JP2010503841A - キャピラリー電気泳動による分離に続いて行われるテイラー分散の分析による、混合物の成分の流体力学的半径の決定 - Google Patents
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Abstract
(A)該混合物Mの成分は、キャピラリー電気泳動の技術を用い、そして該成分を該キャピラリー中に残すことにより分離され;
(B)工程(A)において分離された各成分を種々の帯域に含む、この仕方で得られる該キャピラリーの一方の端部において、検知し得るマーカーが、該キャピラリーの他の端部の側に配置された検知装置の領域中に注入され;
(C)工程(B)のマーカーが導入された該キャピラリー端部と該キャピラリーの他の端部との間に正の静水圧差が引き起こされ、それにより、テイラー分散の現象と協同して、該キャピラリー中に存在する種々の種の移動が引き起こされ、そして、工程(A)の間に分離された様々な成分及び最後には工程(B)の間に導入された該マーカーが該キャピラリーの出口における検出装置の前部に移行可能にされ、そして
(D)得られた該テイラー分散を分析することにより、該マーカーの検出時間及び各成分の溶離分布に基づいて、各成分について流体力学的半径が決定される。
【選択図】なし
Description
− 自由拡散(特に、W.Jorgenson及びK.D.Lukacs、Anal. Chem., 1981, 53, 1298)は、更に、比較的時間のかかる(long)技術であるという不利がある、
− 沈降技術、例えばK.E.Van Holde, R.L.Baldwin, J. Phys. Chem., 1958, 62, 734に記載のもの、
− パルスNMR技術、例えばE.O.Stejskal, J.E. Tanner, J. chem. Phys., 1965, 42, 288で教示されているもの、
− クロマトグラフ方法、例えばJ.Bos及びR. Tijssen、刊行物“Chromatography in the Petroleum Industry; J Chem library, Vol. 56; E.R. Adlard, Ed.; Elsevier, Amsterdam, 1995. に記述された流体力学的クロマトグラフィー(HDC).
この目的のため、特に、(i)屈折率、(ii)粘度及び(iii )各々の分離された画分についての(on each fraction)光の拡散、の3つの測定と組み合わせた分離的(separative)立体排除クロマトグラフィー(SEC)の利用が提案され、これは混合物中に存在する成分の寸法及び分子量(molar mass)分布の確定を可能にする。この技術は、特に混合物中の複数種の特性決定の前に様々な種を分離することが可能なため、動的光散乱よりも正確ではあるが、それでもなお、次のような特定の幾つかの不利がある:
− 第1に、大きく且つ取り扱いが複雑な装置のため、実施困難であり、
− 更に、特に、示差屈折法による屈折率の測定に基づいて溶質に関する(in terms of solute)濃度を確定するのに必要なdn/dC比(濃度による屈折率の変化)の決定を含むため、通常、長い又は非常に長い時間を必要とする、
− 更に、この技術では、特定の幾つかの種の特性決定が出来ない。特に、荷電された種の立体排除クロマトグラフィーにより特性決定は通常極めて困難であり、荷電された高分子は使用される固定相上に吸着される傾向があるため、その特性決定は特別に困難である。更に、クロマトグラフィー分離管中に生ずるせん断力は、一般に、ポリマーについては典型的に1,000,000 g/molより少ない分子量を持つ、小さい寸法を持つ種に対する立体排除クロマトグラフィーの使用を制限する。より一般的には、該固定相に対して不活性な化合物のみが立体排除クロマトグラフィーを用いて特性決定され得るのであって、この方法は、例えば、蛋白質、イオン性ポリマー(特に高分子電解質)、ラテックス、コロイド又は微生物タイプ、の化合物の分析を妨げる。
(A)該混合物Mの成分は、キャピラリー電気泳動の技術を用い、そして該成分を該キャピラリー中に残すことにより分離され;
(B)工程(A)において分離された各成分を種々の帯域に含む、この仕方で得られる該キャピラリーの一方の端部において、検知し得るマーカーが、該キャピラリーの他の端部の側に配置された検知装置の領域中に注入され;
(C)工程(B)のマーカーが導入された該キャピラリー端部と該キャピラリーの他の端部との間に正の静水圧差が引き起こされ、それにより、テイラー分散(Taylor dispersion)の現象と協同して、該キャピラリー中に存在する種々の種の移動が引き起こされ、そして、工程(A)の間に分離された様々な成分及び最後には工程(B)の間に導入された該マーカーが該キャピラリーの出口における検出装置の前部に移行可能にされ、そして
(D)得られた該テイラー分散を分析することにより、該マーカーの検出時間及び各成分の溶離分布に基づいて、各成分について流体力学的半径が決定される。
− 高い拡散係数を持つ分子は、それらのキャピラリー中の当初の位置に関係なく、殆ど同一の平均移動速度を持つ。これらの分子に対応するピークは、該速度分布によって大きくは広がらない。
