JP2004529368A - パルス電界ゲル電気泳動のchef装置室の電極内の電圧をクランプする回路 - Google Patents
パルス電界ゲル電気泳動のchef装置室の電極内の電圧をクランプする回路 Download PDFInfo
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Abstract
Description
【0001】
本発明は電気泳動に用いられる電気設備に関するものであって、特に、与える方向が交番する均一電界を生成するための外形クランプ電位の生成に関する。
【背景技術】
【0002】
電気泳動
電気泳動は電界内の差動移行により分子を分離する技術である。分子をゲル内に置き、電界を与えて強制的に移行させると分離することができる。負に帯電した分子は陽極に向かって移行し、正に帯電した分子は陰極に向かって移行する。これにより、分子は大きさに従ってゲル内で帯状に分離する。電界を生成するには、普通、直流電源に接続した2枚の並列電極を設ける。
【0003】
DNA分子は中性またはアルカリ性の緩衝剤に溶解させると負に帯電する。電界を与えるとDNA分子は細長くなり、その電荷/質量比は分子の大きさに無関係になる。かかる理由から、またDNA分子は蛇に似た動きでゲルの細孔を通って移行する(すなわち、爬行する)ので、20000塩基対より大きな分子は、分子ふるいにかけても、一定電界で電気泳動により分離することはできないとされている。
【0004】
パルス電界ゲル電気泳動
パルス電界ゲル電気泳動(PFGE)は1984年にSchwartzとCantorにより考案され(Cell, 37, pp 67-75, 1984; 米国特許第4,473,452号、1984年9月25日)、電気泳動により分離することが可能なDNA分子の範囲が広くなった。筆者はゲルの分離に関して、選択された幅の電気パルスを与え、与える方向を周期的に交番させることにより、20000塩基対より大きな未処理のDNA分子をアガロース・ゲル内で帯パターンに分離させることができた。電界を与える方向を変えることによりDNA分子の移行の向きは変わるが、この向きを変える継続時間は分子の大きさに依存する。この帯パターンは「電気泳動パターン」、「分子カリオタイプ」、「電気泳動カリオタイプ」などと呼ばれている。
【0005】
全てのパルス電界ゲル電気泳動装置は次のものを含む。
1. 付属品を含む電気泳動室、
2. 所望の強さとパルス幅で電界を交番させる適当な電子回路、
3. 電極に極性を与える方法。
【0006】
例えば、SchwartzとCantorが記述した装置(Cell, 37, pp 67-75, 1984; 米国特許第4,473,452号、1984年9月25日)や、CarleとOlsonが記述した装置(Carle G.F.,Olson M.V. Nucleic. Acid Res., 12, pp 5647-5664, 1984)などの初期のPFGE装置ではゲル内の電界の強さが均一でないので、このゲル内のDNA分子の軌道と移行速度はゲル内における位置に依存する。
【0007】
PFGE内の均一電界の生成
理論的には、或る間隔離して並列に置いた2枚の無限電極は均一電界を生成する。しかし、かかる電気泳動室の設計は実際的でない。有限電極を用いて分離ゲルで均一の強さの電界を得る方法が、Chuにより次のように提案されている(Chu G., Vollrath D., Davis R.W. Science, 234, pp 1582-1985, 1986)。
【0008】
1. 閉じた外形として正多角形(正方形、長方形、6辺形)を選択し、その辺上に電極の配列を置いて多角形の内部に均一の強さの電界を生成する。
2. 正多角形の一辺を仮想デカルト平面のX軸(y=0)と一致させる。
3. y=0 に置いた電極に0ボルトの電位を与える。
4. X軸から y=A の距離にある、正多角形の対向辺に置いた電極にV0ボルトの電位を与える。
5. 正多角形の他の辺上にX軸からyiの距離に置いた残りの電極に電位V(yi)を与える。ただし、V(yi)=V0*yi/A
6. これにより、正多角形内に生成される電位は、互いに距離Aだけ離れた2個の無限で並列の電極が生成する電位と同じである。
7. 2対の対向辺に置いた電極の極性を電気的に交換すると、合成電界の力線の間に或る角度が形成される。この角度をPFGE「向き変え角」と呼ぶ。
8. 2つの異なる辺の対の電極の間の極性を電気的に交換して得られる向き変え角は、4角形では90°、6辺形では60°または120°である。
【0009】
現在のPFGE装置では6辺形配列の電極構成が用いられている。この装置を外形クランプ均一電界(Contour Clamped Homogeneous Electric Field)すなわちCHEFと呼び、1986年にChuにより導入された(Chu G. Science 234, pp 1582-1585, December 16th, 1986)。
