JP2000046798A - マイクロカラムによる動電分離用のオンカラム式電導度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マイクロカラムによる動電分離システムで用い
る改良型の電気的検出器を提供する。 【解決手段】マイクロカラムによる動電分離システムに
用いるオンカラム式電導度検出器が開示されている。該
検出器はカラム自体に基づいている。該カラムは内側断
面の最大寸法が 500μm またはそれ以下であり、 １個
またはそれ以上のセンサ電極を有する。該センサ電極
は、分析物の流れと接触するカラムの壁部分の真上に位
置するか、あるいは該壁部分に直接隣接して（すなわ
ち、接触して）位置している。従って、流体の流動にデ
ッドボリュームが発生せず、断面積も増加しない。ある
実施態様では、この電導度検出器は単一のオンカラム式
電極であり、カラムの出口端部に直接隣接して位置して
いる。好ましい実施態様では、この電導度検出器は、１
組またはそれ以上のオンカラム式センサ電極を有する。
これらの組になった電極は、マイクロカラム上に、該カ
ラムをまっすぐ横切るように互いに対向して位置してい
るため、該電極間の電位およびそれに付随して起こる電
気化学反応が最小限に抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は粒子検出器に関す
る。さらに詳細には、本発明は微小量の粒子がマイクロ
カラムの参照点を動電学的に通過することを検出する検
出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体試料を径の小さなマイクロカラムに
通過させて、該流体試料中に含有される各種の粒子や化
学種を、寸法、形状、電荷、粘度、移動度、極性、溶媒
−溶質間相互作用などに基づいて分離および／または単
離する多くの分析的方法論が発展してきた。充填カラム
に基づくこれら方法論の２つは、等速回転電気泳動およ
び高性能液体クロマトグラフィーである。重要性が増大
している他の方法は、動電分離法（これは、普通、開管
式電気泳動分離法またはキャピラリーゾーン電気泳動分
離法とも呼ばれる）である。

【０００３】動電分離法を用いる場合には、他の分離法
を用いる場合と同様に、粒子または化学種がカラムを通
過すること、および／または分離が行われた後に粒子ま
たは化学種がカラムの所定位置に到達することを検出す
る手段が必要である。広範囲にわたる検出器が知られて
いるが、これら検出器は粒子または化学種が検出ゾーン
を通過する際に起こり得る多くの特性変化のいずれかに
基づいている。これらの特性変化には、例えば光学的特
性の変化（例えば、屈折率検出器だけでなく、紫外光検
出器、可視光線検出器または赤外光検出器）、電気的特
性の変化（例えば、コンダクタンスまたは抵抗に基づく
検出器）、あるいは電気化学反応により生じる変化（例
えば、電流滴定検出器、電量滴定検出器、または電圧滴
定検出器）が含まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、マイクロカ
ラムによる動電分離システムで用いる改良型の電気的検
出器に関する。電気的検出器は電気化学的検出器と区別
することができる。電気化学的検出器は、粒子または化
学種が検出ゾーンに入った場合に起こる化学的変化によ
る電気的効果を伴う。電気的検出器は、粒子または化学
種が検出ゾーンに入った場合に生じるコンダクタンスの
変化または抵抗の変化に応答する。電気的検出器を用い
れば、必ずしも化学反応は関与せず、あるいは必要とさ
れない。

【０００５】マイクロカラムによる何らかの動電分離法
と、これらの検出器に関する方法論のいずれかとを用い
た場合には、感度が増大することに関心が持たれる。感
度が増大することにより、用いる試料の寸法を小さくす
ること、あるいは試料中に存在するわずかな微量成分を
検出することが可能になる。

【０００６】数多くの研究者が、様々な形式のカラムに
用いる小容量で高感度の各種検出器を提案している。例
えば、Jorgenson らは、内径15μm の開管状カラムに用
いるオンカラム式の電気化学的検出器を構築した（Knec
ht、 L.A.、 Guthrie、 E.J.、およびJorgenson、J.W.
Anal. Chem.、 1984、 56、 479-82; St. Claire、 R.
L.、 III、およびJorgenson、 J.W. J. Chromatogr.Sc
i.、 1985、 23、 186-91) 。このシステムでは、作用
電極は５μm または９μm の炭素繊維であり、マイクロ
ポジショナーを用いてキャピラリーの端部に挿入され
た。Adler らは、電導度／誘電率の組み合わせによる検
出器について述べている(Adler、 J.F.、 Fielden、 P.
R.、およびClark、 A.J. Anal. Chem.、 1984、 56、 9
85-988)。この検出器は、単一セル内において、これら
２つの特性を同時に測定することができた。この検出器
は、イオンクロマトグラフィーシステムに応用された。
塩素イオンに関して40ppb の検出限界が報告された。こ
のシステムは一対の円錐形電極を検出セルとして用いた
ものであった。Doury-Berthod らは、電導度で検出を行
う２重カラムクロマトグラフィーの理論的記述を与えた
（Doury-Berthod、M.、Giampoli、 P.、 Pitsch、 H.、
Sella、 C.、および Poitrenaud、 C. Anal. Chem.、
1985、 57、 2257-2263)。この方法における分析応答
は、溶質と溶出液との電導度への寄与の和であるようで
ある。Kaniansky らは、等速回転電気泳動における電極
として、0.01ｍｍの Pt-Ir合金線を用いている（Kanian
sky、 D.、Koval、 M.、 およびStankoviansky、S.J. C
hromatogr.、 1983、 267 、 67-73)。キャピラリーは
0.1ｍｍ程度の細さであり、フッ素ポリマー(PTFE、FEP)
製であった。これらの合金線は、加熱して、キャピラリ
ーの壁に突き通された。T.Tsuda はまた、正に荷電した
小さな金属イオンを分析するキャピラリーの外部で市販
の電導度検出器を使用することを述べている（ Suzuken
MemorialFoundation ３、 33(1984)) 。 Mikkers ら
による多くの論文(Mikkers、 F.E.P.、 Everaerts、 F.
M.、およびPeek、 J.A.F.、 J. Chromatogr.、 1979、
168、 317-332; Mikkers、 F.E.P.、 Everaerts、F.
M.、 およびVerheggen、 Th. P.E.M. J.Chromatogr.197
9、 169 、 1-10; Mikkers、 F.E.P.、 Everaerts、 F.
M.、 およびVerheggen、 Th. P.E.M. J. Chromatogr.19
79、 169、 11-20)は、すべて Everaertsおよび共同研
究者らの研究（Everaerts、 F.M.、およびVerheggen、
Th. P.E.M. J. Chromatogr. 1972、73、 193-210; Ever
aerts、 F.M.、 および Verheggen、 Th. P.E.M.J. Chr
omatogr.、 1974、 91、 837-851;Everaerts、 F.M.、
およびRommers、 P.J. J. Chromatogr.、 1974、 91、
809-818;Everaerts、F.M.、 Geurts、 M.、Mikkers、
F. E.P.、 およびVerheggen、 Th. P.E.M. J.Chromatog
r.、1976、 119 、129-115;Kaniansky、 D.、およびEve
raerts、 F.M. J. Chromatogr.、 1978、 148 、441-44
6;Everaerts、 F.M.Beckers、 J.L.、およびVerhegge
n、 Th. P.E.M. "Isotachophoresis:Theory、 Instrume
ntationand Applications"、 1976、 Elsevier、 New Y
ork、p. 136)に基づくキャピラリー電気泳動法における
等速回転電気泳動用の電導度検出器に言及した。Everae
rts の装置は、内径が 0.4〜0.6 ｍｍ、および外径が
0.7〜１ｍｍのガラス製またはPTFE製のキャピラリーチ
ューブから構成されている。キャピラリーチューブの２
個のブロックは、それぞれの両端の一方を固定して一体
化されており、２個のブロックを互いに締め付けること
ができる。締め付ける前に、両面に白金が放電メッキさ
れた0.005 ｍｍ厚の絶縁物質からなり、平らな絶縁物質
のディスクにより互いに隔てられた２枚のディスクの中
心に、キャピラリーの内径に適合する穴があけられる。
これらのディスクは２個のブロックの間に置かれ、そし
て漏れが生じないように締め付けられる。

