JP2002214194A - 電気泳動装置 - Google Patents
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Abstract
動流路下面から上面に励起光を照射して、分離された試
料に光を当て、蛍光を発生させてその蛍光を上面側で検
出していたため、検出時に励起光を影響を受けいたため
検知精度に問題があった。 【構成】透明部材を用いた平板内に形成された壁面平滑
度の良い流路に対して、励起光を流路底面あるいは上面
の方向から垂直に照射し、流路側面方向から試料の蛍光
発光を検知する手段、あるいは逆に励起光を流路側面方
向から照射し流路底面あるいは上面から蛍光発光を検知
することにより、背景光や迷光を少なくして検知精度の
良い電気泳動装置を提供する。
Description
プチド、アミノ酸、神経伝達物質、ホルモン、核酸等
や、環境、食品、薬品等に含まれる極微量物質の分析に
用いられる電気泳動装置に関する。
う従来技術として、「Ultra-high-speed DNA fragment
separations using microfabricated capillary array
electrophoresis chips」(A. T. Woolley et.al,Proc.
Natl.,1994,91,11348-11352)に記載のものがある。この
装置では、2枚の薄いガラス平板の貼り合せからなり、
一方のガラス平板上にはエッチングによって複数の分離
用の微細溝が形成されており、貼り合わせることで流路
を形成する。各流路は、試料を導入するための試料流路
と、それに交差する試料を分離するための分離流路から
成る。試料流路及び分離流路の端に溶液溜めとなる穴を
設けられている。これらの溶液溜めには電極が差し込ま
れる。
試料流路の両端の溶液溜めに差し込んだ電極に高電圧を
印加して、試料流路から分離流路との流路交差部に試料
を導入する。次に分離流路の両端の電極に電圧を印加
し、流路交差部分に存在する試料のみを分離流路側に切
り出して分離流路内を電気泳動させる。多成分で構成さ
れた混合溶液の試料では、成分毎に荷電状況や分離媒体
溶液との相互作用が異なることによって生じる電気泳動
速度の差を利用して分離が行われる。平板上方からレー
ザ光を流路に照射する。流路内の試料から励起された光
は同軸で平板上方に設置した検知器で検知される。
れており、レーザ光を走査することで、一度に多数の検
査を行うことができるとしている。
術においては、電気泳動基板に厚さ0.2〜0.3mm
程度の非常に薄いガラス平板が用いられている。このた
め、検出部における光の入射、出射は平板と垂直の方向
に限定されている。また、流路はフッ酸のエッチング加
工により形成される場合が多い。このため、流路底面は
平坦かつ平滑とは言えない状態であった。従って、通常
は平板上方から同方向で励起光照射と蛍光検出をしてい
る。このような光学系の制限から散乱光等の背景光や迷
光によるSN比が悪化したり、検知精度が低下する問題
があった。さらに、上記従来技術では一度に多数の検査
を行うために、同一平板上に流路を多数配列している
が、一つ一つの流路に対して順次レーザ光を走査して照
射する必要がある。このため、照射時間が短くなり、試
料を十分に励起できずに十分な検出感度が得られない場
合がある。また、リアルタイムの蛍光時間変化を検出す
ることができない等の問題がある。さらに、レーザを走
査させるためには可動式ミラーの設置、光学系の煩雑化
が必要となり、装置が高価、大型化するという課題も生
じる。そこで本発明の第1の目的は、背景光や迷光を少
なくして検知精度の良い電気泳動装置を提供することに
ある。また本発明の第2の目的は、多数の検体からの試
料の容易な高速分析を可能にする電気泳動装置を提供す
ることにある。
泳動分離用の流路が内部に形成された平板と、前記流路
の一部に設けられた検出部に対して励起光を照射する光
照射手段と、前記励起光によって発生する試料からの蛍
光を検出する蛍光検出手段とから成り、流路は矩形の断
面を有し、平板面と平行な上面および底面と左右の側壁
面とから成り、検出部の流路の底面に励起光を流路内へ
導入するための平滑な第1の入射窓と、第1の入射窓に
相対する基板表面に平滑な第2の入射窓と、第2の入射
窓の間に励起光伝送路を設け、流路の側面に平滑な第1
の出射窓と、第1の出射窓と相対する位置の平板の側面
