 " 、 閾値 I _{t h}を超えない場合を " 0 " と ビッ トで表現する と、 溶液の濃度が低い順に、 ビッ トデータ

B はそれぞれ { B ( A 0 ) 、 B ( A。 a ¹ ) 、 B ( A o a ² ) 、

B ( A o a ³ ) 、 ···、 B ( A。 _a ^N - 、 } = { B ( A。） 、

B ( A ! ) 、 ···， B ( A _N _ 3 ) 、 B ( A _N— ₂ ) 、 B ( A _N _

！ ) } = { 0 , 0 , …， 0， 0， 0 } 、 { 0， 0， …， 0 ， 0 ， 1 } 、 { 0 , 0 ， …， 0 ， 1 , 1 } 、 …、 { 1 ， 1 ， 1

1 ， …， 1 } な どと示される。 こ の ビッ トデータ B の組 (以 下、 ビ ッ トパタ ーン と称する） を各核酸濃度 c i について取 得する （ s 1 8 ) 。

次に、 得られたビッ トパターンについて、 濃度と一対一に 対応 しているか否かを判定する （ s 1 9 ) 。

ある濃度と他の濃度のビッ トパターンが一致しないよ な 閾値を設定する のが望ま しい。 こ のためには、 具体的には S ビッ トパター ンを各濃度 C ！ について求めた後、 互いに最 近い濃度に関する ビッ トパターン同士が一致しているか否か を比較する。 両者が一致している場合には、 閾値 I _t hを変 えて再度ビッ トノ、"ターンを求める。 両者が一致しなく なるま で比較及びビッ トパターン算出を繰り 返せばよい o ~のよ う な処理は、 演算処理装置 1 1 3 が実行可能である 。 隣接する 濃度のビッ トパターン同士の比較、 比較結果が不一致の π の閾値 I _{t h}の再設定、 これら比較および再設定を ビク 卜パ ターン同士が不一致と なるまで繰り 返す各処理を 己 'I 置 1

1 6 にプロ グラ ム と して記憶しておく 。 演算処理装置 1 1 3 は、 このプロ グラムを読み出 し実行すればよい。 このよ ラ に 閾値 I _{t h} を変える こ と によ り 、 濃度ごと に異なる ビッ 卜パ ターンが得られ、 核酸濃度の分析精度が向上する o

なお、 閾値 I _{t h}は、 正規化された飽和電流値 I s t と正規 化されたノ ッ ク グラ ウ ン ド電流値 I _{b g} の間であればいかな る値を と つても よい'。 閾値 I _{t h}は第 1 の正規化に よ り 極 面積で正規化された電流値との大小の比較に用い られる もの であるため、 複数の電極面積の電極について 1 つの閾値 I _{t h}が設定されればよい。

極 Sの倍率 を小さ < してい < と 、 分析精度は向上す るがヽ ど 5 しても近い |RJ士のビ 卜ノヽ タ ンが一致して しま う π がめる この場 π ヽ 取ち近い濃度同士のビッ 卜パ タ一 ンが ―致する士具 でも ( S 1 8 ) に戻らず 、 s 2 0 ) に 迪むよ な処理に しても よい

、、

の ( S 1 9 ) の判定処理によ り ヽ 各濃度 と に異なる ビ ッ 卜ノヽ⁰タ一ンが得られる。 得られたビク 卜パタ ― ンは 、 例え ば以下のよ 5 な判定テ一プルと して記 装 1 1 6 に格納し ておく 。

表 1

表 1 に示すよ う に、 ビ ッ トパターンがハイ ブリ ダイゼーシ ョ ン時間 t および溶液の核酸濃度 C i に対応付けて格納され る （ s 2 0 ) 。 また、 この判定テーブルと と もに、 その判定 の基礎 と した閾値 I _{t h} ， I _{t h 2}…が対応付けて格納され る。 このよ う に、 電極面積 A j 及び核酸濃度 C i ごと に、 M X N個のビッ トデータがハイ プリ ダィゼーショ ン時間ごと に 得られる と、 校正処理が終了する。

濃度測定のダイナミ ック レ ンジを変える には、 ハイ ブリ ダ ィゼーシヨ ン時間を変えればよい。 これによ り 、 同 じセンサ 系列で測定を行 う こ とが可能と なる。 ( s 1 2 ) や （ s 1 5 ) の電流値取得処理の詳細は図 1 1 のフ ローチャー ト に示す通 り である。 まず、 一定の温度およ ぴ時間でハイ プリ ダイゼーシヨ ンを行い ( s 3 1 ) 、 面積の 異な る電極で揷入剤を導入 して電流値 I を測定する （ s 3

2 ) 。 得られた電流値 I は、 電極面積で正規化される （ s 3

3 ) 。 この電流値の測定、 正規化は図 3 のモジュール 1 3 5 内で実行される。 正規化を行 う 回路の詳細構成については後 述する。 そ して、 モジュール 1 3 5 力 らセ レク タ 1 3 6 、 A / D コ ンバータ 1 3 7 を介 して正規化された電流値 I _nが演 算処理装置 1 1 3 に出力される。 演算処理装置 1 1 3 は、 得 られた正規化電流値 I _nの ピーク値 I _{n p} をフ ィ ッテ ィ ング 処理によ り 算出する （ s 3 4 ) 。

なお、 これら電流値の測定の各処理は、 必ずしも こ こで説 明 した処理に限定されない。 例えば、 電極面積の正規化も含 め演算処理装置 1 1 3側で行う よ う に しても よい し、 ピーク 値算出処理をモジュール 1 3 5 内で行 う よ う に しても よい。 また、 図 2 9 の例に示 したよ う に、 ピーク値 I _p算出を第 1 の正規化よ り も前に行っても よい。

次に、 図 9 の （ s 2 ) 測定処理の詳細について図 1 2 のフ ローチャー ト に沿って説明する。 この測定処理は、 図 1 0 に 示した校正処理の （ s 2 0 ) に示すよ う な判定テーブルが得 られた後に実行される。 なお、 予め判定テープルが得られて いれば、 測定処理 ( s 2 ) の前に校正処理 ( s 1 ) を行わな く ても よい。

まず、 測定の対象とする検体の溶液をセンサ 1 2 a が配置 02205

38 されたセル内に導入 し、 検体溶液にセ ンサ 1 2 a を浸漬させ る ( s 2 1 ) 。 次に、 図 1 1 に示すフ ロ ーに沿つて ( s 3 1 ) 〜 （ s 3 4 ) の過程を経て電流値を取得する （ s 2 2 ) 。 次に、 ( s 2 0 ) で得られ、 記憶装置 1 1 6 に格納された閾 値 I _{t h}が読み出 される。 演算処理装置 1 1 3 は、 こ の閾値 I _{t h} と ( s 2 2 ) の測定電流値と を比較 し、 ビ ッ トデー タ B を取得する （ s 2 3 ) 。 こ の ビ ッ トデータ B は、 （ s i 8 ) と 同様の要領で例えば閾値 I _{t h}を超えた場合を " 1 " 、 閾値 I _{t h}を超えない場合を " 0 " と ビッ ト で表現する こ と によ り 得られる。 この ビ ッ トデータ B を各電極面積 A j につ いて求め、 ビッ トパターンを取得する。 演算処理装置 1 1 3 は、 この ビ ッ ト パタ ーンに一致する ビ ッ ト ノ、。ターンを表 1 で 検索 し、 その ビ ッ トパターンに対応付け られた核酸濃度 C i を検体の濃度に決定する （ s 2 4 ) 。 以上によ り 測定処理が 終了する。

図 1 3 は （ s 3 3 ) や （ s 8 2 ) における正規化を行 う た めの回路の詳細な構成を示す図である。 図 1 3 において図 3 や図 5 な ど他の図面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 1 3 に示すよ う に、 それぞれ Α。 、 ο; Α 。 、 ひ ² A。 ( a < 1 ) の異なる電極面積の作用極 1 4 1 を持つ 3 電極系 1 4 0 0、 1 4 0 い 1 4 0 ₂を有するモジュール 1 3 5 。 、 1 3 5 _α 、 1 3 5 ₂の信号出力がセ レ ク タ 1 3 6 に接続される。 6 つの ト ラ ンジス タ M l 。 〜 Μ 6 。 、 Μ 1 _χ 〜 Μ 6 ！ 、 Μ 1 ₂ 〜Μ 6 ₂カゝ らなる正負電流用カ レ ン ト ミ ラーを備えた電流検 出回路は図 5 の構成と共通する 。 図 1 3 では、 3 電極系 1 4

0 1 4 0 ！ 1 4 0 ₂ の対極 1 4 2 お よび参照極 1 4 3 側の構成については省略してある。 図 1 3 の例では、 れら モジュ ール 1 3 5 1 3 5 ！ 1 3 5 ₂、 特に正負電流用 力 レン ト ミ ラーが、 センサで得られた検出電流をセンサ面積 について正規化する回路と して機能する。

正負電流用カ レ ン ト ミ ラ ーの電流取り 出 し側には、 ス ィ ッ チ S W を介 して ト ラ ンジス タ M 7 のゲー トが接続されてい る - の ト ラ ンジスタ M 7 のソースはデイ ブレツショ ンモ一 の N型 M O S F E T M 8 の ドレイ ンとセ レク タ 1 3 6 に 接 されている。 ト ラ ンジスタ M 8 の ソースはそのゲ一 卜 に 接糸冗されている。 これは、 ソースフ ォ ロア と 呼ばれる回路構 成の ―つである。 もちろん， 別の手法で構成する ソースフォ nァやボルテージフォ ロアな どの ッ フ ァ を用いても よい また 正負電流用力 レ ン ト ミ ラーの電流取り 出 し側と 卜 ラ ン ジスタ M 7 の間にはスィ ツチ S W ₂およびキャパシタ Cから なるスイ ッチ ト キャパシタが設け られる。 こ のス イ ツチ 卜キ ャパシタの機能に よ り 、 スィ ッチ S W ₂を開いた状態でキャ パシタ Cに力 レ ン ト ミ ラーを介して流れる電荷を蓄積し ス ィ クチ S W ₂を閉 じる こ とでこ の電荷を逃がすこ と がでさ る スィ ツチ S W iおよび S W ₂を以下の よ う な順序で開閉制 御する こ と によ り 、 各モ ジ ュ ール' 1 3 5 ₀ 1 3 5 ₂ の 流 をセ レク タ 1 3 6 に選択的に出力する こ と ができ る。

具体的には、 まずスィ ツチ とオンに し、 ス ィ シチ S

W をオフに し、 時間 Δ t の流れる電流 i を積分しキャパシ タ Cの両端にチャージする。 これによ り 、 キヤ ノ シタ Cの両 端には電流の時間積分値に比例 した電圧 Δ t i / Cが生 じる。 そ して、 スィ ツチ S W 〗 および S W ₂ と も にオフ にする。 ト ラ ンジスタ M 7及び IVI 8 では、 この電圧 Δ t i Z Cをセ レク タ 1 3 6 に出力する。 スィ ッチ S W i をオフ に し、 スィ ッチ s w ₂をオンにする こ と で リ セ ッ トする こ と 力 sでき る。 この と き、 Δ t を電流の変化が十分少ない微小値と して定めれば、 出力電圧と電流の間に比例関係が成立する。 その結果、 電流 電圧変換が行われる。

ト ラ ンジス タ M 4 i と M 6 i のゲー ト の （ゲー ト 幅） / (ゲー ト長） の比、 すなわち入力側に対する出力側の電流増 幅率を、 最も大き な電極 A。に対する電極面積の逆比に設定 する。 他の M 3 i と M 5 i についても同様である。 図 1 3 の 例では、 A。の電極面積が最も大きい。 したがっ て、 M 4 。 と M 6 。並びに M 3 。 と M 5 _Q の （ゲー ト 幅） Z (ゲー ト 長） は 1 ： 1 、 と 並びに M 3 i と Μ δ の 、ザ一 ト幅） / (ゲー ト長） は α ： 1 、 Μ 4 ₂ と Μ 6 ₂並びに Μ 3 ₂ と Μ 5 ₂ の （ゲー ト幅） / (ゲー ト長） は α ² ： 1 であ る。 こ こで、 0! < 1 である。

すなわち、 6 つの ト ラ ンジス タからなる電流検出回路の出 力側に正規化回路が付加された構成をなす。 図 3 1 は図 1 3 に示す回路構成の概念図である。 各 3 電極系 1 4 0 。 ， 1 4 0 ₁ , 1 4 0 ₂力ゝ ら の電流は、 電流検出回路 3 2 0 。 ， 3 2 0 ！ , 3 2 0 ₂で検出 される。 検出電流は各々正規化回路 3 2 1 内の正規ィ匕回路 3 2 1 。 ， 3 2 1 ， 3 2 1 ₂に出力 さ れ、 電極面積 A j について正規化され、 セ レ ク タ 1 3 6 に出 力 される。

これによ り 、 モジュール 1 3 5 i における検出電流は 1 / _α倍に、 モ ジュール 1 3 5 ₂における検出電流は 1 / α ²倍 に増幅される。 したがって、 最も大電流のモジュ ール 1 3 5 。の大き さ に正規化する こ と ができ、 電流電圧変換回路の変 换比ゃ A / D コ ンバータな どを共通化する こ とができ る。

なお、 図 1 3 では説明の便宜のため 3 つのモジュールを例 に説明 したが、 これに限定されない。 他の電極面積 α ³ A 。、 a ⁴ A。、 …を有するモ ジュ ール についても上記と 同様の構 成を有する こ と はも ちろんである。 もちろん、 電極面積は濃 度測定の精度に応じて種々設定でき る。 一般的には、 系の最 大の電極面積を A _{m a x} とする と 、 の電極面積のカ レ ン ト ミ ラーでの増幅率 a = A _{m a x} Z A ₁で表される。

図 1 4 〜図 1 8 は図 1 〜図 1 3 に示す核酸濃度定量分析装 置 1 の変形例に係わる。

図 1 4 はこの変形例の核酸検出用チップ 1 2 の概念図であ る。 図 1 4 の 2 0 丄 ェ と 2 0 1 ₂で示される のは、 図 4や図 5 の対極 1 4 2 および参照極 1 4 3 と電圧掃引信号発生手段 と の間に設け られた電圧印加側回路である。 1 6 0 ェおよぴ 1 6 0 ₂で示されるのは、 図 4や図 5 の作用極 1 4 1 側に接 続された電流検出回路および正規化回路である。 電流検出部 分は、 図 4 の例では演算増幅器 1 5 1 および抵抗 R _wか らな る回路に対応し、 図 5 の例では ト ラ ン ジス タ M 1 〜 M 6 およ び演算増幅器 1 5 1 からなる回路に対応する。 1 4 0 b はバック グラ ウ ン ド信号測定用 （ネガティ ブコ ン ト ロ ール用） 3 電極系、 1 4 0 d はプロ ーブ用 （検体測定 用） 3電極系である。 これら 3 電極系 1 4 0 bおよび 1 4 0 d は、 図 4や図 5 に示す作用極 1 4 1 、 対極 1 4 2および参 照極 1 4 3 カゝらなる。 バッ ク グラ ウン ド信号測定用 3 電極系 1 4 0 b に属する作用極 1 4 1 には固定化されていない。 プ ローブ用 3 電極系 1 4 0 d に属する作用極 1 4 1 には 1 本鎖 プローブが図 4や図 5 と 同様に固定化されている。 あるいは バック グラ ウン ド信号測定用 3 電極系 1 4 0 b に属する作用 極 1 4 1 には、 プローブ用 3 電極系 1 4 0 d に属する作用極 1 4 1 に固定化された核酸と相補性が例えば 5 0 %以下の核 酸をプローブと して固定化 しても よい。 こ こで相補性と は、 比較する 2 つの核酸断片に関 して、 対応する箇所の塩基が同 一である塩基数の全塩基数に対する割合である。 このネガテ イ ブコ ン ト ロール用のプローブに検体核酸が結合する率は、 プローブ用 3 電極系 1 4 0 d に固定化されるプローブに比較 して十分に小さいため、 ノ ック グラ ゥ ン ド レベルを同時にモ ニタする こ とが可能と ある。

電流検出回路おょぴ正規化回路 1 6 0 および 1 6 0 ₂の 測定信号は減算回路 2 0 2 に出力される。 減算回路 2 0 2 は、 プローブ用 3電極系 1 4 0 d からの測定信号からバック ダラ ゥン ド信号測定用 3 電極系 1 4 0 d からの測定信号を減算 し てセ レク タ 1 3 6 に出力する。

電極の面積によって、 バック グラ ウ ン ドレベルも異なつて く るため、 互いに同 じ面積の電極をバ ック グラ ウ ン ドモニタ 用 と信号測定用で対に Ikり る。

こ のよ う な構成によ り 、 プローブ用 3 電極系 1 4 0 d から の検出信号力、らパ ク グラ ウ ン ド信号測定用 3電極系 1 4 0 b 力 らの検出信号を減算する こ と ができ、 プロ一プ起因の信 号からノ 、ソク グラ ク ン ド レベルを差し引いた正味の信号を得 る こ と ができ る 。 その結果、 実験条件の揺ら ぎによるパック グラ ゥン ドレべノレの変化が常にモニタ され、 測定の精度が向 上する

なお 、 図 1 4 では言及していないが、 電流電圧変換回路を 適宜配置可能である 。 例えば、 減算回路 2 0 2 ₂ の後段に電 流電圧変換回路を配置した場合、 減算回路 2 0 2 の出力信 号電流を電流電圧変換回路が電圧変換してセ レク タ 1 3 6 に 出力する。 あるいは 、 減算回路 2 0 2 ₂の前段で電流検出回 路 1 6 0 ！ ： , 1 6 0 ₂の後段に電流電圧変換回路を配置 して も よい の場合ヽ 電流検出回路 1 6 O 1 6 0 の出力 信号電流を電流 ϋ変換回路が電圧変換して減算回路 2 0 2

₂に出力する。

図 1 5 は減算回路 2 0 2 を含む回路の詳細な構成例である こ の図 1 5 の回路例は、 電流検出、 電流正規化、 電流電圧変 換、 減算、 A / Ό変換の順に処理を行 う 回路である 図 1 5 に示すよ う に、 図 1 3 に示すよ う な演算増幅器 1 5 1 ヽ 卜 ラ ンジスタ M 1 〜 M 6 、 スィ ッチ ト キヤ ノヽ⁰シタがバ ック グラ ゥ ン ド側と プローブ検出側で同 じ構成をなす。 ス ィ クチ 卜 キャ パシタの出力が差動増幅器 2 0 4 に接続される。 差動増幅器

2 0 4 が図 1 4 の減算回路 2 0 2 に相当する。 図 1 3 と 同様の要領によ り 、 ト ラ ンジス タ M l 〜M 6 が電 流の正規化を行 う。 そ して、 キャパシタ Cおよびスィ ッチ S W _xおよび S W ₂力 ら なる スィ ツチ ト キャパシタ （電流電圧 変換回路 ) を操作し 、 バ ック グラ ゥ ン ド信号測定用 3電極系

1 4 0 b から得られる 流に比例する電圧値と、 プロープ用

3 電極系 1 4 0 d から得られる電流に比例する電圧値と をそ レ れ 動増幅 厶 0 4 に出力する 差動増幅器 2 0 4 は、 これら電圧値の差分をセ レク タ 1 3 6 に出力する。

この図 1 5 の回路構成によれば、 流を演算に用いるのは カ レ ン 卜 、 、 ラ一の 2 次側で行う ためヽ 3電極系電気化学反応 などの動作に SO響を与えなレ、 この図 1 5 に示す回路の特徴

■ 、 >― は、 A / D ンノ^一タ 1 3 7 によ つてデータ変換を行 Ό 刖に 減算を行 う ため 、 A Z D コ ンノ 一タ 1 3 7 の精度で決定され る ダィナヽ、 ック レ ンジを有効に活用する こ と ができ る

· - なおヽ の図 1 5 に示した回路 トホ ロジはほんの一例にす ぎず、 上記と |BJ様の処理を様 な回路およぴ手法によ り 実現 可能である

図 1 6 は図 1 5 に示さ る減算回路の変形例を示す図であ

Ό o の図 1 6 も 、 図 1 5 と |pj様に ック グラ ウン ド側測定 回路とプ口一ブ側測定回路の構成が 通する。 すなわち、 こ の図 1 6 の回路例は 流検出 、 ¾ι流正規化、 電流電圧変換、 減算、 A / D変換の順に処理を行う 回路である。

