JP2007040812A - Capillary electrophoretic device - Google Patents

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JP2007040812A
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Tsuyoshi Sonehara
剛志 曽根原
Takashi Anazawa
隆 穴沢
Tomoyuki Sakai
友幸 坂井
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Hitachi High Tech Corp
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Hitachi High Tech Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein intensity gets insufficient as excitation light for fluorescence detection, when irradiating a migration path with light from a light emitting diode. <P>SOLUTION: The plurality of light emitting diodes is pulse-driven while shifting timing, the lights therefrom are converged in the one migration path by a lens. Alternatively, the lights from the plurality of light emitting diodes are emitted to the migration path to detect fluorescence emitted from a sample in the vicinity of a sample elution end in the migration path. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、蛍光標識されたDNAなどの生体分子を含む試料を,細い泳動路中に導入して電気泳動的に分離し,これらの分子に光を照射して蛍光を励起することにより検出する分析装置に関する。   In the present invention, a sample containing biomolecules such as fluorescently labeled DNA is introduced into a thin migration path, electrophoretically separated, and these molecules are detected by irradiating light to excite fluorescence. The present invention relates to an analyzer.

電気泳動は生体分子を分離するための基本的手段の一つである。DNAやタンパク質の電気泳動的分離においては,板状のゲルが分離媒体として永く用いられていたが,近年は内径数10μm〜100μmの細管状の泳動路に充填された分離媒質が分離媒体として多用されるようになった。前者の媒体を用いる方法をスラブゲル電気泳動(SGE),後者の媒体を用いる方法をキャピラリー電気泳動(CE)と呼ぶ。CEでは,いわゆるチューブ状の毛細管のほか,細い流路を形成した基板などが分離媒質の支持体として使用される。後者の支持体を用いる電気泳動をマイクロチップ電気泳動と呼ぶ場合もあるが,本明細書では特に区別せずCEに含める。電気泳動では一般に大きい電界強度を用いるほど高速に分離できる。しかし大きすぎる電界強度は,発生するジュール熱により分離性能を低下させる。CEでは分離単体の断面積がSGEより小さいため,同一の電界強度ならジュール熱を低く押えることができる。結果としてCEではSGEにおけるよりも高い電界強度を分離低下を伴うことなく使用することができる。すなわちCEはSGEより高速な分離が可能である。一方,CEにおいては分離媒体の断面方向の寸法(測光的検出法を用いた場合の光路長)がSGEよりも小さいので,吸光度測定(absorptiometry)では良好な感度を得ることができない。そのため,DNAの塩基配列決定など,高い検出感度が要求される用途では,吸光度測定より高感度な蛍光測定に基づく検出が使用される。蛍光測定に基づくCEは高速分離と高感度検出を両立できるため,DNA分析の主流技術となっている。
蛍光検出に基づくCEとしては様々な報告例がある(例えば特許文献1及び非特許文献1,2)。特許文献1ではチューブ状の毛細管中でDNAを電気泳動的に分離し,アルゴンイオンレーザから出力されるビームを照射して蛍光を励起することにより検出している。非特許文献1,2では,発光ダイオード(Light-emitting diode, LED)の放射光を照射して蛍光検出している。特許文献2では,キャピラリー中を電気泳動するDNAにレーザビームを照射し,DNAから放射された蛍光をキャピラリー自身を導波路としてキャピラリー末端まで伝送し,キャピラリー末端から放射された蛍光を液槽を介して検出している。以下ではキャピラリー末端から放射された蛍光を液槽を介して検出する方式を末端検出と呼ぶ。特許文献3では複数のLEDをパルス発光させている。
Electrophoresis is one of the basic means for separating biomolecules. In electrophoretic separation of DNA and proteins, plate-like gels have long been used as a separation medium, but in recent years, a separation medium packed in a tubular migration path having an inner diameter of 10 μm to 100 μm has been widely used as a separation medium. It came to be. The method using the former medium is called slab gel electrophoresis (SGE), and the method using the latter medium is called capillary electrophoresis (CE). In CE, in addition to so-called tube capillaries, substrates with thin channels are used as the support for the separation medium. Electrophoresis using the latter support is sometimes referred to as microchip electrophoresis, but is not particularly distinguished in this specification and is included in CE. In electrophoresis, separation can generally be performed at higher speed as a larger electric field strength is used. However, too high electric field strength degrades separation performance due to the generated Joule heat. In CE, the sectional area of a single unit of separation is smaller than SGE. As a result, CE can use higher field strengths than SGE without any reduction in separation. That is, CE can be separated faster than SGE. On the other hand, in CE, since the dimension in the cross-sectional direction of the separation medium (the optical path length when the photometric detection method is used) is smaller than that of SGE, good sensitivity cannot be obtained by absorptiometry. Therefore, in applications that require high detection sensitivity, such as DNA sequencing, detection based on fluorescence measurement, which is more sensitive than absorbance measurement, is used. CE based on fluorescence measurement has become the mainstream technology for DNA analysis because it can achieve both high-speed separation and high-sensitivity detection.
There are various reported examples of CE based on fluorescence detection (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2). In Patent Document 1, DNA is electrophoretically separated in a tube-shaped capillary, and detection is performed by irradiating a beam output from an argon ion laser to excite fluorescence. In Non-Patent Documents 1 and 2, fluorescence is detected by irradiating light emitted from a light-emitting diode (LED). In Patent Document 2, DNA that is electrophoresed in a capillary is irradiated with a laser beam, and fluorescence emitted from the DNA is transmitted to the end of the capillary using the capillary itself as a waveguide, and the fluorescence emitted from the end of the capillary passes through a liquid tank. Is detected. Hereinafter, a method of detecting the fluorescence emitted from the capillary end through the liquid tank is referred to as end detection. In Patent Document 3, a plurality of LEDs are caused to emit pulses.

特開平9―152418号公報JP-A-9-152418

WO 00/04371WO 00/04371 特開2001―93321号公報JP 2001-93321 A Electrophoresis 2002, vol.23, pp. 2445-2448.Electrophoresis 2002, vol.23, pp. 2445-2448. Electrophoresis 2004, vol.25, pp. 3796-3804.Electrophoresis 2004, vol.25, pp. 3796-3804.

DNAシーケンシングのように高い感度が要求されるCEでは,一般的に特許文献1のようにレーザが蛍光励起光源として用いられてきた。しかしレーザは白熱灯,蛍光灯,発光ダイオード(以下LED)などのインコヒーレント光源に比較して高価格である。さらに,DNAシーケンシングにおける蛍光検出では,感度が高いだけではなく,異なる発光波長を持つ4種の蛍光体が同時に励起されねばならない。蛍光体の明るさ,扱いやすさから,発光波長が520-700nmにある4種蛍光体が主として使用されており,それらを効率良く励起できる光源として波長488 nmもしくは515 nmのアルゴンイオンレーザが広く用いられてきた。アルゴンイオンレーザはガスレーザの一種であり,レーザの中でも特に高価格かつ短寿命である。さらにアルゴンイオンレーザはガスレーザの中でも,特に高価格であるばかりか,発熱が非常に多く,大掛かりな放熱を必要とする。これらの理由により,従来のDNAシーケンサの多くは,高価格であり,排熱ダクトを必要とし,随時レーザ交換が必要であった。   In CEs that require high sensitivity such as DNA sequencing, a laser has generally been used as a fluorescence excitation light source as disclosed in Patent Document 1. However, lasers are more expensive than incoherent light sources such as incandescent lamps, fluorescent lamps, and light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs). Furthermore, in fluorescence detection in DNA sequencing, not only is the sensitivity high, but four types of phosphors having different emission wavelengths must be excited simultaneously. Due to the brightness and ease of handling of phosphors, four types of phosphors with emission wavelengths of 520-700 nm are mainly used. Argon ion lasers with a wavelength of 488 nm or 515 nm are widely used as light sources that can excite them efficiently. Has been used. An argon ion laser is a kind of gas laser, and is particularly expensive and short-lived among lasers. Furthermore, argon ion lasers are not only expensive, but also generate a lot of heat and require large heat dissipation. For these reasons, many conventional DNA sequencers are expensive, require heat exhaust ducts, and require laser replacement as needed.