に平滑な第2の出射窓と、前記第1の出射窓と前記第2
の出射窓の間に蛍光伝送路を設ける構成とすることによ
り達成される。
した平板を、複数枚、各流路が重なるように積層せし
め、1本の励起光が各平板の毛細流路を同時に貫通する
位置に光照射手段を設け、各平板の側面の出射窓の延長
位置に蛍光検出手段を設ける構成とすることで達成され
る。
泳動装置の流路基板の斜視図を示す。図1において、平
板10には、試料流路20と分離流路21及び、溶液溜
30、試料溜34等が形成されている。分離流路21の
途中には検出部が形成されている。検出部には励起光源
900からの光が入射しやすい様に流路下部に入射窓を
設けてある。流路側壁側には光が平板側方に出射しやす
い様に第1の平滑な出射窓5aと蛍光が平板内、外に漏
れることなく側方に伝送するための蛍光伝送路6bを形
成する共に、平板の外周側の伝送路出口部にも平滑な第
2の出射窓5bを設けてある。第2の出射窓の外側には
蛍光検知器910が設置される。
及び上部側の厚さを他の部分よりも薄くなるように構成
したものである。出射窓5aの部分は流路壁近くに空気
層が形成されて窓になっており、出射窓5bは他の側壁
部分より窪んだ形状としているものである。また、伝送
路も両側に空気層が形成された構成としてしてある。な
お、出射側に関しては分離流路等を形成する際に、ロッ
ドファイバー等を埋め込む構成としても良い。
料導入用の第1、第2電極71、72、試料分離用の第
3、第4電極73、74が挿入できるように構成されて
いる。また、検出部の入射窓と分離流路21間には励起
光集光レンズ41が設けられている。なお本図では流路
を形成した平板上方は開放されているが、実際には透明
平板からなる上蓋用の基板が設けてある。
め30に分離媒体溶液を注入し、試料流路20と分離流
路21の2つの流路を満たす。まず、試料溜め34に試
料を滴下したのち試料流路20の両端の第1、第2の電
極71、72に電圧を印加し、流路内に電界を形成させ
る。試料の先端が流路交差部21aを超える位置に到達
するまで電界を印加して、試料を電気泳動させる。次
に、分離流路21両端の第3、第4の電極73、74に
電圧を印加して流路交差部21a内に存在する試料を分
離流路21内に導入し、試料の分離を開始する。試料は
各成分毎に異なる電気泳動速度によって分離しながら、
検知部21bに到達する。検知部21bに対して、励起
光源900から励起光90を照射する。励起光90によ
って試料は蛍光91を発光し、蛍光出射窓5a、蛍光伝
送路6b、及び蛍光出射窓5bを通って検知器に入射す
る。励起光源としてはレーザあるは発光ダイオード、ハ
ロゲンランプ等いずれも利用可能である。検知器として
は、アレイ状に配置されたフォトセンサで一つ一つの流
路からの信号を得る方法や、冷却CCDカメラのように
画像素子全体で広い範囲の流路からの蛍光信号を取得す
る方法等、試料の種類や波長に合わせて選択すればよ
い。
し励起光を流路に入射するための入射窓を設けてある。
このため、散乱や光発光強度の減衰が発生しにくくな
り、流路壁面を通過しても励起光が散乱や光強度の減衰
を発生せずに、試料から効率的に蛍光を励起できる。ま
た、試料が発生した蛍光を側方に出射させるため、第1
の出射窓と、光伝送路、及び第2の出射窓を設けてあ
る。このため、流路側面での散乱や光発光強度の低下が
発生しない。検知器の受光面は装置の側面に設置してい
るので、検知にノイズとなる励起光が検知器に入射する
ことはなくなり、SN比は向上する。以上の効果によ
り、検知精度は向上する。
路を設けたが、平板全体を透明部材で構成しても良い。
透明部材で構成することで平板間の部材自体が光伝送路
の役割を持つ。
方法を説明する。図1の電気泳動基板は、図2に電気泳
動基板を形成するための型を示したものである。図2の
ように型は、毛細流路用の矩形凸型200、蛍光集光レ
ンズ、第1、第2の蛍光出射窓を形成するための凹型4
00を設けた第1のプレート110、および試料等の溶
液溜め形成用の凸型300を備えた第2のプレート12
0から成る。これらのプレートの形成方法としては、金
属を切削加工により形成する方法、また単結晶シリコン
板をエッチング加工により形成してもよい。さらに放電
加工により平板に凹凸を形成する方法も利用可能であ
る。X線リソグラフィにより深溝形状のレジストを形成
させ、それにニッケルをメッキした後、レジストを除去
し、出来上がったニッケルの構造体を型として用いても
