TW200413540A - Interaction detecting method and bioassay device, and bioassay-use substrate - Google Patents

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200413540 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於生命資訊科學（Bio-informatics 域中特別有用之交互反應作用檢測方法及生物化驗裝 以及生物化驗用基板。 【先前技術】 現在，藉由微陣列（micro array )技術將所定的 進行微細排列之所謂DAN晶片或DNA微陣列（以下 爲DNA晶片）的生物化驗用基板，已經被利用在基 變、SNPs (單鹼基多型性）分析、基因發現頻率解 ，而被廣泛活用在製藥、臨床診斷、藥理基因體 G e η 〇 m i c s )、法醫學及其他領域。 此一 DNA晶片，由於是在玻璃基板或矽基板上 有多種多數的 DNA寡核苷酸鏈（oligo-nucleotide ci )、cDNA (互補 DNA，complementary DNA)等， 進行雜合反應（hybridization)等分子間交互反應之 性的解析，爲其特徵。 若要簡潔說明DNA晶片的解析手法之一例，則 於被固相化在玻璃基板或矽基板上的DNA探針（ probe )，將從細胞、組織萃取出來的 mRNA messenger RNA，訊使核糖核酸），藉由反轉錄PCR 合膽連鎖反應）等，一邊嵌入螢光探針dNTP —邊: PCR增幅，於上記基板上進行雜合反應，再藉由所定: )領 置， DNA 總稱 因突 析等 學（ 集縮 1 a i n s 故可 網羅 爲對 DAN ( (聚 進行 的偵 -4- (2) (2)200413540 測儀器進行螢光測定。 此處’ DNA晶片可分類爲兩大類型。第一類型爲， 採用應用了半導體曝光技術的光微影技術，在所定的基板 上直接口成募核甘酸鏈，其中以Affymetrix公司的製品 爲代表。關於此種第二類型DNA晶片，例如記載於日本 公開專利公報平4-505763號。 另一方面，第二類型就是俗稱「史丹佛方式」（由美 國Stanford大學所發展）的方法，使用前叉針，將事先準 備好的DNA分注、固定在基板上而製作。此地二類型 DN A晶片，積體密度雖較第一類型的DNA晶片爲低，但 優點是可固定1 kb左右的DNA片段。有關此第二類型 DN A晶片，例如記載於日本公開專利公報平〗〇 _ 5 〇 3 8 4 1號 〇 又，國際公開第0 1 /3 3 226號公報中，提案有使用 MEMS ( Micro Elector Mechanical System :微機械系統 ) 所製作之懸臂樑（cantilever)，和上述先前DNA晶 片技術不同之技術思想的懸臂樑感測技術。 若要簡潔說明該國際公開第01/33 226號公報中所記 載之懸臂樑感測技術的解析手法，則爲以雷射光照射上表 面固定有DNA探針的懸臂樑，雜合反應的結果導致懸臂 樑彎曲而使所定位置的受光部的反射光強度發生變化，藉 由測定該變化而偵測雜合反應的有無。 但在此同時，上述之先前DNA晶片技術中，由於是 在二次元之基板的狹小偵測部中，將DNA探針等偵測用 (3) (3)200413540 核苷酸鏈或蛋白質等進行固相化（固定化），使其發生雜 合反應或抗原抗體反應等物質間的交互反應之技術，故反 應生成物的自由度在空間上會有所限制，且反應之際可能 會有立體障礙產生。因此，先前的DNA晶片技術等，存 在有交互反應效率差、反應時間長之問題。 又，先前的DNA晶片技術中，僅僅只描述到將試料 溶液滴下至基板上的所定點（s p 0 t )部位（偵測部），至 於試料溶液所含之標的物質與被固定在點部位上的偵測物 質之相對位置的決定工序，則完全沒有提及。 另一方面，上述的懸臂樑感測技術中，雖然優點爲試 料溶液所含的標的物質不須事先予以螢光標示，但反觀之 ’當將懸臂樑進行高度積體化時，在懸臂樑表面照射雷射 光、使其反光面受光之機械上的控制會有困難。 