一方,今日では,波長〜500nmのLEDが市販されている。LEDは白熱光源や蛍光灯に比べ,スペクトル幅が小さく単位波長あたりのパワーが大きく,蛍光の励起光源として好適に使用できると考えられる。LEDは低価格かつ長寿命であるとともに,発熱も小さい。したがって,LEDを蛍光励起光源とすることにより,低価格で扱いやすいCEシステムを構築できる。ここで,LEDを励起光源として用いる非特許文献1では,1つのLEDを光源とし,低周波数の変動や直流バックグラウンドの排除のために,LEDをパルス駆動するが,照射光量が不十分となることが想定される。また、1つのハイパワーLEDを光源とすることが記載されているが,波長が500nm前後のLEDの輝度は,レーザに比較して今だ5桁ほど小さく,キャピラリー内腔のように狭い領域に照射したときのパワーは,DNAシーケンシングなどの高感度を要求する用途には未だ十分ではないと想定される。本発明の目的は,LEDのような低輝度光源をCEの励起光源としたときの励起強度を向上させ,蛍光検出の感度を向上させることである。   On the other hand, LEDs with a wavelength of up to 500 nm are commercially available today. LEDs have a smaller spectrum width and a larger power per unit wavelength than incandescent light sources and fluorescent lamps, and are considered to be suitable for use as fluorescence excitation light sources. LEDs are low in price and have a long life, and generate little heat. Therefore, it is possible to construct a CE system that is inexpensive and easy to handle by using the LED as a fluorescence excitation light source. Here, in Non-Patent Document 1 in which an LED is used as an excitation light source, one LED is used as a light source, and the LED is pulse-driven to eliminate low frequency fluctuations and DC background, but the amount of irradiation light is insufficient. It is assumed that In addition, although it is described that one high power LED is used as a light source, the brightness of an LED having a wavelength of around 500 nm is still about five orders of magnitude smaller than that of a laser, and is in a narrow region such as a capillary lumen. It is assumed that the power when irradiated is not yet sufficient for applications requiring high sensitivity such as DNA sequencing. An object of the present invention is to improve the excitation intensity when a low-intensity light source such as an LED is used as a CE excitation light source, and to improve the sensitivity of fluorescence detection.

発明の原理を説明するため,まず蛍光検出の基礎について述べる。蛍光によって検出器に生成される光電子数Sは

Figure 2007040812
とかける。ここでNAはアボガドロ数Cは計測体積における分析対象分子のモル濃度,Vは計測体積,σは分析対象分子の吸収断面積,Iは励起光の強度,hnは励起フォトンのエネルギー, Qは分析対象分子の蛍光量子収率,Fは検出光学系の集光効率collection efficiency,hは検出器の量子効率 Δt1は検出器の積分時間である。バックグラウンドの電子数Bは背景光による光電子数とダークカウントの和であり,
Figure 2007040812
とかける。ここでCBはバックグラウンド相当濃度,Δt2は検出器出力のサンプリング間隔である。蓄積電荷の転送時間が無視できる場合にはΔt1=Δt2とみなせる。検出器がインターラインまたはフレームトランスファーのCCDであって,蓄積電荷の転送時間≦サンプリング間隔である場合には,Δt1=Δt2=サンプリング間隔とみなせる。バックグラウンドノイズの二乗平均N0及びノイズの二乗平均Nはそれぞれ,
Figure 2007040812
で与えられる。ここでNrは検出器のリードアウトノイズである。より一般的には,濃度Cは時刻tと位置r = (x,y,z)の関数,励起光の強度Iと集光効率Fは位置r の関数,結果としてSは時間の関数となり,(数1),(数2)は
Figure 2007040812
となる。
Figure 2007040812
を分子検出効率(molecule detection efficiency, MDE)と呼ぶ。MDEを用いて(数7),(数8)を書き換えると
Figure 2007040812
以下では簡単のため,C,I,Φは位置と時間に依存しないと仮定し,(数1)〜(数4)に基づいて議論する。蛍光検出の感度を高めるということは,一定の濃度Cに対してなるべく高いS/Nを得るということである。明らかにSが大きいほどS/Nもまた大きい。そこで一定のCに対し,(数1)の右辺をいかに大きくするかについて考える。NA,hは完全な定数であり,Qは分析対象分子によって決まり,分析対象分子によって最適な励起波長がほぼ決まってしまい,同時にσ,nもまた決まってしまう。したがって装置的パラメータでS向上に寄与できるのはV,η,Φ,I,Δt1となる。 In order to explain the principle of the invention, the basics of fluorescence detection will be described first. The number of photoelectrons S generated in the detector by fluorescence is
Figure 2007040812
Call it. Where N A is the molar concentration of analyte molecules in the Avogadro number C is measured volume, V is the measurement volume, absorption cross section σ is analyzed molecules, I is the intensity of the excitation light, hn is the energy of the excitation photons, Q is The fluorescence quantum yield of the molecule to be analyzed, F is the collection efficiency of the detection optical system, h is the quantum efficiency of the detector, and Δt 1 is the integration time of the detector. The number of electrons B in the background is the sum of the number of photoelectrons from the background light and the dark count.
Figure 2007040812
Call it. Here C B is the background equivalent concentration, Delta] t 2 is the sampling interval of the detector output. If the accumulated charge transfer time can be ignored, it can be considered that Δt 1 = Δt 2 . When the detector is an interline or frame transfer CCD and the transfer time of accumulated charges ≦ sampling interval, it can be considered that Δt 1 = Δt 2 = sampling interval. The background noise root mean square N 0 and noise root mean square N are
Figure 2007040812
Given in. Here, Nr is the readout noise of the detector. More generally, concentration C is a function of time t and position r = (x, y, z), excitation light intensity I and collection efficiency F are functions of position r, and S is consequently a function of time, (Equation 1) and (Equation 2) are
Figure 2007040812
It becomes.
Figure 2007040812
Is called molecule detection efficiency (MDE). Rewriting (Equation 7) and (Equation 8) using MDE
Figure 2007040812
In the following, for the sake of simplicity, it is assumed that C, I, and Φ do not depend on position and time, and discussion is based on (Equation 1) to (Equation 4). Increasing the sensitivity of fluorescence detection means obtaining as high S / N as possible for a certain concentration C. Obviously, the greater the S, the greater the S / N. Therefore, consider how to enlarge the right side of (Equation 1) for a given C. N A , h is a perfect constant, Q is determined by the molecule to be analyzed, and the optimum excitation wavelength is almost determined by the molecule to be analyzed, and at the same time, σ and n are also determined. Therefore, it is V, η, Φ, I, Δt 1 that can contribute to the improvement of S in terms of apparatus parameters.

CEの場合,キャピラリーの内径をd,検出領域の幅をwとするとV = πd2l/4となる。DNAシーケンシングのような高分解能の電気泳動ではl≦0.1 mm,Δt1≦0.1 sとする必要があり,高電界強度の使用を可能とするためd≦0.1 mm 好ましくはd≦0.05 mmとする必要がある。すなわちVとΔt1を大きくすることによって感度向上を図るのには限度がある。ηは原理的に1以下であり,現実の微弱光検出用半導体検出器のηは概ね0.7〜0.9の範囲にあって大差が無い。残されたパラメータはΦとIであって,これらの積を大きくすることが, CEにおける蛍光検出感度のハードウエアによる向上の基本指針である。Φを大きくするには,検出に明るいレンズを使用することが重要である。本発明では,LEDのような低輝度の光源を使用して,強度Iを大きくする方法を示す。 In the case of CE, V = πd 2 l / 4 where d is the inner diameter of the capillary and w is the width of the detection region. In high-resolution electrophoresis such as DNA sequencing, it is necessary to satisfy l ≦ 0.1 mm and Δt 1 ≦ 0.1 s, and d ≦ 0.1 mm, preferably d ≦ 0.05 mm, in order to enable the use of high electric field strength. There is a need. That is, there is a limit to increasing the sensitivity by increasing V and Δt 1 . In principle, η is 1 or less, and η of an actual semiconductor detector for detecting weak light is approximately in the range of 0.7 to 0.9, and there is no significant difference. The remaining parameters are Φ and I, and increasing these products is the basic guideline for improving the fluorescence detection sensitivity of CE with hardware. To increase Φ, it is important to use a bright lens for detection. In the present invention, a method of increasing the intensity I using a low-luminance light source such as an LED will be described.

