JP2002174623A - 電気泳動用高圧電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高圧リレーを用いなくても出力電圧の急速な
立下りを可能にする。 【解決手段】 スイッチSW１が数百ＫＨｚ程度の高速な
クロック信号で、コンデンサC４をＰ側、P’側を交互に
切り替えており、制御電圧Vcontが低下させられると、
アンプＡ２の出力がスイッチトキャパシタ回路３２を介
してトランジスタQ４のベース電流に供給され、トラン
ジスタQ４がオンとなって平滑コンデンサC３に蓄積され
ていた電荷が放出される。トランジスタQ４のベース電
流はエミッタから直接コンデンサＣ４に回収されるの
で、電流計測誤差がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極微量のタンパク
質や核酸などを高速、かつ高分解能に分析するチップ電
気泳動装置で電気泳動用の電圧を印加する高圧電源装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】極微量のタンパク質や核酸などを分析す
る場合には、従来から電気泳動装置が用いられており、
その代表的なものとしてキャピラリー電気泳動装置があ
る。キャピラリー電気泳動装置は、内径が１００μｍ以
下のガラスキャピラリー内に泳動バッファを充填し、一
端側に試料を導入した後、両端間に高電圧を印加して分
析対象物をキャピラリー内で展開させるものである。キ
ャピラリー内は容積に対して表面積が大きい、すなわち
冷却効率が高いことから、高電圧の印加が可能となり、
ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）などの極微量試料を高速、
かつ高分解能にて分析することができる。

【０００３】キャピラリーはその外形が数１０μｍ〜１
００μｍ程度と細く破損しやすいため、ユーザーが行な
うべきキャピラリー交換時の取扱いが容易でない問題を
有する。そのため、D. J. Harrison et al./ Anal. Chi
m. Acta 283 (1993) 361-366に示されているように、２
枚の基板を接合して形成された電気泳動チップが提案さ
れている。電気泳動チップでは、一対の透明板状部材の
少なくとも一方の板状部材の表面に液が流れる溝が形成
され、他方の板状部材にはその溝に対応する位置に貫通
穴が設けられ、これら板状部材がその溝を内側にして貼
り合わされてその溝により分離流路を形成している。分
離流路に泳動媒体を満たし、その一端側に試料を注入
し、分離流路の両端間に泳動電圧を印加して試料を分離
流路で電気泳動させる。

【０００４】電気泳動チップの一例を図２に示す。電気
泳動チップ２は一対の透明基板（ガラス板）からなり、
一方の基板の表面に互いに交差する泳動用キャピラリー
溝４，６を形成し、他方の基板にはその溝４，６の端に
対応する位置にリザーバ９を貫通穴として設けたもので
ある。両基板は溝４，６が内側になるように重ねて接合
され、キャピラリー溝４，６が試料の電気泳動分離用の
分離流路６と、その分離流路６に試料を導入するための
試料導入流路４となっている。使用時にはバッファ泳動
液などの泳動媒体がいずれかのリザーバ９から流路４，
６に注入される。

【０００５】リザーバ９は流路４，６に電圧を印加する
ためのポートでもある。ポート＃１と＃２は試料導入流
路４の両端に位置するポートであり、ポート＃３と＃４
は分離流路６の両端に位置するポートである。各ポート
＃１〜＃４に電圧を印加するために、このチップ２の表
面に形成された電極端子１０−１〜１０−４がそれぞれ
のポートからチップ２の側端部に延びて形成されてお
り、外部の高圧電源装置１８−１〜１８−４に接続され
て、所定の電圧が印加される。

【０００６】この電気泳動チップを用いて分析を行なう
手順を示すと次のようになる。ここでは、泳動媒体とし
てバッファ泳動液を用いるとして説明する。 １）チップ２のリザーバ＃１からバッファ泳動液を加圧
送液し、流路４，６及び各リザーバ９にバッファ泳動液
を満たす。 ２）チップ２のリザーバ＃１のバッファ泳動液をシリン
ジで吸引し、その後へ試料溶液を滴下する。

【０００７】３）ポート＃１に４２０Ｖ、ポート＃２に
０Ｖ、ポート＃３に３２０Ｖ、ポート＃４に６３０Ｖを
１５秒間印加し、試料を流路４，６のクロス部８まで移
動させる（試料導入）。 ４）次いで、ポート＃１に５００∨、ポート＃２に５０
０∨、ポート＃３に７５０∨、ポート＃４に０Ｖを印加
し、クロス部８の試料を分離流路６へ注入し、電気泳動
分離を行なわせる（電気泳動）。

