JP2001255301A

JP2001255301A - 電気泳動装置

Info

Publication number: JP2001255301A
Application number: JP2000063145A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 宏田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2001-09-21
Also published as: US6616824B1

Abstract

(57)【要約】【課題】泳動途中の泳動パターンをゲルイメージとし
て表示できるようにする。【解決手段】分離流路に沿った所定範囲の光量がフォ
トセルアレイ７で検出され、吸光度としてメモリ４０ｂ
に一時的に記憶される。規格化部４０ｃは全検出範囲で
の最小吸光度と最大吸光度を求め、求めた最小吸光度と
最大吸光度を用いて全検出範囲の吸光度を規格化して、
０〜１の間の値に変換する。表示制御部４０ａは、横軸
に検出位置をとり、それぞれの位置の規格化された吸光
度をピークごとに着色を変えてゲルイメージとしてディ
スプレー４５のゲルイメージ表示部分４５ｂに表示す
る。また、表示制御部４０ａは、ゲルイメージの表示に
用いた横軸を共通に用い、それぞれの位置に対応した吸
光度そのものを用いてエレクトロフェログラムとしてエ
レクトロフェログラム表示部分４５ａに表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微量のタンパク質
や核酸などを分析する電気泳動装置に関し、更に詳しく
は、電気泳動部材として透明板状部材の内部に試料成分
が電気泳動により分離される分離流路を備えたマイクロ
チップを用いるマイクロチップ電気泳動装置、及び電気
泳動部材としてキャピラリーを用いるキャピラリー電気
泳動装置を含む電気泳動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微量のタンパク質や核酸などを分析する
ための電気泳動装置として、キャピラリ電気泳動装置が
主として用いられてきた。近年になって、キャピラリに
代わってマイクロチップを用いるマイクロチップ電気泳
動装置が使用されるようになってきた。マイクロチップ
電気泳動装置では、２枚の透明基板を接合して形成され
たマイクロチップと称されるキャピラリー電気泳動チッ
プが使用される。そのマイクロチップの例を図１に示
す。マイクロチップ５は、一対の透明基板（ガラス板）
５１，５２からなり、一方の基板５２の表面に互いに交
差する泳動用キャピラリー溝５４，５５を形成し、他方
の基板５１にはその溝５４，５５の端に対応する位置に
リザーバ５３を貫通穴として設けたものである。

【０００３】このマイクロチップ５を使用するときは、
両基板５１，５２を（Ｃ）に示すように重ね、いずれか
のリザーバ５３から泳動液を溝５４，５５中に注入す
る。その後、短い方の溝５４の一方の端のリザーバ５３
に試料を注入しその溝５４の両端のリザーバ５３，５３
間に電極を差し込んで所定時間だけ高電圧を印加する。
これにより、試料は溝５４中に移動する。次に、長い方
の溝５５の両端のリザーバ５３，５３に電極を差し込
み、泳動電圧を印加する。これにより、両溝５４，５５
の交差部分５６に存在する試料が溝５５内を電気泳動す
る。

【０００４】キャピラリ電気泳動装置では、キャピラリ
の一端に試料を注入し、そのキャピラリの両端間に泳動
電圧を印加することにより試料がキャピラリ内を電気泳
動する。このような電気泳動装置で分離成分の検出を行
なうには、分離流路の適当な位置に紫外可視分光光度
計、蛍光光度計、電気化学検出器等の検出器を配置して
おくのが一般的である。他の検出方法としては、分離流
路の所定の範囲にわたって光を照射し、分離流路に沿っ
て配列された複数個の受光素子を有する光検出手段によ
り分離流路内で分離された試料成分による光の吸収又は
発光の強度を分離流路に沿った所定の範囲にわたって同
時に検出するものも提案されている（特開平１０−１３
２７８３号公報参照。）

【０００５】電気泳動装置で分離された泳動パターン
は、分離された試料成分の吸光度又は発光強度を分離流
路に沿って表わしたエレクトロフェログラムとして表示
されるのが一般的であるが、分離された試料成分を分離
流路に沿って帯状のパターンで表わしたゲルイメージと
して表示されることもある。