光源における輝度B0と照射点における輝度Bの関係は,光源と照射点の間の光学系の詳細とは関わり無く,

Figure 2007040812
で与えられる(光源は空気中にあると仮定した)。n は照射点の屈折率,tは照射光学系の透過率であり,常にt≦1 である。(数9)は照射点における輝度は,いかなる照射系を用いても光源の輝度に照射点の屈折率の二乗を掛けた値を超えられない事実を示し,一般化された輝度不変の法則と呼ばれる。
以下ではLEDはランバート面と仮定する。ランバート面に対しては,光源における単位面積あたりの光パワーE0は輝度Bにより
Figure 2007040812
で与えられる。一方,照射点における強度Iは
Figure 2007040812
で与えられる。Ωは照射点から光源を見込む立体角であり,照射レンズの集光立体角とみなすことができる。片側照射である限りΩ≦2πである。複数方向から照射することによりΩをさらに大きくすることが可能であるが,現実には検出のための立体角を残さなければならないので,困難である。照射系が片側かつ軸対称であるならば,照射点における最大入射角をθとして
Figure 2007040812
となる。 The relationship between the luminance B 0 at the light source and the luminance B at the irradiation point is independent of the details of the optical system between the light source and the irradiation point.
Figure 2007040812
(Assuming that the light source is in the air). n is the refractive index of the irradiation point, t is the transmittance of the irradiation optical system, and always t ≦ 1. (Equation 9) shows that the luminance at the irradiation point cannot exceed the value obtained by multiplying the luminance of the light source by the square of the refractive index of the irradiation point, no matter what irradiation system is used. be called.
In the following, it is assumed that the LED is a Lambertian surface. For the Lambertian surface, the light power E 0 per unit area of the light source depends on the luminance B.
Figure 2007040812
Given in. On the other hand, the intensity I at the irradiation point is
Figure 2007040812
Given in. Ω is the solid angle from which the light source is viewed from the irradiation point, and can be regarded as the condensing solid angle of the irradiation lens. As long as the irradiation is performed on one side, Ω ≦ 2π. It is possible to further increase Ω by irradiating from multiple directions, but in reality it is difficult because a solid angle for detection must be left. If the irradiation system is unilateral and axisymmetric, the maximum incident angle at the irradiation point is θ.
Figure 2007040812
It becomes.

DNAシーケンサにおける蛍光検出について考えると,nは一本鎖DNA分離媒体の屈折率であり,一般にn = 1.4 である。また照射系の透過率については理想的には1であるが,蛍光体励起波長以外の波長成分を除去するためのフィルタの挿入が必要であり,現実にはt〜0.5である。そこでt = 0.5と仮定する。検出効率Φに依存するが,励起強度Iが106W/m2程度あればDNAシーケンサとして好ましい感度を得ることができる。出力1 mWのアルゴンイオンレーザの輝度は4×109 W/m2/srであるので,(数9)〜(数12)より,θ=0.5°で十分な強度を得ることができる。一方,最も高輝度なLEDにおいても,その輝度〜8×104 W/m2/srである。したがってθを上限の90°としたとしても,得られる強度〜5×105W/m2となる。現実にはレンズの明るさの限界や,検出用レンズとの立体障害のため,θ=90°とすることは通常の照射検出系では困難である。θ=40°程度を想定すると、得られる強度は〜105W/m2となり,レーザを用いた場合より約1桁小さくなる。検出効率の向上は数倍(多くとも3倍)程度であり,励起強度の1桁の低下はカバーできないと考えられる。したがって,LEDを蛍光励起光源として用いるCEシステムにおいて,DNAシーケンサとして使用するに足りる感度を得るには,励起強度を数倍向上させる構成が必要と考えられる。(数11)から明らかなように,強度を向上させる方法は,光源の輝度を上げる,もしくは照射の立体角Ωを大きくする,の二通りである。複数のLEDを並べただけでは,トータルの出力は大きくなるが,輝度は変わらない。また,LEDを駆動する電流を大きくすればLEDの輝度が大きくなる。しかしながら定格値以上での連続駆動は,発熱による故障の可能性を生じさせる。故障はしなくても,発熱による温度上昇のため,波長や出力が不安定になる。 Considering fluorescence detection in a DNA sequencer, n is the refractive index of a single-stranded DNA separation medium, and generally n = 1.4. The transmittance of the irradiation system is ideally 1, but it is necessary to insert a filter for removing wavelength components other than the phosphor excitation wavelength, and in reality, it is t to 0.5. Therefore, assume t = 0.5. Although depending on the detection efficiency Φ, if the excitation intensity I is about 10 6 W / m 2 , a preferable sensitivity can be obtained as a DNA sequencer. Since the brightness of an argon ion laser with an output of 1 mW is 4 × 10 9 W / m 2 / sr, sufficient intensity can be obtained at θ = 0.5 ° from (Equation 9) to (Equation 12). On the other hand, even the highest brightness LED has a brightness of ˜8 × 10 4 W / m 2 / sr. Therefore, even if θ is 90 ° as the upper limit, the obtained strength is 5 × 10 5 W / m 2 . In reality, θ = 90 ° is difficult to achieve with a normal irradiation detection system due to the limitation of the brightness of the lens and steric hindrance with the detection lens. Assuming about θ = 40 °, the intensity obtained is ˜10 5 W / m 2 , which is about an order of magnitude smaller than when using a laser. The improvement in detection efficiency is several times (at most three times), and it is considered that a one-digit decrease in excitation intensity cannot be covered. Therefore, in a CE system using an LED as a fluorescence excitation light source, it is considered that a configuration that increases the excitation intensity several times is necessary in order to obtain sufficient sensitivity for use as a DNA sequencer. As can be seen from (Equation 11), there are two ways to increase the intensity: increasing the luminance of the light source or increasing the solid angle Ω of the irradiation. Just arranging multiple LEDs increases the total output, but does not change the brightness. Also, increasing the current that drives the LED increases the brightness of the LED. However, continuous driving above the rated value may cause a failure due to heat generation. Even if there is no failure, the wavelength and output become unstable due to temperature rise due to heat generation.

そこで本発明では,以下の2つの手段により,照射強度Iを向上させる。
手段1:複数のLEDを所定のタイミングでパルス発光させ,照射位置における輝度を増加させる。
手段2:検出系に末端検出を採用し,複数LEDで照射することにより,照射立体角Ωを増加させる。
Therefore, in the present invention, the irradiation intensity I is improved by the following two means.
Means 1: A plurality of LEDs are pulsed at a predetermined timing to increase the luminance at the irradiation position.
Means 2: Adopting end detection in the detection system and irradiating with a plurality of LEDs increases the irradiation solid angle Ω.

まず手段1について説明する。蛍光計測中に,LEDが点灯している時間の,全測定時間に対する割合をデューティー比と呼ぶことにする。通常の連続駆動の場合,当然ながらデューティー比=1である。一般に,LEDをデューティー比1/10以下でパルス駆動するときには,連続駆動条件における定格電流の3.3倍程度の電流で駆動してもLEDが正常動作する。このように低デューティー比でパルス駆動すれば消灯時間中に効率的に熱放散が行われるため,温度の上昇も押えられ,出力や波長の変動も生じない。しかし,このようなパルス駆動では点灯中のLED輝度は3倍ほど向上するが,デューティー比が低いため,時間平均で考えるとむしろ光源の輝度は低下する。そこで本発明では,第一のレンズの視野内に複数のLEDを配置し,前記複数LEDを複数の部分集合であるLED群に分け,LED群ごとにタイミングをずらしてパルス駆動し,視野内では一定個数以上のLEDが常に点灯するようにする。このように発光している複数LEDからの光を前記第一のレンズで集光し,第二のレンズで同一のキャピラリーに照射する。この結果,照射位置における輝度は,時間平均値としても,連続駆動時の単一LED光源の輝度よりも高くすることができる。結果として,照射位置における強度を向上させることができる。   First, means 1 will be described. The ratio of the time during which the LED is lit during the fluorescence measurement to the total measurement time is called the duty ratio. In normal continuous driving, the duty ratio is 1 as a matter of course. In general, when the LED is pulse-driven with a duty ratio of 1/10 or less, the LED operates normally even if it is driven with a current that is about 3.3 times the rated current under continuous drive conditions. In this way, if pulse driving is performed at a low duty ratio, heat is efficiently dissipated during the extinguishing time, so that a rise in temperature is suppressed and fluctuations in output and wavelength do not occur. However, in such a pulse drive, the LED brightness during lighting is improved by about 3 times, but since the duty ratio is low, the brightness of the light source is rather lowered in terms of time average. Therefore, in the present invention, a plurality of LEDs are arranged in the field of view of the first lens, the plurality of LEDs are divided into LED groups that are a plurality of subsets, and pulse driving is performed by shifting the timing for each LED group. Make sure that more than a certain number of LEDs are always lit. Light from a plurality of LEDs emitting light in this way is collected by the first lens and irradiated to the same capillary by the second lens. As a result, the luminance at the irradiation position can be higher than the luminance of the single LED light source during continuous driving, even as a time average value. As a result, the intensity at the irradiation position can be improved.

第二の手段においては,検出に末端検出法を使用した結果,照射点での立体角を照射のためにのみ使用することができる。そこで,複数方向から照射し,照射立体角を大きくする。この方法により,片側照射でのΩの上限値2πを超えるΩを実現することが可能となる。   In the second means, as a result of using the end detection method for detection, the solid angle at the irradiation point can be used only for irradiation. Therefore, irradiation is performed from multiple directions to increase the irradiation solid angle. This method makes it possible to achieve Ω exceeding the upper limit of 2π for Ω on one side.

