(57)【要約】      （修正有）【課題】電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法を提供する。【解決手段】  供給されるプローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡからなる群から選択された核酸と、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質と、オリゴペプチド類からなる群から選択された生体分子と、を含む生体分子溶液が吐出可能な吐出口を有するキャピラリと、吐出口の下方に設置される基板と、吐出口の縁部に沿ってプリンタ本体に設置される電界形成第１電極と、所定間隔離隔されて設置される電界形成第２電極と、電界形成第１電極及び電界形成第２電極に交流電圧を印加し、電場の分布と、自由界面を有する生体分子溶液及び大気の電気誘電率の勾配との相互作用によって、生体分子溶液の周囲から生体分子溶液への電気力を発生させて、所定サイズの生体分子溶液を基板の標的表面に落とす電圧印加装置とを含む。【選択図】  図４
2005195602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されるプローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡからなる群から選択された核酸と、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質と、オリゴペプチド類からなる群から選択された生体分子と、を含む溶液が吐出可能な吐出口を有するキャピラリと、
少なくとも１つの前記キャピラリを支持するプリンタ本体と、
前記生体分子の固定化のための標的表面を有し、前記吐出口の下方に設置される基板と、
前記吐出口の縁部に沿って前記プリンタ本体に設置される電界形成第１電極と、
前記電界形成第１電極と所定間隔離隔されて設置される電界形成第２電極と、
前記電界形成第１電極及び前記電界形成第２電極に電気的に結合され、前記吐出口におさまっている前記生体分子溶液の周囲に電場が形成されるように、前記電界形成第１電極及び前記電界形成第２電極に交流電圧を印加し、前記電場の分布と、自由界面を有する前記生体分子溶液及び大気の電気誘電率の勾配との相互作用によって、前記生体分子溶液の周囲から前記生体分子溶液への電気力を発生させて、所定サイズの前記生体分子溶液を前記基板の標的表面に落とす電圧印加装置と、を含むことを特徴とする電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項２】
前記電圧印加装置は、交流電圧と直流電圧とを共に印加でき、電場形成のために交流電圧を印加する時に、同時に直流電圧も印加することを特徴とする請求項１に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項３】
前記直流電圧は、５００Ｖ〜３００,０００Ｖであり、前記交流電圧は５００Ｖ〜３００,０００Ｖであることを特徴とする請求項２に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項４】
前記交流電圧は、４０Ｈｚ〜１,０００Ｈｚの周波数を有することを特徴とする請求項３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項５】
前記基板は、シリコンで製作されることを特徴とする請求項１に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項６】
前記電界形成第１電極は、金で製作された円形電極であることを特徴とする請求項１に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項７】
前記電界形成第１電極に対向して前記基板の標的表面の周りに沿って設置される伝導性円形バンドをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項８】
前記伝導性円形バンドは、前記吐出口とほぼ直交するように配置されることを特徴とする請求項７に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項９】
前記電界形成第２電極は、前記伝導性円形バンドであり、前記伝導性円形バンドは金で製作されることを特徴とする請求項７に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項１０】
前記電界形成第２電極は、前記基板を支持するステージに設置されることを特徴とする請求項７に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項１１】
前記伝導性円形バンドの内部及び外部の前記基板表面は溶液の接触角を高めて溶液が脇に流れないように疏水性処理されたことを特徴とする請求項７に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項１２】
前記キャピラリは、前記プリンタ本体に複数備えられ、前記キャピラリの吐出口は前記プリンタ本体に前記基板上の前記各標的表面と同一ピッチで配列されることを特徴とする請求項１に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置。
【請求項１３】
（ａ）プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡからなる群から選択された核酸と、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質と、オリゴペプチド類からなる群から選択された生体分子と、を含む生体分子溶液が吐出可能な吐出口を有するキャピラリに前記生体分子溶液を供給する段階と、
（ｂ）前記吐出口におさまっている前記生体分子溶液の周囲に電場が形成されるように、交流電圧を印加できる電圧印加装置に電気的に連結され、前記吐出口の縁部に沿って設置される電界形成第１電極と、前記電界形成第１電極と所定間隔離隔されて設置されて、前記電圧印加装置に電気的に連結された電界形成第２電極に交流電圧を印加して前記電場の分布、自由界面を有する前記生体分子溶液及び大気の電気誘電率との勾配の相互作用によって、前記生体分子溶液の周囲から前記生体分子溶液への電気力を発生させて、所定サイズの前記生体分子溶液を前記吐出口の下方に設置される基板の前記生体分子の固定化のための標的表面に落とす段階と、を含むことを特徴とする電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１４】
