(57)【要約】【課題】生体高分子反応を促進させて、ＤＮＡ解析時間の効率化を図る。【解決手段】ＤＮＡチップのカバーシートに工夫を施して、効率的な電磁波照射を行いハイブリダイゼーションの効率化を行うことが可能である。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＮＡチップとこのＤＮＡチップに電磁波を照射する電磁波照射部とを備え、ＤＮＡチップと照射部との間に誘電率が２．５以下の誘電体を介在させてなるハイブリダイゼーション装置。
【請求項２】
誘電体がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ＡＢＳ樹脂などから選ばれてなる請求項１に記載のハイブリダイゼーション装置。
【請求項３】
誘電体がＤＮＡチップ表面を覆うシート状である請求項１ないし２に記載のハイブリダイゼーション装置。
【請求項４】
シート状誘電体の周縁に肉厚部を設けたことを特徴とする請求項３に記載のハイブリダイゼーション装置。
【請求項５】
シート状誘電体を複数枚重ねて使用することを特徴とする請求項３に記載のハイブリダイゼーション装置。
【請求項６】
シート状誘電体の一部がレンズ状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のハイブリダイゼーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療分野、バイオテクノロジー分野、農林水産分野などにおける生体高分子の反応、代表的にはハイブリダイゼーション、免疫染色に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡチップ解析において、本発明は適用できる。ＤＮＡチップは検出を意図するＤＮＡ断片をガラス基板上に固定したものである。検出対象となる臨床検体などから採取したＤＮＡを蛍光色素で標識化して、この溶液をＤＮＡチップ上に載せる。一定の温度及び時間でハイブリダイズを行わせる。その後洗浄することによりハイブリダイズしないＤＮＡを除き、蛍光強度の測定をすることにより当初意図したＤＮＡの含有を判定する。ハイブリダイズはＤＮＡ上の塩基対が、アデニン−チミン及びグアニン−シトシンの間のみで形成されることを原理としたＤＮＡ鎖間の反応である。この反応は基本的にはランダムな熱平衡反応で、最適なハイブリダイズを得る温度及び時間の条件検討が不可欠である。現実にはハイブリダイズの時間は３６時間以上に達することがあり、ＤＮＡチップのプロセス中最も時間がかかる。
【０００３】
特開２００３-２６５１７５号公報に、マイクロ波を照射すれば反応が促進されることが示されているが、マイクロ波の照射につき特段の工夫はなく、単にマイクロ波が上方からランダムに照射されている構成である。
【０００４】
そこで検体にカバーグラスを被せて電磁波を照射すれば反応が促進されることを知見したが、照射された電磁波のカバーグラスでの反射が大きいためマイクロ波の効率良い照射ができない欠点がある。
【特許文献１】特開２００３−２６５１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記背景技術はこのように構成され、生体高分子の反応を促進する効果については一定の評価があるものの、照射効率において問題がある。特に、この従来技術は生体高分子反応において、マイクロ波をカバーグラスの上から照射するものであり、カバーグラスによる反射の問題をかかえる。
【０００６】
そこで本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、特にＤＮＡハイブリダイゼーションにおける電磁波照射による反応促進に効果のある反応促進システムを提供することを目的とする。ここで、本発明はホーンアンテナなどを用いて照射する形態に限るものではなく、電子レンジなどを用いてマイクロ波を照射する形態についても可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかるハイブリダイゼーション装置は、ＤＮＡチップとこのＤＮＡチップに電磁波を照射する電磁波照射部とを備え、ＤＮＡチップと照射部との間に誘電率が２．５以下の誘電体を介在させてなることを特徴とする。
請求項２においては誘電体がフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ＡＢＳ樹脂などから選ばれてなる。
請求項３においては誘電体がＤＮＡチップ表面を覆うシート状である。
請求項４においてはシート状誘電体の周縁に肉厚部を設けたことを特徴とする。
請求項５においてはシート状誘電体を複数枚重ねて使用することを特徴とする。
請求項６においてはシート状誘電体の一部がレンズ状に形成されていることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は本発明を示すシステム例であり、電磁波を発生する電磁波発振部（ガン発振部）１、電磁波の出力や周波数を制御可能な電磁波制御部（増幅器、減衰器）２、電磁波を放射する電磁波出力部３、反応部の温度を制御する温度制御部（恒温部）４を備える構成として、生体高分子反応を促進する最適な照射を行う。
【０００９】