【０００６】しかし、エレクトロフェログラムにしろ、
ゲルイメージにしろ、分離流路に沿った所定の範囲にわ
たって表示されるときは、いずれも試料の電気泳動分離
が完了した後の状態で表示されている。電気泳動の目的
がタンパク質や核酸などの定量分析にあることを考えれ
ば、電気泳動分離が完了した状態の電気泳動パターンの
みを表示するだけで十分である。特に、検出器を分離流
路の適当な位置に配置してそこを通過する試料成分を検
出する方法では、検出器を通過した試料成分を時間軸に
対して表示するのであるから、リアルタイムでの表示と
いっても時々刻々と変化する泳動パターンを分離流路に
沿って表示することはできない。また、エレクトロフェ
ログラムとゲルイメージがともに表示されることがあっ
ても、表示されるのは電気泳動分離完了後であるだけで
なく、互いに座標軸を共通にして表示されることはな
い。定量分析のみを考えればそのような表示の必要性は
ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電気泳動分離を実行し
ていて、電気泳動分離完了後の泳動パターンのみでな
く、電気泳動途中の泳動パターンもわかる方が好都合な
場合のあることがわかった。例えば、電気泳動開始から
完了までの間に泳動異常が発生したかったことをオペレ
ータが確認したいというような場合である。それも、泳
動途中の泳動パターンをエレクトロフェログラムとして
表示するよりはゲルイメージとして表示する方が泳動パ
ターンの把握が容易であると考えられる。しかし、泳動
途中の泳動パターンをゲルイメージとして表示すること
は行われてはいない。そこで、本発明は電気泳動装置に
おいて、泳動途中の泳動パターンをゲルイメージとして
表示できるようにすることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の気泳動装置は、
透明部材にて形成され、その内部に試料成分が電気泳動
により分離される分離流路を備えた電気泳動部材と、そ
の分離流路の両端間に泳動電圧を印加する泳動電源装置
と、その分離流路の所定の範囲にわたって光を照射する
照射手段と、その分離流路内で分離された試料成分によ
る照射光の吸収又は発光を検出するための、分離流路に
沿って配列された複数個の受光素子を有する光検出手段
と、表示装置と、電気泳動の開始から終了までの途中の
段階で、光検出手段による検出信号に基づいて、分離さ
れた試料成分を分離流路に沿って帯状のパターンで表わ
したゲルイメージとして表示装置に表示させるデータ処
理・制御部とを備えている。これにより、泳動途中の泳
動パターンがゲルイメージとして表示され、泳動異常な
どを容易に判断できるようになる。

【０００９】データ処理・制御部は、光検出手段による
検出信号に基づいて、分離された試料成分の吸光度又は
発光強度を分離流路に沿って表わしたエレクトロフェロ
グラムもゲルイメージと分離流路の位置を共通にして表
示装置に表示させるものであることが好ましい。エレク
トロフェログラムとゲルイメージを対応させて表示する
ことにより、泳動異常などの判断をより容易に把握でき
るようになる。本発明は、マイクロチップ電気泳動装置
又はキャピラリー電気泳動装置に適用するのに相応しい
が、他の電気泳動装置にも適用できるものである。

【００１０】

【実施例】装置の一実施例を図２に示す。マイクロチッ
プ５は図１に示されたものである。その分離流路５５の
一定範囲を光照射するために、分離流路５５に沿って線
状に延びた光源１からの光がシリンドリカルレンズ２で
平行光にされてバンドパスフィルター３に入射し、バン
ドパスフィルター３を透過して所定の波長にされた光が
シリンドリカルレンズ４によりマイクロチップ５の分離
流路に集光されて入射する。マイクロチップ５の反対側
には分離流路を透過した光を集光するためにシリンドリ
カルレンズ６が設けられ、シリンドリカルレンズ６で集
光された光が光検出器のリニアイメージセンサであるフ
ォトセルアレイ７に入射して検出される。シリンドリカ
ルレンズ２，４，６、バンドパスフィルター３及びフォ
トセルアレイ７は分離流路よりは短かいが、分離流路と
ほぼ同じ長さを有している。フォトセルアレイ７は、検
出素子として分離流路の長さ方向の一直線上に配列され
た、例えば５１２個のフォトダイオードを備えている。
バンドパスフィルター３の位置は、マイクロチップ５か
らフォトセルアレイ７側であってもよい。また、バンド
パスフィルター３の代わりに、プリズム、回折格子など
の分光素子による分光器を使用することもできる。