現在のCHEF装置の欠点の1つは、閉じた外形の電極が前に述べた正多角形に限定されることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
CHEF装置の電極内の電圧をクランプしてゲル内に均一の強さの電界を得る方法
これまで主として3つの方法が提案されているが、複雑で電子構成要素が多い。
1. 簡単な電圧分割器(Chu G., Vollrath D., Davis R.W. Science, 234, pp 1582-1585, 1986)。
2. プッシュプル構成内のトランジスタ対に関連する電圧分割器(Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990)。
3. CHEF装置の各電極に与える電圧の制御を改善するための演算増幅器の使用(Clark S.M., Lai E., Birren B.W., Hood L. Science 241, pp 1203-1205, 1988)。
【0011】
PFGE装置内の簡単な電圧分割器
CHEF電極内の電位をクランプする方法の1つは直列に接続する抵抗器のネットワークを用いることである。このネットワークはゼロとV0の間の電圧分割器を形成する。電圧分割器の2個の直列抵抗器の間の結合点をノードと呼び、各ノードに6辺形の1個の電極を接続する。
【0012】
y=0 と y=A(すなわち、6辺形の2つの対向辺)に置いた電極を電位0とV0とにそれぞれ接続する。他に2つの電極グループがあり、6辺形の2つの連続する辺の電極が各グループを形成する。これらの各電極は、この電極に与える電位を定義する電圧分割器のノードにそれぞれ接続する。与える電位は前のパラグラフで述べたようにして計算する。このため、6辺形の2つの異なる辺上にあるが低い方の電位の電極(y=0)から同じ距離yiにある2個の電極は同じ電圧値 V(yi)=V0*yi/A を持たなければならない。
【0013】
電界を与える方向を変えるため(これはPFGEで絶対必要である)、他の2つの異なる電極グループに電位差を与える。このためにはリレーとダイオードとを用いて、ゼロボルトとV0ボルトの極性を与えるべき電極を、電界切替え装置を介して電源の出力に接続する。
【0014】
しかし、一連の抵抗器を用いて電圧をクランプするのは不便である。抵抗器のネットワークと緩衝剤とが接触すると、後者はネットワークの抵抗器に並列に接続する新たな抵抗器として作用する。抵抗器から電極へまたその逆に流れる電流は各電極の電位を変えて電界の均一性に影響を与える。電圧の変化は緩衝液に流入または流出する電流の量に依存し、電流量は緩衝液の濃度、温度、量、pHにとりわけ依存する。この変化は緩衝剤の導電率に、したがって純粋の抵抗回路と交換する電流の大きさに、無作為に影響を与える(Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990)。電圧パターンのかかる無作為の変化は制御不可能なので、各実験で得られる電気泳動パターンの結果と再現性に別の形の影響を与える。
【0015】
一連の抵抗器を流れる電流が緩衝剤で循環する電流よりはるかに大きい場合はかかる変化は減少する(Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990)。しかし、この解決策は電力が不必要に浪費されるので、より高価な高電力の構成要素(特に抵抗器)を用いらざるを得ないという欠点を有する。
【0016】
プッシュプル構成内のトランジスタ対に関連する電圧分割器
抵抗器を用いた電圧分割器について上に説明した問題を解決するため、半導体構成要素で製作した電流源を用いることが提案された((Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990)。かかる電流源は、分割器の一連の抵抗器の対応するノードと各電極とを分離する。各ノードとその対応する電極との間に「プッシュプル」と呼ぶ構成の1対のトランジスタを置く。これは各電極に電流を流入させまた流出させて、緩衝液の導電率の変化に影響されずに分割器のノードの電圧を電極内で再現する。この装置は、PFGEで電界を与える2つの方向に該当する極性を電極に与えることはできるが、いくつかの限界を有する。
【0017】
1. 同じ電圧値 V(yi)=V0*yi/A で極性を与えるべき電極の対は異なるノードから電位を得るので、全ての必要な電極対の電圧が必ずしも等しくならない。
2. 高い方の電位の電極に近い電極は、接続するプッシュプルのNPN型トランジスタから電流を受ける。他方で、低い方の電位の電極に近い電極は、接続するプッシュプルのPNP型トランジスタに電流を与える。異なる極性のトランジスタが同時に活動化するので電圧のパターンに誤差を生じる。
3. 電界を与える2つの方向の中の1つの方向の電位パターンを決める抵抗器と、他の方向の電位パターンを決める抵抗器とは同じである。そのため、各電界で電位パターンを独立に調整することができない。2つの方向の一方になんらかの変化を与えようとすると、他の方向にも必ず影響を与える。
【0018】