【發明內容】 本發明係有鑑於這些先前實情而提案，目的在於提供 交互反應作用檢測方法及生物化驗裝置，以及生物化驗用 基板，不須對標的物質進行螢光標示等動作，而可精密偵 測雜合反應或其他物質間交互反應的定量性。 爲了達成上述目的，本發明所論之交互反應作用檢測 方法及生物化驗裝置，係屬於至少具備：懸臂樑（ cantilever )，其一部份被施以表面處理以使之能固定偵 測用物質；及反應領域，提供被固定在該當表面處理部之 狀態的偵測物質與標的物質之交互反應作用之場所；及驅 -6- (4) (4)200413540 動源，使上記懸臂樑振動激發；及振動偵測手段，偵測上 記懸臂樑的振動振幅：之偵測部，在其中偵測物質間交互 反應作用者，藉由測定因上記交互反應作用所致之上記懸 臂樑的固有振動數變化，而偵測上記交互反應作用。 此處，上記懸臂樑，係具有在對向電極間配置壓電材 料所成之振動子；且 上記振動源，係藉由在上記對向電極間施加交流電壓 以使上記懸臂樑振動激發。 又，上記偵測物質及上記標的物質爲核苷酸鏈 （ nucleotide chain)，上記交互反應作用爲雜合反應 （ hybridization ) 〇 在此種交互反應作用檢測方法及生物化驗裝置中，將 偵測用物質固定在一部份是被施以表面處理以使之能固定 偵測用物質之懸臂樑上，藉由測定因上記交互反應作用所 致之上記懸臂樑的固有振動數變化，而偵測上記交互反應 作用。 例如，當上記偵測用物質及標記物質是核苷酸鏈時， 一旦固定在上記懸臂樑之端面的偵測用核苷酸鏈和標的核 苷酸鏈發生雜合反應，則上記懸臂樑的質量增加，故懸臂 樑的固有振動數會下降。於是，本發明所論的交互反應作 用檢測方法及生物化驗裝置，藉由偵測此一固有振動數變 化，而偵測出雜合反應。 又，爲了達成上述目的，本發明所論生物化驗用基板 ，係設有偵測部，該偵測部至少具備：懸臂樑，其一部份 (5) (5)200413540 被施以表面處理以使之能固定偵測用物質；及反應領域， 提供被固定在該當表面處理部之狀態的偵測物質與標的物 質之交互反應作用之場所。 此處，上記偵測部，係從一壁面突出設置有上記懸臂 樑之隔室偵測部，該當隔室偵測部係被複數配設在基板上 。本發明所論之生物化驗用基板，係形成爲圓盤狀基板， 上記隔室偵測部，係在上記圓盤狀基板呈上視放射狀配設 〇 又，在將生物化驗用基板形成爲圓盤狀基板之情況下 ，上記反應領域，亦可被設置在基板上設置呈放射狀延展 之條溝內，此時上記懸臂樑是從上記條溝的單側突出而設 置。 甚至，上記條溝單位或經過分群（grouping )之複數 條溝單位中，可固定有不同偵測用物質。 再甚至，亦可對上記反應領域，充塡一種可在室溫與 反應溫度之間，呈膠狀-液體（G e 1 - S ο 1 )的可逆相變化物 質。 在此種生物化驗用基板中，是藉由測定因上記交互反 應作用所致之上記懸臂樑的固有振動數變化，而偵測上記 交互反應作用。 本發明之其他目的、藉由本發明所得之具體的優點， 可由以下說明之實施例而更進一部了解。 【實施方式】 -8 - (6) (6)200413540 以下，茲佐以圖面說明有關適用本發明之具體實施形 態。本實施形態中所說明之生物化驗裝置及其交互反應作. 用檢測方法，係具有在對向電極間配置壓電材料所成之振 動子的懸臂樑（cantilever )的端面上，事先將偵測用核 苷酸鏈（偵測用物質）的末端部位固定化，利用此偵測用 核苷酸鏈與標的核苷酸鏈（標的物質）之雜合反應所致之 質量變化導致懸臂樑的固有振動數變化，來定量地偵測雜 合反應反應。 此處，本說明書中所謂「核苷酸鏈」，係意指嘌呤鹼 基（purine base)或嚼 D定鹼基（pyrimidine base)和糖藉 由配糖鍵結（glycosidic bond)而成之核苷（nucleoside )的磷脂（ phosphoester)聚合物，且廣義涵蓋有：含有 D N A探針之寡核苷酸、多核苷酸、Π票D令核苷酸與嚼D定核 苷酸聚合所成之DNA (全長或其片段）、藉由反轉錄所 得之cDNA ( cDNA探針）、RNA等。 首先，本實施形態所論生物化驗裝置中所用的生物化 驗用基板（以下簡稱爲基板）1的外觀斜視圖示於圖1。 圖1所不的基板1，係由CD (Compact Disk) 、DVD( Digital Versatile Disk) 、MD ( Mini Disk)(註冊商標） 等光資訊記錄媒體所用之圓盤狀基板（di sk )所採用的基 材所形成。 