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WO2004008132A1 - Bio-molecule separation cell, manufacturing method thereof, and dna fragmentation apparatus - Google Patents

Bio-molecule separation cell, manufacturing method thereof, and dna fragmentation apparatus Download PDF

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Publication number
WO2004008132A1
WO2004008132A1 PCT/JP2002/007044 JP0207044W WO2004008132A1 WO 2004008132 A1 WO2004008132 A1 WO 2004008132A1 JP 0207044 W JP0207044 W JP 0207044W WO 2004008132 A1 WO2004008132 A1 WO 2004008132A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
groove
substrate
dna
separation
biomolecule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2002/007044
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Inatomi
Shinichi Izuo
Hiroshi Ohji
Satoru Shiono
Kazuhiko Tsutsumi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to PCT/JP2002/007044 priority Critical patent/WO2004008132A1/en
Priority to JP2004521103A priority patent/JPWO2004008132A1/en
Publication of WO2004008132A1 publication Critical patent/WO2004008132A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704Details; Accessories
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44773Multi-stage electrophoresis, e.g. two-dimensional electrophoresis

Definitions

  • the present invention relates to a biomolecule separation cell such as an electrophoresis cell and a method for producing the same, and a DNA separation apparatus using the electrophoresis cell.
  • Biomolecules such as DNA, proteins, and fragments thereof extracted from biological samples are essential elements for medical examination, medical diagnosis, and biological examination. By biochemically analyzing these biomolecules and examining their molecular structures, diseases are diagnosed, microorganisms are detected, and genes are determined. These biomolecules are characterized by high molecular weight and high molecules. The most common of these methods is the electrophoresis method. In electrophoresis, biomolecules are separated in a voltage-separated matrix by the difference in molecular size (molecular weight) ⁇ charge. As the electrophoresis method, a method using agarose gel (agar gel) or polyacrylamide gel as the separation matrix has been established.
  • an artificial microstructure is formed as an obstacle on a silicon substrate / glass substrate, and this is used as a substitute for a gel network, or optically transparent.
  • Artificial separation matrices formed by fine molding of a suitable plastic have been proposed.
  • the distance between the arrangements of the artificial mouth structure is 100 nm or less, and preferably 10 to 30 nm.
  • the diameter and gap of the support are several ⁇ m or more, but this value is about 100 times larger than that of agarose gel or polyacrylamide gel, and is not suitable for analysis of small DNA.
  • the gap between the struts is as narrow as 100 nm or less, and the hydrated DNA molecules are easily clogged and smooth separation is difficult.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and overcomes the above-mentioned drawbacks in, for example, agarose gel or polyacrylamide gel used for electrophoresis analysis, or a conventional artificial separation matrix.
  • An object of the present invention is to provide a separation matrix which can be used or a biomolecule separation cell such as an electrophoresis cell, and a method for producing the same. Furthermore, it is another object to provide an application technique of such a biomolecule separation cell.
  • the biomolecule separation cell separates or detects biomolecules in a liquid sample, for example, by electrophoresis.
  • the biomolecule separation cell includes a substrate having a groove (flow path) formed on the surface thereof, a separation matrix, a cover, a buffer filling the groove, and at least two electrodes.
  • the separation matrix consists of a plurality of struts arranged in a partial area of the groove, with the narrowest part of the gap between the struts being 0.1-5 ⁇ .
  • the cover covers the surface of the substrate and the groove, and is in close contact with the upper surface of the support.
  • the electrodes are in direct contact with the buffer and apply a voltage to the buffer.
  • Substrate and separation matrix It is formed of a child material.
  • a separation matrix using artificial micro obstacles is used as an alternative to a gel for electrophoresis, for example.
  • the separation matrix can be reduced in size and weight, and can be stored in a dry state.
  • biomolecules such as DNA can be separated or detected quickly and with high sensitivity even if the sample is small.
  • the cross section of the support can be of various shapes, for example, a circle, an ellipse, a polygon, or a polygon with rounded or cut corners.
  • Part or all of the substrate and the separation matrix are preferably formed of, for example, an elastomer, plastic, or the like, which is a polymer material that is inexpensive and easy to mass-produce.
  • an elastomer for example, it is preferable to use a silicone rubber which is a general material and which is inexpensive and has good moldability.
  • the plastic for example, it is preferable to use an acrylic resin, a polystyrene resin, a polycarbonate resin, or the like, which is a general material and which is inexpensive and has good moldability.
  • the width of the groove is set to 20 to 100 microns, the depth of the groove is set to 1 to 50 ⁇ , and the length of the groove is set to 0.1 to 5 O mm. preferable. In this way, biomolecules such as DNA can be electrophoresed uniformly and smoothly. For this reason, an electrophoresis cell capable of high-sensitivity detection can be realized.
  • the arrangement density of the pillars is preferably 100 or more Zmm 2 or more.
  • the basic principle is that when DNA passes through sub-micron-order gaps in the column, it affects the migration speed of DNA, so the number of gaps greatly affects the resolution. . Then, if the arrangement density of the columns is 1000 or more / mm 2 or more, it is possible to separate DNAs of 1000 base pairs or less.
  • the separation matrix has a region or column near the sample inlet where columns are less densely arranged than other regions. It is preferable to have a region that does not. For example, it is difficult for the DNA to enter the groove from the gap at the top of the column. Injection becomes easy.
  • a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate is subjected to fine processing to form a shape having a negative pattern corresponding to a groove and a support.
  • a liquid elastomer or plastic, or a monomer or prepolymer as a raw material of the elastomer or plastic is poured into the mold and solidified.
  • the solidified product is separated from the ⁇ type to obtain a biomolecule separation cell including a substrate and a separation matrix.
  • a ⁇ -shaped fine structure can be faithfully transferred, and mass production of electrophoresis cells becomes possible.
  • a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate is subjected to fine processing to provide a press mold having a negative pattern corresponding to grooves and columns.
  • a press mold having a negative pattern corresponding to grooves and columns.
  • the plastic heated above the glass transition temperature is pressed against the press mold, the temperature is reduced and the plastic is cured.
  • the cured product is separated from the press mold to obtain a biomolecule separation cell including a substrate and a separation matrix.
  • the DNA sorting apparatus uses a biomolecule cell according to the present invention that separates biomolecules in a liquid sample by electrophoresis, from a liquid sample containing DNA supplied in a groove, and The DNA is separated (separated) or fractionated based on the properties and structure of the DNA.
  • a biomolecule cell according to the present invention that separates biomolecules in a liquid sample by electrophoresis, from a liquid sample containing DNA supplied in a groove, and The DNA is separated (separated) or fractionated based on the properties and structure of the DNA.
  • FIG. 1 is an overall perspective view (perspective view) of an electrophoresis cell according to the present invention provided with a separation matrix formed of a polymer material.
  • FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of the electrophoresis cell or the separation matrix shown in FIG.
  • FIG. 3 is an elevational sectional view of the electrophoresis cell shown in FIG.
  • 4A to 4E are three-dimensional schematic diagrams showing the shapes and arrangements of various columns.
  • 5A to 5E are top views of the separation matrix, showing various strut arrangements.
  • FIGS. 6A to 6C are one perspective view and two cross-sectional elevation views showing the structures of the sample inlet and the separation matrix, respectively.
  • FIGS. 7A to 7G are diagrams showing a method for producing a type III for producing a separation matrix, and a method for producing an electrophoresis cell using the type III.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration or layout of a fluorescence microscope for an electrophoresis cell and its attached equipment.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the number of DNA bases in the electrophoresis cell and the electrophoresis speed.
  • FIG. 10 is a diagram showing the movement of DNA in the gap between the columns.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of one DNA sorting apparatus using the electrophoresis cell according to the present invention.
  • FIGS. 12A and 12B are schematic diagrams showing the schematic configuration of another DNA sorting apparatus using the electrophoresis cell according to the present invention.
  • FIG. 1 shows the overall structure of the basic form of the electrophoresis cell according to the present invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged part of the electrophoresis cell, and
  • FIG. 3 shows an elevational cross section of the electrophoresis cell.
  • the electrophoresis cell 1 has a substrate 2, and a groove 3 is formed on the upper surface of the substrate 2.
  • the substrate 2 is not necessarily required to be transparent, but is preferably transparent because the inside of the substrate 2 can be seen through.
  • the groove 3 contains a separation matrix 5 consisting of a number of struts 4 (pillars).
  • the upper surface of the substrate 2 and the groove 3 are covered with a transparent cover 6.
  • the electrophoresis cell 1 is provided with two sample inlets 7 and two electrodes 8 (positive electrode and negative electrode). Each electrode 8 is inserted into the groove 3 through the corresponding sample inlet 7. That is, the sample injection port 7 also serves as an electrode insertion hole. Further, both electrodes 8 are connected to DC power supply 10 via lead wire 9.
  • each column 4 constituting the separation matrix 5 has a geometrical cross section.
  • the upper surface of each column is in close contact with the lower surface of the cover 6.
  • the groove 3 containing the separation matrix 5 is filled with a buffer solution for electrophoresis, and therefore, a buffer solution is present in the gap between the columns 4.
  • Each electrode 8 inserted in the groove 3 comes into direct contact with the buffer solution in the groove 3 and lays.
  • the biomolecule is DNA (deoxyribonucleic acid)
  • it is negatively charged in the buffer solution, so that the electrode which is the positive electrode along the direction in which the groove 3 extends (the direction connecting both electrodes 8) 8 (in Fig. 1, the left electrode).
  • the shape and thickness of the substrate 2 are not particularly limited to m, but can be any desired shape according to the application and purpose. However, since the molding is easy and the strength is high, it is preferable that the substrate 2 has a plate shape.
  • the thickness of the substrate 2 is preferably 3 mm or more in order to secure adhesion to the cover 6.
  • the groove 3 including the separation matrix 5 may be provided in plural or many on the surface of the substrate 2. Grooves 3 serving as flow paths for biomolecules such as DNA may cross each other in order to facilitate sample injection and mixing with other biomolecules or reagents such as DNA. Also, a circular or polygonal part is formed in the groove 3 (flow path) to control the resistance to the liquid in the groove 3 and the moving speed of the liquid, and to perform fluid adjustment at the micro level. May be performed. (Groove configuration)
  • the groove 3 has a linear shape extending in the longitudinal direction of the substrate 2.
  • the shape of the groove 3 is not limited to this, and may be, for example, U-shaped, S-shaped, or circular.
  • the distribution of the electric field is not parallel to the groove 3 in the curved portion of the groove 3, so that it is necessary to perform the electric field correction and the detection correction by devising the shape of the groove 3.
  • the width of the groove 3 is preferably 1 ⁇ m or more, and more preferably 2 ⁇ or more. If the width of the groove 3 is smaller than 1/2 m, the detection sensitivity is reduced, and a high-magnification optical device is required for detecting biomolecules, which increases the detection cost. Further, the width of the groove 3 is preferably not more than 1000 / xm, more preferably not more than 300 zm. If the width of the groove 3 exceeds 1 OO O / im, the uniformity of electrophoresis is impaired, and the effect of the present invention is reduced.
  • the width of the groove 3 is 10. It may exceed 0 0 / zm.
  • the depth of the groove 3 is 1 ⁇ or more. If the depth of the groove 3 is smaller than this, the effect of the present invention is reduced and the detection sensitivity is reduced.
  • the depth of the groove 3 is preferably 500 ⁇ or less, more preferably 50 / zm or less. When the depth of the groove 3 exceeds 500 im, biomolecules such as DNA are diffused in the vertical direction, thereby reducing the effect of the present invention and making it difficult to focus optically on the detection of the biomolecules. This is because the sensitivity may be reduced.
  • the length of the groove 3 and the length of the separation matrix 5 can be set arbitrarily. Specifically, for example, it can be determined in the range of 0.1 to 5 Omm depending on the target of the biomolecule to be separated and the resolving power required for each target. However, the upper limit of these lengths may be limited by the size of a silicon wafer to be described later, which will be described later.
  • Electrode 8 is a platinum wire having a diameter of 0.2 mm, and is connected to lead wire 9 of power supply 10 by soldering. As long as the electrode 8 can contact the buffer solution in the groove 3, the electrode 8 may have any shape of a line, a plate, and a film (a vapor-deposited film), and may have a size and a thickness. , Can be set arbitrarily.
  • the material of the electrode 8 can be any material as long as a voltage of 500 V can be applied, a current of several tens of mA can flow, and the elution of the electrolysis material does not occur. You may. Examples of strong materials include platinum, gold, carbon, and conductive polymers.
  • the electrode 8 composed of a platinum wire is mostly disposed on the upper surface of the cover 6, and the vicinity of the tip is inserted into the groove 3 through the sample inlet 7 provided in the cover 6. Has been inserted.
  • the electrode 8 may be directly adhered or deposited on the cover 6.
  • wiring may be performed from an external support through the sample inlet 7 or through the substrate 2.
  • the vicinity of the tip of the electrode 8 may be inserted into the groove 3 through an electrode insertion hole separately formed in the cover 6 instead of passing through the sample injection port 7.
  • a DC voltage in the range of 0.1 to 500 V / cm is applied to the electrode 8.
  • a pulse voltage may be applied.
  • the direction of the current may be changed periodically.
  • the biomolecules to be separated are DNA.
  • TBE buffer 89 mM Tris-borate, 2 mM E
  • TAE buffer OmM Tris-acetate 1 mM EDTA.
  • the pH of the buffer is around 8.
  • an optimal buffer for electrophoresis is used depending on the type of the protein.
  • cross-sectional shape Is circular.
  • the cross-sectional shape of the support 4 does not need to be circular, and can be any shape.
  • the cross-section of the column 4 is a rectangle with rounded corners (FIG. 4A), an oval (FIG. 4B), a square or a diamond (FIG. 4C).
  • FIGS. 4A to 4E the cross-section of the column 4 is a rectangle with rounded corners (FIG. 4A), an oval (FIG. 4B), a square or a diamond (FIG. 4C).
  • Hexagon Hexagon
  • the cross-sectional shape may be a star shape, a geometric shape having protrusions, or may have no fixed shape.
  • the cross-sectional shapes of the columns 4 need not be all the same, and the above-mentioned shapes may be mixed.
  • the cross-sectional shape of the column 4 may be elliptical near the sample inlet 7 and hexagonal at other portions.
  • each support 4 can be set arbitrarily as long as the dimension of the support 4 in the groove width direction is smaller than the width of the groove 3. However, when it is necessary to equalize the vertical flow of biomolecules such as DNA, it is preferable that the cross-sectional area of the column 4 be uniform in the vertical direction (the column axis direction). In the case where the biomolecules are separated in the depth direction of the groove 3, the support 4 may have a tapered shape that becomes thinner in any of the upper and lower directions. As long as molding is possible, the support 4 may have a three-dimensional geometric shape, for example, a shape in which a plurality of spheres continuously form a support.
  • the struts 4 are arranged in such a manner that a plurality of struts 4 spaced apart at equal intervals in the groove width direction are arranged at equal intervals in the longitudinal direction of the groove. Are arranged. However, the arrangement of the columns 4 does not need to be as described above, and can be arbitrary.
  • the struts 4 are arranged in predetermined regions of the grooves 3, but their arrangement or arrangement is regular as long as biological molecules such as DNA flow smoothly. It may or may not exist. However, if the arrangement of the pillars 4 is not regular, it is necessary to arrange the pillars 4 at random in order to generate a uniform sample flow.
  • FIGS. 5A to 5E show five specific examples of the arrangement of the columns 4 in the grooves 3 (top view of the substrate 2).
  • the arrangement shown in FIG. 5A is a two-dimensional array pattern that can move biomolecules two-dimensionally in plan view. In this configuration, the rectangular Around the groove 3, four sample inlets 7 and two sets (four) of electrodes 8 are arranged.
  • the arrangement form shown in FIG. 5B is an arrangement pattern in which the arrangement density of the columns 4 or the gap between the columns 4 changes stepwise in the longitudinal direction of the groove 3.
  • the arrangement shown in FIG. 5C is an arrangement pattern in which the columns 4 are arranged in a row in the groove 3.
  • 5D is an arrangement pattern in which the columns 4 are arranged in a row in the groove 3 and the wall surface of the groove 3 functions as a column. That is, the separation matrix 5 is composed of an independent support 4 and a support 4 ′ which is a part of the wall surface of the groove 3.
  • the arrangement shown in FIG. 4E is an arrangement pattern in which a plurality of columns 4 are arranged in the groove 3, and two sample injection ports 0.7 are connected to one longitudinal end of the groove 3.
  • a two-dimensional filter having a plurality of sample inlets 7 and a plurality of sets of electrodes 8 is used.
  • the separation matrix 5 of the self-pattern is required.
  • the arrangement density of the columns 4 may be reduced near the sample inlet 7 (see FIG. 5B).
  • a concentration region for biomolecules such as DNA may be provided, or a gate for selectively separating biomolecules may be provided.
  • a one-dimensional or two-dimensional gradient may be provided in the gap between the columns 4.
  • the columns 4 may be arranged so as to be in contact with other plural columns 4 or may be arranged so as to be continuously contacted in the arrangement direction. Note that the column 4 may be in contact with the side surface of the groove 3. Further, the wall surface of the groove 3 may be repeatedly protruded into the groove in a shape corresponding to the column 4, and this protruding portion may be used as a column.
  • the separation matrix 5 is composed of only the protrusions on one wall surface of the groove 3 or only the protrusions on both wall surfaces.
  • the electrophoresis cell 1 is a simple channel device without an independent support structure.
  • the sample inlet 7 for injecting a sample containing a biomolecule into the groove 3 may be provided only one, or may be provided in plural or in number.
  • the electrophoresis cell 1 exhibits a function of mixing a plurality of biomolecules in addition to a function of separating biomolecules (see FIG. 5E).
  • a column 4 is arranged in the groove 3 where the sample inlet 7 is located.
  • the sample when the column 4 is not provided at the position where the sample inlet 7 is arranged, the sample is introduced into the space where the column 4 does not exist, and then the arrow P 2 As shown, it flows straight and enters the separation matrix 5 from the side of the column 4. In this case, the sample can be smoothly injected into the groove 3 because the resistance to the flow of the sample is small.
  • the spacing of struts 4 is the most important factor for the separation of biomolecules.
  • the narrowest part of the gap between the columns will be referred to as “column gap”, and the size or distance of the column gap will be referred to as “gap distance”.
  • the gap distance must be large enough to allow the biomolecules to be separated through.
  • the gap distance acts as an obstacle to the passage of biomolecules, and further affects the speed of passage of biomolecules, depending on the size of the molecule, for example, a parameter defined by the penetration radius of the molecule.
  • the separation principle based on the size (molecular weight) of a biomolecule such as DNA in the separation matrix 5 according to the present invention is the same as that in agarose genole or polyacrylamide genole. Therefore, it can be said that the electrophoresis cell 1 according to the present invention replaces the role of the gel network in electrophoresis with the separation matrix 5 including the plurality of columns 4.
  • the DNA in the buffer is a linear polymer in a random coil state, and the length of these displacements can be expressed as the mean squared end-to-end distance.
  • the change in DNA is defined by the following equation 1.
  • Equation 1 the size (displacement length or radius of gyration) of DNA increases in proportion to the half power of the number of bases. I do.
  • the role of agarose or polyacrylamide gel networks in electrophoresis is to provide an obstacle to passing DNA. Therefore, if the size of the DNA and the gap distance of the separation matrix 5 are of the same order, the motion of the DNA molecular chain passing through the support gap is affected by the gap distance, and the support gap is closed. It is thought to play a role as a barrier. That is, when DNA passes through a pillar gap that is smaller than its size, the DNA must take a thermodynamically low entropy (deformed form) conformation. This is the principle that a difference occurs in the electrophoresis speed of DNA depending on the molecular weight of DNA.
  • the support gap or gap distance As inferred from the above principle, if the gap distance is about the same as the size of DNA, the column gap becomes an obstacle to DNA movement, and separation depending on the molecular weight of DNA can be achieved. .
  • agarose or polyacrylamide gels used for separation of oligonucleotides by electrophoresis and sequencing of 10 to 1000 bases of DNA have a network size of 100 to 100 nm (for example, published in 2000). Also, see the report by Yoshinobu Baba described in “Protein / Nucleic Acid 'Enzyme Journal,” Vol. 45, No. 1, pp. 76-84. Therefore, when separating a DNA fragment of 1000 bases or less, it can be said that the gap distance must be 100 nm or less (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-508042).
  • the optimum gap distance is 0.1 to 5 / m.