図 1 6 に示すよ う に、 バック グラ ゥ ン ド信号測定用 3 電極 系 1 4 0 b と演算増幅器 1 5 1 b との接続関係は図 1 5 と共 通する 演算 幅器 1 5 1 b の出力は 、 P M O S ト ラ ンジス タ M P 3 お よび N M o S 卜 フ ンシスタ M N 1 のゲ 卜 に 続 される バ V ク グラ ゥ ン ド、信号測定用 3 電極ポ 1 4 0 b の作 用極 1 4 1 b には N M o S 卜 ラ ノ 、 ジス タ M N 1 の ソ一ス お よ び P M O S 卜 ラ ンジス タ M P 3 の ソ一ス に接 される N M

O S ト ラ ンシス タ M N 1 の基板 極と ソ ス は短絡され 、 そ の ド レィ ンは P M O S 卜 ラ ンジス タ M P 1 の K レ 4 ン よび ゲー ト に接 feeされる P M o S 卜 ラ ンジス タ M P 1 の基板電 極およびソ一ス は短絡され 、 電圧が正電源 ¾圧 + V s に保持 される 。 P M o S 卜 ラ ンジス タ M P 1 と P M O S 卜 ラ ンジス タ M P 2 のゲ一 卜 が接 されている P M O S 卜 ラ ンジス タ

M P 2 の ソ一ス と基板電極が 絡されヽ 圧が正電源 ¾圧 +

V s に保持される の P M o S 卜 ラ ンジス タ M P 1 よび

M P 2 に よ り 力 レ ン 卜 ヽ、ラ一構 をなす P M o S 卜 ラ ンジ ス タ M P 2 の ド、 レィ ンは N M o S 卜 ラ ンジス タ M N 2 の ド レ イ ンおよびゲ一 卜 に接 ί冗される N Μ o S 卜 ラ ンジス タ M N

2 の基板 ¾極と ソ一ス は接地されヽ そのゲ一 卜 は 7^動增幅器

2 1 1 の反転入力端子に接 iされる

P M O S 卜 ラ ンジス タ M P 3 の ド、レィ ンは N M o S 卜 ラ ン ジス タ M N 3 のゲ一 卜 ね よぴ K レ ンヽ N M O S 卜 ラ ンジス タ M N 4 のゲ一 卜 に接 iされる N Μ o S 卜 ラ ンジス タ M N

3 の基板亀極ね よびソ一ス は 絡されヽ 電圧が負電源 圧一

V s に保持される N M O S 卜 ラ ンジス タ M N 4 の ソ ―ス と 基板電極は短絡されヽ 圧が負電源 圧一 V s に保持される。 こ の N M O S 卜 フ ンジス タ M N 3 よぴ M N 4 に よ り 力 レ ン 卜 ミ ラ一構造をなす N Μ O S 卜 フ ンシスタ M N 4 の ド、 レィ ンは P M O S 卜 ラ ン ジス タ M P 4 のゲ一 卜および ド レィ ンさ らには 動増幅器 2

、 ^

1 2 の反転入力端子に接 ί れる Ρ M O S 卜 ラ ン ジス タ M

P 4 の基板 極と ソ一スは接地され

以上の う ちヽ 卜 ラ ンジス タ Μ Ρ 1 ヽ M P 2 、 M N 1 ねよび

M N 2 が還兀 の測定の際に動作しヽ 卜 ラ ンジスタ M P 3 、

M P 4 、 M N 3 およぴ Μ Ν 4 が酸化電流の測疋の際に動作す る

以上に示されるノ^クク グラ ウン 信号測定用の測定回路と プ 一プ信号測定用の測定回路は h通の回路構成をな し、 パ y ク グラ ゥ ン ド、信号測定用の符号 1 4 0 b 、 1 5 1 b 、 M P

1 ヽ Μ P 2 ヽ M N 1 、 Μ Ν 2 、 Μ P 3 、 M P 4 、 M N 3 、 M

N 4 で示される各構成要素が、 プ π一プ信号測定用の符号 1

4 0 d 、 1 5 1 d ヽ M Ρ 6 、 Μ Ρ 5 、 M N 6 、 M N 5 、 M P

8 ヽ M P 7 ヽ M N 8 ヽ Μ Ν 7 で示される各構成要素に対応す る

そ して、 N M O S 卜 ラ ンジスタ M N 5 のゲ 卜 よび P M

O S 卜 ラ ンジスタ M P 5 の ドレイ ンが差動増幅 2 1 1 の非 反転入力端子に接 される。 またヽ P M O S 卜 ラ ンジス タ M

P 7 のグー 卜 と N M o S ト ラ ンジスタ M N 7 の レィ ンが 動増幅 2 1 2 の非反転入力端子に接続される

差動増幅器 2 1 1 の出力は Ν Μ O S 卜 ラ ンジス タ M N 1 1 の ドレィ ンに接 される。 Ν Μ Ο S 卜 ラ ンジス タ M N 1 1 の ゲ一 卜は N M O S 卜 ラ ンジス タ Μ N 1 2 のゲ一 卜 と接 され 端子 s Eで取り 出され 、 N M O S 卜 ラ ンジスタ M N 1 1 の基 板電極と ソースの電圧は電圧 V

差動増幅 2 1 2 の出力は N M O S ト ラ ンジスタ M N 1 2 の ド レイ ンに接続される _D N M O S ト ラ ンジスタ！^ N 1 2 の 基板電極と ソ一スの電圧は電圧 V。 _{u t 2} と して取 り 出される。

酸化電流が検出される場合には、 差動増幅器 2 1 2 がプロ ープ用 3 電極系 1 4 0 d側の作用極 1 4 1 d側から検出され る電流からノ^ クク グラ ゥン ド信号測定用 3 電極系 1 4 0 b側 の作用極 1 4 1 b側から検出される電流を差し引き N M O S ト ラ ンジス タ M N i l に出力する。 この電流によ り N M O S ト ラ ンジス タ M N i l に与え られる電圧 V。 _t が減算値で ある。

還元電流測定の場合には差動増幅器 2 1 1 が差動増幅器 2

1 2 と 同様の動作によ り 減算 した電流値を N M O S ト ラ ンジ ス タ M N 1 2 に出力する。 この電流によ り N M O S ト ラ ンジ ス タ M N 1 2 に与 られる電圧 V。， _{t 2}が減算値である。

次に、 図 1 7 および図 1 8 を用いてバック グラ ウン ド測定 用電極付チップを用いた分析処理フローを説明する

分析処理が校正 （ s 1 ) および測定 （ s 2 ) カゝらなる点は 図 9 と共通する。

校正処理 （ s i ) は、 図 1 7 に示す （ s 4 1 ) 〜 （ s 4 8 ) の処理か らなる。 まず、 核酸を含む溶液 S ₅ の測定 （ s 4 1 ) と して、 既知の濃度 C i の核酸溶液 S i を異なる電極 面積 A 】 ( j = 0 , 1 , ··· , Ν— 1 ) のセ ンサ 1 2 a を有す るセル内に導入する ( s 4 2 ) 。 そ して、 後述する電流値取 得操作を行 う （ s 4 3 ) 。 そ して、 次は濃度 C _{i + 1} の核酸 溶液 S ； + の電流値取得 （ s 4 4 ) と い う よ う に、 N種類 のすベての核酸溶液 S i ( i = 0， 1 ， 2 , ··· , N — 1 ) に ついて、 またすベての電極面積 A j のセ ンサ 1 2 a について 電流値が取得される。 次に、 （ s 1 7 ) と 同様の手法によ り 閾値算出を行う （ _s 4 5 ) 。 なお、 この閾値算出の際に、 算 出の基礎 と する電流値 I p、 I _n、 I 。は、 後述の図 1 8 の フローチヤ一 ト に示すよ う に、 それぞれプローブ信号からバ ック ダラ ゥ ン ド信号が減算された電流値が算出され用い られ る。

次に、 演算処理装置 1 1 3 は、 （ s 4 5 ) で得られた閾値 I _{t h} と各核酸溶液 s i の各測定で取得された正規化さ れた 電流値 I _n と をそれぞれ比較する。 正規化 した電流値 I _nが 閾値 I _{t h} を超え る場合には " 1 " と 、 超えない場合には " 0 " と判定する。 電極系列全体でこの判定処理を行い得ら れた判定結果の組を ビッ トパターン と して取得する （ s 4 6 ) 。 次に、 演算処理装置 1 1 3 は、 （ s 1 9 ) と 同様の要 領で、 得られたビッ トパターンと濃度が一対一に対応するか 否かを判定する （ s 4 7 ) 。 対応 していれば （ s 4 8 ) に進 む。 （ s 4 8 ) では、 演算処理装置 1 1 3 は、 （ s 2 0 ) と 同様の要領でビッ ト ノ、"ターンがハイブリ ダィゼーショ ン時間 t および溶液の核酸濃度 C i に対応付けて判定テーブルと し て閾値 I _{t h} と と も に格納する。 対応 していなければ、 再度 閾値 I _{t h}の設定処理に戻る。

図 1 8 は図 1 7 の （ s 4 3 ) に示す電流値取得操作の詳細 なフ ローチャー トである。 図 1 8 に示すよ う に、 まず図 1 1 の （ s 1 1 ) および ( s 1 2 ) の要領で、 一定の温度および 時間でハイプリ ダイゼー シ ヨ ンを行う ( s 4 3 1 ) 。 そ して、 面積の異なる各電極に挿入剤を与 X·飞 ッ ク グラ ウ ン ド レべ ル、 プロ ーブ電流それぞれの電流値を測定する （ s 4 3 2 ) 。 得られた電流値は、 例えば図 1 3 の ト ラ ンジス タ M l i 〜 M

6 i で示さ る カ レン ト ミ ラー回路に よ り 電極面積 A j につ いて正規化され ( s 4 3 3 ) ヽ 例えば図 1 4 の減算回 路 2 0 2 でプローブ電流ィ直からバ、、/ク グラ ウン ド電流値が減 算される （ s 4 3 4 ) 。 そ して 、 ( s 3 4 ) と 同様の要領で、 得られた減算値のピ一ク値をフイ ツティ ング処理によ り 求め る （ s 4 3 5 ) 。

以上のよ う に、 図 9 、 図 1 1 および図 1 7 、 図 1 8 に示す 処理フローを経てバ ク ク グラ ウン ドレベルを差し引いた正味 のプローブ信号を得る こ とができ る。

低濃度の核酸の検出においては， 測定において得られる真 の信号成分に対する様々 な雑音成分の排除が非常に重要であ る。 この図 1 4 〜図 1 8 に示される変形例によれば、 その雑 音成分と して考えられる挿入剤が核酸 2本鎖以外に吸着され る際に信号電流に混入する電流分を排除する こ と ができ る。

図 1 9 〜図 2 2 は、 図 1 〜図 1 3 に示す核酸濃度定量分析 装置 1 、 図 1 4 〜図 1 8 で説明されたバック グラ ウン ド計測 用電極付きチップを用いた分析装置 1 のさ らなる変形例に係 わる。 図 1 9 は、 この変形例に係る核酸検出用チップ 1 2 の 概念図である。

図 1 9 に示すよ う に、 図 1 4 に示すよ う なノ ッ ク グラ ウン ド信号測定用 3 電極系 1 4 0 b およびプロ一プ用 3 電極系 1

4 0 d に力 [Iえて、 飽和レベル校正用 3電極系 1 4 0 s が設け られる。 飽和レベル校正用 3 電極系 1 4 0 s についても、 3 電極系 1 4 0 b および 1 4 0 d と 同様に、 互いに同 じ面積の 電極を信号測定用やバック グラ ゥ ン ドモニタ用 と対に設ける。 飽和 レベルは電極の面積によって変わる力、らであ Ό

これら 3電極系 1 4 0 b、 1 4 0 dおよび 1 4 0 s の基本 的な構成は共通するが、 飽和レベル校正用 3 極系 1 4 0 s の作用極 1 4 1 _s には、 既にハイ プリ ダイゼ ―シ ョ ンが生 じ た 2本鎖プローブが固定化されている。 図 1 4 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

飽和レベル校正用 3 電極系 1 4 0 s には、 電圧掃引信号が 電圧印加側回路 2 0 1 ₃を介 して入力される 飽和 レべノレ校 正用 3 電極系 1 4 0 s の出力は電流検出回路ねよぴ正規化回 路 1 6 0 ₃を介 して減算回路 3 0 2 に接続される 。 減算回路

2 0 2 では、 図 1 4 と 同様にプローブ電流信号からバック グ ラ ウ ン ド電流信号を減算 してセ レク タ 1 3 6 に出力するのに 対して、 減算回路 2 0 3 は、 飽和 レベル電流信号か ら ノ" ック グラ ウン ド電流信号を減算 してセ レ ク タ 1 3 6 に出力する。

このよ う に、 バッ ク グラ ウン ドレベルと飽和レベルの双方 が測定でき るため、 測定データ を電極面積と 、 飽和レベル力 らバック グラ ゥン ド レベルを差し引いた値の双方で正規化す る こ とができる。 このため、 実験条件の揺らぎにかかわらず、 閾値 I _{t h}を適性な値に常に合わせる こ と ができ る。 適正値 と は、 例えば飽和レベルとノ ック グラ ゥン ドレベルの中間値、 すなわち （閾値 I _{t h} ) = ( (飽和 レベル I _{s t} ) — （バッ ク グラ ウ ン ド レベル I _{b g} ) ) Z 2 である。 これに よ り 、 測定 精度がさ ら に向上する。 従って、 閾値 I _{t h}を測定の都度設 定する必要が無く なる。

なお、 121 1 9 では言及していないが、 電流電圧変換回路を 適宜配置可能である。 例えば、 減算回路 2 0 2 ₂ の後段に電 流電圧変換回路を配置 した場合、 減算回路 2 0 2 ₂ の出力信 号電流を電流電圧変換回路が電圧変換してセ レク タ 1 3 6 に 出力する。 あるいは、 減算回路 2 0 2 ₂ の前段で電流検出回 路 1 6 0 ^ 1 6 0 ₂ の後段に電流電圧変換回路を配置 して も よい。 この場合、 電流検出回路 1 6 0 , 1 6 0 ₂の出力 信号電流を電流電圧変換回路が電圧変換して減算回路 2 0 2 ₂に出力する。

次に、 図 2 0 〜図 2 2 を用いて飽和レベル校正用電極付チ ップを用いた分析処理フ ロ ーを説明する。

分析処理が校正 （ s i ) および測定 （ s 2 ) カゝらなる点は 図 9 と共通する。

校正処理 （ s i ) は、 図 2 0 に示す （ s 5 1 ) 〜 （ s 5 5 ) の処理か らなる。 まず、 核酸を含む溶液 S _; の測定 （ s 5 1 ) と して、 既知の濃度 C i の核酸溶液 S i を異なる電極 面積 ( j = 0 , 1 ， …， N - 1 ) のセ ンサ 1 2 a を有す るセル内に導入する ( s 5 2 ) 。 そ して、 後述する電流値お ょぴビッ トパター ン取得操作を行 う ( s 5 3 ) 。 そ して、 次 は濃度 C ； + i の核酸溶液 S i + i の電流値およびビ ッ トパタ ー ン取得 （ s 5 4 ) とい う よ う に、 N種類のすべての核酸溶 液 s i ( 1 = 0 , 1 , 2 , …， N - 1 ) につレヽてヽ またすベ ての電極面積 Α ₅ のセ ンサ 1 2 a について電流値が取得され る。 次にヽ 演算処理装置 1 1 3 は、 （ s 2 0 ) と 同様の要領 で ビッ トパターンがハイブ リ ダイゼーショ ン時間 t お よび溶 液の核酸濃度 C i に対応付けて判定テーブルと して格納する

V s 5 5 ) o

図 2 1 は ( s 5 4 ) における電流値およびビッ 卜ハ⁰ターン 取得操作の詳細なフ ローチヤ一 トである ヽ 図 2 1 に示 すよ う に 、 図 1 1 の （ s l l ) および （ s 1 2 ) の要領で、 一定の温度および時間でハイプリ ダィゼーシヨ ンを行 ラ ( s

5 4 1 ) ο そ して、 面積 Α ₃ の異なる各電極に揷入剤を与 ん てノ ック グラ ウン ドレベル、 プローブ電流、 飽和レベノレ各々 の電流値 I _{b g} , I ， I _{s t}を測定する （ s 5 4 2 ) ο 得られ た電流値 I _{b g}， I , I _{s t}は、 例えば図 1 3 の ト ラ ンジスタ

M 1 i 〜 ] M 6 i で示 されるカ レ ン ト ミ ラ一回路に よ り 正規化 され （ s 5 4 3 ) 、 さ らに例えば図 1 9 に示す減 回路 2 0

2 で測定値 I 力 ら ノ ッ ク グラ ウ ン ドレベル I _{b g}が減算 され、 かつ減算回路 3 0 2 で飽和 レベル I _{s t} 力 らバ ッ ク グラ ウ ン ド レベル I _{b g}が減算 される （ s 5 4 4 ) 。 そ して、 演算処 理装置 1 1 3 は、 （ s 3 4 ) と 同様の要領で、 得られた （測 定値 I ) 一 （ノ ッ ク グラ ウ ン ドレベル I _{b g} ) の減算値およ ぴ （飽和 レベル I _{s t} ) — （バック グラ ウン ドレベル I _{b g} ) の各々 の ピーク値をフ ィ ッティ ング処理によ り 求める （ s 5 4 5 ) 。 { (飽和 レベル I _{s t} ) — （バ ッ ク グラ ウ ン ド レべ ル I _{b g} ) } Z 2 の値が閾値 I _{t h}に設定される （ s 5 4 6 ) 。 次いで、 演算処理装置 1 1 3 は、 得られた閾値 I _{t h} と 測定 値 I を比較する。 比較の結果、 （測定値 I ) > (閾値 I _{t h} ) の場合には演算処理装置 1 1 3 は " 1 " と 、 （測定値 I ) ≤ (閾値 I _{t h} ) の場合には " 0 " と判定し、 ビッ トデ ータ を取得する ( s 5 4 7 ) 。

図 2 2 は飽和レベノレ†父正用電極付チップを用いた測定処理

( s 2 ) の詳細な処理フ ローチャ一 卜 ⁵あ 。 図 2 2 に示す よ う に、 まず測定の対象とする検体の溶液をセ ンサ 1 2 a が 配置されたセノレ内に導入し、 検体溶液にセ ンサ 1 2 a を浸漬 させる （ s 6 1 ) o 次に 、 図 2 1 の ( s 5 4 1 ) ( s 5 4

7 ) の要領で電流値およびビッ トパタ一ンを取得する （ s 6

2 ) 。 次に 、 演算処理装置 1 1 3 はヽ 検体溶液について得ら れた電極系列全体の ビッ トパタ ― ンを図 2 0 の校正処理 （ s

1 ) の （ s 5 5 ) において得られた判定テープルと !昭\v α 1レ 、 一致したビッ 卜パタ ― ンを溶液濃度 Cに決定する ( s 6 3 ) 以上によ り 測定が終了する。

なお、 図 1 9 〜図 2 2 に示す実施形態では、 飽和レべノレ と バ ック グラ ゥ ン ド、 レベノレの双方を検出する 3 電極系 ■ar ける 例を示したが、 バ 、ソク グラ ウン ドレベルを検出する 3 電極系 を設けず、 飽和レベル校正用 3 電極系 1 4 0 s と プローブ用 3電極系 1 4 0 d の組のみに省略する こ と もでき る。 こ の場 合、 図 1 4 に示すバ ッ ク グラ ウン ドレベル用の構成を飽和レ ベル校正用の構成に置換し、 減算の正負を逆にすればよい。 あるいは、 プローブ用測定信号と飽和 レべル測定信号の比を 対と なるセンサ間でと り 、 こ の比が 1 0 0 °/₀でない対から得 られる信号の強度から検体中に含まれる標的核酸の濃度を決 定する よ う に しても よい。