該基材係由石英玻璃或矽、聚碳酸脂、聚苯乙烯或其 他可形成圓盤狀之合成樹脂，理想爲可藉由射出成形而形 成圓盤狀的合成樹脂。此外，藉由使用廉價的合成樹脂基 (7) (7)200413540 板，可實現較先前之玻璃基板更低之學習成本（learning co st )。在基板1的中心，亦可一倂形成使基板1旋轉時 所使用之轉軸固定用孔（未圖示）。 基板1的其一表面上，從基板1的中心之周邊領域延 伸呈上視放射狀般地，配設著多數具備和周邊基板領域區 隔之小室狀的隔室偵測部2。 此隔室偵測部2，雖然可配設在基板1的適切位置， 但以此種上視放射狀配設，可有效地利用基板1的空間， 而可提高資訊的積體密度。 又，由於隔室偵測部2係被區隔成不會彼此污染，故 可以隔室偵測部單位或經過分群之隔室偵測部單位，將不 同的偵測用核苷酸鏈固定化，對每一偵測用核苷酸鏈設定 個別獨立之條件，使其進行雜合反應。 例如，可將疾病發生的標記基因分群固定在基板1上 ，藉此可使用一片基板1就可同時確認複數之疾病的發現 狀況。 又，根據 Tm (Melting Temperature)或 GC 含有率的 不同，亦可將固定化之核苷酸鏈事先分群。藉此，可隨著 偵測用核苷酸鏈之性質，而精細地選擇：可獲得主動的雜 合反應之緩衝溶液組成、濃度等之反應條件、洗淨條件、 滴下之樣本溶液濃度等，以減少解析作業時出現擬陽性或 擬陰性的危險性。 此隔室偵測部2的其中一個之外觀放大斜視圖如圖2 所示。如圖2所示，隔室偵測部2，具備：作爲偵測用核 -10- (8) (8)200413540 苷酸鏈D與標的核苷酸鏈T之間進行雜合反應之場所的 反應領域1 0、在該反應領域1 0的兩端形成電場（電界） 之正電極1 1與負電極1 2、從隔室偵測部2的負電極1 2 側突出設置的懸臂樑1 3。 反應領域1 0，係上方有開口的略正方形之隔室（c e U )，例如，被形成爲深1 μ m、長寬各爲1 00 μ m之隔室 ，但並不限定於圖示之形狀、尺寸。 上述懸臂樑1 3的反應領域1 0側的端面1 3 a，係被施 予表面處理，以使偵測用核苷酸鏈D的末端部位可藉由 耦合（coupling )反應等化學鍵結而被固定化。亦即，該 端面1 3 a，只要施加的表面處理是適合於將DN A探針等 偵測用核苷酸鏈D固定在預先加工之末端部位者即可。 例如，藉由鏈抗生物素（streptoavidin )在懸臂樑 1 3的 端面 13a施以表面處理時，就適合於經過生物素（biotin )處理核苷酸鏈末端之固定化。此外，此處雖在端面1 3 a 上施予表面處理，但並不限定於此，而是只要在懸臂樑 1 3之至少一部份上施予表面處理即可。 此處，一般認爲核苷酸鏈內，因爲作爲核苷酸鏈之骨 架的磷酸離子（陰電荷）與位於其周圍的水離子化後的氫 離子（陽電荷）形成離子雲，這些陰電荷與陽電荷所產生 的分極向量，藉由施加高頻高電壓而可使其全體朝向單一 方向，其結果爲核苷酸鏈會伸長。甚至，當施加電氣線集 中於一部之不均勻電場時，核苷酸鏈會朝向電氣線集中的 部位移動（參考 Seiichi Suzuki，Takeshi Yamanashi， -11 - (9) (9)200413540

Shin-ichi T a z a w a ? 0 s a m u Kurosawa and Masao Washizu: u Quantitative analysis on electrostatic orientation of D N A in stationary AC electric field using fluorescence anisotropy’’，IEEE Transaction on Industrial Application， Vol.34，No· 1，p.7 5 - 8 3 ( 1 9 9 8 ))。 於是，藉由正電極1 1及負電極1 2，施加電氣線集中 各懸臂樑1 3的端面1 3 a的高頻高電壓電場，則受到高頻 高電壓的施加而伸長處理之核苷酸鏈會朝向端面1 3 a移動 ，其末端部位會接觸到端面1 3 a，而使偵測用核苷酸鏈D 的末端部位能確實地被固定在懸臂樑1 3的端面1 3 a。