4. この回路はプッシュプル構成内に、CHEF室の電極と同じ数のトランジスタ対を有する。プッシュプル構成内のトランジスタ対は並列に接続する。トランジスタが壊れると、壊れた対がどれかを決定するのは困難である。
5. プッシュプル構成内のトランジスタ対の中で、一方のトランジスタは常に活動状態にあり、他方のトランジスタは非活動状態にある。これは、いつでも半分のトランジスタが非活動状態にあることを意味する。しかしかかるトランジスタを回路から除くことはできない。なぜなら、電界が逆方向に与えられると、いくつかの対の活動状態のトランジスタが変わるからである。したがって、プッシュプル構成内のトランジスタ対に接続する電圧分割器ネットワークは効率がわるい。なぜなら、各電界で非活動状態のトランジスタの総数がトランジスタの全数に比べて多過ぎるからである。
6. 全てのトランジスタ対は電流を制限する構成要素なしに電源に接続する。トランジスタが1個でも故障すると、電源の正出力と負出力とが短絡する。したがってこの回路は安全でない。
【0019】
CHEF装置の各電極に与える電圧の制御を改善するための演算増幅器の使用
他の一層複雑な装置は、室の6辺形配列の各電極に与える電位を個々に制御するために演算増幅器を用いる(米国特許第5,084,157号)。かかる装置は電界を与える2つの方向の間の角度を変えることはできるが、構造でも動作でも、装置の電子回路はますます複雑になる。また、電位を制御する構成要素と電力構成要素とを適切に絶縁することができない。ディジタル変換が必要であるが、そのために複雑さが増し、設備のコストが高くなる。
【0020】
他方で、Riveron and cols.(キューバ特許、出願番号第2000−306号)は、PFGE内に再現可能な帯パターンを確実に得るには電気泳動室内の電界の強さを均一にすることが必要であることを示した。彼らは、与えた電界を均一にすることができるのは、閉じた外形内の電極に正しい極性を与えるための装置を有することの他に、緩衝剤とゲルの電気抵抗を均一にした場合だけであると結論した。電気抵抗は次のように表される。
R=(1/σ)*(d/A)
ただし、σは電解液の導電率、dは逆極性の電極の間の距離、Aは電流が流れる断面積である。
【0021】
全室内の電気抵抗を均一にするには、緩衝剤表面に乱流が存在しないことと、電流が流れる断面積を部分的にまたは全面的に変えるような変形もメニスカスもゲル内にないことが必要であると考えられる。
したがって、電極に極性を与えるための非常に複雑な電子回路を有していても、PFGE装置が緩衝剤の電気抵抗を均一にできない場合は確実な帯パターンと再現可能な実験を保証することはできない。室が小さい場合はこの状態は一層厳しくなる。
【課題を解決するための手段】
【0022】
(発明の詳細な説明)
本発明が提案する回路を適切に説明するには基準システムを定義する必要がある。
基準システム
(CHEF装置のPFGE室の)外形の閉じた電極として、正多角形のm個の辺上に置いた複数の電極のグループを考える。ただし、mは偶数である。この基準システム(図1)ではL1辺を随意に定義して、デカルト平面のX軸上に置く。対向辺(L(m/2)+1と呼ぶ)はX軸から距離Aのところにある。これにより、正多角形の残りの辺はL1辺とL(m/2)+1辺の両側に対称的に分布する。L1辺とL(m/2)+1辺の左側にある正多角形の辺をC辺と呼び、右側にある辺をD辺と呼ぶ。
【0023】
各辺上にk個の電極を置く。ただし、kは1と10との間の自然数である。X軸上にある座標 y0=0 のL1辺上にk個の電極を置く。またX軸から距離Aのところにある座標 yn+1=A の辺L(m/2)+1上にもk個の電極を置く。
【0024】
C辺とD辺にある全ての電極をE1C,E2C,..,EnCとE1D,E2D,...,EnDと呼ぶ。ただし、nは k*(m−2)/2 である。電極は、C辺とD辺について、L1辺から始まってL(m/2)+1辺に達するまで、電極E1C,E2C,..,EnCと電極E1D,E2D,...,EnDのように名づける。2個の電極EiCとEiDとはX軸から同じ距離yiにある。ただし、iは1とnとの間の自然数である。([E1C−E1D],[E2C−E2D],...,[EnC−EnD])をPi個の電極対と呼ぶ。
【0025】
閉じた外形の電極内で電界を均一にする本発明の回路
回路を説明するため、まず前に説明した基準システムを用いて均一電界を作る方法について述べる。電気泳動中は、電源から得られる0ボルトとV0ボルトの所定の電圧で全ての電極を以下のように付勢すると仮定する。
1. L1辺上に置いたk電極に0ボルトを与える。
2. 対向するL(m/2)+1辺上に置いたk個の電極にV0ボルトを与える。
【0026】
しかし、L1辺とL(m/2)+1辺上に置いた電極に電位差を与えたとき、PFGE室内の電界の強さは室の全ての場所で均一ではない。これは、Pi個の電極対内に、距離yiに比例しない電圧が現れることを意味する。したがって、電気泳動室内全体の電界が均一になるような電圧値を残りの電極に与えなければならない。すなわち、Pi個の電極対に電圧 Vi=V0*yi/A を与える。