【０００７】Bocek らは、キャピラリーゾーン電気泳動
用の電導度セルを開発した(Foret、F.、Deml.、 M.、Ka
hle、V.、 およびBocek、 P.、 Electrophoresis 198
6、７、430-432)。彼らは内径が約 0.3ｍｍのキャピラ
リーを用いた。白金電極は、キャピラリーの内径に等し
い円形の断面を有するチャネルを含むポリエステルブロ
ック内に形成された。ブロックの両端にあるより大きな
開口部は、 挿入されたキャピラリーと緊密に適合し
た。Everaerts およびBocek の両セルでは、 電極がキ
ャピラリーの外側にあること、 およびガラス製またはP
TFE製のチューブの内面が連続ではないことに注目する
ことが重要である。チューブ表面におけるこのような不
連続性は、特にカラム電気泳動システムまたは等速回転
電気泳動システムに関係するものである。これらのシス
テムでは、充分な電圧がカラム方向に沿って印加され
る。カラムの断面積が増加するか、またはカラム表面が
不連続になれば、流れが乱れることになる。これによ
り、分析結果の精度および再現性が低下し得る。特に、
断面がますます小さなカラムを用い、駆動電圧をますま
す大きくしようとすれば、この問題が深刻になる。検出
器の感度を低下させ得るデッドボリュームまたはボイド
ボリュームのために、検出器における断面が増大する場
合には別の問題が生じる。これらの理由により、これら
の装置の設定においては、不連続性が存在することな
く、あるいは断面が増大することなく、内側表面ができ
る限り連続であることが最も大きな利点を有することを
見い出した。

【０００８】

【課題を解決するための手段】マイクロカラムによる動
電分離システム用改良型電導度検出器が見い出された。
この電導度検出器は「オンカラム式」、すなわち該検出
器はカラム本体に基づき、該カラムは内側断面の最大寸
法が 500μm またはそれ以下、好ましくは 200μm また
はそれ以下、さらに好ましくは 100μm またはそれ以下
であること、および１個またはそれ以上のセンサ電極を
備えており、該センサ電極の断面の最大寸法は該カラム
の最大内部寸法の約0.01〜約0.75倍であり、 これらの
電極はカラムの壁にさし込まれて直接カラム上に設置さ
れるか、あるいはカラムで出口端部に接触した状態で固
定されて分析物の流れと接触し、 該電極は連続的な壁
面を呈していて、 流体の流れに対し断面積が増加する
ことがないということを特徴とする。

【０００９】本発明の動電分離ゾーンは、直径が約25〜
約200 μm の流体流動ゾーンを定める壁部分を有する一
般的には円筒管状の動電分離用マイクロカラムと、該壁
部分と少なくとも同一平面で境をなし、かつ該カラム内
の該流体流動ゾーンの断面積を増加させない、少なくと
も１つのオンカラム式電導度電極と、を包含する。

【００１０】ある実施態様において、この電導度検出器
は単一のオンカラム式電極を有し、該電極は該カラムの
出口端部か、あるいは出口端部に直接隣接して設置され
る。この実施態様において、第２の電極は流体流出物と
電気的に接続されるように配設されている。

【００１１】好ましい実施態様においては、この電導度
検出器は１組またはそれ以上のオンカラム式電極を有
し、これらの組をなす電極はマイクロカラム上に該カラ
ムをまっすぐ横切って対向するように設置されていて、
電極間の電位およびそれに付随して起こる電気化学的反
応を最小限に抑える。

【００１２】他の面においては、本発明はこれらの検出
器を動電分離システムと組み合わせて用いる改良型の分
離システムを提供する。

【００１３】加えてさらに他の面においては、本発明は
レーザでマイクロカラムに穴を開けてセンサ電極の位置
を定め、該電極の所望通り正確な位置設定および配置を
行うことによって、このような電導度検出器の数例の実
施態様を製造するための改良された製造法を提供する。