【００１１】この実施例で、光源１からの光は、シリン
ドリカルレンズ２により平行光となり、バンドパスフィ
ルタ３を通って特定波長のみの光となり、シリンドリカ
ルレンズ４によってマイクロチップ５上の分離流路へ集
光される。分離流路を通過した光はシリンドリカルレン
ズ６により再び平行光になり、フォトセルアレイ７へ照
射される。

【００１２】フォトセルアレイ７は図３のような回路構
成を有している。そのフォトセルアレイ７は、一直線上
で互い違いに並べられた奇数フォトダイオード１１と偶
数フォトダイオード１２を有しており、両フォトダイオ
ード１１，１２をあわせれば５１２個となる。さらに、
測定に用いられるフォトダイオード１１，１２と同一特
性を持つダミーフォトダイオード１３が５１２個設けら
れている。各フォトダイオード１１，１２，１３には、
ＭＯＳ−ＦＥＴからなるスイッチング素子１４が接続さ
れている。各スイッチング素子１４には奇数シフトレジ
スタ１５又は偶数シフトレジスタ１６が接続されてお
り、シフトレジスタ１５，１６からの信号によって各ス
イッチング素子１４のオン、オフの切換えが行なわれる
ようになっている。

【００１３】１７は奇数シフトレジスタ１５の動作信号
入力端子、１８は偶数シフトレジスタ１５の動作信号入
力端子、１９は奇数側リセット信号入力端子、２０は偶
数側リセット信号入力端子、２１は奇数フォトダイオー
ド１１からの出力用の出力端子、２２は偶数フォトダイ
オード１２からの出力用の出力端子、２３及び２４はダ
ミーフォトダイオードからの出力用の出力端子、Ｃｖは
コンデンサーである。

【００１４】さらに、この電気泳動装置は図４に示す制
御部４０を備えており、その制御部４０によってこの電
気泳動装置が制御される。制御部４０はＣＰＵ、ＲＡ
Ｍ、ＲＯＭなどを含むマイクロコンピュータから構成さ
れている。制御部４０にはフォトセルアレイ７の入力端
子１７〜２０が接続されている。フォトセルアレイ７の
出力端子２１〜２４は、アンプ４１及びＡ／Ｄ変換器４
２を介して制御部４０に接続されている。制御部４０に
はさらに操作者が指令を入力するためのキーボードを備
えた操作盤４３と、泳動途中の泳動パターンをゲルイメ
ージとして表示したり、さらにはエレクトロフェログラ
ムとともに表示したり、泳動完了後のエレクトロフェロ
グラムを表示したり、分析条件や分析結果を表示したり
するためのＣＲＴ（陰極線管）や液晶表示板などのディ
スプー４５と、測定結果をチャート化するためのＸＹプ
リンター４４と、電源３４とが接続されている。

【００１５】図４の制御部４０において、泳動途中の泳
動パターンをゲルイメージとエレクトロフェログラムと
してディスプレー４５に表示するための機能を図５に示
す。フォトセルアレイ７で検出される光量は、試料注入
前をＩr(ｎ)、分離途中の光量をＩs(ｎ,ｔ) とする。
ここで、ｎは検出位置、すなわちフォトセルアレイ７の
受光素子の位置を表わし、ｔは泳動開始時点からの時刻
を表わす。フォトセルアレイ７で検出され、アンプ４１
からＡ／Ｄ変換器４２を経て制御部４０に取り込まれる
検出信号により、制御部４０では時刻ｔ，位置ｎでの吸
光度Ａb(n,t)として、Ａb(n,t) ＝ −logＩs(n,t)／Ｉr(n) で表される吸光度が求められる。ここで、ｌｏｇは常用
対数である。求められた吸光度は、メモリ４０ｂに一時
的に記憶される。規格化部４０ｃは、フォトセルアレイ
７による全検出範囲での最小吸光度と最大吸光度を求
め、求めた最小吸光度と最大吸光度を用いて全検出範囲
の吸光度を規格化して、０〜１の間の値に変換するもの
である。