図 2 3 は図 1 〜図 1 3 、 図 1 4 〜図 1 8 、 図 1 9 〜図 2 2 の各実施形態における 3 電極系 1 4 0 の電極配置の詳細な構 成の一例を示す平面図である。 図 2 3 では説明の便宜のため 2 つの隣接する 3 電極系 1 4 0 ₁および 1 4 0 ₂ について説 明するが、 複数の 3 電極系 1 4 0 ( i = 0 , 1 ， …、 N— 1 ) についても同様の構成をなす。 3 電極系 1 4 0 ， 1 4 0 ₂ と も に、 例えば 7 0 0 μ m X 7 0 0 mの正方形の領域 に設け られている。 対極 1 4 2 iおよび 1 4 2 ₂、 参照極 1 4 3 および 1 4 3 ₂ の構成は共通 し、 作用極 1 4 1 およ び 1 4 1 ₂はその面積が異なる。 作用極 1 4 1 iおよび 1 4 1 ₂は 3 電極系 1 4 0 ！ , 1 4 0 ₂の形成領域の中心位置に 配置され、 これら作用極 1 4 1 iおよび 1 4 1 ₂ の 3 方向を 囲むよ う に対極 1 4 2 および 1 4 2 ₂力 Sコ の字形に設け ら れている。 また、 作用極 l A l iおよび 1 4 1 ₂力、ら見て対 極 1 4 2 iお よび 1 4 2 ₂が配置されていない側には参照極 1 4 3 iおよび 1 4 3 ₂が配置されている。

このよ う に、 3 電極のいずれの距離をもほぼ一定位置に配 置でき る よ う に、 1 つ の作用極 1 4 1 お よび 1 4 1 ₂ の 各々 に 1 つずつ対極 1 4 2 および 1 4 2 ₂および参照極 1 4 3 および 1 4 3 ₂ を配置 している。 対極 1 4 2 、 1 4 2 ₂、 参照極 1 4 3 i、 1 4 3 ₂ のはいずれも 同一構成であ るため、 その位置関係は等距離になる。

さ ら に、 こ の 3 電極系 1 4 および 1 4 0 ₂ の電圧印加 側のフ ィ ー ドノ ック 回路も 1 つの作用極 1 4 1 iおよび 1 4

1 ₂の各々 に 1 つずつ接続する。 3 1 2 ， 3 1 2 ₂ , 3 1 1 ！ , 3 1 1 ₂は下部配線に接続するためのコ ンタ ク ト であ る。

A / D コ ンバータ 1 3 7 の精度を十分生かすにはヽ 図 1 5 や図 1 6 に示した通 り 、 検出電流をアナ口 グ回路で減算する こ と が有効である。 この場合 、 図 1 8 等で示した通 り 、 減算 を した後でのピーク高さ解析を行 う こ と と な 。 ノ^ ク グラ ゥン ド測定用 3 電極系 1 4 0 b 、 プローブ用 3電極系 1 4 0 d 、 飽和レベル校正用 3 電極系 1 4 0 s の間でピ一ク位置が ずれて しまった場合、 解析結果の測定精度に悪影響を与える 可能性がある。 この ピーク位置のずれは、 溶液抵抗成分が存 在するためである場合が多い

図 2 3 のよ う に作用極 1 つずつに対極、 参照極を ける こ とで、 複数の作用極に対し対極や参照極を一つ設けた場合に 生ずる溶液抵抗のばらつき をな く すこ とができ る また、 フ ィ一 ドバ ックループを複数の作用極に対し —つ しか持つてい ない場合に比較 して、 わずかな測定条件の違いに応じて正確 に参照極と対照極の間の電圧を制御でき る

図 2 4 は図 2 3 と は別の電極配置の平面図である

図 2 4 において、 3 電極系 5 4 0 は 0 . 5 m m平方の領域 に 4 つの作用極 5 4 1 ₁〜 5 4 1 ₄力 S所定の間隔を いて配 置されている。 1 つの参照極 5 4 3 が、 この 4つの作用極 5

4 1 i〜 5 4 1 ₄を所定の間隔をおいて囲むよ う に配置され てる。 さ らに、 1 つの対極 5 4 2 力 Sこの参照極 5 4 3 力 ら所 定の間隔をおいて囲むよ う に配置されている。 こ の 3 電極系

5 4 0 は、 2 m m平方の領域におさま る よ う に配置されてい る。 各作用極 5 4 1 ₁ 〜 5 4 1 ₄力ゝら対極 5 4 2 ， 参照極 5 4 3 への距離はいずれもほぼ同 じである。 各電極は作用極 5 4 1 i 〜 5 4 1 ₄ の中心から見て対称の位置に配置され、 例 えば A uカゝらなる。

4 つ の作用極 5 4 1 〜

1 5 4 1 ₄ の電極面積は図 2 4 の例 では共通する場合を示 しているが、 異なる電極面積と しても よい。 5 4 4 丄 〜 5 4 4 ヽ 5 4 5 、 5 4 6 は下部配線に接 続するための コ ンタク 卜ヽ 5 4 7 〜 5 4 9 は電極下部に形成 された A 1 配線であ り ヽ 図 5 の断面構造の第 2層配線 1 7 1

₂に対応する。

こ の よ う に、 複数の作用極に対して 1 つの参照極あるいは

1 つの対極を配置しても ぶレ、 。 このよ う な配置は、 回路の大 き さ の制約や， 基板上に滴下でき る溶液の液滴半径な どの制 約がある場合に有効である o

また、 作用極を 照極 よび対極で囲む構造は， 作用極に 対して外界の静電 的ヽ 電磁的な外乱を避ける効果も持って お り 、 測定の雑音対策に有効である。 また、 電界の分布に集 中が生じに く いとい う 点でち 、 測定の揺らぎを軽減するのに 有効である。

なお、 こ；^ら図 2 3 ねよぴ図 2 4 に示したのは、 平面的な 電極配置構造を示しているが 、 これに限定されない。 例えば 各電極 1 4 1 〜 1 4 3 を 3 次元立体構造とする こ と も でき る 図 2 5 は図 1 〜図 1 3 ヽ 図 1 4〜図 1 8 、 図 1 9 〜図 2 2 の各実施形態における掃引電圧のオフセ ッ ト及ぴ線形性を補 償する機能を付加した補償回路 6 0 0 の構成の一例を示す図 であ る。 図 5 と共通する構成には同一の符号を付 し、 詳細な 説明は省略する。 捕償回路 6 0 0 は、 例えばア レイ状にモ ジ ユール 1 3 5 が配置されている場合に、 半導体製造プロ セ ス の位置的な不均一性や、 素子寸法の設計値に対するずれな ど に起因する掃引電圧のオフセ ッ トゃ線形性を補償する回路で ある。

こ の補償回路 6 0 0 は、 図 1 の分析装置筐体 1 1 に設け ら れ、 分析装置筐体 1 1 に核酸検出用チップ 1 2 を装着 して核 酸検出用チップ 1 2 と送液 Z温調機器 1 1 1 と を物理的に接 続する。 また、 核酸検出用チップ 1 2 とチップ一筐体イ ンタ フ ェ ース 1 1 2 と を電気的に接続する と、 自動的に核酸検出 用チップ 1 2 の各モジュール 1 3 5 中の配線 1 4 2 a および 配線 1 4 3 a にセ レク タ 1 5 6及び 1 5 6 を介してスィ ッチ S W ₃およぴス ィ ツチ S W ₄が電気的に接続される よ う に構 成されている。 各モ ジュ ール 1 3 5 の各配線 1 4 2 a 及び配 線 1 4 3 a 力 らの信号は、 セ レ ク タ 1 5 6及ぴ 1 5 5 によ り 選択されてス ィ ッ チ S W ₃及ぴ S W ₄側に出力される。

図 2 5 に示す対極 1 4 2 に接続された演算増幅器 1 5 2 の 出力がス ィ ツチ S W ₃を介 して抵抗 R 1 及びキ ャ パシタ C _a が並列接続された回路に接続される。 また、 これら抵抗 R 1 及ぴキャパシタ C _a には抵抗 R 2 の一端に接続される。 抵抗 R 2 の他端は、 スィ ッチ S W ₄及び演算増幅器 6 0 1 の非反 転入力に接続される。 - れら抵抗 R 1 、 キ ャ パシタ c _a及ぴ抵抗 R 2 は 、 3 電極

1 4 1 1 4 3 が備え られたセル内の溶液系を模擬した回路 でめ る 抵抗値 、 容量値は、 例えば R 1 = 1 M Ω 、 C _a = 2

0 0 F 、 2 = 1 k Ωに設定される。

演算増幅器 6 0 1 の反転入力 と 出力は短絡され、 ボルテ一 ジフォ ヮ と して機能する。 演算増幅器 6 0 1 の出力は A /

D コ ンバ 一 タ 6 0 2 を介して補償論理回路 6 0 3 に接続され 補償口冊理回路 6 0 3 は、 各モ シュ ル 1 3 5 で生成される 掃引電圧のォフセッ トゃ線形性を補償する機能を備えた回路 であ り ヽ ノヽ 一 ドクエア及びソ フ 卜 クェァの組合せで実現され ても よい しヽ ハ ドウ アのみで実現されても よい 補償論 理回路 6 0 3 は 、 各モ ジュ 一ル 1 3 5 から得られる測定値を メ モ リ 6 0 3 a に格納す.る そ してヽ 補償論理回路 6 0 3 は、 格納された測定値に基づきォフセ ク 卜補償および線形性補償 のための信号を電圧源 6 0 7 に出力する 電圧源 6 0 7 は、 補償論理回路 6 0 3 力ゝら指示された電圧を演算増幅 1 5 2 の非反転入力端子に印加する

以下、 こ の補償回路 6 0 0 の動作を説明する。

分析装置筐体 1 1 に核酸検出用チップ 1 2 を装着する こ と によ り 、 スィ ッチ S W ₃にはセ レク タ 1 5 5 の出力が、 スィ ツチ S W ₄にはセ レ ク タ 1 5 6 の出力が電気的に接続される。 溶液測定の前に、 ス ィ ツチ S W ₃及ぴ S W ₄の双方をオンに する。 また、 補償論理回路 6 0 3 からの指令に基づき、 電圧 源 6 0 7 は演算増幅器 1 5 2 の非反転入力端子に所定の電圧 V 'を印加する。 これによ り 、 溶液系を模擬した抵抗 R 1 、 キ ャパシタ C _a及び抵抗 R 2 に電圧 V _{t k}が付与さ れる。 こ の 電圧 V _{t k}は （ k = 1 ， 2 , …， K ) 、 演算増幅器 6 0 1 、 A / D コ ンバータ 6 0 2 を介して補償論理回路 6 0 3 に出力 される。 補償論理回路 6 0 3 は、 こ の出力電圧 V _{t k}を、 K 個のすべてのモジユーノレ 1 3 5 についてメ モ リ 6 0 3 a に順 次格納していく 。 なお、 モジュール 1 3 5 の選択はセ レク タ 1 5 5及び 1 5 6 によ り なされるが、 セ レク タ 1 5 5 及び 1

5 6 によ る順次選択操作は、 分析装置筐体 1 1側の回路が制 御する。 そ して、 補償論理回路 6 0 3 は、 例えばすベてのモ ジュール 1 3 5 についての出力電圧 V _{t k}の平均値 V _{t a v}を 算出する。 そ して、 補償論理回路 6 0 3 は、 こ の平均値 V _{t a v} と各出力電圧 V _{t k} の差 （ V _{t k} — V _{t a v} ) が予め定め ら れた範囲にあるか否かを判定する。 予め定め られた範囲にあ れば、 補償論理回路 6 0 3 は、 「良品」 である こ と を表示部

6 0 8 に表示 し、 予め定め られた範囲になければ、 「不良 品 J である こ と を表示部 6 0 8 に表示する。

「良品」 と判定された場合、 各モジュール 1 3 5 の出力電 圧 V _{t k}の平均値 V _{t a v} に対する差を平均値と と も にオフセ ッ ト V _k 。 _f と してメ モ リ 6 0 3 a に格納 してお く 。 実測定 の際に、 こ の メ モ リ 6 0 3 a のオフセ ッ 1、 V _k 。 _f に応 じた 捕正値によ り 、 各モジュール 1 3 5 から得られた実測値をそ れぞれ補正する こ と によ り 、 得られた実測値の測定誤差を補 正でき る。 また、 実測定の際に、 出力電圧 V _{t k}の平均値 V に応 じた補正値に よ り 、 各モジュ ール 1 3 5 の掃引電 圧を補正する と もでき る。 具体的には、 実測定の際に電圧 源 6 0 7 か らオフセ ッ • ト補償電圧一 V _{t a v} を印加する こ と によ り 、 ォフセ V トが補償でき る。

この よ う にヽ 照極 1 4 3 に現れる反転出力電圧よ り 、 所 定の電圧からのずれ、 すなわち帰還回路の才フセ ッ トや入力 電圧に対する出力電圧のずれを知る こ とが出来る。 特に 、 ォ フセ ッ ト に関 しては、 演算増幅器 1 5 2 の非反転入力に与え る電圧を調整する こ と によ り 除去する - とができ、 帰還の精 度を高める と ができ る。 ア レイ状に作製されるモジュ ―ル

1 3 5 を含む半導体回路は、 並進対称性を満たすよ う に チップ中に配置される 。 」れは、 導体製造工程での条件不 均一性が生じた場合に 、 その影響がァ レィ 中の どの要 にも 等し く 現れる よ う にする よ う な工夫である。 よ り 具体的には 異なるモジュ ル内部に存在する演算増幅器 1 5 2 は全て同 じ方位に配置され 演算増幅器 1 5 1 , 1 5 3 につレ、ても 同様である の工夫を行 う と、 モジュ一ル間で発生する差 異が少な く なる よ つ て、 演算増幅器 1 5 2 の非反転入力端 子に共通な電圧を加えるだけで、 オフセ ッ ト の大部分を同時 に解消する こ と が可能と なる。

図 2 6 は図 1 図 1 3 、 図 1 4 〜図 1 8 、 図 1 9 〜図 2 2 の各実施形態に いて 、 さ らにオフセ V ト のみな らずヽ 測定 回路の線形性ヽ 比例係数な どの設計値に対するずれを補償す る捕償回路 6 1 0 の一例を示す図である 。 図 5や図 1 3 通する構成には |pj ―の符号を付し、 詳細な説明は省略す

こ の補償回路 6 1 0 は、 図 1 の分析 置筐体 1 1 に Pスけら れ、 分析装置筐体 1 1 に核酸検出用チップ 1 2 を装着して核 酸検出用チ ップ 1 2 と送液 Z温調機器 1 1 1 と を物理的に接 続する。 また、 核酸検出用チップ 1 2 とチップ一筐体イ ンタ フ ェ ース 1 1 2 と を電気的に接続する と、 自動的に核酸検出 用チップ 1 2 の A / D コ ンバータ 1 3 7 と補償回路 6 1 0 の 補償論理回路 6 1 7 が電気的にイ ンタ フ ェ ース 1 3 1 を介し て接続される。 その結果、 かつセ レク タ 6 1 4 の出力が各モ ジュール 1 3 5 。、 1 3 5 i の作用極 1 4 1 に接続される よ う になつ ている。 モジュール 1 3 5 。、 1 3 5 の各々 の電 極面積は Α 。 、 α Α。、 各々 の電流増幅率は、 1 ： 1 、 α ： 1 である。 なお、 こ こでは説明の便宜のため図 2 6 を用いて 2 つのモジュール 1 3 5 。、 1 3 5 を取 り 上げて説明 して いるが、 3 つ以上のモジュールについても同様に適用可能で ある こ と はもちろんである。

図 2 6 に示すよ う に、 補償回路 6 1 0 は、 メモ リ 6 1 2 、 表示部 6 1 6 を有する補償論理回路 6 1 7 、 電流源 6 1 3 、 電圧源 6 1 5 およびセ レク タ 6 1 4 からなる。 補償論理回路 6 1 7 の出力は電流源 6 1 3及び電圧源 6 1 5 に接続される。 電流源 6 1 3 はスィ ッチ S W ₅を介 してセ レク タ 6 1 4入力 に接続される。 電圧源 6 1 5 の出力は、 各モジュール 1 3 5 。、 1 3 5 ェの演算増幅器 1 5 1 の非反転入力に接続さ れる。 電流源 6 1 3 から作用極 1 4 1 に接続された各モジュール 1 3 5 。、 1 3 5 i の電流検出回路に電流を流すこ と によ り 、 実測定時に観測される電流をモ ジュ ール外部から擬似的に与 える こ と ができ る。 スィ ッチ S W ₅ をオンに し、 電流源 6 1 3 力 らセ レク タ 6 1 4 を介 して選択的に各モジュール 1 3 5 。、 1 3 5 の作 用極 1 4 1 側に電流を流す。 こ の段階では、 電圧源 6 1 5 か らは電圧は印加されない。 この電流は、 電流検出回路及ぴ正 規化回路、 セ レク タ 1 3 6 、 A / D コ ンバータ 1 3 7 を経て 補償論理回路 6 1 7 に出力される。 補償論理回路 6 1 7 は、 A Z D コ ンバータ 1 3 7 からの信号から線形性、 比例係数や オフセ ッ ト な どを計測 し、 その計測値をメ モ リ 6 1 2 に格納 しておく 。

以上の事前測定が終了 した後、 図 9 に示すよ う に校正 （ s 1 ) および測定 （ s 2 ) を行い、 得られた測定結果に計測値 に基づく 修正を加える。

これによ り 、 カ レン ト ミ ラー回路を含めた測定回路の線形 性、 比例係数、 オフセ ッ ト などの設計値に対するずれを補正 した測定結果を得る こ とができ る。

また、 電流源 6 1 3 の入力に対する各モジュール 1 3 5 の 応答を分析 し、 その結果に基づき適切な電圧を電圧源 6 1 5 から演算増幅器 1 5 1 の非反転入力端子に入力する。 これに よ り 、 図 2 5 の場合と 同様なオフセ ッ ト補償を行 う こ と が可 能である。

具体的には、 モジュール 1 3 5 _D、 1 3 5 丄 のセ ンサ各々 について仕様で定め られたオフセ ッ ト の上限値 Δ I 。， 厶 I i と 同等の大き さ で、 かつ符号の異なる電流土 Δ I 0 , 土厶 I をそれぞれのモジュ ール 1 3 5 Q 、 1 3 5 i にセ レ ク タ 6 1 4 を通 じて入力 し、 その応答を観測する。 + Δ Ι 。 ， + 厶 I iが入力された場合の出力値が正のある値であ り 、 つ 一 Δ I 0 ， — Δ I iが入力 された場合の出力値が負のめる値 と な ¾f 合、 注目 しているモジユ ーノレのセンサは仕様を満た すこ と と なる 。 ここで、 装置の作製過程が仕様に対し適当で めれば、 適切な電圧を演算増幅器 1 5 1 の非反転入力 子に 入力する こ と によ り 、 全てのモジュール 1 3 5 において 、 +

Δ I 0 ， + Δ I が入力 された場合の出力値が正でかつ一 厶

I 0 ， - Δ I iが入力 された場合の出力値が負 と なる よ う な 条件を見つける こ と が可能である o ^s ~ の条件が満たされたと き、 オフ セ ッ ト除去が最適に行われた と と な

また、 この と き 「良 P

PP J 、 不良 P J の判定も同時に行う こ と が可能と なる。 すなわち、 最適なォフセ V ト除去が可能 と なる電圧が存在しない Π ゝ 演算処理装置 1 1 3 は 、 測定 回路のオフセ ッ トが仕様を満たさ ないため、 チップを 「不良 品」 と判定する。

図 2 7 は核酸検出用チップの変形例を示す図である 。 図 2

7 に示す核酸検出用チクプ 7 0 0 は、 ガラス基板 7 0 6 の上 に S i チップ 7 0 2 ねよびァ レィ状の 3電極系 1 4 0 が複数 配置されるチップォングラス構造をなす 。 各 3 電極系 1 4 0 はいずれかの S i チップ 7 0 2 に配線によ り 接 c れてお り 、

3電極系 1 4 0 における検出信号が S i チップ 7 0 2側で信 号処理される よ う になつている o またヽ この S i チップ 7 0

2 がチップ—筐体ィ ンタ フェ ' ~ス 1 1 2 に接 され、 信号が 演算処理装置 1 1 3 に出力される

以上説明 したよ う に本実施形 によれば、 流検出型の核 酸検出用チップ 1 2 を用いて、 濃度に対する感度の レ ンジを 広 < と り 、 濃度を定量的に分析でさ る