なお発振部１に化合物半導体を用いることで、電子レンジで使用されるマグネトロンより小型なシステムを構築できる。さらに、ミリ波を用いればマイクロ波に比べて導波路サイズを小型化できるため、システム全体の小型化を図ることができる。コストについては、ＶＨＦ、ＵＨＦ帯、携帯電話の周波数帯と時代毎に市場に合わせて半導体の価格は指数関数的に安価となってきた。将来的にミリ波帯の市場が通信、イメージング分野において活性化することで、ミリ波帯の半導体汎用部品が安価になると予想できる。
【００１０】
ここで、化合物半導体は放射効率が悪いという欠点がある。そこで、半導体の発振器を使用することで、放射効率の向上及び、化合物半導体に比べてより小型化が可能である。ＶＣＯ（電圧制御発振器）をシリコン上で実現できる技術（シリコン上に可変容量コンデンサ、コイルなどのＶＣＯに必須な受動素子が実装可能）を利用して、それに、アイソレータ、低雑音増幅器、逓倍器、アンテナで構成されるシステムを組む。この分野は現在開発中の段階であり、現時点ではガンダイオードを用いたシステムを構築するのが最良だと考えるが、将来的にはさらに周波数の高い領域での発振器が開発され、また、増幅器などの特性も向上すると予想できるため、より小型化で使いやすく安価なシステムを組むことが可能であると期待できる。
【００１１】
また、ミリ波での照射はマイクロ波に比べて、周波数が高いため分子の振動回数を増加させることができ、さらなる生体高分子の反応促進を実現する。
【００１２】
本発明は出力制御可能な電磁波制御部２により、均一な照射及び部分的な照射と局部的な温度上昇を避けることが可能となる。また、最適な照射電力を制御することにより日単位のハイブリダイゼーションの時間を極端に短縮することが可能となる
【００１３】
本発明は発振源に化合物半導体であるガンダイオードを用いて、電磁波出力部において均一的な電磁波照射及び集中的な電磁波照射を可能とする。ガンダイオードはデバイスの扱いが容易であり、また、本発明のシステムを構成する上で重要な発振源となる。増幅器や減衰器を用いて、ハイブリダイズする際に最適な電力を放射することができる（代表としては、数百ｍＷ）。
【００１４】
本発明はアレー型ホーンアンテナを構成することで、ブロック単位の電磁波照射を可能とする。
【００１５】
本発明は温度制御部において、被照射部のある反応部４内を一定温度（３７±１度）に保ちハイブリダイゼーションを行う。ハイブリダイゼーションはプレハイブリダイゼーション溶液（５０％ホルムアミド、５×デンハルト液）でブロッキングする。ブロッキング溶液を基板に滴下して、気泡が入り込まないようにカバーグラスを静かに載せる。その後、基板を温度制御部に入れて試験を行う。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の実施例である。発振源より安定した電磁波の供給を行う。発振源について、ガンダイオード、インパットダイオードなどの化合物半導体及びその他も使用可能である。本発明ではガンダイオードを用いたガン発振器1を使用する。その電磁波を電磁波制御部において、増幅、減衰を行いＤＮＡチップに照射する電磁波を所望の電力に設定する。ＤＮＡ固定のため、温度制御部において温度をインキュベート（３７±１度）して、電磁波出力部としてのホーンアンテナ３より電磁波をＤＮＡチップに照射してハイブリダイゼーションを行う。電磁波制御部２と電磁波出力部との接続は導波管もしくは同軸ケーブルで行う。温度制御部については、内部をシールド及び電波吸収体９を使用して外部に電磁波が漏れなく、さらに内部での電磁波の反射を極力抑える構成とする。７は導波管であり電磁波制御部及び電磁波発振部が配設された装置本体８からの電磁波を導く。
【００１７】
本発明の反応促進の原理を簡単に説明する。電磁波の照射により溶液に存在する分子が誘電分極する。電場の向きが高速に変化することにより誘電加熱が発生する。そのため、溶液中の分子にエネルギーが供給されて、分子振動を活発化させると考えられる。
【実施例２】
【００１８】
図２は本発明のブロック図である。ガン発振器１より電磁波１１を発生させて、導波管７もしくは同軸ケーブルを使用して電磁波の伝送を行う。各種制御を施して、ホーンアンテナからなる電磁波出力部３より所望の電磁波を照射するシステムである。
【実施例３】
【００１９】
図３は本発明の電磁波出力部における実施例である。ホーンアンテナをアレー型アンテナ１０とすることで、ＤＮＡチップ５に対して均一な電磁波の照射を行うことができ、均一な照査を可能とする。使用する電磁波の周波数を上げることによりアレー型ホーンアンテナ１０のサイズを小さくすることができる（代表としてはミリ波など）。
【００２０】
また、アレー型ホーンアンテナ１０とＤＮＡチップ５との距離を短くすることでＤＮＡチップに照射される電磁波１１の減衰を極力抑える。
【００２１】
望ましくは図９のようにホーンアンテナ１４（あるいはアレー型ホーンアンテナ１０）側の伸縮部１８の機械的な上下移動と基台１９側の機械的な上下移動により、ＤＮＡチップとホーンアンテナ間を所望する距離に設定してターゲットに電磁波を効率良く照射する。
【００２２】
なお、対象とする電磁波の周波数については、水の電磁波吸収特性が大きい帯域を選択して行う（代表としては、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、２２ＧＨｚ、１００ＧＨｚなど）。
【実施例４】