【００１６】表示制御部４０ａは、横軸に検出位置をと
り、それぞれの位置の規格化された吸光度をピークごと
に着色を変えてバンドにしてゲルイメージとしてディス
プレー４５のゲルイメージ表示部分４５ｂに表示する。
ピークの色相、すなわち色の種類はピーク毎に指定さ
れ、色の濃度は最も濃度の高い色と背景色との間を吸光
度規格値で補間を行い、吸光度の大小により階調をつけ
て表示する。また、表示制御部４０ａは、ゲルイメージ
の表示に用いた横軸を共通に用い、それぞれの位置に対
応した吸光度そのものを用いてエレクトロフェログラム
としてエレクトロフェログラム表示部分４５ａに表示す
る。

【００１７】この実施例の動作を図６に示す制御フロー
チャートにしたがって説明する。プログラムがスタート
すると、電源３４をオフ状態としたり、プリンタ４４を
初期位置にセットしたりするなどの初期設定が行なわれ
る（ステップＳ１）。操作盤４３を介してサンプル注入
時間や電圧、泳動電圧などの分離パラメータの設定が操
作者により行なわれる（ステップＳ２）。泳動終了時間
（＝積算開始時間）や積算時間などの測定パラメータの
設定が操作者により行なわれる（ステップＳ３）。そし
て、プログラムはスタート指令を待つ（ステップＳ
４）。

【００１８】操作者は通常のマイクロチップ電気泳動と
同じように試料の注入を行ない、操作盤４３のスタート
ボタンを押す。これによりプログラムに従って試料の電
気泳動分離が開始され、設定されたパラメータに基づい
てマイクロチップ５の分離流路の両端間に泳動電圧が印
加される。これにより、試料は分離流路内を移動しつつ
分離されていく。

【００１９】電気泳動分離が開始されると、後に図７に
より詳細に説明するように、泳動途中の分離の様子が、
図８に示されるようにエレクトロフェログラムとゲルイ
メージが横軸を共通にして表示されていく（ステップＳ
５）。このとき、フォトセルアレイ７のフォトダイオー
ド１つ１つが流路の各位置に対応している。フォトセル
アレイ７は、一例として、５１２個のフォトダイオード
が２５μｍピッチで並んでおり、１２.８ｍｍの長さで
ある。したがって、分離流路の１２.８ｍｍの長さの範
囲の吸光度が２５μｍの分解能で得られ、それに基づい
てエレクトロフェログラムとゲルイメージが表示されて
いく。

【００２０】設定された泳動時間が終了すると（ステッ
プＳ６）、目的成分が分離流路内で分離された状態とな
る。キャピラリー電気泳動（このマイクロチップ電気泳
動も同じ）の特徴として、電気泳動用にかけられていた
高電圧を除くと、キャピラリー中の成分は慣性力の影響
もなく、その場に留まる。ステップＳ３での設定に従っ
て測定を開始する（ステップＳ７）。制御部４０により
フォトセルアレイ７のスキャン（走査）が繰り返し行な
われ、積算されていくことにより、Ｓ／Ｎ比はどんどん
大きくなっていく（ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９）。積算
が終了すると、測定結果がプリンターに出力され（ステ
ップＳ１０）、プログラムが終了する（ステップＳ１
１）。泳動終了後のさらに詳しい動作は、特開平１０−
１３２７８３号公報に記載されている通りである。

【００２１】泳動途中の分離の様子をエレクトロフェロ
グラムとゲルイメージが横軸を共通にして表示されてい
く図６中のステップＳ５の詳細な一例を図７を参照して
説明する。フォトセルアレイ７で検出された光強度に基
づいて、制御部４０には全検出範囲での吸光度が取り込
まれる（ステップ２０）。取り込まれた吸光度は一時的
にメモリ４０ｂに記憶される（ステップＳ２１）。そし
て最小吸光度と最大吸光度が求められ（ステップＳ２
２）、全検出範囲の吸光度が０〜１に規格化される（ス
テップＳ２３）。その後、エレクトロフェログラムとゲ
ルイメージが横軸を共通にしてディスプレー４５に表示
される（ステップＳ２４）。吸光度の取り込みから表示
までの動作は、泳動が終了するまで一定時間ごとに繰り
返し行われる（ステップＳ６，Ｓ２５）。

【００２２】図８はディスプレーに表示されたエレクト
ロフェログラムとゲルイメージの例を表わしたものであ
る。（Ａ）から（Ｃ）は時間経過の順に３つの時刻での
ディスプレー画面を例示している。横軸は分離流路の位
置、すなわちフォトセルアレイ７の素子の位置を示して
おり、その位置を共通にして上側には吸光度を表わすエ
レクトロフェログラムが表示され、下側には分離された
試料成分を帯状に示すゲルイメージが表示されている。
このような表示が泳動開始からの時間経過とともにリア
ルタイムで表示されていく。