また、 集積回路をプ 一ノ' ァ レ 4 と 一基板上に 積する と によ り 、 測定時間の同時性をレaゝちつつ電気的な雑立

曰 を抑 る こ と が可能になる

電流測定型チップに いて同時性が重要になるのは 、 キ ス 卜の経時変化のためヽ またプ口一ブ核酸と標的核酸が構成 する 2本鎖に対し キス 卜 の ■曰- 、Ρ π の時間的な累積によ り ヽ 信号強度が変動するためであ 特に比較すベさ信号を測定 する時刻は、 でき る限り 同時性を高める こ と が ま しい 図

1 に示すよ う にプ プをァ レィ状に多数実装する核酸検出 用チップ 1 2 ではヽ 測定用回路をプ ブと 同数集積して -

< とでこれが実現される 回路を集積化する - と によ り ヽ 電 的な外乱による雑立

曰 低減が望めるためヽ 同時に周辺回 路で発生する電気的な雑立

曰 を排除する と がでさ る

さ らに本実施形態によれば 、 プ口一ブで検出された信号と

|pj時刻に観測された クク グラ ゥ ン ド、 流をヽ プ 一ブから 検出 された電流から直接的に差し引さ 正味の信号 流を正 確に得る。 これによ り ヽ 信号レベルが ッ ク グラ クン レベ ルに対して相対的に小さい場合にヽ 減算回路の後段に位置す る例えば増幅回路や A D変換する回路のダィナ へ クク レン ジを有効に利用する ·> - と ができ る 特に退 、血 .子発現解析に いては有利な効果である

本発明は上記実施形 Heに限定される ものではない

図 5 に示したモジュ ル 1 5 0 の 成はほんの一例にすぎ ない。 例えば、 図 3 0 に示すよ に、 力 レ ン 卜 ゝ フ ーを多段 接続 したカ ス コ ド力 レ ン 卜 ラ を用いて ち よい。

図 3 0 において、 図 5 と Mす o構成には 一符号を付 し、 詳細な説明は省略する o 図 3 0 に示すよ つ に 、 ト ラ ンジス 夕

M 3 a の ソース は ト ラ ンジス タ M 3 b の レィ ン、 ゲー ト 及 び ト ラ ンジスタ M 5 b のゲ 卜 に接 1¾される o ト ラ ンジス タ

M 3 a のボディ 及ぴ 卜 ラ ンジス タ M 3 b の ソース は負電源 電圧一 V s に接 i &れる o 卜 ラ ンジス タ M 5 a の ノ、 ース及び ト ラ ンジス タ M 5 b の ド、 レィ ンが接糸冗され 卜 ラ ンジス タ M

5 a のボディ ー及び 卜 ラ ンジス タ M 5 b の ソ ス は負電源電 圧 _ V s に接続される o

卜 ラ ンジスタ M 3 a 及び M 5 a から なる 段 目 の力 レ ン ト ミ ラ ーの電流增幅率と 卜 ラ ンジス タ M 3 b 及び M 5 b か ら な る二段 の カ レン ト -、 . ラ一の電流増幅率は同 じに S At さ れる。

卜 ラ ンジス タ M 4 a 、 M 4 b 、 M 6 a M 6 b も 、 ト ラ ン ジス タ M 3 a 、 M 3 b M 5 a 、 M 5 b と正負逆特性を有す る以外は同一構造をなす o

図 5 に示 した回路では 卜 ラ ンジス タ のチャネル変調効果 に よ つてカ レ ン 卜 ミ ラ一の 度が上が らない場合がある。

の場合 図 3 0 に示 した よ な力 ス コ ド、力 レ ン ト ミ ラーを 用いる こ と によ り 、 電流検出の 度を向上させる こ と ができ 上記実施形態では 核酸の疋直分析を行 ラ 核酸定量分析装 置及び分析方法 不 したが れに限定されない。 定量分析 の対象は 、 核酸のみな らず ノヽ ブリ ダィゼ シ ヨ ン反応に よ り 存在の有無を測定可能なあ ら ゆる塩 配列を有する物貧 が対象と な o 従って 、 本発明は 、 所定の 配列の定量分 析を行う塩基配列定量分析装 及ぴ分析方法と して成立する。

従つて、 図 2 に示 した核酸検出用チップ 1 2 は 、 核酸検出 用に限らず広く 塩基配列を検出するための塩基配列検出用チ ップに置換して本発明を適用可能でめる σ また 、 図 2 に示し たチップ構成はほんの一例に過ぎず、 直線状に電極が配置さ れず、 了 レィ状に配置されたチクプな どヽ め らゆる核酸検出 用チップに 換して本発明を適用可能である ο

また 、 図 5 に示した 3電極系 1 4 0 を有するモジユ ール 1

3 5 は 、 核酸濃度定量分析 置のみな らずヽ 広 < 電気分解装 置と して用いる こ と ができ る o

また 、 演算処理装置 1 1 3 に本発明の機能を実行するため のプロ グラムを組み込み、 当該プ口 グラムによ り 本発明の機 能を実行させる場合を示したが 、 例えば れらプログラ ムを 記録したコ ン ピュータ tm取可能な記録媒体を演算処理装置 1

1 3 に接 された図示しない記録媒体 取 置から読み取り 、 演算処理装置 1 1 3 に当該機能を実行させても よい。

(第 2 実施形態）

本実施形態は第 1 実施形態の改良に係わる ο 本実施形態は、 バッ ク グラ ゥン ド電流の影 を低減する ちのである。

図 3 2 はバック グラ ゥン 流によ る問題点を説明するた めの図である。 飽和レベルとノ ッ ク グラ クン ド、レベルの電流 について、 電極直径が 2 0 5 0 , 1 0 0 ， 2 0 0 及び 5 0

0 ^ mの 5 つの例につレヽて正規化電流を比較して示している。 バック グラ ゥン ド電流に含まれる電流成分の う ち、 電極面 積に比例する成分が電極の周囲長に比例する成分に対し相対 的に /J、さいこ と が確認 Cさ o o この場合、 電極の面積を縮小 する と、 電極の面積に比例する傾向の強い信号電流が相対的 に小さ く な り 、 測定の精度が下がる。 信号を測定する回路の ダイナミ ッ ク レンジのほと んどをバッ ク グラ ウン ド成分が占 めるカゝらであ

上記問題点を解決するためのモジュールの回路構成を図 3

3 に示す。 センサ面積が同一 すなわち作用極の面積が同一 の 3 電極系 1 4 0 _a、 1 4 0 bヽ 1 4 0 。 を有するモジユー ノレ 3 3 0 0、 3 3 0 _x . 、 3 3 0 ₂ の信号出力がセ レク タ 1 3

6 に接続される。 モジユーノレ 3 3 0 ₂はモジユーノレ 3 3 0 0 及び 3 3 0 のバ ック グラ ウン ド電流検出用モジュールであ る。 これ らモジユーノレ 3 3 0 。、 3 3 0 、 3 3 0 ₂以外の 構成は、 第 1 実施形態で説明 した構成と共通する ので、 詳細 な説明は省略する。

モジユーノレ 3 3 0 ₂において、 6 つの ト ラ ンジス タ M 1 ₂ 〜M 6 ₂カゝ らなる正負電流用力 レン ト ミ ラーを備えた電流検 出回路は図 5や図 1 3 の構成と共通するが、 その電流増幅率 は 1 : B である。 図 3 3 では、 3 電極系 1 4 0 _a、 1 4 0 _b 1 4 0 _cの対極 1 4 2 および参照極 1 4 3側の構成について は省略してある。

ま た、 モ ジュ ール 3 3 0 。 ， 3 3 0 ！ , 3 3 0 ₂ の各々 に おいて、 正負電流用力 レン 1、 ミ ラーの電流取り 出 し側には、 それぞれ演算増幅器 3 3 1 。， 3 3 1 _{1 ;} 3 3 1 ₂の反転入 力端子が接続され、 その非反転入力端子は接地される。 また、 演算増幅器 3 3 1 。 ， 3 3 1 _{1 ;} 3 3 1 ₂ の反転入力端子 と 出力には、 電流電圧変換や電流増幅を行 う ための回路 3 3 2 0 , 3 3 2 ！ , 3 3 2 ₂が接続さ れ、 その出力 はセ レ ク タ 1 3 6 に接続される。

ト ラ ンジス タ M 4 ₂ の ゲー ト は、 ト ラ ンジス タ M 6 ₂ のゲ 一 ト のみな らず、 他のモジュ一 ノレ 3 3 0 0及びの ト ラ ンジス タ M 8 1 のゲー ト と 、 モジュール · 3 3 0 ！ の ト ラ ンジス タ M 8 2 のゲー ト に並列に接続さ れている。 ト ラ ンジス タ M 3 ₂ のゲー ト は、 ト ラ ンジス タ M 5 ₂のゲー ト のみな らず、 他の モジュール 3 3 0 0及びの ト ラ ンジス タ M 7 1 のゲー ト と 、 モジユ ーノレ 3 3 0 ！ の ト ラ ンジス タ M 7 2 のゲー ト に並列に 接続されている。 各 M O S F E T のゲー ト幅は、 ト ラ ンジス タ M 3 ₂， M 4 ₂ , M 7 2 , M 8 2 , M 7 1 , M 8 1 と ト ラ ンジス タ M 5 ₂ , M 6 ₂が 1 ： B に設定されている。

モジュ ール 3 3 0 。 において 3 電極系 1 4 0 _a に信号電流 I _s 力 S流れる と 同時に、 モジュール 3 3 0 においては 3 電極系 1 4 0 _b に信号電流 I _{s 2}力 S、 モジュール 3 3 0 ₂ にお いて は 3 電極系 1 4 0 _c にバ ッ ク グラ ウ ン ド電流 I B _Gがそ れぞれ流れる。 こ の と き 、 ト ラ ンジス タ M 3 ₂ , M 4 ₂ と ト ラ ンジス タ M 7 1 , M 8 1 な らびに ト ラ ンジス タ M 7 2 ， M 8 2 で形成される カ レン ト ミ ラーの効果に よ り 、 モジュール 3 3 0 。においては ト ラ ンジス タ M 8 1 力、 らバ ッ ク グラ ウ ン ド電流 I B Gが流れ、 電流電圧変換回路 b 。 には電流 I _{B G}—

I _s i が流れる 。 同様に、 モジュール 3 3 0 i においては ト ラ ンジスタ M 8 2 力 らバ ッ ク グラ ウ ン ド電流 I _B Gが流れ、 電流電圧変換回路 b ェ には電流 I B _G — I _{s 2}が流れる。 モ ジ ユール 3 3 0 ₂ においては、 電流 B I B _Gが電流電圧変換回 路 b ₂に流れる。 こ の よ う に、 モ ジュ ール 3 3 0 。では、 3 電極系 1 4 0 _a の核酸電流 I _{S 1} 力 ら 、 モ ジ ュ ール 3 3 0 ₂ で 検出 されたバ ッ ク グ ラ ウ ン ド電流 I _{B e}を減算 して出力 し、 モジュール 3 3 0 ェでは、 3 電極系 1 4 0 _B の核酸電流 I s ₂ から、 モ ジュ ール 3 3 0 ₂で検出 されたノ ック グラ ウ ン ド電 流 I _{B e}を減算 して出力する。 そ して、 その後段に設け られ た電流電圧変換回路 b 。， b ェで、 電流電圧変換を行う 。

図 3 4 〜図 3 7 は電流電圧変換回路 b 。、 及び b ₂ の 具体的な構成例を示す図である。 特に図 3 4 な らびに図 3 5 は図 3 3 における増幅率 Bが 1 、 すなわち電流の増幅を必要 と しない場合に適する。

図 3 4 は、 電流電圧変換回路の一例を示す図であ り 、 こ の 図 3 4 に示される電流電圧変換回路 3 4 0 が電流電圧変換回 路 。〜 13 ₂に適用 される。 図 3 4 に示すよ う に、 演算増幅 器 3 3 1 の反転入力端子と 出力端子が抵抗 3 4 1 で短絡され ている。 演算増幅器 3 3 1 の出力端子の電圧 V。 _{U T}は、 入 力電流 I _Nに比例する。 電流電圧変換回路 b 。 の例では、 演算増幅器 3 3 1 。の出力端子の出力電圧 V _{O U T}。は、 入力 電流 I _s i — I _B Gに比例 した値と なる。 電流電圧変換回路 b 丄の例では、 演算増幅器 3 3 の出力端子の出力電圧 V。 _{u T} i は、 入力電流 I _{s 2} — I _B CJに比例 した値と なる。 回路 b ₂ の例では、 演算増幅器 3 3 1 ₂の出力端子の出力電圧 V _{O U} T TJP2004/002205

70

2は、 , 入力電流 B I _B Gに比例 した値、 すなわち B = 1 の場

Π は I B G ,に比例 した値と なる。

図 3 5 は、 電流電圧変換回路の別の一例を示す図であ り ヽ この図 3 5 に示される電流電圧変換回路 3 5 0 が電流電圧変 換回路 b 。〜 b ₂に適用 される。 図 3 5 に示すよ う に、 演算 増幅 3 3 1 の反転入力端子には、 スィ ッチ 3 4 3 と キャパ シタ 3 4 2 カゝら なる スィ ツチ ト キャパシタ が設け られている。

のスィ ツチ ト キャパシタ によ り 、 スィ ッチ 3 4 3 を開いた 状態でキャパシタ 3 4 2 に前段から流入する電荷を蓄積し、 スィ チ 3 4 3 を閉 じる こ とでこの電荷を逃すこ とがでさ る。 な ヽ のスィ ツチ ト キャパシタ を用いた電流電圧変換の原 理は 、 刖述の図 1 3 における スィ ッチ ト キャパシタ における 動作原理と共通する ので説明は省略する。 演算増幅器 3 3 1 の出力端子の電圧 V _{O U T}は、 入力電流 I _{] N}に比例する の図 3 5 に示す電流電圧変換回路 3 5 0 を適用 した電流電圧 変換回路 b 。 の例では、 演算増幅器 3 3 1 。の出力端子の出 力電圧 V o υ _τ。は、 入力電流 I _s i — I B _Gに比例 した値と な る 電流電圧変換回路 b ェ の例では、 演算増幅器 3 3 1 1 の 出力端子の出力電圧 V _{O U T 1} は、 入力電流 I _{S 2} — I B Gに比 例 した値と なる。 電流電圧変換回路 b ₂の例では、 演算増幅

3 3 1 ₂の出力端子の出力電圧 V _{O U T 2}は、 入力電流 B I

_{B G}に比例 した値、 すなわち B = 1 の場合は I B _Gに比例 した 値と なる。

図 3 6 及び図 3 7 は、 電流電圧変換回路のさ ら に別の一例 を示す図である。 図 3 6 に示す電流電圧変換回路 3 6 0 は、 さ らに電流増幅部を備えている。 こ のた め、 3電極系 1 4 0 _a , 1 4 0 _b , 1 4 0 _eカゝ ら 出力 される電流それぞれを B倍 に増幅する場合に適する。 こ の図 3 6 を図 3 3 の構成に適用 する こ と によ り 、 センサ、 減算部、 正規化部、 電流電圧変換 部が順に配置された構成が実現される。

図 3 6 の電流電圧変換回路 3 6 0 は、 電流電圧変換回路 b 。及び に適用 され、 図 3 7 の電流電圧変換回路 3 7 0 は、 電流電圧変換回路 b ₂に適用 される。 なお、 図 3 7 に示す回 路を電流電圧変換回路 b ₂へ適用 した構成は、 演算増幅器を 設ける必要がな く 、 演算増幅器 3 3 1 ₂及び回路 3 3 2 ₂力、 らなる図 3 3 の電流電圧変換回路 b ₂ の構成ではな く なる。 図 3 6 における電流増幅機能は、 図 3 6 の ト ラ ンジス タ M 1 〜M 6 からなる正負電流用カ レ ン ト ミ ラーによ り 実現され、 その電流増幅の原理は、 図 1 3 な どで説明 したもの と共通す るため、 その詳細な説明は省略する。 こ の正負電流用カ レ ン ト ミ ラーによ る電流増幅率を 1 ： B とする と、 カ レ ン ト ミ ラ 一の出力端子には電流 B I i _Nが流れる。 これに よ り 、 検出 電流の正規化が実現される。

正負電流用カ レ ン ト ミ ラーの電流取り 出 し側には、 スイ ツ チ S W i を介 して ト ラ ンジス タ M 7 のゲー トが接続されてい る。 こ の ト ラ ンジス タ M 7 の ソ ース はディ プ レ ツ シ ョ ンモー ドの N型 M O S F E T IVI 8 の ド レイ ン と セ レク タ 1 3 6 に 接続されている。 ト ラ ンジス タ M 8 の ソースはそのゲー 卜 に 接続されている。 これは、 ソースフォ ロア と呼ばれる回路構 成の一つである。 もちろん， 別の手法で構成する ソース フ ォ ァや ノレテ—シフォ ロ アな どのノ ッ フ ァ を用いても よい。 また、 正負電流用カ レン ト ミ ラーの電流取り 出 し側と 卜 ラ ン ジス タ M 7 の間にはスィ ツチ S W ₂およびキャパシタ C ら なる スィ ッチ 卜 キャパシタ が設け られ、 このスィ ッチ 卜 キャ パシタ によ り 、 スイ ツチ s W ₂を開いた状態でキャパシタ C に力 レン ト 、 ラーを介して流れる電荷を蓄積し、 ス ィ ッチ S

W ₂を閉 じる こ と でこの電荷を逃がすこ と ができ る。

スィ ッチ S W iおよび S W ₂の開閉制御の手法、 その手法 による電流 圧変換動作については、 図 1 3 で説明 したもの と共通するので詳細な説明は省略する。

図 3 7 に示すよ う に 、 回路 b ₂に適用 される電流電圧変換 回路は 、 図 3 6 に示す回路から、 電流増幅機能を実現する力 レン ト ミ ラ一及び演算増幅器 3 3 1 を省略した構成である。 こ のスィ ッチ S W！ , S W ₂、 キ ヤノヽ。シタ C 、 ト ラ ンジス タ

M 7及び M 8 を用いた電流電圧変換動作は、 図 3 6や図 1 3 で説明 した動作原理と共通するため、 詳細な説明は省略する。

の図 3 7 では、 その前段に既にカ レン ト ミ ラーが配置され、 流増幅が笋現されるため、 改めて電流増幅回路を設ける必 要がない。 こ の図 3 7 の電流電圧変換回路の出力電圧 V。 u _τは入力電流 I _Νに比例 した値を と る。 こ の図 3 7 に示さ れる電流電圧変換回路を b ₂に適用する こ と によ り 、 3 電極 系 1 4 O _e の入力電流 I _{B Q}に対 して、 その電流を B倍 した 値に比例 し、 この電流を電圧に変換した出力電圧 V 。 u _{τ 2}を 得る こ と ができ る。

このよ う に、 図 3 3 の例では、 電極の面積が小さい領域で はヽ 図 3 4 〜図 3 7 のいずれを適用 した場合も、 電流電圧変 換を行 5前に、 減算回路を使用する。 この例では、 バッ ク グ

、

ラ ゥ ノ レベルを検出する 3 電極系 1 4 0 。からの信号を核 酸検出 レベルを検出する 3 電極系 1 4 0 _a及び 1 4 0 _bか ら の信号 ら減算 して出力され、 同時にも と のバ ッ ク グラ ウン' レベノレ検出セ ンサか らの信号を も出力される。 そ して、 こ の減算回路の後段に、 電流電圧変換回路を配置する。 これに よ り ヽ 極面積に比例する傾向が強い信号成分のみを電流- 電圧変換回路および A Z D コ ンバータのダイナミ ック レンジ 全域を用いて測定可能と なる。

な 、 破線で囲われた回路 a 。 〜 a ₂の部分は、 素子間の

、 スマ Vチを低減するために、 互いに近距離に置く のが望ま しい

このよ う に本実施形態によれば 、 小さい電極面積を持つセ ンサを用いて定量分析を行う場 であつても、 電流電圧変換 刖にノ ック グラ ゥン ド、電流を減算する こ と によ り 、 バ クク グ ラ ゥン ド電流の影響を電極 tsa積に比例する測定すべさ 流に 比して相対的に低減した分析が可能と なる によ り ヽ 異 なる電極面積間の測定値の ミ スマ ッチを低減でき、 高 /スの 定量分析が可能と なる