  • Table 1 shows the results of examining the relationship between gap distance and DNA mobility for three DNAs with different numbers of bases. According to Table 1, it can be seen that T4DNA (166 kbp) and LDNA (48.5 kbp) do not easily pass through the strut gap when the gap distance is 0.1 / im or less. This is due to the influence of water molecules hydrated on DNA, which causes This is probably because the force is larger than the actual size of the DNA.
  • X DNA cannot pass.
  • Partial pass.
  • Smooth pass. That is, the physical size of a mesh such as agarose gel is 10 to 100 nm.
  • the effects of sugar molecules and polyacrylamide molecular chains, or the effects of hydrated water molecules on DNA are added.
  • these water molecules interact with the DNA and the separation matrix, which facilitates the separation of the DNA. Since these molecular chains are resilient, it is presumed that they use the effect of hydration water such as DNA or absorb the effects of water molecules.
  • the upper limit of the gap distance is 5 ⁇ m.
  • Table 2 shows the results of examining the relationship between the gap distance and the migration speed of DNA for T4 DNA and LDNA. According to Table 2, when the gap distance exceeds 5 ⁇ , the difference in moving speed cannot be obtained reliably. Therefore, the upper limit of the gap distance is set to 5 ⁇ . Table 2 Relationship between gap distance and travel speed of DNA
  • the arrangement density of the columns 4 in the separation matrix 5 can be basically set arbitrarily.
  • the separation matrix 5 according to the present invention is based on the principle that the passage speed of DNA is affected by the column gap, the DNA separation ability is proportional to the number of column gaps through which DNA passes. And improve.
  • the electrophoretic migration speed of DNA of 50 to 200 kbp (kilobase pairs) under the condition of 50 to 100 V / cm was 50 m / sec on average.
  • the number of struts 4 (cylinders with a diameter of 15 ⁇ ) that passed in one second was about three, and the number of strut gaps was six.
  • the arrangement density of the pillars 4 is about 4000 pieces / mm 2
  • the arrangement density of the pillar gaps is about 14000 pieces / mm 2 . Since DNA shorter than this DNA migrates faster, the arrangement density of the support 4 or the arrangement gap of the support gap should be higher than 4000 pieces Zmm 2 or 14000 pieces Zmm 2 , respectively.
  • Table 3 shows that the above experiment was repeated using T4 DNA and LDNA at various arrangement densities of the columns 4, and the relationship between the arrangement density of the columns 4 and the difference in the migration speed of DNA was determined. The results are shown below. According to Table 3, it is understood that the arrangement density of the columns 4 of the separation matrix 5 needs to be at least 1000 / mm 2 . Table 3 Relationship between the arrangement density of the pillars and the difference in the migration speed of DNA
  • the material of the substrate 2 and the separation matrix 5 is not particularly limited as long as it is an inexpensive and mass-produced polymer material. However, these materials are desirably transparent because of their ease of optical detection. Therefore, for example, elastomer can be used as the soft material, and plastic can be used as the hard material.
  • elastomer can be used as the soft material
  • plastic can be used as the hard material.
  • transparent synthetic rubbers such as silicone rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, fluorine-based rubber, and styrene-based transparent rubber, and blended rubbers thereof. The performance should satisfy the following conditions.
  • Any curing method may be used, but from the viewpoint of moldability, chemical initiators and crosslinking
  • a method of initiating curing with an agent or a method of curing with energy rays such as heat curing or light is preferred.
  • the plastic material preferably transmits the excitation light and the fluorescence.
  • a material include a polystyrene resin, a polysulfone resin, an acrylic resin, a polycarbonate resin, a polyolefin resin, a chlorine-containing polymer, a polyether resin, and a polyester resin. These resins can be in any form of homopolymer, copolymer, blend, and prepolymer.
  • a thermoplastic resin is preferable in terms of molding, a thermosetting or energy ray-curable crosslinked polymer may be used.
  • the material of the cover 6 can sufficiently transmit the excitation light and the fluorescent light, and the lower surface of the cover 6 is sufficiently adhered to the upper surface of the substrate 2, the groove 3 and the separation matrix 5 (post 4) to cause liquid leakage.
  • the surface of the cover 6 is preferably hydrophilic, but may be hydrophobic.
  • the thickness of the cover 6 can be set arbitrarily. However, considering the optical focus of the high-magnification detection system, the thickness of the cover 6 is preferably 2 mm or less.
  • the surface of the substrate 2 is preferably hydrophobic and has a contact angle with water of 45 degrees or more.
  • the surface of the groove 3, the surface of the separation matrix 5 (post 4), and the surface of the portion of the force bar 6 covering the groove 3 make it easy for the buffer solution to come into contact with the buffer solution, and the buffer solution becomes It is preferably hydrophilic so that it is easy to spontaneously fill the gap of No. 4. Therefore, it is preferable to apply a hydrophilic treatment to these surfaces.
  • the hydrophilization may be performed by any method. Specifically, for example, plasma processing, Plasma polymerization, corona discharge, coating of hydrophilic chemicals such as coating polymers, hydrophilic treatment by physical microstructure, and the like can be used.
  • coating polymer examples include polyhydroxymethyl methacrylate, polyacrylamide, and cellulosic polymer. It should be noted that these coating polymers must be cross-linked so that they do not dissolve during electrophoresis. Further, since the electroosmotic flow and electrophoresis can be controlled by the type and concentration of the ionic substance, the same effect can be obtained by adding an ionic substance to the buffer solution.
  • the surface of the groove 3, the surface of the separation matrix 5 (post 4), and the surface of the cover 6 covering the groove 3 are the same as those of the substrate 2 even if they are hydrophobic. It is possible to use. In general, typical elastomers and plastics are hydrophobic without a surface treatment. If these are used as they are, the buffer cannot be filled in the groove 3 or the separation matrix 5 (the gap between the columns 4) by capillary action. Therefore, in this case, it is necessary to immerse the electrophoresis cell 1 in a buffer solution to perform a degassing treatment. However, once the buffer solution is filled in the groove 3 or the separation matrix 5, the effect of the present invention can be sufficiently exerted thereafter.
  • the electrophoresis cell 1 is entirely hydrophobic, for example, when an elastomer and a plastic are used, the adhesion between them is increased. Furthermore, the effect of reducing nonspecific adsorption of biomolecules and making the electrophoresis cell 1 less susceptible to contamination can be obtained.
  • the electrophoresis cell 1 is manufactured by the following procedure.
  • the materials of the electrophoresis cell 1 are all polymeric materials, and these polymeric materials are processed by molding.
  • As the molding method of polymer materials compression molding method, injection molding method, extrusion molding method, blow molding method, molding method, thin molding method, etc. are known. Any method can be used as long as the structure can be formed.
  • the following two methods are used. That is, one method is to use a microfabricated silicon (S i) as a ⁇ type and cast an elastomer to transfer a microstructure. The other is to add a glass roll to a micromachined silicon mold. This is a method in which a fine structure is transferred by pressing a thermoplastic polymer heated above the transfer temperature.
  • the ⁇ -type material examples include glass, silicon, ceramic, metal, and plastic.
  • any material can be used as long as it can finely process a negative pattern on a nanometer to submicron level.
  • a method for fabricating a mold it is possible to use a method in which a mask is formed and then dry-etched, or a method in which the resist is directly finely processed by lithography.
  • a silicon etching technique is used to improve the peelability. According to this method, the surface of the fine structure of the negative pattern can be smoothed, whereby the releasability and transferability of the fine structure can be further improved.
  • a method for manufacturing a mold, and a substrate 2 provided with a groove 3 including a separation matrix 5 using the mold hereinafter, referred to as a “device”.
  • the method for manufacturing the will be described more specifically.
  • a silicon wafer 11 is prepared.
  • a photosensitive organic film 12 is applied to the upper surface of the silicon wafer 11.
  • FIG. 7C on the silicon wafer 11 with the photosensitive organic film 12, a region 14 a transmitting light and a region 14 b not transmitting light are formed in a predetermined pattern. Place the formed mask 14.
  • a predetermined area of the photosensitive organic film 12 is irradiated with light 13 via the mask 14 and developed using a developing solution. For example, when a so-called positive photosensitive organic film in which the exposed portion is dissolved is used as the photosensitive organic film 12, the photosensitive organic film 12 is removed at a portion corresponding to the light-transmitting region 14 a, A hole 15 is formed.
  • the silicon wafer # 1 is etched.
  • an etching method an inductive electromagnetic coupling plasma reactive plasma etching, which is an existing technology, is used.
  • the reaction gas a gas mainly containing fluorocarbon is used.
  • the silicon wafer 11 is etched at a portion corresponding to the hole 15 formed in the photosensitive organic film 12, that is, a portion not covered with the photosensitive organic film 12, and the concave portion 16 is formed. It is formed.
  • the photosensitive organic film 1 2 Using an organic solvent.
  • a type 17 force S made of silicon is obtained.
  • a device is manufactured using this type 17. Specifically, first, as shown in FIG. 7F, a silicone rubber melt 18 is applied to a mold 17 made of silicon.
  • the surface of the mold 17 is preliminarily subjected to a treatment for maintaining hydrophobicity, for example, by applying a silane coupling agent.
  • a treatment for maintaining the hydrophobicity it is possible to improve the releasability between the silicone rubber and the mold 17 in the peeling step described later.
  • a device made of silicone rubber that is, a substrate 2 having a groove 3 containing a separation matrix 5 is obtained.
  • a cover 16 having a sample injection port (through hole) is arranged at a predetermined position on the device.
  • a glass substrate or a plastic substrate can be used as the cover 6, a glass substrate or a plastic substrate can be used.
  • the electrophoresis cell 1 in which the cover 6 and the device made of silicone rubber are in close contact with each other is completed. Since the silicone rubber has adhesiveness, the cover 6 made of a glass substrate or a plastic substrate and the device can be sealed simply by pressing the cover 6 on the device, and there is no problem of liquid leakage.
  • the type 17 or electrophoresis cell 1 can be manufactured by a very simple method. Further, since the type 17 made of silicon can be used repeatedly, the productivity and production cost of the electrophoresis cell 1 can be improved.
  • the device that is, the substrate 2 provided with the groove 3 including the separation matrix 5 may be manufactured by a method different from the above-described manufacturing method. For example, a plastic device can be obtained by pressing a plastic plate against a press die while applying heat to a silicon die. After that, if the cover 6 is attached to the device, the electrophoresis cell 1 is completed. As described above, in the device or the electrophoresis cell 1 using plastic, the strength is improved as compared with the case where silicone rubber is used.
  • the type 17 made of silicon instead of the type 17 made of silicon, the type 17 made of a thick photosensitive organic film is used. May be used.
  • a thick photosensitive organic film may be patterned by light irradiation, and the patterned organic film may be used as it is as a ⁇ type. According to this method, the etching step of the silicon wafer 11 shown in FIG. 7D can be omitted, so that the productivity can be further improved.
  • the process or results of actually manufacturing the electrophoresis cell 1 using PDMS polydimethylsiloxane
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the negative pattern of the silicon wafer was formed by the fine processing technology.
  • This mold has a mold surface corresponding to the groove containing the separation matrix.
  • This mold was placed in a plastic petri dish having a diameter of 90 cm, and PDMS was injected from above.
  • the PDMS used was purchased from Toray Industries, Inc. (trade name “SYLGARD”).
  • the silicon wafer (silicon substrate) was pre-treated with a silane coupling agent. After applying a solution of 4% dimethyldichlorosilane in acetonitrile on the surface of the silicon wafer, the silicon wafer was dried at 100 ° C. for 30 minutes. About 4 Om 1 of PDMS was placed in a 10 Om 1 beaker, and further 4 mL of a catalyst was added and mixed well. The beaker was placed in a desiccator, and deaerated with a vacuum pump for 30 minutes.
  • PDMS chip width 5mm, length 20mm, thickness 5mm
  • cover A polystyrene board of one dimension (5mm in width, 20mm in length, lmm in thickness) was covered. If the adhesion is poor, apply oxygen plasma treatment (oxygen pressure 1.0 kPa, excitation power 100 w, treatment time 5 min) or ultraviolet treatment (20 w ultraviolet lamp, treatment) on the groove side surface of the PDMS chip. A time of 20 minutes and a distance of 10 cm) should be applied to improve the adhesion. On the cover, two sample injection holes (holes) with a diameter of lmm were formed along the groove.
  • oxygen plasma treatment oxygen pressure 1.0 kPa, excitation power 100 w, treatment time 5 min
  • ultraviolet treatment (20 w ultraviolet lamp, treatment
  • TBE buffer 89 mM Tris-borate, 2 mM EDTA
  • the surface of the PDMS chip becomes hydrophilic, so that the buffer solution enters the gap between the columns of the separation matrix by capillary action.
  • buffer solution is supplied into the groove from one sample inlet, and the other sample inlet is sucked by a syringe to fill the buffer into the separation matrix.
  • the PDMS chip may be immersed in a buffer solution, the pressure may be reduced in a vacuum desiccator, and the buffer solution may be filled in the separation matrix. In the latter case, the cover must be carefully placed on the PDMS chip after degassing.
  • a DNA sample was used as a biomolecule sample.
  • DNA samples LDNA, T4 phage DNA, and 1/2 DNA obtained by cutting DNA into about half with restriction enzyme Xbo-I were used.
  • the base numbers of these DNAs were 48500, 166000 and 24000, respectively.
  • Each of these DNAs contains 0.05 / X g of TBE buffer per 11 and contains YOPRO-I (manufactured by Molecular Probes), Cyber Green (manufactured by Takara Shuzo) or Cyber Gold (manufactured by Takara Shuzo) as a fluorescent staining sample.
  • a DNA mixture containing ⁇ was used as a sample. This sample was used in an amount of 1 ⁇ L per electrophoresis. Then, the sample was injected into one of the two sample inlets formed on the cover, and electrophoresis was performed.
  • the power supply for electrophoresis is 0 to: A 1000 V, 1 A rated ATTO cross power 1000 was used. With this power supply, a voltage of 50 to 10 OV / cm was applied to both ends of an electrode made of a platinum wire. The current was less than 1 OmA. Since DNA is negatively charged in the TBE buffer, it migrates toward the positive electrode. When the groove length was 1 cm, the electrophoresis time was 2 to 5 minutes.
  • FIG. 8 shows a schematic configuration of an electrophoresis evaluation apparatus for observing or recording DNA electrophoresis.
  • the electrophoresis evaluation device includes a fluorescence microscope 20.
  • the fluorescence microscope 20 includes a sample holder 22 on which a sample 21 (electrophoresis cell) is placed, a light source 23 having an excitation-side filter (not shown), a dichroic mirror 24, and an observation device for observing DNA.
  • a window 25, a switching mirror 26 for switching an optical path, a photomultiplier tube 27 for converting light into an electric signal, and a video camera 28 (high-sensitivity CCD camera) are provided.
  • the electrophoresis evaluation apparatus also includes a VTR 29 (video 'tape' recorder) for recording images, a personal computer 30, and a display 31.
  • VTR 29 video 'tape' recorder
  • the light L1 emitted from the light source 23 and having its wavelength adjusted to 420 to 490 nm by the excitation side filter is reflected by the dichroic mirror 24, and then irradiated to the sample 21.
  • the DNA in the sample emits fluorescence.
  • This fluorescence is adjusted to light L2 having a wavelength of 520 nm by an absorption filter (not shown).
  • the light L 2 is split by the dichroic mirror 24 into light L 3 traveling toward the observation window 25 and light L 4 traveling toward the photomultiplier tube 27 or video camera 28.
  • the observation window 25 it is possible to observe a state in which the fluorescent DNA molecule passes through the inside of the separation matrix (the gap between the columns) by electrophoresis.
  • the light L4 is input to the photomultiplier tube 27 or the video camera 28 by switching the optical path by the switching mirror 26.
  • the photomultiplier 27 converts the light L4 into an electric signal and outputs it to an external device.
  • Video camera 28, a high-sensitivity CCD camera allows DNA molecules to pass through the separation matrix by electrophoresis. Take a picture of the situation and send the resulting image to VTR 29.
  • VTR 29 records this image.
  • the image recorded on the VTR 29 can be analyzed using the personal computer 30 and can be displayed on the display 31.
  • FIG. 9 shows the relationship between the number of bases of DNA and the migration speed of DNA under the following conditions.
  • Support density 4000 pieces Zmm 2
  • the separation matrix according to the present invention which includes artificial columns and gaps, has the same effect as the mesh of agarose gel or polyacrylamide gel, and can be substituted with these phenols.
  • FIG. 10 shows a columnar column 4 and a motion model of the DNA passing through a gap between the column 4.
  • the gap between the pillars 4 serving as an obstacle plays a role of an entropy barrier against the movement of the DNA passing through the gap.
  • the globular DNA molecule passes through the gap of the strut 4, it temporarily takes on a thermodynamically low entropy conformation, deforms, and passes through the gap. You. This is thought to affect the speed of DNA migration by electrophoresis. (Application Example of Electrophoresis Cell According to the Present Invention)
  • the basic electrophoresis cell according to the present invention has been described in detail in terms of its shape, material, production method, principle of DNA separation, kinetic model of DNA, and the like.
  • a DNA sampler (biological sample sampler) using a typical electrophoresis cell is described.
  • FIG. 11 shows one DNA sorting apparatus to which the electrophoresis cell according to the present invention is applied.
  • the separation matrix is divided into five pillar areas A to E in which the arrangement density of pillars or the gaps between pillars (pillar gaps) are different.
  • the arrangement density of the pillars increases in this order (the gap between the pillars decreases).
  • the DNA separation apparatus has one sample inlet 33 with a cathode and five sample recovery ports 34 a to 34 e provided in the pillar areas A to E with anodes, respectively. .
  • the DNA having a large molecular weight can be placed in the pillar area (the pillar area E side) where the arrangement density of the columns is large. ), It is concentrated in the pillar area (pillar area A side) where the arrangement density of the columns is low, and collected from the sample collection port of this pillar area. Therefore, the DNA present in the pillar areas A, B, C, D, and E, or the DNA recovered at the sample recovery ports 34a to 34e has a smaller molecular weight as the latter. Therefore, the DNA in the sample can be fractionated (fractionated) into five types according to the molecular weight.
  • 12A and 12B show another example of the application of the electrophoresis cell according to the present invention.
  • the separation matrix 5 is two-dimensional in a vertical direction (XI-X2 direction) and a horizontal direction (Yl-Y2 direction) in plan view. It is composed of a large number of prism-shaped pillars 4 that are spaced apart from each other.
  • this DNA sorter has a cathode It has one sample inlet 35 and six sample recovery ports 36a to 36f, each with an anode.
  • the DNA having a large molecular weight cannot pass through the narrow gap 39, so that, for example, R As shown by 1, in the ⁇ 1- ⁇ 2 direction (lateral direction), it does not move in the Y1 direction, but moves only in the Y2 direction.
  • DNA with a small molecular weight can move in both the Y1 and Y2 directions.
  • the influence of the influence increases the tendency of the DNA with a small molecular weight to move in the Y1 direction as shown by, for example, R2. Therefore, in the separation matrix 5, the DNA recovered at the sample recovery ports 36a to 36f has a smaller molecular weight as the latter. Therefore, the DNA in the sump can be fractionated (fractionated) into six types according to the molecular weight.
  • the electrophoresis cell or the DNA sorting apparatus (biological sample sorting apparatus) according to the present invention can be applied to medical diagnosis or gene polymorphism detection.
  • human genes there are slight differences (genetic polymorphisms) in the nucleotide sequence of each individual. It is said that the difference lies in the gene regulatory region, the intron region, or the region encoding a protein.
  • the difference between the gene regulatory region and the synchrotron region indicates that the expression level of the gene varies among individuals.
  • regions encoding proteins and the like indicate that the activity of the enzyme varies from individual to individual. It is said that individual differences are determined by combinations of genetic polymorphisms.
  • SNPs single nucleotide polymorphisms
  • SNPs analysis methods include restriction enzyme method, SCSP (single-strand conformation polymorphisms) angle? Analysis methods, direct sequencing methods, and electrochemical detection methods are known.
  • the ones that are analyzed by electrophoresis are the restriction enzyme method, SSCP angle analysis, and the direct sequencing method.
  • An electrophoresis cell using the separation matrix according to the present invention can be applied to such rapid separation and detection.
  • SNPs can be rapidly detected with a small amount of sample.
  • the SSCP method is suitable for the present invention because it is amplified using the PCR technique and a change in the three-dimensional structure is detected by electrophoresis.
  • DNA and biomolecules are targeted, but the targets are not limited to biomolecules. It can also be applied to separation and detection of environmental chemicals and high molecular compounds. In addition, the separation matrix and its manufacturing method are expected to be useful for separation and detection in microchannels such as chemical microdevices and lab-on-a-chip, which have recently been talked about.
  • the biomolecule separation cell such as the electrophoresis cell according to the present invention and the method for producing the same, and the DNA sampler or the biological sample sorter are particularly suitable for DNA and the like. It is useful for detecting or sorting biomolecules, and is suitable for use as a medical testing device or a diagnostic device.

