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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Trennen und Analysieren von Nukleinsäuren, Proteinen oder dergleichen durch Elektrophorese und insbesondere eine Kapillarelektrophoresevorrichtung.
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Technischer Hintergrund
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In den letzten Jahren wurden Kapillarelektrophoresevorrichtungen weit verbreitet verwendet, die eine Kapillare aufweisen, die mit einem Phoresemedium in der Art eines Polymergels oder einer Polymerlösung gefüllt ist.
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Beispielsweise wurde herkömmlicherweise die in PTL 1 offenbarte Kapillarelektrophoresevorrichtung verwendet. Diese Vorrichtung weist die Eigenschaften auf, dass sie eine höhere Wärmeabfuhr aufweist als flache Elektrophoresevorrichtungen und dass sie zu einer schnelleren Elektrophorese in der Lage ist, weil eine höhere Spannung an die Probe angelegt werden kann. Andere Eigenschaften bestehen darin, dass die erforderliche Probenmenge gering ist, dass das Füllen mit dem Trennmedium automatisch erfolgen kann, dass die Probeninjektion auch automatisch erfolgen kann, und dergleichen. Eine solche Vorrichtung wird bei verschiedenen Trennungen und Analysemessungen unter Einschluss der Analyse von Nukleinsäuren und Proteinen verwendet.
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1 zeigt ein Beispiel der herkömmlichen Kapillarelektrophoresevorrichtung. Die Kapillarelektrophoresevorrichtung umfasst eine Kapillare 101, eine Leistungsquelle 102, welche eine Hochspannung an beide Enden der Kapillare 101 anlegt, ein nicht dargestelltes Beleuchtungssystem, einschließlich einer Laserlichtquelle oder dergleichen, ein nicht dargestelltes optisches Lichtempfangssystem zum Detektieren von Fluoreszenz, einen Thermostattank 103, welcher die Temperatur der Kapillare regelt, eine Phoresemedium-Fülleinheit 104, welche die Kapillare 101 mit dem Phoresemedium füllt, und einen nicht dargestellten Träger, der einen die Probe enthaltenden Behälter trägt.
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Die Anodenseite der Kapillare 101 ist mit einem Flusskanal der Phoresemedium-Fülleinheit 104 verbunden. Der Flusskanal der Phoresemedium-Fülleinheit 104 verzweigt in zwei Kanäle. Einer der Kanäle ist mit einem Phoresemediumbehälter 105 verbunden, während der andere mit einem Pufferlösungsbehälter A 106 verbunden ist.
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In der Kapillarelektrophoresevorrichtung muss die Kapillare 101 mit einem Innendurchmesser von lediglich 50 μm mit dem Phoresemedium gefüllt werden, dessen Viskosität mehrere hundert Mal größer ist als jene von Wasser. Deshalb weist die Phoresemedium-Fülleinheit 104 einen Mechanismus auf, der einen Druck von mehreren Megapascal auf ein Ende des Kanals für das Phoresemedium ausüben kann. Ein Beispiel dieser Art eines Mechanismus ist eine Kolbenpumpe 107. Im Fall von 1 wird die Kolbenpumpe 107 in einer zur Papierebene senkrechten Richtung angetrieben. Der Antrieb der Kolbenpumpe 107 ändert die Kapazität des Kanals, um den nötigen Druck für das Füllen mit dem Phoresemedium zu erzeugen.
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Bei der Analyse der Probe wird eine Hochspannung zwischen entgegengesetzte Enden des mit der Kapillare 101 verbundenen Flusskanals gelegt (zwischen den Pufferlösungsbehälter A 106 und einen Pufferlösungsbehälter B 109), wodurch eine fluoreszenzmarkierte Probe, beispielsweise DNA, der Elektrophorese im Phoresemedium der Kapillare unterzogen wird. Hier sind die bei der Elektrophorese verwendeten Ladungen hauptsächlich die Ladungen in der Pufferlösung auf der Anodenseite. Die Probe unterscheidet sich in der von der Molekülgröße abhängigen Phoresegeschwindigkeit und wird in der Detektionseinheit 108 detektiert.
