(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】  大きく電磁波発振部、電磁波制御部、電磁波出力部、温度制御部の四つに分かれるシステムを構成して、制御可能な電磁界を作り所望の電磁波を照射することが可能である。また、出力部を制御することにより、均一な照射及び集中的な照射を行うことが可能である。【選択図】  図１
2005218353.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体高分子の反応系において、所定の電磁波を特定方向に規制して照射することを特徴とする反応促進方法。
【請求項２】
生体高分子の反応を促進するために、電磁波を発生する電磁波発振部と、電磁波の出力及び/又は周波数を制御可能な電磁波制御部と、電磁波を放射する電磁波出力部と、反応部の温度を制御する温度制御部とを備えたことを特徴とする反応促進装置。
【請求項３】
電磁波発振部を、ガンダイオードもしくはその他化合物半導体及び半導体の発振器としたことを特徴とする請求項２に記載の反応促進装置。
【請求項４】
電磁波出力部をホーンアンテナにより形成したことを特徴とする請求項２乃至３に記載の反応促進装置。
【請求項５】
電磁波出力部を複数個並べて配設したことを特徴とする請求項２乃至４に記載の反応促進装置。
【請求項６】
電磁波出力部を複数個配設し、それぞれの電磁波出力部からの出力及び/又は周波数を電磁波制御部により独立して制御可能としたことを特徴とする請求項２乃至５に記載の反応促進装置。
【請求項７】
電磁波出力部を複数個配設し、それぞれの電磁波出力部からの電磁波照射方向を独立して制御可能としたことを特徴とする請求項２乃至６に記載の反応促進装置。
【請求項８】
電磁波出力部と被照射試料との間にガラス板を介在させ、該ガラス板の電磁波出力部側にガラスより誘電率の低い樹脂よりなる透明シートを重ね合わせたことを特徴とする請求項２乃至７に記載の反応促進装置。
【請求項９】
電磁波出力部と被照射試料との間の距離を変更自在としたことを特徴とする請求項２乃至８に記載の反応促進装置。
【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】
そこで特開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。
【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】
【０００４】
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、照射量の安定性等において問題がある。
【０００５】
特に、この従来技術は生体高分子反応において、単にマイクロ波出力手段が上方に配置されるのみであり、最適な周波数や最適な照射電力、あるいは最適な照射方向等を検討するために簡単にかつ自由に電磁波を制御できない問題をかかえる。
【０００６】
またマイクロ波出力手段が上方に配置されるため、装置も大きくコスト面でも高価なものとなっており更にはターゲットに対して部分的なマイクロ波の照射を行うことができない欠点もある。
【０００７】
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著しい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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる反応促進システムは、電磁波出力部をホーンアンテナのような照射方向を規制できるもので構成し、しかも望ましくは小型のものを複数個並べて配設することで被照射物に対し柔軟な対応が可能な構成とした。アンテナについてはホーンアンテナ以外にチップアンテナ、小型アンテナ、誘電体アンテナ、コルゲート付フェルミアンテナ、同層励起基本モード導波管スロットアレーアンテナ、逆層励起基本モード導波管スロットアレーアンテナ、ラジアルラインスロットアンテナ、円偏波プリントアンテナ、直線偏波プリントアンテナ、コプレーナ給電スロットアンテナ、直列給電パッチアレーアンテナ、並列給電パッチアレーアンテナ、アクティブ集積アンテナ等を用いることで電磁波の照射における効率化及び小型化を図ることができる。代表的には、同層及び逆層励起基本モード導波管スロットアレーアンテナを用いることで、開口面の電磁界位相分布を均一にでき、均一な電磁波の照射を可能とする。並列給電パッチアレーアンテナを用いることで、給電方法の時間的差分により電磁波の位相を制御して照射する方向を制御することを可能とする。
【０００９】
電磁波出力部を複数個並べることで、使用する出力部を選択することでの出力調整以外にそれぞれの出力も大きさや周波数等独立して調整させれば更にきめ細かな対応が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は最適な周波数を開発するため、例として周波数が１０ＧＨｚに固定されたシステムを示すが周波数も自由に可変可能なものであっても良い。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
更に、放射効率をより向上させるために、化合物半導体にかえて半導体の発振器を使用することで、放射効率の向上や小型化が可能となる。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。
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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）。
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、図１０のように温度制御部外壁２３の内部をシールド２１及び電波吸収体９（２０）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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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）。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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・・・
図７は本発明の電磁波照射の実施例である。本試験で使用するＤＮＡチップはカバーグラス１３（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。ガラスについては、松浪硝子工業社製の石英ガラスを使用する。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カバーグラス側の面から電磁波を照射することにより、カバーグラスの厚みが小さいため、スライドグラス側からの照射と比べてガラスでの電磁波の減衰を抑えることができる。
【００２９】
図８は本発明の電磁波照射の他の実施例である。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、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することを目的とする。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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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である。
【図２】本発明のブロック概略図である。
【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である。
【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である。
【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である。
【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である。
【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である。
【図９】本発明の実施形態の一例で、電磁波出力部及び機台の機械的移動を行う概略図である。
【図１０】本発明の実施形態の一例で、温度制御部においてシールド及び電波吸収を行う概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
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  カバーグラス
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】
2005218353.tif 000009
【図８】
2005218353.tif 000010
【図９】
2005218353.tif 000011
【図１０】
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