【０００８】これらの高圧電源装置１８−１〜１８−４
には、試料導入から電気泳動に切り替える際に、印加電
圧の１ミリ秒以下の高速な立上り、立下りが要求され
る。高圧電源装置では、高圧の直流電圧を出力するため
に、交流電圧を直流電圧に変換するための整流回路が設
けられている。そのため高電圧出力を急速に立ち下げる
ために、整流回路のコンデンサに蓄積されていた電荷を
急速に放出するために、従来は高圧リレーを設けて出力
をオフにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】高圧電源に高圧リレー
を設けた電源装置では、装置が複雑になり、また高圧リ
レーという機械部分があるために信頼性が低下し、応答
速度のばらつきなどが生じる問題がある。そこで、本発
明は高圧リレーを用いなくても出力電圧の急速な立下り
を可能にする高圧電源装置を提供することを目的とする
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高圧電源装置は
制御電圧に比例した直流高圧電圧を発生させて電気泳動
装置に印加する高圧電源装置であり、その出力部に電荷
を放出できる電荷リセット回路を備える。そして、その
電荷リセット回路は、この高圧電源装置の出力部に設け
られてオンになったときその高圧電源装置の出力部の電
荷を放出するバイポーラトランジスタと、スイッチトキ
ャパシタ回路とを備えたものであり、そのスイッチトキ
ャパシタ回路はコンデンサ、及び前記制御電圧がこの高
圧電源装置の出力を低下させるものであるときに所定の
電位を発生させる端子にこのコンデンサを接続してこの
コンデンサを充電する側と、このコンデンサを前記バイ
ポーラトランジスタのベースに接続し、そのバイポーラ
トランジスタを流れたベース電流をこのコンデンサに戻
すように接続する側との間で高速に繰り返し切り替えら
れるスイッチを含んだものである。

【００１１】高圧電源装置の出力部に電荷を放出できる
電荷リセット回路を設けたことにより、出力電圧を高速
でオフにすることができ、立ち下がり応答速度が高速に
なる。また、このような高圧電源装置は、比較的簡単な
構成で実現することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】前記バイポーラトランジスタと低
電圧電源との間に電流検出用抵抗が設けられていて、出
力電流を測定できるようになっている場合、ベース電流
を前記コンデンサに戻すための接続は、前記バイポーラ
トランジスタと前記電流検出用抵抗との間でなされてい
ることが好ましい。これにより、電流測定を行なう電流
検出用抵抗が設けられている場合でも、電流測定の誤差
が増加することを抑えることができる。

【００１３】

【実施例】図１に一実施例の高圧電源装置を示す。この
高圧電源装置は図２に示した高圧電源装置１８−１〜１
８−４のそれぞれとして利用されるものである。２０は
この高圧電源装置の出力端子（Vout）、２２は制御電圧
入力端子（Vcont）である。制御信号Vcontと出力電圧Vo
utを比較するために、誤差アンプ２４が設けられてお
り、誤差アンプ２４は差動アンプＡ１、抵抗Ｒ１、コン
デンサＣ１で構成され、差動アンプＡ１の非反転入力端
子には制御信号Vcontが入力され、反転入力端子には出
力電圧Voutを抵抗Ｒ４とＲ５で分圧した電圧がフィード
バック電圧Vfeedbackとして入力される。

【００１４】２６は発振回路であり、トランスＴ１とと
もにインバータ回路を構成している。発振回路２６はト
ランジスタＱ２、Ｑ３及びコンデンサＣ２を備え、トラ
ンジスタＱ１により動作が制御される。トランスＴ１に
より高められた交流電圧を直流電圧に変換するためにダ
イオードD１とコンデンサＣ３からなる整流回路２８が
設けられており、整流回路２８から出力端子２０へ高圧
電圧が取り出される。

【００１５】整流回路２８のコンデンサＣ３に蓄積され
た電荷を放出して急速に立ち下げるために、出力端子２
０には.電荷リセット回路３０が接続されている。電荷
リセット回路３０は出力端子２０に接続されたバイポー
ラトランジスタＱ４を備えている。

【００１６】バイポーラトランジスタＱ４と低電圧電源
としてのアースとの間には電流検出抵抗Ｒ６が設けられ
ている。電流検出抵抗Ｒ６はこの電源装置が低電圧側に
設定されたとき、電気泳動チップの流路を流れてきた電
流がバイポーラトランジスタＱ４を経てこの電流検出抵
抗Ｒ６を流れ、その時に生じる電圧をアンプＡ３で増幅
することにより出力電流の測定を行なうものである。

【００１７】電荷リセット回路３０にはスイッチトキャ
パシタ回路３２と、マイナスゲインをもつアンプA２が
さらに備えられている。アンプA２は誤差アンプ２４の
出力端子に接続されている。スイッチトキャパシタ回路
３２にはコンデンサC４が設けられ、コンデンサＣ４の
一方の電極がアンプＡ２とトランジスタＱ４のベース電
極の間で接続が切り替えられ、コンデンサＣ４の他方の
電極がアースとトランジスタＱ４のエミッタとの間で接
続が切り替えられるように、コンデンサＣ４にはスイッ
チＳＷ１が設けられている。スイッチＳＷ１は、例えば
数百ＫＨｚのクロック信号により、コンデンサＣ４の両
電極を図の実線どおし、破線どおしというように、同期
して切替え動作を行なう。