【0027】
これにより、閉じた外形の電極は決定された印加の方向に均一電界を生成するように極性が与えられる。同じ考え方が、大きさは同じだが力線の方向が他方の均一電界を生成するのにも適用できる。必要なのは、正多角形の他方の辺をL1と定義することだけである。
【0028】
本発明は、PFGEの両電界を2つの同一のクランピング回路で付勢することが可能であることを示す。かかるクランピング回路を、電界を交番させる既存の回路(すなわち交流機)の正出力と負出力との間に同時にはクランプ回路の1つだけが電気エネルギを得るようにして接続する。
【0029】
これらの各回路は電極内に、CHEF装置室内の1つの印加方向に均一の強さの電界を生成する電圧を与える。電界を与える2方向の一方での回路接続は次の方法で行う。
1. 交流機の負出力の1つをL1辺(X軸上に置いた辺)上にあるk個の全ての電極にダイオードを介して接続する。交流機のこの負出力に対応する正出力をL(m/2)+1辺上にあるk個の電極(すなわち、X軸から距離Aのところに置いた辺上にある電極)にダイオードを介して接続する。
2. 交流機の負出力とL1辺のk個の電極との間を、ダイオードを介して次のようにして接続する。
a) 正多角形のL1辺の各電極をダイオードのアノードに接続する。
b) かかるダイオード(電極毎に1つ)の全てのカソード同士を結合して第2のダイオードのアノードに接続する。
c) この第2のダイオードのカソードを交流機の負出力に接続する。
【0030】
3. 交流機の正出力とL(m/2)+1辺のk個の電極との間を、ダイオードを介して次のようにして接続する。
a) 正多角形のL(m/2)+1辺の各電極をダイオードのカソードに接続する。
b) かかるダイオード(電極毎に1つ)の全てのアノード同士を結合して第2のダイオードのカソードに接続する。
c) この第2のダイオードのアノードを交流機の正出力に接続する。
4. n+1個の抵抗器Riと可変数のダイオードとで形成する電圧分割器の両端を、やはり交流機の負出力と正出力とに接続する。これにより、全電圧(V0−0)は、X軸から各Pi電極対(EiC−EiD)までの距離yiに比例する値に分割される。
5. 電圧分割器のRi抵抗器とRi+1抵抗器との間に形成される各Niノードを電圧リピータの入力に接続する。各電圧リピータの出力はPi個の電極対の1つに接続する。電圧リピータは2つの機能を有する。1つはNiノードからの入力の電圧をその出力(Pi電極対)に再現することである。もう1つの機能は、PFGE中に緩衝剤の導電率の変化に抗してこの電圧を一定に保持することである。
【0031】
電圧リピータには2種類ある。
1. iが[(n/2)+1]とnの間の自然数のときに分割器のNiノードとPi電極対との間に接続する電圧リピータ。この電圧リピータは次の回路構成要素で形成する。すなわち、
1個のNPN型トランジスタで、そのベースは電圧分割器のNiノードに接続し、そのコレクタは交流機の正出力に接続し、そのエミッタは2個のダイオードのアノードに接続し、各ダイオードのカソードは前に述べたPi電極対の電極に接続する。
2. iが1とn/2との間の自然数のときに分割器のNiノードとPi電極対との間に接続する電圧リピータ。この電圧リピータは次の回路構成要素で形成する。すなわち、
1個のPNP型トランジスタで、そのベースは電圧分割器のNiノードに接続し、そのコレクタは交流機の負出力に接続し、そのエミッタは2個のダイオードのカソードに接続し、各ダイオードのアノードは前に述べたPi電極対の電極に接続する。
【0032】
各Ri抵抗器の値は、各Pi電極対の電圧が正多角形のL1辺上に置いた電極からの距離に比例するように選ぶ。
他の回路はこれと同一であるが、Ei個の電極に接続する方法が異なる。生成される電界の力線の間の望ましい角度に従って、多角形の別の辺をL1辺と再定義し、基準システムを必要な角度回転して、新しいL1辺がX軸にあるようにする。C辺とD辺、Ei個の電極、Pi個の電極対をL1辺から始まって再定義する。
【0033】
これまでの考察から、各回路のPi個の電極対は異なると考えられる。このためにダイオードが必要であり、電極対を電圧リピータのトランジスタのエミッタに直接接続することはできない。電極対の2個の電極をダイオードにより結合することができるので、その電圧リピータが活動状態のときに両電極は同じ電位を有することができる。なぜなら、その方向に電界が与えられるからである。電界を他の方向に設定すると、昔のPi個の電極対を結合するダイオードは直列のままだが極性は逆である。これにより、この時点で異なる電位の電極を結合する昔の電極対の間の回路分岐の少なくとも1個のダイオードは逆極性が与えられる。回路分岐は非常に高い電気抵抗を有し、その分岐の電極は電気的に絶縁される。
【0034】
