JP2010522881A - 無色透明被覆毛管を用いる毛管電気泳動法 - Google Patents

Abstract

硬質／光透過性外装被覆またはクラッドを有する毛管。一実施形態において、無色透明外装被覆は硬質フルオロポリマーを含む。硬質フルオロポリマー被覆は石英ガラスに結合し、より高い強度及び優れた静的疲労性能を与え、この結果、大きく改善された曲げ可撓性が得られる。毛管の薄い硬質フルオロポリマー被覆は、より高い初期引張強度、より長い寿命（応力腐食または静的疲労への対抗力）及び蛍光ベース検出のために励起光及び放出光を直接透過させ得る優れた能力を提供する。

Description

関連出願の説明

本出願は２００７年３月２６日に出願された米国仮特許出願第６０/９１９９８４号の優先権を主張する。この仮特許出願の明細書は、その全体が、本明細書に述べられているかのように、本明細書に参照として含まれる。本明細書の開示で以下に挙げられるその他の特許出願明細書、特許明細書、文書及び文献の全ては、それぞれの全体が、本明細書に述べられているかのように、本明細書に参照として含まれる。

本発明は毛管電気泳動法に関し、特に、毛管電気泳動分析の実施に用いるための改善された毛管に関する。

合成石英ガラス毛管が、ガスクロマトグラフィ、毛管液体クロマトグラフィ及び毛管電気泳動（ＣＥ）法の普及している分野を含む、分離科学に広く用いられている。合成石英ガラス毛管の１９７０年代末期における出現以来、製品品質において着実な進歩が見られた。軟質フルオロポリマー被覆を施すことによる導光石英ガラス毛管が、この間断ない発展における最新段階である[非特許文献１を見よ]。合成石英ガラスの純度向上、外装被覆の耐久性向上及び許容度仕様の厳格化が毛管の進歩における要である。研究者等は高屈折率液体で満たした毛管を用いて光導波路を形成することに成功した。特定の用途の１つに、低屈折率軟質フルオロポリマー外装被覆毛管がラマン分光装置に用いられた[ディー・チェ（D. Che）及びエス・リゥ（S. Liu）の、名称を「長毛管導波路ラマンセル（Long Capillary Waveguide Raman Cell）」（１９９７年）とする、特許文献１を見よ]。導光用途に使える製品ではあるが、軟質フルオロポリマー被覆毛管では、毛管電気泳動タイプの装置の使い捨て大容積多チャネル毛管ゲルカートリッジに望ましい低コストまたは耐久性が達成されることは全くなかった。

高性能毛管電気泳動（ＨＰＣＥ）法は現在、強力な電気流動法の集合を表し、そのインパクトは生化学分析の事実上全領域に及んだ[非特許文献２，３，４及び５を見よ]。ＨＰＣＥ法はゲル電気泳動法に対する微量流体手法であり、その最大の利点は広大な応用範囲である。蛍光ベース検出型ＣＥ技術は、信頼できる高分解能／高感度検出ツールとして、バイオテクノロジー工業により普通に受け入れられている[非特許文献６を見よ]。

高スループットの用途に多毛管／チャネルを用いる、レーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）検出機構を備える既存の市販ＣＥシステムは計測器の構造及び動作が複雑になっている。これらのシステムでは、ポリイミド外装被覆が施され、無色透明窓領域（すなわち、窓領域においてはポリイミド外装が除去されている）を検出区域にもつ石英ガラス毛管が用いられる。そのような多チャネル用途には軟質フルオロポリマー被覆毛管が用いられていなかった。ポリイミド被覆（外装）は強度を提供し、小外径ガラス毛管の破損を防止する。蛍光ベース検出のため、ポリイミド外装は毛管の検出区域において除去されなければならない。毛管の内径内を移動しているかまたは流れている試料（生体分子）からの蛍光信号の励起及び直接発光検出／収集のため、毛管の検出区域はいかなるポリイミド材料または粒子も全くないようにして石英ガラス管を通る無色透明光路を設けることが肝要である。

蛍光検出のために毛管の検出区域においてポリイミド外装を除去して無色透明光学窓を設けるため、ポリイミド外装は、（電熱コイルを用いる）熱印加により焼き取るか、酸でエッチングするか、（例えばカミソリの刃を用いて）機械的に削り落とすかまたは除去することができるであろう。あるいは外装は様々な波長及び／またはタイプのレーザを用いる光エッチング法または光アブレーション法によって除去できるであろう。このプロセスは多大な労力が必要であり、窓（ガラス表面）に全くポリイミド外装またはその他のいかなる粒子もないことを確かめるために、除去プロセス後に高倍率でガラス表面を慎重に検査する必要がある。ポリイミドも可視光の下で蛍光性であり、このため検出路における複雑性がさらに高くなる。検出区域における（たとえば３〜５ｍｍ長区画の）ポリイミド外装の除去も、微少クラックが生じるかまたは完全な破損に至り得る、裸の毛管が露出する弱接合の元になる。被覆材料／外装の除去中に検出区域に印加される過剰な熱または機械的応力も石英ガラス管の外径及び内径に、目には見えないかまたは高倍率の下でも検出できない、微少クラックを生じさせ、これもＤＮＡフラグメント分析タイプＣＥ計測器のような、ＣＥタイプ計測器における総合検出限界（ＬＯＤ）に影響を与える背景蛍光を強め得る。