【００２３】
図４は本発明の電磁波出力部３における照射方向の規制案の一実施例である。図３に説明するアレー型ホーンアンテナ１０の放射角度を被照射物方向に合わせて変えたものであり、最大放射方向を一定のターゲットに向けることにより、ＤＮＡチップに対してより強力な電磁波照射を可能とする。
【００２４】
また、ＮＲＤ（Ｎｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｖｅ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）ガイドを用いて、ＮＲＤを束ねたものをＤＮＡチップに照射することで、電力損失の少ない効率の良い電磁波照射を可能とする。
【実施例５】
【００２５】
図５は本発明の電磁波出力部における実施例である。アレー型ホーンアンテナ１０（代表として１０個のホーンアンテナを配列）を使用して、各ホーンアンテナ１０をブロック単位に区切りブロック単位で制御を行い、ＤＮＡチップに対してブロック単位の電磁波照射を可能として、ハイブリダイゼーションの効率化を図り、試験時間だけでなく試験方法を拡張できる。図６にその配列を示す。
【００２６】
（１）５ブロック交互加熱
［Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ］→［Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ］→［Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ］・・・
（２）時分割ブロックサークル加熱
Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇ→Ｈ→Ｉ→Ｊ→Ａ→Ｂ→Ｃ・・・
【実施例６】
【００２７】
図７は本発明の電磁波照射の実施例である。本発明で使用するＤＮＡチップはシート状誘電体１３０（２２×４０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）とスライドグラス１５（２５×７５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）とターゲットとなる生体高分子及び溶液１６で構成される。ここで、本発明の固体支持体はガラスに限るものではなく、ガラス、プラスチック、シリコンなどの支持体の表面上に適度な表面処理層を形成した後に化学修飾を施すと、遺伝子、タンパク質、ペプチド等の生体物質と強固に結合するので生体物質を載せて様々な解析に用いることが可能である。これらのプラスチックが、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、メチルペンテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニール樹脂であることが望ましい。
【００２８】
図７のように機台の上にターゲットを載せてシート状誘電体側の面から電磁波を照射する。
試験で使用するＤＮＡチップは誘電率が高いため、そのまま電磁波を照射すると反射波が大きくなってしまう。安定したシステムを構築するためには反射波は極力抑えたい。そのため、図８のように、シート状誘電体１３０はＤＮＡチップと同程度のサイズのフッ素樹脂シート１７（２５×７５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、比誘電率２．０４）をＤＮＡチップの上に置き、物質内の誘電率の差を段階的に変化させて反射率を小さくしている。厚さについては、フッ素樹脂シートのｔａｎδを考慮して０．３ｍｍとする。これは既存のガラス製のＤＮＡチップを用いた場合であり、本発明では反射を抑制する方法として吸収体でＤＮＡチップを作る方法を含む。
【００２９】
以下本発明のシート状誘電体につき詳細に説明する。
図９において、Ｓｎｅｌｌの法則より、誘電率の異なる二つの物質間のＴＥ波の反射率は以下のように表せる。境界面に対して、その入射角をθｉ、屈折角をθｔ、入射角側の物質の比誘電率をεｉ、屈折角側の物質の比誘電率をεｔとして、ＴＥ波の振動方向が境界面に平行な場合の反射率をＲ（ＴＥ）とすると、
ｎ＝ｓｉｎθｉ／ｓｉｎθｔ＝√（εｉ／εｔ）   
Ｒ（ＴＥ）＝（ｃｏｓθｉ−√（１／ｎ−ｓｉｎ2θｉ））
／（ｃｏｓθｉ＋√（１／ｎ−ｓｉｎ2θｉ）
よって、反射率Ｒ（ＴＥ）は入射角θｉによって変化する。
【００３０】
図１０は入射角を変化させて電磁波の反射率を計算したものである（例として、カバーグラスの比誘電率を４．０、フッ素樹脂シートの比誘電率を２．２）。図１０より、石英グラスに比べてフッ素樹脂シートの方が全般に反射率が低いことが分かる。
【００３１】
上述のように基台の上にターゲットを載せて、カバーグラスではなくシート状誘電体に相当するフッ素樹脂シート１３０（例としては比誘電率：２．２）をターゲットに被せる。フッ素樹脂シート１３０側の面から電磁波を照射することにより、カバーグラスを用いるより電磁波の反射をを抑えることができる（フッ素樹脂シートの例としては、日本ピラー工業株式会社製、大きさ２２×４０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ）。
【００３２】