尤 其是當懸臂樑1 3的材料是使用後述之PZT (鍩鈦酸鉛） 或SBT (鉅酸緦鉍）等具有壓電性之強介電體時，該強介 電體適合用來使電氣線集中在懸臂樑1 3的端面1 3 a。 圖2中僅繪出前端部份的噴嘴3，是將試料溶液s ( S ’）滴下所用’會根據後述之來自基板1所提供之位置資 訊與旋轉同步資訊，將含有偵測用核苷酸鏈D的試料溶 液S與名有標的核苷酸鏈τ的試料溶液s，，正確地追從 反應領域]〇而滴下。 滴下手段’理想可採用噴墨印刷法（Ink Jet printing )。這是因爲其可正確地追從所定之反應領域1 〇而滴下 微小液滴。 「噴墨印刷法」，係使用在噴墨印表機上的噴嘴所應 用的方法，是利用電氣而從類似噴墨印表機的印字頭朝基 板1噴射出試料溶液S ( S，）。該方法有：壓電式噴墨法 -12- (10) (10)200413540 、氣泡卩貝射（B u b b 1 e J e t )(註冊商標）法、超音波噴射 法。 壓電式噴墨法，係藉由在壓電體上施加脈沖而產生變 位壓力以使液滴飛出的方式。又，氣泡噴射（註冊商標） 法係屬於熱方式，是藉由在噴嘴內以加熱器加熱所產生的 氣泡的壓力而使液滴飛出的方式。在噴嘴內嵌入作爲加熱 器的矽基板’控制在約3 0 0 °C以產生一樣的氣泡，將液滴 壓出。但在此同時，因爲試料溶液S ( S，）被暴露在高 溫下，在使用於生物物質試料時需要小心注意。超音波噴 射法，係將超苜波束抵接在試料溶液s ( S ’ ）的自由面 ’藉由賦予其局部的高壓而使其從該地點放出小滴之方式 。可以不須噴嘴，就能形成高速且直徑約1 // m的小滴。 本實施形態中的「噴墨印刷法」，可理想地採用「壓 電式噴墨法」。藉由改變所施加之脈沖的形狀（波形）， 可控制液滴（微小滴）的尺寸，故適合於解析精細度的提 升。亦即，液滴表面的曲率半徑小時可使液滴變小、液滴 表面的曲率半徑大時可使液滴變大。又，藉由使脈沖急劇 地往負方向變化，可使液滴表面往內側拉緊，亦可使曲率 半徑變小。 此處，滴下至反應領域I 0的偵測用核苷酸鏈D，由 於是在鹼基重疊狀態下被固定在懸臂樑1 3的端面1 3 a， 當與其後滴下的標的核苷酸鏈T進行雜合反應時，會導致 立體障礙問題的產生。 於是本實施形態中’藉由被配設在隔室偵測部2內的 -13- (11) (11)200413540 正電極1 1與負電極丨2之間產生電位差，而在儲留保存在 反應領域10的液層（鹼基溶液）中形成電場（墊界）， 使偵測用核苷酸鏈D沿著電場方向而成直鏈狀伸長。此 外，上記局頻高電壓，一般認爲是在 1 X 1 06 V / m、約 1MHz 附近爲合適（參考 Masao Washizu and Osamu Kurosawa: ’’Electrostatic Manipulation of DNA in

Microfabricated Structures’’， IEEE Transaction on Industrial Application, V o 1 · 2 6，N o . 2 6，p.1 1 65 - 1 1 72 ( 1 990 ))° 此外，在基板1上成列設置隔室偵測部2時，可在每 一隔室偵測部2內設置正電極1 1及負電極1 2，亦可分別 將正電極11及負電極12做成共通電極化。 由於藉由上述般施加高頻高電壓，使偵測用核苷酸鏈 D及標的核苷酸鏈T呈直鏈狀伸長，故減少立體障礙，使 雜合反應可_效率地進彳7。其結果爲，雜合反應的反應時 間可被縮短，且可降低擬陽性或擬陰性出現的機率。 此處，將突出設置在隔室偵測部2的反應領域1 〇側 的懸臂樑1 3放大圖示於圖3。該圖3係，末端部位被固 定在懸臂樑1 3的端面1 3 a之偵測用核苷酸鏈D，與具有 互補於該偵測用核苷酸鏈D之鹼基序列的標的核苷酸鏈τ 發生雜合反應，形成雙股狀態的模式圖。此外，圖3中爲 了簡化表示，而只繪出在端面1 3 a上固定有1根偵測用核 苷酸鏈D之狀態，但實際上隨著懸臂樑1 3的寬度而會被 固定有相當數量之偵測用核苷酸鏈D。 -14- (12) (12)200413540 對於反應領域1 0，有時亦可充塡著在室溫與反應最 佳溫度之間會發生膠狀-液體（G e 1 - S ο 1 ) 的可逆相變化 之瓊脂凝膠（agarose 'gel )等之相變化物質（未圖示）。 