米国特許第５６０４５８７号明細書

マカンバー・ジョー（Macomber Joe），ネルソン・ゲイリー（Nelson Gary）著，「導光石英ガラス毛管（Light Guiding Fused Silica Capillary Tubing）」，LCGCにて印刷，APPLICATION NOTEBOOK，２００２年６月，ｐ.４８ エム・ブイ・ノボトニー（M. V. Novotny），ジェイ・サドール（J. Sudor），J. Electrophoresis，１９９３年，第１４巻，ｐ.３７３〜３８９ エム・ブイ・ノボトニー著，「高性能毛管電気泳動法：理論、手法及び応用（High Performance Capillary Electrophoresis, Theory, Techniques and Applications）」，（米国ニューヨーク），ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons），１９９８年，第２１章，ｐ.７２９〜７６５ エム・ブイ・ノボトニー，Methods Enzymol.，１９９６年，第２７０巻，ｐ.１０１〜１３３ エム・ステファンソン（M. Stefansson），エム・ブイ・ノボトニー著，「グライコバイオロジーでの技法（Techniques In Glycobiology）」，（米国ニューヨーク），マーセル・デッカー（Marcel Dekker），１９９７年，第２６章，ｐ.４０９〜４３０ エイ・ガットマン（A. Guttman），エヌ・クック（N. Cook），Anal. Chem.，１９９１年，第６３巻，ｐ.２０３８〜２０４２

本発明の課題は、ＣＥ用ポリイミド被覆毛管の欠点を克服する、構造保全性を有する低コストで光効率の高い毛管を提供することである。

本発明の一態様は、光透過性すなわち無色透明の硬質外装被覆毛管に向けられる。一実施形態において、光透過性すなわち無色透明の被覆毛管は光透過性すなわち無色透明の硬質フルオロポリマーの外装被覆またはクラッドを有する。硬質フルオロポリマー被覆は石英ガラスに結合してより高い強度及び優れた静的疲労特性を与え、この結果大きく改善された曲げ可撓性が得られる。毛管の薄い硬質フルオロポリマー被覆は、より高い初期引張強度、より長い寿命（応力腐食または静的疲労への対抗力）及び、蛍光ベース検出のための、優れた励起光及び放出光の外装直接透過能力を提供する。硬質ポリマー被覆毛管は、固有蛍光が小さく、したがって背景散乱が少なくなり、また、従来技術のポリイミド外装が除去された裸ガラスタイプの毛管に比較して、ＤＮＡフラグメントゲル毛管電気泳動タイプの応用に対し、少なくとも同じ信号対雑音性能を示す。無色透明被覆毛管を用いることにより、窓焼取りは必要とされず、この結果、コスト節減（手作業が減る）が得られ、電気泳動タイプ計測器の高信頼性ゲルカートリッジアセンブリのための検出区域内での優れた毛管強度が得られる。毛管の検出区域（窓）は硬質フルオロポリマー外装被覆で完全に覆われるから、脆弱なガラス毛管のクラックまたは破損を生じさせずに、毛管の中心腔にある分離された試料に励起光を送り込むためまたは試料からの放出光を収集するための光ファイバの密結合（すなわち、光結合効率がより高くなる毛管外表面の接触）も可能になる。別の利点は、薄いポリマー被覆の上から直接に毛管をダイアモンド折開によって毛管を切断できることであり、この結果、遠端（切断面）に外装の持逃げが全くないクリーンカットガラス面が得られる。これにより、製造歩留がさらに向上し、この結果、総アセンブリコストがさらに低減される。

本発明の別の態様は、本発明の無色透明被覆毛管を用いる、ＣＥシステム及びＣＥ実施方法に向けられる。

図１は本発明の一実施形態にしたがう毛管電気泳動システムを表す略図である。 図２は本発明の一実施形態にしたがうトラッキングデバイスを有する毛管カートリッジの斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態にしたがう、図２の毛管カートリッジを用いる生体分析計測器の斜視外観図である。 図４は、本発明の一実施形態にしたがう、図３の生体分析計測器の斜視内部図である。 図５は本発明の一実施形態にしたがう生体分析計測器のための制御システムのブロック図である。 図６は本発明の一実施形態にしたがう検出システム及び印加電力に関する毛管カートリッジの略図である。 図７は本発明の一実施形態にしたがう検出システムに関する毛管カートリッジの斜視部分図である。 図８は本発明の一実施形態にしたがう透明硬質フルオロポリマー被覆を有する毛管の一部を示す。

本発明の性質及び利点の、また好ましい使用モードの、さらに十分な理解のためには、添付図面とともに読まれる以下の詳細な説明が参照されるべきである。図面において、類似の参照数字は全図面を通して類似または同様の要素を指す。