前記（ｂ）段階は、交流電圧を印加する時に、同時に直流電圧も印加することを特徴とする請求項１３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１５】
前記直流電圧は、５００Ｖ〜３００,０００Ｖであり、前記交流電圧は５００Ｖ〜３００,０００Ｖであることを特徴とする請求項１４に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１６】
前記交流電圧は、４０Ｈｚ〜１,０００Ｈｚの周波数を有することを特徴とする請求項１５に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１７】
前記基板は、シリコンで製作されることを特徴とする請求項１３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１８】
前記電界形成第１電極は、金で製作された円形電極であることを特徴とする請求項１３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項１９】
前記電界形成第１電極に対向して前記基板の標的表面の周りに沿って伝導性円形バンドが設置されることを特徴とする請求項１３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項２０】
前記伝導性円形バンドは、前記吐出口とほぼ直交するように配置されることを特徴とする請求項１９に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項２１】
前記電界形成第２電極は前記伝導性円形バンドであり、前記伝導性円形バンドは金で製作されることを特徴とする請求項１９に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項２２】
前記電界形成第２電極は電極板であり、前記基板を支持するステージに設置されることを特徴とする請求項１９に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項２３】
前記伝導性円形バンドの内部及び外部の前記基板表面は、溶液の接触角を高めて溶液が脇に流れないように疏水性処理されたことを特徴とする請求項１９に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【請求項２４】
前記キャピラリは前記プリンタ本体に複数備えられ、そのキャピラリの吐出口は、前記プリンタ本体に前記基板上の前記各標的表面と同一ピッチで配列されることを特徴とする請求項１３に記載の電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気水力学的（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ：ＥＨＤ）現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法に係り、より詳細には、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ ｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質類、オリゴペプチド類などの生体分子溶液を固体基板の表面上に落とし固定化させて、バイオチップ、またはＤＮＡマイクロアレイを製作するための、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間ゲノムプロジェクトの驚異的な進行と共に、遺伝病の診断、治療及び予防における莫大な量の遺伝子情報を迅速に提供できる方法に対する要求が高まってきた。これまで塩基序列分析法として使われてきたサンガーの方法は、ＤＮＡを複製する重合酵素連鎖反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＰＣＲ）法の開発及びその自動化などにより着実に発展したにも拘わらず、過程が複雑で、かつ多くの時間と努力、コスト及び高度の熟練度を必要とするために、膨大な量の遺伝子を分析できず、新たな塩基序列分析システムが摸索し続けられた。このような時代的な必要性により、去る数年間、バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイの製作及び利用技術と関連した多くの部分での進歩があった。
【０００３】
バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイとは、シリコン、表面改質ガラス、ポリプロピレン、活性化ポリアクリルアミドのような固体表面での塩基序列が知られている、少なくは数個、多くは数百個の塩基サイズのオリゴヌクレオチドプローブを数百ないし数十万個の定められた位置に付着させて微細集積させたものを言う。このようなバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイに分析しようとする標的ＤＮＡ断片を結合させれば、バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイに付着されているプローブと標的ＤＮＡ断片上の塩基序列との相補的な程度によって、相異なる混成化結合状態をなすが、これを光学的な方法、または放射能化学的方法などを通じて観察解析することによって、標的ＤＮＡの塩基序列が分析できる（ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ ｂｙ ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ：ＳＢＨ）。
【０００４】
バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイは、ＤＮＡ分析システムの小型化を成して極微量の試料のみでも遺伝子の分析が可能であり、標的ＤＮＡ上の数箇所の塩基序列を同時に明らかにできて、安価であるだけではなく、速かに遺伝情報を提供できる。また、バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイは、膨大な量の遺伝情報を短時間内に同時に分析できるだけではなく、遺伝子間の相互連関性まで規定できて、今後は遺伝病及び癌の診断、突然変異の探索、病原菌の検出、遺伝子の発現分析及び新薬開発などの幅広い分野で応用されると予想できる。また、微生物や環境汚染の感知器を利用して、解毒物質に対する遺伝子を捜し出して、遺伝子の再組み合わせ技術を適用することによって、解毒物質を大量生産するか、医薬用の農作物、低脂肪含有の肉類の生産にも応用できるなど、ほぼ全体の生物関連産業に利用されて革命的な発展をもたらしうる。