− 逆に、低い拡散係数を持つ分子のピークは、該分散的速度分布によって非常に大きく広がる。
H = (2D/u) + (dc 2u/96D) (テイラー関係式)
式中:
Hは、該種のピークの理論平坦域(plateau)Hの高さ(該クロマトグラフィーピークの幅に直接つながった(directly linked))であり、次のように計算される。
H = (lsσt 2)/(td 2)、
式中:lsは、該管中の溶質の走行長さ、
tdは、該ピークの平均検出時間;そして
σt 2は、該ピークの時間分散(σt 2 =<(t−td)2>)
この関係式は、ガウスピークの特定の例に関する:
H = (lsδ2)/(5.54td 2)
・ uは、該流体力学的流れを受ける該種の直線移動速度であり;
・ dcは、使用された管の内径である。
D = (kT)/(6πηRh) (アインシュタイン関係式):
式中:
Kは、ボルツマン定数であり;そして
ηは、該種が分散している媒体の粘度である。
− 問題の種の移動速度(u);
− 該管中の該種による走行距離(ls)。
工程(B)に導入される該マーカーの特定の存在によって、工程(D)における様々な種の流体力学的半径の確定は非常に容易に可能である。
− 移動速度に関しては、それはマーカーの速度と同一であり、キャピラリー中に存在する全ての種が工程(C)において同一の速度で動くとして与えられる。即ち、分離された各々の成分の移動速度uは次のように計算される:
u = (L/td m)
式中:Lはキャピラリーの入口と検出器の間の距離を表し;
そして、td mは該マーカーの検出時間を示す。
各々の成分により走行される距離(ls c)は、問題の成分の検出時間(td c)から次の式を用いて計算される:
ls c = L.(td c/td m)
式中:Lはキャピラリーと検出器との間の距離を表し;そして
td cは問題の成分の検出時間を示し、
td mは該マーカーの検出時間を示す。
これらのデータに基づいて、拡散係数D及び従って流体力学的半径は、上記したテイラー及びアインシュタイン関係式を用いて、容易に計算される。
D = (dc 2u/96H) = (dc 2td 2u/96lsσt 2)
ガウスピークの場合は記述される
D = (dc 2u/96H) = (5.54dc 2td 2u/96lsw1/2 2)
本発明者等により開発されたこの方法は多くの利点を有する。
本方法の様々な変形及び好ましい実施態様は、以下により詳細に記載されるであろう。
本発明の方法は、混合物中の成分がキャピラリー電気泳動手法により分離され、そして数多くの成分についての場合は引続き検出される(有利には、UV吸収又は別法として特に蛍光又は電導度分析により)、時間に基づいて、混合物中に存在する多数の成分の寸法を精密に特性決定することを可能にする。成分が本発明の方法により分離される混合物Mは、かくして、実際上、キャピラリー電気泳動による分離に適した任意の混合物であり得る。該電気泳動法としては、特に、M.G. Khaledi in High Performance Capillary Electrophoresis, Chemical Analysis Series, vol. 146, (1998)又はS.F.Y.Liの刊行物”Capillary electrophoresis: princiles, practice and applications”, Journal of Chromatography Library, vol. 52, third edition (1996)が参照され得る。
このように、特定の実施態様によれば、混合物Mの成分の全て又は幾つかは、荷電された種である。現在知られている立体排除クロマトグラフィー技術と比べた本発明の利点の1つは、そのような荷電された種を分離及び特性決定できることである。この実施態様によれば、混合物Mは、同じ符号の電荷を持つ複数の荷電成分の混合物であり得るが、異なる符号の電荷を持つ成分の混合物もまた考えられ、該混合物は所望により非荷電の成分を含有し得る。
本発明の方法において、1つの、同一のキャピラリーが電気泳動分離工程(工程(A))及びテイラー拡散(工程(C))を行うために使用される。
実際上、電気泳動に適した任意のキャピラリーが本発明の方法に適しており、これらのキャピラリーはまた通常テイラー拡散にも適することが分かる。
しかし、この内径は、特に、測定の適正な感度を可能にし、且つ理論平坦域高さ(H)が直線移動速度(u)のアフィン関数(affine function)となるような条件を提供するため、10μm又はより大きく保持するのが好ましい。
本発明の方法の工程(A)は、電気泳動の手法による分離のための工程であり、それは、該混合物Mの成分の分離を、それらの供給量(charge)により又は供給量/全体量比(charger/mass ratio)により最上に行うため、それ自体知られている任意の手段を用いて実施され得る。
工程(B)では、管の先端においてマーカーが注入され、そして工程(c)において混合物の全ての成分の速度が決定されることを可能にし、そして、各々の成分による走行長さが決定され、それは工程(D)において流体力学的半径が確定されるのを可能にする。