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Abstract

An electrophoresis cell has a substrate (2), and a groove (3) is formed on an upper surface of this substrate (2). The substrate (2) is formed of a transparent material enabling a user seeing through the substrate (2). The groove (3) includes a separation matrix (5) comprising a large number of stays (4). The upper surface of the substrate (2) and the groove (3) are covered by a transparent cover (6). In addition, the electrophoresis cell (1) has two sample inlets (7) and two electrodes (8). The electrode (8) are inserted into the groove (3) through corresponding sample inlets (7). Both of the electrodes (8) are connected to a DC power source (10) via a lead wire (9). This electrophoresis cell (1) can solve disadvantages in agarose gel and polyacrylic amide gel used in electrophoresis analysis, or in a conventional artificial separation matrix.

Description

明 細 書 生体分子分離セル及びその製造方法並びに D N A分取装置 技術分野  Description Biomolecule separation cell, method for producing the same, and DNA separation device

本発明は、 電気泳動セル等の生体分子分離セル及びその製造方法、 並びに、 該 電気泳動セルを用いた D N A分取装置に関するものである。 背景技術  TECHNICAL FIELD The present invention relates to a biomolecule separation cell such as an electrophoresis cell and a method for producing the same, and a DNA separation apparatus using the electrophoresis cell. Background art

生体試料から抽出された D NAや、 蛋白質及びその断片などの生体分子は、 医 療検査や、 医療診断や、 生物検査に必須の要素である。 これらの生体分子を生化 学的に分析したり、 その分子構造を調べることにより、 病気の診断や、 微生物の 検出や、 遺伝子の判定などが行われる。 これらの生体分子は、 分子量の大きい高 分子であることが特徴である。 これらの最も一般的な分析方法としては、 電気泳 動法が用いられる。 電気泳動法では、 生体分子は、 分子の大きさ (分子量) ゃ電 荷の差異により、 電圧が印加された分離マトリッタスの中で分離される。 電気泳 動法としては、 分離マトリックスにァガロースゲル (寒天ゲル) やポリアクリル アミドゲルを用いる手法が確立されている。 この手法では、 D NAや蛋白質が、 ァガロースゲルやポリアクリルアミドゲノレの分子鎖の網目の中を通り抜けながら 分離される。 これらのゲルの網目の穴は、 5〜2 0 0 n mであろうと推定される。 しかし、 これらのゲルは、 ミクロ構造が不均一であり、 かつ形態が不安定である。 このため、 その取り扱いがむずかしく、 次のような問題がある。  Biomolecules such as DNA, proteins, and fragments thereof extracted from biological samples are essential elements for medical examination, medical diagnosis, and biological examination. By biochemically analyzing these biomolecules and examining their molecular structures, diseases are diagnosed, microorganisms are detected, and genes are determined. These biomolecules are characterized by high molecular weight and high molecules. The most common of these methods is the electrophoresis method. In electrophoresis, biomolecules are separated in a voltage-separated matrix by the difference in molecular size (molecular weight) ゃ charge. As the electrophoresis method, a method using agarose gel (agar gel) or polyacrylamide gel as the separation matrix has been established. In this method, DNA and proteins are separated while passing through the molecular chain network of agarose gel or polyacrylamide. It is estimated that the mesh holes of these gels will be between 5 and 200 nm. However, these gels are heterogeneous in microstructure and morphologically unstable. For this reason, it is difficult to handle, and there are the following problems.

(ゲルの問題点)  (Problems of gel)

①形態が不安定であるので、 保存性が悪く、 取扱い性が悪い。  (1) Since the form is unstable, storage stability is poor and handling is poor.

②常に水分の包含が必要である。  ② Moisture must always be included.

③分離速度が小さい。  (3) The separation speed is low.

④ μ gレべ の比較的多量の試料が必要である。  A relatively large amount of sample, on the order of ④ μg, is required.

⑤再利用することができない。  で き な い Cannot be reused.

⑥高感度な光学検出を行うことができない。 ⑦小型化が困難である。 ⑥High sensitivity optical detection cannot be performed. ⑦ It is difficult to reduce the size.

これらの問題を解決するため、 近年、 半導体リソグラフィ技術を用いた電気泳 動用のハードゲルが提案されている。 具体的には、 例えば、 シリコン基板ゃガラ ス基板の上に、 障害物として人工的なミクロ構造物を形成し、 これをゲルの網目 の代替物として用いるようにしたものや、 光学的に透明なプラスチックを微細加 ェ成型して形成した人工分離マトリックスなどが提案されている。  In order to solve these problems, hard gels for electric swimming using semiconductor lithography technology have been proposed in recent years. Specifically, for example, an artificial microstructure is formed as an obstacle on a silicon substrate / glass substrate, and this is used as a substitute for a gel network, or optically transparent. Artificial separation matrices formed by fine molding of a suitable plastic have been proposed.

前者の例としては、 1 9 9 2年に刊行されたネイチヤー誌 (Nature) 、 第 3 5 8卷、 第 6 0 0〜6 0 2頁に掲載されているフオルクムス (Volkmuth) らによる 報文や、 2 0 0 1年に刊行された分析化学誌 (Analytical Chemistry) 、 第 7 3 卷、 第 6 0 5 3〜6 0 5 6頁に掲載されているバカジン (Bakajin) らによる報 文に開示されたハードゲルがあげられる。 これらの報文の中で、 著者は、 5 0〜 2 0 0キロベースペア (キロ塩基対) の長さを有する D NAの分析をターゲット とした、 2酸化珪素やガラスからなる微細人工障害物を有する分離マトリックス を提案している。 この分離マトリックスは、 規則正しく配置された直径が数/ m の支柱からなる。 試料の D NAは、 向きと角度とを交互に変えた電界を印加する ことにより、 分離マトリックスの中で、 その大きさに応じて分離され、 試料の出 口に設置された蛍光顕微鏡により観察ないし検出される。  Examples of the former include the report by Volkmuth et al. Published in Nature, Vol. 358, pp. 60-62, published in 1992. Bakajin et al., Published in Analytical Chemistry, Vol. 73, pp. 603-656, published in 2001. Hard gel. In these reports, the authors described a microartificial obstacle made of silicon dioxide or glass targeted at the analysis of DNA with a length of 50 to 200 kilobase pairs (kilobase pairs). We propose a separation matrix with. This separation matrix consists of regularly arranged struts of a few m / m in diameter. The DNA of the sample is separated according to its size in the separation matrix by applying an electric field in which the direction and angle are alternately changed, and the DNA is not observed or observed with a fluorescence microscope installed at the sample outlet. Is detected.

他方、 後者の例としては、 ャガー (Yager) らにかかる特表平 1 1— 5 0 8 0 4 2公報に開示された、 プラスチックを用いた人工分離マトリッタスがあげられ る。 この人工分離マトリックスは、 次の点で、 シリコン基板やガラス基板をべ一 スとする分離マトリックスと異なる。  On the other hand, as an example of the latter, there is an artificial separation matrix using plastics disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 11-508082 by Yager et al. This artificial separation matrix differs from a separation matrix based on a silicon substrate or a glass substrate in the following points.

(相違点)  (Difference)

①有機ポリマを分離マトリックス材料として用いる。  ① Use organic polymer as separation matrix material.

②人工的なミク口構造物の配列間距離は 1 0 0 n m以下であり、 好ましくは 1 0〜3 0 n mである。  (2) The distance between the arrangements of the artificial mouth structure is 100 nm or less, and preferably 10 to 30 nm.

③微細加工された铸型中でポリマを重合させて分離マトリックスを製造する。 し力、しながら、 これらの従来技術には、 次のような問題ないしは課題がある。 すなわち、 シリコンやガラスを電気泳動用の分離マトリッタスに用いたものでは、 次のような問題がある。 (問題点) ③ The polymer is polymerized in the micro-processed mold ② to produce a separation matrix. However, these conventional technologies have the following problems or problems. That is, the following problems occur when silicon or glass is used for separation matrices for electrophoresis. (problem)

①シリコンやガラスは加工性が悪く、 高価で大量生産に向かない。  (1) Silicon and glass are poor in workability, expensive and unsuitable for mass production.

②支柱の直径や隙間は数 μ m以上であるが、 この値はァガロースゲルやポリ アクリルアミ ドゲルの網目に比べて 1 0 0倍ほど大きく、 小さな D NAの分析に は不適である。  (2) The diameter and gap of the support are several μm or more, but this value is about 100 times larger than that of agarose gel or polyacrylamide gel, and is not suitable for analysis of small DNA.

他方、 プラスチックを用いた人工分離マトリックスでは、 次のような問題があ る。  On the other hand, artificial separation matrices using plastic have the following problems.

(問題点)  (problem)

①分離マトリックスを製造する際の、 ナノメータ (n m) 〜マイクロメータ ( / m) のレベルでのプラスチック成型カ卩ェ技術が未確立である。  (1) At the nanometer (nm) to micrometer (/ m) level in the production of separation matrices, plastic molding technology has not been established.

②支柱の隙間間隔が 1 0 0 n m以下と狭く、 水和した D N A分子が詰まりや すく、 円滑な分離が困難である。  (2) The gap between the struts is as narrow as 100 nm or less, and the hydrated DNA molecules are easily clogged and smooth separation is difficult.

③微細加工した铸型を用いる製造技術では、 プラスチックの剥離工程や微細 パターンの転写工程が、 現時点では机上の論の域を出ず、 実用化されていない。 発明の開示  (3) In the manufacturing technology using the microfabricated mold (2), the plastic peeling process and the fine pattern transfer process have not reached the level of theoretical discussion at this time and have not been put to practical use. Disclosure of the invention

本発明は、 上記従来の問題を解決するためになされたものであって、 例えば電 気泳動分析に用いられるァガロースゲルやポリアクリルアミドゲル、 あるいは従 来の人工的な分離マトリックスにおける前記の欠点を克服することができる分離 マトリックス、 ないしは電気泳動セル等の生体分子分離セルと、 その製造方法と を提供することを目的とする。 さらには、 かかる生体分子分離セルの応用技術を 提供することも目的とする。  The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and overcomes the above-mentioned drawbacks in, for example, agarose gel or polyacrylamide gel used for electrophoresis analysis, or a conventional artificial separation matrix. An object of the present invention is to provide a separation matrix which can be used or a biomolecule separation cell such as an electrophoresis cell, and a method for producing the same. Furthermore, it is another object to provide an application technique of such a biomolecule separation cell.

本発明にかかる生体分子分離セルは、 例えば、 電気泳動により、 液体試料中の 生体分子を分離又は検出する。 生体分子分離セルは、 表面に溝 (流路) が形成さ れた基板と、 分離マトリックスと、 カバーと、 溝内を満たす緩衝液と、 少なくと も 2つの電極とを備えている。 分離マトリックスは、 溝の一部の領域に配置され、 支柱間の間隙の最も狭い部分が 0 . 1〜5 μ πιである複数の支柱からなる。 カバ 一は、 基板の表面と溝とを覆い、 かつ支柱の上面と密着する。 電極は、 緩衝液に 直接接触し、 この緩衝液に電圧を印加する。 基板と分離マトリックスとは、 高分 子材料で形成されている。 The biomolecule separation cell according to the present invention separates or detects biomolecules in a liquid sample, for example, by electrophoresis. The biomolecule separation cell includes a substrate having a groove (flow path) formed on the surface thereof, a separation matrix, a cover, a buffer filling the groove, and at least two electrodes. The separation matrix consists of a plurality of struts arranged in a partial area of the groove, with the narrowest part of the gap between the struts being 0.1-5 μπι. The cover covers the surface of the substrate and the groove, and is in close contact with the upper surface of the support. The electrodes are in direct contact with the buffer and apply a voltage to the buffer. Substrate and separation matrix It is formed of a child material.

この生体分子分離セルでは、 人工的なマイクロ障害物による分離マトリックス を、 例えば電気泳動用のゲルの代替物として用いている。 このため、 分離マトリ ックスを小型化 '軽量ィヒすることができ、 乾燥状態で保存することができる。 つ まり、 試料が少量であっても、 D NA等の生体分子を、 迅速かつ高感度で分離又 は検出することができる。  In this biomolecule separation cell, a separation matrix using artificial micro obstacles is used as an alternative to a gel for electrophoresis, for example. For this reason, the separation matrix can be reduced in size and weight, and can be stored in a dry state. In other words, biomolecules such as DNA can be separated or detected quickly and with high sensitivity even if the sample is small.

この生体分子分離セルでは、 分離すべき生体分子の大きさや性質に応じて、 最 適な構造を選択することができる。 すなわち、 設計の自由度が大きい。 このため 支柱の横断面は、 例えば、 円、 長円、 多角形、 又は、 角部を丸めもしくは切り取 つた多角形など、 種々の形状とすることができる。  In this biomolecule separation cell, an optimal structure can be selected according to the size and properties of the biomolecule to be separated. In other words, the degree of freedom in design is large. For this reason, the cross section of the support can be of various shapes, for example, a circle, an ellipse, a polygon, or a polygon with rounded or cut corners.

基板及び分離マトリックスの一部又は全部は、 例えば、 コス トが安く量産が容 易な高分子材料であるエラストマ、 プラスチック等で形成されるのが好ましい。 エラストマとしては、 例えば、 一般的な材料であり、 かつ価格が安く成形性が良 好なシリコーンゴムを用いるのが好ましい。 また、 プラスチックとしては、 例え ば、 一般的な材料であり、 力つ価格が安く成形性が良好なアクリル系樹脂、 ポリ スチレン系樹脂、 ポリカーボネート系樹脂等を用いるのが好ましい。  Part or all of the substrate and the separation matrix are preferably formed of, for example, an elastomer, plastic, or the like, which is a polymer material that is inexpensive and easy to mass-produce. As the elastomer, for example, it is preferable to use a silicone rubber which is a general material and which is inexpensive and has good moldability. Further, as the plastic, for example, it is preferable to use an acrylic resin, a polystyrene resin, a polycarbonate resin, or the like, which is a general material and which is inexpensive and has good moldability.

溝の幅は 2 0〜1 0 0 0ミクロンに設定され、 溝の深さは 1〜5 0 μ πιに設定 され、 また溝の長さは 0 . 1〜5 O mmに設定されるのが好ましい。 このように すれば、 D N Aなどの生体分子が、 均一かつ円滑に電気泳動する。 このため、 高 感度な検出が可能な電気泳動セルを実現することができる。  The width of the groove is set to 20 to 100 microns, the depth of the groove is set to 1 to 50 μπι, and the length of the groove is set to 0.1 to 5 O mm. preferable. In this way, biomolecules such as DNA can be electrophoresed uniformly and smoothly. For this reason, an electrophoresis cell capable of high-sensitivity detection can be realized.

支柱の配置密度は、 1 0 0 0個 Zmm 2以上であるのが好ましい。 本発明では、 例えば、 D NAが支柱のサブミクロンオーダーの間隙を通りぬける際に、 D NA の泳動速度に影響を与えるといったことを基本原理としているので、 間隙の数が 分離能に大きく影響する。 そして、 支柱の配置密度が 1 0 0 0個/ mm 2以上で あれば、 1 0 0 0 0 0 0塩基対以下の D NAの分離が可能である。 The arrangement density of the pillars is preferably 100 or more Zmm 2 or more. In the present invention, for example, the basic principle is that when DNA passes through sub-micron-order gaps in the column, it affects the migration speed of DNA, so the number of gaps greatly affects the resolution. . Then, if the arrangement density of the columns is 1000 or more / mm 2 or more, it is possible to separate DNAs of 1000 base pairs or less.

溝に生体分子試料を注入するための試料注入口がカバーに設けられている場合 は、 分離マトリックスが、 試料注入口近傍に、 その他の領域よりも支柱の配置密 度が低い領域又は支柱が存在しない領域を有するのが好ましい。 例えば、 D NA は、 支柱の上部の隙間から溝内には進入しにくいが、 このようにすれば、 D NA の注入が容易となる。 If the cover is provided with a sample inlet for injecting biomolecule sample into the groove, the separation matrix has a region or column near the sample inlet where columns are less densely arranged than other regions. It is preferable to have a region that does not. For example, it is difficult for the DNA to enter the groove from the gap at the top of the column. Injection becomes easy.

本発明にかかる上記生体分子分離セルの 1つの製造方法では、 まず、 シリコン 基板、 ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、 溝及び支柱に対応するネ ガパターンを備えた铸型を形成する。 次に、 この铸型に、 液状のエラストマもし くはプラスチック、 又は、 エラストマもしくはプラスチックの原料となるモノマ もしくはプレボリマを流し込んで固化させる。 この後、 固化物を铸型から分離し て、 基板と分離マトリックスとを備えた生体分子分離セルを得る。 この製造方法 によれば、 铸型の微細構造を忠実に転写することができ、 電気泳動セルの量産が 可能となる。  In one manufacturing method of the biomolecule separation cell according to the present invention, first, a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate is subjected to fine processing to form a shape having a negative pattern corresponding to a groove and a support. . Next, a liquid elastomer or plastic, or a monomer or prepolymer as a raw material of the elastomer or plastic is poured into the mold and solidified. After that, the solidified product is separated from the 铸 type to obtain a biomolecule separation cell including a substrate and a separation matrix. According to this manufacturing method, a 铸 -shaped fine structure can be faithfully transferred, and mass production of electrophoresis cells becomes possible.

本発明にかかる上記生体分子分離セルのもう 1つの製造方法では、 まず、 シリ コン基板、 ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、 溝及び支柱に対応す るネガパターンを備えたプレス型を形成する。 次に、 ガラス転移温度以上に加熱 したプラスチックをプレス型に押し付けた後、 温度を低下させて硬化させる。 こ の後、 硬化物をプレス型から分離して、 基板と分離マトリックスとを備えた生体 分子分離セルを得る。 この製造方法によれば、 铸型の微細構造を忠実かつ高速に 転写することができるので、 電気泳動セルの量産が可能となる。  In another method for manufacturing a biomolecule separation cell according to the present invention, first, a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate is subjected to fine processing to provide a press mold having a negative pattern corresponding to grooves and columns. To form Next, after the plastic heated above the glass transition temperature is pressed against the press mold, the temperature is reduced and the plastic is cured. Thereafter, the cured product is separated from the press mold to obtain a biomolecule separation cell including a substrate and a separation matrix. According to this manufacturing method, since it is possible to transfer a 微細 -shaped fine structure faithfully and at high speed, mass production of electrophoresis cells becomes possible.

本発明にかかる D N A分取装置は、 電気泳動により液体試料中の生体分子を分 離する本発明にかかる生体分子セルを利用して、 溝内に供給された D N Aを含む 液体試料から、 該 D N Aの特性及び構造に基づいて、 該 D NAを分取 (分離) 又 は分画する。 このように、 本発明にかかる電気泳動セルを、 D NAの分析や医療 検査に用いることにより、 従来は操作性が悪く、 分析に長時間を要していた遺伝 子検査を、 迅速に高感度で行うことができる。 図面の簡単な説明  The DNA sorting apparatus according to the present invention uses a biomolecule cell according to the present invention that separates biomolecules in a liquid sample by electrophoresis, from a liquid sample containing DNA supplied in a groove, and The DNA is separated (separated) or fractionated based on the properties and structure of the DNA. As described above, by using the electrophoresis cell according to the present invention for DNA analysis and medical inspection, a genetic test that had conventionally been difficult to perform and required a long time for analysis can be quickly and highly sensitively performed. Can be done with BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

本発明は、 後記の詳細な説明及び添付の図面により、 より十分に理解されるで あろう。 なお、 添付の図面において、 共通する構成要素には同一の参照番号が付 されている。  The present invention will become more fully understood from the detailed description and the accompanying drawings, wherein: FIG. In the attached drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals.

図 1は、 高分子材料で形成された分離マトリックスを備えた、 本発明にかかる 電気泳動セルの全体的な斜視図 (透視図) である。 図 2は、 図 1に示す電気泳動セルないし分離マトリッタスの一部を拡大して示 す斜視図である。 FIG. 1 is an overall perspective view (perspective view) of an electrophoresis cell according to the present invention provided with a separation matrix formed of a polymer material. FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of the electrophoresis cell or the separation matrix shown in FIG.

図 3は、 図 1に示す電気泳動セルの立面断面図である。  FIG. 3 is an elevational sectional view of the electrophoresis cell shown in FIG.

図 4 A〜図 4 Eは、 種々の支柱の形状及び配置形態を示す立体的な模式図であ る。  4A to 4E are three-dimensional schematic diagrams showing the shapes and arrangements of various columns.

図 5 A〜図 5 Eは、 分離マトリックスの上面図であり、 種々の支柱の配置形態 を示している。  5A to 5E are top views of the separation matrix, showing various strut arrangements.