【００１４】本発明の電導度検出器は極めて高感度であ
り、10-7mol/ｌよりも低い濃度の分析溶液で電導度を変
化させる化学種を検出することが可能である。該電導度
検出器の検出量はごく微量であり、これが該検出器の最
少デッドボリュームと結びつき、高感度であるため、ご
く少数のイオンまたは他の化学種が検出され得る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明はマイクロカラムによる動
電分離システムに用いられるオンカラム式電導度検出器
を提供するものである。流体の吸い上げるのに電気浸透
を用いた例が1974年にPretorius らによって記述された
（J. Chromatogr.、 99、23）。この過程においては、
接線方向に印加された電場の影響の下に固体の表面と接
触して液体が流れている。液体の流れは固体／液体境界
面に電気二重層が形成されたことに起因する電気浸透に
よる流れであり、液体全体を荷電させる。この移動過程
は図１を参照して説明されうる。図１においては、小径
で両端部が開いたマイクロカラムまたはチューブ10の切
欠断面が示されている。該チューブは、ここでは「支持
電解質」とも称される電導性の液体11で満たされてい
る。チューブ10の壁部には陽イオン12が含まれる。（チ
ューブ10の材料によっては、電荷が正ではなく負になる
こともありうる。）陽イオン12は電導性の液体11から陰
イオン13を引きつけ、電気二重層13を形成する。このよ
うに優先的に陰イオンを管壁に引き寄せられた結果とし
て、液体11の本体は正味の超過正電荷を帯びる。従っ
て、図１に記されている30kVのような電位が、チューブ
10内に含まれる液体11のカラムの両端部に位置する電極
15および16間に印加されると、正電荷を帯びた液体11は
陰極に向かって移動する。

【００１６】動電分離過程は上述の電気浸透効果、およ
び液体媒質中の溶質または懸濁粒子が正電荷を帯びてい
るか、負電荷を帯びているか、あるいは電荷を帯びてい
ないかによって、電場が示差的にそれらの動きに及ぼす
効果に依存している。これらの関連効果は図２を参照し
て説明され得る。図２は図１のコピーであるが、液体11
中の電荷を帯びた種々の化学種18および19が描き加えら
れている。陽イオンの化学種18は電気泳動によって陰極
16に引き寄せられる。陰イオンの化学種19は電気泳動に
よって陰極にはね返される。図２に示されているよう
に、一般的には液体11の速度は溶液中の化学種の電気泳
動速度よりも早く、そのため全ての化学種が電気浸透の
流れと同方向に、しかしながら異なった速度で移動する
様子が観察され得る。これらの化学種18および19、ある
いは電荷を帯びていない化学種も、電極21および22から
成る検出器の間を通過する際に、これらの電極間で測定
され、バックグラウンドと試料との差に依存する電導特
性を変化させる。

【００１７】電極21および22は本検出器の高感度特性を
もたらす数個の特徴を備えている。第１の特徴は両電極
が「オンカラム」式であることである。すなわち、これ
ら電極は別個の検出単位ではなく、カラム全体の一部と
なっている。第２の特徴は、両端がチューブ10の管壁と
少なくとも同一平面上まで伸びており、そのためカラム
を流れる液体11に対して連続した内部面が与えられると
いうことである。「少なくとも同一平面上まで」という
表現は、電極が同一平面上まで延びているか、あるいは
液体の中まで延びているかのいずれかを意味している。
電極が流れから引っ込んでいることはない。図２におい
て、電極はカラムの両縁部と同じ平面上にあり、平坦に
切り取られていて、カラムの軸と垂直である。第３の特
徴は、２つの電極がマイクロカラムの軸と垂直な同一平
面上にあるということである。これによって、カラムに
印加される動電圧に起因する電極間の電位が最小限に抑
えられ、よって電極における電気化学反応も最小限に抑
えられる。第４の特徴は、マイクロカラムの内径もしく
は最大の断面寸法が 500μm 未満、好ましくは 200μm
未満、より好ましくは約25μm〜約80μm であることで
あり、かつ電極の直径がこの内径もしくは最大の断面寸
法の約0.01倍〜約0.75倍、特に約0.01倍〜約0.60倍であ
ることである。これらの寸法によって、マイクロカラム
による動電分離に本来備わっている高分解能が低下する
ことはない。第５の特徴は電極21および22が、炭素、ま
たは該電解質液において見い出される状態においては不
活性な金属、例えばプラチナ、プラチナ／イリジウム、
金、銀、およびステンレス鋼などの導電性材料から製造
されることである。

【００１８】図７および図８を参照して、本発明の検出
器の他の実施態様を説明する。本実施態様において、検
出器は１個の「オンカラム」式電極を有し、第２の電極
は流体流出容器に配設される。本実施態様において、単
一のオンカラム式電極は他方の電極と径方向に対向する
という特徴を除いて、上述の特徴は全て備えている。

【００１９】カラムの管壁を貫通する電極の検出器内で
の位置設定は、比較的正確を要する事柄である。これ
は、レーザドリル、イオンビームドリル、放電加工、ま
たは化学エッチングなどを用いて、最小限ではあるが適
量の接着剤／充填剤と共に電極を受け入れるのに適する
大きさの出入口をカラム10に正確に開けることによって
達成される。HFエッチング（ガラス製もしくは他の無機
シリカ製カラムの場合）あるいは有機カラムに対する他
の化学エッチングなどのような他の穿孔方法も用いるこ
とができる。好ましい実施態様においては、開けられる
出入口の直径は、挿入される電極の直径よりも約５μm
〜約25μm 大きく、これらの穴に電極がはめ込まれる。
エポキシ樹脂、シアノアクリレート接着剤および同様の
物質が電極を所定の「オンカラム」位置にはめ込むため
に通常用いられる。これらの物質は、通常用いられる主
として水性の支持液体とは反応せず、電極およびカラム
壁の素材に対して強力に接着する。

【００２０】本発明のセンサ電極は、マイクロカラム10
の最端部、すなわち分離した化学種が最後に通過する端
部に設置される。このマイクロカラム10は、用いられる
動電分離条件下において化学種を要求どおりに分離する
のに効果的な長さでなければならない。カラムが長けれ
ば長いほど、試料がカラムを通過するのに要する時間も
長くなり、種々の化学種が互いに分離される距離も長く
なることが理解される。動電分離の場合には、同時に幅
も広くなり、カラムを長くすることによって分離能が高
めることはできない。これらの要素によって、マイクロ
カラムの長さに実際的な制約が提示される。