本発明は以下で図面を参照しながら様々な実施形態を参照して説明される。本発明は本発明の目的を達成するための最善のモードに関して説明されるが、当業者には、本発明の精神または範囲を外れずに本教示の観点において変形がなされ得ることは当然であろう。

本発明は、毛管電気泳動システムに用いるための、高い構造保全性を有する、低コストで光効率の高い毛管を提供する。

ＣＥシステムの概要
毛管電気泳動（ＣＥ）法は、全般的には、電気泳動に対する微量流体手法（ゲル電気泳動を簡易化するためのマイクロチャネルデバイス）である。その最大の利点は広大な応用範囲である。ＣＥ技術は、特にＤＮＡまたは核酸ベースの検査における信頼できる高分解能／高感度検出ツールとして、バイオテクノロジー工業で普通に受け入れられている。レーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）を用いるＣＥも、高速、高感度及び高分解能の生体分析／検査（例えば、ＤＮＡ、糖質、等）に対する最も強力な分析ツールの１つである。

図１は本発明の一実施形態にしたがう毛管電気泳動（ＣＥ）システム２００の略図である。ＣＥシステム２００は一般に、（例えば、内径が５〜２００μｍの）分離チャネル３６を定める、（例えば、外径が２００〜５００μｍの）毛管分離カラム２２を備える。本発明にしたがえば、毛管カラム２２は、以下でさらに開示されるように、（光透過性の）無色透明外装被覆をもつ（同じく光透過性の）石英ガラスでつくられる。分離カラム２２の内壁（すなわち、分離チャネル３６の壁）は、試料成分の電気泳動及び／または動電学的移動を容易にするために静電荷を蓄積することができる材料で被覆することができる。分離チャネル３６は、規定された動作及び分析条件の下で特定の生物学的試料（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質または糖質タイプの試料）のために調合されたランニングバッファまたは篩分けゲルバッファとすることができる、分離支援媒質で満たされる。

毛管カラム２２の一端はランニングバッファ／ゲル３４の貯槽２８に浸される。毛管カラム２２の他端は試料バイアル２６に結合される。その他の検出構成がＣＥシステム２００と同様のシステムに実施されることは当然である。光検出器２４が検出区域３０における毛管壁の光透過性区画の外側に配置される。本発明にしたがい、毛管カラム２２の硬質光透過性外装被覆が与えられれば、毛管カラム２２の長さ方向の壁全体を特定の試料検査に望ましいように検出区域３０を配置するために利用できるであろう。励起ファイバ１６が光源１８（例えばＬＥＤまたはレーザ）から延び、カラム壁の外側の検出区域３０に導かれる。毛管カラム２２の硬質光透過性被覆は検出区域において石英ガラス毛管本体に構造的支持を与えるに十分に強く、よって毛管カラム２２の検出区域３０に構造保全性を与えるための外装スリーブまたは支持体は必要ではないであろうことに注意されたい。これは、検出区域において光信号が妨害されないであろうから望ましい。カートリッジアセンブリの一部である電極１２及び１４が、電気泳動路を完成させるため、バッファ貯槽２６及びゲル貯槽２８に結合される。

ＣＥ分離及び分析の概要
動作において、試料バイアル２６内の、標識フルオロフォア（すなわち、臭化エチジウムまたはＡＰＴＳ）を含む、作成された生物学的試料（例えば、ＤＮＡまたは糖質の試料）が毛管２２の検出区域３０から遠い側の端に、多くの手段の内のいずれか（例えば、試料貯槽からの動電学的注入）によって導入される。

ＤＣ電圧（例えば、１〜３０ｋＶ）が電極１２と１４の間に印加されると、試料成分が印加電圧の下で分離チャネル３６に沿って移動し（例えば、負に帯電したＤＮＡ分子は図１に示されるように正電極に向かい篩分けゲルを通って進む）、試料成分（例えば、ＤＮＡフラグメント）の帯に分かれる。分離の大きさ及び分離チャネル３６に沿う移動距離は、試料成分の易動度、試料成分の質量及び大きさまたは長さ及び分離支援媒質のような、多くの要因に依存する。試料の分離に対する分離チャネル３６内の駆動力は、電気泳動、圧力または電気浸透（ＥＯＦ）の手段とすることができるであろう。

試料が検出区域に達すると、検出区域において励起光が励起ファイバ１６を通して向けられる。試料成分はそれぞれの試料成分の濃度に比例する（蛍光性標識材料の量に比例する）強度で蛍光を放出する。検出器２４が入射光の波長とは異なる波長の放出蛍光の強度を検出する。検出された放出光は既知の方法で分析することができる。自動システムについては、電子回路基板６４（図４）上の（図５に関して以下で論じられる）コントローラ３２がＣＥシステム２００の動作を制御する。