【０００５】
バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイは、使われたプローブの種類によってオリゴチップとｃＤＮＡチップとに区分する場合もあり、製作された方法によってフォトリソグラフィチップとピン方式のスポッティングチップ、インクジェット方式のスポッティングチップに分類する場合もある。図１及び図２は、それぞれピン及びインクジェットを利用して基板上に生体分子をプリンティングする従来の方法を示す図面であって、これらの方式は、ピン１１０を利用するか、インクジェット１１０ａを利用してプローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質類、オリゴペプチド類などの生体分子溶液１０３を固体基板１３０の表面上に落としてバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイ１３０に固定化させている。
【０００６】
しかし、ピンを利用した場合には、ピンで生体分子を１回プリンティングした後、洗浄して異なる生体分子をさらにプリンティングするので、９９％以上の生体分子を捨てるようになり、また、スポットのサイズも多少不規則であり、時折ピンがふさがる現象も発生するだけではなく、ピンの寿命も短くてスポッティング時間によって濃度も変化し、毛細管のネッキングによるので、プリンティングするのに長時間かかり、何よりも正確な整列が要求されるなどの幾つかの問題点があった。また、インクジェットを利用する場合には、インクジェットを利用するためにバブルジェット(登録商標）方式が使われる場合、瞬間的に超高温の熱が必要であるので、生体分子のうち熱に敏感なものは熱による影響を受け、時折ノズルの詰り現象も発生するという問題点があった。
【０００７】
したがって、このような問題点を考慮して、最近、電場を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法が特許文献１などに紹介されたことがある。この方法は、プローブＤＮＡ溶液が負電荷を帯びる性質を利用して電圧印加装置１６０にキャピラリ支持部１２０全体に負電荷をかけて、基板１３０は正極性を有させることによって、キャピラリ１１０にあるプローブＤＮＡ溶液１０３が基板１３０に引かれて落ちるようにしている。
【０００８】
ところが、前記電場を利用して基板上に生体分子をプリンティングする従来の装置及びそのプリンティング方法においては、基板が常に正極性を有さねばならず、したがって、交流電圧を使用できないので、直流電圧のみを使用せねばならないという限界を有する問題点があり、実際にＤＮＡ溶液が多様な塩類によって構成されており、相当量の正電荷を有しているので、実際、直流電圧（ＤＣ電圧）のみをかけた時は、プローブＤＮＡ溶液がうまくプリンティングされないので、実用化し難いという問題点があった。また、蛋白質類は必ずしも負電荷ではなく、ＰＮＡなどの一部核酸は中性的性質を有しているので、このような生体分子には適用がほとんど不可能であるという問題点があった。
【特許文献１】欧州特許第１,１５７,７３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、従来のこのような問題点を解決するために、生体分子スポットの整列が容易であり、特にプリンタ本体と基板との間の整列が多少間違っても正確で、かつ再現性ある生体分子スポッティングが可能であり、またスポッティング時間を従来に比べて短縮でき、均一な量をスポッティングできるだけではなく、熱に敏感な蛋白質分子、中性的性質を有する生体分子などにも適用できる、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、シリコン集積化が可能な、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的は、本発明によって、供給されるプローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡからなる群から選択された核酸と、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質と、オリゴペプチド類からなる群から選択された生体分子と、を含む生体分子溶液が吐出可能な吐出口を有するキャピラリと、少なくとも１つの前記キャピラリを支持するプリンタ本体と、前記生体分子の固定化のための標的表面を有し、前記吐出口の下方に設置される基板と、前記吐出口の縁部に沿って前記プリンタ本体に設置される電界形成第１電極と、前記電界形成第１電極と所定間隔離隔されて設置される電界形成第２電極と、前記電界形成第１電極及び前記電界形成第２電極に電気的に結合され、前記吐出口におさまっている前記生体分子溶液の周囲に電場が形成されるように前記電界形成第１電極及び前記電界形成第２電極に交流電圧を印加して、前記電場の分布と、自由界面を有する前記生体分子溶液及び大気の電気誘電率の勾配との相互作用によって、前記生体分子溶液の周囲から前記生体分子溶液に対して電気力を発生させて、所定サイズの前記生体分子溶液を前記基板の標的表面に落とす電圧印加装置と、を含むことを特徴とする、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置により達成される。
【００１２】
ここで、前記電圧印加装置は、交流電圧及び直流電圧を共に印加することができ、電場形成のために交流電圧を印加する時に、同時に直流電圧を印加することが生体分子をプリンティングする時間を短縮するのに有利である。
【００１３】
そして、前記直流電圧は５００Ｖ〜３００,０００Ｖの間に決定され、前記交流電圧は５００Ｖ〜３００,０００Ｖの間に決定されることが一般的である。
【００１４】
この時、前記交流電圧は、４０Ｈｚ〜１,０００Ｈｚの間の周波数に決定されうる。
【００１５】
そして、前記基板はシリコンで製作されるのが、シリコンの集積化の上で望ましい。
【００１６】
一方、前記電界形成第１電極は、金で製作された円形電極であることが望ましい。
【００１７】
そして、前記電界形成第１電極に対向して前記基板の標的表面の周りに沿って設置される伝導性円形バンドをさらに含むことが望ましい。
【００１８】
