JP2000162184A

JP2000162184A - 小型電気泳動装置及びこれを用いた質量分析装置

Info

Publication number: JP2000162184A
Application number: JP10338969A
Authority: JP
Inventors: Yukiko Hirabayashi; 由紀子平林; Tsudoi Hirabayashi; 集平林; Akihiko Okumura; 昭彦奥村; Hideaki Koizumi; 英明小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】混合溶液試料を電気泳動分離し、分離された試
料成分を質量分析装置等の分析装置に導入して分析する
分析システムにおいて、多数の試料を効率よく電気泳動
分離することができ、分析のスループットを向上するこ
とのできる電気泳動分離装置を提供すること。【解決手段】基板１上に、液溜１０ａ〜１０ｄ，試料投
入口１１ａ〜１１ｄおよび電気泳動用流路１２ａ〜１２
ｄ等からなる複数の試料導入系を形成し、これら複数の
試料導入系でそれぞれ異なる試料を電気泳動分離し、各
試料導入系で分離された試料を順次時系列的に液溜４内
に導入する。液溜４内の試料溶液はキャピラリー５の末
端からガス噴霧されてイオン化され、生じたイオンが質
量分析装置９内に導入されて分析される。【効果】複数の試料導入系を用いることによって、多数
の試料を待ち時間なく電気泳動分離して分析装置内に導
入できるため、分析のスループットを向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶液中に存在する
微量物質を分析する分析用電気泳動装置、特に、シリコ
ンまたは石英からなる基板上に電気泳動路、および噴霧
器（またはイオン源）を配置してなる小型分析装置、並
びに、この小型分析装置と接続可能な質量分析装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】キャピラリー電気泳動装置（ＣＥ）は、
溶液中に存在する微量試料成分の分離ができるが、分離
された試料成分の種類の同定は困難である。一方、質量
分析計（ＭＳ）は試料成分の種類を高感度で同定するこ
とができるが、溶液中の試料の分離ができない。このた
め、水等の溶媒中に溶解している複数の物質を分離分析
する場合には、質量分析計にキャピラリー電気泳動装置
を結合させたキャピラリー電気泳動／質量分析計（ＣＥ
／ＭＳ）が一般に使用される。この、ＣＥ／ＭＳについ
ては、例えば Analytical Chemistry, 60(1988), pp.43
6-441 に記載されている。

【０００３】また、ガラス基板上に細い溝を掘り、この
細溝を電気泳動流路として混合試料を電気泳動により分
離する技術が、Analytical Chemistry, 65(1993), pp.2
637-2642 に記載されている。

【０００４】キャピラリー電気泳動装置（ＣＥ）によっ
て分離された試料成分を質量分析計で分析するために
は、溶液中の試料成分分子を気体状のイオンに変換する
ことが必要である。このようなイオンを得るための従来
技術として、イオンスプレー法（Analytical Chemistr
y, 59 (1987), pp.2642-2646 ），エレクトロスプレー
法（Journal of Physical Chemistry, 88 (1984), pp.
4451-4459 ），大気圧化学イオン化法（Analytical Che
mistry, 54 (1982), pp.143-146 ）などが知られてい
る。

【０００５】最近、上記の従来法とは別のイオン化法と
して、音速のガス流により試料溶液を噴霧するだけで効
率よくイオンを生成できるソニックスプレー法が報告さ
れている（Analytical Chemistry, 66 (1994), pp.4557
-4559; Analytical Chemist-ry, 67 (1995), pp.2878-2
882; 特開平７ー３０６１９３号公報; または特開平８
ー６２２００号公報）。この方法では、音速のガス流に
より微細な帯電液滴が生成され、さらにそこから溶媒分
子が剥がされてイオンが生成するものと考えられてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のように、電気泳
動流路が一つしかない装置で電気泳動を行って混合試料
を分離して質量分析を行う方法では、多数の混合試料を
分析する場合には何度も試料を入れ直さなければならな
いため、分析に長時間を要する。また、質量分析装置は
高価で小型化が困難であるがため、複数の質量分析装置
を用いて高スループット化することは現実的ではない。
さらに、質量分析装置は汚れにより感度が著しく低下す
るため、ある程度分析したらクリーニングを行わなけれ
ばならないので、この清浄化作業により分析時間が著し
く延ばされてしまっていた。