− 適切な中性の化合物:ホルムアミド、ジメチルホルムアミド又はメシチルオキシド又はアセトン;
− 適切な荷電された化合物:イミダゾールタイプのマーカー(カチオン性マーカー)又は安息香酸又はナフタレンスルホネート(アニオン性マーカー)。
このテイラー拡散、そのメカニズムは特にG.Taylor, in Proc. Roy. Soc., A, 219, 186-203(1953)及びR.Aris, in Proc. Roy. Soc. Lond. A, 235, 67-77(1956)の論文により周知である、は、任意の公知の方法、例えば、Phys. Chem., 1974, 78, 2297-2301又はScience, 1994, 266, 773-776に記載された技術に従って実施され得る。
本発明の方法の状況においては、該テイラー分散は、工程(C)において、それを介して工程(B)のマーカーが導入されるキャピラリーの一端と該キャピラリーの他の端部との間に正の静水圧差を設けることにより引き起こされ、このように創られた圧力勾配は、出口方向への溶媒の明瞭な流れと、それによる様々な種(マーカー及び当初の混合物Mの成分)の検出器方向への明瞭な流れを引き起こす。
更に、工程(C)の間に適用されるキャピラリーの両端部間の圧力差は、特に工程(D)における流体力学的半径の可能な限り正確な測定を可能にするため、工程(C)の全期間実質的に一定に保つのが一般に好ましい。このように、有利には、この工程(C)の間、該減圧は、設定基準値(fixed referencevalue)に対して最大で±0.1 mbar (10 Pa)の範囲で変化する。しかし、この基準値は、殆どの場合は正確に決定されねばならないという訳ではない。
もう1つの有利な実施態様において、キャピラリーの両端部間の圧力差は、入口の溶媒貯槽とキャピラリーの出口のそれとの間の高さを変えることによって引き起こし得る。この実施態様は、付加的な圧力調整システムなしに工程(C)の全期間一定の圧力差が設定されるのを可能にするという限りにおいて一般に有利であることが分かる。
本方法の様々な態様と利点は、下記の実施例により、より明確に認識されるであろう。
本発明方法は、2種のポリマーP1及びP2を含む試験混合物について実施された。
− ポリマー P1:アクリルアミド(90モル%)と2-アクリルアミド-2-メチル-プロパン-スルホネート(10モル%)のランダムコーポリマーであって、チャージレベル(charge level)10%、平均分子量2×105 g/モル(ポリモレキュラリティーインデックス(polymolecularity index)2程度);
− ポリマー P2:ポリスチレンスルホネート(チャージレベル100%)で、平均分子量1.45×105 g/モル(ポリモレキュラリティーインデックス1.2未満)。
より正確には、該試験混合物は、ポリマーP1濃度5 g/l、ポリマーp2濃度0.5 g/lであるポリマーの水溶液である。
この方法の使用温度は25℃である。
キャピラリーは、前もって、80ミリモル、pH 9.2の硼酸塩緩衝水溶液(aqueous borate buffer)である分離電解液で充填された。このキャピラリー管の充填を行うために適用された圧力は1 bar(105 Pa)であった。キャピラリーには、この電解液が、電気泳動操作及びそれに続く工程の全期間に亘り供給された。
2種のポリマーP1及びP2を含む混合物(m)が、次いで、40 mbar(4000Pa)の圧力を3秒適用することによりキャピラリーの入口において導入された。
この注入に続いて、キャピラリーの入口と出口の間に26kVの電位差を60秒適用することにより、電気泳動が行われた。
ポリマーP1及びP2の分離はこのようにキャピラリー中で行われ、行われた電気泳動操作の条件下で、コーポリマーP1は、ポリマーP2よりも速くキャピラリーの出口方向に移行した。
電気泳動に続いて、適用された電位差が解除され、そして、キャピラリーの入口において、ホルムアミドの0.03容積%水溶液が注入され、導入されたホルムアミドはこの方法の残りの工程においてマーカーとして機能した。ホルムアミドの注入は、40 mbar(4000 Pa)の圧力を3秒適用して行われた。
上記工程(b)のマーカーの導入に続いて直に、キャピラリー中に存在する様々な画分についてテイラー拡散を起こさせるために、流体力学的圧力ΔPがキャピラリーの入口に適用された。このように適用された圧力は、該マーカーが該キャピラリーの出口で検出されるまで維持された(順に、ポリマーP1が始めに排出され、次いでP2、次いでマーカーが排出される)。
各々の場合、該複数種の各々について検出時間が測定された(該過剰圧力の適用開始と該検出器の領域での検出の時の間で測定された時間)。
例えば、35 mbarの減圧については、次の検出時間が測定された。
コーポリマーP1: td p1 = 2.418分
ポリマーP2: td p2 = 4.482分
マーカー: td m = 6.859分
中間高さの幅 w1/2 も、対応するポリマーP1及びP2のクロマトグラフィーピークの各々について測定された。