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Es sei bemerkt, dass die Kapillarelektrophoresevorrichtung den Austausch des Phoresemediumbehälters 105 oder der Kapillare 101 erfordert. Beim Austausch dieser Komponenten wird ein Teil des Flusskanals der Luft ausgesetzt, wobei die Luft in diesem Fall in den Flusskanal eingemischt werden kann.
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Bei der Elektrophorese wird eine hohe Spannung von einigen Kilovolt bis zu einigen zehn Kilovolt zwischen die entgegengesetzten Enden des Flusskanals gelegt. Falls sich im Kanal eine Luftblase befindet, kann die Blase daher den Kanal elektrisch blockieren. Falls der Kanal elektrisch blockiert wird, wird im blockierten Abschnitt eine hohe Spannungsdifferenz hervorgerufen, was zu einer Entladung führt. Abhängig vom Betrag der Entladung kann die Kapillarelektrophoresevorrichtung zerstört werden.
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Angesichts des vorstehend Erwähnten ist es erforderlich, die Luftblase vor Beginn der Elektrophorese aus dem Flusskanal zu entfernen.
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Falls sich beispielsweise eine Luftblase im Flusskanal der Phoresemedium-Fülleinheit 104 befindet, wird der angeschlossene Flusskanal zwischen der Phoresemedium-Fülleinheit 104 und der Kapillare 101 geschlossen, und das Phoresemedium wird dem Pufferlösungsbehälter A 106 in diesem Zustand in einer solchen Weise zugeführt, dass das Medium am verzweigten Weg in der Einheit zurückkehrt. Auf diese Weise wird die Luftblase aus dem Flusskanalabschnitt der Phoresemedium-Fülleinheit 104 entfernt.
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Falls sich andererseits eine Luftblase im Flusskanal der Kapillare 101 befindet, wird die Kapillare 101 mit einer Menge des Phoresemediums gefüllt, die 1,5 Mal so groß ist wie die Kapazität der Kapillare 101. Hier ist der Innendurchmesser der Kapillare 101 lediglich 50 μm. Demgemäß fließt die Luftblase innerhalb der Kapillare 101 zusammen mit dem Phoresemedium und wird vom anderen Ende der Kapillare 101 abgegeben. Mit anderen Worten kann die Luftblase aus dem Inneren der Kapillare entfernt werden.
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PTL 2 offenbart den Mechanismus zum Entfernen der Luftblase aus dem Flusskanal der Phoresemedium-Fülleinheit 104 mit einer kleinen Menge des Phoresemediums. Insbesondere wird eine Struktur verwendet, bei der der verbundene Flusskanal so gebildet ist, dass das Phoresemedium vom unteren Teil zum oberen Teil im verbundenen Abschnitt zwischen der Phoresemedium-Fülleinheit 104 und der Kapillare 101 fließt.
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Zitatliste
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Patentdokumente
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- PTL 1: Japanisches Patent Nr. 2776208
- PTL 2: JP-A-2008-8621
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Kurzfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Weil die Phoresemedium-Fülleinheit 104 bei einer herkömmlichen Vorrichtung einen langen Flusskanal aufweist, wird bei der Entfernung von Luftblasen aus dem Flusskanal eine große Menge des Phoresemediums verbraucht.
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Angesichts des vorstehend Erwähnten besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Kapillarelektrophoresevorrichtung bereitzustellen, wobei die Phoresemedium-Fülleinheit 104 einen kürzeren Flusskanal aufweist, um bei der Entfernung von Luftblasen weniger Phoresemedium zu verbrauchen.
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Lösung des Problems
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Zum Lösen der Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektrophorese so ausgeführt, dass die für die Elektrophorese erforderlichen Ladungen nicht von der Pufferlösung kommen, sondern vom Phoresemedium, d. h. nur mit dem Elektrophoresemedium in Bezug auf das Ende der Kapillaranode.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Flusskanal vom mit der Kapillare verbundenen Abschnitt bis zum die Pufferlösung enthaltenden Behälter in der Phoresemedium-Fülleinheit 104 bei der Elektrophorese aus dem Flusskanal fortgelassen werden. Hierdurch kann der Verbrauch des für das Entfernen von Luftblasen aus der Phoresemedium-Fülleinheit 104 benötigten Phoresemediums verringert werden.