ここで、前記伝導性円形バンドは、前記吐出口とほぼ直交するように配置される。
【００１９】
また、前記電界形成第２電極は、前記伝導性円形バンドであり、前記伝導性円形バンドは金で製作されることが望ましい。
【００２０】
そして、前記電界形成第２電極は、前記基板を支持するステージに設置される場合もある。
【００２１】
また、前記伝導性円形バンドの内部及び外部の前記基板表面は、溶液の接触角を高めて溶液が脇に流れないように疏水性処理することが望ましい。
【００２２】
一方、前記キャピラリは、前記プリンタ本体に複数備えられ、前記キャピラリの吐出口は前記プリンタ本体に前記基板上の前記各標的表面と同一ピッチで配列されることが同時に幾つかの異なる種類の生体分子をプリンティングできて望ましい。
【００２３】
一方、本発明の他の分野によれば、（ａ）プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡからなる群から選択された核酸と、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質と、オリゴペプチド類からなる群から選択された生体分子と、を含む生体分子溶液が吐出可能な吐出口を有するキャピラリに前記生体分子溶液を供給する段階と、（ｂ）前記吐出口におさまっている前記生体分子溶液の周囲に電場が形成されるように、交流電圧を印加できる電圧印加装置に電気的に連結され、前記吐出口の縁部に沿って設置される電界形成第１電極と、前記電界形成第１電極と所定間隔離隔されて設置され、前記電圧印加装置に電気的に連結された電界形成第２電極に交流電圧を印加して前記電場の分布、自由界面を有する前記生体分子溶液及び大気の電気誘電率の勾配との相互作用によって、前記生体分子溶液の周囲から前記生体分子溶液への電気力を発生させて、所定サイズの前記生体分子溶液を前記吐出口の下方に設置される基板の前記生体分子の固定化のための標的表面に落とす段階と、を含むことを特徴とする、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする方法が提供される。
【００２４】
ここで、前記（ｂ）段階は、交流電圧を印加する時、同時に直流電圧を印加することがプリンティングする時間を短縮するのに有利である。
【００２５】
そして、前記直流電圧は、５００Ｖ〜３００,０００Ｖに決定され、前記交流電圧は、５００Ｖ〜３００,０００Ｖに決定されることが一般的である。
【００２６】
この時、前記交流電圧は、４０Ｈｚ〜１,０００Ｈｚの周波数に決定されうる。
【００２７】
そして、前記基板はシリコンで製作されるのが、シリコン集積化の上で望ましい。
【００２８】
一方、前記電界形成第１電極は、金で製作された円形電極であることが望ましい。
【００２９】
そして、前記電界形成第１電極に対向して前記基板の標的表面の周りに沿って設置される伝導性円形バンドをさらに含むことが望ましい。
【００３０】
ここで、前記伝導性円形バンドは、前記吐出口とほぼ直交するように配置される。
【００３１】
一方、前記電界形成第２電極は、前記伝導性円形バンドであり、前記伝導性円形バンドは金で製作されることが望ましい。
【００３２】
また、前記電界形成第２電極は電極であり、前記基板を支持するステージに設置されうる。
【００３３】
そして、前記伝導性円形バンドの内部及び外部の前記基板表面は、溶液の接触角を高めて溶液が脇に流れないように疏水性処理されたことが望ましい。
【００３４】
また、前記（ｂ）段階は、前記基板上の前記各標的表面と同一ピッチで配列される複数の吐出口によって行われることが同時に幾つかの他の種類の生体分子をプリンティングできて望ましい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、ＥＨＤ現象を利用するので、生体分子スポットの整列が容易であり、特にプリンタ本体と基板との間の整列が多少間違っても正確で、かつ再現性ある生体分子スポッティングが可能であり、また、スポッティング時間を従来に比べて短縮でき、均一な量をスポッティングできるだけではなく、熱に敏感な蛋白質分子、中性的性質を有する生体分子などにも適用できるようにしたＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法が提供される。また、基板をシリコンで製作することによって、シリコン集積化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００３７】
図４は、本発明の第１実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図であり、図５は、図４の装置のプリンタ本体の底面図であり、図６は、図４の装置の基板の平面図であって、これら図面に示されたように、本発明の第１実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１は、生体分子溶液が吐出可能な吐出口１１を有するキャピラリ１０と、キャピラリ１０を支持するプリンタ本体２０と、生体分子の固定化のための標的表面３１を有し、吐出口１１の下方に設置される基板３０と、吐出口１１の縁部に沿ってプリンタ本体２０に設置される電界形成第１電極４０と、電界形成第１電極４０と所定間隔離隔されて設置される電界形成第２電極５０と、電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に電気的に結合されて交流電圧を印加する電圧印加装置６０とを具備する。
【００３８】
キャピラリ１０には、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質類、オリゴペプチド類などの生体分子が供給されて貯蔵される。キャピラリ１０は管状であって、下部に吐出口１１を有しているが、管の直径が微細であるために外部から力が加えられなければ、生体分子溶液３が表面張力により重力に勝って吐出口１１におさまっている。
【００３９】
そして、プリンタ本体２０は、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）で製作される場合もあるが、キャピラリ１０を支持するようになる。本実施形態では、１つのキャピラリ１０を支持しているが、複数のキャピラリ１０を支持することが一般的である。
【００４０】