図 6 A〜図 6 Cは、 それぞれ、 試料注入口及び分離マトリックスの構造を示す 1つの斜視図と 2つの立面断面図とである。  FIGS. 6A to 6C are one perspective view and two cross-sectional elevation views showing the structures of the sample inlet and the separation matrix, respectively.

図 7 A〜図 7 Gは、 分離マトリックスを製作するための铸型の作製方法と、 こ の铸型を用いた電気泳動セルの製作方法とを示す図である。  FIGS. 7A to 7G are diagrams showing a method for producing a type III for producing a separation matrix, and a method for producing an electrophoresis cell using the type III.

図 8は、 電気泳動セル用の蛍光顕微鏡及びその付属機器の構成ないしレイァゥ トを示す模式図である。  FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration or layout of a fluorescence microscope for an electrophoresis cell and its attached equipment.

図 9は、 電気泳動セル内における D N Aの塩基数と電気泳動速度との関係を示 すグラフである。  FIG. 9 is a graph showing the relationship between the number of DNA bases in the electrophoresis cell and the electrophoresis speed.

図 1 0は、 支柱の間隙における D NAの動きを示す図である。  FIG. 10 is a diagram showing the movement of DNA in the gap between the columns.

図 1 1は、 本発明にかかる電気泳動セルを用いた 1つの D N A分取装置の概略 構成を示す模式図である。  FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic configuration of one DNA sorting apparatus using the electrophoresis cell according to the present invention.

図 1 2 A及び図 1 2 Bは、 本発明にかかる電気泳動セルを用いたもう 1つの D NA分取装置の概略構成を示す模式図である。 発明を実施するための最良の形態  FIGS. 12A and 12B are schematic diagrams showing the schematic configuration of another DNA sorting apparatus using the electrophoresis cell according to the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、 添付の図面を参照しつつ、 本発明の実施の形態を具体的に説明する。 た だし、 各図において、 共通する部材、 すなわち構成及び機能が実質的に同一であ る部材には共通の参照番号を付し、 重複する説明は、 原則として省略する。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. However, in each of the drawings, common members, that is, members having substantially the same configuration and function are denoted by common reference numerals, and redundant description will be omitted in principle.

(電気泳動セルの概要)  (Outline of electrophoresis cell)

まず、 本発明にかかる電気泳動セルの概要を説明する。 図 1は、 本発明にかか る電気泳動セルの基本形の全体構造を示している。 図 2はこの電気泳動セルの一 部を拡大して示し、 図 3はこの電気泳動セルの立面断面を示している。 図 1〜図 3に示すように、 電気泳動セル 1は基板 2を有し、 この基板 2の上面 に溝 3が形成されている。 基板 2は、 必ずしも透明である必要はないが、 基板 2 内を透視することができるので、 透明であるのが好ましい。 溝 3は、 多数の支柱 4 (ピラー) 力 らなる分離マトリックス 5を含んでいる。 基板 2の上面と溝 3と は、 透明なカバー 6で覆われている。 さらに、 電気泳動セル 1には、 2つの試料 注入口 7と、 2つの電極 8 (正極及び負極) とが設けられている。 各電極 8は、 それぞれ、 対応する試料注入口 7を通して溝 3内に挿入されている。 つまり、 試 料注入口 7は、 電極挿入穴を兼ねている。 また、 両電極 8は、 リード線 9を介し て直流電源 1 0に接続されている。 First, the outline of the electrophoresis cell according to the present invention will be described. FIG. 1 shows the overall structure of the basic form of the electrophoresis cell according to the present invention. FIG. 2 shows an enlarged part of the electrophoresis cell, and FIG. 3 shows an elevational cross section of the electrophoresis cell. As shown in FIGS. 1 to 3, the electrophoresis cell 1 has a substrate 2, and a groove 3 is formed on the upper surface of the substrate 2. The substrate 2 is not necessarily required to be transparent, but is preferably transparent because the inside of the substrate 2 can be seen through. The groove 3 contains a separation matrix 5 consisting of a number of struts 4 (pillars). The upper surface of the substrate 2 and the groove 3 are covered with a transparent cover 6. Further, the electrophoresis cell 1 is provided with two sample inlets 7 and two electrodes 8 (positive electrode and negative electrode). Each electrode 8 is inserted into the groove 3 through the corresponding sample inlet 7. That is, the sample injection port 7 also serves as an electrode insertion hole. Further, both electrodes 8 are connected to DC power supply 10 via lead wire 9.

電気泳動セル 1において、 分離マトリックス 5を構成している各支柱 4は、 幾 何学的な断面を有している。 各支柱の上面は、 カバー 6の下面と密着している。 そして、 分離マトリックス 5を含んでいる溝 3には、 電気泳動用の緩衝液が満た され、 したがって各支柱 4の間隙には緩衝液が存在している。 溝 3内に挿入され た各電極 8は、 溝 3内の緩衝液に直接接触してレヽる。 緩衝液中に生体分子が存在 する場合、 両電極 8間に電圧が印加されると、 該生体分子は帯電しているので、 その帯電の態様に応じていずれか一方の電極 8に向かって移動する。 例えば、 生 体分子が D NA (デォキシリボ核酸) であれば、 緩衝液の中で負に帯電している ので、 溝 3の延びる方向 (両電極 8を結ぶ方向) に沿って、 正極である電極 8 (図 1では、 左側の電極) に向かって移動する。  In the electrophoresis cell 1, each column 4 constituting the separation matrix 5 has a geometrical cross section. The upper surface of each column is in close contact with the lower surface of the cover 6. The groove 3 containing the separation matrix 5 is filled with a buffer solution for electrophoresis, and therefore, a buffer solution is present in the gap between the columns 4. Each electrode 8 inserted in the groove 3 comes into direct contact with the buffer solution in the groove 3 and lays. When a biomolecule is present in the buffer, when a voltage is applied between the two electrodes 8, the biomolecule is charged and moves toward one of the electrodes 8 according to the charging mode. I do. For example, if the biomolecule is DNA (deoxyribonucleic acid), it is negatively charged in the buffer solution, so that the electrode which is the positive electrode along the direction in which the groove 3 extends (the direction connecting both electrodes 8) 8 (in Fig. 1, the left electrode).

基板 2の形状や厚さは mとくには限定されず、 用途や目的に応じて所望の形状 とすることができる。 ただし、 成形が容易であり、 かつ強度が高いので、 基板 2 は板状であるのが好ましレ、。 基板 2の材料がエラストマである場合、 該基板 2の 厚さは、 カバー 6との密着性を確保するため、 3 mm以上であるのが好ましい。 分離マトリックス 5を含む溝 3は、 基板 2の表面に複数ないし多数設けられても よい。 D N A等の生体分子の流路となる溝 3は、 試料の注入や、 他の D NA等の 生体分子あるいは試薬との混合を容易にするため、 交差していてもよい。 また、 溝 3 (流路) 中に、 円形や多角形などの形状の部分を形成して、 溝 3の液体に対 する抵抗や液体の移動速度を制御し、 ミクロレベルでの流体的な調整を行っても よい。 (溝の構成) The shape and thickness of the substrate 2 are not particularly limited to m, but can be any desired shape according to the application and purpose. However, since the molding is easy and the strength is high, it is preferable that the substrate 2 has a plate shape. When the material of the substrate 2 is an elastomer, the thickness of the substrate 2 is preferably 3 mm or more in order to secure adhesion to the cover 6. The groove 3 including the separation matrix 5 may be provided in plural or many on the surface of the substrate 2. Grooves 3 serving as flow paths for biomolecules such as DNA may cross each other in order to facilitate sample injection and mixing with other biomolecules or reagents such as DNA. Also, a circular or polygonal part is formed in the groove 3 (flow path) to control the resistance to the liquid in the groove 3 and the moving speed of the liquid, and to perform fluid adjustment at the micro level. May be performed. (Groove configuration)

以下、 溝 3の具体的な構成ないし機能を説明する。 図 1〜図 3に示す例では、 溝 3は、 基板 2の長手方向に延びる直線状の形状を有している。 しかし、 溝 3の 形状は、 これに限定されるものではなく、 例えば U字形、 S字形又は円形であつ てもよレ、。 ただし、 この場合、 溝 3の湾曲部では、 電界の分布が溝 3に対して並 行ではなくなるので、 溝 3の形状を工夫して電界補正や検出補正を行うことが必 要である。  Hereinafter, a specific configuration or function of the groove 3 will be described. In the example shown in FIGS. 1 to 3, the groove 3 has a linear shape extending in the longitudinal direction of the substrate 2. However, the shape of the groove 3 is not limited to this, and may be, for example, U-shaped, S-shaped, or circular. However, in this case, the distribution of the electric field is not parallel to the groove 3 in the curved portion of the groove 3, so that it is necessary to perform the electric field correction and the detection correction by devising the shape of the groove 3.

本発明にかかる電気泳動セル 1は小型化が容易であるが、 溝 3の幅は 1 μ m以 上であるのが好ましく、 2 Ο μ πι以上であるのがより好ましい。 溝 3の幅が 1 /2 mより狭い場合は、 検出感度が低下し、 生体分子の検出に高倍率の光学機器が必 要となり、 検出コストが高くなるからである。 また、 溝 3の幅は 1 0 0 0 /x m以 下であるのが好ましく、 3 0 0 z m以下であるのがより好ましい。 溝 3の幅が 1 O O O /i mを超えると、 電気泳動の均一性が損なわれるとともに、 本発明の効果 が小さくなるからである。 し力 し、 本発明を、 複数組の電極 8を備えた 2次元的 な広がりを持つ分離マトリックス 5、 例えばパルスフィールド電気泳動の分離マ トリックス 5に適用する場合は、 溝 3の幅は 1 0 0 0 /z mを超えてもよい。  Although the electrophoresis cell 1 according to the present invention can be easily miniaturized, the width of the groove 3 is preferably 1 μm or more, and more preferably 2 μππι or more. If the width of the groove 3 is smaller than 1/2 m, the detection sensitivity is reduced, and a high-magnification optical device is required for detecting biomolecules, which increases the detection cost. Further, the width of the groove 3 is preferably not more than 1000 / xm, more preferably not more than 300 zm. If the width of the groove 3 exceeds 1 OO O / im, the uniformity of electrophoresis is impaired, and the effect of the present invention is reduced. However, when the present invention is applied to a separation matrix 5 having a two-dimensional spread provided with a plurality of sets of electrodes 8, for example, a separation matrix 5 of pulse field electrophoresis, the width of the groove 3 is 10. It may exceed 0 0 / zm.

溝 3の深さは 1 μ πι以上であるのが好ましい。 溝 3の深さがこれより浅いと、 本発明の効果が小さくなり、 かつ検出感度が低下するからである。 また、 溝 3の 深さは 5 0 0 μ πι以下であるのが好ましく、 5 0 /z m以下であるのがより好まし い。 溝 3の深さが 5 0 0 i mを超えると、 D N A等の生体分子の上下方向の拡散 が生じ、 本発明の効果が小さくなるとともに、 生体分子の検出時に光学的焦点を 合わせにくくなり、 検出感度が低下するおそれがあるからである。  It is preferable that the depth of the groove 3 is 1 μπι or more. If the depth of the groove 3 is smaller than this, the effect of the present invention is reduced and the detection sensitivity is reduced. The depth of the groove 3 is preferably 500 μππ or less, more preferably 50 / zm or less. When the depth of the groove 3 exceeds 500 im, biomolecules such as DNA are diffused in the vertical direction, thereby reducing the effect of the present invention and making it difficult to focus optically on the detection of the biomolecules. This is because the sensitivity may be reduced.

溝 3の長さ及び分離マトリックス 5の長さは、 任意に設定することができる。 具体的には、 例えば、 分離すべき生体分子のターゲットや、 各ターゲットに必要 とされる分離能に応じて、 0. 1〜5 O mmの範囲で決定することができる。 し かし、 これらの長さの上限は、 後で説明する铸型となるシリコンウェハの大きさ により制限されることがある。  The length of the groove 3 and the length of the separation matrix 5 can be set arbitrarily. Specifically, for example, it can be determined in the range of 0.1 to 5 Omm depending on the target of the biomolecule to be separated and the resolving power required for each target. However, the upper limit of these lengths may be limited by the size of a silicon wafer to be described later, which will be described later.

(電極の構成)  (Configuration of electrode)

以下、 電極 8の具体的な構成ないし機能を説明する。 この電気泳動セル 1では、 電極 8は、 直径 0. 2 mmの白金線であり、 電源 1 0のリード線 9に半田付けに より接続されている。 し力 し、 電極 8は、 末端が溝 3内の緩衝液と接触すること ができれば、 線状、 板状、 膜状 (蒸着膜) のいずれの形状であってもよく、 また 大きさや厚さも、 任意に設定することができる。 電極 8の材料は、 5 0 0 Vの電 圧を印加することができ、 数十 mAの電流を流すことができ、 かつ電気分解ゃ材 料の溶出が起こらなければ、 どのようなものであってもよい。 力かる材料として は、 例えば、 白金、 金、 カーボン、 電導性高分子などがあげられる。 Hereinafter, a specific configuration or function of the electrode 8 will be described. In this electrophoresis cell 1, Electrode 8 is a platinum wire having a diameter of 0.2 mm, and is connected to lead wire 9 of power supply 10 by soldering. As long as the electrode 8 can contact the buffer solution in the groove 3, the electrode 8 may have any shape of a line, a plate, and a film (a vapor-deposited film), and may have a size and a thickness. , Can be set arbitrarily. The material of the electrode 8 can be any material as long as a voltage of 500 V can be applied, a current of several tens of mA can flow, and the elution of the electrolysis material does not occur. You may. Examples of strong materials include platinum, gold, carbon, and conductive polymers.

この電気泳動セル 1では、 白金線からなる電極 8は、 その大部分はカバー 6の 上面に配置され、 その先端近傍部は、 カバー 6に設けられた試料注入口 7を通し て溝 3内に挿入されている。 しかし、 電極 8は、 カバー 6に直接接着又は蒸着さ れてもよい。 また、 外部の支持体から試料注入口 7を通して、 あるいは基板 2の 中を通して配線されてもよい。 なお、 電極 8の先端近傍部を、 試料注入口 7を通 すのではなく、 カバー 6に別途形成された電極揷入用穴を通して溝 3内に挿入し てもよい。  In the electrophoresis cell 1, the electrode 8 composed of a platinum wire is mostly disposed on the upper surface of the cover 6, and the vicinity of the tip is inserted into the groove 3 through the sample inlet 7 provided in the cover 6. Has been inserted. However, the electrode 8 may be directly adhered or deposited on the cover 6. Alternatively, wiring may be performed from an external support through the sample inlet 7 or through the substrate 2. Note that the vicinity of the tip of the electrode 8 may be inserted into the groove 3 through an electrode insertion hole separately formed in the cover 6 instead of passing through the sample injection port 7.

この電気泳動セル 1では、 電極 8には、 0 . 1〜 5 0 0 V/ c mの範囲の直流 電圧が印加される。 し力、し、 パルス電圧が印加されてもよい。 また、 複数組の電 極 8が設けられている場合は、 周期的に電流の方向が変わってもよい。  In this electrophoresis cell 1, a DC voltage in the range of 0.1 to 500 V / cm is applied to the electrode 8. A pulse voltage may be applied. When a plurality of sets of electrodes 8 are provided, the direction of the current may be changed periodically.

この電気泳動セル 1において、 溝 3内の流路と、 分離マトリックス 5を構成す る各支柱 4の間隙とを満たしている電気泳動用の緩衝液としては、 分離すべき生 体分子が D NAの場合は、 T B E緩衝液 (8 9 mM Tris -borate, 2 mM E In this electrophoresis cell 1, as a buffer for electrophoresis filling the flow path in the groove 3 and the gap between the columns 4 constituting the separation matrix 5, the biomolecules to be separated are DNA. In the case of, use TBE buffer (89 mM Tris-borate, 2 mM E

D T A) 又は T A E緩衝液 ( 4 O mM Tris— acetateヽ 1 mM E D T A) 用いられる。 緩衝液の p Hは 8前後である。 また、 分離すべき生体分子が蛋白質 の場合は、 該蛋白質の種類に応じて、 その電気泳動に最適な緩衝液が用いられる。 DTA) or TAE buffer (4 OmM Tris-acetate 1 mM EDTA). The pH of the buffer is around 8. When the biomolecule to be separated is a protein, an optimal buffer for electrophoresis is used depending on the type of the protein.

(支柱の構成)  (Structure of pillar)

以下、 支柱 4の具体的な構成ないし機能を説明する。 この電気泳動セル 1では、 図 2から明らかなとおり、 分離マトリックス 5を構成している各支柱 4の上面な いし横断面 (支柱の中心軸線と垂直な面で切断した断面) の形状 (以下、 単に Hereinafter, the specific configuration or function of the support 4 will be described. In this electrophoresis cell 1, as can be seen from FIG. 2, the shape of the top surface or the cross section (cross section cut along a plane perpendicular to the center axis of the column) of each column 4 constituting the separation matrix 5 (hereinafter, referred to as simply

「断面形状」 という。 ) は円形である。 し力 し、 支柱 4の断面形状は円形である 必要はなく、 任意の形状とすることができる。 例えば、 図 4 A〜図 4 Eに示すように、 支柱 4の断面形状は、 角部を丸めた長 方形 (図 4 A) 、 楕円形 (図 4 B ) 、 正方形ないしひし形 (図 4 C) 、 六角形It is called “cross-sectional shape”. ) Is circular. However, the cross-sectional shape of the support 4 does not need to be circular, and can be any shape. For example, as shown in FIGS. 4A to 4E, the cross-section of the column 4 is a rectangle with rounded corners (FIG. 4A), an oval (FIG. 4B), a square or a diamond (FIG. 4C). , Hexagon

(図 4 D) 、 長方形 (図 4 E) であってもよい。 あるいは、 その他の多角形又は 角部を切り落とした多角形であってもよい。 さらに、 D NA等の生体分子の流れ がスムーズであれば、 断面形状は、 星形や、 突起を有する幾何学形状であっても よく、 また定まった形のないものであってもよい。 各支柱 4の断面形状はすべて 同じである必要はなく、 前記の各形状が混在していてもよい。 例えば、 支柱 4の 断面形状を、 試料注入口 7付近では楕円形とし、 それ以外の部位では六角形とし てもよい。 (Fig. 4D) or rectangular (Fig. 4E). Alternatively, other polygons or polygons with corners cut off may be used. Furthermore, as long as the flow of biomolecules such as DNA is smooth, the cross-sectional shape may be a star shape, a geometric shape having protrusions, or may have no fixed shape. The cross-sectional shapes of the columns 4 need not be all the same, and the above-mentioned shapes may be mixed. For example, the cross-sectional shape of the column 4 may be elliptical near the sample inlet 7 and hexagonal at other portions.

各支柱 4の断面積は、 支柱 4の溝幅方向の寸法が溝 3の幅より小さい限り、 任 意に設定することができる。 ただし、 D N A等の生体分子の上下方向の流れを均 一にする必要がある場合は、 支柱 4の断面積は上下方向 (支柱軸線方向) に均一 であるのが好ましい。 また、 生体分子を溝 3の深さ方向に分離させる場合、 支柱 4は、 上下のいずれかに向かって細くなるテーパ状であってもよい。 成形が可能 であれば、 支柱 4は、 立体的な幾何学形状のもの、 例えば、 複数の球体が連続し て支柱を構成するといった形状のものであってもよい。  The cross-sectional area of each support 4 can be set arbitrarily as long as the dimension of the support 4 in the groove width direction is smaller than the width of the groove 3. However, when it is necessary to equalize the vertical flow of biomolecules such as DNA, it is preferable that the cross-sectional area of the column 4 be uniform in the vertical direction (the column axis direction). In the case where the biomolecules are separated in the depth direction of the groove 3, the support 4 may have a tapered shape that becomes thinner in any of the upper and lower directions. As long as molding is possible, the support 4 may have a three-dimensional geometric shape, for example, a shape in which a plurality of spheres continuously form a support.