低価格なLED光源を使用して,レーザ励起同等レベルの高感度蛍光検出が可能となる。またDNAシーケンサなど電気泳動装置システムに適用すれば,低コストで使いやすいシステムが実現できる。   Using an inexpensive LED light source, high-sensitivity fluorescence detection at the same level as laser excitation becomes possible. If applied to an electrophoresis system such as a DNA sequencer, a low-cost and easy-to-use system can be realized.

以下,図面に従って本発明の実施の形態を説明する。実施例1〜実施例6は第一の手段に基づき,実施例7〜実施例9は第二の手段に基づく。云うまでも無く,第一および第二の手段を組み合わせて使用することも可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Examples 1 to 6 are based on the first means, and Examples 7 to 9 are based on the second means. Needless to say, the first and second means may be used in combination.

図1は第一の実施例の構成図である。支持体5に固定された10個のLED4.1〜4.10から放射された励起光は第一のレンズ7によって集光され,ほぼ平行な光束にされた後に,励起フィルター8を透過し,第2のレンズ9によって泳動路1上に集光される。泳動路の両端は,バッファー槽2.1およびバッファー槽2.2に浸かっている。それぞれのバッファー槽内に浸った電極10.1および電極10.2は,それぞれ電源3の負極および正極に接続されている。バッファーを介して泳動路の両端には電圧が印加され,泳動路内に電場が発生し,泳動路内に注入済みの分析対象分子はその移動度に比例した速度で泳動され,分離される。本実施例で用いた泳動路は内径50μmの石英製キャピラリーであり,注入した分析対象分子はDNA断片である。DNAはマイナスイオンであるので,負極側である2.1側から注入され,2.2側に向かって泳動され,照射点20に到達した断片に励起光が照射され,断片から蛍光が放射される。DNA断片から放射された蛍光は,第三のレンズ11によって平行な光束にされ,放射フィルタ12を通過させて励起光の散乱光成分を除去したのちに,泳動路の一部の近傍に設けられた検出器14上に結像されて検出される。本実施例で用いた検出器14は光電子増倍管であるが,フォトダイオードでも良いし,CCDなどのイメージングデバイスでも勿論良い。イメージングデバイスで検出すればキャピラリー内腔からの光と外面からの散乱光を区別できるので,フィルタ12で完全に除去しきれなかった散乱光を弁別できるというメリットがある。   FIG. 1 is a block diagram of the first embodiment. Excitation light emitted from the ten LEDs 4.1 to 4.10 fixed to the support 5 is collected by the first lens 7 and converted into a substantially parallel light beam, and then transmitted through the excitation filter 8. The light is condensed on the migration path 1 by the second lens 9. Both ends of the migration path are immersed in the buffer tank 2.1 and the buffer tank 2.2. The electrode 10.1 and the electrode 10.2 immersed in each buffer tank are connected to the negative electrode and the positive electrode of the power source 3, respectively. A voltage is applied to both ends of the migration path through the buffer, an electric field is generated in the migration path, and the analyte molecules injected into the migration path are migrated and separated at a rate proportional to their mobility. The migration path used in this example is a quartz capillary having an inner diameter of 50 μm, and the injected analysis target molecule is a DNA fragment. Since DNA is a negative ion, it is injected from the negative electrode 2.1 side, migrates toward the 2.2 side, the fragment that reaches the irradiation point 20 is irradiated with excitation light, and the fragment emits fluorescence. The The fluorescence emitted from the DNA fragment is converted into a parallel light flux by the third lens 11, and after passing through the radiation filter 12 to remove the scattered light component of the excitation light, it is provided in the vicinity of a part of the migration path. An image is formed on the detector 14 and detected. The detector 14 used in this embodiment is a photomultiplier tube, but may be a photodiode or an imaging device such as a CCD. If it detects with an imaging device, since the light from a capillary lumen | bore and the scattered light from an outer surface can be distinguished, there exists an advantage that the scattered light which could not be removed completely with the filter 12 can be distinguished.

LED4.1〜4.10は,柔軟な電線15.1〜15.10で接続された電源6によってパルス駆動される。ここで、複数のLEDは各々実質的に同一の波長の光を発するものである。ここで、実質的に同一の波長の光を発するとは、ピークの波長が製造誤差程度のずれの範囲内で異なる光を発することをいう。以下、複数のLEDを用いるときには同様の条件とする。なお,本明細書では,点灯しているLEDを黒く塗りつぶされた四角,消灯中のLEDを白抜きの四角で表すものとする。図2はLED駆動電流パルスのタイミングチャートを示す。各LEDはデューティー比1/10で駆動しているので,点灯時には,連続駆動条件での定格電流値30mAの3.3倍以上の100mAで駆動している。また,10個のLEDを図2のようにタイミングをずらして点灯させることにより,レンズ1の集光範囲内において常にLEDのどれかは点灯しており,したがってキャピラリーには常に光が照射されている。図3はLEDの駆動電流と輝度の関係を示す。本実施例で使用したLEDは製造元による推奨動作電流が20mA,定格電流が30mAであるが,100mAで駆動することによって標準動作電流駆動時の約3倍の輝度が得られることがわかる。勿論,100mAで連続的に点灯した場合,寿命が保証されないが,デューティー比1/10で駆動しているので,標準動作電流と同等の寿命が保証される。もちろん,温度の上昇による出力パワーや波長の変動もほとんど生じない。結果として,本実施例では輝度が3倍のLEDからの光を連続点灯させて照射した場合と同等の強度の励起光が泳動路1の照射点20に照射される。本実施例で用いたLEDの波長はすべて実質的に500nmであり,蛍光体に対する励起効率は488nmと514.5 nmの2波長で発振するArイオンレーザとほぼ同等である。したがって,DNAシーケンシングや断片長解析でDNA修飾に用いられる蛍光体,ROX,FAM,TAMRA,NED,JOE,TET,VIC等を好適に励起できる。本実施例では,輝度8×104 W/m2/srの高輝度LEDを使用し,また,照射レンズとしてNA0.9の明るいレンズを使用してθ〜40°,Ω〜1.5 srとすることにより,照射点での強度として,3×105 W/m2を得ることができた。検出用のレンズ11としてFナンバー0.85の非常に明るいカメラレンズを採用することにより,従来のDNAシーケンサとほぼ同等の蛍光検出感度を達成した。ここでは10個のLEDを配置したが,20個でも30個でももちろんよい。LED駆動パルスのデューティー比がxならば,LEDを1/x個以上とすれば常に少なくとも一個のLEDが点灯しているようにできる。 The LEDs 4.1 to 4.10 are pulse-driven by a power supply 6 connected by flexible electric wires 15.1 to 15.10. Here, each of the plurality of LEDs emits light having substantially the same wavelength. Here, to emit light having substantially the same wavelength means to emit light having different peak wavelengths within a range of deviation of a manufacturing error. Hereinafter, the same conditions are used when a plurality of LEDs are used. In the present specification, the lit LED is represented by a black square, and the unlit LED is represented by a white square. FIG. 2 shows a timing chart of LED driving current pulses. Since each LED is driven at a duty ratio of 1/10, when it is lit, it is driven at 100 mA, which is 3.3 times or more of the rated current value of 30 mA under continuous drive conditions. In addition, by turning on the 10 LEDs at different timings as shown in Fig. 2, one of the LEDs is always lit within the focusing range of the lens 1, so that the capillary is always irradiated with light. Yes. FIG. 3 shows the relationship between the LED drive current and the luminance. The LED used in this example has a recommended operating current of 20 mA and a rated current of 30 mA by the manufacturer, but it can be seen that driving at 100 mA can provide about three times the brightness of the standard operating current drive. Of course, when it is continuously lit at 100 mA, the life is not guaranteed, but it is driven at a duty ratio of 1/10, so a life equivalent to the standard operating current is guaranteed. Of course, there is almost no fluctuation in output power or wavelength due to temperature rise. As a result, in the present embodiment, the excitation light having the same intensity as that obtained when the light from the LED having a luminance of 3 times is continuously lit and irradiated is applied to the irradiation point 20 of the migration path 1. The wavelengths of the LEDs used in this example are substantially 500 nm, and the excitation efficiency for the phosphor is substantially equivalent to that of an Ar ion laser that oscillates at two wavelengths of 488 nm and 514.5 nm. Therefore, it is possible to suitably excite phosphors, ROX, FAM, TAMRA, NED, JOE, TET, VIC, etc. used for DNA modification in DNA sequencing and fragment length analysis. In this embodiment, a high-brightness LED with a luminance of 8 × 10 4 W / m 2 / sr is used, and a bright lens with NA 0.9 is used as the irradiation lens, and θ to 40 °, Ω to 1.5 sr. As a result, the intensity at the irradiation point was 3 × 10 5 W / m 2 . By adopting an extremely bright camera lens with F number of 0.85 as the detection lens 11, the fluorescence detection sensitivity almost equal to that of the conventional DNA sequencer was achieved. Here, 10 LEDs are arranged, but of course 20 or 30 may be used. If the duty ratio of the LED drive pulse is x, if the number of LEDs is 1 / x or more, at least one LED can always be lit.