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Ferner ist der Pufferlösungsbehälter 106 nicht mehr erforderlich, so dass die Anzahl der Verbrauchsgegenstände verringert werden kann, wodurch die Vorbereitung vor der Analyse und die Vorrichtung vereinfacht werden können. Dadurch wird es einfacher, die Elektrophoresevorrichtung zu betreiben.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Diagramm, welches ein herkömmliches Beispiel einer Kapillarelektrophoresevorrichtung zeigt.
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2 ist ein schematisches Diagramm, welches die gesamte Struktur einer Elektrophoresevorrichtung nach Beispiel 1 zeigt.
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3 ist eine Außenansicht einer Kapillarenanordnung.
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4A ist eine Außenansicht der Struktur eines Phoresemediumbehälters.
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4B ist eine Schnittansicht des Phoresemediumbehälters.
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4C ist eine äußere Einzelteilansicht der Struktur des Phoresemediumbehälters.
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4D ist ein Diagramm der Struktur einer Komponente (eines Deckels) des Phoresemediumbehälters.
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4E ist ein Diagramm der Struktur einer Komponente (eines mittleren Deckels) des Phoresemediumbehälters.
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4F ist ein Diagramm der Struktur einer Komponente (eines Gummifilms) des Phoresemediumbehälters.
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4G ist ein Diagramm der Struktur einer Komponente (eines Hauptkörperabschnitts) des Phoresemediumbehälters.
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5 ist ein Diagramm einer Struktur eines Harzflusskanalblocks mit der Eigenschaft einer hohen elektrischen Isolation, der in Beispiel 1 verwendet wird.
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6 ist ein Diagramm eines Prozessschritts des Füllens der Kapillare mit dem Phoresemedium.
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7A ist ein Diagramm des Flusskanals im Harzflusskanalblock mit der Eigenschaft einer hohen elektrischen Isolation nach einem modifizierten Beispiel.
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7B ist ein Strukturdiagramm, wobei ein Hohlröhrchen als eine Elektrode nach einem modifizierten Beispiel verwendet wird.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es sei bemerkt, dass die Vorrichtungsstruktur und der Inhalt des Prozesses, die nachstehend zu beschreiben sind, einem Beispiel der vorliegenden Erfindung entsprechen und den Inhalt der vorliegenden Erfindung nicht einschränken. Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, oder eine Ausführungsform kann mit einer bekannten Technik kombiniert werden oder durch eine bekannte Technik ersetzt werden, um eine andere Ausführungsform zu erreichen.
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Ein spezifisches Beispiel der Vorrichtungsstruktur der vom vorliegenden Erfinder vorgeschlagenen Elektrophoresevorrichtung wird nachstehend beschrieben.
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Beispiel 1
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(Zusammenfassung des Systems)
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2 zeigt schematisch die Gesamtstruktur einer Elektrophoresevorrichtung nach Beispiel 1. Die Elektrophoresevorrichtung nach Beispiel 1 umfasst eine Kapillarenanordnung 202, die aus einer einzigen Kapillare 201 oder einer Gruppe von Kapillaren 201 besteht, eine Laserlichtquelle 203, welche eine fluoreszenzmarkierte Probe in der Kapillare mit einem Laserstrahl bestrahlt, ein optisches Lichtempfangssystem 204, welches die von der Probe emittierte Fluoreszenz detektiert, eine Hochspannungsanlegeeinheit 205, welche eine Hochspannung an die Kapillare anlegt, und einen Thermostattank 206, der die Kapillare bei einer konstanten Temperatur hält.
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Die Kapillarenanordnung 202 ist am Thermostattank 206 befestigt. Außerhalb des Thermostattanks 206 ist eine Detektionseinheit 207 bereitgestellt, die für das Testen der Probe verwendet wird. In der Zeichnung entspricht die mit einem Pufferlösungsbehälter 208 versehene Seite dem Kathodenende der Kapillarenanordnung 202 und auch einem Probenansaugende 209, durch welches die Probe injiziert wird.