【００１８】次に、この実施例の動作について説明す
る。 （１）高圧電源の動作 この高圧電源装置は、出力端子（Vout）２０に制御電圧
Vcontに比例した高圧電圧を発生させるものである。以
下にその動作を説明する。フィードバック電圧Vfeedbac
kとして、出力電圧Voutを抵抗R4，R5で分圧した電圧が
発生する（厳密には抵抗R6の電圧降下分が誤差となる
が、ここでは無視する）。この電圧Vfeedbackを制御電
庄vcontに一致させるように動作することで、出力端子
（Vout）２０に制御電圧Vcontに比例した高圧電圧を発
生させる。

【００１９】すなわち、アンプA１、抵抗R１及びコンデ
ンサC１で構成される誤差アンプ２４により、制御電庄V
contとフィードバック電圧Vfeedbackが比較される。制
御電庄Vcontの方が高電圧の場合は、アンプA１の出力が
正に振れ、その結果、トランジスタQ１の出力が上昇
し、トランジスタQ２、Q３、コンデンサC２とトランスT
１で構成されるインバータ回路の電流の発振振幅が大き
くなる。したがって、トランスT１の二次側に大きな交
流電圧が発生する。それを、ダイオードD１で整流し、
コンデンサC３で平滑化して直流に変換することで、出
力端子２０に出力Voutとして直流高電圧が発生する。こ
の結果、フィードバック電圧Vfeedbackが上昇し、制御
電庄Vcontと等しくなるまで続く。

【００２０】逆に、制御電庄Vcontよりもフィードバッ
ク電圧Vfeedbackの方が高電圧の場合は、この逆の方向
の動作が起こる。トランジスタ及び電荷リセット回路３
０はアナログ的に動作するので、制御電庄Vcontとフィ
ードバック電圧Vfeedbackが異なる場合は、その差に応
じて少しずつリセット電流が流れて、制御電庄Vcontと
フィードバック電圧Vfeedbackが一致するように収束し
ていく。その結果、出力電圧Voutは制御電圧Vcontに常
に比例する。

【００２１】（２）制御電圧Vcontを急激に低下させた
場合の出力応答時間 ここで、制御電圧Vcontを急激に低下させた場合の出力
電圧Voutの応答時間を考える。制御電圧Vcontが低下す
ると、結果としてトランスT１の出力電圧が小さくなる
が、高圧電源の出力電圧は、平滑コンデンサC３に蓄積
されているため電圧降下に時間がかかる。すなわち、も
しも電荷リセットトランジスタQ４がなかった場合、平
滑コンデンサC３の電荷は抵抗R４，R５及び出力端子２
０に接続された負荷にのみ流れる。負荷の抵抗値をRLと
すると、この場合の時定数τは τ＝C３・（R４＋R５）／／RL （／／は抵抗の並列を
表す） となる。式中のＣ３は容量値、R４，R５は抵抗値も表わ
すものとする。一般的に高圧電源の場合は、これらの抵
抗値は大きく設定されるので、時定数が大きくなり、出
力電圧が低下するまでに時間がかかるため、このままで
は電気泳動装置の高圧電源としては使用できない。

【００２２】そこで、電荷リセットトランジスタQ４が
設けられているので、出力を低下させるべき時は、平滑
コンデンサC３を短絡させることにより電荷を逃がし、
急速に出力電圧を低下させる。トランジスタQ４の制御
は、誤差アンプA１の出力を、マイナスゲインを持つア
ンプA２で反転した電圧（制御電圧Vcontがフィードバッ
ク電圧Vfeedbackより低いときに正になる）によって行
なう。

【００２３】（３）出力電流測定とスイッチトキャパシ
タ回路 この高電圧電源の出力電圧Voutを低電圧に設定したと
き、電気泳動チップの流路を流れた電流が、出力端子２
０からトランジスタＱ４を経て電流検出抵抗R６からア
ースへと流れる。出力電流の測定は、電流検出抵抗R６
（その抵抗値もR６と表示する）の電圧を、アンプＡ３
で増幅することで行なう。アンプＡ３のゲインをG、ア
ンプの出力電圧をVcurrent monitorとすると、出力電流
Ioutは、 Iout ＝Vcurrent monitor／（R６・G） となる。