此情況下，相變化物質在高溫下液體化，於該狀態下施加 電壓而將單股DNA等核苷酸鏈配列後，令溫度下降而膠 狀化，進而接著進行雜合反應時，可進行達反應最佳溫度 使其液體化之程序，是爲其優點。又，在進行雜合反應時 若使相變化物質保持在膠體狀態下，則可使DNA等核苷 酸鏈在伸長的狀態下進行雜合反應而爲理想。 此外，當上記相變化物質爲膠體化的狀態下，當含有 標的核苷酸鏈T的試料溶液S ’滴下至隔室偵測部2之際 ，會有妨礙雜合反應進行之疑慮，故可和一般的電泳相同 地，事先在滴下點形成垂直方向的溝，將試料溶液S ’滴 入該溝中。 此時，上述的懸臂樑1 3，係具有在對向電極間配置 壓電材料所成之振動子，可藉由施加交流電壓而隨著其頻 率振動。此時，可將懸臂樑1 3的整體形成爲壓電振動子 ，或可將壓電元件形成在懸臂樑1 3上。 此一懸臂樑1 3 ’可應用例如日本公開專利公報 2 0 0 1 - 3 4 7 4 9 9號所記載之技術來製作。我們以圖4 A製圖 4B來簡潔說明該製作手法。 首先，如圖4 A所示，在成爲隔室偵測部2之矽基板 2 〇的底部一部份上，形成爲了使最終形成空隙部份之做 爲犧牲層的多矽層2 1，並使底部全體高度一致。然後， -15- (13) (13)200413540 在底部表面塗佈光阻劑，藉由光微影法，在製作懸臂樑 1 3以外的部分形成遮罩之光阻圖案。之後，例如使用 SiH4-N20系的CVD法（化學氣相成長法，Chemical Vapor Deposition)，如圖4B所示形成由Si02 (二氧化矽）所 成之絕緣層22。此外，不限於 Si02，亦可爲例如使用 SiH4-NH3系的CVD法，形成由SiNx (氮化矽）所成之絕 緣層2 2。 然後，如圖4C所示，將Pt (鉑）或In (銦）等所成 之下部電極層 23、PZT ( Pb ( Ti，Zr ) 03，鉻鈦酸鉛）或 SBT ( SrBi2Ta2 09，鉅酸緦鉍）等所成之壓電材料層24、 Pt或In等所成之上部電極層25，依序層積而圖案化。 最後，如圖4D所示，在真空密室內導入昇華之XeF2 (二氟化氙）或 Bi*F3 (三氟化溴），選擇性地蝕刻而完 全去除多矽層2 1。 本形態中，是藉由偵測如此製作成之懸臂樑1 3的固 有振動數變化，而偵測雜合反應之有無。 具體而言，如圖5所示，將下部電極層2 3與上部電 極層2 5形成交流電路，一邊改變做爲懸臂樑1 3之驅動源 的交流電源3 0的頻率，一邊振動激發懸臂樑1 3。然後， 將關連於共振振幅之電流以電阻3 1轉換成電壓，該電壓 則被做爲振動偵測手段之電壓計3 2所計測。電壓計3 2所 計測之電壓波形，係例如圖6的實線。此外，由於懸臂樑 1 3的共振振幅，是當交流電源3 0的頻率與懸臂樑1 3的 固有振動數一致時爲最大，故電壓波峰時交流電源3 0的 •16- (14) (14)200413540 頻率f!，就代表著懸臂樑1 3的固有振動數。 此處，當被固定在懸臂樑1 3的端面1 3 a之偵測用核 苷酸鏈D ’與具有互補於該偵測用核苷酸鏈d之鹼基序列 的標的核苷酸鏈T發生雜合反應形成雙股時，標的核苷酸 鏈T所帶來的質量會導致懸臂樑1 3的質量增加而使懸臂 樑1 3的固有振動數下降。因此，電壓波形會朝圖6虛線 位置向下平移，電壓波峰時的交流電源3 0頻率爲f2。 因此，藉由偵測該電壓波峰時的頻率（固有振動數） 之變化，就可偵測雜合反應的有無。 甚至，由於該固有振動數的變化量（f! -f2 )，係和懸 臂樑1 3的質量變化量成正比，故藉由測定偵測用核苷酸 鏈D固定前之固有振動數、偵測用核苷酸鏈D固定後之 固有振動數，以及雜合反應結束後之固有振動數，就可定 量偵測出固定在懸臂樑1 3上之偵測用核苷酸鏈D的根數 ，或與偵測用核苷酸鏈D雜合之標的核苷酸鏈T的根數 c 此外，由於質量變化越大者，固有振動數變化之偵測 靈敏度越高，故理想可在標的核苷酸鏈T的末端修飾加上 重錨分子，使其質量增加。 又，上述之在反應領域1 0內塡充瓊脂凝膠等相變化 物質時，由於會有無法正確測出振動數之疑慮’故亦可在 雜合反應結束後、測定振動數之前，將該相變化物質液體 化，並使基板1旋轉而利用離心力的作用，將相變化物質 去除。 -17- (15) 200413540 以上的例子中，雖然將懸臂樑1 3之整體形成 振動子，但並不侷限於此，亦可如圖7所示，在 1 3的上部設置做爲驅動電極之壓電元件4 0 a與做 電極之壓電元件4 0 b。