ここで、本発明はフッ素樹脂に限るものではなく、フッ素樹脂以外にも比誘電率が低いものであればセラミックやその他の樹脂でも可能である。
また、フッ素樹脂のｔａｎδはガラスより小さいため、誘電体を通過する際の損失も抑えることができ電磁波の照射効率を上げることが可能である。
【実施例７】
【００３３】
図１１から図１４は本発明の実施例である。試験の際にシート状誘電体としてのシートの取扱いを容易にするため、シート周縁部に肉厚部を設けた（四辺肉厚、両端肉厚、部分的肉厚）。
【００３４】
図１１はシート１３１の周縁部１３２を肉厚にしたもので、シート１３１の形状に合わせて周縁に沿うように形成する。
【００３５】
形成に際しては図１２に示すように成形により一体成形するか、枠状の同一または別部材を添着する。
【００３６】
使用に際しては周縁部１３２をつまみ一端側から徐々に被せていくことによって空気の噛みこみを抑え、ハイブリダイズ中のＤＮＡの変質を抑制する。
【００３７】
また、引き剥がす際も徐々に剥がせるのでシートを横にずらすことなく剥がせ、チップの損傷を防止できる。（図１３参照）
【００３８】
図１４は対向2辺に平行周縁部１３３を一体的に延設したものだが、周縁部１３３の厚さｔ２はシート厚ｔ１以上であれば適用可能であり、摘み上げやすいシート上面より上向きに延設されれば良い。
【実施例８】
【００３９】
図１５、１６は本発明の実施例である。図１５はシート１３５間に隙間を設けて、図１６はシート１３６を積層している。シートを通過する際に電磁波はエネルギーを損失する。図１６のようにシート１３６を積層することで、一枚の場合と比較して電磁波がシートに入射してから通過するまでに進む距離が長くなる。これによりその間での電磁波の損失が大きくなり、検体に届く電磁波は弱くなる。また、図１５のように隙間を設けることで、さらに距離を稼ぐことができる。これにより、さらに減衰をさせることが可能となる。装置側で出力される電磁波の出力電力が大きく検体を破壊してしまう場合について、検体側のカバーシートの構成を変えることにより、カバーシートでの減衰量を変化させて、検体を破壊しない適度な電磁波の照射を可能とする。
【実施例９】
【００４０】
図１７から１８は本発明の実施例である。シートの形状をレンズ状とすることで、電磁波を収集して、電磁波の効率的な照射が可能となる。図１７はレンズ状シート１３７一つを用いた構成で、図１８はレンズをアレイ状態としたマルチレンズ状シート１３８である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態の一例で、反応促進を行うシステム概略図。
【図２】本発明のブロック概略図。
【図３】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部の均一照射を行う概略図。
【図４】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部の集中照射を行う概略図。
【図５】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部のアレー化ホーンアンテナを用いてブロック照射を行う概略図。
【図６】本発明の実施形態の一例で、ブロック照射を行う一例である。
【図７】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部のターゲットに一定の面から照射を行う概略図。
【図８】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部においてフッ素樹脂シートを用いて照射を行う概略図。
【図９】境界面における電磁波反射の概略図。
【図１０】境界面における反射率の計算結果例。
【図１１】本発明の実施形態の一例で、取扱いを簡易化したシートの構成図。
【図１２】本発明の実施形態の一例で、取扱いを簡易化したシートの構成図。
【図１３】本発明の実施形態の一例で、取扱いを簡易化したシートの構成図。
【図１４】本発明の実施形態の一例で、取扱いを簡易化したシートの構成図。
【図１５】本発明の実施形態の一例で、電磁波の照射を効率良く実施する構成図。
【図１６】本発明の実施形態の一例で、電磁波の照射を効率良く実施する構成図。
【図１７】本発明の実施形態の一例で、電磁波の照射を効率良く実施する構成図。
【図１８】本発明の実施形態の一例で、電磁波の照射を効率良く実施する構成図。
【符号の説明】
【００４２】
１    電磁波発振器
２    電磁波制御部
３    電磁波出力部
４    反応部
５    ＤＮＡチップ
６    導波管同軸変換器
７    同軸ケーブルもしくは導波管
８    電磁波制御部及び電磁波発振部
９    電波吸収体及びシールド
１０    アレー型ホーンアンテナ
１１    電磁波
１２    ブロック照射
１３    シート状誘電体
１４    ホーンアンテナ
１５    スライドグラス
１６    生体高分子及び溶液
１７    フッ素樹脂シート
１８    伸縮部
１９    基台
２０    シールド
２１    電波吸収体 
２２    ガンダイオード
２３    温度制御部外壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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