(第 3 実施形態）

本実施形態は第 1 実施形態の改良に係わる。 本実施形態は 電流増幅回路を備えたモジュ ' ~ルの別の形態に係わる 第 1 実施形態や第 2 実施形態で記載した電流 幅回路を簡 化 し た構成に係わる 第 1 実施形態や 2 実施形態ではヽ 図 5 図 1 3や図 3 3 図 3 6 な どに示すよ フ に、 電流を ピ しあるレ、は增幅する 口 ヽ セ ンサ電極電位を基準電位に固定する帰返回路内部に 固定される 卜 ラ ンジス タ とヽ ピ一動作を実際に行 ト ラ ン ジス タを別の機能ブ ック と して実現していた 例えば図 5 の例の場合 、 セ ンサ電極電

を基準 位に固定する帰還回路 内部に固定される 卜 ラ ンジスタ は M 1 及ぴ M 2 でめ り 、 電流 コ ピ 用の 卜 ラ ンジスタは M 4 M 6 の対と 、 Μ 3 M 5 の 対である

本実施形態の電流増幅回路を備 たモジュ ルのネ冓成の一 例を図 3 8 に示す 図 3 8 のモジュ一ル 3 8 0 にねレ、て、 演 算增幅 1 5 1 の出力端子は N M o S 卜 ラ ンジスタ M 1 及び

M 2 のゲ ― 卜 に接 される

またヽ 3 極系 1 4 0 の作用極は 、 卜 ラ ンジスタ M 1 の ド レイ ンと演算増幅 1 5 1 の反転入力端子に接 される。 演 算増幅 1 5 1 の非反転入力端子は接地される 卜 ラ ンジス タ M 1 のソ一スは + V s の正電源に接 され 、 ポ丁ィ 一は一

V s の負電源に接 される た 卜 ラ ンジスタ M 2 の ソー スは + V s の正電源に接続されヽ ボ了ィ一は一 V s の負電源 に接 される 卜 ラ ンジス タ M 1 と M 2 の電流 幅率は 1 ：

1 0 でめる

卜 ラ ンジスタ Μ 2 の レィ ンは ί寅算增幅 3 8 1 の反転入 力端子とヽ P Μ Ο S 卜 ラ ンジスタ Μ 3 の ド、 レィ ンに接続され る 演算増幅 •off 8 1 の出力端子は 卜 ラ ンジス夕 Μ 3 のゲー 卜 とヽ P M o S 卜 ラ ンジス タ M 4 のゲ 卜 に接続される。 Ρ ο

ο

M O S ト I ラ ンシスタ M 4 のポディ 一は正電源 + V s に

れ、 ソ —ス力は一 V s の負電源に接続されヽ レィ ンは ^流

流

圧変換回路 3 8 2 に接 Cされ 卜 ラ ンジス タ Μ 3 と Μ 4 に よ り 実現される電る流増幅率は 1 ： 1 0 である

電流電圧変換回路 3 8 2 は、 演算増幅 3 3 1 及ぴ回路 3

3 2 の組合せからな り 、 具体的には、 図 3 4 乃 図 3 6 に記

、1^

載の電流電圧変換回路のいずれか 用 される

こ の図 3 8 の例の場合、 入力される電流の極性は酸化電流 あるい ίュ還兀電流の どち らか単一の極性に限られる しカゝし、 挿入剤の電気化学反応に起因する 流の極性が予め分かって いる場合は、 この回路構成にする こ と によつて Ρ Μ O S ト ラ ンジス タ と Ν M O S ト ラ ンジス タ の へ スマ ッチに起因する オフセ ッ ト電流が流れる こ と を防ぐこ とが可能である

また sil ¾¾ 圧変換回路 3 8 2 は、 図 5 と 同様の電流計を 用いても良いが 、 その入力ノー ドは演算増幅 3 3 1 によ り 実現される仮想接地を行う こ と が望ま しい この回路では、

N M O S ト ラ ンジス タ と P M O S 卜 ラ ンジス タ両方のペアで

1 0倍の増幅を行えば、 1 0 0倍の増幅を行う とが可能で める。

卜 ラ ンジスタ M l 及び M 2 の対に よ り 、 卜 ラ ンジスタ Μ 1 に流れる電流 I i 力 S 1 0倍に増幅されて 卜 ラ ンジス タ Μ 2 に 電流 1 0 I カ 流れる。 また、 ト ラ ンジスタ Μ 3及ぴ Μ 4 の 対に よ り 、 ト ラ ンジスタ M 2 力 ら 卜 ラ ンジスタ Μ 3 に流れた 電流 1 0 1 1 0倍に増幅されて ト フ ンジスタ Μ 4 に電流 このよ う に、 本実施形態の電流増幅回路を用いる こ と によ り 、 P M O S ト ラ ンジス タ と N M O S 卜 ラ ンジス タの へ スマ ツチに起因するオフセ ッ ト 流が流れる のを防ぐこ と ができ

(第 4 実施形態 )

本実施形態は第 1 実施形態の改良に係わる。 本実施形態は、 第 3 実施形態に示した電流増幅回路を用いて電流を正規化す る実施形態に係わる。

図 3 9 は本実施形態に係るモジュールの回路構成の —例を 示す図である。 センサ面積が同 ヽ すなわち作用極の面積が 同一の 3 電極系 1 4 O _a 、 1 4 0 _b 、 1 4 0 _e を有するモジ ユ ール 3 9 0 。 、 S S C^ - 、 3 9 0 ₂ の信号出力がセ レク タ

1 3 6 に接続される。 モジュ一ル 3 9 0 ₂はモジユール 3 9

0 。及び 3 9 0 のバ ッ ク グラ ウ ン ド電流検出用モジュール であ る。 これらモジュール 3 9 0 。、 3 9 0 、 3 9 0 ₂以 外の構成は、 第 1 実施形態で説明 した構成と共通する ので、 詳細な説明は省略する。

モジユーノレ 3 9 0 ₂の構成は、 図 3 8 のモジユーノレ 3 8 0 と共通し、 その動作は同 じである。 異なるのは、 ト ラ ンジス タ M l 0 と M 2 0 によ り 実現される電流増幅率が 1 ： Bで、 ト ラ ンジスタ M 3 0 と M 4 0 の電流増幅率が 1 ： 1 である点 である。

モジュール 3 9 0 。において、 3 電極系 1 4 0 _a の作用極 は、 演算増幅器 1 5 1 。の反転入力端子と N M O S ト ラ ンジ ス タ M l 1 の ド レイ ンに接続される。 演算増幅器 1 5 1 。の 非反転入力端子は接地される。 ト ラ ンジスタ M l 1 の ソース は + V s の正電源に接続され、 ボディ ーは一 V s の負電源に 接続される 。 また、 ト ラ ン ジスタ Ι'/ί 2 1 の ソ ースは + V s の 正電源に接続され、 ボディ ーは一 V s の負電源に接続される。

ト ラ ンジス タ Μ 2 1 の ド レイ ンは演算増幅器 3 3 1 。 の反 転入力端子と 、 回路 3 3 2 。 と 、 ト ラ ンジス タ Μ 3 1 の ド レ ィ ンに接続される。 ト ラ ンジス タ Μ 3 1 の ソース は一 V s の 負電源に接続され、 ボディ ーは + V s の正電源に接続される。 また、 ト ラ ンジス タ M 3 1 のゲー ト は、 バ ッ ク グラ ウ ン ド電 流用のモジュ ール 3 9 0 ₂の演算増幅器 3 8 1 の出力端子に 接続される。 これによ り 、 モジュール 3 9 0 ₂において B倍 に増幅された電流 B I _{B G}が ト ラ ンジス タ M 3 1 で取 り 出 さ れる。 3 電極系 1 4 0 _a の作用極に流れる電流 I _s i は、 ト ラ ンジス タ M 2 1 側で B倍に増幅されて B I _s と なる。 し たがって、 電流電圧変換回路 b 。 に流れ込む電流は B ( I s ！ - I B _G ) と なる。 そ して、 電流電圧変換回路 b 。 の出力端 子では、 電流 B ( I _{s x} - I B _G ) に比例 した電圧が取 り 出 さ れる。

モジュール 3 9 0 において、 3 電極系 1 4 0 _b の作用極 は、 演算増幅器 1 5 1 の反転入力端子と N M O S ト ラ ンジ ス タ M l 2 の ド レイ ンに接続される。 演算増幅器 1 5 の 非反転入力端子は接地される。 ト ラ ンジス タ M l 2 の ソース は + V s の正電源に接続され、 ボディ ーは一 V s の負電源に 接続される 。 また、 ト ラ ンジス タ M 2 2 の ソース は + V s の 正電源に接続され、 ボディ ーは一 V _S の負電源に接続される。 ト ラ ンジス タ M 2 2 の ド レイ ンは演算増幅器 3 3 1 の反 転入力端子と 、 回路 3 3 2 と、 ト ラ ンジス タ M 3 2 の ドレ イ ンに接続される。 ト ラ ンジス タ M 3 2 の ソースは一 V s の 負電源に接続され、 ボディ ーは + V s の正電源に接続される。 また、 ト ラ ンジスタ M 3 2 のゲー ト は、 バ ッ ク グラ ウ ン ド電 流用のモジュール 3 9 0 ₂の演算増幅器 3 8 1 の出力端子に 接続される。 これによ り 、 モジュール 3 9 0 ₂において B倍 に増幅された電流 B I B _Gカ ト ラ ンジス タ M 3 2 で取 り 出 さ れる。 3 電極系 1 4 O _b の作用極に流れる電流 I _{S 2}は、 ト ラ ンジス タ M 2 2側で B倍に増幅されて B I _{s 2} と なる。 し たがって、 電流電圧変換回路 b に流れ込む電流は B ( I _s

₂ - I B _G ) と なる。 そ して、 電流電圧変換回路 の出力端 子では、 電流 B ( I s ₂ - I B _G ) に比例 した電圧が取 り 出さ れる。

なお、 上記電流電圧変換回路 b 。、 b ェ及び b ₂ の具体的 な構成は、 図 3 4〜図 3 7 に示された回路が適用 される点は、 図 3 3 の例と 同様である。

なお、 このモジユ ー ノレ 3 9 0 。 、 3 9 0 、 3 9 0 ₂の電 流増幅率を B倍と したが、 このよ う なモジュール 3 9 0 。、

3 9 0 ₁ 3 9 0 ₂ の組み合わせに対 して、 異なる電流増幅 率を電極面積に応じて複数割り 当てる こ と によ り 、 正規化が 可能と なる。 すなわち、 作用極の電極面積 A。のモジュール

3 9 0 。 、 3 9 0 ；^ 3 9 0 ₂の第 1 の組み合わせは電流増 幅率 B = 1倍、 作用極の電極面積 α A。のモジュール 3 9 0 。 、 S S O i 3 9 0 ₂の第 2 の組み合ゎせは 8 = 1 /^/ 0；倍、 作用極の電極面積 α ² Α。のモジュール 3 9 0 。 、 3 9 0

3 9 0 ₂の第 3 の組み合わせは B = 1 Z α ²倍、 … と い う よ う に設定する こ と によ り 、 算、 正規化、 電流電圧亦換を備 えたモジユーノレを実現でき る 。 なお、 こ の図 3 9 の例の ；¾ A vソ ¾; 口 電流増幅を先に行つた後に減算を行う 回路である。

このよ う に本実施形態によれば、 P M O S ト ラ ンジスタ と

N M O S ト ラ ンジス タ の ミ ス マ ッ チに起因する オフセ ッ ト 電 流が流れるのを防ぎつつ、 正規化、 電流増幅、 減算及び電流 電圧変換を行う モジユ ーノレが実現可能である。

(第 5 実施形態 )

本実施形態は第 1 実施形態の変形例に係わる。 本実施形態 は電極面積に応 じた正規化をカ レ ン ト ミ ラーのみな らず容量 素子を用いて行 う実施形態に係わる。

図 4 0 は本実施形態に係るモジユーノレの構成の一例を示す 図である。 図 4 0 のモ ジ ュ -ル 4 0 0 _Q 〜 4 0 0 ₂は 、 図 1

3 のモジュール 1 3 5 0 〜 1 3 5 ₂の構成と ほぼ共通 してお り 、 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 4 0 の モ ジ ユ ーノレ 4 0 0 0 の キ ヤ ノヽ。シ タ C 0 、 モジ ール

4 0 0 _Q の キ ャ パ シ タ C i ヽ モ ジ ユ ーノレ 4 0 0 ₂ の キ ャ パ シ タ C ₂は、 それぞれ容量値が異なる。

正規化回路に含まれる力 レ ン ト ミ ラーの増幅度が、 素子寸 法の制約で十分と る こ とができない場合、 電流電圧変換回路 に実装されるキャパシタの容量値を小さ く する こ と によって これを補 う こ と ができ る。 作用極の電極面積 A ₃： = α _:£ A。 の電極から出力される電極に、 B _x倍の電流増幅率のカ レ ン ト ミ ラーが接続され、 容量値 C _xの積分回路に接続される場 合、 次の等式が成立する よ う にパラ メ ータが決定される。

A _x B _x Z C _x =定数

こ のパラ メ ー タ の決定方式に基づき与えられるモジュ ール の各パラ メ ータの一覧を表 2 に示す。

表 2

表 2 に示すよ う に、 倍ごと に面積を大き く させる回路を 作成する場合、 電流増幅率は、 a ²倍が設計制約上の限度 であった とする。 この場合、 容量値を 倍、 あるいは a ²倍 とする こ と で、 いずれのモジュールも、 A _X B _X / C _X = A。 / C 。 と した正規化回路を備えたモジュールが実現でき る。 なお、 0 < ひ < 1 である。

このよ う に本実施形態によれば、 カ レン ト ミ ラーの増幅度 が素子寸法の制約上十分と る こ と ができない場合であっても、 ダイナミ ック レ ンジの広い核酸濃度の定量分析が可能と なる。

(第 6 実施形態）

本実施形態は第 1 実施形態の改良に係わる。 本実施形態は、 回路の位相補償を行う 回路の構成に係わる。

図 4 1 は本実施形態に係るモ ジュール 4 1 0 の構成の一例 を示す図である。 モジュール 4 1 0 の構成は、 図 3 3 のモジ ユール 3 3 0 ₂の構成と ほぼ共通 し、 その共通する構成には 共通する符号を付し、 詳細な説明は省略する。 すなわち、 モ ジュール 3 3 0 ₂ の 3 電極系 1 4 0 ₂、 演算増幅器 1 5 1 、 ト ラ ンジス タ M 1 ₂ 〜 M 6 ₂力、ら なる正負電流用カ レン ト ミ ラー、 電流電圧変換回路 b ₂の各構成は、 モジュール 4 1 0 の 3 電極系 1 4 0、 演算増幅器 1 5 1 、 ト ラ ンジス タ M l 〜 M 6 からなる正負電流用カ レン ト ミ ラー、 電流電圧変換回路 b に対応する。 異なるのは、 3 電極系 1 4 0 と演算増幅器 1 5 1 の反転入力端子と の間にキャパシタ C _aが接続されてい る こ と、 演算増幅器 1 5 1 の出力端子と反転入力端子と の間 にキヤ ノ、"シタ C _bが接続されてレヽる こ と である。 こ こで、 キ ャパシタ C _a は分析を行お う とする溶液に起因 して生ずる等 価的な容量素子を示 しており 、 容量素子 C _bが位相補償用の 容量素子と して機能する。

電気化学測定を行う本回路の場合、 このキャパシタ c _aの 容量値が非常に大き く なる場合があるため、 位相補償を適切 に行 う ためには大き な容量素子 c _bが必要になる場合が生ず る。 図 4 2 はこのキャパシタ C _bの構成の一例を示す図であ る。 図 4 2 に示すよ う に、 基板 4 2 1 の上に絶縁層 4 2 2 が 形成されている。 この絶縁層 4 2 2 に設け られてレ、る コ ンタ ク ト ホ一ルには金属力 らなる 2 つのコ ンタ ク トプラグ 4 2 3 が埋め込み形成されてお り 、 絶縁層 4 2 2表面には 2 つの金 属層 4 2 4 力 S 2 つの コ ンタ ク トプラ グ 4 2 3 上を覆う よ う に 選択的に形成される。 この 2つの金属層 4 2 4 はコ ンタ ク ト プラ グ 4 2 3 によ り 板 4 2 1 に 気的に接 される 基板

4 2 1 には各種集積回路が形成されている 。 そ して、 2つの 金属層 4 2 4表面はヽ 溶液 4 2 5 中に浸漬される

このよ う に 、 集積回路 利用 した 化学ァナラィザ中で 位相補償を行う ために必要な大容 の容 素子を 、 実際に 気分解を行 う溶媒中に発生する 二重層素子で実現する 同図の 2つの金属層 4 2 4 を電極と して用い、 実際に電 化 学測定を行 う溶液に浸 mす すなわちヽ 金属層 4 2 4 の ― 方はコ ンタ ク ト プラ グ 4 2 3 を介 して演算増幅 1 5 1 の反 転入力端子に接 ¾¾され 、 金属層 4 2 4 のも つ 方は別の ン タ ク トプラ グ 4 2 3 を介して演算増幅器 1 5 1 の出力端子に

¾ れる これによ り ヽ センサ付近に生 じる大きな容 と 同等の容 · - 素子を簡単に実現する と ができ る

このよ に 、 本実施形態によれば 、 集積回路による容 素 子の実現が困難な場 であつても 、 セノレ内の構成を用いて容 量素子を簡便に実現する >- とがでさ ό

(第 7 実施形態 )

本実施形態は第 1 実施形態の改良に係わる 本実施形態は 電極面積によ り 異なる各電極の測定可能な濃度の レンジをォ ーノ ーラ ップさせて分析を最適化する実施形態に係わる

核酸検出センサが飽和レベルの信号を出力する条件を与え る最小の核酸濃度をセンサが測定可能なレンジの上端と 定義 し、 同様にパック グラ クン ドレベルの信号を出力する条件を 与； L。最大の核酸濃度をセンサが測定可能な レ ンジの下端と 定義する の と さヽ り 合う セ ンサの測定レンジは互レ、に Ο

オーバΗ ■ーラ ップしている こ と が望ま しい。

こ の条件を満たすよ う にセンサを設計する手法を以下に示 す。 i 番 目 に大き いセ ンサ（ただ し i = 1 ， 2 ， … ， n - 1 )

Π

のセ ンサ面上に存在する プロ ープの本数が N i , そのダイ ナ

！Η - ミ ッ ク レンジ d i(dec) [ d i > 0 ] を測定レンジ下端の濃度に 対する測定レンジ上端の濃度の比 と 定義する。 また、 i 番 目 のセ ンサの測定レンジ と これよ り も 1 段階面積の大き なセン サ i 一 1 の測定レンジと のオーバーラ ップする領域の下端に 対する上端の比を d i — i i ( dec) と 定義 し、 さ ら に この d i i と d wの比 d _i-1; i/ d J.! を設計者に任意のパラ メ タ と し て与え られる レンジオーバー ラ ッ プフ ァ ク タ ー y ( 0 < Ύ <

1 )と定義する と き、 セ ンサ間の関係が

を満たすセンサ系列を持つチ ッ プを用いる のが望ま しい。 図 4 3 はこのオーバーラ ップフ ァ ク ター γ を説明する ための 図である。 図 4 3 に示すよ う に、 センサ i — 1 、 i 、 i + 1 のダイ ナ ミ ッ ク レンジ力 d i — i 、 d _i d _{i + 1} で示されてい る。 センサ i と セ ンサ i 一 1 の測定レンジがオーバ ラ ップ する のは、 y d i — であ る。 ま た、 セ ンサ i と セ ンサ i +

1 の測定レンジがオーバーラ ップする のは、 y d i であ る。 こ こで、 オーバーラ ップフ ァ ク ター γ は γ ≤ 0 . 8 5 でめる のが望ま しい。 ま た こ こ で、 d ！ = d ₂ = ··· - d _η ― 1 ： d _n