毛管カートリッジ
本発明の一態様にしたがえば、電気泳動法用の無色透明外装被覆を有する上述した毛管カラム２２は、保管、運搬または再使用のためシステムから取り外すことができる、着脱可能カートリッジの一部とすることができる。様々な毛管特性（例えば、毛管径、内部被覆及び長さ）、例えば様々なゲルの化学的性質で識別される、内容物、をもつ様々なカートリッジを前もって組み立てることができる。カートリッジ及びその内容物を識別するために目視表示を与えることができる。例えば、（例えば、バーコード付）ラベルまたは分離情報シートをカートリッジに付すことができる。さらに、カートリッジの再使用可能性及びカートリッジの内容物の定められた使用または保管期限の観点において、カートリッジ使用履歴を追うために分離ログを特定のカートリッジに付帯させることができる。ＣＥ計測器で使用するための再使用可能毛管カートリッジは、特定のカートリッジに付帯する情報を自動的に追うための機構を有し得るであろう。カートリッジ追跡データキーの特徴は、同時係属の米国特許出願第１１/０２２３１３号の明細書にさらに十分に説明されている。この明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

図２は、本発明の一実施形態にしたがう、追跡データキーを有するＣＥカートリッジの斜視図である。多チャネル毛管カートリッジ１００はカートリッジ本体に支持された毛管１４０によって定められる１２の（図１に参照数字３０で簡略に示される）検出区域を有し、それぞれの毛管は上で論じた毛管カラム２２と同様である。データキー５００が（例えば、図示されるように、繋索またはコード５１０によって）カートリッジ１００に付帯する。データキー５００に関する詳細は米国特許出願第１１/０２２３１３号明細書に開示されている。カートリッジ１００は、使い捨て及び／または携帯可能で、交換可能なカートリッジアセンブリ１００の一部として試料の分離及び検出に用いられる、１２チャネル石英ガラス毛管アレイを有する。図２に示されるカートリッジ１００は、長さが１２〜１８ｃｍの、１２本の毛管１４０を支持する。カートリッジ１００は、カートリッジ１００が（以下で論じられる）図３及び４に示されるＣＥシステムに装着されたときに、インターフェース機構３００によって、不活性で互換であるかまたは非反応性のガス（例えば、窒素、圧縮空気、ＣＯ_２、等）の交換可能圧縮ガスカートリッジまたは加圧ポンプのような、ガスモジュール型圧縮ガス源７８に直接に結合される、毛管１４０の全てに共通の上部アウトレットバッファ貯槽１３０と一体化される。ガス管、圧力バルブ及びソレノイド制御を含む、適切な圧力配管が備えられる（そのような配管の詳細は、システム２００の機能、特徴及び動作の本明細書における開示が与えられればそのような配管を構成することは十分に当業者の範囲内にあるから、省略される）。圧力源７８は、貯槽１３０に収められた篩分けゲルで１２本の毛管の全てを満たし、再充填プロセス中に毛管から前のランに用いたゲルをパージするに必要なガス圧を提供する。ゲルの粘度に依存して、４０ｐｓｉ（２.８×１０^５Ｐａ）までの圧力をゲルで満たされた貯槽１３０を通して毛管１４０に印加することができる。

図６を参照すれば、ゲルカートリッジ１００は、毛管１４０の全てに共通である、分離支援媒質（例えば、ゲルマトリックスバッファ）１３１を収めている一体貯槽１３０を有する。媒質１３１の化学的性質及び毛管１４０の特性（例えば、毛管径、被覆及び長さ）はそれぞれのカートリッジ１００について定められる。使い捨てゲルカートリッジ１００は、試料（例えば、糖質またはＤＮＡ）フラグメントの高速（短分離時間）及び高分解能分離を提供するため、低電流（すなわち、低抵抗）及び低粘度タイプの調合された線状ポリマーゲルマトリックスと組み合わされた小腔内径毛管（すなわち、内径１０〜１００μｍ、長さ１２〜３０ｃｍ）をもつパッケージとすることができる。特別に調合された分離バッファ／ゲルマトリックスと組み合わされた細腔毛管（１２毛管カートリッジ）は、ゲルマトリックスにいかなる損傷も与えずに、または総合分離分解能を損なわずに、＜１２０μＡ（一般には１０〜２０μＡ）の総電流で２５０回ないしさらに多くの連続ランを達成できる。

カートリッジゲル貯槽１３０には１２本の毛管１４０の全てに対して（図１の陽極１４と等価な）内蔵共通陽極１３２が装備され、毛管１４０のそれぞれの垂下端には外部同軸陰極１３４が備えられる。陽極１３２及び陰極１３４は、カートリッジがシステム２００内に装着されると、インターフェース機構３００によって電気泳動のための高圧電源７６（図４）に自動的に接続される。カートリッジの温度制御を与えるため、カートリッジ１００に隣接する構造上にファンまたはペルチェ冷却器（図示せず）を設けることができる。さらに、または代わりに、カートリッジは空気（計測器側面からカートリッジに導入されるべき温度制御された空気）循環のための（流入及び流出）ベント穴を有することができる。ＣＥ分離中に発生する熱に依存して、補助冷却機構を用いずに、単にカートリッジを周囲温度にさらすことができる。