(支柱の配置)  (Arrangement of pillars)

以下、 支柱 4の具体的な配置形態を説明する。 この電気泳動セル 1では、 図 1 及び図 2から明らかなとおり、 支柱 4は、 溝幅方向に互いに等間隔で離間する複 数の支柱 4が、 溝長手方向に等間隔で並んだ配置形態で配列されている。 しかし、 支柱 4の配置形態は、 このようなものである必要はなく、 任意のものとすること ができる。 分離マトリックス 5としての機能を発揮させるため、 支柱 4は溝 3の 所定の領域に配置されるが、 その配置形態ないし配列形態は、 D NA等の生体分 子がスムーズに流れる限り、 規則性があっても、 なくてもよレ、。 しかし、 支柱 4 の配置形態が規則性をもたない場合、 均一な試料の流れを生じさせるには、 支柱 4をランダムに配置する必要がある。  Hereinafter, a specific arrangement form of the columns 4 will be described. In this electrophoresis cell 1, as is clear from FIGS. 1 and 2, the struts 4 are arranged in such a manner that a plurality of struts 4 spaced apart at equal intervals in the groove width direction are arranged at equal intervals in the longitudinal direction of the groove. Are arranged. However, the arrangement of the columns 4 does not need to be as described above, and can be arbitrary. In order to exert the function as the separation matrix 5, the struts 4 are arranged in predetermined regions of the grooves 3, but their arrangement or arrangement is regular as long as biological molecules such as DNA flow smoothly. It may or may not exist. However, if the arrangement of the pillars 4 is not regular, it is necessary to arrange the pillars 4 at random in order to generate a uniform sample flow.

図 5 A〜図 5 Eに、 溝 3内における支柱 4の配置形態 (基板 2の上面図) の 5 つの具体例を示す。 図 5 Aに示す配置形態は、 生体分子を平面視で 2次元的に移 動させることができる 2次元配列パターンである。 この配置形態では、 長方形の 溝 3の周りに、 4つの試料注入口 7と 2組 (4つ) の電極 8とが配置されている。 図 5 Bに示す配置形態は、 溝 3の長手方向に支柱 4の配置密度ないし支柱 4間の 隙間が段階的に変化する配列パターンである。 図 5 Cに示す配置形態は、 溝 3内 に支柱 4が 1列に並んで配置された配列パターンである。 図 5 Dに示す配置形態 は、 溝 3内に支柱 4が 1列に並んで配置されるとともに、 溝 3の壁面が支柱とし て機能するように形成された配列パターンである。 すなわち、 分離マトリックス 5は、 独立した支柱 4と溝 3の壁面の一部である支柱 4 ' とで構成されている。 図 4 Eに示す配置形態は、 溝 3内に複数列の支柱 4が配置された配列パタ一ンで あり、 溝 3の長手方向の一端に 2つの試料注入口.7が接続されている。 FIGS. 5A to 5E show five specific examples of the arrangement of the columns 4 in the grooves 3 (top view of the substrate 2). The arrangement shown in FIG. 5A is a two-dimensional array pattern that can move biomolecules two-dimensionally in plan view. In this configuration, the rectangular Around the groove 3, four sample inlets 7 and two sets (four) of electrodes 8 are arranged. The arrangement form shown in FIG. 5B is an arrangement pattern in which the arrangement density of the columns 4 or the gap between the columns 4 changes stepwise in the longitudinal direction of the groove 3. The arrangement shown in FIG. 5C is an arrangement pattern in which the columns 4 are arranged in a row in the groove 3. The arrangement form shown in FIG. 5D is an arrangement pattern in which the columns 4 are arranged in a row in the groove 3 and the wall surface of the groove 3 functions as a column. That is, the separation matrix 5 is composed of an independent support 4 and a support 4 ′ which is a part of the wall surface of the groove 3. The arrangement shown in FIG. 4E is an arrangement pattern in which a plurality of columns 4 are arranged in the groove 3, and two sample injection ports 0.7 are connected to one longitudinal end of the groove 3.

前述したとおり、 パルスフィ一ルド電気泳動の分離マトリックスに本発明を適 用する場合は、 例えば図 5 Aに示すような、 複数の試料注入口 7と複数組の電極 8とを備えた 2次元酉己列パターンの分離マトリックス 5が必要である。 溝 3内へ の試料の注入を円滑化するために、 試料注入口 7に近いところでは、 支柱 4の配 置密度を低くしてもよい (図 5 B参照) 。 また、 D N A等の生体分子の濃縮領域 を設けたり、 生体分子を選択的に分離するためのゲートを設けてもよい。 さらに は、 支柱 4間の隙間に、 1次元的又は 2次元的な勾配をつけてもよい。  As described above, when the present invention is applied to a separation matrix for pulse field electrophoresis, for example, as shown in FIG. 5A, a two-dimensional filter having a plurality of sample inlets 7 and a plurality of sets of electrodes 8 is used. The separation matrix 5 of the self-pattern is required. In order to facilitate the injection of the sample into the groove 3, the arrangement density of the columns 4 may be reduced near the sample inlet 7 (see FIG. 5B). Further, a concentration region for biomolecules such as DNA may be provided, or a gate for selectively separating biomolecules may be provided. Further, a one-dimensional or two-dimensional gradient may be provided in the gap between the columns 4.

支柱 4は、 他の複数の支柱 4に接触するように配置してもよく、 あるいはその 配列方向に連続して接触するように配置してもよい。 なお、 支柱 4が溝 3の側面 に接触していてもよい。 また、 溝 3の壁面を、 支柱 4に対応する形状でもって溝 内に繰り返し突出させ、 この突出部を支柱として利用してもよい。 なお、 最も単 純な場合、 分離マトリックス 5は、 溝 3の一方の壁面の突出部のみ、 又は両方の 壁面の突出部のみで構成される。 この場合、 電気泳動セル 1は、 独立した支柱構 造をもたない単純な流路デバイスとなる。  The columns 4 may be arranged so as to be in contact with other plural columns 4 or may be arranged so as to be continuously contacted in the arrangement direction. Note that the column 4 may be in contact with the side surface of the groove 3. Further, the wall surface of the groove 3 may be repeatedly protruded into the groove in a shape corresponding to the column 4, and this protruding portion may be used as a column. In the simplest case, the separation matrix 5 is composed of only the protrusions on one wall surface of the groove 3 or only the protrusions on both wall surfaces. In this case, the electrophoresis cell 1 is a simple channel device without an independent support structure.

(試料注入□)  (Sample injection □)

以下、 試料注入口 7の具体的な構成及び機能を説明する。 生体分子を含む試料 を溝 3に注入するための試料注入口 7は、 1つだけ設けても、 また複数ないし多 数設けてもよい。 試料注入口 7を複数設けた場合、 電気泳動セル 1は、 生体分子 を分離する機能に加えて、 複数の生体分子を混合する機能も発揮する (図 5 E参 照) 。 また、 図 6 Aに示すように、 D NA等の生体分子を含む試料を溝 3内に注入し やくするため、 試料注入口 7が配置された部位では、 溝 3内に支柱 4を配置しな い領域を設け、 あるいは支柱 4の配置密度を低くした領域を設けるのが好ましい。 図 6 Bに示すように、 試料注入口 7が配置された部位に支柱 4が他の部位と同 様の配置密度で設けられている場合、 試料は分離マトリックス 5の上に導入され た後、 矢印 P 1で示すように曲線的に流れて分離マトリックス 5内に入る。 この 場合、 試料の流れに対する抵抗が大きいので、 試料を円滑に溝 3内に注入するこ とは困難である。 Hereinafter, the specific configuration and function of the sample inlet 7 will be described. The sample inlet 7 for injecting a sample containing a biomolecule into the groove 3 may be provided only one, or may be provided in plural or in number. When a plurality of sample inlets 7 are provided, the electrophoresis cell 1 exhibits a function of mixing a plurality of biomolecules in addition to a function of separating biomolecules (see FIG. 5E). In addition, as shown in FIG.6A, in order to make it easier to inject a sample containing a biomolecule such as DNA into the groove 3, a column 4 is arranged in the groove 3 where the sample inlet 7 is located. It is preferable to provide a region where no support is provided or a region where the arrangement density of the columns 4 is reduced. As shown in Fig. 6B, when the column 4 is provided at the same location as the other site at the site where the sample inlet 7 is located, the sample is introduced onto the separation matrix 5, It flows curvilinearly into the separation matrix 5 as shown by the arrow P1. In this case, it is difficult to smoothly inject the sample into the groove 3 because the resistance to the flow of the sample is large.

他方、 図 6 Cに示すように、 試料注入口 7が配置された部位に支柱 4が設けら れていない場合、 試料は、 支柱 4が存在しない空間部に導入された後、 矢印 P 2 で示すように直線的に流れて支柱 4の側方から分離マトリックス 5内に入る。 こ の場合、 試料の流れに対する抵抗が小さいので、 試料を円滑に溝 3内に注入する ことができる。  On the other hand, as shown in FIG. 6C, when the column 4 is not provided at the position where the sample inlet 7 is arranged, the sample is introduced into the space where the column 4 does not exist, and then the arrow P 2 As shown, it flows straight and enters the separation matrix 5 from the side of the column 4. In this case, the sample can be smoothly injected into the groove 3 because the resistance to the flow of the sample is small.

(生体分子の分離原理)  (Biomolecular separation principle)

以下、 電気泳動セル 1における生体分子の分離原理を説明する。 支柱 4の間隔 は、 生体分子の分離にとって最も重要な要素である。 なお、 以下では、 便宜上、 支柱間の間隙の最も狭い部分を 「支柱ギャップ」 と呼び、 支柱ギャップの大きさ ないし距離を 「ギャップ距離」 と呼ぶ。 ギャップ距離は、 分離されるべき生体分 子が通り抜けるのに十分な大きさでなければならない。 かつ、 ギャップ距離は、 生体分子の通過に対する障害物として機能し、 さらに分子の大きさ、 例えば分子 のす貫性半径で定義されるパラメータに依存して、 生体分子の通過速度に影響を及 ぼすことができるものでなければならない。 本発明にかかる分離マトリックス 5 における D NA等の生体分子の大きさ (分子量) に基づく分離原理は、 ァガロー スゲノレやポリアクリルアミ ドゲノレにおけるそれと同様である。 したがって、 本発 明にかかる電気泳動セル 1は、 電気泳動におけるゲルの網目の役割を、 複数の支 柱 4からなる分離マトリックス 5に代替させるものであるといえる。  Hereinafter, the principle of separation of biomolecules in the electrophoresis cell 1 will be described. The spacing of struts 4 is the most important factor for the separation of biomolecules. In the following, for convenience, the narrowest part of the gap between the columns will be referred to as “column gap”, and the size or distance of the column gap will be referred to as “gap distance”. The gap distance must be large enough to allow the biomolecules to be separated through. In addition, the gap distance acts as an obstacle to the passage of biomolecules, and further affects the speed of passage of biomolecules, depending on the size of the molecule, for example, a parameter defined by the penetration radius of the molecule. Must be able to The separation principle based on the size (molecular weight) of a biomolecule such as DNA in the separation matrix 5 according to the present invention is the same as that in agarose genole or polyacrylamide genole. Therefore, it can be said that the electrophoresis cell 1 according to the present invention replaces the role of the gel network in electrophoresis with the separation matrix 5 including the plurality of columns 4.

一般に、 緩衝液中の D N Aは、 ランダムコイル状態の線状ポリマであり、 これ らの変位長さは平均二乗末端間距離として表わすことができる。 例えば、 高分子 溶液論で著名なポール J . フローリ (Paul J. F lory) によれば、 D NAの変 位長さ Rは、 次の式 1で定義される。 Generally, the DNA in the buffer is a linear polymer in a random coil state, and the length of these displacements can be expressed as the mean squared end-to-end distance. For example, according to Paul J. Flory, who is famous for polymer solution theory, the change in DNA The order length R is defined by the following equation 1.

R=0. 3 X (塩基数) 1/2 [nm] 式 1 式 1によれば、 DNAの大きさ (変位長さ又は慣性半径) は、 塩基数の 1/2 乗に比例して増加する。 電気泳動におけるァガロースゲルやポリアクリルアミド ゲルの網目の役割は、 通過する DNAに対して障害物となることである。 したが つて、 DN Aの大きさと分離マトリックス 5のギャップ距離とが同程度のオーダ になれば、 支柱ギヤップを通過する DNAの分子鎖の運動がギヤップ距離による 影響を受け、 支柱ギヤップがェント口ピ障壁の役割を果たすものと考えられる。 すなわち、 DNAが、 その大きさよりも狭い支柱ギャップを通り抜けるときは、 DN Aが熱力学的にエントロピが低い状態 (変形した形) のコンフオメ一シヨン をとらざるを得ない。 これが、 DNAの分子量に依存して、 DNAの電気泳動速 度に差異が生じる原理である。 R = 0.3 X (number of bases) 1/2 [nm] Equation 1 According to Equation 1, the size (displacement length or radius of gyration) of DNA increases in proportion to the half power of the number of bases. I do. The role of agarose or polyacrylamide gel networks in electrophoresis is to provide an obstacle to passing DNA. Therefore, if the size of the DNA and the gap distance of the separation matrix 5 are of the same order, the motion of the DNA molecular chain passing through the support gap is affected by the gap distance, and the support gap is closed. It is thought to play a role as a barrier. That is, when DNA passes through a pillar gap that is smaller than its size, the DNA must take a thermodynamically low entropy (deformed form) conformation. This is the principle that a difference occurs in the electrophoresis speed of DNA depending on the molecular weight of DNA.

(支柱ギャップ)  (Prop gap)

以下、 支柱ギャップないしギャップ距離についてさらに詳しく説明する。 前記 の原理から推察されるように、 ギャップ距離が DN Aの大きさと同程度であれば、 D N Aの移動に対して支柱ギヤップが障害物となり、 D N Aの分子量に依存した 分離を達成することができる。 通常、 電気泳動によるオリゴヌクレオチドの分離 や DNAの 10〜1000塩基の配列決定に用いられる、 ァガロースやポリアク リルアミドのゲルの網目の大きさは 1 0〜100 nmである (例えば、 2000 年に刊行された 「蛋白質 ·核酸 '酵素誌」 、 第 45卷、 第 1号、 第 76〜84頁 に記載された馬場嘉信氏による報文参照) 。 したがって、 1000塩基以下の D N A断片を分離する場合は、 ギャップ距離は 1 00 nm以下であることが必須で あるといえる (例えば、 特表平 1 1— 508042号公報参照) 。  Hereinafter, the support gap or gap distance will be described in more detail. As inferred from the above principle, if the gap distance is about the same as the size of DNA, the column gap becomes an obstacle to DNA movement, and separation depending on the molecular weight of DNA can be achieved. . Usually, agarose or polyacrylamide gels used for separation of oligonucleotides by electrophoresis and sequencing of 10 to 1000 bases of DNA have a network size of 100 to 100 nm (for example, published in 2000). Also, see the report by Yoshinobu Baba described in “Protein / Nucleic Acid 'Enzyme Journal,” Vol. 45, No. 1, pp. 76-84. Therefore, when separating a DNA fragment of 1000 bases or less, it can be said that the gap distance must be 100 nm or less (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-508042).

他方、 本発明にかかる分離マトリックス 5では、 最適なギャップ距離は 0. 1 〜5 / mとされる。 以下、 この理由を説明する。 表 1は、 塩基数が異なる 3つの DNAについて、 ギャップ距離と DNAの移動性との関連を調べた結果を示して いる。 表 1によれば、 T4DNA (1 66 k b p) 及び; LDNA (48. 5 k b p) は、 ギャップ距離が 0. 1 /im以下の場合、 支柱ギャップを通過しにくいこ とがわかる。 これは、 DN Aに水和した水分子の影響により、 DNAの慣性半径 力 実際の DNAの大きさよりも大きくなつているためであると考えられる。 表 1 ギャップ距離と DN Aの移動性との関連性 On the other hand, in the separation matrix 5 according to the present invention, the optimum gap distance is 0.1 to 5 / m. Hereinafter, the reason will be described. Table 1 shows the results of examining the relationship between gap distance and DNA mobility for three DNAs with different numbers of bases. According to Table 1, it can be seen that T4DNA (166 kbp) and LDNA (48.5 kbp) do not easily pass through the strut gap when the gap distance is 0.1 / im or less. This is due to the influence of water molecules hydrated on DNA, which causes This is probably because the force is larger than the actual size of the DNA. Table 1 Relationship between gap distance and DNA mobility

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Figure imgf000016_0001

X : DNA通過不能 △:一部通過 〇:円滑に通過 すなわち、 ァガロースゲルなどの網目の物理的な大きさは 10〜100 nmで ある。 し力、し、 実際には、 糖鎖分子やポリアクリルアミド分子鎖の影響、 あるい は DN Aに水和した水分子の影響が加わっている。 ァガロースやポリアクリルァ ミ ドの場合、 これらの水分子は、 DNAや、 分離マトリックスである網目と相互 作用を及ぼし合い、 これにより DNAの分離が円滑に行われる。 これらの分子鎖 は弾力性があるため、 DN Aなどの水和水の効果を利用し、 あるいは水分子の影 響をうまく吸収しているものと推察される。 これらの水和水の分子レベルでの大 きさは、 現時点では殆どわかっていないが、 100 nmレベルの隙間では、 水和 水の影響で DN Aが浸入しにくいものと考えられる。 逆浸透圧法や高圧液体ク口 マトグラフィなどにより、 人工的に隙間に物理的な力 (圧力など) を加えれば、 水の透過は可能である。 しかし、 この場合、 分離すべき DN A等の生体分子が破 壊されるおそれがある。  X: DNA cannot pass. Δ: Partial pass. 〇: Smooth pass. That is, the physical size of a mesh such as agarose gel is 10 to 100 nm. In fact, the effects of sugar molecules and polyacrylamide molecular chains, or the effects of hydrated water molecules on DNA are added. In the case of agarose or polyacrylamide, these water molecules interact with the DNA and the separation matrix, which facilitates the separation of the DNA. Since these molecular chains are resilient, it is presumed that they use the effect of hydration water such as DNA or absorb the effects of water molecules. The size of these waters of hydration at the molecular level is hardly known at this time, but it is thought that DNA is unlikely to penetrate into the gaps at the 100 nm level due to the effects of water of hydration. Water can be permeated by artificially applying a physical force (such as pressure) to the gap by means of reverse osmosis or high pressure liquid chromatography. However, in this case, biomolecules such as DNA to be separated may be destroyed.