良い。
るいはシリコンエラストマ−Polydimethylsiloxaneを塗
布し微細構造を転写する。転写した板材と、透明な平板
を貼り合わせることで内部に毛細流路を備えた電気泳動
用の平板ができる。
流路形状を示す。以上、型を用いることで、流路断面の
形状を、図3に示すように、ガラスのエッチング加工に
よる毛細流路のような曲線状ではなく、矩形にすること
ができる。また光入射窓、蛍光出射窓等の光学部品を一
体で形成することが可能となる。従って、励起光、蛍光
の曲がり、散乱等による光強度の減衰がなく高精度な分
析が達成される。
用する場合について説明する。露光とベーキング過程に
よるフォトリソグラフィ技術を適用して、感光性樹脂薄
膜による型を形成し、シリコンエラストマ−Polydimeth
ylsiloxaneを塗布し微細構造を転写して流路を形成する
方法がある。しかしながら、一般的には流路側面及び底
面の平滑度が良好ではなく光学検知には不十分である。
化を図ることで、感光性樹脂による型の側面の平滑度を
向上させる条件があることを見出した。
条件を示したグラフを示す。露光過程においてはステッ
パのような縮小露光装置を用いる。本条件を適用するこ
とにより、側面は良好な平滑度を有するレジスト構造体
を形成することができる。
に用い、転写によって形成したシリコンエラストマ−Po
lydimethylsiloxaneを部材とした流路および平板壁面の
光透過性を評価した。その結果、光の減衰や散乱がほと
んど発生しないことがわかった。従って、高精度な検知
が可能となる。
の実施例を示す。励起光90に対して分離流路21の下
面の平板内に励起光集光レンズ41を設置している。蛍
光91に対して、蛍光集光レンズ51、空間フィルター
52、グレーティング53を平板内に設置する。これら
の光学部分はエポキシ樹脂やPolydimethylsiloxaneのよ
うな転写性の良好な高分子材料を透明部材として用いて
平板に一体成形する。
部品を平板内に形成しているため、光学的アライメント
を不要とし、流路側面での散乱や光発光強度の低下が発
生しない。以上の効果により、検知精度は向上する。
の流路基板を示す。本実施例の本電気泳動基板で図1と
異なる点は、分離流路の屈曲を利用し試料の分離状態を
検出するようにしたものである。すなわち、基板の流れ
方向の側方に励起光源を設置し、基板の横方向から励起
光90を照射し、分離流路21側方から光を入射させ、
分離流路下方(又は上方)に蛍光を出射させて、分離流
路途中の複数個所で蛍光を検出するようにしたものであ
る。前記平板10内の分離流路21側面近傍には励起光
集光レンズ41、分離流路21下部には蛍光集光レンズ
51が設けられている。以上のような構成において、次
のように動作する。励起光90を平板10の側面から照
射したとき、分離流路21途中には照射点26a、26
b、26c、26dのように、励起光が照射される複数
の箇所が発生する。これらの照射点26からの蛍光発光
91a、91b、91c、91dを蛍光検知器910上
の検知部910a、910b、910c、910dで検
知する。励起光源900、蛍光検知器910には先の実
施例で示したものを用いればよい。本実施例では、励起
光90は蛍光検知器910には入射しないので迷光や背
景光を少なくできるため、検知精度は向上する。また、
試料によっては分離流路21の終端付近の照射点26d
付近において分離が完了する場合だけではなく、流路交
差部付近の照射点26aや照射点26bにおいて既に分
離が完了している場合がある。このとき本実施例の構成
によれば、各照射点の下の検知部910a等によって分
離が終了していることを検知することができ、分析の高
速化が可能である。
図7では、図1の電気泳動基板を多段に積層した構成と
したものである。すなわち、それぞれの平板10には、
試料流路20、分離流路21、溶液溜め30、試料溜め
34、励起光集光レンズ41、蛍光集光レンズ51、空
間フィルター52、グレーティング53が形成されてい
る。本実施例では3層のみを示したが、3層以上でも良
く、また2層でも良い。各平板10を積層して一体構成
とした流路組み1000を得る。励起光90は同時に全
ての平板内の分離流路21を照射する。3つの溶液溜め
30は全ての平板を貫通しもうけられている。最上部溶
液溜めから分離溶液を注入して、全ての平板内の試料流
路20と分離流路21内に分離媒体溶液を満たすこうせ