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Das Probenansaugende 209 ist in eine Pufferlösung 210 im Pufferlösungsbehälter 208 eingetaucht, während das andere Ende (ein Kapillarkopf 302) mit einem Harzflusskanalblock 211 verbunden ist, der stark elektrisch isolierend ist. Der Harzflusskanalblock 211 ist zusätzlich dazu, dass er mit der Kapillarenanordnung 202 verbunden ist, mit einem Hohlröhrchen 212 verbunden. Dieses Hohlröhrchen 212 ist mit einem Phoresemediumbehälter 214 verbunden, welcher das Phoresemedium 213 enthält. Im Harzflusskanalblock 211 ist auch eine Elektrode 215 installiert.
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(Struktur der Kapillarenanordnung)
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3 ist eine Außenansicht der Kapillarenanordnung 202. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf die 2 und 3. Jede Kapillare 201, die in der Kapillarenanordnung 202 enthalten ist, hat einen Außendurchmesser von 0,1 bis 0,7 mm und einen Innendurchmesser von 0,02 bis 0,5 mm und ist auf der Außenseite mit Polyimidharz überzogen. Die Kapillare 201 selbst ist ein Quarzröhrchen, und eine Kapillare 201 oder mehrere (in diesem Beispiel acht) Kapillaren 202 sind angeordnet, um die Kapillarenanordnung 202 zu bilden. Die Kapillarenanordnung 202 weist einen Ladekopf 302, der die Probe aus dem Probenbehälter, der eine durch einen elektrischen Vorgang fluoreszenzmarkierte DNA-Probe oder dergleichen enthält, in die Kapillare 201 aufnimmt, die Detektionseinheit 207, welche die Kapillaren 201 in der Reihenfolge der Probennummer des Ladekopfs 302 anordnet und fixiert, und einen Kapillarkopf 301, welcher die mehreren Kapillaren 201 verbindet und bondet, auf. Das Probenansaugende 209, welches aus dem Ladekopf 302 vorsteht, ist mit einer Hohlelektrode A 303 zum Anlegen der Hochspannung an die Kapillare 201 versehen. Die Detektionseinheit 301 umfasst eine Öffnung 304, durch welche die ausgerichtete und gehaltene Kapillarenanordnung 202 von der Seite mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, und eine Öffnung 305, durch welche das von der Kapillare emittierte Licht herausgeführt wird.
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Angesichts der Form des Verbindungsabschnitts zwischen dem Kapillarkopf 301 der Kapillarenanordnung 202 und dem Harzflusskanalblock 211 wird eine Hülse am runden Kapillarkopf 301 befestigt, wodurch die Kapillaren 201 verbunden werden, und wird die Hülse durch Festziehen einer Stellschraube verformt, wodurch der Raum gefüllt wird. Dies ermöglicht es, dass der Kapillarkopf 301 am Harzflusskanalblock 211 befestigt wird.
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(Struktur des Phoresemediumbehälters)
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Die 4(A) bis 4(G) zeigen die detaillierte Struktur des in den Beispielen verwendeten Phoresemediumbehälters 214. 4(A) ist eine Außenansicht der Struktur des Phoresemediumbehälters 214, 4(B) ist eine Schnittansicht der Struktur, 4(C) ist eine äußere Einzelteilansicht der Struktur, und die 4(D) bis 4(G) sind Außenansichten der Struktur der Komponenten.
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Der Phoresemediumbehälter 214 weist einen Deckel 401, einen mittleren Deckel 402, einen Gummifilm 403, einen Hauptkörperabschnitt 404 und einen Kolben 405 auf. Der Gummifilm 403 ist am Hauptkörperabschnitt 404 befestigt, wobei der mittlere Deckel 402 dazwischen angeordnet wird, wenn der Deckel 401 durch einen Schraubabschnitt 406 gedreht wird, der für den Deckel 401 bereitgestellt ist. Bei dieser Gelegenheit wird der mittlere Deckel 402 so eingestellt, dass ein sich verengender Abschnitt A 407 des Gummifilms 403 durch die Drehung des Deckels 401 nicht verdreht wird. Bei dieser Struktur wird, wie in 00 dargestellt ist, ein Vorsprung 409 des mittleren Deckels 402 in eine Rille 408 des Hauptkörperabschnitts 404 eingepasst, und wenn der Deckel 401 befestigt wird, überträgt der mittlere Deckel 402 nur die Kraft in vertikaler Richtung auf den Gummifilm 403. Ferner drängt das Hohlröhrchen 212 in einen vertieften Abschnitt 410 oberhalb des Gummifilms 403 ein. Wenn das Phoresemedium 214 durch den Kolben 405 zugeführt wird, wird durch einen sich verengenden Abschnitt B 411 des mittleren Deckels 402 gegen den sich verengenden Abschnitt A 407 des Gummifilms 403 gedrückt, wodurch ein Leck um das Hohlröhrchen 212 herum während des Eindringens des Hohlröhrchens 212 verhindert wird.