また、バイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを構成する基板３０は、生体分子がプリンティングされる標的表面３１を有し、本実施形態ではシリコンで製作されるが、ガラス、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）コーティングガラス、プラスチック類などで代替できることは言うまでもない。そして、後述する伝導性円形バンド７０の内部及び外部の基板３０表面は疏水性処理して生体分子溶液３の接触角を高めて生体分子溶液３が脇に流れないようにしている。
【００４１】
一方、電場を形成するための電界形成第１電極４０は、吐出口１１の縁部に沿ってプリンタ本体２０に設置され、電極第１リード線４１によって電圧印加装置６０に電気的に連結されているが、本実施形態では金で製作された円形電極が使われる。本実施形態で電界形成第１電極４０は金で製作されるが、金の他に白金、銅、伝導性ポリマー類、カーボンナノチューブなどの電圧が印加されうる伝導体で作られうることは言うまでもない。
【００４２】
そして、電界形成第２電極５０は、電界形成第１電極４０と所定間隔離隔されて設置されて電圧が印加されれば、電界形成第１電極４０と共に電場を形成する。本実施形態で、電界形成第２電極５０は、電界形成第１電極４０に対向して基板３０の標的表面３１の周りに沿って設置される伝導性円形バンド７０であって、伝導性円形バンド７０は、吐出口１１の吐出軸に対してほぼ直交する平面上に配置されねばならず、金で製作される。このような伝導性円形バンド７０は、電極第２リード線５１によって電圧印加装置６０に電気的に連結されている。本実施形態では、伝導性円形バンド７０が金で製作されたが、白金、銅、伝導性ポリマー、カーボンナノチューブなどの電圧が印加できる伝導体で作られうることは言うまでもない。
【００４３】
また、電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に電気的に連結されている電圧印加装置６０は、吐出口１１におさまっている生体分子溶液３の周囲に電場が形成されるように、電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に交流電圧を印加して、電場の分布と、自由界面を有する生体分子溶液３及び大気の電気誘電率の勾配との相互作用によって、生体分子溶液３の周囲から生体分子溶液３への電気力を発生させて、所定サイズの前記生体分子溶液３を基板３０の標的表面３１に落とす。電圧印加装置６０は、直流電圧と交流電圧とを特定周波数で同時に印加できる構造となっており、本実施形態では、電場形成のために交流電圧を印加する時に実質的に同時に直流電圧を共に印加して、生体分子の基板３０へのプリンティング時間を短縮させている。高電圧の範囲は、直流電圧の場合、５００Ｖ〜３００,０００Ｖの間に、交流電圧の場合、５００Ｖ〜３００,０００Ｖの間に決定され、交流電圧の周波数の範囲は、４０Ｈｚ〜１,０００Ｈｚの間に決定される。
【００４４】
このような構成によって、図７ないし図１０を参照して、本発明の第１実施形態によるＥＨＤ現象を利用して、基板上に生体分子をプリンティングする方法を説明すれば、次のようである。
【００４５】
まず、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体からなる群から選択された蛋白質類、オリゴペプチド類などの生体分子溶液３が吐出可能な吐出口１１を有するキャピラリ１０に供給される。この時、キャピラリ１０は管状であって、下部に吐出口１１を有しているが、管の直径が微小であるために、外部から力が加えられなければ、生体分子溶液３が表面張力により重力に対応して吐出口１１におさまっている。
【００４６】
次いで、電圧印加装置６０に電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に交流電圧及び直流電圧を同時に印加して、吐出口１１におさまっている生体分子溶液３の周囲に図７のように電場を形成する。
【００４７】
このように、吐出口１１の円周方向の接線方向に作用する表面張力により、重力に対応しておさまっている生体分子溶液３の周辺に電場が加えられれば、図７で示されたように、接触角及び曲率半径を有している生体分子溶液３の周囲に曲線型の電位線が分布する。この電場分布と、自由界面を有する生体分子溶液の液滴３及び大気の電気誘電率勾配との相互作用によって、生体分子溶液の液滴３の周囲から生体分子溶液の液滴３へのＥＨＤ力が発生する。この力は、特に生体分子溶液の液滴３の下部面より上部キャピラリ１０面と接触している接触点の近くである生体分子溶液の液滴３の上部方向にさらに強く作用して、図７のように、全体的に生体分子溶液の液滴３の上部方向に集中分布する。これによって、生体分子溶液の液滴３は、変形を引き起こして図８のような形態を有する。
【００４８】
この後、図８のように上部がくびれて変形された生体分子溶液の液滴３の周囲に再びさらに勾配になった電場が分布し、この結果、変形された生体分子溶液の液滴３の上部にさらに強いＥＨＤ力が集中する。この力は生体分子溶液の液滴３をさらに変形させて図９のように上部側からネック状を有する生体分子溶液の液滴３を引き起こす。生体分子溶液の液滴３のネック部位でさらに集中する電気力により、結局生体分子溶液の液滴３は図１０のように２つの生体分子溶液の液滴３に分離され、これによって、キャピラリ１０の吐出口１１で表面張力によりおさまっていた生体分子溶液の液滴３が下方に配置された基板３０の標的表面３１に落ちる。
【００４９】
図１１は、本発明の第２実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。本発明の第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が付され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ａ’が付加されて付され、本発明の第２実施形態については第１実施形態と同じ部分についての説明は重複されるので、省略することにし、他の部分についてのみ説明する。図１１に示されたように、本発明の第２実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１ａは、第１実施形態とは異なって伝導性円形バンド７０に第２電極リード線が連結されておらず、電極板５０ａがシリコン基板３０の下に設置されてＥＨＤ現象を誘導するようにしている。すなわち、本実施形態では、電界形成第２電極がシリコン基板３０の下に設置される電極板５０ａになる。
【００５０】