いとしている。各電極線72、73、74を挿入するた
め穴である。各層の平板10は、分離流路21方向にお
いて長さy1からy3、試料流路20方向において長さ
xの分を残して切り取られている。切り取られている部
分のxの長さは各層同じであり、長さxの分だけ蛍光9
1が平板内を進む長さが異なるので減衰及び散乱が少な
くなる。長さy1からy3にかけては順番に長くなって
おり、各層の試料溜め34は貫通穴ではなく各平板で独
立している。すなわち、試料溜めの位置をy方向に平板
毎にずらして形成している。なお試料流路20の長さは
どの平板と共同じ長さになるように形成してある。本構
成とすることによって、試料溜め34には試料の注入お
よび電極線71の差し込みが可能となっている。
示す。図8において、図7で示した平板を多数積層した
装置である平板組み1000を平板台1700上に設置
する。多数検体からの試料が溜められたウェル82が多
数配置されているタイタープレート81をオートサンプ
ラー2300に設置し、オートサンプラー2300のサ
ンプルノズル2400から各試料を平板組み1000の
試料溜め34内に滴下する。電極組み1100から電極
線を平板組み1000に挿入する。励起光源900から
励起光をミラー1800によって平板組み1000に垂
直方向に照射し、各平板内の分離流路からの蛍光を蛍光
検知器910にて検知する。
分離流路が重なるように積層することで、1本の励起光
が各平板の分離流路を同時に貫通させている。このた
め、励起光照射時間は長く、試料を十分に励起できる。
平板内に励起光集光レンズと蛍光集光レンズを形成して
いるので、試料を効率的に励起でき、蛍光の減衰や散乱
は発生しない。励起光照射と蛍光検知が同時なので、試
料のリアルタイムの蛍光時間変化を検出することができ
る。従って、良好な検出感度が得られる。以上の効果に
より、多数の検体からの試料を容易かつ高速、高精度に
分析することが可能となる。
例は、平板10内に複数の試料流路20と分離流路21
をマトリックス状に配置したものである。平板10内の
各々の分離流路21側面近傍には励起光集光レンズ41
が設けられ、対応する試料からの蛍光を平板外部に導出
するための蛍光集光レンズ51が設けられている。
0内の全ての試料流路20から全ての分離流路21への
電界の切替を同時に行い、試料の分離を同時に開始す
る。励起光源900から励起光90はハーフミラー列8
で光を分けられ、各励起光集光レンズ41を通過して平
板10の側面から分離流路21を照射する。試料からの
蛍光91は蛍光集光レンズ51を通過して蛍光検知器9
10上の検知部910eに入射する。
路を多数配置することで、1本の励起光が複数の流路を
同時に貫通させているので、励起光照射時間は長く、試
料を十分に励起できる。平板内に励起光集光レンズと蛍
光集光レンズを形成しているので、試料を効率的に励起
でき、蛍光の減衰や散乱は発生しない。励起光照射と蛍
光検知が同時なので、試料のリアルタイムの蛍光時間変
化を検出することができる。したがって、良好な検出感
度が得られる。以上の効果により、多数の検体からの試
料を容易かつ高速、高精度に分析することが可能とな
る。
された平板と、前記毛細流路の一部に設けられた検出部
位に対して励起光を照射する光照射手段と、前記励起光
によって発生する試料からの蛍光を検出する蛍光検出手
段とから成る電気泳動装置において、前記毛細流路は矩
形の断面を有し、平板面と平行な上面および底面と左右
の側壁面とから成り、前記毛細流路の底面において励起
光を流路内へ導入するための平滑な第1の入射窓と、第
1の入射窓に相対する位置の平板表面において励起光を
平板内に導入するための平滑な第2の入射窓と、第1の
入射窓と第2の入射窓の間に励起光伝送路を設け、また
前記毛細流路の側面において試料からの蛍光を出射する
ための平滑な第1の出射窓と、前記第1の出射窓と相対
する位置の平板の側面において蛍光を平板外に出射する
ための平滑な第2の出射窓と、前記第1の出射窓と前記
第2の出射窓の間に蛍光伝送路を設けることにより、背
景光や迷光を少なくして検知精度の良い電気泳動装置を
提供できる。
各毛細流路が重なるように積層せしめ、1本の励起光が
各平板の毛細流路を同時に貫通する位置に光照射手段を
設け、各平板の側面の出射窓の延長位置に蛍光検出手段
を設けることで、多数の検体からの試料の容易な高速分
析を可能にする電気泳動装置を提供できる。