【００２１】例えば、カラムの長さが約５ｃｍと短けれ
ば良好な結果が得られる。同様に、カラムの長さが数ｍ
よりも長いと、カラムを通過する移動時間が長くなり、
ルーチン分析の設定にとっては不都合となる。

【００２２】一般に、カラムの長さは約10ｃｍ〜約 200
ｃｍ、特に約40ｃｍ〜約 150ｃｍが好ましい。無論、そ
れより長いカラムおよびそれより短いカラム、例えば最
高で４ｍまたは５ｍのカラムや最低で約５ｃｍのカラム
も本発明の検出器と組み合わせて使用できる。断面が円
形のカラム、すなわち「キャピラリーチューブ型」カラ
ムは構築しやすいため好ましい。

【００２３】マイクロカラムは耐久性に優れ、動電分離
条件下においても物理的に完全な状態を保持するという
特性を備えた物質によって構築される。これらの特性に
は、支持電解質との適合性；動電位がマイクロカラムに
印加されると、ごくわずかしか電流が流れず、そしてご
くわずかしか熱を発生しない実質的な非導電性；ならび
にカラムの内面を正または負に荷電することができるこ
とが含まれる。

【００２４】石英、ガラス、およびシリカガラスなどの
無機物ならびにテフロン（ポリラトラフルオロエチレン
およびフッ化エチレン／プロピレンポリマー）、ポリク
ロロトリフルオロエチレン、アラミド、ナイロン（ポリ
アミド）、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリス
チレン、ポリエチレン、およびポリカーボネートなどの
有機物も使用できる。

【００２５】ここで指摘したように、電気浸透による流
れはマイクロカラムの内面が荷電された化学種を保持す
るか、あるいは吸着するときに起こる。マイクロカラム
の内面は、表面を酸性の液体と接触させてより大きな正
電荷を付与するか、または表面を塩基性の物質と接触さ
せてより大きな負電荷を付与するか、あるいは表面をシ
リレート化剤(silylating agent)と接触させて電荷数を
減少させることによって、電荷が変化するように改変さ
れ得る。（Analytical Chemistry、 53、Ｎｏ．８、Jul
y 1981、 1298の狭いチャネルの電気泳動ゾーンの壁の
電荷密度を低下させることによって該ゾーンを通過する
移動を変化させるトリメチルシランの使用に関する記述
を参照されたい。）当該分野に公知の他の表面改変技術
もまた使用することが可能である。

【００２６】図２に加えて、図３および図４を参照する
と、図２の検出器がマイクロカラム10の構造的支柱30に
組み込まれているところが示されている。図３において
は、電極21および22が電導度メーター（図外）との接続
のために接続リード31および32に接続されているところ
が示されている。図３に示されている支柱30は多数の付
加的構成要素を有する。これらの構成要素は本発明を実
施するには必ずしも必要ではなく、支柱を構造的に補強
し、本発明を実施するための実用的な装置を構成するた
めの優れた態様を例示するものである。

【００２７】これらの構成要素には、マイクロカラム支
柱30から延びてカラムの破損を防ぐ可撓性の支持チュー
ブ34が含まれる。このチューブは通常、テフロンなどの
プラスチック物質である。製造中にチューブを中央に寄
せる支持体35および36もまたプラスチック製である。支
柱本体部37、39および40は通常、支柱の他の構成要素の
周囲を取り囲み固定するよう鋳造される。キャップ41は
支柱30を電気泳動装置あるいは動電装置中に設置するた
めのものである。

【００２８】図５にこのような装置が模式的に示されて
いる。該装置は、典型的に全長が75ｃｍで内径が50μm
のシリカガラス製のキャピラリー10を備えている。該キ
ャピラリーは支持電解質液で満たされ、図３に示されて
いるように本発明の検出器を含む支柱30の中まで続いて
いる。注入容器51および流出容器52は支持電解質も有し
ているので、液体で満たされたキャピラリー10によっ
て、注入容器51と流出容器52との間には絶えず液体およ
び電気による接触が起こっている。有効な動電圧は、電
源54から導線57および59と、容器51および52中の電解質
液と接触している電極55および56とを通じて印加され、
完全な電気回路が得られる。

【００２９】電源54によってカラム10中の試料に印加さ
れる電圧は、過度に加熱することなく、識別可能な動電
的運動を引き起こすのに有効な電圧でなくてはならな
い。約1000V以下の電圧は一般に低過ぎ、約 100kV以上
の電圧は通常、従来の高圧電源に見い出されない。これ
らの実際的な制約に基づき、約３kV〜約90kV、特に約５
kV〜約60kVの電圧が好ましい。電位の極性によって荷電
した化学種および荷電した支持電解質が移動する方向が
決定される。安全のため、分析システムのできる限り多
くの部分を接地電位とすることが一般に好ましい。図５
において、30kVの電圧が説明のため示されている。カラ
ム10の内面は、イオン、例えば負のイオン（陰イオン）
を引きつけ、よって拡散二重層の形成を引き起こし、次
に正味の正電荷をカラム10中の支持電解質自体に付与す
るようにできている。30kVの電位が電極55によって流出
容器51に印加される場合、この正電荷を帯びた液体は30
kVの電位によって電気浸透的にカラム10から容器52中に
引き入れられ、追加の電解質を容器55からカラム10中に
引き入れる。

【００３０】典型的な電流は１０〜１００μAである。
典型的な動電システムにおいては、キャピラリー１０を
流れる液体の速度は約０．２から約５mm秒である。

【００３１】図１〜図４に示すように、キャピラリー１
０は２つの電極を有する検出器３０を通る。２つの電極
の間を流れる物質の関数として変化する検出器３０の出
力は、導線３１および３２を通って電導度メー夕ー６１
に流れ、この出力はライン６２を介してチャート紙レコ
ーダー６３に送られる。この出力は集積され得るが、そ
うでなければコンピューターなどで処理され得ることが
考えられる。

【００３２】使用に際して、試料はキャピラリー１０に
注入される。これは、電極６５に導線５７を接続し、例
えば５〜１０秒という短時間に約６ｋＶのような動電的
に有効な高い電圧をかけて、カラムに試料を機械的もし
くは重力により注入することによるか、または容器６４
に入れた液体試料にキャピラリー１０の入口端部を浸す
ことにより行われ得る。このことにより、試料の１〜５
mmの一定の長さの“プラグ”がカラム１０に流れ込む。
次いで、入口端部を容器５１の支持電解質に入れ、本発
明の検出器で種々の化学種検出のための分離を行うため
に電極５５を介して回路を完成させることにより、この
試料は動電的分離作用を受ける。