緩衝剤の導電率の変化が分割器の各Niノードの電位に与える影響は、電圧がそのノード電圧に等しくなるまでその電極に電流を流入または流出させることにより減少する。「エミッタ・フォロア」構成内のトランジスタが電流源として用いられる。負出力に近い方にある電極対は常に緩衝剤から電流を流出させなければならない。なぜなら、その電位は対応する基準ノードの電位より高くなる傾向があるからである。このため、この電流を電源の負出力の方に出すPNP型トランジスタを用いる。正出力に近い方にある電極対は常に緩衝剤に電流を流入させなければならない。なぜなら、その電位は対応するノードの電位より低くなる傾向があるからである。このため、電流を電源の正出力から取るNPN型トランジスタを用いる。このようにして、基準ノードの電位は余り影響を受けない。
【0035】
電気泳動中に緩衝剤の温度、濃度、pH、高さなどは変化する。かかる外乱は電極の電圧パターンを変えようとする。かかる影響を打ち消すのに必要な電流もトランジスタが管理する。
各電極対の電位はその基準電位に近いが、少し異なる。その差は電極対に関連するトランジスタのベース・エミッタとダイオードの電圧降下に起因する。この電圧降下はシリコン半導体構成要素のPN接合の特性であり、約0.7ボルトに近い。
【0036】
分割器の中心でトランジスタとダイオードの極性の変化が起こると電圧パターンに誤差を生じる。この誤差は、電圧分割器の中心抵抗器に直列にダイオードを挿入することにより補償することができる。これにより基準ノードの電位は、各対のトランジスタとダイオード内の電圧降下の影響に対して大きさは同じだが逆方向に修正される。
【0037】
最後に、L1辺とL(m/2)+1辺上にあって交流機の負出力と正出力とに接続する電極に極性を与えるダイオードに直列にダイオードを挿入する必要がある。これは、交流機の出力と各電極との間の経路内の電圧降下(正方向に極性を与えられたPN接合により起こる)の数を均質化するのに必要である。かかる経路はC辺とD辺にある電極において2つのPN接合を有する。
したがって本発明が提案する回路は、別の適当な電子回路を介して電源に接続して所望の強さとパルス幅で電界を交番させる2つの同一の部分から成る。
【0038】
実施例
以下に回路の例を示すが、これは単なる例であって、決して本発明の範囲を制限するものではない。
【実施例1】
【0039】
例1: 18個の電極を持つ6辺形の室の電極に極性を与える回路
電極の配列
図2に、各辺当たり3個の電極を持つ正6辺形上に置いた電極のグループ101から118を示す。電界を1つの方向(Aと呼ぶ)に与えるときは、電極101、102、103(A+グループと呼ぶ)に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極110、111、112(A−グループと呼ぶ)には0ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する(表I)。同じ対の各電極には、各対からA−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【0040】
電界を別の方向(Bと呼ぶ)に与えるときは、電極113,114,115(B+グループと呼ぶ)に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極104,105,106(B−グループと呼ぶ)には0ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する(表I)。同じ対の各電極には、各対からB−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【0041】
この特定の電極配列では、2個の連続する電極の間の距離「dist」は同じである。しかし、電極対118-104とA+グループの電極との間の距離は半分、すなわち、dist/2である。113−109、116−112、103−107の対とA−、B+、B−グループの電極とに関してもそれぞれ同じである。
【0042】
【表1】
各行は、図1と同様な電極配置を持つ室内でAとBの2つの印加方向に均一電界を生成するために同じ電圧の極性を与えなければならない電極の番号を示す。
【0043】
辺当たり3個の電極を持つこのCHEF室内に基準電位を生成するには直列に接続する7個の抵抗器201と202が必要である(図3)。抵抗器201の値は同じであり、抵抗器202はその半分の値を有する。抵抗器201および202のはしごは、スイッチまたは交流機を介して電源の正(+)出力と負(−)出力との間に接続する。この電圧分割器はノード203および204に現れる基準電位を生成する。
【0044】
電圧リピータ205および206は基準ノード203および204から電圧を取り、A方向とB方向に該当する極性を電極に与える。
電圧リピータ205および206の詳細を図4に示す。NPN型トランジスタ301のベースはノード203に接続する。トランジスタ301のコレクタはスイッチを介して正出力(+)に接続する。トランジスタ301のエミッタは2個のダイオード302のアノードに接続する。ダイオード302のカソードは、その電位がその特定のノード203に対応する電極に接続する。