=一定と 恣意的に設定 したセンサ系列を備えたチ ップを用い る のが望ま しい また、 センサ面上に存在するプロープの本数 N i が面積に 比例する条件で、 面積比が一定と なるチップを用いる のが望 ま しい。 すなわち 、 セ ンサ i の面積を S J と 定義する と c i + Z ° i ― ° i Ζ ° i ― .. = -一定と なる のが望ま しい さ ら に、 この面積比が、 特に 0 . 0 5 以上 0 . 5 以下で一定 と なるチップを用いるのが ま しい 。 すなわち、 0 . 0 5 ≤ i + i * ⁰ i / s i 一 ... < 0 . 5 と なる のが望ま し い。 センサ系列において、 面積の変化があま り に大きすぎる 場合にはダイナミ ック レンジのォ バーラ ップが少な く なつ て しま う。 また逆に面積の変化が少なすぎる と ダィナミ ック レンジのオ ラ ップが大き く な り すぎ、 センサ系列全体 でのダイナミ ック レンジを大さ く 取る にはセンサが多数必要 と なって しま う ため、 装置が大規模になって しま う こで 示された面積比の条件は、 の 卜 レ ドオフにおける適切な 条件を示すものでめ «

この よ う に本実施形態によれば、 各電極面積によ るダィナ ミ ッ ク レンジをォ バーラ yプさせる こ と によ り 、 測定漏れ のない最適な定量分析が可 と なる

(第 8 実施形態 )

本実施形態は第 1 実施形 の改良に係わる。 本実施形態は 定量分析の さ らに詳細な装置構成の実施形態に係わる。

第 1 実施形態に記載の構成によれば、 核酸の濃度を定量的 に分析するために 、 それぞれ異なる面積の電極を同一基板上 に実装する。 こ のと さ、 これらの電極に供給される標的核酸 溶液は、 面積の異なる電極間で拡散が起こ らないよ う に壁や 小胞で分離されてレヽる こ と が望ま しい。 更に、 分離された溶 液の体積は 、 極 iti積によ らず一定で、 かつその区切 られた 溶液に浸漬される電極の数も ^極面積にかかわらず一定であ る こ と が ま しい。 このよ に装置を構成する こ とが本実施 形態の骨子である。 これによ り 、 よ り 小さな電極では 、 プ口 ーブの本数に対する標的核酸の絶対数が大 く な り 、 感度を 上げる と が出来るからでめる ただ し、 反応時間を十分大 き く 取る必要がある。

この本実施形態の骨子を実現する構成と して、 図 4 4や図

4 5 が考え られる。

図 4 4 は本実施形態の測中装置の原理に基づき作成される 核酸濃度定量分析チップの要部断面を示す図である。 図 4 4 に示すよ つ に、 単 -の基板 4 4 1 上に、 , 複数の電極 (作用 極） 4 4 2 a 〜 4 4 2 e と 、 これら電極 4 4 2 a 4 4 2 e 表面をその一部を残して選択的に露出させる疎水性のぺ ッシ ベーシ ョ ン膜 4 4 3 a 〜 4 4 3 e が形成されている この電 極と絶縁膜と の組によ り 、 セルが形成される パ ク シベ ' ~シ ヨ ン膜 4 4 3 a 4 4 3 e は、 セノレ毎に電極 4 4 2 a 〜 4 4

2 e の表面をそれぞれ異なる面積だけ露出させてレ、る によ り 、 セノレ母に表面積の異なる作用極を - 実現する と がで さ る。 」のセノレはヽ それぞれ検体溶液 4 4 4 a 〜 4 4 4 e で 浸漬される たヽ 電極 4 4 2 a 〜 4 4 2 e 上にはプローブ 核酸 4 4 5 a 〜 4 4 5 e が固定化される れらプ口ーブ核 酸 4 4 5 a 4 5 e と、 検体溶液 4 4 4 a 〜 4 4 4 e 中の 標的核酸が反応する こ と によ り 、 標的核酸濃度の定 分析が 可能と なる。 検体溶液 4 4 4 a 〜 4 4 4 e は、 区切 り を十分 に置かずヽ 同一体積で自立してスポッ ト される。 これによ り 面積の異なる電極間で拡散が起こ らない構成が実現される。 セノレ毎に分離された検体溶液 4 4 4 a 〜 4 4 4 e の体積は、 電極面積によ らずほぼ一定で、 力 つその区切られた検体溶液

4 4 4 a 〜 4 4 4 e に浸漬される S¾i極の数も電極面積にかか わらず一定である。

図 4 5 は別の実装を説明するための模式図である。 図 4 5 に示すよ ラ に、 基板 4 5 0 に、 互いに区切 られた同一体積の 裨数の小胞 4 5 1 a 〜 4 5 1 h / HXけ られている。 これら小 胞 4 5 1 a 〜 4 5 1 h はそれぞれ流路 4 5 3 によ り 1 つの標 的核酸注入口 4 5 2 に接続されている o 一例と して、 図 4 5 では小胞 4 5 1 c 及び 4 5 1 h を拡大 して示してある 。 小胞

4 5 1 c には、 小さ な面積で、 互いに同一面積の複数の電極

4 5 3 c が SXけ つれ、 それぞれにプ 一ブ核酸 4 5 4 c が固 定化されている。 小胞 4 5 1 h にはヽ 大きな面積で、 互いに 同一面積の複数の電極 4 5 3 hが sru

BXけ られ、 それぞれにプロ ーブ核酸 4 5 4 hカ 固定化されている o

本実施形態の原理を 、 定量可能な核酸濃度の低濃度化及び 定量可能な核酸濃度範囲の広域化とレ、 観点力 ら よ り 詳細に 説明する。

基板表面に核酸プローブを固定化し、 検出 目的核酸と のハ イブリ ダィゼー シ ョ ンを行 う こ と を利用する核酸検出法にお ける、 検出可能な検出 目的核酸濃度範囲について以下に述ベ る。 核酸濃度範囲 と は、 検出に用いる溶液が一定量と した場合 その溶液中に含まれる核酸分子数範囲 と言い換える こ と がで き る。 本実施形態では、 この核酸分子数を基準に して核酸濃 度範囲を考ん る 。

図 4 6 は検出可能目 bな検出目的核酸の核酸濃度範囲を説明す ための図で 図 4 6 におレ、てヽ 上段には、 核酸濃度、 即 ち一定容量の溶液中に含まれる核酸分子数と、 単位面積当た り の信号に正規化した正規化信号の関係を示 している。 中段 には、 大面積の電極 4 6 1 での 、 の電極 4 6 1 に固定化さ れたプロ一ブ核酸 4 6 2 と標的核酸 4 6 3 と の反応を模式的 に示 している。 下段には 、 小面積の電極 4 6 6 での、 こ の電 極 4 6 6 に固定化されたプロ一プ核酸 4 6 2 と標的核酸 4 6

3 と の反応を模式的に示 している 上段のグラフ 4 6 4 は、 中段の大面積の電極 4 6 1 における標的核酸濃度と得られる 信号量を正規化 したものの関係を示してお り 、 グラフ 4 6 5 は、 下段の小面積の電極 4 6 6 にねける標的核酸濃度と得ら れる信号量を正規化 したものの関係を示 している。

こ の図 4 6 力 ら分かる よ う に 可能な核酸分子数の上 限は、 核酸プロ一ブ固定化領域に固定化されている核酸プロ ーブの分子数によつて決定される ο 全ての核酸プローブが標 的核酸分子とハイブリ ダィゼーシ 3 ン した状態が、 定量上限 を示す。 この核酸プ P一ブ分子数は 、 核酸プローブ固定化領 域の面積と核酸プ 一ブの固定化密度によ って決定される。 固定化密度は、 い < つかの要因によつて設定する こ と が可能 であるが、 ハィ ブ V ダイゼ一シ 3 ンに寄与でき るプローブ分 子数が ft大になる よ う に通常設定される。 密度が大さすぎて も小さすぎても望ま し く ない。 したがって、 核酸プ ーブの 固定ィ匕密度をある数値に g 疋 し 7こ 芴合、 固定化された核酸プ ロ ーブ数は 、 核酸プロ一ブ固定化領域面積によって決定され る。 即ち 、 定量可能な核酸濃度範囲の上限は核酸プ ーブ固 定化領域面積によって決疋 れる こ と になる。

一方 核酸濃度範囲の下限は 検出信号のバラ ッキゃノ ィ ズ、 バック グラ ウン ド信号によ って左右されるが、 定量可能 な上限の濃度に基づき、 その 1 / 1 0, 1 / 1 00 , 1 / 1 000 と いつた形 で通常は定義する こ と ができ る。

したがつて、 上記のよ う な設定では、 定量可能な核酸濃度 範囲は上限下限と も、 核酸プローブ固定化領域面積に比例す 図 4 7 は図 4 6 の上段に示すグラ フをよ り 詳細に不 したも のである。 図 4 7 のグラ フ 4 7 1 は、 ノィ ズ レベノレ 4 7 2 か ら飽和レべル 4 7 3 までの範囲を示している ο グラ フ 4 7 1 は、 飽和レベノレ 4 7 3 で飽和 し、 定量可能な濃度範囲で信号 量は減少す Ό o 一方 、 グラ フ 4 7 1 は 、 定量可能な濃度以下 の範囲では 、 信号は再び一定と なる 。

図 4 8 は 、 核酸プ口―ブ固定化領域囬積を変化させたグラ フ例を示す図である o 面積が大きい方 らヽ グラ フ 4 8 1 〜

4 8 4 とい う よ つ に 、 信号量の変化する領域ヽ すなわち濃度 を評価可能なレ ンジが変化するのが分かる ο

上記の性質を利用 して 、 ① Λ£重可能な核酸濃度の低濃度化 と、 ②定量可能な核酸濃度範囲の広域化とい つ 二つの 果 T JP2004/002205

89 ついて説明する。

①定量可能な核酸濃度の低濃度化

定量可能な核酸濃度範囲は上限下限と も、 核酸プローブ固 定化領域面積に比例する。 この性質を利用 し、 面積の小さな 核酸プローブ固定化領域を形成 したデバイ ス を利用する。 こ れによ り 、 例えば面積を 2 ケタ小さ く すれば濃度範囲は 2 ケ タ下がる、 4ケタ小さ く すれば濃度範囲は 4 ケタ下がる とい つたよ う に、 定量可能な核酸濃度の低濃度化を実現する こ と ができ る。

②定量可能な核酸濃度範囲の広域化について

定量可能な核酸濃度範囲の下限を仮に上限濃度の 1 / 1 00 と 仮定する。 即ち、 定量可能な核酸濃度範囲は 2 ケタである と 仮定する。 定量可能な核酸濃度範囲は上限下限と も、 核酸プ ロープ固定化領域面積に比例する こ と を利用する と、 核酸プ ローブ固定化領域面積が 2 ケタ小さ く なる と、 定量可能な核 酸濃度範囲も 2 ケタ下がる こ と になる。 逆に面積が 2 ケタ大 き く なる と 、 濃度範囲も 2 ケタ上がる こ と になる。

図 4 9及び図 5 0 はこの核酸濃度範囲を広域化する構成の 模式図である。 図 4 9 に示すよ う に、 基板 4 9 1 上に面積の 互いに異なる核酸プローブ固定化領域 4 9 2 a〜 4 9 2 d が 形成されている。 各核酸プローブ固定化領域 4 9 2 a〜 4 9 2 d の面積は、 2 ケタずつ連続的に異なる。 この核酸プロ一 ブ固定化領域は、 核酸プローブを固定化する電極な どで定め られる。 図 5 0 に示すよ う に、 これら核酸プローブ固定化領 域 4 9 2 a〜 4 9 2 d の各々 を基板 4 9 1 力 ら所定の高さま で囲むよ つ に、 サンプル保持枠 4 9 3 が配置される こ のサ ンプル保持枠 4 9 3 HXけ Oれたホ ^" ノレによ り 、 セル領域 4

9 4 a〜 4 9 4 d が定め ら る これ らセル領域 4 9 4 a〜

4 9 4 d は、 断面積が同 じでヽ 高さ力 S同一 、 すなわち容積が 同 じである。

図 4 9 及び図 5 0 に示すよ 'う に 面積が 2 ケタずつ連続的 に異なる核酸プ u一ブ固定化領域 4 9 4 a 〜 4 9 4 d の各々 に、 一定量ずつの検出 目的核酸含有サンプノレを反応させる こ との可能なデバィスを形成する これによ り 、 あ ら る濃度 範囲で定量が可能と なる。 濃度の不明なサンプノレを疋量 した い場合にも、 必ず核酸プロ一ブ固定化領域 4 9 4 a 4 9 4 d のいずれ カ 、 定量可能な核酸濃度範囲に適合する こ と に なる。

核酸濃度の定量分析を実現する別の構成を図 7 8 A 〜 7 8

Dに示す 。 細長形状の基板 7 8 1 上に、 一面積の核酸プロ ーブ固定化領域 7 8 2 が複数個ずつ （図 7 8 A〜 7 8 Dでは

4個ずつ ) ま と めて形成されている。 そ して、 これら核酸プ ロープ固定化領域 7 8 2 を囲むよ う に、 細長形状のサンプル 保持枠 7 8 3 が形成されている サンプル保持枠 7 8 3 は、 基板上の領域を複数に区切 りヽ かつ区切られた領域の隣接す る もの同士を細ぃ領域で接続する 」れによ り 、 同一面積、 同一高さ 、 すなわち同一容積の複数のセル領域 7 8 4 a〜 7

8 4 f と 、 これらセル領域 7 8 4 a〜 7 8 4 f 同士を接続す る流路を形成する こ と ができ る なお、 セル領域 7 8 4 a 及 び 7 8 4 f は試料導入あるいは排出のための室であつ つて、 核酸プローブ固定化領域 7 8 2 は設け られて ヽな ヽ 図 7 9 は、 これらセル領域 7 8 4 a 〜 7 8 4 f の上面がサンプル保 持枠フタ 7 8 6 で覆われた様子を示す図である。 このサンプ ル保持枠フタ 7 8 6 は 、 サンプル保持枠 7 8 3 上に支持され 固定される こ と でセノレ上面を覆 フタ と して機能する 。 図 7

9 に示すよ う に、 両端のセノレ領域 7 8 4 a 及ぴ 7 8 4 f にあ わせてサンプル注入口 7 9 1 a 及びサンプル出口 7 9 1 f が 設け られてい Ό

このよ う に 、 定量の 目的とする検体核酸の濃度よ り も十分 低い濃度領域を定量可能な核酸濃度範囲と して持つ核酸プロ ーブ固定化領域 7 8 2 を並べた装置が形成され o ₀ そ して、 図 7 8 A力 ら 〜図 7 8 Dまでに順次示すよ つ に、 標的核酸を 含む検体溶液 7 8 5 を 、 まずサンプル注入 P 7 9 1 a から注 入 し、 セル領域 7 8 4 a 力 ら 7 8 4 b 、 7 8 4 c 、 7 8 4 d

7 8 4 e 及び 7 8 4 f へと順次移動させてレ、く 。 検体溶液 7

8 5 の移動は 、 例えばポンプ等を用いてサンプル注入 Π 7 9

1 a 力 らセノレ内を加圧 し、 あるいはサンプノレ注入口 8 9 1 f 力 らセ - ノレ内の流体を吸引する とで実現可能である 以下の 実施形態でも 、 セル内の溶液の移動は同様の原理で行われる セル領域 7 8 4 b で 、 標的核酸分子は、 核酸プロ一ノ 固疋 化領域 7 8 2 に固定化された核酸プローブとハイブリ ダィゼ ー シ ョ ン反応を起こ し結合する こ こで、 基板 7 8 1 上に形 成した核酸プローブ固定化領域 7 8 2 は、 —し の定量可能な核 酸濃度範囲が十分低い範囲にあるため、 検体溶液 7 8 5 中に 存在する標的核酸分子数は、 固定化されている核酸プローブ 数よ り も十分多い。 ただし、 溶液中の標的核酸分子数はハイ ブリ ダィ ズした分子数だけ減少する。 二つ 目以降の核酸プロ ーブ固定化領域でも 同様の現象が起こ り 、 溶液中の標的核酸 分子数は徐々 に減少 してい く 。 溶液中の標的核酸分子数は 徐々 に減少 していく と い う こ と は、 検体溶液の標的核酸濃度 が減少する とい う こ と を示している。 検体溶液の標的核酸濃 度が減少する と い う こ と は、 いずれ、 形成 した核酸プローブ 固定化領域面積の定量可能な核酸濃度の範囲に到達する こ と を示す。 全ての核酸プローブ固定化領域 7 8 2 を移動 し終わ つた後に検出を行い、 最初に核酸プローブ固定化領域 7 8 2 が形成されたセル領域 7 8 4 b カゝら数えてい く つめのセル領 域で信号が変化 したかを解析する こ と によ り 、 定量を行 う こ とができ る。 処理が終了 した検体溶液 7 8 5 は、 サンプル出 口 7 9 1 f 力、ら排出 し得る。

図 8 0 A〜 8 O D及び図 8 1 は標的核酸濃度が どの濃度領 域か全く 不明な場合に用い られるチップ構成例を示す図であ る。 図 8 0 A〜 8 O Dはサンプル保持枠フタ 7 8 6 を外した 上面図を、 図 8 1 はサ ンプル保持枠フ タ 7 8 6 を取り 付けた 上面図を示 している。 図 7 8 〜 7 8 0及び図 7 9 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 7 8 A〜 7 8 D及ぴ図 7 9 と異なるのは核酸プローブ固定化領域 7 8 2 b 〜 7 8 2 e の構成である。 図 7 8 A〜 7 8 D及び図 7 9 の例では、 核酸プローブ固定化領域 7 8 2 はいずれも同 —面積をもっている。 図 8 O A〜 8 0 D及び図 8 1 の例の場 合、 セル領域 7 8 4 b には同一面積の核酸プローブ固定化領 域 7 8 2 b が複 形成される。 そ して、 これら核酸プローブ 固定化領域 7 8 2 b よ り も大き な ¾積で同一面積の核酸プロ ーブ固定化領域 7 8 2 c がセル領域 7 8 4 c に複数形成され

、―

る。 らにヽ れら核酸ノ ローブ固定化領域 7 8 2 c よ り も 大き な面積で ―面積の核酸プロ一ブ固定化領域 7 8 2 d が セル領域 7 8 4 d に複数形成され さ らに、 これら核酸プ ローブ固定化領域 7 8 2 d よ り あ大きな面積で同一面積の核 酸プローブ固定化領域 7 8 2 e がセル領域 7 8 4 e に複数形 成される。 のよ つ に、 セノレ毎に異なる面積の核酸プロープ 固定化領域が配置される

定量目的核酸濃度が どの領域か全く 不明な場合はヽ こ の よ う な図 8 0 A 〜 8 0 D及び図 8 1 Ϊし不す構成が望ま しい。 図

7 8 A 〜 7 8 D及び図 7 9 の例と 同様に、 セル領域 7 8 4 a 力、ら 7 8 4 b ヽ 7 8 4 c 、 7 8 4 e ヽ 7 8 4 f と いつた順に 検体溶液 7 8 5 を順次移動させる。 そ して、 各セル領域 7 8

4 b 〜 7 8 4 e の核酸プローブ固定化領域 7 8 2 b 〜 7 8 2 e で、 検体溶液 7 8 5 中の標的核酸と核酸プローブがハイブ リ ダィゼーシ ヨ ン反応する。 こ の順では、 核酸プローブ固定 化領域の小さな領域から大きな領域に順にハイ プリ ダィゼー シ ョ ン反応する こ と と なる。 面積の小さな核酸プローブ固定 化領域では検体溶液 7 8 5 中の標的核酸濃度の減少は少ない。 面積が大き く なるにつれて、 標的核酸濃度の減少は多く なる。 こ のこ と を利用 し、 前述手法と比較して、 よ り 大まかにはな るが、 広い範囲での定量が可能である。

図 7 4、 図 7 5 A 、 7 5 B、 図 7 6 A 、 7 6 B はさ ら に別 のチ ップ構成例を示す図である 7 4 は、 サンプル保持枠

7 4 3及ぴサンプル保持枠フ タ 7 4 5 を外した上面図を、 図

7 5 A ヽ 7 5 B はサ ンプル iレs、.持枠フ タ 7 4 5 を外した上面図 及び側面図を、 図 7 6 A、 7 6 Β はサンプル保持枠フタ 7 4

5 を取り 付けた上面図である 上述した図 7 8 A 〜 7 8 D、 図 7 9 ヽ 図 8 0 A〜 8 0 D 図 8 1 に示すチップ例では、 検 体溶液が一疋重と し tt'の手法でめつた の図 7 4 、 図

