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EE Times: Latest News
Gene chip eyes low-cost DNA detection

Nicolas Mokhoff
EE Times
(12/12/2006 1:36 HΠEST)
磁気を活用したバイオチップを開発。これは高密度大型磁気抵抗（GMR）バイオセンサーを標準的なCMOSチップと統合したもの
スタンフォード大学の研究者たちが”複数分割"multidivided”アレー構造につき報告した。
この方法では、単位生物検体スポットに対して、いくつかのセンサーピクセルを統合することで低集積度検体に対する感度の改善が可能であるという。
生体分子に磁気ビーズのタグを付与することで、従来行われている蛍光ベースの検知法によることなくハードディスクベースの技術であるGMRなどが遺伝子チップ実現に利用可能であると言う。
複雑かつ高価な光学検知システムと異なり、GMRバイオチップは電子信号を直接センサーから計測可能で、極めて携帯が容易な機器が実現可能である。
この研究ではバイオチップに1008個のセンサー素子を1平方mm内に組み込んだ。更にこの機器は同時に低騒音、高精度スループット読み出しチャンネンルを有するので、高感度DNA検出が可能となる。
磁気バイオセンサーアレーの問題点の一つは高感度、小型センサー及び低拘束ディレーlow binding delayといった複数の要求間のバランスをとることで、その場合、大型のセンサーが必要となる。
更に、大規模遺伝子情報はsitu probe synthesisによりDNAシーケンスあたり一個のピクセルを使ってアクセス可能である。
プロトタイプのチップでは1008個のバイオセンサーは16個の120平方ミクロンのサブアレーに分割され、これは最新型のDNAスポッターと同等である。
各ピクセルからの信号読み出しタイム短縮のため、この研究ではFDM(周波数分割多重化)とTDM(時分割多重)技術を利用、その結果、１リーディングあたり１６outcome (outcome/reading)に高めることができた。
最終的な出力はチップ外のA/D converter でデジタル化され、トーンの計測tone measurementsは高速フーリエ変換プロセッサを利用。
このバイオチップは spin valve structuresを実現するが、これはGMR効果計測に最適なものの一つと考えられている。
プロトタイプはNational Semiconductor社の0.25ミクロンのBiCMOS技術により実現した。
SAN FRANCISCO — Researchers at Stanford University and at its Genome Technology Center have developed a magnetic biochip by integrating a high-density giant magnetoresistive (GMR) biosensor array with a standard CMOS chip.
The Stanford researchers reported on their "multidivided" array structure at the International Electron Devices Meeting here yesterday (Dec. 11).
With this approach, the sensitivity to low concentration samples can be improved by combining several sensor pixels per biological sample spot.
By tagging biomolecules with magnetic beads, hard-disk-based techniques such as GMR can be used to implement gene chips without using conventional fluorescence-based detection. This makes low-cost DNA hybridization detection possible.
Unlike complex and expensive optical detection systems, the GMR biochip measures the electrical signal directly from the sensor, making a highly portable device feasible.
The researchers have designed and fabricated the biochip to contain 1,008 sensing elements within 1 mm square. The device also contains low-noise, high-throughput readout channels for high-sensitivity DNA detection.
One difficulty in the design of magnetic biosensor arrays is achieving a good balance between high sensitivity, using small sensors, and low binding delay, which requires large sensors.
Further, large-scale genetic information can be accessed using a single pixel per DNA sequence through in situ probe synthesis.
In the prototype chip, the 1,008 GMR biosensors were divided into sixteen 120-micron-square subarrays, which is compatible with state-of-the-art DNA spotters.
To reduce the signal readout time from each pixel, the researchers utilized both frequency-division multiplexing and time-division multiplexing techniques, thereby increasing the throughput to 16 outcomes/reading.
The final output is digitized by an off-chip A/D converter, and tone measurements are performed using a fast Fourier transform processor.
The biochip implements spin valve structures, which are known to be among the best for observing the GMR effect, say the researchers.
The prototype chip was fabricated using National Semiconductor's 0.25-micron BiCMOS technology.