此情況下，含有壓電元件 4 0 b的位置之懸臂樑1 3的剖面圖示於圖8。 如圖8所示，懸臂樑1 3係在基板41上形成E 或SiNx所成之絕緣層42。又壓電元件40a及40b Pt或In所成之下部電極層43a、43b，PZT或SBT 壓電材料層44a、44b，Pt或In等所成之上部電極 、4 5 b，依序層積圖案化所成。 在偵測雜合反應有無之際，使做爲驅動源之交 5 〇所致之頻率變化而振動激發懸臂樑懸臂樑1 3。 反映共振振幅之電位差會被振動偵測手段之電壓計 計測。和上述相同地，一旦雜合反應導致懸臂樑1 量增加，則懸臂樑1 3的固有振動數降低，電壓波 父流電源5 0的頻率會變低。 如以上確認到雜合反應所致之固有振動數變化 可認識例如從所定細胞萃取之試料溶液S，中，存 含有特定疾病相關之標記基因的偵測用核苷酸鏈I 互補之核苷酸鏈T之事實，其結果爲，可以預測上 正在發生上記疾病。 接著，茲佐以圖9A及圖9B，說明本實施形態 化驗裝置所用基板之其他例子。此處，圖9A係本 板的上視平面圖，圖9B則是圖9A中之X部的放 爲壓電 懸臂樑 爲偵測 4〇a及 扫 Si02 ，係將 所成之 層45a 流電源 然後， 52所 3的質 峰時的 時，就 在有和 )的標 記細胞 之生物 例中基 大平面 > 18- (16) (16)200413540 圖。 圖9A .所示的基板60，係具備條溝偵測部6 1。此條 溝偵測邰ό 1 ’係具備反應領域7 〇爲在基板6 〇上成放射 狀延展設置之條溝’且從形成該條溝之長邊方向的單側， 如圖9B所示’以所定間隔而突出設置有具備和上記隔室 偵測部2之懸臂樑丨3相同之構成的懸臂樑7 3。又，設有 懸臂樑7 3的各部位上，正負電極7 1、7 2係夾住反應領域 7 〇般地成對設置。此外，條溝偵測部61，亦可說是將隔 室偵測部2在條溝內排列設置。 Φ 各正電極71可做成共通電極化，同樣地各負電極72 亦可共通電極化。亦即，可使正共通電極與負共通電極， 像是夾著反應領域7 0般面對面地，在基板6 〇上呈放射狀 並列設置。藉由此種構成，便可將針狀的探針從上方往正 負共通電極抵接，而通電之。 上述反應領域 7 0，亦可形成在各條溝內排列形成之 凹坑（未圖示），藉由將微小液滴滴下至該凹坑的反應領 域內，可實現幾乎相同的點尺寸（spot size ) 。 # 又，此條溝偵測部6 1中，亦可利用：利用毛細現象 之送液、或令圓盤狀之基板60以所定方法旋轉而產生離 ， 心力的送液手段。 具體而言，可在基板60的中心部設置儲液部62，在 該儲液部62中，注入試料溶液S ( S’ )，或用來去除反 應後沒有活化結合之多餘標的核苷酸鏈τ的洗淨液等，並 藉由使基板6 0旋轉，而使其從基板中心領域往條溝內（ -19- (17) (17)200413540 亦即反應領域7 0 )圓滑而確實地送液。 此外，該條溝偵測部6 1中，亦可在條溝偵測部單位

或分群之條溝偵測部單位，固定不同之偵測用核苷酸鏈D 〇 以下，將簡潔說明有關基板1、60的位置資訊及旋轉 同步資訊。基板1、60的旋轉方向上，藉由碟片母模製程 (disk mastering process)而形成有多數的位址凹坑。若 把基板1、6 0想成光碟時，滴下偵測位置的反應領域1 〇 、7〇，可想作是使用者資料領域。其他領域上，藉由取樣 伺服（sample servo )方式等配置同步凹坑，並且將其做 爲尋軌伺服用，接著，藉由在其後立刻插入位址部（碟片 上的地理標號）便可賦予位置資訊。 位址部，係從身爲前端圖案之扇區標記（sector mark )開始，實際賦予旋轉碟片之旋轉位相的VFO、賦予位址 資料開始位置的位址標記、寫入了軌跡及扇區號碼的ID (Identifier )等所組合而成。 使用上述構成之基板1、60進行生物化驗時，是使用 至少具備以下手段及機構的裝置。亦即，該裝置（未圖示 )係至少具備：將上記基板1、60以可旋轉的方式保持之 基板旋轉手段；及藉由該旋轉手段而使基板1、6 0 —邊旋 轉，一邊對反應領域1 0、7 0將試料溶液S ( S ’ ）以一定 的順序、時機滴下之滴下手段；及使該滴下手段（之噴嘴 )與基板之間的距離保持一定之焦距伺服機構；及根據基 板1、6 0所提供之位置資訊及旋轉週期資訊，令試料溶液 -20- (18) (18)200413540 S ( S ’ ）的滴下是追從基板1、6 0的反應領域1 0、7 0之 尋軌伺服機構。 