【００２３】ゲルイメージの表示の仕方としては次のよ
うに種々に変更することができる。一定以下の吸光度については背景と同じ扱いとして表
示しないようにすることにより、ノイズ成分が表示され
なくなり、より見やすくする。ベースラインのうねりを補正してゲルイメージの表示
をより正しくする。階調を直線補間ではなく、非線形の関数を使用するこ
とにより、ゲルイメージを見やすくする。一定幅以下の吸光度のバンドは表示しないようにす
る。他にも、ゲルイメージの表示を見やすくするための種々
の補正方法がありうる。実施例では、ゲルイメージとエ
レクトロフェログラムを横軸を共通にしてともに表示し
ているが、本発明は電気泳動途中ではゲルイメージのみ
を表示するようにしたものも含んでいる。

【００２４】

【発明の効果】本発明では泳動開始から終了に至る段階
での泳動途中の分離流路に沿った所定の範囲の泳動パタ
ーンをゲルイメージとしてリアルタイムで表示するよう
にしたので、分離条件の検討や分離過程の異常などを把
握するのが容易になる。またゲルイメージの表示と対応
させて位置の座標を共通にしてエレクトロフェログラム
も表示するようにすれば、直感的な把握がより容易にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロチップを示す図であり、（Ａ）と
（Ｂ）はマイクロチップを構成する透明板状部材を示す
平面図、（Ｃ）はマイクロチップの正面図である。

【図２】一実施例を示す概略斜視図である。

【図３】同実施例におけるフォトセルアレイを示す回路
図である。

【図４】同実施例における制御系を示すブロック図であ
る。

【図５】図４の制御系での制御部４０における表示に関
する機能を示すブロック図である。

【図６】一実施例の全体の動作を示すフローチャート図
である。

【図７】同実施例における表示に関する動作を示すフロ
ーチャート図である。

【図８】同実施例における表示画面の一例を時間経過の
順に示す図である。

【符号の説明】

１光源５マイクロチップ７フォトセルアレイ４０制御部４０ａ表示制御部４０ｂメモリ４０ｃ規格化部４５ディスプレー４５ａディスプレーのエレクトロフェログラム表示
部分４５ｂディスプレーのゲルイメージ表示部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 21/64 Ｃ１２Ｎ 15/00 ＡＧ０１Ｎ 27/26 ３１５Ｋ３２５ＢＦターム(参考） 2G043 AA01 CA03 DA02 EA01 EA19 GA21 GB21 HA15 JA03 JA04 JA05 KA02 KA03 LA03 NA06 2G059 AA01 AA05 BB04 CC13 CC20 EE01 FF04 GG00 JJ02 JJ05 JJ06 JJ11 KK03 KK04 MM09 MM10 PP04 4B024 AA20 HA11 4B029 AA23 BB20 4B063 QA01 QQ42 QQ52 QX01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明部材にて形成され、その内部に試料
成分が電気泳動により分離される分離流路を備えた電気
泳動部材と、前記分離流路の両端間に泳動電圧を印加する泳動電源装
置と、前記分離流路の所定の範囲にわたって光を照射する照射
手段と、前記分離流路内で分離された試料成分による前記光の吸
収又は発光を検出するための、分離流路に沿って配列さ
れた複数個の受光素子を有する光検出手段と、表示装置と、電気泳動の開始から終了までの途中の段階で、前記光検
出手段による検出信号に基づいて、分離された試料成分
を分離流路に沿って帯状のパターンで表わしたゲルイメ
ージとして前記表示装置に表示させるデータ処理・制御
部と、を備えたことを特徴とする電気泳動装置。
【請求項２】前記データ処理・制御部は、前記光検出
手段による検出信号に基づいて、分離された試料成分の
吸光度又は発光強度を分離流路に沿って表わしたエレク
トロフェログラムも前記ゲルイメージと分離流路の位置
を共通にして前記表示装置に表示させるものである請求
項１に記載の電気泳動装置。
【請求項３】前記電気泳動部材はマイクロチップ又は
キャピラリーである請求項１又は２に記載の電気泳動装
置。