【００３３】本発明の検出器で測定されるコンダクタン
ス値は、読み取り可能な形に変換し、表示するか、ある
いは使用される。図６はＡＣ電導度メーターの１つの型
を示す図であり、該メーターは電極とともに用いた場合
に読み取り可能な電導度シグナルを発生することができ
る。このメーター回路は、Ｅｖｅｒａｅｒｔｓら「Ｉｓ
ｏｔａｃｈｏｐｈｏｒｅｓｉｓ」（前出、１４８）に述
べられたメーターを改良したものである。この回路は高
インピーダンス入力ＩＣであるＬＦ３５１およびＬＦ３
５５を採用している。また、全てのダイオードは１Ｎ４
１４８を用いている。変圧器６９はセンサ電極と電子回
路との間のガルヴァー二絶縁体として用いられる。この
電極は示されておらず、グランドに対して高いＤＣ電位
を有する。周波数は３．５kHzに設定するが、他の周波
数も使用し得る。電気的ノイズを最小にするために、低
域フィルターまたはハードプリントアウト装置のいずれ
かで表示するためにマイクロコンピューターに転送する
前に増幅させる（ゲイン：１０または２０）。

【００３４】その他の実施態様では、本発明の検出器は
単一の「オン−カラム」式電極を有し、第２の電極を供
給するために流出液体容器中の流体と電気的に接触され
る。この実施態様を図７および図８に示す。図７の検出
器７０は、単一のオンカラム式電極２１で上述したよう
に、マイクロカラム１０を有する。この電極は、カラム
１０端部に非常に近いところに配置される。好ましく
は、距離Ｌはカラムの断面の大きさ（例えば、カラムの
断面が円の場含には直径）と同程度である。Ｌは５００
μmまたはそれ以下であることが好ましく、より好まし
くはＬは３００μmまたはそれ以下である。この電位は
距離Ｌの直接の関数であるので、これは電極２１に生じ
るＤＣ電位を最小にする。

【００３５】検出器７０が、図８に示されるシステム８
０のような総合分離システムに含まれる場含には、付加
的な電極８１が存在することを除いては、図５について
記述した（従って図８で同じであると確認された）のと
同じ装置の構成が使用され得る。この電極は容器５２で
液体と接触する。次いで、この液体はカラム１０の開口
端部に接触し、このようにして電導度測定のために電機
回路を完成する。その他、電極５６に接続することによ
り、第２の電極とすることができる。この装置の構成に
おいて、検出は、粒子または化学種が電極２１とカラム
端部との間のカラムの領域に入る時、すなわち「Ｌ」領
域にある時に行われる。化学種の粒子が一度容器５２の
領域に入ると、該粒子の存在は検出不可能である。

【００３６】本発明のセンサ電極の１組以上が、一つの
分離カラムに存在し得る。例えば、２組またはそれ以上
の電極を使用し得る。これは、カラム上のいろいろな点
を粒子が通過するときに、多重読み取りの使用を可能に
する。これは、検出器の性能をできるだけ能率的に利用
するための、検出器の回路などに行われる調整を可能に
する。必要ならば、多数の単一電極が使用され得る。

【００３７】図９によると、２組のオンカラム式電極９
１と９２、および９３と９４を有するカラムが示されて
いる。上で示したように、これらの電極は少なくとも管
１０の表面と同一平面上にある。電極９１および９２は
液体の流れの中に延長されており、カラム内にいかなる
デッドボリュームも生じさせない。電極９３および９４
は上記電極９１および９２と似ているが、その円筒状の
側面に絶縁コーティング９５および９６を有するので、
該電極の端部のみが流体に接触し、電導度の変化を検出
する。この配置は非常に感度の良い検出を可能としてい
る。

【００３８】図１０によると、１組のオンカラム式セン
サ電極１０１および１０２を有するカラムが示されてい
る。電極１０１および１０２は、マイクロカラム１０の
出口端部１００に隣接して配置され、その位置に成形さ
れた粘着バンド１０６により保持される。電極１０１お
よび１０２は、電気絶縁体１０４および１０５でその側
面を被覆されているので、電導度は両電極の端部間のみ
で測定される。カラム端部に隣接するこのオンカラム式
電極の配置は、簡単な構造および耐久性という利点を有
する。 （検出器の適用）本発明の検出器およびこれを用いた分
析システムは、溶液中の荷電されたおよび荷電されてい
ない化学種および粒子を検出するために使用され得る。
溶液の液相は電導性であり、電気浸透により注入しうる
支持液である。液体は、それが電解質の場合、すなわ
ち、該液体が電流を伝導するのに充分に電気的に荷電し
た化学種である場合、電気浸透により注入しうる。典型
的な電気浸透により注入しうる支持液は、例えば、少な
くとも約0.0005mol／ｌのイオン種、および好ましくは
約0.001から約１０mol／ｌのイオン種を含有する。この
ようなレベルは、動電的に移動するほどよい速度を与え
る。最も一般的には、支持液は水を基本とした液系また
は水−有機溶媒混合物を基本とした液系である。混合液
系は、水のみには溶解性に限界がある有機性の標的物質
を、可溶化または懸濁するのを助けるのに有効であり得
る。電気伝導性の有機溶媒も希釈せずに使用し得る。支
持電解質に使用するための代表的な物質は、水および混
合溶媒を含有する。この混合溶媒は、水と１つまたはそ
れ以上の水和しうる以下のような有機物質とを混合して
調製される：酢酸、プロピオン酸、クロロ酢酸などのよ
うな低級アルカン酸（例えば、１〜４個の炭素原子）；
メチルアミンのような低級第１および第２アルキルアミ
ン；エタノール、メタノールおよびプロパノールのよう
な低級アルコール；低級アルカンジオールのような低級
ポリオール；アセトニトリル、ピリジン、ピペリジンお
よびキノリンを包含する窒素含有液体；アセトンおよび
メチルエチルケトンのような低級ケトン；DMF、Ｎ−メ
チルホルムアミド、Ｎ−エチルホルムアミド、Ｎ−エチ
ルアセトアミドなどのような低級アルキルアミド。支持
液は、これらの液のいずれかとともに以下のようなイオ
ン性物質をさらに含有し得る：塩、キレート化合物およ
び他の錯体、酸、塩基、緩衝液など。界面活性剤または
他のミセル化を促進する物質も含有され得る。液体が動
電チャネルを通過する際のpHにおいて両性イオンである
ようなイオン種を添加して用いることは、しばしば好ま
しいことである。代表的な金属は以下のものを包含す
る：無機酸のアルカリ金属およびアルカリ土金属塩およ
び遷移金属塩；有機酸の同様の塩；このような酸のアン
モニウムおよび有機塩基性塩；ハロゲンの酸、有機酸、
およびその他の酸；金属の酸および水酸化物、アミンお
よびその他の塩基など。典型的な両性イオンは、アミノ
酸およびグッドバッファー（Sigma Chemical Company,S
t Louis, MO.から市販されている）を含む。これらの添
加されたイオン性物質またはイオン化しうる物質は、そ
の主な作用が支持電解質の電導度を増加させるような試
料および支持電解質の他の成分と適合する限りは、通常
任意にこれらの広範囲の種類から選択し得る。