図１２は、本発明の第３実施形態による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。本発明の第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が付され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ｂ’が付加されて付され、本発明の第３実施形態については、第１実施形態と同じ部分についての説明は重複されるので、省略することにし、他の部分に対してのみ説明する。図１２に示されたように、本発明の第３実施形態による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１ｂは、第１実施形態とは異なって伝導性円形バンドが設置されておらず、電極板５０ｂがシリコン基板３０の下に設置されてＥＨＤ現象を誘導するようにしている。すなわち、本実施形態でも電界形成第２電極がシリコン基板３０の下に設置される電極板５０ｂになり、本実施形態は、第２実施形態とは異なって、伝導性円形バンドが設置されていない構成を有する。
【００５１】
図１３は、本発明の第４実施形態による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。本発明の第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が付され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ｃ’が付加されて付され、本発明の第４実施形態については、第１実施形態と同じ部分についての説明は重複されるので、省略して他の部分についてのみ説明する。図１３に示されたように、本発明の第４実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１ｃは、第１実施形態とは異なって、電界形成第２電極に該当する伝導性円形バンド５０ｃがシリコン基板３０を支持するステージ８０に設置されてＥＨＤ現象を誘導するようにしている。本実施形態のように、第２電極リード線５１ｃが連結された電界形成第２電極５０ｃをシリコン基板３０の下のステージ８０に設置すれば、シリコン基板３０がプリンティングのためにステージまたはコンベヤーなどを移動する時に、電圧印加装置６０との連結で自由になりうるので、連続する他のシリコン基板３０に連続的に生体分子をプリンティングできる。
【００５２】
図１４は、本発明の第５実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。本発明の第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が指示され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ｄ’が付加されて指示され、本発明の第５実施形態については、第１実施形態と同じ部分についての説明は重複されるので、省略することにし、他の部分についてのみ説明する。図１４に示されたように、本発明の第５実施形態による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１ｄは、第１実施形態とは異なって、電極板５０ｄがシリコン基板３０の下に設置されてＥＨＤ現象を誘導するようにしている。言い換えれば、電界形成第２電極がシリコン基板３０の下に設置される電極板５０ｄになる。また、プリンタ本体２０に複数のキャピラリ１０が設置されて複数の吐出口１１を形成し、基板３０には吐出口１１に対向する複数の標的表面３１が備えられており、標的表面３１の周りには、複数の伝導性円形部材７０が備えられている。すなわち、キャピラリ１０はプリンタ本体２０に複数備えられ、キャピラリ１０の吐出口１１は、プリンタ本体２０に基板３０上の各標的表面３１と同一ピッチで配列されている。本実施形態は、他種の生体分子を同時にプリンティングしようとする時に特に有益になる。図１５は、図１４の装置を使用して基板上に生体分子をプリンティングする様子を示す図面であって、ＥＨＤ現象を利用して数枚のシリコン基板３０ｄ、すなわちバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを製作する状態を示しているが、これに示されたように１枚のシリコン基板３０ｄに生体分子プリンティングが終われば、自動的に１枚の基板３０ｄが移動し、後続する他の基板３０ｄに連続的に生体分子をプリンティングできる。
【００５３】
図１６は、本発明の第６実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。本発明の第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照番号が付され、多少変更されたが、対応する構成要素には‘ｅ’が付加されて付され、本発明の第６実施形態については第１実施形態と同じ部分についての説明は重複されるので、省略することにし、他の部分についてのみ説明する。図１６に示されたように、本発明の第６実施形態による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置１ｅは、第１実施形態とは異なって、電界形成第２電極に該当する伝導性円形バンド５０ｅがシリコン基板３０ｅを支持するステージ８０に設置されてＥＨＤ現象を誘導するようにしており、第４実施形態と異なって、図１３に示された第４実施形態の伝導性円形バンド７０が本実施形態のシリコン基板３０ｅには設置されない。
【００５４】
以下、本発明による、ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置を利用してプリンティングする実施形態について図４及び図５と図１７Ａないし図１７Ｄ、図１３と図１８Ａないし図１８Ｆ、そして、図１６と図１９Ａないし図１９Ｂを参照して詳細に説明する。
［実施例１］
ＰＭＭＡを利用してプリンタ本体２０を製作し、銅で製作された伝導性円形バンド７０を吐出口１１の側に図５のように製作した。電圧印加装置６０は、直流電圧及び交流電圧を同時にかけるように自体製作し、図４のようにＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子溶液をプリンティングできる装置を構成した。
【００５５】
ここでの実験は、蒸溜水、プローブＤＮＡ溶液、蛋白質のＨＢＶ抗体溶液で行った。
【００５６】