一実施形態において、カートリッジ１００は図３及び４に示される自動ＣＥシステム２００に受け入れられる。以下でさらに説明されるように、カートリッジに供給されるべきＤＣ電力を電源６６（図４）がＣＥシステム２００に供給する。

カートリッジのさらなる詳細については同時係属の米国特許出願第１０/０５９９９３号の明細書を参照することができる。この明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

生体物質分離システムにおいて、特定試料ベース分離に適するように、様々なカートリッジを容易に交換することができる。短い細腔毛管を特別な篩分けゲルと組み合わせることにより、ＤＮＡ、糖質、等のような生体分子の大量／低コスト選別のために高速、高分解能及び高性能の分離／結果を達成するための高印加電圧（例えば、１０ｋＶ）において、毛管の冷却を必要としない、低動作電流（＜２００μＡ）が得られる。

無色透明被覆毛管
本発明の一態様は、上で論じたゲルカートリッジ１００に用いることができるであろう、硬質で光透過性すなわち無色透明な外装被覆をもつ毛管または毛管カラムに向けられる。図８を参照すれば、一実施形態において、無色透明被覆毛管カラム２２は、石英ガラス毛管８０２上に無色透明硬質フルオロポリマー被覆またはクラッド８００を有する。無色透明被覆毛管の市販実施形態は米国アリゾナ州フェニックス（Phoenix）のInnovaQuartz Inc.から入手できる、ＴＥＱＳ（商標）クラッドシリカ毛管，パーツ番号：HOSBX075/363（内径７５μｍ，全外径３６３μｍ）である（他の寸法の被覆毛管も入手できる）。

硬質フルオロポリマー被覆の組成それ自体は本発明の発明者等にとって新規なものではない。適するフルオロポリマー材料の例は、（Technology Enhanced Clad Silicaを表す）「ＴＥＣＳ」という名称で、３Ｍ社（Minnesota Mining and Manufacturing Company）によって開発されており、「被覆またはクラッド付光ファイバに対する光ファイバ市場（optical fiber trade for coating or cladding optic fibers）」に十分に記述されている。米国特許第４６５４２３５号、第５００２３５９号、第５６９０８６３号、第５４６１６９２号、第７３１７８５７号、及び米国特許出願公開第２００５/０２５４７６５号のそれぞれの明細書も参照できる。硬質フルオロポリマー被覆は中間緩衝層を用いず直接に石英ガラス毛管体に施すことができる。同じ硬質フルオロポリマー膜で裸の毛管に被覆またはクラッドを施すプロセスは、同じフルオロポリマーで光ファイバに被覆またはクラッドを施すプロセスと同様である。

一実施形態において、石英ガラスの無色透明クラッドの組成は、１００％の、一官能価モノマーまたは多官能価モノマーの反応性組成から作成される。これらの組成の成分は（１つまたは複数の）フッ素含有一官能性アクリレートモノマーまたはメタクリレートモノマーの低分子量ポリマーとすることができ、そのようなポリマーは可溶性であり、１つまたは複数のフルオロカーボンアクリレートまたはフルオロカーボンメタクリレートモノマーに溶解されるが、そのような塩基性ポリマーである必要はない。クラッドの組成は、二官能価または多官能価のアクリレートまたはメタクリレートのような、架橋モノマーを用いるかまたは用いずに作成することができる。クラッドには、熱開始剤または光開始剤あるいはその他の重合開始系及び、アクリル酸またはメタクリル酸、シラノールアクリレートまたはシラノールメタクリレート、アルコキシシランアクリレートまたはアルコキシシランメタクリレート、あるいはアルコキシビニルシラン、アリールアクリレートまたはアリールメタクリレートのような、１つまたは複数の定着剤を用いることもできる。

無色透明被覆毛管の外径は２００〜５００μｍ、内径は５〜２００μｍとすることができる。無色透明被覆の厚さは５〜５０μｍとすることができる。

硬質フルオロポリマー被覆は石英ガラスに結合して、より高い強度及び優れた静的疲労性能を与え、この結果、曲げ可撓性が大きく改善される。毛管の薄い硬質フルオロポリマー被覆は、より高い初期引張強度、より長い寿命（応力腐食または静的疲労への対抗力）及び、図８に示されるような、蛍光ベース検出のための励起可視光の直接被覆透過及び放出光の直接被覆透過を可能にする優れた能力を提供する。硬質ポリマー被覆は固有蛍光が小さく、これにより、従来技術のポリイミド外装が除去された裸ガラスタイプ毛管に比較して、低い背景散乱が得られ、ＤＮＡフラグメントゲル毛管電気泳動タイプ応用について少なくとも同じ信号対雑音性能を示す。無色透明被覆毛管を用いることにより、窓焼取りが必要ではなく、これにより、コスト節減（手作業が減る）が得られ、電気泳動タイプ計測器の高信頼性ゲルカートリッジアセンブリのための検出区域内の優れた毛管強度が得られる。毛管の検出区域（窓）は硬質フルオロポリマー外装被覆で完全に覆われているから、脆弱なガラス毛管のクラックまたは破損を生じずに、励起光を送り込むためまたは毛管の中心腔にある分離された試料からの放出光を集めるために密な光ファイバ結合（すなわち、光結合効率がより高くなる毛管外表面の接触）も可能になる。別の利点は、薄いポリマー被覆の上から直接に毛管をダイアモンド折開またはレーザ折開／切断によって毛管を切断できることであり、この結果、遠端（切断面）において外装の持逃げが全くないクリーンカットガラス面が得られる。これにより、製造歩留がさらに向上し、この結果、総アセンブリコストがさらに低減される。無色透明ポリマー被覆をもつガラス毛管の切断／折開プロセスの簡易化により、新しい計測器の光検出システム設計が簡単になり、これにより、製造コストの低減が得られ、同時に信頼性及び再現性が向上する。