他方、 本発明にかかる分離マトリックス 5では、 ギヤップ距離の上限値は 5 μ mとされる。 以下、 この理由を説明する。 表 2は、 T4DNAと; LDNAとにつ いて、 ギャップ距離と DN Aの移動速度との関連性を調べた結果を示している。 表 2によれば、 ギャップ距離が 5 μπιを超えると、 移動速度差が確実には得られ ないことがわかる。 そこで、 ギャップ距離の上限 は 5 μπιとされる。 表 2 ギャップ距離と DN Aの移動速度との関連性 On the other hand, in the separation matrix 5 according to the present invention, the upper limit of the gap distance is 5 μm. Hereinafter, the reason will be described. Table 2 shows the results of examining the relationship between the gap distance and the migration speed of DNA for T4 DNA and LDNA. According to Table 2, when the gap distance exceeds 5 μπι, the difference in moving speed cannot be obtained reliably. Therefore, the upper limit of the gap distance is set to 5 μπι. Table 2 Relationship between gap distance and travel speed of DNA

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Figure imgf000017_0001

X :速度差なし △:条件によりあり 〇:速度差あり  X: No speed difference △: Depending on conditions 〇: Speed difference

(支柱の配置密度) (Structure arrangement density)

以下、 支柱 4の配置密度を説明する。 分離マトリックス 5における支柱 4の配 置密度は、 基本的には任意に設定することができる。 ただし、 本発明にかかる分 離マトリックス 5は、 DN Aの通過速度が支柱ギャップによって影響されるとい つた原理に基づいているので、 DNAの分離能は、 DNAが通過する支柱ギヤッ プの数に比例して向上する。 本願発明者による実験によれば、 50〜100 V/ cmの条件での 50〜200 k b p (キロ塩基対) の DN Aの電気泳動による移 動速度は、 平均 50 m/秒であった。 そして、 1秒間に通過する支柱 4 (直径 15 μπιの円柱) は約 3個であり、 支柱ギャップの数は 6個であった。 このとき、 1000塩基対あたり約 0. 1 / mの移動距離の差 (塩基対が短いほど速く移動 する) が観察された。 溝 3中の分離マトリックス 5の長さを 5mmとすれば、 こ の DN Aは約 100秒で分離マトリックス 5を通過し、 5 mm先の検出ポイント で、 1000塩基対あたり約 10 /imの移動距離の差をもたらすことになる。 検 出系の光学分解能を 5 μπιとすれば、 この移動距離の差は、 十分検出可能である。 この場合、 DNAは、 その移動距離 lmmあたり 60個の支柱 4と約 120個 の支柱ギヤップとを通過する。 電界の向きと垂直な支柱ギヤップには DN Aが泳 動しないものと仮定すれば、 支柱ギャップの数は支柱 4の数のほぼ 2倍となる。 したがって、 支柱 4の配置密度は約 4000個/ mm2となり、 支柱ギャップの 配置密度は約 14000個/ mm2となる。 この DNAよりも短い DNAは、 よ り早く泳動するので、 支柱 4の配置密度又は支柱ギャップの配置密度は、 それぞ れ、 4000個 Zmm2又は 14000個 Zmm2よりも高くなければならない。 表 3に、 上記実験を、 T 4 D NAと; L D NAを用いて、 さらに種々の支柱 4の配 置密度で繰り返し行い、 支柱 4の配置密度と D N Aの移動速度差との関連性を求 めた結果を示す。 表 3によれば、 分離マトリックス 5の支柱 4の配置密度は、 1 0 0 0個/ mm 2以上であることが必要であることがわかる。 表 3 支柱の配置密度と D N Aの移動速度差の関連性 Hereinafter, the arrangement density of the columns 4 will be described. The arrangement density of the columns 4 in the separation matrix 5 can be basically set arbitrarily. However, since the separation matrix 5 according to the present invention is based on the principle that the passage speed of DNA is affected by the column gap, the DNA separation ability is proportional to the number of column gaps through which DNA passes. And improve. According to experiments by the present inventor, the electrophoretic migration speed of DNA of 50 to 200 kbp (kilobase pairs) under the condition of 50 to 100 V / cm was 50 m / sec on average. The number of struts 4 (cylinders with a diameter of 15 μπι) that passed in one second was about three, and the number of strut gaps was six. At this time, a difference in the movement distance of about 0.1 / m per 1000 base pairs (move faster as the base pairs are shorter) was observed. Assuming that separation matrix 5 in groove 3 is 5 mm long, this DNA will pass through separation matrix 5 in about 100 seconds and travel about 10 / im per 1000 base pairs at the detection point 5 mm ahead. This will result in a difference in distance. If the optical resolution of the detection system is 5 μπι, this difference in travel distance can be detected sufficiently. In this case, the DNA passes through 60 pillars 4 and about 120 pillar gaps per lmm of its travel distance. Assuming that the DNA does not swim in the column gap perpendicular to the direction of the electric field, the number of column gaps is almost twice the number of columns 4. Therefore, the arrangement density of the pillars 4 is about 4000 pieces / mm 2 , and the arrangement density of the pillar gaps is about 14000 pieces / mm 2 . Since DNA shorter than this DNA migrates faster, the arrangement density of the support 4 or the arrangement gap of the support gap should be higher than 4000 pieces Zmm 2 or 14000 pieces Zmm 2 , respectively. Table 3 shows that the above experiment was repeated using T4 DNA and LDNA at various arrangement densities of the columns 4, and the relationship between the arrangement density of the columns 4 and the difference in the migration speed of DNA was determined. The results are shown below. According to Table 3, it is understood that the arrangement density of the columns 4 of the separation matrix 5 needs to be at least 1000 / mm 2 . Table 3 Relationship between the arrangement density of the pillars and the difference in the migration speed of DNA

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Figure imgf000018_0001

X :速度差なし △:条件によりあり 〇:速度差あり  X: No speed difference △: Depending on conditions 〇: Speed difference

(基板及び分離マトリッタスの材質) (Material of substrate and separation matrix)

以下、 基板 2及び分離マトリックス 5の材料にっレ、て説明する。 基板 2及び分 離マトリックス 5の材料は、 安価でありかつ量産しゃすい高分子材料であれば、 とくには制約はない。 ただし、 これらの材料は、 光学的な検出が容易であること 力 ら、 透明であるのが望ましい。 したがって、 やわらかい材料としては例えばェ ラストマを用いることができ、 硬い材料としては例えばプラスチックを用いるこ とができる。 エラストマである最も一般的な透明素材としては、 シリコンゴム、 ブタジエンゴム、 イソプレンゴム、 フッ素系ゴム、 スチレン系透明ゴムなどの透 明合成ゴムと、 これらのブレンドゴムとがあげられる。 また、 性能としては、 次 の条件を満たせばよい。  Hereinafter, the materials of the substrate 2 and the separation matrix 5 will be described. The material of the substrate 2 and the separation matrix 5 is not particularly limited as long as it is an inexpensive and mass-produced polymer material. However, these materials are desirably transparent because of their ease of optical detection. Therefore, for example, elastomer can be used as the soft material, and plastic can be used as the hard material. The most common transparent materials that are elastomers include transparent synthetic rubbers such as silicone rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, fluorine-based rubber, and styrene-based transparent rubber, and blended rubbers thereof. The performance should satisfy the following conditions.

密度: ~ 1 g / m 1  Density: ~ 1 g / m1

給水率: 0 . 1 %以下  Water supply rate: 0.1% or less

全光線透過率: 8 5 %以上  Total light transmittance: 85% or more

成形収縮率: 1 ° /。以下  Mold shrinkage: 1 ° /. Less than

曲げ弾性率: 3 0 O M p a以上  Flexural modulus: 30 O Mpa or more

硬化手法はどのようなものでもよいが、 成形性の観点から、 化学開始剤や架橋 剤により硬化を開始させる手法、 あるいは熱硬化や光などのエネルギー線で硬化 させる手法が好ましい。 Any curing method may be used, but from the viewpoint of moldability, chemical initiators and crosslinking A method of initiating curing with an agent or a method of curing with energy rays such as heat curing or light is preferred.

他方、 プラスチック材料は、 励起光や蛍光を透過させるものであるのが好まし い。 このような材料としては、 例えば、 ポリスチレン系樹脂、 ポリスルホン系樹 脂、 アクリル系樹脂、 ポリカーボネート系樹脂、 ポリオレフイン系樹脂、 塩素含 有ポリマ、 ポリエーテル系樹脂、 ポリエステル系樹脂などをあげることができる。 これらの樹脂は、 単独、 共重合、 ブレンド、 プレボリマのいずれの形態でもよレ、。 成形の点では熱可塑性樹脂が好ましいが、 熱硬化性又はエネルギ線硬化性の架橋 重合体でもよい。 また、 基板 2と溝 3と分離マトリックス 5とは同時に同一材料 で成形するのが望ましい。 ただし、 接着が十分であれば、 別々の材料を張り合わ せたり、 はめ込んでもよい。 この場合、 基板 2の材料としては、 例えば、 セラミ ッタス、 ガラス、 シリコン、 ポリマーァロイなどを用いることができる。  On the other hand, the plastic material preferably transmits the excitation light and the fluorescence. Examples of such a material include a polystyrene resin, a polysulfone resin, an acrylic resin, a polycarbonate resin, a polyolefin resin, a chlorine-containing polymer, a polyether resin, and a polyester resin. These resins can be in any form of homopolymer, copolymer, blend, and prepolymer. Although a thermoplastic resin is preferable in terms of molding, a thermosetting or energy ray-curable crosslinked polymer may be used. Further, it is desirable that the substrate 2, the groove 3, and the separation matrix 5 are simultaneously formed of the same material. However, if the bonding is sufficient, different materials may be laminated or fitted. In this case, as the material of the substrate 2, for example, ceramitter, glass, silicon, polymer alloy, or the like can be used.

(カバーの材料)  (Cover material)

以下、 カバー 6の材料について説明する。 カバー 6の材料は、 励起光及び蛍光 を十分に透過させることができ、 カバー 6の下面が基板 2、 溝 3及び分離マトリ ックス 5 (支柱 4 ) の上面と十分に密着して液漏れを生じさせず、 かつ D NA等 の生体分子を吸着しないものであれば、 とくには制約されない。 例えば、 ガラス、 プラスチック、 エラストマなどを用いることができる。 カバー 6の表面は親水性 であるのが好ましいが、 疎水性であってもよい。 カバー 6の厚さは、 任意に設定 することができる。 ただし、 高倍率の検出系の光学焦点を考慮すれば、 カバー 6 の厚さは 2 mm以下であるのが好ましい。  Hereinafter, the material of the cover 6 will be described. The material of the cover 6 can sufficiently transmit the excitation light and the fluorescent light, and the lower surface of the cover 6 is sufficiently adhered to the upper surface of the substrate 2, the groove 3 and the separation matrix 5 (post 4) to cause liquid leakage. There is no particular limitation as long as it does not cause the biomolecules such as DNA to be adsorbed. For example, glass, plastic, elastomer, and the like can be used. The surface of the cover 6 is preferably hydrophilic, but may be hydrophobic. The thickness of the cover 6 can be set arbitrarily. However, considering the optical focus of the high-magnification detection system, the thickness of the cover 6 is preferably 2 mm or less.

(材料の表面処理)  (Surface treatment of material)

以下、 基板 2、 分離マトリックス 5及びカバー 6の材料の表面処理について説 明する。 基板 2の表面は、 疎水性であり、 水との接触角度が 4 5度以上であるの が望ましい。 他方、 溝 3の表面、 分離マトリックス 5 (支柱 4 ) の表面、 及び力 バー 6の溝 3を覆う部分の表面は、 緩衝液が接触するのが容易となり、 かつ毛細 管現象で緩衝液が支柱 4の隙間を自発的に満たすのが容易となるよう、 親水性で あるのが好ましい。 したがって、 これらの表面に親水化処理を施すのが好ましい。 親水化はどのような方法で行ってもよい。 具体的には、 例えば、 プラズマ処理、 プラズマ重合、 コロナ放電、 コーティングポリマ等の親水性化学物質のコ一ティ ング、 物理的な微細構造による親水化処理などを用いることができる。 Hereinafter, the surface treatment of the materials of the substrate 2, the separation matrix 5, and the cover 6 will be described. The surface of the substrate 2 is preferably hydrophobic and has a contact angle with water of 45 degrees or more. On the other hand, the surface of the groove 3, the surface of the separation matrix 5 (post 4), and the surface of the portion of the force bar 6 covering the groove 3 make it easy for the buffer solution to come into contact with the buffer solution, and the buffer solution becomes It is preferably hydrophilic so that it is easy to spontaneously fill the gap of No. 4. Therefore, it is preferable to apply a hydrophilic treatment to these surfaces. The hydrophilization may be performed by any method. Specifically, for example, plasma processing, Plasma polymerization, corona discharge, coating of hydrophilic chemicals such as coating polymers, hydrophilic treatment by physical microstructure, and the like can be used.

コーティングポリマとしては、 例えばポリヒドロキシメチルメタクリレート、 ポリアクリルアミ ド、 セルロース系ポリマなどがあげられる。 ここで、 注意すベ きことは、 これらのコーティングポリマが電気泳動中に溶け出さないように架橋 処理をする必要があるということである。 また、 電気浸透流や電気泳動をイオン 性物質の種類や濃度で制御することが可能であるので、 緩衝液にイオン性物質な どを加えることにより、 同様の効果を奏することができる。  Examples of the coating polymer include polyhydroxymethyl methacrylate, polyacrylamide, and cellulosic polymer. It should be noted that these coating polymers must be cross-linked so that they do not dissolve during electrophoresis. Further, since the electroosmotic flow and electrophoresis can be controlled by the type and concentration of the ionic substance, the same effect can be obtained by adding an ionic substance to the buffer solution.

溝 3の表面、 分離マトリックス 5 (支柱 4 ) の表面、 及びカバ一 6の溝 3を覆 う部分の表面は、 基板 2の表面と同様に疎水性であっても、 電気泳動セル 1を使 用することは可能である。 一般に、 代表的なエラストマやプラスチックは、 表面 処理をしなければ疎水性である。 これらをそのまま使えば、 毛細管現象で緩衝液 を、 溝 3内あるいは分離マトリックス 5内 (支柱 4の隙間) に満たすことはでき ない。 したがって、 この場合、 緩衝液の中に電気泳動セル 1を浸漬して脱気処理 を行う必要がある。 しかし、 一旦、 このようにして溝 3内あるいは分離マトリツ タス 5内に緩衝液を満たせば、 この後本発明の効果を十分に発揮することができ る。 なお、 電気泳動セル 1が全体として疎水性であれば、 例えばエラストマとプ ラスチックとを用いる場合、 これらの密着性が高まる。 さらに、 生体分子の非特 異的吸着が減少し、 電気泳動セル 1が汚れにくくなるといった効果も得られる。  The surface of the groove 3, the surface of the separation matrix 5 (post 4), and the surface of the cover 6 covering the groove 3 are the same as those of the substrate 2 even if they are hydrophobic. It is possible to use. In general, typical elastomers and plastics are hydrophobic without a surface treatment. If these are used as they are, the buffer cannot be filled in the groove 3 or the separation matrix 5 (the gap between the columns 4) by capillary action. Therefore, in this case, it is necessary to immerse the electrophoresis cell 1 in a buffer solution to perform a degassing treatment. However, once the buffer solution is filled in the groove 3 or the separation matrix 5, the effect of the present invention can be sufficiently exerted thereafter. If the electrophoresis cell 1 is entirely hydrophobic, for example, when an elastomer and a plastic are used, the adhesion between them is increased. Furthermore, the effect of reducing nonspecific adsorption of biomolecules and making the electrophoresis cell 1 less susceptible to contamination can be obtained.

(電気泳動セルの製造方法)  (Method of manufacturing electrophoresis cell)

以下、 電気泳動セル 1の具体的な製造方法を説明する。 電気泳動セル 1は、 お よそ次のような手順で製造される。 電気泳動セル 1の材料はいずれも高分子材料 であるが、 これらの高分子材料は成形により加工される。 高分子材料の成形方法 としては、 圧縮成形法、 射出成形法、 押出し成形法、 吹込み成形法、 铸造成形法、 うす物成形法などが知られているが、 ナノメータ〜サブミクロンのレベルの微細 構造を成形することができれば、 どのような方法を用いてもよレ、。 この実施の形 態では、 次の 2つの方法が用いられる。 すなわち、 1つは、 微細加工したシリコ ン (S i ) を銬型として、 エラストマをキャスティングして微細構造を転写する といった方法である。 もう 1つは、 微細加工したシリコンの成形型に、 ガラス転 移温度以上に加熱した熱可塑性ポリマを押し付けて微細構造を転写するといつた 方法である。 Hereinafter, a specific method for manufacturing the electrophoresis cell 1 will be described. The electrophoresis cell 1 is manufactured by the following procedure. The materials of the electrophoresis cell 1 are all polymeric materials, and these polymeric materials are processed by molding. As the molding method of polymer materials, compression molding method, injection molding method, extrusion molding method, blow molding method, molding method, thin molding method, etc. are known. Any method can be used as long as the structure can be formed. In this embodiment, the following two methods are used. That is, one method is to use a microfabricated silicon (S i) as a 銬 type and cast an elastomer to transfer a microstructure. The other is to add a glass roll to a micromachined silicon mold. This is a method in which a fine structure is transferred by pressing a thermoplastic polymer heated above the transfer temperature.

铸型の材料としては、 例えば、 ガラス、 シリコン、 セラミック、 金属、 プラス チックなどが考えられるが、 ナノメータ〜サブミクロンのレベルのネガパターン を微細加工することができれば、 どのようなものでもよい。 铸型を製作する方法 としては、 マスクを作製してドライエッチングでカ卩ェするといつた方法や、 レジ ストをそのままリソグラフィにより微細加工するといつた方法を用いることがで きる。 ただ、 この実施の形態では、 剥離性を向上させるため、 シリコンのエッチ ング技術を用いている。 この方法は、 ネガパターンの微細構造表面を滑らかにす ることができ、 これにより剥離性や微細構造の転写能をより高めることができる。  Examples of the 铸 -type material include glass, silicon, ceramic, metal, and plastic. However, any material can be used as long as it can finely process a negative pattern on a nanometer to submicron level. As a method for fabricating a mold, it is possible to use a method in which a mask is formed and then dry-etched, or a method in which the resist is directly finely processed by lithography. However, in this embodiment, a silicon etching technique is used to improve the peelability. According to this method, the surface of the fine structure of the negative pattern can be smoothed, whereby the releasability and transferability of the fine structure can be further improved.

(铸型の製作)  (Production of type 铸)

以下、 図 7 A〜図 7 Gを参照しつつ、 铸型を製作する方法と、 該铸型を用いて、 分離マトリックス 5を含む溝 3を備えた基板 2 (以下、 「デバイス」 という。 ) を製作する方法とを、 より具体的に説明する。  Hereinafter, with reference to FIGS. 7A to 7G, a method for manufacturing a mold, and a substrate 2 provided with a groove 3 including a separation matrix 5 using the mold (hereinafter, referred to as a “device”). The method for manufacturing the will be described more specifically.

まず、 図 7 Aに示すように、 シリコンウェハ 1 1を準備する。 続いて、 図 7 B に示すように、 シリコンウェハ 1 1の上面に感光性有機膜 1 2を塗布する。 次に、 図 7 Cに示すように、 感光性有機膜 1 2を伴ったシリコンウェハ 1 1の上に、 光 を通す領域 1 4 aと光を通さない領域 1 4 bとが所定のパターンで形成されたマ スク 1 4を配置する。 そして、 マスク 1 4を介して感光性有機膜 1 2の所定の領 域に光 1 3を照射し、 現像液を用いて現像する。 例えば感光性有機膜 1 2として、 感光した部分が溶解するいわゆるポジ型感光性有機膜を用いた場合は、 光を通す 領域 1 4 aに対応する部位では感光性有機膜 1 2が除去され、 穴部 1 5が形成さ れる。  First, as shown in FIG. 7A, a silicon wafer 11 is prepared. Subsequently, as shown in FIG. 7B, a photosensitive organic film 12 is applied to the upper surface of the silicon wafer 11. Next, as shown in FIG. 7C, on the silicon wafer 11 with the photosensitive organic film 12, a region 14 a transmitting light and a region 14 b not transmitting light are formed in a predetermined pattern. Place the formed mask 14. Then, a predetermined area of the photosensitive organic film 12 is irradiated with light 13 via the mask 14 and developed using a developing solution. For example, when a so-called positive photosensitive organic film in which the exposed portion is dissolved is used as the photosensitive organic film 12, the photosensitive organic film 12 is removed at a portion corresponding to the light-transmitting region 14 a, A hole 15 is formed.

次に、 図 7 Dに示すように、 シリコンウェハ ί 1にエッチングを施す。 エッチ ング手法としては、 既存技術である誘導電磁結合プラズマ反応性プラズマエッチ ングを用いる。 反応ガスとしては、 フロロカーボンを主体としたガスを用いる。 このエッチングにより、 感光性有機膜 1 2に形成された穴部 1 5に対応する部位、 すなわち感光性有機膜 1 2で覆われていない部位ではシリコンウェハ 1 1がエツ チングされ、 凹部 1 6が形成される。 この後、 感光性有機膜 1 2をアセトンなど の有機溶媒を用いて溶解させる。 これにより、 図 7 Eに示すように、 シリコンか らなる錄型 1 7力 S得られる。 Next, as shown in FIG. 7D, the silicon wafer # 1 is etched. As an etching method, an inductive electromagnetic coupling plasma reactive plasma etching, which is an existing technology, is used. As the reaction gas, a gas mainly containing fluorocarbon is used. By this etching, the silicon wafer 11 is etched at a portion corresponding to the hole 15 formed in the photosensitive organic film 12, that is, a portion not covered with the photosensitive organic film 12, and the concave portion 16 is formed. It is formed. After that, the photosensitive organic film 1 2 Using an organic solvent. As a result, as shown in FIG. 7E, a type 17 force S made of silicon is obtained.

そして、 この铸型 1 7を用いてデバイスを製作する。 具体的には、 まず、 図 7 Fに示すように、 シリコンからなる铸型 1 7に、 シリコーンラバー溶融液 1 8を 塗布する。 なお、 铸型 1 7の表面には、 予めシランカップリング剤を塗布するな どして、 疎水性を保つ処理を施しておく。 この疎水性を保つ処理により、 後記の 剥離工程における、 シリコーンラバーと铸型 1 7との離型性を向上させることが できる。  Then, a device is manufactured using this type 17. Specifically, first, as shown in FIG. 7F, a silicone rubber melt 18 is applied to a mold 17 made of silicon. The surface of the mold 17 is preliminarily subjected to a treatment for maintaining hydrophobicity, for example, by applying a silane coupling agent. By the treatment for maintaining the hydrophobicity, it is possible to improve the releasability between the silicone rubber and the mold 17 in the peeling step described later.