【００３９】本発明の検出器で検出しうる化学種または
粒子は、支持液に懸濁または溶解し得る物質から、事実
上制限されることなく選択できる。これらの物質は、ナ
トリウム、カリウム、リチウム、セレニウム、ベリリウ
ム、銅、銀、鉄およびマグネシウムイオンのような単純
なイオン；塩化物、臭化物、硫酸アンモニウム、硝酸
塩、リン酸塩などから、しばしば生物学的または生態学
的または化学的に関心があるような多くの複雑な物質ま
でを包含し得る。

【００４０】標的となる化学種はこのように、ポリアミ
ノ酸（すなわち、ポリペプチドおよびタンパク）；RN
A、DNAおよびDNA断片のような核酸およびオリゴヌクレ
オチド、およびこれらの組み合わせのような高分子であ
り得る。このような集合体の組み合わせは、バクテリ
ア、ウイルス、染色体、遺伝子、ミトコンドリア、核、
細胞膜などを包含する。

【００４１】広い範囲の様々なタンパクおよびポリペプ
チドは、同様の構造的な特徴により、特定の生物学的機
能を有するタンパク、特に病気を引き起こす微生物であ
る特定の微生物に関連するタンパクなどに分類される。

【００４２】以下に示すのは、構造により関係づけられ
るタンパクの種類である：プロタミン、ヒストン、アル
ブミン、グロブリン、スクレロプロテイン（硬タンパ
ク）、リンタンパク、ムコタンパク、色素タンパク、リ
ポタンパク、核タンパク、糖タンパク、プロテオグリカ
ン、分類されないタンパク（例えぱ、ソマトトロピン、
プロラクチン、インスリンおよびペプシン）。

【００４３】もちろん、ヒト血漿中に臨床上重要な多く
の可能性のある標的タンパクが見い出され、該タンパク
は以下のものを包合する：プレアルブミン、アルプミ
ン、α ₁−リポタンパク、チロキシン結合グロブリン、
Ｇｃ−グロブリン（Ｇｃ１−１、Ｇｃ２−１、Ｇｃ２−
２）、コリンエステラーゼ、ミオグロビン、トランスフ
ェリン、フィブロネクチン、免疫グロブリンＧ（Ｉｇ
Ｇ）、免疫グロプリンＡ（ＩｇＡ）、免疫グロブリンＭ
（ＩｇＭ）、免疫グロブリンＥ（ＩｇＥ）またはｇＥグ
ロブリン（ｇＥ）、補体因子、血液凝固因子、ペプチド
およびタンパクホルモン〔例えば、副甲状腺ホルモン
（パラトルモン）、インスリン、グルカゴン、ソマトト
ロピン（成長ホルモン）、卵胞刺激ホルモン、黄体形成
ホルモン（間質細胞刺激ホルモン）、ゴナドトロピン、
セクレチン、およびガストリンを包含する〕。

【００４４】その他の関心のある高分子標的物質は、以
下のような微生物由来または微生物に存在するムコ多糖
類および多糖類である：大膓菌型バクテリア、サルモネ
ラ、赤痢菌、プロテウス種、パスツレラ、ブルセラ、好
気性胞子形成杆状菌、嫌気性胞子形成杆状菌、ミコバク
テリア、放線菌（真菌様バクテリア）、スピロヘータ、
マイコプラズマなど。

【００４５】他の標的化学種は、リケッチア（バクテリ
ア様寄生菌）、クラミジア、真菌、およびウイルス（ア
デノウイルス、ポックスウイルス、ミクソウイルス、レ
オウイルス１−３型、肝炎ウイルス、および腫瘍ウイル
ス）；薬剤、代謝産物、殺虫剤、汚染物質などを包合す
る。これらに含まれるものとしては、モルヒネアルカノ
イド（モルヒネ、コデイン、ヘロイン、コカイン、ベン
ゾイルエクゴニンなど）、麦角アルカノイド、ステロイ
ドアルカノイドなどのアルカノイドである。その他の関
心のある薬剤は以下のものを包合する：エストロゲンお
よびアンドロゲンを包含するステロイド；副腎皮質ステ
ロイド；胆汁酸；強心性のグリコシド；およびアグリコ
ン（ジゴキシンおよびジゴキシゲニンを包含する）；バ
ルビツレート（例えば、フェノバルビタールおよびセコ
バルビタール）；アミノアルキルベンゼン（アンフェタ
ミンを包含する）；カンナビノールおよびテトラヒドロ
カンナビノール、ビタミン、プロスタグラジン、抗生物
質、ヌクレオシドおよびヌクレオチド。

【００４６】その他の標的化合物は以下のものを包合す
る：ポリヨードチロニン（例えば、チロキシンおよびト
リヨードチロニン）、オキシトシン、ＡＣＴＨ、アンジ
オテンシン、メチオニンエンケファリンおよびロイシン
エンケファリン、これらの代謝産物および誘導体であ
る、アミノ酸および小さなペプチド。