【０００７】また、上記したソニックスプレー法による
従来装置では、キャピラリー末端部(噴霧端部)付近を流
れる高速のガス流によって、電気泳動路内の試料溶液が
このキャピラリー末端部から必要以上に吸い出されてし
まう場合があり、このため、極微量試料の分析には難点
があった。

【０００８】従って、本発明の目的は、複数試料の分析
の高スループット化を行い、さらに装置の汚れを防ぎ、
それにより、分析を中断させずに微量混合試料を高感度
かつ高スループットで分析することのできる装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明においては、先
ず、上記した汚れによる感度低下の問題を解決するため
に、微細加工技術によって基板上に微細な電気泳動用流
路を形成し、ここで電気泳動を行わせることにより、必
要となる試料の量を減らすことを可能にし、かつクリー
ニングの回数を減らすことを可能にしている。

【００１０】また、イオン源にソニックスプレーイオン
源を用いることにより、効率の良いイオン化を可能に
し、さらに試料の微量化を可能にしている。上述したソ
ニックスプレーによる試料溶液の吸引の問題は、上記の
電気泳動用流路とは別の流路を設け、この別流路の断面
積を上記の電気泳動流路よりも大きく設定しておくこと
により解決できる。

【００１１】さらに、一台の質量分析装置でもって複数
試料を高速で分析できるようにするために、上記した基
板上に複数の電気泳動用流路を形成し、この複数の電気
泳動用流路を順次時系列的に用いて電気泳動分離して質
量分析することにより、分析の高スループット化が可能
になる。また、上記の電気泳動用流路を形成した基板を
複数枚用意し、予めそれぞれの基板に試料溶液を入れて
おけば、これら複数枚の基板を順次質量分析装置にセッ
トしていけばよいので、さらにスループットを向上でき
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、実施例を挙げ、図面を参照して説明する。

【００１３】図１に本発明の一実施例になる小型電気泳
動装置を用いた質量分析装置の概略構成を示す。本実施
例になる電気泳動装置においては、石英またはシリコン
からなる基板１上にリザーバ２，流路３，液溜４が微細
加工技術を用いて形成されており、これらには移動相溶
液が満たされている。液溜４中にはキャピラリー５の一
端(流入端)が挿入されており、キャピラリー５の外周に
は外部ガス供給源から供給される噴霧用ガスをキャピラ
リー５の外壁面に沿って流すためのガス流路６が形成さ
れている。キャピラリー５の他端(流出端)はオリフィス
７中に挿入されており、このオリフィス７を通って上記
の噴霧用ガスが外部に流出する。なお、キャピラリー
５，ガス流路６，オリフィス７から構成されるイオン源
部は、基板１とは一体成形せずに、別部材から構成して
組み合わせるようにしてもよい。

【００１４】上記噴霧用ガスがオリフィス７から高速で
流出すると、オリフィス７中に挿入されているキャピラ
リー５の末端(流出端)部付近の圧力が外部雰囲気圧（通
常、大気圧）よりも下がり、液溜４内の溶液がキャピラ
リー５内に吸引されて、上記末端部から噴霧される。キ
ャピラリー５内に吸引された分の溶液は、リザーバ２か
ら補充される。そのため、リザーバ２は密閉されずに、
外部雰囲気（大気）に連通させるための開口が設けられ
ている。なお、流路３および液溜４は密閉されている。

【００１５】また、基板１上には、複数の液溜１０ａ〜
１０ｄが形成されており、これらの液溜１０ａ〜１０ｄ
と前述の液溜４との間には、電気泳動用流路１２ａ〜１
２ｄがそれぞれ形成され、これらには移動相溶液が満た
されている。電気泳動用流路１２ａ〜１２ｄの流路途中
には試料投入口１１ａ〜１１ｄがそれぞれ形成されてい
る。液溜４および液溜１０ａ〜１０ｄには、電極８およ
び電極１４がそれぞれ設けられており、試料投入口１１
ａ〜１１ｄから試料を投入したら、各対応する電極間に
電圧を印加して、電気泳動を行う。なお、本実施例で
は、液溜１０ａ〜１０ｄ，試料投入口１１ａ〜１１ｄ，
電気泳動用流路１２ａ〜１２ｄ等によって４セットの試
料導入系を構成した例につき示しているが、これよりも
多数（または少数）の試料導入系であってもよい。要
は、複数セットの試料導入系を備えていればよい。