図4は本実施例を用いて,ROX標識された一本鎖DNAサイズマーカー断片試料を注入して分離・検出して得られた電気泳動図である。各ピーク上の数値は,各ピークに帰属するDNA断片の断片長である。各断片の濃度は1nMであり,これはDNAシーケンシング用試料の1バンドあたりの標準的濃度と同等である。このような濃度の試料に対して100以上の良好なS/Nが得られている。ROXはDNAシーケンシングのために用いる4色蛍光体のうち,最も励起効率が悪い色素とほぼ同等の蛍光特性を持っている。すなわち,本実施例はDNAシーケンサとしても使用可能な蛍光検出感度を持っていることを示している。本実施例では単色の断片長解析を行ったため,分光素子としてフィルタ12のみを使用したが,フィルタ12とレンズ13の間に回折格子もしくはプリズムを挿入し,検出器14としてCCDなどのイメージングデバイスを使用すれば,多色検出可能なDNAシーケンサとして使用することが可能となる。   FIG. 4 is an electrophoretogram obtained by injecting, separating and detecting ROX-labeled single-stranded DNA size marker fragment samples using this example. The numerical value on each peak is the fragment length of the DNA fragment belonging to each peak. The concentration of each fragment is 1 nM, which is equivalent to the standard concentration per band of the DNA sequencing sample. Good S / N of 100 or more is obtained for the sample having such a concentration. ROX has almost the same fluorescence characteristics as the dye having the lowest excitation efficiency among the four-color phosphors used for DNA sequencing. That is, this example shows that it has fluorescence detection sensitivity that can also be used as a DNA sequencer. In this example, since a single-color fragment length analysis was performed, only the filter 12 was used as a spectroscopic element. However, a diffraction grating or a prism was inserted between the filter 12 and the lens 13, and an imaging device such as a CCD was used as the detector 14. If used, it can be used as a DNA sequencer capable of multicolor detection.

図5は第2の実施例の構成図である。本実施例の構成はLEDの配置以外について基本的には第一の実施例と同様なので,LED近傍だけを拡大して表示している。本実施例では,第一のレンズの集光範囲内に100個のLED4.1.1〜4.10.10を10×10の2次元マトリックス状に配置し,100個のLEDを配置している。本実施例ではLEDを10個のLEDで構成される10のLEDグループに分け,各グループ内のLEDは同時に点灯させ,グループごとに第一の実施例と同様に駆動タイミングをずらした。このように同時に点灯するLEDを複数にしても第一の実施例と同様の効果を得ることができる。本実施例に固有の効果としてさらに,2次元的にLEDを配置したので,1次元に並べるよりも,第一のレンズ7に要求される視野範囲が小さくて済むという効果が有る。本実施例では2次元配置されたLEDを列ごとに同時点灯させたが,勿論その必要はなく,任意に分布した所定の10個ごとが同時に点灯していればかまわない。また,各々のLEDの駆動パルスをパルス幅だけずらしたが,必ずしもその必要は無い。例えば,100個すべてのLEDについて,駆動パルス立ち上がりをパルス幅の1/10ずつずらしても常に10個ずつが同時に点灯することになる。あるいは2個ずつ駆動タイミングを同じとし,パルスのずれを1/5としてもよい。   FIG. 5 is a block diagram of the second embodiment. Since the configuration of this embodiment is basically the same as that of the first embodiment except for the arrangement of the LEDs, only the vicinity of the LEDs is enlarged and displayed. In this embodiment, 100 LEDs 4.1.1 to 4.10.10 are arranged in a 10 × 10 two-dimensional matrix within the focusing range of the first lens, and 100 LEDs are arranged. Yes. In this embodiment, the LEDs are divided into 10 LED groups composed of 10 LEDs, and the LEDs in each group are turned on simultaneously, and the drive timing is shifted for each group as in the first embodiment. Thus, even when a plurality of LEDs are turned on simultaneously, the same effect as in the first embodiment can be obtained. As an effect unique to the present embodiment, since the LEDs are two-dimensionally arranged, there is an effect that the visual field range required for the first lens 7 can be made smaller than arranging them one-dimensionally. In this embodiment, the two-dimensionally arranged LEDs are turned on simultaneously for each row. However, of course, this is not necessary, and every 10 predetermined arbitrarily distributed LEDs may be turned on simultaneously. Further, although the drive pulses of the respective LEDs are shifted by the pulse width, this is not always necessary. For example, for all 100 LEDs, even if the rising edge of the drive pulse is shifted by 1/10 of the pulse width, 10 LEDs are always lit at the same time. Alternatively, the drive timing may be the same for each two, and the pulse deviation may be 1/5.

図6は第3の実施例の概念図である。本発明の基本構造は第一の実施例と類似であるが,LED4-1〜4-10が搭載された基盤(支持部)5が,点灯するLEDがレンズ7の視野の中心に常に来るようにアクチュエーター21によりスキャンされ,往復運動する。このようにすることによってキャピラリー上の光が照射される点が完全に同一点となり,キャピラリー電気泳動における蛍光検出に用いた場合,検出バンドの幅を小さくすることができ,その結果,高い分離能が得られるという効果が有る。図7は本実施例におけるLED駆動電流のタイミングチャートである。基板5の往復運動の周期は10Tである。各LEDは,レンズ1の視野の中心に来た時に発光する。各LEDは1往復の間(=10T)に2回レンズ7の視野中心に来る,すなわち2回発光するので,デューティー比1/10とするため,一回の発光時間はT/2となる。ただし,基板の両端にあるLED4-1と4-10については2回の発光時間が連続するので,一往復の間に一回,時間Tの間連続して発光する。図8は本実施例におけるLEDの発光の様子とLEDを固定する支持体5の物理的動きの時系列である。黒く塗りつぶされたLEDが発光中のLED,白抜きのLEDが消灯中のLEDである。アクチュエーターによる基板5の動きと連動して,常にレンズ7の視野中心に来たLEDが発光している。   FIG. 6 is a conceptual diagram of the third embodiment. The basic structure of the present invention is similar to that of the first embodiment, but the base (supporting part) 5 on which the LEDs 4-1 to 4-10 are mounted is such that the LED to be lit is always at the center of the field of view of the lens 7. It is scanned by the actuator 21 and reciprocates. In this way, the point where the light on the capillary is irradiated becomes completely the same point, and when used for fluorescence detection in capillary electrophoresis, the width of the detection band can be reduced, resulting in high resolution. Is effective. FIG. 7 is a timing chart of the LED drive current in this embodiment. The period of the reciprocating motion of the substrate 5 is 10T. Each LED emits light when it reaches the center of the field of view of the lens 1. Each LED comes to the center of the field of view of the lens 7 twice during one reciprocation (= 10T), that is, emits light twice, so that the duty ratio is 1/10, so that one light emission time is T / 2. However, the LEDs 4-1 and 4-10 at both ends of the substrate emit light twice, so that light is emitted continuously for a time T once in one round trip. FIG. 8 is a time series of the state of light emission of the LED and the physical movement of the support 5 for fixing the LED in this embodiment. The black-painted LEDs are LEDs that are emitting light, and the white LEDs are LEDs that are unlit. In conjunction with the movement of the substrate 5 by the actuator, the LED that has always come to the center of the visual field of the lens 7 emits light.