7 5 A ヽ 7 5 B 、 図 7 6 A 7 6 Β のチップ例ではヽ 逆に、 プロ一プ固定化領域の面積を一 し 』

定と 、 検体溶液 を変化さ - せる。 れによ り 定量解析が可能であ 。

図 7 4 に示すよ う に、 基板 7 4 1 上にマ 卜 V ク ス状に核酸 プロ一プ固定化領域を形成する そ して、 これら複数の核酸 プロ一プ固定化領域 7 4 2 のつ ちヽ 例えば 6個毎に周 り を取 り 囲むよ つ にサンプル保持枠 7 4 3 を形成 Tる。 のサンプ ル保持枠 7 4 3 によ り 取り 囲まれた複数の領域がヽ セル領域

7 4 4 a 〜 7 4 4 e と して機能する 。 各セル領域 7 4 4 a ~

7 4 4 e が収容する核酸プロ一ブ固定化領域 7 4 2 は 、 何れ も同数 （図 7 5 A、 7 5 Bでは 6 個 ) である。 セル領域 7 4

4 a 〜 7 4 4 e の面積及ぴ容積はそれぞれ異なる すなわち セル領域 7 4 4 a 力 S最も小さい容積であ り 、 4 4 b 、 7 4

4 c 、 7 4 4 d 、 7 4 4 e と なる につれ容積が大さ < なる。 これら各セル領域 7 4 4 a 〜 7 4 4 e には検体溶液が充填さ したがって、 セノレ容積に L て検体溶液量が変わる。 検体溶液量が少なければ、 溶液中に含まれる核酸分子数は 少ない。 検体溶液量が多ければ 、 核酸分子数は多い 基板 7 4 1 上に形成した核酸プローブ固定化領域 7 4 2 の面積から、 検出可能な核酸分子数範囲がわかる。 したがって、 検出信号 量が変化 した核酸プローブ固定化領域 7 4 2 で反応に用いた 検体溶液量から、 標的核酸の濃度を計算する こ と が可能であ る。

こ の図 7 4、 図 7 5 Aヽ 7 5 B、 図 7 6 A 、 7 6 Bのチッ プを用いた定量分析手法は 、 述の各手法と併用する こ と が でき る。 すなわち、 このセ ル容積を変化させる手法は 、 図 4

9や図 5 0 に示 したプ 一ブ固定化領域面積を変化させる手 法、 あるいは、 図 7 8 A 〜 7 8 D乃 図 8 1 に示 した溶液を 移動させる手法と併用 され得る。

図 4 9や図 5 0 に示したプローブ固定化領域面積を変化さ せる手法では、 よ り 小さな面積を形成する こ とで、 り 低濃 度まで検出する こ とが可能になる。 しかしなが ら、 小さ な面 積の電極を形成する こ と は技術的に困難な点が多い ο

そこで 、 図 7 7 A〜 7 7 Cに示すよ う なチップ構成例が適 用 され得る。 板 7 7 1 上に核酸プ P ーブ固定化領域 7 7 2 a ~ 7 7 2 g が 6個ずつ HXけられてレ、る.。 」の核酸プローブ 固定化領域 7 7 2 a〜 7 7 2 g の う ち 、 同一面積のあのを取 り 囲むサンプル保持枠 7 7 3が形成され、 セル領域 7 7 4 a

〜 7 7 4 g が定め られる o

セル領域 7 7 4 a〜 7 7 4 d までは 、 図 5 0 に示したチッ プ例 と 同様に、 同一のセル容積を持つが、 核酸プロ一ブ固定 化領域 Ί 7 2 a 一食大さ < s 7 7 2 b、 7 7 2 c 、 7 7 2 d と なる につれ順に小さ < なる。 一方、 セル領域 7 7 4 d 〜 ₇ 7 4 g までは、 図 7 5 A 、 7

5 B に示したチップ例と 様に、 核酸プ πーブ固定化領域 7

7 2 e 〜 7 7 2 g の面積は同一であなが 、 そのセノレ断面積及 び容積力 ^s異なる。 すなわち 、 セル領域 7 7 4 d のセノレ断面積 及び容積がー番小さ く 、 セル領域 7 7 4 e 、 7 7 4 f 、 7 7

4 g と なる につれ容積力 S大き く なる。

このよ つ に 、 プローブ固定化領域 7 7 2 a 〜 7 7 2 d を大 きな面積カゝら順に、 可能な範囲で小さ な面積までを基板 7 7

1 上に形成する。 そこまではセノレ容積ヽ すなわち検体溶液量 が一定と なる 。 さ らに形成した一番小さな面積のプローブ固 定化領域 7 7 2 d と 同一の面積のプロ一プ固定化領域 7 7 2 e ~ 7 7 2 g について、 セル断面積及び容積、 すなわち検体 溶液量を段階的に増加させてい く 。 このよ う に二つの手法を 組み合わせる こ と によつて定量可能な範囲を低濃度側に広げ る こ とが可能である。 逆に 、 形成した一番大きな面積のプロ ープ固定化領域について 、 液量を徐々 に減少させていけば、 定量可能な範囲を高濃度側に広げる こ とが可能である。

ただし、 この図 7 7 A 〜 7 7 C の手法で低濃度側に定量可 能範囲を広げるためには 、 液量を増加させな く てはな らず、 デバィ スサイズが大さ < なつて しま う 。 そこで 、 類似の手法 と して溶液の乾燥を伴 手法も考えられる 。 液量を段階的に 増加させる代わ り にヽ 初めに注入した溶液を乾燥させ、 再び 溶液を注入する とい と を - 繰り 返す。 れによ り 、 標的核 酸の濃縮が起こ り 、 液中の核酸分子数が増加する。 一 面積 のプ ーブ固定化領域を複数個形成して し- ヽ この乾燥と再 注入の繰り 返し数を段階的に変化させる 検出された信号量 が変化したプロ一ブ固定化領域での繰り 返し数から、 核酸の 濃度を計算する こ と が可能であ

次に、 これらに記載した手法を 現化したチクプ構成例に ついて説明する。

(構成例 1 )

こ の構成例 1 では、 異なる面積の核酸プ プ固定化領域 を形成したデバィスを用いて核酸定量解析を行 口 の、 チ ップ構成例を示す

図 5 1 〜図 5 3 は構成例 1 のチクプ 5 1 0 である。 基板 5

1 1 上に核酸プロ一ブ固定化領域 5 1 2 a 5 1 2 d を形成 した。 核酸プロ一ブ固定化領域 5 1 2 a 〜 5 1 2 d は 、 正円 形で、 直径は 5 1 2 a 力 S 5 00 μ m, 5 1 2 b 力 S 200 μ m, 5 1 2 c 力 S 1 00 μ m, 5 1 2 d 力 S の 4種類の面積のものであ り 、 それぞれ 6 つずつ形成される。 各面積の領域に 6種類の異な る配列を持つ核酸プローブを固定化でき る。 したがって、 6 種類の異なる配列の標的核酸が混合されたサ ンプルを定量検 出でき る。 基板上に検体溶液を保持するためのサ ンプル保持 枠 5 1 3 が形成される。 こ のサ ンプル保持枠 5 1 3 によって、 核酸プローブ固定化領域 5 1 2 a〜 5 1 2 d の面積ごと に区 切られ、 セル領域 5 1 4 a〜 5 1 4 d が定め られる。 さ らに サンプル保持枠 5 1 3 上にサ ンプル保持枠フタ 5 1 5 が形成 される。 こ のサンプル保持枠フタ 5 1 5 には標的核酸サンプ ノレの注人口 5 1 6 a〜 5 1 6 d とサンプル出 口 5 1 6 e〜 5 1 6 hが形成されている。 図 5 4〜図 6 3 Cは図 5 1 〜図 5 3 の構成の変形例を示す 図 5 1 〜図 5 3 と同一の構成には同一の符号を付し 詳細な 説明は省略する。

図 5 4 〜図 5 6 は核酸プロ一ブ固定化領域 5 1 2 a 〜 5 1 2 d を一列に並べずに配置 したチップ 5 5 0 の構成例 "める こ の構成例では、 核酸プローブ固定化領域 5 1 2 a は 、 それ ぞれ縦及び横に 2個ずつ配置されてレヽる。 また、 核酸プロ一 プ固定化領域 5 1 2 b 〜 5 1 2 d についても同様であ < d " た、 サンプル保持枠フタ 5 1 6 a 〜 5 1 6 h は、 セル領域 5 1 4 a 〜 5 1 4 d の対角線上に離れて配置されている

図 5 7 A、 5 7 B及び図 5 8 A 、 5 8 B はチップ 5 7 0 の 構成例である。 基板 5 1 1 自体にサンプル保持枠部 5 8 1 を 形成 した構成例である。 こ のサンプル保持枠部 5 8 1 によ り サンプル保持溝 5 8 2 が設け られ 、 セル領域 5 1 4 a 〜 5 1 4 d を定めている。 それ以外の 成は図 5 1 〜図 5 3 と 同様 である。

図 5 9 A、 5 9 B及ぴ図 6 0 A 、 6 0 B はサンプル保持枠 とサンプル保持枠フタ を一体化させたチップ 5 9 0 の構成例 である。 図 6 0 Bに示すサンプル保持枠 5 9 1 によ り 、 サン プルを保持し、 かつサンプルを保持する枠のフタ と して機能 する。 その他の構成は図 5 1 〜図 5 3 と 同様である o

図 6 1 A〜 6 1 C 、 6 2 A〜 6 2 C、 図 6 3 A 〜 6 3 Cは サンプル保持枠フタの変形例であ o

図 6 1 A及び 6 1 B は、 図 5 9 、 1_) と同様のサンプ ル保持枠 5 9 1 を用いた例を示 している。 サンプル保持枠 5 9 1 は、 セル領域 5 1 4 a 5 1 4 d の側壁が 基板 5 1 1 に対して垂直に形成されヽ また上面力 S基板 5 1 1 に水平に形 成されている。 これに対して図 6 1 C の よ う に その断面を 半円形に しても い。

また、 図 5 4 図 5 6 に示す構成に、 図 6 0 A 6 0 B に 示すサンプル保持枠 5 9 1 の構成を適用 し j 、 図 6 2 A 6 2 Cに示すもの と なる 。 図 6 2 A 6 2 Cに示すよ う に、 サンプル保持枠 6 2 1 が各セノレ領域内の核酸プ π ブ固定化 領域を区切る。

また、 図 5 4 図 5 6 に示す構成に、 図 6 1 C に示すサン プル保持枠 6 1 1 の構成を適用 し 士县 A 図 6 3 A 6 3 C に示すもの と なる 。 図 6 3 B及び 6 3 Cに示すよ う に 、 断面 が半円形のサンプル保持枠 6 2 2 が各セノレ領域内の核酸プロ ーブ固定化領域を区切る。

図 5 4 〜図 6 3 C の構成は、 さ らに以下の図 6 4 図 8 2 の構成に適用でさ る。

図 6 4 〜図 6 6 はさ らなるチップ変形例である 。 図 6 4 図 6 6 に示すチクプ 6 4 0 の基本的な構成は図 4 9及び図 5

0 に示 した構成と共通 し、 共通する構成には同 ―符号を付し、 詳細な説明は省略する 。 図 6 4 図 6 6 のチップ 6 4 0 の場 合、 図 4 9 及び図 5 0 に示 した核酸プロ ブ固定化領域 4 9

2 a 4 9 2 d をそれぞれ複数個 (図では 6個 ) 設ける そ して、 核酸プロ ブ固定化領域 4 9 2 a 4 9 2 d は 1 つ ずつサ ンプル保持枠 6 4 1 によ て区切 られる さ らに、 こ のサ ンプル保持枠 6 4 1 上にサンプル保持枠フタ 6 4 2 が配 置される。 これによ り 、 核酸プローブ固定化領域 4 9 2 a ~ 4 9 2 d毎にセノレ領域 4 9 4 a 〜 4 9 4 d 力 S定め られる。 検 体溶液サンプルが多種類あ り 、 混合されていない場合に使用 でき る。

図 6 7 〜図 6 9 はさ らなるチップ変形例である。 図 6 7 〜 図 6 9 に示すチップ 6 7 0 の基本的な構成は図 6 4〜図 6 6 に示 した構成と共通 し、 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。 チップ 6 7 0 の場合、 核酸プローブ 固定化領域 4 9 2 a 〜 4 9 2 d は、 同一面積のものについて 互いに近接 して設け られている。 サンプル保持枠 6 7 1 は、 蛇行する溝が形成されている。 こ の溝とヽ サンプル保持枠 6

7 1 に設け られるサンプル保持枠フタ 6 7 4 によ り 、 蛇行す る 1 本の細長い形状の単一のセル領域 6 7 3 が定め られる。 このサンプル保持枠フタ 6 7 4 のセノレ領域 6 7 3 の両端に対 応する位 idには、 サンプル注入口 6 7 2 a とサンプル出口 6

7 2 b がそれぞれ形成されている。 したがつて 、 一度のサン プル注入で全ての核酸プローブ固定化領域 4 9 2 a 〜 4 9 2 d にサンプルが行き渡る。

図 7 0 A 〜 7 0 Dは図 6 7〜図 6 9 の変形例である。 図 7

0 Aは、 図 6 8 と同 じ上面図である。 チップ 7 0 0 のセノレ領 域 7 0 1 の折れ曲が り 部分を改良 したものが図 7 0 B及び 7

0 Cに示される。 図 6 8 のセル領域 6 7 3 は、 蛇行する流路 の断面積がほぼ一定である。 これに対して 、 図 7 0 B及び 7

0 C に示すセル領域 7 0 1 a 及ぴ 7 0 1 b は、 サンプル保持 枠 7 0 2 a 及ぴ 7 0 2 b で定め られる。 これらセノレ領域 7 0 1 a 及ぴ 7 0 1 b は、 蛇行する流路が 定の断面積ではない セル領域 7 0 1 a 及び 7 0 1 b の断面積が蛇行部分で小さ く なる。 すなわち 、 流路が細く なる

これに よ り 、 セノレ領域 7 O l a 及び 7 0 1 b は、 サンプル 保持領域がその核酸プロ一ブ固定化領域 4 9 2 a〜 4 9 2 d の面積毎に区切 れる。 そ して、 区切 られたセル領域同士が 互いに細い流路で結合され

図 7 0 B及ぴ Cは、 上面から見たセル領域 7 0 1 a 及び 7

0 1 b の形状が 、 区切 り位置で細く なる 代替的には、 図 7

0 Dに示すよ う に、 図 6 8 と同 じサンプル保持枠 6 7 1 を用 レヽヽ かつ流路制限部材 7 0 4 を区切り 位 に配置し 、 流体の 流れを一部制限しても よい。 この場合、 サンプル保持枠フタ

7 0 3 はサンプル保持枠 6 7 1 に固定されるが、 流路制限部 材 7 0 4 と の間には間隙が設け られ

図 7 1 〜図 7 3 のチップ 7 1 0 は、 さ らなる変形例である。 前述の図 8 0 A 〜 8 0 D及ぴ図 8 1 とその構成が類似 してお り 、 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。 異なるのは 、 サンプル注入口 7 9 1 側からサンプル出

P 7 9 1 f にかけて 、 核酸プロ一ブ固定化領域 7 8 2 e〜 7

8 2 b が大さな面積から順に各セル領域 7 8 4 b〜 7 8 4 e に形成されている 、である。 その他の構成は 図 8 0 A〜 8

0 D及ぴ図 8 1 it通する。

(構成例 2 )

この構成例 2 では 、 検体溶液量を制御するセル領域を設け たデバィス を用いて核酸定量解析を行 う場 のチップ構成例 を示す。

図 7 4 、 7 5 A、 7 5 B 、 7 6 A、 7 6 B は本構成例 2 の チップ 7 4 0 である。 基本的な構成は前述 したので省略する。 基板 7 4 1 とサンプル保持枠 7 4 3 とサンプル保持枠フ タ 7 4 5 によって構成されるセル領域 7 4 4 a 〜 7 4 4 e の断面 積が、 それぞれ異なる。 こ のチップ 7 4 0 の場合、 核酸プロ ーブ固定化領域 7 4 2 は全て直径 5 0 μ mの正円形状である。 セル領域 7 4 4 a 〜 7 4 4 e の断面積が 0 . 0 0 2 m m ² 、 0 . 0 2 m m ² 、 0 . 2 m m ² 、 2 m m ² 、 2 0 m in ²の 5種 類を形成した。 セル領域 7 4 4 a 7 4 4 e の断面積は、 基 扳 7 4 1 力、らの高さ、 幅の どち らかヽ あるいは両方で規定さ れて構わない。 こ の断面積は 、 例えば図 7 6 B の例では、 基 板 7 4 1 、 サンプル保持枠 7 4 3及びサンプル保持枠フタ 7

4 5 で囲まれた領域で示される

図 7 7 A〜 7 7 Cは図 5 1 ~図 5 3 のチップ 5 1 0 の構成 と図 7 4 、 7 5 A、 7 5 B 、 7 6 Aヽ 7 6 B のチップ 7 4 0 の構成を組み合わせた例でめる 図 7 7 A〜 7 7 Cの基本的 な構成については前述 したので省略する

核酸プローブ固定化領域 7 7 2 a 7 7 2 g は、 面積が小 さいほど核酸濃度の低い領域が検出可能範囲 と なる。 さ らに、 核酸プローブ固定化領域 7 7 2 a 〜 7 7 2 g の面積あた り の サンプル量は多いほ ど核酸濃度の低レ、領域が検出可能範囲と なる。 これらを組み合わせる - と によ り 、 少ないサンプノレ量 でよ り 広い範囲での核酸定曰《解析が可能である。

(構成例 3 ) この構成例 3 では、 検体溶液を、 核酸プローブ固定化領域 間を移動させる こ と のでき るセル領域を形成 したデバィ スを 用いて核酸定量解析を行う場合のチップ構成例を示す。

図 7 8 A〜 7 8 D及び図 7 9 は本構成例 3 のチ ップ 7 8 0 の一例を示す図である。 基本的な構成は前述したので省略す る。 このチップ 7 8 0 では、 核酸プローブ固定化領域 7 8 2 は全て直径 2 0 mの正円で形成される。 検体溶液をセル領 域 7 8 4 a カゝら 7 8 4 b に移動 し、 核酸プローブと標的核酸 がハイプリ ダイゼーシ ョ ン反応を行う 時間を十分に経過 した 後、 次のセル領域 7 8 4 c に移動させる。 順次サンプルを移 動させ、 全てのプローブ固定化領域 7 8 2 を経由 させる。

図 8 O A〜 8 O D及ぴ図 8 1 のチップ 8 0 0 は図 7 8 A〜 7 8 D及び図 7 9 に示 したチップ 7 8 0 の変形例である。 基 本的な構成は前述したので省略する。 異なる面積の核酸プロ ーブ固定化領域 7 8 2 b 〜 7 8 2 e を形成する。 そ して、 小 さい面積のものから大きい面積のものへと検体溶液 7 8 5 を 移動させる。 これによ り 、 チップ 7 8 0 よ り も定量範囲を広 く する こ と が可能である。

こ の よ う に上記実施形態によれば、 電極面積毎に互いに検 体溶液を分離して定量分析する環境を整える こ と によ り 、 面 積の異なる電極間で核酸反応が生 じず、 分析精度が向上する。

(第 1 実施形態乃至第 8 実施形態について）

上記第 1 乃至第 8 実施形態の構成において、 セ ンサ、 正規 化、 減算、 電流電圧変換、 A / D変換な どの機能ブロ ッ ク は、 以下の図 8 2 〜図 8 5 のよ う にま と め られる。 なお、 図 8 2 〜 8 5 には、 説明の便宜のためヽ プ π一プ電流測定用の電極 面積の異なる 2つのセンサ 8 2 2 8 2 3 と、 バ ッ ク グラ ゥ ン ド電流測定用の電極面積の異なる 2つのセンサ 8 2 5 ， 8

2 6 と を配置する例を示 したが 、 これに限定されないこ と は も ちろんである。 電極面積の異なる 3 つ以上のセンサを配置 しても ぶレ、

図 8 2 は 、 第 1 実施形態の図 1 4や図 1 9 に示 した構成を 機能的に示 した図である。 図 8 2 に示すよ う に、 核酸検出セ ンサ部 8 2 1 と、 バック グラ ウ ン ド、レベル検出センサ部 8 2

4 がある 核酸検出センサ部 8 2 1 は、 電極面積 A のセ ン サ 8 2 2 と 、 電極面積ひ A。 ( < 1 ) のセ ンサ 8 2 3 を備 える。 ノ^ク ク グラ ウン ドレべノレ検出センサ部 8 2 4 は 、 電極 面積 A のセ ンサ 8 2 5 と 、 電極面積 ひ A 。のセ ンサ 8 2 6 を備える