【0045】
PNP型トランジスタ303のベースはノード204に接続する。トランジスタ303のコレクタはスイッチを介して負出力(−)に接続する。トランジスタ303のエミッタは2個のダイオード304のカソードに接続し、ダイオード304のアノードは、その電位がその特定のノード204に対応する電極に接続する。
【0046】
表1は、NPN型トランジスタ(電圧リピータ204)とPNP型トランジスタ(電圧リピータ205)により極性を与えられる電極を示す。
A+グループとB+グループの電極(図5)はアノード同士を接続したダイオード401のカソードに接続する。ダイオード401のアノードは別のダイオード402のカソードに接続する。ダイオード402のアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。
【0047】
A−グループとB−グループの電極はカソード同士を接続したダイオード403のアノードに接続する。ダイオード403のカソードは別のダイオード404のアノードに接続する。ダイオード404のカソードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。ダイオード402および404により、A+,A−,B+,B−グループの電極に極性を与える分岐は配列の残りの電極と同じ電圧降下(PN接合により生じる)を持つことができる。
ダイオード207(図3)はトランジスタとダイオードの極性変化により生じる電圧パターンの誤差を補償する。
【0048】
表IIは、理論電圧とCHEF室の電極内での測定電圧とを示す。電極は図2と同様に6辺形状の辺上に置いた。対向辺の間の距離は11.6cmであった。20℃のとき、225mlの緩衝液TBE0.5x(TBE1x:トリス(Tris)89mM、ホウ酸89mM、EDTA2mM、pH8.4)で室を満たした。電圧は前に説明した回路と同様の回路で生成した。用いた抵抗器は470.0オームで、抵抗器202の値を半分にするために2個のトランジスタを並列に置いた。MJE340およびMJE350トランジスタと1N4007ダイオードとを用いた。エネルギは「マクロドライブI」電源から取り、A方向とB方向の正(+)出力と負(−)出力との間が一定電圧120.0ボルトになるように調整した。
【表2】
図2に従う電極番号は太文字で示す。
【0049】
理論電圧は、シリコン半導体構成要素の各PN接合(ダイオードとトランジスタのベース・エミッタとの)の代表的な電圧降下が0.7ボルトであることを考慮して計算した。計算では、トランジスタはベース電流がゼロの理想的な構成要素として考えた。
【実施例2】
【0050】
例2. 均一に分布していない36個の電極を持つ6辺形の室の点電極に極性を与える回路
図6は、各辺当たり6個の電極を持つ正6辺形上に置いた点電極のグループ501から536を示す。電界を1つの方向(Aと呼ぶ)に与えるときは、電極501から506(A+グループと呼ぶ)に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極519から524(A−グループと呼ぶ)には0ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する(表III)。同じ対の各電極には、各対からA−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【0051】
電界を別の方向(Bと呼ぶ)に与えるときは、電極525−530(B+グループと呼ぶ)に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極507−512(B−グループと呼ぶ)には0ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する(表III)。同じ対の各電極には、各対からB−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
この場合、2個の連続する電極の間の距離は同じではない。例えば、電極501と502との間の距離は、電極502と503との間の距離とは異なる。
【0052】
辺当たり6個の電極を持つこのCHEF室内の基準電位を生成するには直列に接続する13個の抵抗器601,602,603が必要である(図7)。抵抗器601,602,603の抵抗値は、A方向とB方向毎に各電極の電位が各電極とA−およびB−グループの電極との間の距離にそれぞれ比例するように選択しなければならない。この場合、抵抗器601は348オーム、抵抗器602は470オーム、抵抗器603は235オームである。抵抗器601,602,603の連鎖はスイッチを介して電源の正(+)電位と負(−)電位とに接続する。この電圧分割器はノード604および605に現れる基準電位を生成する。電圧リピータ606および607は基準ノード604および605から電圧を取り、A方向とB方向に該当する極性を電極に与える。電圧リピータ606および607は電圧リピータ205および206(図3)と同じものである。ダイオード608を抵抗器に直列に挿入し、電圧リピータ606および607内の活動状態のトランジスタの極性変化により生じる電圧パターンの誤差を訂正する。