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(Struktur des Harzflusskanalblocks 211)
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5 zeigt die Struktur des in Beispiel 1 verwendeten Harzflusskanalblocks 211. Der Harzflusskanalblock 211 weist das Hohlröhrchen 212 und die Elektrode 215 auf.
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Überdies hat der Flusskanal im Harzflusskanalblock 211 einen kleineren Durchmesser als die im Flusskanal erzeugte Luftblase, so dass, wenn die Kapillare 201 mit dem Phoresemedium 213 gefüllt wird, sich die Luftblase im Flusskanal im Harzflusskanalblock 211 sicher bewegen kann. Bei diesem Beispiel hat der Flusskanal einen Innendurchmesser von 0,5 mm.
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(Arbeitsweise der Gesamtvorrichtung)
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Als nächstes wird eine Reihe von Arbeitsvorgängen der Kapillarelektrophoresevorrichtung aus diesem Beispiel beschrieben. Der nachstehend beschriebene Vorgang, welcher das Anlegen einer Spannung für die Elektrophorese in der Kapillarelektrophoresevorrichtung einschließt, wird durch eine nicht dargestellte Steuereinheit (in der Art eines Computers) ausgeführt.
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6 zeigt einen Prozessschritt zum Füllen der Kapillarenanordnung 202 mit dem Phoresemedium 213.
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Zuerst wird das Hohlröhrchen 212 in den Phoresemediumbehälter 214 eingeführt. Danach wird gegen den Kolben 405 des Phoresemediumbehälters 214 gedrückt, um das Phoresemedium 213 in die Kapillare 201 zu injizieren. Dabei treten die Luftblasen, die im Harzflusskanalblock 211 und im Hohlröhrchen 212 eingemischt werden, zusammen mit dem Phoresemedium 213 durch den Harzflusskanalblock 211 und durch die Kapillare 201, weil der Innendurchmesser der Kapillare 201 klein ist, und sie werden dann vom Probenansaugende 209 abgegeben. Die in die Kapillare 201 injizierte Menge des Phoresemediums 213 ist etwa 1,5 Mal größer als die innere Kapazität des Hohlröhrchens 212 und des Harzflusskanalblocks 211 + die innere Kapazität der Kapillarenanordnung 202. Im Flusskanal des Harzflusskanalblocks 211 und im Phoresemediumbehälter 214 wird das Phoresemedium 213 mit den für eine Elektrophorese notwendigen Ladungen belassen. Bei diesem Beispiel hat die Kapillarenanordnung 202 eine Länge von 26 cm, 8 Kanäle und einen Innendurchmesser ⌀ von 50 μm. Die für die Elektrophorese notwendige Ladungsmenge wird anhand Experimenten auf 87 mC gesetzt, und diese Menge wird durch etwa 60 μl des von Life Technologies hergestellten Phoresemediums (POP-7TM) erfüllt. Wenn das Phoresemedium 213 eingefüllt wird, wird das Probenansaugende 209 in einen nicht dargestellten Abfalltank (mit reinem Wasser gefüllt) eingetaucht, der von einer nicht dargestellten Trägerschale getragen wird.