【００１６】試料の投入は、ピペットを用いて手作業で
行ってもよいし、自動投入の可能なオートサンプラーに
より行ってもよい。また、試料の投入は、上記した電気
泳動分離系を質量分析装置９にセットした後に行っても
よいし、予め試料を投入しておき、その後に上記の電気
泳動分離系を質量分析装置９にセットするようにしても
よい。

【００１７】上記した４つの電極１４には、それぞれス
イッチ１３ａ〜１３ｄが設けられており、このうち任意
の１つのスイッチだけをオンにして、それに対応する１
つの試料導入系のみを動作(電気泳動)させ、互いに動作
時間が重ならないようにして使用してもよいし、あるい
は、複数のスイッチをオンさせる時間を少しずつずらし
て、試料が液溜４に到達する時間が順次ずれるようにし
て、動作時間をオーバラップさせて使用してもよい。さ
らにはまた、スイッチ１３ａ〜１３ｄは同時にオンさ
せ、代わりに、電気泳動用流路流路１２ａ〜１２ｄの流
路長に差をつけることによって、試料が液溜４に到達す
る時間が順次ずれるようにしてもよい。

【００１８】電気泳動用流路１２ａ〜１２ｄの断面積
は、流路３の断面積よりも小さく設定する。流路内の溶
液は、その流路断面積が大きい方から噴霧用ガスの高速
噴射流によりキャピラリー５の末端部付近に生じる負圧
によって液溜４を通ってキャピラリー５内に吸引される
ので、流路３内の溶液は大きく吸引されるが、電気泳動
用流路１２ａ〜１２ｄ内の試料を含む溶液が多量に吸引
されるのを防止できる。

【００１９】電気泳動分離された試料成分は、液溜４中
でリザーバ２からの移動相溶液と混ざってキャピラリー
５中に吸引され、キャピラリー５末端から大気中に噴霧
される。この噴霧によって試料成分はイオン化され、こ
の試料成分イオンが質量分析装置９内に導入されて、質
量分析される。また、この基板１上に形成された小型電
気泳動装置を質量分析装置以外の他の分析装置に接続
し、キャピラリー５からの噴霧ガスをそれら他の分析装
置に導入して分析してもよい。

【００２０】図２に、図１に示した実施例における複数
セットの試料導入系のうちから液溜１０ａ，試料投入口
１１ａ，電気泳動用流路１２ａ等からなる１セットとキ
ャピラリー５とを含む部分の断面構造の一例を示す。液
溜１０ａは、その上面に開口が形成されており、該開口
を介して外部雰囲気(大気)と連通している。電極１４は
上記開口を通して挿入設置してもよいし、図示のように
上記開口以外の場所に設置してもよい。また、上記開口
の開口面積を液溜１０ａの上面積とほぼ等しく設定し
て、液溜上面全体が開放されるようにしてもよい。

【００２１】試料投入口１１ａから試料を投入したら、
スイッチ１３ａをオンにして、電極１４と電極９との間
に電圧を印加して、電気泳動を行わせる。液溜１０ａ，
試料投入口１１ａが設けられている部分を除いて、その
他全ての流路部分は外気から密閉遮断されている。

【００２２】図３に、リザーバ２，流路３，キャピラリ
ー５等を含む部分の断面構造の一例を示す。リザーバ２
には、その上壁面に開口が形成されており、該開口を介
して外部雰囲気(大気)と連通している。上記開口の開口
面積をリザーバ２の上面積とほぼ等しく設定して、リザ
ーバ２の上面全体が外気に開放される構造を採ってもよ
い。リザーバ２は、試料導入系からの試料を含む溶液の
必要以上の吸引を防ぐために、液溜１０ａ〜１０ｄの各
々よりもより多量の溶液を貯えられる大きさに設定して
おくのが望ましい。また、試料の希釈をできるだけ防ぐ
ために、液溜４の容量はリザーバ２のそれよりもかなり
小さく設定しておく方が望ましい。

【００２３】図４に、試料導入系の図２に示したのとは
別の断面構造例を示す。本例では、先ず流路部分全体を
基板表面から彫り込んで、流路部分の上面全体が外気に
開放されている状態に形成し、その後に、この流路部分
の上面に、基板１とは別部材からなる所要部分に開口を
設けてなる密閉用蓋体１５を被せることにより、所要流
路部分を外気から密閉している。