シリコーンラバー溶解液 1 8を室温で固化させた後、 固化物を铸型 1 7から剥 離する。 これにより、 シリコーンラバーからなるデバイス (シリコーンラバー構 造体) 、 すなわち分離マトリックス 5を含む溝 3を備えた基板 2が得られる。 さ らに、 図 7 Gに示すように、 デバイスに、 所定の位置に試料注入口 (貫通穴) を 備えたカバ一 6を配置する。 なお、 カバー 6としては、 ガラス基板やプラスチッ ク基板を用いることができる。 そして、 カバー 6をデバイスに圧着することによ り、 カバー 6とシリコーンラバーからなるデバイスとが密着した電気泳動セル 1 が完成する。 シリコーンラバーは粘着性を有するので、 カバー 6をデバイスに圧 着するだけで、 ガラス基板やプラスチック基板からなるカバー 6とデバイスとを シールすることができ、 液漏れの問題は生じない。  After solidifying the silicone rubber solution 18 at room temperature, the solidified product is peeled off from the mold 17. As a result, a device made of silicone rubber (silicone rubber structure), that is, a substrate 2 having a groove 3 containing a separation matrix 5 is obtained. Further, as shown in FIG. 7G, a cover 16 having a sample injection port (through hole) is arranged at a predetermined position on the device. As the cover 6, a glass substrate or a plastic substrate can be used. Then, by pressing the cover 6 to the device, the electrophoresis cell 1 in which the cover 6 and the device made of silicone rubber are in close contact with each other is completed. Since the silicone rubber has adhesiveness, the cover 6 made of a glass substrate or a plastic substrate and the device can be sealed simply by pressing the cover 6 on the device, and there is no problem of liquid leakage.

このように、 非常に簡便な手法で、 铸型 1 7ないし電気泳動セル 1を製造する ことができる。 また、 シリコンからなる鐯型 1 7は、 繰り返して使用することが できるので、 電気泳動セル 1の生産性や生産コストを改善することができる。 上記デバイス、 すなわち分離マトリックス 5を含む溝 3を備えた基板 2は、 上 記の製造方法と異なる手法で製造してもよい。 例えば、 シリコンからなるプレス 型に熱をかけながら、 プラスチック板をプレス型に押し付けて加圧成形すれば、 プラスチックからなるデバイスを得ることができる。 この後、 デバイスにカバー 6を取り付ければ、 電気泳動セル 1が完成する。 このようにプラスチックを用い たデバイスないし電気泳動セル 1では、 シリコーンラバーを用いた場合に比べて その強度が改善される。  Thus, the type 17 or electrophoresis cell 1 can be manufactured by a very simple method. Further, since the type 17 made of silicon can be used repeatedly, the productivity and production cost of the electrophoresis cell 1 can be improved. The device, that is, the substrate 2 provided with the groove 3 including the separation matrix 5 may be manufactured by a method different from the above-described manufacturing method. For example, a plastic device can be obtained by pressing a plastic plate against a press die while applying heat to a silicon die. After that, if the cover 6 is attached to the device, the electrophoresis cell 1 is completed. As described above, in the device or the electrophoresis cell 1 using plastic, the strength is improved as compared with the case where silicone rubber is used.

また、 シリコンからなる铸型 1 7に代えて、 厚膜の感光性有機膜からなる铸型 を用いてもよい。 この場合、 例えば厚膜の感光性有機膜を光照射によりパター二 ングし、 パターユングされた感光性有機膜をそのまま錄型として用いればよレ、。 この手法によれば、 図 7Dに示すシリコンウェハ 1 1のエッチング工程を省くこ とができるので、 生産性をさらに向上させることができる。 Also, instead of the type 17 made of silicon, the type 17 made of a thick photosensitive organic film is used. May be used. In this case, for example, a thick photosensitive organic film may be patterned by light irradiation, and the patterned organic film may be used as it is as a 錄 type. According to this method, the etching step of the silicon wafer 11 shown in FIG. 7D can be omitted, so that the productivity can be further improved.

( P D M Sチップの製造方法)  (Method of manufacturing PDMS chip)

以下、 代表的なシリコーンラバーである P DM S (ポリジメチルシロキサン) をデバイスの材料として用いて、 実際に電気泳動セル 1を製造した過程ないし結 果を説明する。 この製造方法では、 シリコンウェハからなるネガパターンの铸型 は、 微細加工技術により形成された。 この铸型は、 分離マトリックスを含む溝に 対応する型面を有している。 この铸型を、 直径 90 cmのプラスチックシャーレ 内に配置し、 その上部から P DM Sを注入した。 PDMSは、 東レ 'ダウコ一二 ング社から購入したもの (商標名 「SYLGARD」 ) を用いた。  Hereinafter, the process or results of actually manufacturing the electrophoresis cell 1 using PDMS (polydimethylsiloxane), which is a typical silicone rubber, as a device material will be described. In this manufacturing method, the negative pattern of the silicon wafer was formed by the fine processing technology. This mold has a mold surface corresponding to the groove containing the separation matrix. This mold was placed in a plastic petri dish having a diameter of 90 cm, and PDMS was injected from above. The PDMS used was purchased from Toray Industries, Inc. (trade name “SYLGARD”).

シリコンウェハ (シリコン基板) には、 あらかじめシランカップリング剤で表 面処理を行った。 シリコンウェハの表面に、 ァセトニトリルに 4%のジメチルジ クロロシランを溶解させた溶液を塗布した後、 該シリコンウェハに、 100°Cで 30分間、 乾燥処理を施した。 10 Om 1のビーカに約 4 Om 1の PDMSを入 れ、 さらに 4m 1のキヤタリストを加えてよく混合した後、 このビーカをデシケ ータに入れて、 30分間、 真空ポンプで脱気した。  The silicon wafer (silicon substrate) was pre-treated with a silane coupling agent. After applying a solution of 4% dimethyldichlorosilane in acetonitrile on the surface of the silicon wafer, the silicon wafer was dried at 100 ° C. for 30 minutes. About 4 Om 1 of PDMS was placed in a 10 Om 1 beaker, and further 4 mL of a catalyst was added and mixed well. The beaker was placed in a desiccator, and deaerated with a vacuum pump for 30 minutes.

この後、 シリコンウェハが入ったプラスチックシャーレに、 2 Omlの脱気し た PDMSを入れ、 このプラスチックシャーレをデシケータに入れて、 30分間、 真空ポンプで脱気した。 分離マトリックスを含む溝から気泡を十分に追い出した 後、 デシケータに空気を入れて、 プラスチックシャーレを取り出した。 そして、 脱気済みの PDMSを、 シリコンウェハの上に、 約 5〜7mmの厚さで積層 (重 層) した。 PDMSが積層されたプラスチックシャーレを、 40度の恒温ボック スに入れて PDMSを重合させた。 48時間以上経過した後、 プラスチックシャ —レを取り出した。 そして、 必要とする分離マトリックスの部分の周りに、 カツ ターで切り込みを入れ、 重合した PDMSを、 シリコンウェハからなる铸型から ゆっくり剥離して、 PDMSチップを得た。  Thereafter, 2 Oml of degassed PDMS was put into a plastic petri dish containing a silicon wafer, and this plastic petri dish was put in a desiccator, and degassed by a vacuum pump for 30 minutes. After sufficiently removing bubbles from the groove containing the separation matrix, air was introduced into the desiccator, and the plastic petri dish was taken out. Then, the degassed PDMS was laminated (overlaid) to a thickness of about 5 to 7 mm on the silicon wafer. The plastic petri dish on which the PDMS was laminated was placed in a constant temperature box at 40 ° C to polymerize the PDMS. After more than 48 hours, the plastic dish was removed. Then, a notch was cut with a cutter around the required part of the separation matrix, and the polymerized PDMS was slowly peeled off from the silicon wafer type III to obtain a PDMS chip.

PDMSチップ (幅 5mm、 長さ 20mm、 厚さ 5mm) に、 カバーとして同 一寸法 (幅 5mm、 長さ 20mm、 厚さ lmm) のポリスチレン板をかぶせた。 密着性が悪い場合は、 P DM Sチップの溝側表面に、 酸素プラズマ処理 (酸素圧 力 1.0 k P a、 励起電力 100 w、 処理時間 5分) や紫外線処理 ( 20 w紫外 線ランプ、 処理時間 20分、 距離 10 cm) を施して、 密着性を高めればよい。 カバーには、 直径 lmmの試料注入口 (穴) を、 溝に沿って 2つ形成した。 そし て、 白金線 (直径 0. 2 mm) カゝらなる電極を、 先端近傍部が試料注入口を通つ て溝内の緩衝液に直接触れるように配線した (図 1参照) 。 なお、 白金蒸着によ り電極を形成した場合も、 白金線を用いた場合と同様の効果を奏するのはもちろ んである。 Same as PDMS chip (width 5mm, length 20mm, thickness 5mm) as cover A polystyrene board of one dimension (5mm in width, 20mm in length, lmm in thickness) was covered. If the adhesion is poor, apply oxygen plasma treatment (oxygen pressure 1.0 kPa, excitation power 100 w, treatment time 5 min) or ultraviolet treatment (20 w ultraviolet lamp, treatment) on the groove side surface of the PDMS chip. A time of 20 minutes and a distance of 10 cm) should be applied to improve the adhesion. On the cover, two sample injection holes (holes) with a diameter of lmm were formed along the groove. An electrode consisting of a platinum wire (diameter: 0.2 mm) was wired so that the vicinity of the tip directly touched the buffer solution in the groove through the sample inlet (see Fig. 1). It should be noted that when the electrodes are formed by platinum vapor deposition, the same effect as when a platinum wire is used is obviously obtained.

DN Aの電気泳動用の緩衝液としては、 T BE緩衝液 (89 mM Tris— borate, 2mM EDTA) を用いた。 PDMSチップに酸素プラズマ処理を施 した場合、 P DM Sチップ表面は親水性となるので、 緩衝液は分離マトリックス の支柱の間隙に、 毛管現象により侵入する。 このような親水化処理を行わない場 合は、 一方の試料注入口から溝内に緩衝液を供給しつつ、 他方の試料注入口を注 射器で吸引し、 緩衝液を分離マトリックスに充填すればよい。 あるいは、 緩衝液 の中に PDMSチップを浸漬し、 真空デシケータの中で減圧して、 緩衝液を分離 マトリックスに充填すればよい。 後者の場合、 カバーは脱気後に PDMSチップ に慎重にかぶせる必要がある。  As a buffer for electrophoresis of DNA, TBE buffer (89 mM Tris-borate, 2 mM EDTA) was used. When the oxygen plasma treatment is applied to the PDMS chip, the surface of the PDMS chip becomes hydrophilic, so that the buffer solution enters the gap between the columns of the separation matrix by capillary action. When such a hydrophilic treatment is not performed, buffer solution is supplied into the groove from one sample inlet, and the other sample inlet is sucked by a syringe to fill the buffer into the separation matrix. Just fine. Alternatively, the PDMS chip may be immersed in a buffer solution, the pressure may be reduced in a vacuum desiccator, and the buffer solution may be filled in the separation matrix. In the latter case, the cover must be carefully placed on the PDMS chip after degassing.

(電気泳動の実施)  (Perform electrophoresis)

以下、 本発明にかかる電気泳動セルを用いて実際に電気泳動を行った過程及び 結果を説明する。 生体分子試料として DN A試料を用いた。 DNA試料としては、 ; LDNAと、 T4ファージ DNAと、 え DN Aを制限酵素 X b o— Iで約半分に 切断した 1/2 DNAとを用いた。 これらの DN Aの塩基数は、 それぞれ、 4 8500、 166000、 24000であった。 これらの DNAを T B E緩衝液 1 1あたり 0.05 /X g含み、 かつ蛍光染色試料として YOPRO— I (モレ キュラープロープ社製) 、 サイバーグリーン (宝酒造社製) 又はサイバーゴール ド (宝酒造社製) を 1 μΜ含む DNA混合液を試料として用いた。 この試料を、 1回の電気泳動あたり 1 μ L使用した。 そして、 カバーに形成された 2つの試料 注入口のいずれか一方に試料を注入して電気泳動を行った。 電気泳動用の電源は、 0〜: 1000V、 1 A定格の ATTOクロスパワー 1000を用いた。 この電源 で、 白金線からなる電極の両端に 50〜10 OV/ cmの電圧を印加した。 電流 は 1 OmA以下であった。 DNAは、 T B E緩衝液中で負に帯電しているので、 正極である電極に向かって泳動する。 溝の長さが l cmの場合、 電気泳動時間を 2〜 5分間とした。 Hereinafter, the process and results of actual electrophoresis using the electrophoresis cell according to the present invention will be described. A DNA sample was used as a biomolecule sample. As DNA samples, LDNA, T4 phage DNA, and 1/2 DNA obtained by cutting DNA into about half with restriction enzyme Xbo-I were used. The base numbers of these DNAs were 48500, 166000 and 24000, respectively. Each of these DNAs contains 0.05 / X g of TBE buffer per 11 and contains YOPRO-I (manufactured by Molecular Probes), Cyber Green (manufactured by Takara Shuzo) or Cyber Gold (manufactured by Takara Shuzo) as a fluorescent staining sample. A DNA mixture containing μΜ was used as a sample. This sample was used in an amount of 1 μL per electrophoresis. Then, the sample was injected into one of the two sample inlets formed on the cover, and electrophoresis was performed. The power supply for electrophoresis is 0 to: A 1000 V, 1 A rated ATTO cross power 1000 was used. With this power supply, a voltage of 50 to 10 OV / cm was applied to both ends of an electrode made of a platinum wire. The current was less than 1 OmA. Since DNA is negatively charged in the TBE buffer, it migrates toward the positive electrode. When the groove length was 1 cm, the electrophoresis time was 2 to 5 minutes.

(電気泳動の観察)  (Electrophoresis observation)

以下、 電気泳動の観察手法の一例を説明する。 図 8は、 DNAの電気泳動を観 察し、 又は記録するための電気泳動評価装置の概略構成を示している。  Hereinafter, an example of an electrophoresis observation method will be described. FIG. 8 shows a schematic configuration of an electrophoresis evaluation apparatus for observing or recording DNA electrophoresis.

図 8に示すように、 この電気泳動評価装置は、 蛍光顕微鏡 20を備えている。 この蛍光顕微鏡 20には、 サンプル 21 (電気泳動セル) を載せるサンプノレ台 2 2と、 励起側フィルタ (図示せず) を備えた光源 23と、 ダイクロイツクミラー 24と、 DNAを観察するための観察窓 25と、 光路を切り替える切り替えミラ 一 26と、 光を電気信号に変換する光電子増倍管 27と、 ビデオ力メラ 28 (高 感度 CCDカメラ) とが設けられている。 また、 この電気泳動評価装置は、 画像 を記録する VTR29 (ビデオ'テープ' レコーダ) と、 パーソナルコンビユー タ 30と、 ディスプレイ 31とを備えている。  As shown in FIG. 8, the electrophoresis evaluation device includes a fluorescence microscope 20. The fluorescence microscope 20 includes a sample holder 22 on which a sample 21 (electrophoresis cell) is placed, a light source 23 having an excitation-side filter (not shown), a dichroic mirror 24, and an observation device for observing DNA. A window 25, a switching mirror 26 for switching an optical path, a photomultiplier tube 27 for converting light into an electric signal, and a video camera 28 (high-sensitivity CCD camera) are provided. The electrophoresis evaluation apparatus also includes a VTR 29 (video 'tape' recorder) for recording images, a personal computer 30, and a display 31.

蛍光顕微鏡 20においては、 光源 23から放射され、 励起側フィルタにより波 長が 420〜490 nmに調整された光 L 1は、 ダイクロイックミラー 24によ つて反射された後、 サンプノレ 21に照射される。 その結果、 サンプル内の DNA は蛍光を放射する。 この蛍光は、 吸収フィルタ (図示せず) によって波長が 52 0 nmの光 L 2に調整される。 この光 L 2は、 ダイクロイツクミラー 24によつ て、 観察窓 25に向かう光 L 3と、 光電子増倍管 27又はビデオカメラ 28に向 かう光 L 4とに分割される。  In the fluorescence microscope 20, the light L1 emitted from the light source 23 and having its wavelength adjusted to 420 to 490 nm by the excitation side filter is reflected by the dichroic mirror 24, and then irradiated to the sample 21. As a result, the DNA in the sample emits fluorescence. This fluorescence is adjusted to light L2 having a wavelength of 520 nm by an absorption filter (not shown). The light L 2 is split by the dichroic mirror 24 into light L 3 traveling toward the observation window 25 and light L 4 traveling toward the photomultiplier tube 27 or video camera 28.

かくして、 観察窓 25を司見くことにより、 蛍光を発している DNA分子が、 電 気泳動により分離マトリックス内 (支柱の隙間) を通過する様子を観察すること ができる。 光 L4は、 切り替えミラー 26で光路を切り替えることにより、 光電 子增倍管 27又はビデオ力メラ 28に入力される。 光電子増倍管 27は、 この光 L 4を電気信号に変換して、 外部機器に出力する。 高感度 CCDカメラであるビ デォカメラ 28は、 DN A分子が電気泳動により分離マトリックス内を通過する 様子を撮影し、 得られた画像を VTR 29に送る。 VTR 29はこの画像を記録 する。 VTR 29に記録されている画像は、 パーソナルコンピュータ 30を用い て解析することができ、 またディスプレイ 31に表示することができる。 Thus, by observing the observation window 25, it is possible to observe a state in which the fluorescent DNA molecule passes through the inside of the separation matrix (the gap between the columns) by electrophoresis. The light L4 is input to the photomultiplier tube 27 or the video camera 28 by switching the optical path by the switching mirror 26. The photomultiplier 27 converts the light L4 into an electric signal and outputs it to an external device. Video camera 28, a high-sensitivity CCD camera, allows DNA molecules to pass through the separation matrix by electrophoresis. Take a picture of the situation and send the resulting image to VTR 29. VTR 29 records this image. The image recorded on the VTR 29 can be analyzed using the personal computer 30 and can be displayed on the display 31.

(塩基数と移動速度との関係)  (Relationship between base number and moving speed)

以下、 DNAの塩基数と、 電気泳動による DN Aの移動速度 (電気泳動速度) との関係を説明する。  Hereinafter, the relationship between the number of bases of DNA and the migration speed of DNA by electrophoresis (electrophoresis speed) will be described.

図 9は、 次の条件における、 DNAの塩基数と DNAの移動速度との関係を示 している。  FIG. 9 shows the relationship between the number of bases of DNA and the migration speed of DNA under the following conditions.

溝の幅: 200 μ m  Groove width: 200 μm

溝の深さ : 10 ju m  Groove depth: 10 ju m

分離マトリッタスの長さ : 1 Omm  Separating Matritus Length: 1 Omm

支柱の形状:円柱、  Prop shape: cylinder,

支柱の直径: 15 μπι  Prop diameter: 15 μπι

支柱の隙間:約 1 μ m  Support gap: approx. 1 μm

支柱の配置密度: 4000個 Zmm2 Support density: 4000 pieces Zmm 2

電圧: 50 V/ c m  Voltage: 50 V / cm

緩衝液: T BE緩衝液  Buffer: T BE buffer

DNA濃度: 50 η g/μ 1  DNA concentration: 50 ηg / μ1

染色剤:サイバーグリーン 1 mM  Stain: Cyber Green 1 mM

図 9から明らかなとおり、 電気泳動による DN Aの移動速度は、 DNAの塩基 数に依存して顕著に変化している。 したがって、 人工的な支柱と隙間とからなる 本発明にかかる分離マトリックスは、 ァガロースゲルやポリアクリルアミドゲル の網目と同様の効果を奏し、 これらのゲノレに代替することができることが分かる。  As is evident from FIG. 9, the migration speed of DNA by electrophoresis changes significantly depending on the number of bases in DNA. Therefore, it can be seen that the separation matrix according to the present invention, which includes artificial columns and gaps, has the same effect as the mesh of agarose gel or polyacrylamide gel, and can be substituted with these phenols.

(DN Aの移動モデル)  (Dna's mobile model)

図 10は、 円柱形の支柱 4と、 支柱 4の隙間を通り抜ける DN Aの運動モデル とを示している。 図 10に示すように、 障害物である支柱 4の隙間が、 この隙間 を通過する DN Aの運動に対して、 ェントロピ障壁の役割を果たしていると考え られる。 すなわち、 球状の DNA分子は、 支柱 4の間隙を通過する際、 一時的に、 熱力学的に低エントロピのコンフオメーションをとり、 変形して間隙を通り抜け る。 これが、 電気泳動による DNAの移動速度に影響していると考えられる。 (本発明にかかる電気泳動セルの応用例) FIG. 10 shows a columnar column 4 and a motion model of the DNA passing through a gap between the column 4. As shown in FIG. 10, it is considered that the gap between the pillars 4 serving as an obstacle plays a role of an entropy barrier against the movement of the DNA passing through the gap. In other words, when the globular DNA molecule passes through the gap of the strut 4, it temporarily takes on a thermodynamically low entropy conformation, deforms, and passes through the gap. You. This is thought to affect the speed of DNA migration by electrophoresis. (Application Example of Electrophoresis Cell According to the Present Invention)

以上、 本発明にかかる基本的な電気泳動セルについて、 その形状、 材質、 製造 方法、 DN Aの分離の原理、 DN Aの運動モデル等を詳細に説明したが、 以下で は、 このような基本的な電気泳動セルを応用した DNA分取装置 (生体試料分取 装置) を説明する。  The basic electrophoresis cell according to the present invention has been described in detail in terms of its shape, material, production method, principle of DNA separation, kinetic model of DNA, and the like. A DNA sampler (biological sample sampler) using a typical electrophoresis cell is described.