第１実験で、蒸溜水を利用してプリンティングを試みた。電圧印加装置６０の電圧は、下部の電極を接地電極として、上部の電極を作業電極として印加した。ここで、電圧印加装置６０の電圧は直流１０００Ｖ、交流１０００Ｖ、５０Ｈｚに固定した後、図１７Ａのように液滴が形成された時に電圧をかけた。生体分子の溶液が落ちる現象をフレームグラバーを利用して写真を撮った。図１７Ｂで見るようにＥＨＤ現象によって液滴が変形され、図１７Ｃのように分離が行われ、図１７Ｄのように完全に分離された状態の液滴が形成される。
【００５７】
第２実験では、プローブＤＮＡで実験をした。このためにプローブＤＮＡオリゴマーを用意したが、用意されたプローブＤＮＡオリゴマーは、完全にマッチされるプローブＤＮＡオリゴマー（ＷＰ ＭＯＤＹ３ ＥＸＯＮ ３−６、Ｃ６ＮＨ２−５´−ＣＧＧＡＧＧＡＡＣＣＧＴＴＴＣ−３´）とした。このプローブＤＮＡを１００μＭと、ＰＥＧ １００μＭと、Ｃｙ５ ａｃｔｉｖａｔｅ ｅｓｔｅｒ ３μＭとを、ＤＭＳＯ溶液に溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
【００５８】
第３実験では、ＨＢＶ抗体をＰＢＳ（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｓａｌｉｎｅ）バッファに溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
［実施例２］
図１３に示された本発明の第４実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置を製作して実験をした。ここでの実験も同様に蒸溜水、プローブＤＮＡ溶液、蛋白質のＨＢＶ抗体溶液を対象とした。
【００５９】
第１実験として、蒸溜水を利用してＥＨＤプリンティングを試みた。電圧印加装置６０の電圧は、下部の電極を接地電極として、上部の電極を作業電極として印加した。ここで、電圧印加装置６０の電圧は、直流１０００Ｖ、交流２０００Ｖ、５０Ｈｚに固定した後、図１８Ａのような液滴が形成された時に電圧を印加し、生体分子の溶液が落ちる現象をフレームグラバーを利用して写真を撮った。図１８Ｂは、ＥＨＤ現象が発生する瞬間の液滴の模様を捉えたものであり、図１８Ｃでは、ＥＨＤ現象によって液滴が変形される状態を観察でき、図１８Ｄは、変形中である液滴の模様を捉えたものである。図１８ＥのようにＥＨＤ現象によるネッキングで分離が行われて、結局は図１８Ｆのように液滴が完全に分離される。
【００６０】
第２実験としては、プローブＤＮＡで実験をした。このためにプローブＤＮＡオリゴマーを用意したが、用意されたプローブＤＮＡオリゴマーは、完全にマッチされるプローブＤＮＡオリゴマー（ＷＰ ＭＯＤＹ３ ＥＸＯＮ ３−６、Ｃ６ＮＨ２−５´−ＣＧＧＡＧＧＡＡＣＣＧＴＴＴＣ−３´）とした。このプローブＤＮＡの１００μＭと、ＰＥＧ１００μＭと、Ｃｙ５ａｃｔｉｖａｔｅ ｅｓｔｅｒ ３μＭとをＤＭＳＯ溶液に溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
【００６１】
第２実験としては、ＨＢＶ抗体をＰＢＳバッファに溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
［実施例３］
図１６に示された本発明の第６実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置を製作して実験をした。ここでの実験も同様に蒸溜水、プローブＤＮＡ溶液、蛋白質のＨＢＶ抗体溶液を対象とした。
【００６２】
第１実験として、蒸溜水を利用してＥＨＤプリンティングを試みた。電圧印加装置６０の電圧は、下部の電極を接地電極として、上部の電極を作業電極として印加した。ここで、電圧印加装置６０の電圧は、直流１０００Ｖ、交流２５００Ｖ、５０Ｈｚと固定した後、図１９Ａのような液滴が形成された時に電圧を印加し、生体分子の溶液が落ちる現象をフレームグラバーを利用して写真を撮った。この時には数μs以下でも図１９Ｂのように液滴が完全に分離される。
【００６３】
第２実験としては、プローブＤＮＡで実験をした。このためにプローブＤＮＡオリゴマーを用意したが、用意されたプローブＤＮＡオリゴマーは、完全にマッチされるプローブＤＮＡオリゴマー（ＷＰ ＭＯＤＹ３ ＥＸＯＮ ３−６、Ｃ６ＮＨ２−５´−ＣＧＧＡＧＧＡＡＣＣＧＴＴＴＣ−３´）とした。このプローブＤＮＡの１００μＭと、ＰＥＧ １００μＭと、Ｃｙ５ ａｃｔｉｖａｔｅ ｅｓｔｅｒ ３μＭとを、ＤＭＳＯ溶液に溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
【００６４】
第３実験としては、ＨＢＶ抗体をＰＢＳバッファに溶かした後、第１実験と同じ条件でテストした。結果は第１実験と同一であった。
【００６５】
以上のように、基板３０上に生体分子をプリンティングする装置を、生体分子溶液３が吐出可能な吐出口１１を有するキャピラリ１０と、キャピラリ１０を支持するプリンタ本体２０と、生体分子の固定化のための標的表面３１を有し、吐出口１１の下方に設置される基板３０と、吐出口１１の縁部に沿ってプリンタ本体２０に設置される電界形成第１電極４０と、電界形成第１電極４０と所定間隔離隔されて設置される電界形成第２電極５０と、吐出口１１におさまっている生体分子溶液３の周囲に電場が形成されるように電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に交流電圧を印加し、電場の分布と、自由界面を有する生体分子溶液３及び大気の電気誘電率勾配との相互作用によって、生体分子溶液３の周囲から生体分子溶液３への電気力を発生させて生体分子溶液３を基板３０の標的表面３１に落とす電圧印加装置６０とで構成することによって、生体分子スポットの整列が容易であり、特にプリンタ本体２０と基板３０との間の整列が多少間違っても正確で、かつ再現性ある生体分子スポッティングが可能であり、またスポッティング時間を従来に比べて短縮でき、均一な量をスポッティングできるだけではなく、熱に敏感な蛋白質分子、中性的性質を有する生体分子などにも適用できる。
【００６６】
前記実施では、電場を形成する時に電界形成第１電極４０及び電界形成第２電極５０に交流電圧及び直流電圧を同時に印加するものについて説明したが、プリンティングが円滑に行われれば、交流電圧のみを印加できることは言うまでもない。
【００６７】
また、前記実施形態では電界形成第１電極４０が円形電極である場合について説明したが、多様な形態の電極を使用できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明はＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置及びそのプリンティング方法に関わり、このような装置、または方法はバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを製作するのに使用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】ピンを利用して基板上に生体分子をプリンティングする従来の方法を示す図である。