ときの分離流路の断面図である。
示す図である。
72、73、74…電極線、30…溶液溜め、34…試
料溜め、4…励起光集光レンズ、5…蛍光集光レンズ、
90…励起光、91…蛍光、900…励起光源、910
…蛍光検知器
Claims (11)
- 【請求項1】電気泳動分離用の流路が内部に形成された
平板と、前記流路の一部に設けられた検出部位に対して
励起光を照射する光照射手段と、前記励起光によって発
生する試料からの蛍光を検出する蛍光検出手段とから成
る電気泳動装置において、 前記流路は矩形の断面を有し、平板面と略平行な上面お
よび底面と左右の側壁面とから成り、前記流路の底面に
平滑な第1の入射窓と、第1の入射窓に相対する位置の
平板表面において励起光を平板内に導入するための平滑
な第2の入射窓と、第1の入射窓と第2の入射窓の間に
励起光伝送路を設け、前記流路の側面において試料から
の蛍光を出射するための平滑な第1の出射窓と、前記第
1の出射窓と相対する位置の平板の側面において蛍光を
平板外に出射するための平滑な第2の出射窓と、前記第
1の出射窓と前記第2の出射窓の間に蛍光伝送路を設け
たことを特徴とする電気泳動装置。 - 【請求項2】電気泳動分離用の流路が内部に形成された
平板と、前記流路の一部に設けられた検出部位に対して
励起光を照射する光照射手段と、前記励起光によって発
生する試料からの蛍光を検出する蛍光検出手段とから成
る電気泳動装置において、 前記流路は矩形の断面を有し、平板面と平行な上面およ
び底面と左右の側壁面とから成り、前記毛細流路の側面
において励起光を流路内へ導入するための平滑な第1の
入射窓と、第1の入射窓に相対する位置の平板表面にお
いて励起光を平板内に導入するための平滑な第2の入射
窓と、第1の入射窓と第2の入射窓の間に励起光伝送路
を設け、前記流路の底面において試料からの蛍光を出射
するための平滑な第1の出射窓と、前記第1の出射窓と
相対する位置の平板の底面において蛍光を平板外に出射
するための平滑な第2の出射窓と、前記第1の出射窓と
前記第2の出射窓の間に蛍光伝送路を設けたことを特徴
とする電気泳動装置。 - 【請求項3】請求項1又は2記載のいづれか1項に記載
の電気泳動装置において、前記平板全体が透明部材で構
成され、前記透明部材が前記励起光伝送路および蛍光伝
送路を兼ねていることを特徴とする電気泳動装置。 - 【請求項4】請求項1乃至3のいづれか1項に記載の電
気泳動装置において、前記励起光伝送路と蛍光伝送路中
のいずれか、あるいは両方に集光手段を備えたことを特
徴とする電気泳動装置。 - 【請求項5】請求項1乃至3のいづれか1項に記載の電
気泳動装置において、前記蛍光伝送路中に分光手段を備
えたことを特徴とする電気泳動装置。 - 【請求項6】請求項1乃至3のいづれか1項に記載の電
気泳動装置において、前記蛍光伝送路中に空間フィルタ
ーを備えたことを特徴とする電気泳動装置。 - 【請求項7】請求項1乃至6のいづれか1項に記載の記
載の平板が、所定の位置に流路形成用の凸型構造および
光学手段形成用の凹型構造を備えた転写型板から一括転
写成形された第1の平板と、透明な第2の平板とを張り
合わせることで形成されることを特徴とする電気泳動装
置。 - 【請求項8】請求項7記載の電気泳動装置において、前
記転写型板上の凹凸構造体が、感光樹脂膜を光露光、現
像することに形成される微細凹凸構造体であるところの
電気泳動装置。 - 【請求項9】請求項7記載の電気泳動装置において、前
記第1の平板の部材が熱硬化性のシリコン樹脂で形成さ
れている電気泳動装置。 - 【請求項10】請求項1乃至9のいづれか1項に記載電
気泳動装置において、前記平板を、複数枚、各流路が重
なるように積層せしめ、1本の励起光が各平板の流路を
同時に貫通する位置に光照射手段を設け、各平板の側面
の出射窓の延長位置に蛍光検出手段を設けたことを特徴
とする電気泳動装置。 - 【請求項11】請求項1乃至9のいづれか1項記載の電
気泳動装置において、前記平板内において、複数の流路
を同一平面上に形成せしめ、1本の励起光が前記複数の
流路を同時に貫通する位置に光照射手段を設け、平板の
底面の出射窓の延長位置に蛍光検出手段を設けたことを
特徴とする電気泳動装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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