図9は第4の実施例の概念図である。本実施例は第2の実施例と第3の実施例各々の構成を用いた例である。2次元に配置された1000個のLED4.1.1〜4.10.100のうち,10列×10行=100個(アクチュエーターの駆動方向に直交するLEDの並びを列と呼ぶことにする)のLEDを同時点灯し,かつLEDを搭載した基盤を動かして点灯範囲のLEDが常にレンズ1の集光範囲に来るようにする。LED駆動パルスの立ち上がりはパルス幅だけずらしても良いが,本実施例では図10に示したように,駆動パルスのLED列ごとのずれをパルス幅T/2の1/(同時に点灯するLEDの列数)=1/10とした。この結果,LED搭載基盤の物理的動きのステップをLED1列分の幅にして,レンズ7視野内において10列のLEDが常に点灯するようにできる。(10列ずつ発光のタイミングを同一にし,10列ごとに駆動パルスをパルス幅T/2ずらしても良い。この場合にはアクチュエーターのステップ幅をLED10列分にしなくてはならないので,アクチュエーターに対する負荷が大きくなる。)また,本実施例においては,ステップ駆動するアクチュエーターではなく,完全になめらかな動作をするリニアアクチュエーターを使用しても良い。この場合でも,レンズ7視野内で点灯するLEDの個数は90〜100個,平均して95個で,平均からの変動が±5%以内のほぼ一定の強度の光がレンズ7によって集光され,キャピラリーに照射される。第一の実施例で,アクチュエーターの動きをなめらかにすると,レンズ7視野内で発光するLEDの個数が1または0となり,相対的変動が±50%で非常に大きな変動になる。このようにアクチュエーターに対する機械的負荷の小さいなめらかな駆動でもほぼ一定強度の光をキャピラリーに照射できるのが,効果である。   FIG. 9 is a conceptual diagram of the fourth embodiment. This embodiment is an example using the configurations of the second embodiment and the third embodiment. Out of 1,000 LEDs 4.1.1-4.100.100 arranged in two dimensions, 10 columns × 10 rows = 100 (the array of LEDs orthogonal to the driving direction of the actuator is called a column) The LED is lit at the same time, and the LED mounting area is moved so that the LED in the lighting range is always within the focusing range of lens 1. The rise of the LED drive pulse may be shifted by the pulse width, but in this embodiment, as shown in FIG. 10, the shift of the drive pulse for each LED row is 1 / (pulse width T / 2) Number of columns) = 1/10. As a result, the step of physical movement of the LED mounting base can be set to the width of one LED row, and the 10 rows of LEDs can always be lit in the field of view of the lens 7. (The light emission timing may be the same for every 10 rows, and the drive pulse may be shifted by pulse width T / 2 for every 10 rows. In this case, the actuator step width must be equal to the 10 LED rows, so the load on the actuator In this embodiment, a linear actuator that operates completely smoothly may be used instead of an actuator that performs step driving. Even in this case, the number of LEDs to be lit within the field of view of the lens 7 is 90 to 100, and the average is 95, and the light having a substantially constant intensity within ± 5% from the average is condensed by the lens 7. The capillary is irradiated. In the first embodiment, when the movement of the actuator is smoothed, the number of LEDs emitting light within the field of view of the lens 7 is 1 or 0, and the relative variation is ± 50%, which is a very large variation. As described above, it is effective to irradiate the capillary with light having a substantially constant intensity even in a smooth drive with a small mechanical load on the actuator.

図11は第5の実施例である。本実施例では,LED固定支持体5を円筒状とし,この支持体をその軸を中心として回転させる。各々のパルスの駆動については,第4の実施例と同様とすることができ,この場合には,第4の実施例と同様の効果を得ることができる。本構成により,基盤の移動が一方向の回転運動だけですむので,第4の実施例のような往復運動が不要となり,モーターの回転方向を一定にすることができるという効果が有る。また,LEDへの電力供給を電力供給手段を用いて行う。具体的には,電源92に接続された電線111に対して固定された板ばね91を介して行っている。支持体5が回転してレンズ7の集光範囲に入ると,板ばね91がLEDの電極と接触してLEDに電力が供給される。このような構成にする効果として,LED駆動パルスの制御が不要となり,電源92として単なる直流電源を使用可能となるほか,LEDと電源を接続する柔軟な電線の支持体5の動きによる金属疲労が低滅する。本実施例では板ばね91を電源にはんだづけにより半永久的に接続し,板ばねとLED電極を,離脱可能な機械的接触により導通させた。半永久的な接続方法としては,はんだづけの他,溶接,圧着,銀ペーストなどによる接合,ねじとめ,コネクタによる接続などを用いてももちろんかまわない。逆に板ばねをLEDの電極に半永久的に接続し,この板ばねと電源の電極もしくは電源に接続された電線との間を離脱可能な機械的接触により導通させてもよい。この方式には,板ばねが金属疲労した時,LED搭載基板5の交換で対応できるという利点がある。   FIG. 11 shows a fifth embodiment. In this embodiment, the LED fixing support 5 is cylindrical, and this support is rotated around its axis. The driving of each pulse can be the same as in the fourth embodiment, and in this case, the same effect as in the fourth embodiment can be obtained. With this configuration, since the movement of the base is only required in one direction of rotation, the reciprocation as in the fourth embodiment is not required, and the rotation direction of the motor can be made constant. In addition, power is supplied to the LEDs using a power supply means. Specifically, this is performed through a leaf spring 91 fixed to the electric wire 111 connected to the power source 92. When the support 5 rotates and enters the light condensing range of the lens 7, the leaf spring 91 comes into contact with the electrode of the LED and power is supplied to the LED. As an effect of such a configuration, the control of the LED driving pulse becomes unnecessary, and a simple DC power source can be used as the power source 92, and metal fatigue due to the movement of the flexible wire support 5 connecting the LED and the power source. To be dying. In this embodiment, the leaf spring 91 is semi-permanently connected to the power source by soldering, and the leaf spring and the LED electrode are made conductive by detachable mechanical contact. As a semi-permanent connection method, of course, soldering, welding, crimping, joining with silver paste, screwing, connection with a connector, etc. may be used. Conversely, the leaf spring may be semipermanently connected to the LED electrode, and the leaf spring and the power source electrode or the electric wire connected to the power source may be electrically connected by detachable mechanical contact. This method has an advantage that when the plate spring is fatigued by metal, it can be dealt with by replacing the LED mounting substrate 5.

図12は第6の実施例である。本実施例は複数のLEDを2次元に円筒状のLED固定支持体5に設置し,かつこの支持体をその軸を中心として回転させる。LEDの駆動については,例えば第2の実施例と第5の実施例各々の構成を併せて用いることができる。同時点灯するLEDを複数にしたことにより,円筒基板の回転のステップ幅を小さくでき,モーターの負荷を小さくできる。第5の実施例では回転のステップが360°/10=36°であったが,本実施例では360°/40=9°となる。   FIG. 12 shows a sixth embodiment. In this embodiment, a plurality of LEDs are installed on a two-dimensional cylindrical LED fixed support 5 and the support is rotated about its axis. For driving the LED, for example, the configurations of the second and fifth embodiments can be used together. By using multiple LEDs that light up simultaneously, the step width of the rotation of the cylindrical substrate can be reduced, and the motor load can be reduced. In the fifth embodiment, the rotation step is 360 ° / 10 = 36 °, but in this embodiment, 360 ° / 40 = 9 °.