(DNA分取装置 1 :応用例 1)  (DNA sampler 1: Application example 1)

図 1 1は、 本発明にかかる電気泳動セルを応用した 1つの DNA分取装置を示 している。 図 1 1に示すように、 この DNA分取装置では、 分離マトリックス 5 力 支柱の配置密度ないし支柱の間隙 (ピラー間隙) が異なる 5つのピラーエリ ァ A〜Eに区分されている。 ここで、 ピラーエリア A、 B、 C、 D、 Eは、 この 順に、 支柱の配置密度が大きくなつている (支柱の間隙が小さくなる) 。 そして、 この DN A分取装置は、 陰極を伴った 1つの試料注入口 33と、 それぞれピラー エリア A〜Eに設けられ陽極を伴った 5つの試料回収口 34 a〜34 eとを備え ている。  FIG. 11 shows one DNA sorting apparatus to which the electrophoresis cell according to the present invention is applied. As shown in Fig. 11, in this DNA sorting apparatus, the separation matrix is divided into five pillar areas A to E in which the arrangement density of pillars or the gaps between pillars (pillar gaps) are different. Here, in pillar areas A, B, C, D, and E, the arrangement density of the pillars increases in this order (the gap between the pillars decreases). The DNA separation apparatus has one sample inlet 33 with a cathode and five sample recovery ports 34 a to 34 e provided in the pillar areas A to E with anodes, respectively. .

かくして、 この DNA分取装置では、 例えば、 分子量の異なる DN Aを含むサ ンプルを試料注入口 33に供給すれば、 分子量が大きい DNAは、 支柱の配置密 度が大きいピラーエリア (ピラーエリア E側) を通過しにくいので、 支柱の配置 密度が小さいピラーエリア (ピラーエリア A側) に多く集まり、 このピラーエリ ァの試料回収口から回収される。 したがって、 ピラーエリア A、 B、 C、 D、 E に存在する DNA、 ないし試料回収口 34 a〜34 eで回収される DNAは、 後 者ほど分子量が小さくなる。 よって、 サンプル中の DNAを、 分子量に応じて 5 種類に分取 (分画) することができる。  Thus, in this DNA sorting apparatus, for example, if samples containing DNAs having different molecular weights are supplied to the sample injection port 33, the DNA having a large molecular weight can be placed in the pillar area (the pillar area E side) where the arrangement density of the columns is large. ), It is concentrated in the pillar area (pillar area A side) where the arrangement density of the columns is low, and collected from the sample collection port of this pillar area. Therefore, the DNA present in the pillar areas A, B, C, D, and E, or the DNA recovered at the sample recovery ports 34a to 34e has a smaller molecular weight as the latter. Therefore, the DNA in the sample can be fractionated (fractionated) into five types according to the molecular weight.

(DN A分取装置 2 :応用例 2)  (DN A fractionation device 2: Application example 2)

図 12 A及び図 12Bは、 本発明にかかる電気泳動セルを応用したもう 1つの 12A and 12B show another example of the application of the electrophoresis cell according to the present invention.

DNA分取装置を示している。 図 12 A及び図 12 Bに示すように、 この DNA 分取装置では、 分離マトリックス 5は、 平面視で、 縦方向 (X I— X 2方向) 及 び横方向 (Yl— Y2方向) について 2次元的に互いに離間して配置された多数 の角柱状の支柱 4で構成されている。 また、 この DNA分取装置は、 陰極を伴つ た 1つの試料注入口 3 5と、 それぞれ陽極を伴った 6つの試料回収口 3 6 a〜 3 6 f とを備えている。 1 shows a DNA sorting apparatus. As shown in FIGS. 12A and 12B, in this DNA sorting apparatus, the separation matrix 5 is two-dimensional in a vertical direction (XI-X2 direction) and a horizontal direction (Yl-Y2 direction) in plan view. It is composed of a large number of prism-shaped pillars 4 that are spaced apart from each other. In addition, this DNA sorter has a cathode It has one sample inlet 35 and six sample recovery ports 36a to 36f, each with an anode.

この分離マトリックス 5では、 ある支柱 4と、 X 2側でこの支柱 4と X 1—X 2方向に隣り合うの 2つの支柱 4との間に形成され Y 1—Y 2方向に伸びる間隙 において、 Y 1側に位置する間隙 3 8は広く、 Y 2側に位置する間隙 3 9は狭く なっている。 他方、 Y l— Y 2方向に隣り合う支柱 4間で X 1— X 2方向に伸び る間隙 4 0は、 すべて広くなつている。 なお、 X 1—X 2方向に伸びる間隙 4 0 の X 2側の端部と、 Y l— Y 2方向に伸びる両間隙 3 8、 3 9との接続部には、 略矩形の空間部 4 1が形成されている。  In this separation matrix 5, in a certain column 4 and a gap formed between the column 4 and two columns 4 adjacent in the X1-X2 direction on the X2 side and extending in the Y1-Y2 direction, The gap 38 located on the Y1 side is wide, and the gap 39 located on the Y2 side is narrow. On the other hand, the gaps 40 extending in the X1-X2 direction between the columns 4 adjacent in the Yl-Y2 direction are all wide. A substantially rectangular space 4 is provided at the connection between the end on the X2 side of the gap 40 extending in the X1-X2 direction and the gaps 38, 39 extending in the Y1-Y2 direction. 1 is formed.

かくして、 この D N A分取装置では、 例えば、 分子量の異なる D N Aを含むサ ンプルを試料注入口 3 5に供給すれば、 分子量が大きい D N Aは、 狭い間隙 3 9 を通過することができないので、 例えば R 1で示すように、 丫1ー¥ 2方向 (横 方向) に関しては、 Y 1方向には移動せず、 Y 2方向にのみ移動してゆく。 これ に対して、 分子量が小さい D NAは、 Y 1方向及び Y 2方向のどちらへでも移動 することができる。 しかし、 前記のとおり、 分子量が大きい D N Aがほとんど Y 2方向に移動するので、 その影響により、 分子量は小さい D NAは、 例えば R 2 で示すように、 Y 1方向に移動する傾向が強くなる。 したがって、 分離マトリツ クス 5内において、 試料回収口 3 6 a〜3 6 f で回収される D NAは、 後者ほど 分子量が小さくなる。 よって、 サンプ 中の D NAを、 分子量に応じて 6種類に 分取 (分画) することができる。  Thus, in this DNA sorting apparatus, for example, if a sample containing DNAs having different molecular weights is supplied to the sample inlet 35, the DNA having a large molecular weight cannot pass through the narrow gap 39, so that, for example, R As shown by 1, in the 丫 1- ¥ 2 direction (lateral direction), it does not move in the Y1 direction, but moves only in the Y2 direction. In contrast, DNA with a small molecular weight can move in both the Y1 and Y2 directions. However, as described above, since the DNA with a large molecular weight almost moves in the Y2 direction, the influence of the influence increases the tendency of the DNA with a small molecular weight to move in the Y1 direction as shown by, for example, R2. Therefore, in the separation matrix 5, the DNA recovered at the sample recovery ports 36a to 36f has a smaller molecular weight as the latter. Therefore, the DNA in the sump can be fractionated (fractionated) into six types according to the molecular weight.

(医療診断への応用)  (Application to medical diagnosis)

本発明にかかる電気泳動セルないし D N A分取装置 (生体試料分取装置) は、 医療診断あるいは遺伝子多型検出に応用することができる。 例えば、 ヒ トの遺伝 子には、 個体ごとに塩基配列にわずかな違い (遺伝子多型) が存在する。 そして、 その違いは、 遺伝子制御領域やイントロン領域、 あるいは蛋白質などをコードし ている領域にあるといわれている。 遺伝子制御領域ゃィントロン領域の違いは、 遺伝子の発現量が個体によって異なることを示している。 また、 蛋白質などをコ ードしている領域は、 酵素の活性が個体によって異なることを示している。 個体 差は遺伝子多型の組合せで決まるともいわれている。 例えば、 薬の代謝には個体 差があり、 これが薬の薬効や副作用に深く関連している。 すなわち、 これらの薬 効や副作用には、 個体が持つ薬代謝遺伝子群の遺伝子多型が大きく影響している。 遺伝子多型には種々のものがあるが、 現在、 最も数が多く、 大量解析が容易で あるといわれているのは、 1塩基多型 (S N P s : single nucleotide polymorphisms) である。 S N P sは個体間で 1遺伝子暗号 ( 1塩基) が他の塩 基に置き換わっている部分で、 ヒ トのゲノムの中には 3 0 0 - 1 0 0 0万個ある と予想されている。 そのため、 薬代謝遺伝子群の遺伝子多型情報は、 医薬品の開 発、 薬物の有効利用、 副作用防止等に役立つであろうと期待されている。 The electrophoresis cell or the DNA sorting apparatus (biological sample sorting apparatus) according to the present invention can be applied to medical diagnosis or gene polymorphism detection. For example, in human genes, there are slight differences (genetic polymorphisms) in the nucleotide sequence of each individual. It is said that the difference lies in the gene regulatory region, the intron region, or the region encoding a protein. The difference between the gene regulatory region and the synchrotron region indicates that the expression level of the gene varies among individuals. In addition, regions encoding proteins and the like indicate that the activity of the enzyme varies from individual to individual. It is said that individual differences are determined by combinations of genetic polymorphisms. For example, the metabolism of drugs There are differences, which are closely related to the efficacy and side effects of the drug. In other words, these drug effects and side effects are greatly affected by genetic polymorphisms in the drug metabolism gene group possessed by the individual. Although there are various types of genetic polymorphisms, single nucleotide polymorphisms (SNPs: single nucleotide polymorphisms) are currently the largest in number and are said to be easy for mass analysis. SNP s is the part where one gene code (one base) is replaced by another base between individuals, and it is estimated that there are 300-1000 thousand human genomes. Therefore, it is expected that genetic polymorphism information of drug metabolism genes will be useful for drug development, effective use of drugs, and prevention of side effects.

S N P s解析手法としては、 現在, 制限酵素法、 S S C P (single- strand conformation polymorphisms) 角?析法、 直接シーケンシング法、 電気化学検出 法などが知られている。 この中で電気泳動により分析を行うものは、 制限酵素法、 S S C P角军析法、 直接シーケンシング法である。 これらの迅速な分離や検出に、 本発明にかかる分離マトリックスを利用した電気泳動セルを応用することができ る。 本発明にかかる電気泳動セルを用いることにより、 少量のサンプルで迅速に S N P sを検出することができる。 この中でも、 S S C P法は、 P C R技術を利 用して増幅し、 立体構造の変化を電気泳動で検出するので、 本発明に好適である。 本明細書では、 D NAや生体分子をターゲットにしているが、 ターゲットは生 体分子に限られるわけではない。 環境化学物質や高分子化合物の分離や検出にも 応用することができる。 さらに、 最近話題にのぼっている化学マイクロデバイス や L ab on achipなどのマイクロ流路における分離や検出にも、 この分離マト リックス及びその製造方法が役立つものと予想される。  Currently, SNPs analysis methods include restriction enzyme method, SCSP (single-strand conformation polymorphisms) angle? Analysis methods, direct sequencing methods, and electrochemical detection methods are known. Among these, the ones that are analyzed by electrophoresis are the restriction enzyme method, SSCP angle analysis, and the direct sequencing method. An electrophoresis cell using the separation matrix according to the present invention can be applied to such rapid separation and detection. By using the electrophoresis cell according to the present invention, SNPs can be rapidly detected with a small amount of sample. Among these, the SSCP method is suitable for the present invention because it is amplified using the PCR technique and a change in the three-dimensional structure is detected by electrophoresis. In this specification, DNA and biomolecules are targeted, but the targets are not limited to biomolecules. It can also be applied to separation and detection of environmental chemicals and high molecular compounds. In addition, the separation matrix and its manufacturing method are expected to be useful for separation and detection in microchannels such as chemical microdevices and lab-on-a-chip, which have recently been talked about.

以上、 本発明は、 その特定の実施の形態に関連して説明されてきたが、 このほ か多数の変形例及び修正例が可能であるということは当業者にとっては自明なこ とであろう。 それゆえ、 本発明は、 このような実施の形態によって限定されるも のではなく、 添付の請求の範囲によって限定されるべきものである。 産業上の利用の可能性  While the present invention has been described with reference to specific embodiments thereof, it will be obvious to those skilled in the art that many more variations and modifications are possible. Therefore, the present invention should not be limited by such embodiments, but should be limited by the appended claims. Industrial potential

以上のように、 本発明にかかる電気泳動セル等の生体分子分離セル及びその製 造方法、 並びに、 D N A分取装置ないし生体試料分取装置は、 とくに D N A等の 生体分子の検出又は分取に有用であり、 医療検査装置ないし診断装置として用レ- るのに適している。 As described above, the biomolecule separation cell such as the electrophoresis cell according to the present invention and the method for producing the same, and the DNA sampler or the biological sample sorter are particularly suitable for DNA and the like. It is useful for detecting or sorting biomolecules, and is suitable for use as a medical testing device or a diagnostic device.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims 1 . 液体試料中の生体分子を分離又は検出する生体分子分離セルであって、 表面に溝が形成された基板と、 1. A biomolecule separation cell for separating or detecting biomolecules in a liquid sample, the substrate having a groove formed on a surface thereof; 上記溝の一部の領域に配置され、 支柱間の間隙の最も狭い部分が 0 . 1〜5 // mである複数の支柱からなる分離マトリックスと、  A separation matrix comprising a plurality of struts arranged in a partial area of the groove, wherein the narrowest part of the gap between the struts is 0.1 to 5 // m; 上記基板の表面と上記溝とを覆レ、、 かつ上記支柱の上面と密着する力バーと、 溝内を満たす緩衝液と、  A force bar that covers the surface of the substrate and the groove, and a close contact with the upper surface of the support, and a buffer solution that fills the groove, 緩衝液に直接接触して該緩衝液に電圧を印加する少なくとも 2つの電極とを備 えていて、  At least two electrodes that directly contact the buffer and apply a voltage to the buffer; 上記基板と上記分離マトリックスと力 高分子材料で形成されている生体分子 分離セル。  A biomolecule separation cell formed of the above substrate, the above separation matrix, and a polymer material. 2 . 電気泳動により生体分子を分離するようになっている請求項 1に記載の生 体分子分離セル。  2. The biomolecule separation cell according to claim 1, wherein the biomolecule is separated by electrophoresis. 3 . 上記支柱の横断面の形状が円、 長円、 多角形、 又は角部を丸めもしくは切 り取った多角形である請求項 2に記載の生体分子分離セル。 3. The biomolecule separation cell according to claim 2, wherein the cross section of the support is a circle, an ellipse, a polygon, or a polygon in which a corner is rounded or cut off. 4 . 上記基板及び上記分離マトリックスのうちの少なくとも一部が、 エラスト マ又はプラスチックで形成されている請求項 2に記載の生体分子分離セル。 4. The biomolecule separation cell according to claim 2, wherein at least a part of the substrate and the separation matrix is formed of an elastomer or a plastic. 5 . 上記エラストマがシリコーンゴムである請求項 4に記載の生体分子分離セ ノレ。 5. The biomolecule separation catalyst according to claim 4, wherein the elastomer is silicone rubber. 6 . 上記プラスチックが、 アクリル系樹脂、 ポリスチレン系樹脂又はポリカー ボネート系樹脂である請求項 4に記載の生体分子分離セル。  6. The biomolecule separation cell according to claim 4, wherein the plastic is an acrylic resin, a polystyrene resin, or a polycarbonate resin. 7 . 上記溝が、 2 0〜: L 0 0 0ミクロンの幅を有し、 l〜5 0 /x mの深さを有 し、 力つ 0 . 1〜 5 0 mmの長さを有する請求項 2に記載の生体分子分離セル。  7. The groove, wherein the groove has a width of 20 to: L000 microns, a depth of l to 50 / xm, and a length of 0.1 to 50 mm. 3. The biomolecule separation cell according to 2. 8 . 上記支柱の配置密度が 1 0 0 0個ノ mm 2以上である請求項 2に記載の生 体分子分離セル。 8. The biomolecule separation cell according to claim 2, wherein the arrangement density of the columns is 1000 mm 2 or more. 9 . 上記溝に生体分子試料を注入するための試料注入口が上記カバーに設けら れ、 上記分離マトリックスカ 上記試料注入口近傍に、 その他の領域よりも支柱 の配置密度が低い領域又は支柱が存在しない領域を有する請求項 2に記載の生体 分子分離セル。 9. A sample inlet for injecting a biomolecule sample into the groove is provided on the cover, and a region or a column having a lower arrangement density of the columns than the other regions is provided near the sample inlet of the separation matrix. The living body according to claim 2, which has a non-existent region. Molecular separation cell. 1 0 . 表面に溝が形成された基板と、 上記溝の一部の領域に配置された複数の 支柱からなる分離マトリッタスとを備えた、 液体試料中の生体分子を分離又は検 出する生体分子分離セルの製造方法であって、  10. A biomolecule for separating or detecting a biomolecule in a liquid sample, comprising: a substrate having a groove formed on its surface; and a separation matrix consisting of a plurality of columns arranged in a part of the groove. A method for manufacturing a separation cell, comprising: シリコン基板、 ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、 上記溝及び上 記支柱に対応するネガパターンを備えた铸型を形成する工程と、  A step of subjecting a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate to microfabrication to form a mold having a negative pattern corresponding to the groove and the support; 上記铸型に、 液状のエラストマもしくはプラスチック、 又はエラストマもしく はプラスチックの原料となるモノマもしくはプレボリマを流し込んで固化させる 工程と、  A step of pouring a liquid elastomer or plastic, or a monomer or prepolymer as a raw material of the elastomer or plastic into the mold 铸, and solidifying; 固化物を鎳型から分離して、 上記基板と上記分離マトリックスとを備えた生体 分子分離セルを得る工程とを含んでいる生体分子分離セルの製造方法。  Separating the solidified product from the mold to obtain a biomolecule separation cell including the substrate and the separation matrix. 1 1 . 表面に溝が形成された基板と、 上記溝の一部の領域に配置された複数の 支柱からなる分離マトリックスとを備えた、 液体試料中の生体分子を分離又は検 出する生体分子分離セルの製造方法であって、  1 1. Biomolecules for separating or detecting biomolecules in a liquid sample, comprising: a substrate having a groove formed on the surface thereof; and a separation matrix including a plurality of columns arranged in a part of the groove. A method for manufacturing a separation cell, comprising: シリコン基板、 ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、 上記溝及び上 記支柱に対応するネガパターンを備えた型を形成する工程と、  A step of subjecting a silicon substrate, a glass substrate, or a polymer substrate to fine processing to form a mold having a negative pattern corresponding to the groove and the support, ガラス転移温度以上に加熱したブラスチックを上記型に押し付けた後、 温度を 低下させて硬化させる工程と、  After pressing the plastic heated above the glass transition temperature against the mold, lowering the temperature and curing the plastic; 硬化物を型から分離して、 上記基板と上記分離マトリックスとを備えた生体分 子分離セルを得る工程とを含んでいる生体分子分離セルの製造方法。  Separating the cured product from the mold to obtain a biomolecule separation cell including the substrate and the separation matrix. 1 2 . 表面に溝が形成された基板と、  1 2. A substrate with a groove formed on the surface, 上記溝の一部の領域に配置され、 支柱間の間隙の最も狭い部分が 0 . 1〜5 μ mである複数の支柱からなる分離マトリッタスと、  A separation matrix formed of a plurality of struts arranged in a partial area of the groove and having a narrowest gap between the struts of 0.1 to 5 μm; 上記基板の表面と上記溝とを覆レ、、 かつ上記支柱の上面と密着する力バーと、 溝内を満たす緩衝液と、  A force bar that covers the surface of the substrate and the groove, and a close contact with the upper surface of the support, and a buffer solution that fills the groove, 緩衝液に直接接触して該緩衝液に電圧を印加する少なくとも 2つの電極とを備 えていて、  At least two electrodes that directly contact the buffer and apply a voltage to the buffer; 上記基板と上記分離マトリックスとが高分子材料で形成され、  The substrate and the separation matrix are formed of a polymer material, 上記溝内に供給された D N Aを含む液体試料から、 該 D N Aの特性及び構造に 基づいて、 該 DN Aを分取又は分画するようになつている DN A分取装置。 From the liquid sample containing DNA supplied into the groove, the characteristics and structure of the DNA A DNA sorting device adapted to sort or fractionate the DNA based on the DNA.
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