無色透明フルオロポリマー外装被覆は毛管の全長を覆うことができ、あるいは検出区域を定めるために毛管の長さ方向のある区画だけを覆うことができる。毛管の少なくとも検出区域は、光誘起蛍光検出のための励起光及び放出光が無色透明被覆を透過するための無色透明窓を定めるため、無色透明被覆で覆われるべきである。毛管の全長を硬質透明無色被覆で外装することにより、特定のＣＥ実験に適切なようにどこにでも検出区域を定め得ることに注意されたい。従来技術のポリイミド被覆毛管と比較すると、毛管の特定の区画においてポリイミド被覆を除去することによって検出区域を定める必要がない。さらに、硬質無色透明外装被覆により、破損またはその他の損傷から毛管を保護するための外装スリーブまたはその他の支持体が必要ではない。硬質無色透明被覆は検出区域において毛管に十分な構造的支持を与え、よって検出区域における外部支持は必要ではないであろう。したがって、光検出コンポーネント（例えば、励起及び／または検出のための光ファイバ）及び光信号を妨害し得る外部構造はないであろう。

多毛管カートリッジベースＣＥシステム
本発明の譲受人の、（eGene Inc.が完全に所有する）BioCal Technology Inc.はＣＥベース自動計測器（例えば、モデルＨＤＡ-ＧＴ１２分析器システム）を開発した。自動計測器の図示される実施形態は、高感度／高確度生体分析検出システムを形成するため、低コスト／高感度光検出技術、一体化試薬カートリッジ及び微量流体電気泳動原理を実時間蛍光分析のために導入している、BioCalのＣＥ計測器に基づく。このシステムは、スループットが高く、使用が容易であり、携帯型であり、安価で、非常に頑丈であって、現場作業／応用のためであるように、設計されている。BioCalによって開発されたカートリッジは本計測器で支持されるように設計され、全ての基本カートリッジ要素は計測器の支持要素に位置合わせされ、結合される。カートリッジは、カートリッジの毛管分離チャネルに対して移動させることができる、試料トレイに対して保持される。

図４はＣＥシステム２００（例えば、糖質分析器またはＤＮＡ分析器）の内部コンポーネントの全体斜視図である。図３はシステムの外観図である。ＣＥシステム２００には、本発明の一実施形態にしたがう、インターフェース機構３００が組み込まれている。インターフェース機構３００は、本発明の一実施形態にしたがう、多チャネルカートリッジ１００を支持し、よって、多チャネル分離カラムの容易な取扱いを提供し、ＣＥシステム２００の検出光学系への検出区域の容易な光結合を可能にする。

全自動ＣＥシステム２００は、試料トレイ支持フレーム８１を有するモジュール型Ｘ-Ｚ機構８０を支持する、基体７４を有する。Ｘ-Ｚ機構８０はバッファプレート７０を支持し、インターフェース機構３００によって支持される多毛管カートリッジ１００に対して移動させ、また必要に応じて備えられる試料作成デバイス２５０に保持することができる試料ホルダ（例えば、９６ウエルマイクロ滴定プレート７２）を支持する。詳しくは、機構８０はカートリッジ１００に対してＸ方向に沿って支持フレーム８１を移動させるためのＸ機構８２及び、支持フレーム８１及びカートリッジ１００に対してＺ方向に試料トレイ及びバッファトレイを移動させるためのＺ機構８３を有する。試料作成デバイス２５０は、備えられていれば、熱電コントローラ６８（図５を見よ）で制御することができる。

図６及び７も参照すれば、１２個の励起ＬＥＤ９２１が（１０〜１００Ｈｚのサンプリング周波数で）時間多重化されて、１２本の分離マイクロチャネル（毛管１４０）への多重信号をつくり、次いで、比例する１２の時間スタガ放出蛍光信号（図７）が１２の微少球レンズ９２３で集光されて、１２本の発光検出光ファイバ（１２フィバアレイ）９２２に結合される。結合された光は、フィルタブロック９２４によって単一の光電子増倍管（ＰＭＴ検出器）２４に渡される。ゲルカートリッジ１００はＣＥ分離のための１２本の石英ガラス毛管１４０を支持する（図６及び７）。