図13は第7の実施例の概念図である。電源3によってバッファー槽2.1とバッファー槽2.2の間に電圧が印加され,泳動路(本実施例ではキャピラリー)1中を分析対象分子が電気泳動する。照射点20の周囲に,100個のLED4.1.1〜4.10.10が円筒面上に配置されている(図では、円筒は断面図で131として示される)。すなわち,円筒がキャピラリーを囲むように設置され,かつ円筒のキャピラリーに対面する内壁面にLEDが設置されている。複数のLEDが同時に点灯している。図14は本実施例における照射点近傍の拡大図である。照射位置の前後において,キャピラリー周囲に遮光部30a,30bが設けられている。この結果,照射幅が広がらず,電気泳動的分離能が低下しない。図15は断面Aによる照射点周辺の断面の拡大図である。LEDとキャピラリーの間には円筒状のフィルタ8が挿入されている。このフィルタ8によりLED放射光の発光のうち,波長が蛍光の発光波長と一致する成分を除去している。泳動路中の分析対象分子はこれらのLEDからの放射光で励起され,蛍光を放射する。照射点において放射された蛍光は,泳動路1内を内部全反射により伝播し,端面まで伝送される。端面から放射された蛍光はバッファー槽2.1を介して集光レンズ11で平行光束にされ,フィルタ12で蛍光以外の光を遮断した後に,結像レンズ13でCCDカメラ14の光電面上に結像される。検出器14はキャピラリーの試料溶出端の近傍であって、試料溶出端と対面する位置に設置される。本実施例のように,蛍光を端面まで伝送してから検出する結果,照射点における立体角のすべてを照射に用いることが可能となる。本実施例では,0.2 mm×0.2 mm角のLEDチップを照射点を中心とする,直径0.73mm,長さ2.27mmの円筒面状に隙間0.03mmで100個配置する。したがって,照射点において光源を見込む立体角Ω=2.1πとなり,従来の片側照射での限界を超える立体角を実現する。本実施例では,標準動作条件で輝度8×104 W/m2/srの高輝度LEDを標準条件の連続動作で使用し,また,透過率約0.5のフィルタを使用することにより,照射点において5.4×105 W/m2の強度を得ることができる。結果として,検出レンズとしてFナンバー1.2のカメラレンズを使用して,十分な蛍光検出感度を得ることができる。
本実施例ではLEDを円筒面上に配置したが,キャピラリーの照射点を内部に含む球面上に配置してももちろんかまわない。2つのキャピラリーを挟む,平行平面でも良い。いずれの場合も平行平面立体角の絶対的限界である4πに近い照射立体角を実現することが可能である。
FIG. 13 is a conceptual diagram of the seventh embodiment. A voltage is applied between the buffer tank 2.1 and the buffer tank 2.2 by the power source 3, and the molecule to be analyzed is electrophoresed in the migration path (capillary in this embodiment). Around the irradiation point 20, 100 LEDs 4.1.1 to 4.10.10 are arranged on a cylindrical surface (in the figure, the cylinder is shown as 131 in the cross-sectional view). That is, the cylinder is installed so as to surround the capillary, and the LED is installed on the inner wall surface facing the capillary of the cylinder. Multiple LEDs are lit at the same time. FIG. 14 is an enlarged view of the vicinity of the irradiation point in the present embodiment. Before and after the irradiation position, light shielding portions 30a and 30b are provided around the capillary. As a result, the irradiation width is not widened and the electrophoretic resolution is not lowered. FIG. 15 is an enlarged view of a cross section around the irradiation point by the cross section A. FIG. A cylindrical filter 8 is inserted between the LED and the capillary. This filter 8 removes a component whose wavelength matches the emission wavelength of the fluorescent light from the emitted light of the LED. Analyte molecules in the migration path are excited by the emitted light from these LEDs and emit fluorescence. The fluorescence emitted at the irradiation point propagates in the migration path 1 by total internal reflection and is transmitted to the end face. The fluorescence emitted from the end face is converted into a parallel light beam by the condenser lens 11 through the buffer tank 2.1, and after the light other than the fluorescence is blocked by the filter 12, it is formed on the photoelectric surface of the CCD camera 14 by the imaging lens 13. Imaged. The detector 14 is installed in the vicinity of the sample elution end of the capillary and at a position facing the sample elution end. As in this embodiment, as a result of detecting the fluorescence after transmitting it to the end face, it is possible to use all the solid angles at the irradiation point for irradiation. In this embodiment, 100 LED chips each having a size of 0.2 mm × 0.2 mm are arranged on a cylindrical surface having a diameter of 0.73 mm and a length of 2.27 mm with a clearance of 0.03 mm centered on the irradiation point. Therefore, the solid angle Ω = 2.1π where the light source is expected at the irradiation point, and a solid angle exceeding the limit of conventional one-side irradiation is realized. In the present embodiment, a high-brightness LED with a brightness of 8 × 10 4 W / m 2 / sr under standard operating conditions is used in continuous operation under standard conditions, and a filter with a transmittance of about 0.5 is used. The strength of 5.4 × 10 5 W / m 2 can be obtained. As a result, it is possible to obtain sufficient fluorescence detection sensitivity by using a camera lens of F number 1.2 as the detection lens.
In the present embodiment, the LEDs are arranged on the cylindrical surface, but of course, they may be arranged on a spherical surface including the irradiation point of the capillary. A parallel plane between two capillaries may be used. In either case, it is possible to realize an irradiation solid angle close to 4π, which is the absolute limit of the parallel plane solid angle.

図16は第8の実施例の概略図である。本実施例の基本構成は第7の実施例と同様であり,図16は照射点におけるキャピラリーに直交する面による断面図である。本実施例では,LED4.1〜4.4の光をそれぞれレンズ7.1〜7.4で平行化し,フィルタ8.1〜8.4でスペクトル純度を高めたのちに,レンズ9.1〜9.4で絞ってキャピラリー1に4方向から照射する。1方向について見ると,本実施例では各方向から1個で照射しているが,第1の実施例と同様に各方向でレンズ7.1-7.4の視野内に複数のLEDを配置しても勿論良い。4方向から照射しているため,トータルの照射立体角としては4倍のΩ=6 sr とすることができた。その結果,LEDを標準動作条件で連続駆動して照射点の強度4×105 W/m2を達成した。本実施例の効果として,LEDの使用個数が減らせるというメリットがある。本実施例では4方向から照射しているが,一般的にはnを任意の整数としてn方向からで照射してよい。また,本実施例では照射光の光軸をキャピラリーに直交する面内に配置しているが,この面に対して斜めの方向から照射しても勿論良い。 FIG. 16 is a schematic diagram of the eighth embodiment. The basic configuration of this embodiment is the same as that of the seventh embodiment, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along a plane orthogonal to the capillary at the irradiation point. In this example, the light from the LEDs 4.1 to 4.4 is collimated by the lenses 7.1 to 7.4, and the spectral purity is increased by the filters 8.1 to 8.4. Squeeze with 9.4 and irradiate capillary 1 from 4 directions. Looking at one direction, in this embodiment, one light is emitted from each direction. Of course, a plurality of LEDs may be arranged in the field of view of the lens 7.1-7.4 in each direction as in the first embodiment. good. Since irradiation was performed from four directions, the total irradiation solid angle could be 4 times Ω = 6 sr. As a result, the LED was continuously driven under standard operating conditions to achieve an irradiation spot intensity of 4 × 10 5 W / m 2 . As an effect of the present embodiment, there is a merit that the number of LEDs used can be reduced. In this embodiment, irradiation is performed from four directions, but in general, irradiation may be performed from the n direction with n being an arbitrary integer. In this embodiment, the optical axis of the irradiation light is arranged in a plane orthogonal to the capillary, but it is of course possible to irradiate this plane from an oblique direction.

図17は第9の実施例の概略図である。本実施例では,LED4.1〜4.8の光を光ファイバ(光伝達手段)14.1〜14.8に導入してから,キャピラリー1に照射している。この光ファイバの一方の端部はLEDの近傍に設置され,他方の端部はキャピラリー1の近傍に設置される。この結果,本実施例ではLEDを柔軟に配置できるという効果がある。また,本実施例では各光ファイバから1個のLEDからの光を導入しているが,各方向でレンズ7.1-7.4の視野内に複数のLEDを配置して複数のLEDからの放射光を各光ファイバに導入して勿論良い。   FIG. 17 is a schematic diagram of the ninth embodiment. In this embodiment, the light from the LEDs 4.1 to 4.8 is introduced into the optical fibers (light transmission means) 14.1 to 14.8 and then irradiated to the capillary 1. One end of the optical fiber is installed in the vicinity of the LED, and the other end is installed in the vicinity of the capillary 1. As a result, in this embodiment, there is an effect that the LEDs can be arranged flexibly. In addition, in this embodiment, light from one LED is introduced from each optical fiber. However, a plurality of LEDs are arranged in the field of view of the lens 7.1-7.4 in each direction to emit light from the plurality of LEDs. Of course, it may be introduced into each optical fiber.

図18は第10の実施例の概念図である。本実施例では電気泳動系,検出系は第7の実施例と同様である。異なるのは複数のLED4.1―4.10を第1の実施例のようにタイミングをずらしてパルス駆動してレンズ9で集光してキャピラリー1に照射している点である。レンズ9で集光しても,異なる発光点からの光はわずかにずれた位置に集光される。つまり発光しているLEDが時間的に変わるとともに照射位置が動く。第1の実施例では,直接照射点を固定された観測しているので,検出器14として,この照射位置の動きよりも大きい検出面を持つ光電子増倍管を使用した。本実施例では,発光点が固定されたキャピラリーの断面で,実質的に一点とみなしうるので,アバランシェフォトダイオードのように,検出面は小さいが,光電子増倍管より量子効率が高く,暗電流が小さい高感度な検出器を使用することが可能となる。   FIG. 18 is a conceptual diagram of the tenth embodiment. In this embodiment, the electrophoresis system and the detection system are the same as those in the seventh embodiment. The difference is that a plurality of LEDs 4.1-4.10 are pulse-driven at different timings as in the first embodiment, condensed by the lens 9, and irradiated onto the capillary 1. Even if the light is condensed by the lens 9, light from different light emitting points is condensed at a slightly shifted position. In other words, the emitting position changes as the emitting LED changes over time. In the first embodiment, since the direct irradiation point is observed, a photomultiplier tube having a detection surface larger than the movement of the irradiation position is used as the detector 14. In this embodiment, the cross section of the capillary with a fixed light emitting point can be regarded as a single point, so that the detection surface is small as in the avalanche photodiode, but the quantum efficiency is higher than that of the photomultiplier tube, and the dark current is high. It is possible to use a highly sensitive detector with a small.

低価格かつメンテナンスが簡便な電気泳動装置に利用できる。   It can be used for an electrophoresis apparatus that is inexpensive and easy to maintain.