【００２４】図５に、リザーバ２，流路３，キャピラリ
ー５等を含む部分の図３に示したのとは別の断面構造例
を示す。本例では、図４に示した試料導入系の構造例と
同様に、先ず流路部分全体を基板表面から彫り込んで、
流路部分の上面全体が外気に開放されている状態に形成
し、その後に、この流路部分の上面に、基板１とは別部
材からなる所要部分に開口を設けた密閉用蓋体１５を被
せることにより、所要流路部分を外気から密閉してい
る。

【００２５】図６に、試料導入系のさらに別の断面構造
例を示す。本例では、液溜１０ａ，試料投入口１１ａの
開口部にそれぞれ蓋１６，１７を取り付けてある。この
他の試料導入系についても同様である。電気泳動が行わ
れていない時には、これらの蓋１６，１７は閉じておい
てもよい。これのより、外部からの汚染物質の侵入を防
止できる。また、試料投入口の蓋１７は、電気泳動が行
われている場合でも、試料投入後は閉じておくことがで
きる。また、液溜１０ａの蓋１６は、電気泳動を行って
いる際には、開けておいてよい。なお、試料投入口１１
ａの蓋１７も、電気泳動を行っている最中にも必ずしも
閉じておく必要はなく、開けておいてもよい。

【００２６】図７に、試料導入系のさらに別の構造例を
示す。本例では、図４の場合と同様に、基板１の上面に
溝堀り形成した流路部分の上面を基板１とは別部材から
なる密閉用蓋体１５で密閉すると共に、図６の場合と同
様に、液溜１０ａ，試料投入口１１ａの開口部にそれぞ
れ蓋１６，１７を設けてある。密閉用蓋体１５の機能お
よび蓋１６，１７の機能並びに使用法は、それぞれ図
４，図６の説明で述べた通りである。

【００２７】なお、図２〜図７に示した構成において、
液溜１０ａやリザーバ２の溶液収容能力をさらに増やす
ために、基板１上に形成されたこれら液溜１０ａやリザ
ーバ２にそれらとは別の補助容器を接続してやることも
できる。

【００２８】また、図６，図７において、蓋１６，１７
の材質は、例えばゴムのような柔らかい素材であっても
よい。また、蓋１６，１７の開閉は手動で行ってもよい
が、空気圧等を利用した開閉機構を用いて行うようにし
てもよい。さらに、蓋１６，１７の代わりにバルブを設
け、これらのバルブを自動制御で開閉するように構成し
てもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、複数の微量試料の連続的
な電気泳動分離が可能になり、さらに試料の微量化によ
り装置のクリーニングの回数が減るため、分析のスルー
プットが向上する。また、予め複数の試料を投入してあ
る本発明の小型電気泳動装置を複数台用意しておき、こ
れらを順次質量分析装置等の分析装置にセットして分析
することにより、試料の入れ替えの手間を省くことがで
き、さらにスループットが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例になる小型電気泳動装置を用
いた質量分析装置の概略構成を示す図。