核酸検出センサ部 8 2 1 の出力側には正規化部 8 2 7 が配 置される。 正規化部 8 2 7 は、 電流增幅部 8 2 8 及び 8 2 9 からなる 。 電流増幅部 8 2 8 はヽ センサ 8 2 2 の出力電流を

1倍に増幅し、 減算部 8 3 3 に出力する 電流 幅部 8 2 9 は、 センサ 8 2 3 の出力電流を 1 / a倍に増幅し 、 減算部 8

3 3 に出力する。

バ ック グラ ウン ドレ ベノレ検出セ ンサ部 8 2 4 の出力側には 正規化部 8 3 0 が配置される。 正規化部 8 3 0 は 、 ¾流増幅 部 8 3 1 及び 8 3 2 からなる。 電流増幅部 8 3 1 は、 センサ

8 2 5 からの出力電流を 1 倍に增幅し 、 減算部 8 3 3 に出力 する。 電流増幅部 8 3 2 は 、 センサ 8 2 6 からの出力電流を l Z a倍に増幅し、 減算部 8 3 3 に出力する。

減算部 8 3 3 は、 電流増幅部 8 2 8 の出力電流から電流増 幅部 8 3 1 の出力電流を減算 して電流電圧変換部 8 3 4 に出 力する。 また、 減算部 8 3 3 は、 電流増幅部 8 2 9 の出力電 流から電流増幅部 8 3 2 の出力電流を減算 して電流電圧変換 部 8 3 4 に出力する。

電流電圧変換部 8 3 4 は、 2 つの電流電圧変換部 8 3 5及 び 8 2 6 からなる。 電流電圧変換部 8 3 5 は、 電極面積 A。 のセンサ 8 2 2 ， 8 2 5 についての 算出カ電 を電圧変換 してセ レク タ 1 3 6 に出力する。 ¾流電圧変換部 8 3 6 は、 電極面積 A 。のセ ンサ 8 2 3 ， 8 2 6 に レヽての減算出力 電流を電圧 換してセ レク タ 1 3 6 に出力する

セ レク タ 1 3 6 及び A Z D コ ンノ^ ―タ 1 3 7 の機能につい ては上記各実施形態で示したの と 通 Tる。

図 8 3 は 、 図 3 3 に図 3 6 を適用 した実施形態に対応する 機能プロ ック図である。 図 8 2 と 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 3 の場合ヽ センサ 8 2

2 , 8 2 3 ， 8 2 5 , 8 2 6 の出力 it流は減算部 8 3 3 に出 力される。 減算部 8 3 3 は、 セ ンサ 8 2 2 の出力電流力、らセ ンサ 8 2 5 の出力電流を減算 して正規化部 8 4 1 の電流增幅 部 8 4 2 に出力する 。 また、 減算部 8 3 3 は、 セ ンサ 8 2 3 の出力電流からセンサ 8 2 6 の出力電流を減算 して正規化部

8 4 1 の電流増幅部 8 4 3 に出力する

電流増幅部 8 4 2 は、 減算出力 流を 1 倍に増幅し C T 電圧変換部 8 3 5 に出力する。 ¾流 幅部 8 4 3 はヽ 減算出 04002205

106 力電流を l Z o;倍に増幅して電流電圧変換部 8 3 6 に出力す る。 電流電圧変換部 8 3 4 から後段の機能は図 8 2 と共通す る。

図 8 4 は、 上記第 1 実施形態の構成において、 減算を核酸 検出用チップ 1 2 外の演算処理装置 1 1 3 内で実行する実施 形態に対応する。 核酸検出センサ部 8 2 1 と、 バ ッ ク グラ ウ ン ドレべル検出センサ部 8 2 4 と、 正規化部 8 2 7及び 8 3

0 までの構成は図 8 2 の例と共通する。 電流増幅部 8 2 8 ，

8 2 9 , 8 3 1 及び 8 3 2 の各出力電流は電流 圧変換部 8

5 2 〜 8 5 5 に出力される 。 電流電圧変換部 8 5 2 〜 8 5 5 は、 各出力を電圧変換 してセ レク タ 1 3 6 に出力する。 各出 力電圧は 、 セ レク タ 1 3 6 、 A / D コ ンバータ 1 3 7 を介し て核酸検出用チップ 1 2外の演算処理装置 1 1 3 に出力され る。 演算処理装置 1 1 3 内の減算部 1 1 3 a はヽ センサ 8 2

2 の出力データからセ ンサ 8 2 5 の出力データ を減算 し、 セ ンサ 8 2 3 の出力データからセンサ 8 2 6 の出力データ を減 算する。

図 8 5 は、 図 1 4 ， 図 1 5 , 図 1 6及び図 1 9 に示される 構成に対応する機能プロ ッ ク図である。 核酸検出センサ部 8 2 1 と、 バック グラ ウ ン ドレベル検出センサ部 8 2 4 と 、 正 規化部 8 2 7及ぴ 8 3 0 と、 電流電圧変換部 8 5 1 までの構 成は図 8 4 の例と共通する。 減算部 8 3 3 は、 電流電圧変換 部 8 5 2 の出力電圧カゝら電流電圧変換部 8 5 4 の出力電圧を 減算 してセ レク タ 1 3 6 に出力する。 また、 減算部 8 3 3 は、 電流電圧変換部 8 5 3 の出力電圧から電流電圧変換部 8 5 5 の出力電圧を減算 してセ レク タ 1 3 6 に出力する。

なお、 これら図 8 2 〜図 8 5 に示した構成は例示であ り 、 各構成の順序を種々変更する こ と ができ る。

こ のよ う に本実施形態によれば、 核酸濃度を広範囲のダイ ナミ ック レンジで高精度に測定する こ とができ る。

産業上の利用可能性

以上説明 したよ う に この発明は、 検体中に含まれる標的核 酸の濃度を定量的に分析する核酸濃度定量分析チップ、 核酸 濃度定量分析装置および核酸濃度定量分析方法の技術分野に 有効である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 標的核酸と相補的な核酸を有する核酸プローブが固定化 され、 かつ各 が異なるセンサ面積を有する複数の核酸セン サと、

刖記核酸センサの第 1 の検出信号をセンサ面積について正 規化する第 1 の正規化部と

を具備してなる こ とを特徴とする核酸濃度定量分析チッ プ

2 . さ らに、 前記核酸プロ一プが固定化されず、 かつ各々が 異なる前記センサ面積を有するノ ッ クグラウン ド レベルセン サと、

m記ハ、ックグラゥン ド レベルセンサの第 2 の検出信号を前 記センサ面積について正規化する第 2 の正規化部と、

刖 己第 1 の正規化部の第 1 の出力信号から第 2 の正規化部 の第 2 の出力信号を減算する減算部と

¾ 備える こ とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度定量 分析チップ。

3 . さ らに、 前記核酸プローブが固定化されず、 かつ各々が 異なる前記センサ面積を有するパックグラウン ド レベルセン サと、

前記パッ ク グラウン ド レベルセンサの第 2 の検出信号を前 記センサ面積について正規化する第 2 の正規化部と、

前記第 1 の正規化部の第 1 の出力信号から第 2 の正規化部 の第 2 の出力信号を減算する減算部と、

前記減算部の出力信号電流を電圧変換する電流電圧変換部 を備える ことを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度定量分 析チップ

4 . 刖 p己第 1 の正規化部は、 前記核酸センサの第 1 の検出信 号の 1 の電流値が正の に の笛 1 の電流値を複製及 び増幅す 1 のカ レン ト ミ ラーと 1 の電流値が負の -" 合に第 1 の電流値を複製及び増幅する第 2 の力 レン 卜 ラ とを備える y とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度 Λ 凰 分析チ Vプ。

5 . さ らに、 HU記核酸プローブが固定化されず 、 かつ各々が 異なる刖記センサ面積を有するバッ クグラゥン ド レベルセン サと

前記パッ クグラウン ド レベルセンサの第 2 の検出信号を m 記センサ面積について正規化する第 2 の正規化部と

前記第 1 の正規化部の第 1 の出力信号から第 2 の正規化部 の第 2 の出力信号を減算する減算部とを備え、

刖 e3第 1 の正規化部は、 前記核酸センサの第 1 の検出信号 の第 1 の電流値が正の場合に、 前記第 1 の電流値を複製及び 増幅する第 1 のカ レン ト ミ ラーと、 第 1 の電流値が負の場合 に、 前記第 1 の電流値を複製及び増幅する第 2 の力 レン 卜 ミ ラーとを備 、

前記第 2 の正規化部は、 前記バッ クグラウン ド レベルセン サの第 2 の検出信号の第 2 の電流値が正の場合に、 前記第 2 の電流値を複製及び増幅する第 3 のカ レン 卜 ミ ラーと、 前記 第 2 の電流値が負の場合に前記第 2 の電流値を複製及ぴ増幅 する第 4 のカレン トミ ラーとを備え、

前記減算部は、 第 1 のカ レン 卜 ミ ラーの第 1 の出力電流か ら 3 のカ レン トミ ラーの第 3 の出力電流を減算し、 第 2 の 力 レン 卜ミ ラーの第 2 の出力電流から第 4 のカ レン 卜 S ラ一 の 4 の出力電流を減算する こ とを特徴とする請求項 1 に 5し 載の核酸濃度定量分析チップ。

6 さ らに、 前記核酸センサの各々 を収容し、 前記核酸セン サのセンサ面積に応じて互いに分離して複数設けられたセル を備えてなる こ とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度定 里分析チップ。

7 - 前記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ り 小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測定レンジがオーバーラップする こ とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度定量分析チップ。

8 - 記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ Ό 小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測 レンジがオーバーラップし 、

、

第 1 のセンサのダイナミ ック レンジ d (dec)を m記第 1 の 測定レンジの第 1 の下端に対する第 1 の上端の第 1 の比と疋 義し 、 第 1 のセンサの第 1 の核 ：酸プローブの本数が N 丄 第

2 のセンサの第 2 の核酸プロ一ブの本数が N ₂ 、 記第 1 の 測定レンジと前記第 2 の測定レンジがオー バ ーラ ップする核 酸濃 領域の第 2 の下端に対する第 2 の上端の第 2 の比が d

1 ,2 (de c) , この d i，₂ と d i の比 d i ,₂/ d！ を Ύ ( 0 ≤ r < 1 ) と する と、 _{1 0} dl(l—Y) =

2 力 成立する こ とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸 ft: 疋 里分析チッ プ。

9 . 前記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測定レンジがォー 一ラ ップし、

第 1 のセンサの第 1 のダイナミ ッ ク レンジ d (dec)を刖記 第 1 の測定レンジの第 1 の下端に対する第 1 の上端の比と定 義する とき、 第 1 のセンサの第 1 の核酸プローブの本数が N

,,、·-

1 ， 第 2 のセンサの第 2 の核酸プローブの本数が N ₂ 、 刖記 第 1 の測定レンジと刖 己第 2 の測定レンジとがォーバ ―ラ ッ プする核酸濃度領域の第 2 の下端に対する第 2 の上端の第 2 の比が d _{1 ; 2} (dec) , の d _{1 ) 2} と d 1 の比 d _{1 ; 2}/ d i を ァ （ 0 ≤ r

< 1 ) とする と、

_{1 0} di(i— γ) ₌

N₂ 力 成 IIし、 刖記 r は、 7 ≤ 0 . 8 5 を満たすこ とを特徴と する請求項 1 に記載の核酸濃度定量分析チップ。

1 0 . 前記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの の 測定レンジがォ一バ一ラップし、

第 1 のセンサの第 1 のダイナミ ッ ク レンジ d 丄 (dec)を刖記 第 1 の測定レンジの第 1 の下端に対する第 1 の上端の第 1 の 比と定義し、 第 2 のセンサの第 2 のダイ ナミ ッ ク レンジ d ₂ (dec)を前記第 2 の測定レンジの第 2 の下端に対する第 2 の 上端の第 2 の比と定義し、 第 1 のセンサの第 1 の核酸プロ一 ブの本数が N _{l 5} 第 2 のセンサの第 2 の核酸プローブの本数 が N ₂、 前記第 1 の測定レンジ及び前記第 2 の測定レンジが オーバーラップする核酸濃度領域の第 3 の下端に対する第 3 の上端の第 3 の比が d i -, (dec) , この d _{1 ; 2} と d i の比 d _{1 ; 2}/ d！ を r ( 0 ≤ r < 1 ) とすると 、

_{1 0} ^did— Y) =

N₂ が成立し、 前記第 1 及び第 2 のダイ ナミ ッ ク レンジ d 1 と d 2は、 d ₁ - = d ₂ を満たす 二 と を特徴とする請求項 1 に記 載の核酸濃度定量分析チップ o

1 1 . HU記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測定レンジがオーバ—ラ ップし、

、 記核酸プローブは電極面積に比例した分子数だけ刖記第

1 及び第 2 のセンサに固定化される場合に、 前記第 1及び第

2 のセンサの第 1 及び第 2 の電極面積をそれぞれ S ！及び S

2 とする と、 0 . 0 5 ≤ S 2 , / S ！≤ 0 . 5 である こ とを特 徵とする請求項 1 に記載の核酸濃度定量分析チップ。

1 2 . 前記核酸センサは第 1 のセンサと、 前記第 1 のセンサ よ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサと、 前記第 2 のセ ンサょ り も小さな電極面積を持つ第 3 のセンサとを備え、 第 1 のセンサの第 1 の測定レンジ及び第 2 のセンサの第 2 の測定レンジがォーパーラップし

前記核酸プローブは電極面積に比例した分子数だけ前記第 1 乃至第 3 のセンサに固定化される場合に、 前記第 1 乃至第 3 のセンサの第 1 乃至第 3 の電極面積をそれぞれ S ！ , S ₂ 及び S ₃ とする と、 S ₂ Z S ₁ = S ₃ / S ₂である こ とを特徴 とする請求項 1 に記載の核酸濃度定量分析チップ。

1 3 . 前記核酸センサは第 1 のセンサと前記第 1 のセンサよ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサとを備え、

第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測定レンジがォ一バ一ラップし、

、

刖記核酸プロ一ブは電極面積に比例した分子数だけ前記第

1 及び第 2 のセンサに固定化される場合に、 前記第 1 及び第

2 のセンサの第 1 及び第 2 の電極面積をそれぞれ S i及び S

₂ とすると、 0 . 0 5 ≤ S ₂ / S ₁≤ 0 . 5であ り、

記複数の核酸センサの各々のセンサ面積値が実質的に等 比数列をなすこ とを特徴とする請求項 1 に記載の核酸濃度定 量分析チップ。

1 4 • 前記核酸センサは第 1 のセンサと、 前記第 1 のセンサ よ り も小さな電極面積を持つ第 2 のセンサと、 前記第 2 のセ ンサよ り も小さな電極面積を持つ第 3 のセンサとを備え . 第 1 のセンサの第 1 の測定レンジと第 2 のセンサの第 2 の 測定レンジがォ一バ一ラ ップし、

前記核酸プローブは電極面積に比例した分子数だけ前記第 1 乃至第 3 のセンサに固定化される場合に、 前記第 1 乃至第 3 のセンサの第 1 乃至第 3 の電極面積をそれぞれ S i S ₂ 及び S ₃ とする と 0 . 0 5 ≤ s ₂ / s <： 0

5 でめ る とを特徴と Ό m求項 1 に記載の核酸濃度 里分 析チップ。

1 5 . 標的核酸と相補的な核酸を有する核酸プローブが固定 化され、 かつ各 が異なるセンサ面積を有する複数の核酸セ ンサと、

記核酸プ Π ブが固定化されず、 かつ各々が異なる前記 センサ面積を有するバックグラウン ド レベルセンサと

前記核酸センサの第 1 の検出信号をセンサ面積について正 規化する第 1 の正規化部と、

刖記バ ッ クグラゥン ド レべルセンサの第 2 の検出信号を刖 記センサ面禾貝について正規化する第 2 の正規化部と、

前 し 1 の正規化部の第 1 の出力信号電流を電圧変換する 第 1 の電流 圧変換部と、

前 し 2 の正規化部の第 2 の出力信号電流を電圧変換する 第 2 の電流 m圧亦換部と、

記第 1 の電流電圧変換部の第 1 の出力電圧を D変換 して第 1 のァン夕ル丁一夕を生成し、 刖記第 2 の電流電圧変 換口 15の第 2 の出力電圧を A Z D変換して第 2 のデジ夕ル了 夕を生成する A / D変換口5と

刖記第 1 の丁ジ ルデ 夕力、ら第 2 の Tジ夕 Jレデー を減 算する減算部と

を具備してなる < _とを特徴とする核酸濃度定量分析装置 <

1 6 . 標的核酸と相補的な核酸を有する核酸プローブが固定 化され、 かつ各 が異なるセンサ面積を有する複数の核酸セ ンサと、

刖記核酸プ口 ―プが固定化されず、 かつ各々が異なる刖目己 センサ面積を有するパッ クグラウン ド レベルセンサと、

前記核酸センサの第 1 の検出信号をセンサ面積について正 規化する笛 1 の正規化部と、

記バヅクグラゥン ドレべルセンサの第 2 の検出信号を 記センサ面積について正規化する第 2 の正規化部と、

、

m 1 の正規化部の第 1 の出力信号電流を電圧変換する 第 1 の電流電圧変換部と、

刖 2 の正規化部の第 2 の出力信号電流を電圧変換する 第 2 の電流電圧亦換 R¾と、

1 の電流電圧変換部の第 1 の出力電圧から前記第 2 の電流電圧変換部の第 2 の出力電圧を減算する減算部と 、 前記減算部の第 3 の出力電圧を A Z D変換する A Z D ί矢 部と

を具備してなる ことを特徴とする核酸濃度定量分析装 ¾。

1 7 的核酸と相補的な核酸を有する核酸プローブが固定 化され、 かつ各々が異なるセンサ面積を有する複数の核酸セ ンサと、

刖記核酸プ口一ブが固定化されず、 かつ各々が異なる刖 己 センサ面積を有するパックグラウン ド レベルセンサと、 刖記核 センサの第 1 の検出信号から前記バッ クグラゥン ド レベルセンサの第 2 の検出信号を減算する減算部と、 刖記減算部の減算出力信号をセンサ面 いて正 ¾化す る正規化部と

を ¾備してなる こ とを特徴とする核酸濃度疋虽分析チップ。

1 8 口

. さ らに、 刖 正規化部の出力信 A ί;ιΕを 圧変換す 電流電圧恋 i ©fe¾部ロ を備える とを特徴とする請求項 1 7 に記載 の核酸濃度疋里分析チッ ノ

1 9 . 標的核酸と相補的な核酸を有する核酸プ口 ブが固定 化され、 かつ各々が異なるセンサ面 を有する の核酸セ ンサと、

刖記核酸センサの検出信号をセンサ面積について正規化し 正規化信号を出力する第 1 の正規化部と

を備えた核酸濃度定量分析チップと

前記正規化信号に基づき核酸濃度を 出する核酸濃度算出 装置と

を具備してなる とを特徵とする核酸濃度定量分析装置。

2 0 . 刖記核酸濃度算出装置は、 前記正規化信号と予め定め られた閾値を比較し 各々のセンサ面積について 2 値のビッ 卜丁一夕を取得し

前 値のビッ 丁 夕を 予め 2値の判定ビッ トデ一夕 と刖記各々 のセンサ面積について前記核酸の濃度とを対応づ けた判定テープルと昭合する とによ り核酸濃度を決定する とを特徴とする ≤^求項 1 9 に記載の核酸濃度定量分析装 鼠

2 1 . 刖 核酸プ Π ブに刖 標的核酸が結合した核酸 2 本 鎖が固定化され かつ各々が なる前記センサ面積を有する 飽和レベル検出センサとをさ らに有する こ とを特徴とす 求項 1 9 に記載の核酸濃度定量分析装置。

2 2 . 標的核酸と相補的な核酸を有する核酸プ Π ―ブが固定 化され、 かつ各々が異なるセンサ面積を有する複数の核酸セ ンサの検出信号を各々のセンサ面積について正規化して正規 化信号を出力し、

HIJ gd正規化信号に基づさ核酸濃度を算出する

とを特徴とする核酸濃度定量分析方法。