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Danach wird das Probenansaugende 209 in den nicht dargestellten Probenbehälter eingetaucht, der von der nicht dargestellten Trägerschale getragen wird, und es wird dann in den nicht dargestellten reines Wasser (zum Reinigen) enthaltenden Behälter eingetaucht und danach in den Pufferlösungsbehälter 208 eingetaucht, wobei dies in dieser Reihenfolge geschieht. Anschließend wird die Elektrophorese in dem Zustand eingeleitet, in dem das Probenansaugende 209 der Kapillarenanordnung 202 in den Pufferlösungsbehälter 208 eingetaucht ist.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, können durch die Verwendung der Elektrophoresevorrichtung nach diesem Beispiel die beim Einsetzen des Phoresemediumbehälters 214 und der Kapillarenanordnung 202 eingemischten Luftblasen mit einer kleinen Menge des Phoresemediums 213 leicht entfernt werden und können die Betriebskosten drastisch verringert werden. Ferner kann die Vorbereitung für die Elektrophorese verglichen mit der herkömmlichen Vorrichtung erleichtert werden.
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Beispiel 2
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In der vorstehenden Beschreibung hat der Flusskanal des Harzflusskanalblocks 211 eine Kreisform mit einem Durchmesser, der kleiner ist als jener der im Flusskanal erzeugten Luftblasen, so dass sich die Luftblasen sicher bewegen und nicht im Flusskanal verbleiben. Selbst wenn Luftblasen im Harzflusskanalblock 211 eingemischt werden, ergibt sich kein Problem, solange die Luftblasen den Flusskanal nicht blockieren, d. h. an der Stelle verbleiben, an der die Elektrophorese unterbrochen ist. Beispielsweise kann der Mikrokanal für das Einsperren von Luftblasen eingerichtet werden, was bei einem Flusskanal für mikrochemische Chips in der Art des in 7A dargestellten Flusskanals bekannt ist. Im Mikrokanal bilden sich Luftblasen infolge der Oberflächenspannung leicht auf der Seite, auf der der Kanal kleiner ist. Durch die Verwendung dieses Phänomens werden die im Harzflusskanalblock 211 eingemischten Luftblasen zum Mikrokanal bewegt, so dass der breitere Flusskanal den Umgehungsfluss sicherstellen kann. Auf diese Weise wird die Elektrophorese nicht unterbrochen.
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In der vorstehenden Beschreibung weist der Harzflusskanalblock 211 das Hohlröhrchen 212 und die Elektrode 215 auf. Das Hohlröhrchen kann jedoch als Elektrode verwendet werden, und die Elektrode kann fortgelassen werden, wie in 7B dargestellt ist.
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In der vorstehenden Beschreibung sind der Harzflusskanalblock 211 und der Kapillarkopf 301 als getrennte Teile aufgebaut. Diese Teile können jedoch auch eine integrierte Komponente sein.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Kapillare
- 102
- Leistungsquelle
- 103
- Thermostattank
- 104
- Phoresemedium-Fülleinheit
- 105
- Phoresemediumbehälter
- 106
- Pufferlösungsbehälter A
- 107
- Kolbenpumpe
- 108
- Detektionseinheit
- 109
- Pufferlösungsbehälter B
- 201
- Kapillare
- 202
- Kapillarenanordnung
- 203
- Laserlichtquelle
- 204
- optisches Lichtempfangssystem
- 205
- Hochspannungsanlegeeinheit
- 206
- Thermostattank
- 207
- Detektionseinheit
- 208
- Pufferlösungsbehälter
- 209
- Probenansaugende
- 210
- Pufferlösung
- 211
- Harzflusskanalblock
- 212
- Hohlröhrchen
- 213
- Phoresemedium
- 214
- Phoresemediumbehälter
- 215
- Elektrode
- 301
- Kapillarkopf
- 302
- Ladekopf
- 303
- Hohlelektrode A
- 304
- Öffnung zum Einleiten des Laserstrahls
- 305
- Öffnung zum Herauslassen emittierten Lichts
- 401
- Deckel
- 402
- mittlerer Deckel
- 403
- Gummifilm
- 404
- Hauptkörperabschnitt
- 405
- Kolben
- 406
- Schraubabschnitt
- 407
- sich verengender Abschnitt A
- 408
- Rille
- 409
- Vorsprung
- 410
- vertiefter Abschnitt
- 411
- sich verengender Abschnitt B