ＣＥシステム２００のインターフェース機構３００のその他の構造及び動作については、同時係属の米国特許出願第１０/８２３３８２号の明細書を参照することができる。この明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。カートリッジインターフェースにより、使い捨てゲル入り毛管カートリッジ１００への迅速で信頼できるインターフェース接続が達成される。そのようなインターフェース接続には、（図７には示されていない）圧気接続、高電圧接続（陽極１３２及び陰極１３４）及び精密光接続が含まれる。インターフェースは、例えば９６ウエル滴定プレートに見られる、外部試料またはバッファの溜に対する毛管先端の位置決めを含む、ＣＥシステム２００の支持要素に対するカートリッジのコンポーネントの位置を正確に定めるための、カートリッジの精確で再現性のある機械的位置決めも提供する。さらに、インターフェースがそれぞれの分離チャネルに、個別の、電気接続、光接続及び圧気接続を提供すれば、電気クロストーク及び光クロストークに対するチャネル間絶縁及び計測器の他の要素の高電圧からの絶縁が得られるであろう。

検出システム
それぞれの全体が本明細書に参照として含まれる、米国特許第６８２８５６７号及び第６８７０１６５号の明細書が、ＣＥシステム２００に適合させることができる時間スタガ／多重検出方式をさらに詳しく開示している。

一実施形態において、光誘起可視蛍光検出のための励起光の波長は４００〜７００ｎｍの範囲にあり、励起光で誘起される放出光の波長の一般に同様の範囲にある（例えば、励起波長範囲は（５００ｎｍが中心の）４００〜６００ｎｍであり、発光検出範囲は（６００ｎｍが中心の）５００〜７００ｎｍであろう）。励起光源９２１（図７）は超高輝度ＬＥＤ（すなわち、米国Agilent社の、青色、緑色等のＩｎＧａＮ ＬＥＤ）、またはその他の、本発明の検出方式に用いるための安価／小型／低パワー光源とすることができるであろう。ＩｎＧａＮ材料技術に基づくそのような超高輝度ＬＥＤ（Agilent社のHLMP-CB15及びHLMP-CM15）は２.５〜３ｍＷの平均光出力パワーを有する。これらの青色−緑色ＩｎＧａＮ ＬＥＤのスペクトル特性はそれぞれのピーク波長が４７０ｎｍ及び５３０ｎｍにあり、３０〜５０ｎｍのそれぞれの半値幅（ｎｍ）は励起スペクトルが４５０〜５５０ｎｍの範囲の染料（例えば、フルオレセイン、ローダミン、臭化エチジウム、チアゾールオレンジ）の励起に用いられ得る優れた候補である。パルス駆動し得るいかなる固体光源も、いかなる染料またはフルオロフォアとともに本タイプの時間多重検出のために用いることができるであろう。これらのＬＥＤの応答時間は非常に速い（１Ｈｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲において数１００ｎｓ）から、高い光ピークを得るために、より大きな順電流でパルス駆動することができるであろう（例えば、１５〜３０ｍＡ、ただしパルスモード動作では順電流を１００ｍＡまで上げることができるであろう）。ＬＥＤのパルス動作は一般にトランジスタ駆動回路で達成することができる。ＤＣ動作よりかなり高いピークＬＥＤ光出力を，低デューティサイクルにおいて大駆動パルス電流で実現することができる。別の例は緑色５２４ｎｍＬＥＤからなるＬＥＤアレイモジュールであり、これも低コストＣＥ計測器の蛍光検出のための励起光源として適合させることができる。例えば、４００〜９００ｎｍの範囲、さらに詳しくは４０〜６００ｎｍの範囲のレーザダイオードも用いることができる。

フィルタブロック９２７（図７）は、５００〜７００ｎｍ（または、さらに詳しくは５７０〜６３０ｎｍ）長波長通過光フィルタ（OG-590）とすることができる。

自動システム２００の制御
ＣＥシステム２００は、システムの様々なコンポーネントを動作させるための組込コントローラを備える。Ｉ/Ｏポート４００を備えるインターフェース機構３００、検出システム、電源、Ｘ-Ｙ制御システム等を含む、ＣＥシステム２００の動作は、本明細書に説明される機能を統御するため、外部ユーザ制御インターフェース（例えばＰＣ９１８）とインターフェースするコントローラ３２によって制御される。