【0053】
A+,A−,B+,B−グループの電極に極性を与えるために、例1に示したものと同様の回路にダイオードを用いる(図8)。この場合は、A+およびA−グループの電極に極性を与えるのに6個のダイオード701および703を用いる。なぜなら、この特定の電極配列は各辺当たり6個のダイオードを持つからである。ダイオード702および704の機能は例1の場合と同様で、全ての電極の電位は同数の電圧降下により影響される。
【0054】
【表3】
各行は、AとBの2つの印加方向に均一電界を生成するために同じ電位の極性を与えなければならない電極の番号と電圧とを示す。第1列は各電極対に対応する理論電位を示す。図6に従う電極番号は太活字で示す。理論電圧は例1と同じ考え方で計算した。
【0055】
表IIIは、理論電圧とCHEF室の電極内で測定した電圧とを示す。電極は図6のような6辺形の辺上に置いた。対向辺の間の距離は11.6cmであった。20℃のとき、225mlの緩衝液TBE0.5x(TBE1x:トリス89mM、ホウ酸89mM、EDTA2mM、pH8.4)で室を満たした。電圧は前に説明した回路と同様の回路で生成した。エネルギは「マクロドライブI」電源から得た。その出力は、A方向とB方向の正(+)出力と負(−)出力との間が一定電圧120.2ボルトになるように調整した。
【0056】
上に示した例は、本発明の単なる例であってその範囲を制限するものではない。種々の大きさ、形、数、分布の電極を持つ室の電極に、ここに示した回路と同様の回路で極性を与えることができる。これは、回路構成要素(トランジスタ、ダイオード、抵抗器の数と抵抗器の抵抗値)を変えるだけで行うことが可能で、本発明の範囲に含まれる。
【0057】
(提案の利点)
1) 種々の形、大きさ,数,分布の電極を持つCHEF型の室の電極に正しい極性を与える。
2) 回路は従来技術の電圧クランピング装置より簡単であるが、電極内に生成される電圧パターンの精度は従来技術の装置により生成されるものと同等以上である。
3) 用いる電源の正出力と負出力との短絡は起こり得ない。
4) 同じ理論的等電位線内にある電極対を等しく極性化することができる。
5) 電界を2方向に生成する回路は独立である。
6) 用いるトランジスタの数は従来技術の装置より少なくとも3倍少ない。
7) 回路は低コストで、修理や保全が容易である。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】本発明の回路により極性を与えることが可能なCHEF装置のPFGE室内の電極の分布を説明するのに用いる基準システムを示す図。電極はm辺の正多角形上に置かれる。ただし、mは4と50tの間の偶数である。k個の電極を多角形の各辺上に置く。ただし、kは1と10との間の自然数である。多角形の一辺(L1と呼ぶ)をデカルト平面のX軸と一致させる。多角形の対向辺(L(m/2)+1と呼ぶ)はX軸から y=A の距離にある。L1辺とL(m/2)+1辺の左側はC辺、右側はD辺である。
【図2】6辺形のCHEF室に含まれる18個の電極の分布の略図。シンボルA+およびA−は、電界をその方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する(交流機回路を介して)電極を示す。シンボルB+およびB−は、電界をB方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する(交流機回路を介して)電極を示す。
【図3】電源出力に接続する(交流機回路を介して)ダイオードと抵抗器とで形成する電圧分割器を示す図。この回路は18個の電極を持つ6辺形のCHEF室の電極の一部に極性を与える電圧を生成する。電圧リピータは抵抗器の間に形成されるノードに接続する。
【図4】電圧リピータを示す図。トランジスタのベースは電圧分割器のノードに接続し、エミッタは2個のダイオードに接続し、ダイオードは同じ電位の極性を与えるべき1対の電極に接続する。上側に示すのはNPNトランジスタを持つ電圧リピータで、NPNトランジスタのコレクタは電源の正出力に接続する(交流機回路を介して)。下側に示すのはPNPトランジスタを持つ電圧リピータで、PNPトランジスタのコレクタは電源の負出力に接続する(交流機回路を介して)。
【図5】左側は18個の電極を持つ6辺形モデルのCHEF室内のA+またはB+グループの電極に極性を与える回路を示す図。上部のダイオードのアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。右側は18個の電極を持つ6辺形モデルのCHEF室内のA−またはB−グループの電極に極性を与える回路を示す図。下部のダイオードのカソードはスイッチを介して電源の負出力に接続する。