実施例1の構成図。1 is a configuration diagram of Embodiment 1. FIG. 実施例1におけるLED駆動電流パルスのタイミングチャート。2 is a timing chart of LED drive current pulses in the first embodiment. LEDの駆動電流と輝度の関係。Relationship between LED drive current and brightness. 実施例1を用いて得られた電気泳動図。FIG. 5 is an electrophoretogram obtained using Example 1. 実施例2の構成図。FIG. 実施例3の概念図。The conceptual diagram of Example 3. FIG. 実施例3におけるLED駆動電流パルスのタイミングチャート。10 is a timing chart of LED drive current pulses in Example 3. 実施例3におけるLED支持体の動きの時系列。The time series of the movement of the LED support body in Example 3. FIG. 実施例4の概念図。The conceptual diagram of Example 4. FIG. 実施例4におけるLED駆動電流パルスのタイミングチャート。10 is a timing chart of LED drive current pulses in Example 4. 実施例5の概念図。The conceptual diagram of Example 5. FIG. 実施例6の概念図。The conceptual diagram of Example 6. FIG. 実施例7の概念図。The conceptual diagram of Example 7. FIG. 実施例7における照射点近傍の拡大図。FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of an irradiation point in Example 7. 実施例7におけるキャピラリーに直交する面による断面図。Sectional drawing by the surface orthogonal to the capillary in Example 7. FIG. 実施例8の概念図。The conceptual diagram of Example 8. FIG. 実施例9の概念図。The conceptual diagram of Example 9. FIG. 実施例10の概念図。The conceptual diagram of Example 10. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:泳動路,2.1〜2.2:バッファー槽,3:電源,4.1〜4.10,4.1.1〜4.10.10:発光ダイオード,5:支持体,6:電源,7:レンズ,8,8,8.1〜8.2:フィルタ,9:レンズ,10.1〜10.2:電極,11:レンズ,12:フィルタ,13:レンズ,14:検出器,20:検出点,21:アクチュエーター,30a〜30b:遮光部,91.1〜91.4:板ばね,92:電源,111:電線,131:円筒面。
1: Electrophoretic path, 2.1-2.2: Buffer tank, 3: Power supply, 4.1-4.10, 4.1.1-4.10.10: Light emitting diode, 5: Support, 6: Power: 7: Lens, 8, 8, 8.1-8.2: Filter, 9: Lens, 10.1-10.2: Electrode, 11: Lens, 12: Filter, 13: Lens, 14: Detector , 20: detection point, 21: actuator, 30a to 30b: light shielding part, 91.1 to 91.4: leaf spring, 92: power supply, 111: electric wire, 131: cylindrical surface.

Claims (17)

試料を泳動させるための泳動路と、
前記泳動路に電圧を印加する電圧印加部と、
複数の発光ダイオードと、
前記複数の発光ダイオードへパルス電流を印加するためのパルス発生部を具備する電源部と、
前記試料から発する光を検出する光検出部とを有し、前記パルス発生部は、前記複数の発光ダイオードのうち一定数の発光ダイオードが発光するように前記パルス電流の印加を制御することを特徴とする電気泳動装置。
A migration path for running the sample;
A voltage application unit for applying a voltage to the migration path;
A plurality of light emitting diodes;
A power supply unit comprising a pulse generation unit for applying a pulse current to the plurality of light emitting diodes;
A light detection unit that detects light emitted from the sample, and the pulse generation unit controls application of the pulse current so that a certain number of the light emitting diodes among the plurality of light emitting diodes emit light. Electrophoresis device.
前記泳動路と前記発光ダイオードとの間に配置される第1のレンズと、
前記第1のレンズを通過した光を前記泳動路上の被検出部位に集光する第2のレンズとをさらに有し、
前記一定数の発光ダイオードは前記第1のレンズの集光範囲に位置することを特徴とする電気泳動装置。
A first lens disposed between the migration path and the light emitting diode;
A second lens for condensing the light that has passed through the first lens on the detection site on the migration path;
The electrophoresis apparatus according to claim 1, wherein the predetermined number of light emitting diodes are located in a light condensing range of the first lens.
前記複数の発光ダイオードは、各々実質的に同一に波長の光を発することを特徴とする請求項1に記載の電気泳動装置。   The electrophoretic device according to claim 1, wherein each of the plurality of light emitting diodes emits light having substantially the same wavelength. 前記複数の発光ダイオードを設置するための支持部と前記支持部を移動させるためのアクチュエーターとを更に有し、前記アクチュエーターは前記一定数の発光ダイオードが前記集光範囲に位置するよう前記支持部を移動させることを特徴とする請求項2に記載の電気泳動装置。   A support unit for installing the plurality of light emitting diodes; and an actuator for moving the support unit, wherein the actuator is configured to dispose the support unit so that the fixed number of light emitting diodes are located in the light collection range. The electrophoresis apparatus according to claim 2, wherein the electrophoresis apparatus is moved. 前記複数の発光ダイオードは、前記支持部上に2次元に配置されることを特徴とする請求項4に記載の電気泳動装置。   The electrophoresis apparatus according to claim 4, wherein the plurality of light emitting diodes are two-dimensionally arranged on the support portion. 前記支持部は円筒であり、前記複数の発光ダイオードは前記支持部の外表面に設置されることを特徴とする請求項4に記載の電気泳動装置。   The electrophoresis apparatus according to claim 4, wherein the support portion is a cylinder, and the plurality of light emitting diodes are installed on an outer surface of the support portion. 前記円筒は、その軸を中心として回転することを特徴とする請求項4に記載の電気泳動装置。   The electrophoresis apparatus according to claim 4, wherein the cylinder rotates about its axis. 前記泳動路はキャピラリーであり、前記光検出部は前記キャピラリーの一部の近傍で前記光を検出することを特徴とする請求項1に記載の電気泳動装置。   2. The electrophoresis apparatus according to claim 1, wherein the migration path is a capillary, and the light detection unit detects the light in the vicinity of a part of the capillary. 前記泳動路はキャピラリーであり、前記光検出部は前記キャピラリーの試料溶出端近傍領域で前記光を検出することを特徴とする請求項1に記載の電気泳動装置。   2. The electrophoresis apparatus according to claim 1, wherein the migration path is a capillary, and the light detection unit detects the light in a region near the sample elution end of the capillary. 前記支持部に接触する電力供給手段をさらに有し、前記発光ダイオードは前記電力供給手段を介して電力が供給されることを特徴とする請求項4に記載の電気泳動装置。   The electrophoretic device according to claim 4, further comprising power supply means in contact with the support portion, wherein the light emitting diode is supplied with power through the power supply means. 前記光検出器は、光電子増倍管、フォトダイオード、又はCCDのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の電気泳動装置。   The electrophoresis device according to claim 1, wherein the photodetector is any one of a photomultiplier tube, a photodiode, or a CCD. 試料を泳動させるための泳動路と、
前記泳動路に電圧を印加する電圧印加部と、
前記泳動路に光を照射するための複数の発光ダイオードと、
前記泳動路の試料溶出端に対面して設置される検出器とを有することを特徴とする電気泳動装置。
A migration path for running the sample;
A voltage application unit for applying a voltage to the migration path;
A plurality of light emitting diodes for irradiating the migration path with light;
An electrophoretic apparatus comprising: a detector installed facing the sample elution end of the electrophoretic path.
前記複数の発光ダイオードは、各々実質的に同一に波長の光を発することを特徴とする請求項12に記載の電気泳動装置。   The electrophoretic device according to claim 12, wherein the plurality of light emitting diodes emit light having substantially the same wavelength. 前記泳動路は前記光を照射される被照射部位、及び前記被照射部位の両端の近傍の各々に第1の被遮光部位と第2の被遮光部位とを有することを特徴とする請求項12に記載の電気泳動装置。   The said migration path has a 1st light-shielded site | part and a 2nd light-shielded site | part in each of the irradiated site | part irradiated with the said light, and the vicinity of the both ends of the said irradiated site | part. The electrophoresis apparatus according to 1. 前記泳動路を囲んで設置される支持部をさらに有し、前記複数の発光ダイオードは、前記支持部の前記泳動路に対面する内壁面に設置されることを特徴とする請求項12に記載の電気泳動装置。   13. The apparatus according to claim 12, further comprising a support part installed around the migration path, wherein the plurality of light emitting diodes are installed on an inner wall surface of the support part facing the migration path. Electrophoresis device. 一方の端部を前記発光ダイオードの近傍に設置され、他方の端部を前記泳動路の近傍に設置される光伝達手段をさらに有することを特徴とする請求項12に記載の電気泳動装置。   13. The electrophoretic device according to claim 12, further comprising light transmission means having one end portion disposed in the vicinity of the light emitting diode and the other end portion disposed in the vicinity of the electrophoresis path. 前記複数の発光ダイオードへパルス電流を印加するためのパルス発生部をさらに有し、
前記パルス発生部は、前記複数の発光ダイオードのうち一定数の発光ダイオードが発光するように前記パルス電流を制御することを特徴とする電気泳動装置。
A pulse generator for applying a pulse current to the plurality of light emitting diodes;
The electrophoretic device, wherein the pulse generator controls the pulse current so that a certain number of light emitting diodes among the plurality of light emitting diodes emit light.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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