若採用以上說明之基板1、60及使用此等之生物化驗 裝置，則可理想地實施上述之本發明所論之交互反應作用 檢測方法。 亦即，一旦被固定在懸臂樑1 3、7 3的端面之偵測用 核苷酸鏈D，與標的核苷酸鏈T發生雜合反應’則由於懸 臂樑1 3、7 3的質量增加，故懸臂樑1 3、7 3的固有振動數 降低。於是，藉由測定此固有振動數變化’而可偵測雜合 反應。 又，藉由正電極11、71及負電極12、72在反應領域 1 〇、7 〇所形成之電場，可使反應領域1 0、7 0內的偵測用 核苷酸鏈D與標的核苷酸鏈T呈伸長狀態而相對移動’ 以促使雜合反應進行，故可提升雜合反應的效率。 此外，本發明並不侷限於參照圖面說明之上述實施例 ，只要不脫離申請專利範圍及其主旨，可進行各種變更、 置換或類同者，此爲該當業者所自明。 例如，在上述實施形態中，雖然將生物化驗用基板形 成爲圓盤狀，但並不侷限於該形態，而是可適宜地選擇決 定使用矩形或其他平板狀之形態。 又，上述實施形態中，雖然說明了檢測偵測用核苷酸 鏈D與標的核苷酸鏈T之雜合反應的有無之例子，但本 發明並不侷限於此種雜合反應之有無的偵測例。 亦即，上述反應領域1 〇、70中，除了雜合反應，還 -21- (19) (19)200413540 有例如可從偵測用核苷酸鏈D形成所望之雙股核苷酸， 並使該雙股核苷酸與 （peptide )(或蛋白質）進行交互 反應、酵素應答反應，·或其他分子間交互作用。具體而言 ，當使用上記雙股核苷酸時，可分析身爲轉錄因子的激素 受體等受體分子，與應答序列DNA分子之結合等。 如此，本發明中所謂「生物化驗」，係廣泛意指根據 雜合反應及其他物質間交互作用之生物化學分析。 產業上的利用可能性 如上述，本發明係特別適合於使用DNA晶片的生物 化驗方法，可利用於基因變異解析、SNPs (單鹼基多型 性）分析、基因發現頻率解析等，而可被廣泛活用在製藥 、臨床診斷、藥理基因體學、法醫學及其他領域。 【圖式簡單說明】 圖〗：本實施形態之生物化驗裝置所使用之生物化驗 用基板的外觀斜視圖。 圖2 :被多數配置在同一生物化驗用基板之隔室偵測 部的其中一個的放大斜視圖。 圖3 :被突出設置在同隔室偵測部之反應領域側的懸 臂樑的放大斜視圖。 圖4 : A至D爲同懸臂樑之製作工程的一例之說明圖 〇 圖5 :偵測同懸臂樑之固有振動數變化之方法的圖示 -22- (20) 200413540 圖6 :父流電源的頻率發生變化時所計測之電壓波形 圖。 圖7 :同懸臂樑之其他構成的斜視圖。 圖8 :含有壓電元件之位置上的懸臂樑之垂直剖面圖 〇 圖9 : A及B係用於同生物化驗裝置之基板的其他例 子說明圖，圖9A是基板上視平面圖，圖9B係圖9A中X 部的放大平面圖。 主要元件對照表 2 隔室偵測部 3 噴嘴 I 0 反應領域 II 正電極

12 負電極 13 懸臂樑 1 3 a 端面 D 偵測用核苷酸鏈 T 標的核苷酸鏈 S ( S ’） 試料溶液 1 基板 隔室偵測部 噴嘴 -23- 3 200413540 10 (21) 反應領域 11 正電極 12 負電極 13 懸臂樑 13a 端面 20 矽基板 2 1 多石夕層 22 絕緣層 23 下部電極層 24 壓電材料層 25 上部電極層 3 0 交流電源 3 1 電阻 32 電壓計 4 0a、 40b 壓電元件 4 1 基板 42 絕緣層 43a、 43b 下部電極層 45a、 45b 上部電極層 50 交流電源 52 電壓計 60 基板 6 1 條溝偵測部

-24- (22) 200413540 (22)

62 儲 液 部 70 反 應 領 域 7 1 正 電 極 72 負 電 極 73 縣 臂 樑 D 偵 測 用 核 甘 酸鏈 T 標 的 核 —M— 甘 酸 鏈 S ( s，） 試 料 溶 液

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Claims (1)