【００４７】

【実施例】本発明を、次の実施例によりさらに詳細に説
明する。これらの実施例は本発明を実施する方法の例を
示すものであり、本発明を限定するものではない。 （実施例１および２）２個のオンライン式電導度セル
を、次のようにして構成した。つまり、シリカガラスキ
ャピラリー管の５０μｍまたは７５μｍ内径の直径方向
に対向する穴にプラチナワイヤを固定することにより。
構成した（Ｐｏlｙｍｉｃｒｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙ、Ｉｎｃ．, ｐｈｏｅｎｉｘ、ＡｚおよびＳＧＥ、
Ａｕｓｔｉｎ、ＴＸ）。これらの内径４０μｍの穴は、
コンピューターで制御されたＣＯ₂レーザーであけた。
外径２５μｍのプラチナワイヤ（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
Ｆｉｎｅ Ｗｉｒｅ Ｃｏ．、Ｇｒｏｖｅｒ Ｃｉｔ
ｙ、ＣＡ）２本は、高電界がかけられたときにこれらの
電極間の電位差を最少とするために、顕微鏡を用いてお
互いに全く反対側に位置させた。ワイヤは、連続的な内
面を形成するように位置させた。これらの電極をとり囲
む領域に液体ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）（ＭＮ
１０００、Ｊ．Ｔ．Ｂａｋｅｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃ
ｏ．）を付与し、電極をその場所に仮に保持するように
した。ＰＥＧが固化したら、それをキャピラリー外表面
から注意深く除去した。次に、エポキシ（Ｍｉｌｌｅｒ
Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ ９０７）を使用し、上記電極
をキャピラリー中に恒久的に密封した。ワイヤ（♯３０
ｗｉｒｅ ｗａｐ、Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．）をプ
ラチナ電極にハンダづけし、電導度セル全体をプレキシ
グラスジャケット内に密封した。この電導度セルの全体
の構造を図２〜図４に示す。

【００４８】次に、この電導度セルを、溶液の電導度を
測定するのに利用した。溶液の電導度は、該溶液が、図
５に示すように動電分離ゾーンを通り過ぎるときに測定
される。図６に示すＡＣ電導度計を用いた。発振周波数
は３．５ＫＨｚにセットした。電気的ノイズを最少とす
るため、回路の終わりにローパスフィルターを設置し
た。電導度計からの出力は、ディスプレー用のＩＢＭ
ＸＴマイクロコンピューターのデータ収集ボード（ＤＴ
８０１、Ｄａｔａ ＴｒａｎｓｌａｔｉｏｎＩｎｃ．、
Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ、ＭＡ）に送られる前に増幅
（ゲイン：１０または２０）される。

【００４９】試料は５ｋＶにて５秒間電気的に泳動させ
るか、または、３０秒間、キャピラリーの一端を他端よ
りも１０ｃｍ高くし、重力により流入させることにより
導入する。推定注入容量は、電気的に泳動させた場合に
は約１０ｎｌ、そして重力による注入の場合には約５ｎ
ｌであった。各回ごとにキャピラリーを緩衝液で洗浄し
た。

【００５０】イオンを合む試料は、２０ｍＭのモルフォ
リノエタンスルホン酸（ＭＥＳ）を含みヒスチジンによ
りＰＨ６．１に調整された緩衝液に溶解させた。化学物
質は、すべてＳｉｇｍａ社（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、Ｍ０）
から入手し、さらに精製を行うことなく使用した。血清
試料についてもまた、試験を行った。これらはスタンフ
ォード大学メディカルセンターから入手し、必要に応じ
て緩衝液により希釈した。希釈した血清試料は、フィル
ター膜（Ｔｏｙａ Ｓｏｄａ、日本）を用い、遠心分離
により脱タンパクを行なった。 （結果および考案）図１１に、Ｒｂ⁺、Ｋ⁺、Ｎａ⁺およ
びＬｉ⁺の電気泳動による分離と検出とを示す。それぞ
れのイオン濃度は、２×１０^-5Ｍである。この濃度にお
けるシグナル対ノイズ比は４００である。シグナル対ノ
イズ比２に基づいて検出限界を算出すると、Ｌｉ⁺につ
いては約１０^-7Ｍである。セル定数（電極の断面積を電
極間の距離で割った値）の決定に基づく有効な検出容量
は約３０ｐｌである。上記決定は、規知のＫＣｌ溶液の
コンダクタンスを測定し、特定のコンダクタンスの文献
値をこの溶液に対して使用することによりなされる。こ
の容量の推定により、電極は５０μｍ（キャピラリーチ
ューブの内径）だけ離れていることが推定される。得ら
れた値は、電極の断面積と電極間の距離とに基づく幾何
学的な容量と１．５倍以内で合致する。このことは、検
出しうる実際の値は１０^-18モルであること、そしてそ
れは約１０⁶個のイオンに相当することを意味する。各
イオンの保持時間は、その移動度の逆数にほぼ比例す
る。図１１に示すピークはすべて「正」のピークであ
る。つまり、これらのイオンが検出電極を通過すると、
それらの電導度は、緩衝溶液のバックグラウンド電導度
よりも大きく、べースラインから正の偏位を示す。つま
り、ピーク領域は、検出ゾーンのイオンと電解質中の対
イオン（ヒスチジン）との移動度の相違を示す。べース
ラインから負の偏位を示す「負の」ピークを観察するこ
ともまた、可能である。これらは、バックグラウンドよ
りも小さい電導度を有する液が、センサ電極を通過する
場合に起こる。ピーク領域は、イオン濃度に直線的に比
例する。０．００２５ｍＭから２．０ｍｈまで３桁のオ
ーダーにわたる１８種類のＬｉ⁺濃度のレベルでの、回
帰分析を行なった。各濃度のレベルについて３回連続し
て実験を行なった。Ｌｉ⁺のピーク領域は、全範囲にわ
たり直線的であり、相関係数０．９９３が得られた。Ｎ
ａ⁺についても同様の結果が得られた。テトラメチルア
ンモニウム、トリエチルアミン、アルギニンおよびヒス
チジンの分離を示す電気泳動チャートを図１２に示す。
緩衝液中で対イオンとして用られるＫ⁺は、試料成分よ
りも移動度が大きいため、ピークは「負」である。つま
り、ピークはベースラインよりも下方へ突出する、この
データにより、本法がある有機カチオンを分離するの
に、使用され得るということが示される。緩衝液の条件
を変化させることにより、有機アニオンもまた検出され
得る。