【００２４】ここで、前述のリセットトランジスタQ４
のベース電流について考察する。単純にリセット動作を
行なうだけであれば、図中Ｐ，P’点を短絡すること
で、トランジスタQ４の制御が行なえるが、このとき、
トランジスタQ４のベース電流はトランジスタQ４から出
た後、電流検出抵抗R６を通ってアースに流れるため、
電流測定の誤差となる。電気泳動では、1μA以下の電流
を計測する必要があるが、トランジスタQ４のベース電
流の値は数百μA〜数mAというオーダーなので、電流測
定値はベース電流に埋もれ、電流測定は全く不可能とな
る。

【００２５】そこで、トランジスタQ４のベースをアン
プＡ２の出力と直結するのではなく、間にスイッチSW１
とコンデンサC４からなるスイッチトキャパシタ回路３
２を挿入する。スイッチSW１はコンデンサC４の一方の
電極をアンプＡ２に接続し、他方の電極を接地するＰ側
と、コンデンサC４の一方の電極をトランジスタQ４のベ
ースに接続し、他方の電極をトランジスタQ４のエミッ
タに接続するＰ’側との間で切り替えるように接続され
ている。そのスイッチSW１は、数百ＫＨｚ程度の高速な
クロック信号で、コンデンサC４をＰ側、P’側を交互に
切り替える。すなわち、スイッチSW１がＰ側のとき、コ
ンデンサC４にはアンプＡ２の出力が充電され、スイッ
チSW１がＰ’側のとき、コンデンサC4に充電された電荷
によりトランジスタQ４にベース電流が流れ、そのベー
ス電流はコンデンサＣ４に戻る。こうすることで、トラ
ンジスタQ４のベース電流は、抵抗R６を通らず、トラン
ジスタQ４のエミッタから直接コンデンサＣ４に回収す
ることができるので、電流計測誤差がなくなる。

【００２６】実施例では制御電圧Vcontに比例した出力
電圧Voutを得る構成として、誤差アンプ２４、発振回路
２６、トランスＴ１、整流回路２８を備えた一例を示し
ているが、各部の具体的な回路構成は実施例のものに限
らない。また、トランスを使用しないで昇圧するチョッ
パー式の昇圧回路などを使用することもできる。本発明
では、電荷リセット回路以外の部分については既知のい
かなる回路も使用できる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の高圧電源装置では、その出力部
にバイポーラトランジスタとスイッチトキャパシタ回路
とを備えて電荷を放出できる電荷リセット回路を設けた
ので、出力電圧を高速でオフにすることができ、立ち下
がり応答速度が高速になり、また比較的簡単な構成で実
現することができる。また、電流検出用抵抗が設けられ
ている場合には、その出力部のバイポーラトランジスタ
のベース電流をスイッチトキャパシタ回路のコンデンサ
に戻すように接続することにより、電流測定の誤差が増
加することを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の高圧電源装置を示す回路図である。

【図２】電気泳動チップの一例を高圧電源装置のブロッ
ク図とともに示す平面図である。

【符号の説明】

２ 電気泳動チップ ４，６ 泳動用キャピラリー溝（流路） １８−１〜１８−４ 高圧電源装置 ２０ 出力端子 ２２ 制御電圧入力端子 ２４ 誤差アンプ ２６ 発振回路 ２８ 整流回路 ３０ 電荷リセット回路 ３２ スイッチトキャパシタ回路 Ａ２ マイナスゲインをもつアンプ Ｃ４ コンデンサ Ｑ４ バイポーラトランジスタ Ｒ６ 電流検出抵抗 ＳＷ１ スイッチ Ｔ１ トランス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御電圧に比例した直流高圧電圧を発生
   させて電気泳動装置に印加する高圧電源装置において、 この高圧電源装置の出力部に電荷を放出できる電荷リセ
   ット回路を備え、かつこの電荷リセット回路は、この高
   圧電源装置の出力部に設けられてオンになったときその
   高圧電源装置の出力部の電荷を放出するバイポーラトラ
   ンジスタと、コンデンサ、及び前記制御電圧がこの高圧
   電源装置の出力を低下させるものであるときに所定の電
   位を発生させる端子にこのコンデンサを接続してこのコ
   ンデンサを充電する側と、このコンデンサを前記バイポ
   ーラトランジスタのベースに接続し、そのバイポーラト
   ランジスタを流れたベース電流をこのコンデンサに戻す
   ように接続する側との間で高速に繰り返し切り替えられ
   るスイッチを含んだスイッチトキャパシタ回路とを備え
   たものであることを特徴とする電気泳動用高圧電源装
   置。
2. 【請求項２】 前記バイポーラトランジスタと低電圧電
   源との間に電流検出用抵抗が設けられており、ベース電
   流を前記コンデンサに戻すための接続は、前記バイポー
   ラトランジスタと前記電流検出用抵抗との間でなされて
   いる請求項１に記載の電気泳動用高圧電源装置。