1. (1) (1)200413540 拾、申請專利範圍 1. 一種交互反應作用檢測方法，係屬於在至少具備 :懸臂樑（C a n t i 1 e V e r )，其一部份被施以表面處理以使 之能固定偵測用物質；及反應領域，提供被固定在該當表 面處理部之狀態的偵測物質與標的物質之交互反應作用之 場所；及驅動源，使上記懸臂樑振動激發；及振動偵測手 段，偵測上記懸臂樑的振動振幅；之偵測部中，偵測物質 間交互反應作用之交互反應作用檢測方法，其特徵爲 具有：偵測工程，係藉由測定因上記交互反應作用所 致之上記懸臂樑的固有振動數變化，而偵測上記交互反應 作用。 2 ·如申請專利範圍第1項之交互反應作用檢測方法 ，其中 上記懸臂樑，係具有在對向電極間配置壓電材料所成 之振動子；且 上記振動源，係藉由在上記對向電極間施加交流電壓 以使上記懸臂樑振動激發。 3 .如申請專利範圍第1項之交互反應作用檢測方法 ，其中 上記偵測物質及上記標的物質爲核苷酸鏈（ nucleotide chain )，上記交互反應作用爲雜合反應（ hybridization )。 4.如申請專利範圍第3項之交互反應作用檢測方法 ，其中 -26- (2) (2)200413540 具有電場形成工程，係在上記反應領域內形成電場’ 令該反應領域內的偵測用核苷酸鏈與標的核苷酸鏈在伸長 的狀態下作相對性的移動，促使雜合反應進行。 5. 一種生物化驗裝置，其特徵爲具有偵測部，該偵 測部至少具備：懸臂樑（cantilever )，其一部份被施以 表面處理以使之能固定偵測用物質；及反應領域，提供被 固定在該當表面處理部之狀態的偵測物質與標的物質之交 互反應作用之場所；及驅動源，使上記懸臂樑振動激發； 及振動偵測手段，偵測上記懸臂樑的振動振幅。 6 ·如申請專利範圍第5項之生物化驗裝置，其中 上記懸臂樑，係具有在對向電極間配置壓電材料所成 之振動子；且 上記振動源，係藉由在上記對向電極間施加交流電壓 以使上記懸臂樑振動激發。 7. 如申請專利範圍第5項之生物化驗裝置，其中 上記偵測物質及上記標的物質爲核苷酸鏈，上記交互 反應作用爲雜合反應。 8. 如申請專利範圍第7項之生物化驗裝置，其中 上記偵測部復具有電場形成工程，係在上記反應領域 內形成電場，令該反應領域內的偵測用核苷酸鏈與標的核 苷酸鏈在伸長的狀態下作相對性的移動，促使雜合反應進 行。 9 · 一種生物化驗用基板，其特徵爲設有偵測部，該 偵測部至少具備：懸臂樑，其一部份被施以表面處理以使 -27- (3) (3)200413540 之能固定偵測用物質；及反應領域，提供被固定在該當表 面處理部之狀態的偵測物質與標的物質之交互反應作用之 場所。 10.如申請專利範圍第9項之生物化驗用基板，其中 上記偵測部，係從一壁面突出設置有上記懸臂樑之隔 室偵測部，該當隔室偵測部係被複數配設在基板上。 11·如申請專利範圍第1 0項之生物化驗用基板，其 中 係形成爲圓盤狀基板， 上記隔室偵測部，係在上記圓盤狀基板呈上視放射狀 配置。 1 2 ·如申請專利範圍第1 0項之生物化驗用基板，其 中 上記隔室偵測部單位或經過分群（grouping )之複數 隔室偵測部單位中，固定有不同偵測用物質。 1 3 ·如申請專利範圍第9項之生物化驗用基板，其中 上記反應領域，係被設置在基板上設置呈放射狀延展 設置之條溝內，上記懸臂樑是從上記條溝的單側突出設置 〇 14. 如申請專利範圍第1 3項之生物化驗用基板，其 中 上記條溝單位或經過分群之複數條溝單位中，固定有 不同偵測用物質。 15. 如申請專利範圍第9項之生物化驗用基板，其中 - 28 - (4) (4)200413540 對上記反應領域，充塡一種可在室溫與反應最佳溫度 之間，做膠狀-液體（G e 1 - S ο 1 )的可逆相變化之物質。 16·如申請專利範圍第9項之生物化驗用基板，其中 藉由測定因上記交互反應作用所致之上記懸臂樑的固 有振動數變化，而偵測上記交互反應作用。 17·如申請專利範圍第9項之生物化驗用基板，其中 上記偵測物質及上記標的物質爲核苷酸鏈，上記交互 反應作用爲雜合反應。 18.如申請專利範圍第1 7項之生物化驗用基板，其 中 上記偵測部復具有電場形成工程，係在上記反應領域 內形成電場，令該反應領域內的偵測用核苷酸鏈與標的核 苷酸鏈在伸長的狀態下作相對性的移動，促使雜合反應進 行。 -29-