各々の場合、該マーカーの検出時間に基づき、移行速度(u)が該マーカー(検出時間において31.5 cm動いた)について確定された。この速度は工程(a)の開始時にキャピラリー中に存在する全ての分析される試料について同一でありそしてポリマーP1及びP2の各々について検出時間が測定されるので、テイラー拡散の間での各々のポリマーの走行長さ(ls)がそれから得られ(この長さは、各々のポリマーの検出時間に移行速度を掛けた値に等しい)、それによりテイラー関係式に従って各々の場合に各々の成分のピークの分散Hの決定が可能となる。
対応する拡散係数Dは、対応する流体力学的半径Rhと共に下記の表に示される。
表はまた、参照として、ポリマーP1及びP2の各々について単独状態で(taken in isolation)得られた拡散係数Drefの測定結果を含み、それは、本方法で得られた結果が完全にこれら参照値に対応することを確証する。
アインシュタイン関係式に基づき計算した値。
(**) コーポリマーP1単独についてテイラー分散分析の手法により計算した値。
(***) 次の等式により計算した値:
D = (kT/6 πη)×(10 πηNA/3[η]M)1/3
式中、NAはアボガドロ数である。水中、イオン力(ionic force) 0.1MにおけるPSSの固有粘度は、[η] = 1.68 10−4 M0.68、dL/gを単位とした[η]として(Macromolecules, 1983, 17, 1698-1704)。
本発明の方法は、実施例1と同様の条件下で、試験混合物について実施された。
− 実施例1のポリマーP1、及び
− 配列(5’-TCCTTTGTTTGTG)に従った、13単位に基づくオリゴヌクレオチドであるDNA鎖。
実施例2で試験された混合物は、より正確には、7.5 g/l のポリマーと0.98 g/lのDNA鎖を含む水溶液である。
使用されたキャピラリー及び条件は実施例1と同じである。
Claims (9)
- 次の工程を含む、混合物Mの成分の分離及びその成分の流体力学的半径決定のための方法:
(A)該混合物Mの成分は、キャピラリー電気泳動の技術を用い、そして該成分を該キャピラリー中に残すことにより分離され;
(B)工程(A)において分離された各成分を種々の帯域に含む、この仕方で得られる該キャピラリーの一方の端部において、検知し得るマーカーが、該キャピラリーの他の端部の側に配置された検知装置の領域中に注入され;
(C)工程(B)のマーカーが導入された該キャピラリー端部と該キャピラリーの他の端部との間に正の静水圧差が引き起こされ、それにより、テイラー分散の現象と協同して、該キャピラリー中に存在する種々の種の移動が引き起こされ、そして、工程(A)の間に分離された様々な成分及び最後には工程(B)の間に導入された該マーカーが該キャピラリーの出口における検出装置の前部に移行可能にされ、そして
(D)得られた該テイラー分散を分析することにより、該マーカーの検出時間及び各成分の溶離分布に基づいて、各成分について流体力学的半径が決定される。 - 工程(D)において、該混合物の成分の全て又は幾つかが荷電された種である、請求項1に記載の方法。
- 該混合物Mが、荷電されておらずそしてミセルモードにあるキャピラリー電気泳動の手段により分離され得る成分を含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 該混合物Mの成分が、分子、高分子、分子又は高分子の会合物、粒子、コロイド、分散媒に不溶な液滴、粒子凝集物、ポリマー及び/又は微生物の凝集物である、請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。
- 該使用されるキャピラリーの内径が10〜100マイクロメーターである、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。
- 該使用されるキャピラリーの長さが、20cm〜1m、例えば30〜50cmである、請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。
- 工程(B)で導入される該マーカーが、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、メシチルオキシド、アセトン、イミダゾールタイプのマーカー、安息香酸及びナフタレンスルホネートから選ばれる、請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
- 工程(C)の間該キャピラリーの末端間に適用される減圧が、この工程の全期間実質的に一定である、請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。
- 該工程(A)、(B)及び(C)が、該混合物の異なった試料について、夫々の場合工程(B)で課される圧力差のみを変化させ、他の全てのパラメーターは変化させずに数度繰り返され、それにより異なった圧力についてピーク分散及びキャピラリー中の移動速度の種々の値が確定され、それは該移動速度に従って夫々の成分について該ピーク分散の直線的な展開線が引かれることを可能にし、その傾斜は問題の成分の拡散係数を確定し、それに基づいて該成分の流体力学的半径が計算される、請求項1〜8の何れか1項に記載の方法。
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