【図２】図１に示した実施例における電気泳動流路とキ
ャピラリーとを含む試料導入系の断面構造の一例を示す
図。

【図３】図１に示した実施例におけるリザーバとそれに
連なる流路部分とキャピラリーとを含む部分の断面構造
例を示す図。

【図４】図１に示した実施例における電気泳動流路とキ
ャピラリーとを含む試料導入系の断面構造の他の一例を
示す図。

【図５】図１に示した実施例におけるリザーバとそれに
連なる流路部分とキャピラリーとを含む部分の断面構造
の他の一例を示す図。

【図６】図１に示した実施例における電気泳動流路とキ
ャピラリーとを含む試料導入系の断面構造のさらに他の
一例を示す図。

【図７】図１に示した実施例における電気泳動流路とキ
ャピラリーとを含む試料導入系の断面構造のさらに別の
一例を示す図。

【符号の説明】

１ … 基板，２ … リザー
バ，３ … 流路，４ … 液
溜，５ … キャピラリー，６ … ガス
流路，７ … オリフィス，８ … 電
極，９ … 質量分析装置，１０ａ〜１０ｄ
… 液溜，１１ａ〜１１ｄ … 試料投入口，１２
ａ〜１２ｄ … 電気泳動用流路，１３ａ〜１３ｄ …
スイッチ，１４ … 電極，１５ … 密閉用蓋
体，１６，１７ … 蓋。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者奥村昭彦東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者小泉英明東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 5C038 EE02 EF04 EF12 EF29 GG08 GH05 GH08 GH15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一基板上に、それぞれ電気泳動用流路と
上記電気泳動用流路の一端側に接続された液槽と上記電
気泳動用流路の流路途中に設けられた試料投入口と、上
記液槽内に設けられた電気泳動用電圧印加用の一方の個
別電極とを含んでなる複数の試料導入系と、上記複数の
試料導入系全ての上記電気泳動用流路の他端側に共通に
接続された単一の液溜と、上記単一の液溜内に設けられ
た電気泳動用電圧印加用の他方の共通電極と、リザーバ
ーと、上記リザーバーを上記単一の液溜に連結するため
の流路とを形成し、かつ一端側が上記単一の液溜内に配
置された噴霧用キャピラリーと、上記噴霧用キャピラリ
ーの他端側から流出する溶液をガス流により噴霧させる
ための噴霧用ガスを上記キャピラリーの上記他端側の周
囲に供給するためのガス供給用流路とを設けてなること
を特徴とする小型電気泳動装置。
【請求項２】請求項１に記載の小型電気泳動装置でおい
て、上記リザーバは外部雰囲気中に開口されており、上
記リザーバ付近の外部雰囲気の圧力と上記ガス流により
圧力低下した上記キャピラリーの上記他端側周囲の圧力
との差圧によって、上記リザーバ内の溶液が上記単一の
液溜まで送液され、さらにそこから上記キャピラリーの
端部まで送液されるという溶液の流れが形成され、一
方、上記試料投入口から投入された試料は、上記電気泳
動用流路内で電気泳動された後、上記単一の液溜中に流
れ込んで、上記リザーバからの溶液流中に混入されて上
記キャピラリーの上記他端側まで送られて、上記ガス流
によって噴霧されるように構成されてなることを特徴と
する小型電気泳動装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の小型電気泳動装
置において、上記複数の試料導入系のそれぞれの液漕内
に設けられた上記個別電極には、それぞれ個別にスイッ
チが接続されており、これらのスイッチを切り替えるこ
とによって、上記複数の試料導入系を順次切り替えて動
作させるように構成されてなることを特徴とする小型電
気泳動装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の小型電気
泳動装置において、上記リザーバーを上記単一の液溜に
連結するための流路の流路断面積を上記複数の試料導入
系における電気泳動用流路の流路断面積よりも大きく設
定してなることを特徴とする小型電気泳動装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の小型電気
泳動装置において、上記複数の試料導入系における上記
液漕には、該液漕を外部雰囲気中に連通させるための開
口部が設けられていることを特徴とする小型電気泳動装
置。
【請求項６】請求項５に記載の小型電気泳動装置におい
て、上記液漕の上記開口部には、該開口部を通しての上
記液漕の上記外部雰囲気との連通を遮断するための開閉
可能な蓋またはバルブが設けられていることを特徴とす
る小型分析装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の小型電気
泳動装置において、上記複数の試料導入系における上記
試料投入口には、該試料投入口を介しての上記電気泳動
用流路の上記外部雰囲気との連通を遮断するための開閉
可能な蓋またはバルブが設けられていることを特徴とす
る小型分析装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の小型電気
泳動装置をイオン源として用いた質量分析装置。
【請求項９】一つの基板上に、それぞれ電気泳動用流路
と前記電気泳動用流路の一端に接続された液漕と前記電
気泳動用流路の流路途中に設けられた試料投入口とを有
してなる複数の試料導入系を設け、この複数の試料導入
系を上記基板上に設けられた一つの共通液漕に接続して
なることを特徴とする小型電気泳動装置。
【請求項１０】請求項９記載の小型電気泳動装置におけ
る上記共通液漕内の上記試料を含んだ溶液を噴霧用キャ
ピラリー内に導入し、上記キャピラリーの末端部からガ
ス噴霧させることによって上記試料をイオン化させるよ
う構成してなることを特徴とするイオン源。
【請求項１１】請求項１０記載のイオン源を搭載してな
ることを特徴とする質量分析装置。