【図6】6辺形のCHEF室に含まれる36個の電極の分布の略図。シンボルA+およびA−は、電界をその方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する(交流機回路を介して)電極を示す。シンボルB+およびB−は、電界をB方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する(交流機回路を介して)電極を示す。
【図7】電源出力に接続する(交流機回路を介して)ダイオードと抵抗器とで形成する電圧分割器を示す図。この回路は36個の電極を持つ6辺形のCHEF室の電極の一部に極性を与える電圧を生成する。電圧リピータは抵抗器の間に形成されるノードに接続する。
【図8】上側は36個の電極を持つ6辺形モデルのCHEF室内のA+またはB+グループの電極に極性を与える回路を示す図。回路の上部のダイオードのアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。下側は36個の電極を持つ6辺形モデルのCHEF室内のA−またはB−グループの電極に極性を与える回路を示す図。回路の下部のダイオードのカソードはスイッチを介して電源の負出力に接続する。
Claims (12)
- 電源を必要とするパルス電界ゲル電気泳動のCHEF装置室の電極内の電圧をクランプする回路であって、別の回路は2つの正出力と2つの負出力とを持つ電界切替え回路または交流機であり、電気泳動室は緩衝液で満たされまた外形の閉じた正多角形のm個の辺上に辺当たりk個の電極を置いた電極配列を持ち、回路は前記交流機に接続する2つの同一の回路で形成され、同時には1つのクランピング回路だけが電気エネルギを受けることができる、電圧をクランプする回路。
- 前記交流機の負出力の1つをダイオードを介してL1辺上の前記k個の電極全てに接続し、前記交流機の負出力に対応する正出力をダイオードを介してL(m/2)+1辺上の前記k個の電極全てに接続し、またnがk(m−2)/2に等しいとき、前記交流機の正出力と負出力との間にn+1個の抵抗器Riと可変数のダイオードで形成する電圧分割器の両端を接続する、第1のクランピング回路を有する、請求項1記載の電圧をクランプする回路。
- 前記正多角形のL1辺上の各電極はダイオードのアノードに接続し、これらのダイオードのカソード同士は結合されて第2のダイオードのアノードに接続し、この第2のダイオードのカソードは前記交流機の負出力に接続する、請求項1および2記載の電圧をクランプする回路。
- 前記正多角形のL(m/2)+1辺上の各電極はダイオードのカソードに接続し、これらのダイオードのアノード同士は結合されて第2のダイオードのカソードに接続し、この第2のダイオードのアノードは前記交流機の正出力に接続する、請求項1および2記載の電圧をクランプする回路。
- iが1とn/2の間の自然数であるとき、前記電圧分割器のRi抵抗器とRi+1抵抗器の間に形成される各NiノードはPNP型またはNPN型トランジスタを有する電圧リピータの入力に接続し、各電圧リピータの出力はPi個の電極対の1つに接続する、請求項1および2記載の電圧をクランプする回路。
- iが1とn/2との間の自然数であるとき、PNP型トランジスタを含む前記電圧リピータの入力はNi個のノードに接続し、その出力はPi個の電極対に接続する、請求項1、2、5記載の電圧をクランプする回路。
- iが1とn/2との間の自然数であるとき、前記PNP型トランジスタはエミッタ・フォロアとして形成され、そのベースは前記電極分割器のNiノードに接続し、そのコレクタは前記交流機の負出力に接続し、そのエミッタは2個のダイオードのカソードに接続し、前記2個のダイオードの各アノードはPi電極対の電極に接続する、請求項1、2、5、6記載の電圧をクランプする回路。
- iが[(n/2)+1]とnとの間の自然数であるとき、NPNトランジスタを含む前記電極リピータの入力は前記Niノードに接続し、その出力は前記Pi電極対に接続する、請求項1、2、5記載の電圧をクランプする回路。
- iが[(n/2)+1]とnとの間の自然数であるとき、前記NPN型トランジスタはエミッタ・フォロアとして形成され、そのベースは前記電極分割器のNiノードに接続し、そのコレクタは前記交流機の正出力に接続し、そのエミッタは2個のダイオードのアノードに接続し、前記2個のダイオードの各カソードはPi電極対の電極に接続する、請求項1、2、5、8記載の電圧をクランプする回路。
- 最大10個のダイオードを前記電圧分割器のRi個の抵抗器のそれぞれに直列に接続することができる、請求項1記載の電圧をクランプする回路。
- mが4と50との間の偶数の自然数、kが1と10との間の自然数であるとき、外形の閉じた正多角形のm個の辺上に辺当たりk個の電極を置いた電極配列を持つ電気泳動室を必要とする、請求項1記載の電圧をクランプする回路。
- 第2の印加回路は前記電圧リピータのダイオードを介して第1の印加回路に接続する、請求項1記載の電圧をクランプする回路。
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