【図２】インクジェットを利用して基板上に生体分子をプリンティングする従来の方法を示す図である。
【図３】電場を利用して基板上に生体分子をプリンティングする従来の方法を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。
【図５】図４の装置のプリンタ本体の底面図である。
【図６】図４の装置の基板の平面図である。
【図７】図４の装置で生体分子溶液にＥＨＤ力が加えられた状態を示す図である。
【図８】図４の装置で生体分子溶液がＥＨＤ力により変形される状態を示す図である。
【図９】図４の装置で生体分子溶液がＥＨＤ力により分離される状態を示す図である。
【図１０】図４の装置で生体分子溶液がＥＨＤ力により分離されてプリンティングされた状態を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である
【図１３】本発明の第４実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。
【図１４】本発明の第５実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。
【図１５】図１４の装置を使用して基板上に生体分子をプリンティングする模様を示す図である。
【図１６】本発明の第６実施形態によるＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置の概略的な断面図である。
【図１７Ａ】図４の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例１のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１７Ｂ】図４の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例１のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１７Ｃ】図４の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例１のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１７Ｄ】図４の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例１のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ａ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ｂ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ｃ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ｄ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ｅ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１８Ｆ】図１３の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例２のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１９Ａ】図１６の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例３のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【図１９Ｂ】図１６の装置を利用してシリコン基板上に生体分子溶液をプリンティングする実施例３のプリンティング過程を撮影した写真を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１    ＥＨＤ現象を利用して基板上に生体分子をプリンティングする装置
１０    キャピラリ
１１    吐出口
２０    プリンタ本体
３０    基板
３１    標的表面
４０    電界形成第１電極
４１    第１電極リード線
５０    電界形成第２電極
５１    第２電極リード線
６０    電圧印加装置
７０    伝導性円形バンド
８０    ステージ
【図１】
2005195602.tif 000003
【図２】
2005195602.tif 000004
【図３】
2005195602.tif 000005
【図４】
2005195602.tif 000006
【図５】
2005195602.tif 000007
【図６】
2005195602.tif 000008
【図７】
2005195602.tif 000009
【図８】
2005195602.tif 000010
【図９】
2005195602.tif 000011
【図１０】
2005195602.tif 000012
【図１１】
2005195602.tif 000013
【図１２】
2005195602.tif 000014
【図１３】
2005195602.tif 000015
【図１４】
2005195602.tif 000016
【図１５】
2005195602.tif 000017
【図１６】
2005195602.tif 000018
【図１７Ａ】
2005195602.tif 000019
【図１７Ｂ】
2005195602.tif 000020
【図１７Ｃ】
2005195602.tif 000021
【図１７Ｄ】
2005195602.tif 000022
【図１８Ａ】
2005195602.tif 000023
【図１８Ｂ】
2005195602.tif 000024
【図１８Ｃ】
2005195602.tif 000025
【図１８Ｄ】
2005195602.tif 000026
【図１８Ｅ】
2005195602.tif 000027
【図１８Ｆ】
2005195602.tif 000028
【図１９Ａ】
2005195602.tif 000029
【図１９Ｂ】
2005195602.tif 000030