【００５１】通常のヒト血清試料も同様に分析された。
その結果を図１３（ａ）に示す。最初のピークはＫ⁺で
あり、非常にブロードな第２のピークはＮａ⁺である。
ピークのクリッピングは、測定機器の飽和に起因して発
生する。なぜなら血清中のＮａ ⁺濃度は非常に高い（約
１４０ｍＭ）ためである。Ｎａ⁺に近い移動度を有する
Ｃａ２⁺およびＭｇ２⁺は、Ｎａ⁺のピークが大きいた
め、結果的に不明瞭となっている。図１３（ｂ）は、リ
チウム治療を行なっている患者の血清試料の電気泳動チ
ャートである。この図では第３のピーク（Ｌｉ⁺）はＮ
ａ⁺のピークから完全に分離している。これにより、リ
チウムを投与して冶療を行なっている患者の臨床モニタ
ーに本法が有用であることが示唆される。

【００５２】この新規電導度検出器はいくつかの優れた
性質を有する。この検出器では、キャピラリー方向にお
ける電極間距離の偏位を１０μｍ未満まで調節すること
ができる。つまり、２つの電極間の電位差は、３００Ｖ
／ｃｍの電界において０．３Ｖ未満にまで小さくし得る
ことを意味する。この特徴により、電極で起こるほとん
どすべての電気化学反応が排除される。この構造の他の
利点は、非常に小さい断面の電極により優れた分解能を
得るのが可能であるということである。検出器内には本
質的にデッド容量が存在せず、そして検出容量は非常に
小さい。このシステムは、荷電粒子を検出するだけでな
く、電気泳動により分離し得る中性物質のいずれをも検
出することができる。電導度の変化は電気信号であるた
め、データ収集システムを接続することが容易である、
この装置は、コストおよびエネルギーのいずれにおいて
も経済的である。電導度セルおよびそれに関連する回路
を構成するのに必要なすべての材料のコストは、安価で
あり、そして必要とされるパワーは数ワットであり、こ
れは、バッテリーにより供給され得る、従って、系全体
は、容易に携帯用とされる。もちろん、サイズを小さく
することは、インビボのサンプリングに適するようにす
ることを示唆する。この検出器の感度は、非目視系のシ
ステムとしては非常に顕著である。 （実施例３）キャピラリーゾーン電気泳動分離を図７お
よび図８の検出器を用いて行なった。この検出器は、キ
ャピラリーチューブ中に単一の電極を有し、そして、キ
ャピラリーチューブの外に他の電極を有する。７５μｍ
の内径で７３．５ｃｍ長さのシリカガラスキャピラリー
を使用した。オンカラム式電極はキャピラリーの外末端
から約１５０μｍの距離にあった。試料は、１０ｍＭ
ＨＥＰＥＳ（Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−
Ｎ’−２−エタンスルホン酸）緩衝液、ｐＨ７．５、中
にアミノ酸であるアルギニンを５×１０^-４Ｍの濃度で
含有する。試料をキャピラリーチューブに導入するため
に動電的注入を用いた。導入を５ｋＶで５秒間行なっ
た。分離は２４ｋＶ、３マイクロアンペアで行なった。

【００５３】この実施例の結果を図１４に示す。電導度
の変化を示す記録計のチャートの曲線は、本発明の検出
器により検出された。試料は０分のところで注入され
た。４．２分における負のピークは中性物質に基づき、
そして５．５分における正のピークは塩素イオンであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 液体が満たされたチューブの断面図を示し、
これにより電気浸透性の注入工程が説明される。

【図２】 液体が満たされたチューブの断面図を示し、
これにより動電的分離の工程、およびそのような工程に
本発明の検出器を適用することが説明される

【図３】 ２つの電極を有し、電導度を測定する本発明
の検出器の断面図である。

【図４】 図３に示す検出器の電極領域の拡大断面図で
ある。

【図５】 図３および図４に示す２電極式検出器を用い
た装置のひとつのタイプを示す模式ブロック図である。

【図６】 本発明の検出器から送られる信号を測定する
のに有用なメーター回路のひとつの形を示す電気回路図
である。

【図７】 図４に対応し、単一のオンカラム式電極のみ
を有する本発明の他の検出器の電極領域の拡大断面図で
ある。

【図８】 図５に対応し、図７の単一電極検出器を用い
た装置の模式ブロック図である。

【図９】 本発明の検出器の他の実施態様を示す断面図
である。

【図１０】 本発明の検出器のさらに他の実施態様を示
す断面図である。

【図１１】 本発明により分離され、検出された状況を
それぞれ独立して示す電気泳動チャートである。

【図１２】 本発明により分離され、検出された状況を
それぞれ独立して示す電気泳動チャートである。

【図１３】 本発明により分離され、検出された状況を
それぞれ独立して示す電気泳動チャートである。

【図１４】 本発明により分離され、検出された状況を
それぞれ独立して示す電気泳動チャートである。

【符号の説明】

１０ マイクロカラム １１ 電導性の液体 １２ 陽イオン １３ 陰イオン １５ 陽極 １６ 陰極 ２１、２２ 電極 ３０ マイクロカラム支柱 ３１、３２ 接続リード ３４ 支持チューブ ３７、３９、４０ 支柱本体部 ４１ キャップ

フロントページの続き (72)発明者 シャオーファ ファン アメリカ合衆国 カリフォルニア 94025 アサートン，エンシナル アベニュー 102 (72)発明者 ジョセフ パン アメリカ合衆国 カリフォルニア 94301 パロ アルト，エマーソン ストリート 202

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内径が500μm より小さい円筒管状カラ
   ムと、 該カラムの側面部を貫通してカラムチャネルへ伸び、該
   カラムチャネル内で終結するか、もしくは該カラムの内
   壁と実質的に同一平面で終結する先端部を有する、少な
   くとも１つのオンカラム式電導度電極と、 該カラムチャネルに沿って、分離ゾーンを通過する実効
   動電位を印加する手段と、 を備える動電分離ゾーン。