図５も参照すれば、本発明の一実施形態にしたがうＣＥシステム２００のためのコントローラ３２のブロック図が示される。コントローラ３２は、検出器２４（例えば、ＰＭＴ）から受け取られる検出信号を、ＣＰＵ９１０からの命令によってＣＥシステム２００のそれぞれの要素に及びそれぞれの要素から信号を転送及び受信するためのＬＥＤスキャンＰＣＢＡインターフェース９１４から入ってくる、対応するデジタル信号に変換するため、ＣＰＵ９１０をもつＡ/Ｄボード（ＬＥＤプロセッサＰＣＢＡ）９１２の要素としてのプロセッサを有する。Ａ/Ｄ（ＬＥＤプロセッサＰＣＢＡ）インターフェース９１２は、少なくとも、高電圧電源７６，（図２のインターフェース機構３００では隠れて見えない）圧気系７８，モーター制御（Ｘ-Ｚ試料バッファトレイ）８０、及び（図２のインターフェース機構３００には詳細が示されていない）インターロック（カートリッジ及び搬送ドア）６１及び６２を（インターフェース機構３００を用いて）制御及び接続するため、インターフェース機構３００の様々なアクチュエータ及びＩ/Ｏポート４００に接続される。Ａ/ＤすなわちＬＥＤプロセッサＰＣＢＡ９１２は、ＣＥシステム２００の試料注入及び電気泳動機能のための高電圧電源７６，励起光源（例えば、ＬＥＤ）９２１を変調するための回路（ＬＥＤスキャンボード）９１４及びＣＥシステム２００の検出器モジュール２４も制御する。励起光源の変調の詳細については同時係属の米国特許出願第１０/０６００５２号の明細書を参照することができる。この明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

Ａ/Ｄ（ＬＥＤプロセッサＰＣＢＡ）９１２はさらに外部パーソナルコンピュータ９１８に接続することができ、パーソナルコンピュータ９１８は続いて、例えば、自動多チャネルＣＥシステム２００の様々な機構及び機能を制御するためのBioCalのBioCalculatorソフトウエアを用いて、ＣＥシステム２００のためにデータ処理機能または追加の制御機能を実施する。

コントローラ３２のコンポーネントは、ＰＣ９１８を除いて、ＣＥシステム２００に搭載される、電子回路ボード６４（図４）及び冷却ファン６３としてパッケージ化して、シリアルポート（図示せず）を介してＰＣ９１８に電気的に接続することができ、あるいはＣＥシステム２００の外部の独立コントローラモジュールの要素とすることができる。ＣＰＵ９１０及び／またはＰＣ９１８はＣＥシステム２００のための様々な制御機能及び特徴を達成するようにプログラムされる。一実施形態において、ＰＣ９１８はＣＥシステム２００に対するユーザ制御インターフェース（例えば、インターフェース機構３００の接続シーケンスのユーザによる開始）を提供するように構成することができる。本明細書に開示される機能及び特徴が与えられれば、プログラムコードの実装は当業者の範囲内にあるであろう。別の実施形態において、コントローラ３２またはそのコンポーネントはＰＣ９１８の要素として組み込むことができる。

ＣＥシステムの動作
毛管カートリッジ１００及びデータキー５００が計測器に嵌め込まれてしまうと、カートリッジＩＤ及び前もってプログラムされたカートリッジ１００で利用できるラン数がＩ/Ｏポート４００を介してＣＥシステム２００に読み込まれる。ＣＥシステム２００は、ＣＥシーケンスを開始する前に、アルゴリズムを用いてプロセスサイクルを完了するに十分なランが毛管カートリッジに残っているか否かを判定することができる。残っていなければ、ＣＥシステム２００はエラーメッセージを表示することができ、シーケンスは停止される。毛管カートリッジ１００に利用できるランが十分にあると判定されれば、ＣＥシーケンスが開始され、ラン数がＣＥシステムによって記録されるであろう。分析終了時に、残りのラン数が計算され、格納のためにデータキー５００に送られる。

計測器のコントローラ３２は、カートリッジ１００を「認証」し、特定のカートリッジ１００が行われるべき特定の試料分析に対して適正な特性（例えば、ゲルの化学的性質、チャネル／毛管数）を有しているか否かを判定するための完全性チェックを行うように構成することができる。計測器は、ユーザが特定のカートリッジの使用を許可されているユーザ階級に入っていることを確認することもできる。さらに、計測器はカートリッジ１００の使用に関する情報（例えば、使用履歴、シーケンス／方法工程／パラメータ設定、患者ＩＤ、検査パラメータ及び、おそらくは、検査結果）を送信／記録することができる。そのような情報により、前回のカートリッジ使用から格納された情報が更新される。さらに、データキー５００に関して上で論じたデータ及び情報に関する読出及び書込を制御することができる。計測器は、ユーザが特定のカートリッジに適用したい検査プロトコルが適正であることを認証し、先に述べたような、何らかの限定、制限または制約があるか否かを判定するための、その他のチェックを行うことができる。

ＣＥ分析の作業において、それぞれの毛管１４０に試料（または検体）を導入するために、試料ハンドリングトレイ搬送機構８０が、９６（８×１２）ウエルプレート７２及びバッファトレイ７０とともに、用いられる。Ｘ-Ｚ搬送機構８０が微量滴定プレート７２の試料保持ウエル７３の列を毛管１４０の先端の列の下に割り送りし、先端をウエル内に浸す。電圧の印加によって、動電学的注入が既知の量の検体を分離カラム１４０の始端に移動させる。注入後、試料トレイ７２からの検体はトレイ７２からのランニングバッファで置き換えることができる。あるいは、注入後に、検体を収めている１２のウエルを置き換えるために、搬送機構８０が割送りを行って滴定プレート７２の１２ウエル列をカートリッジ１００の毛管１４０の下の位置に移動させることができる。

毛管１４０の総長にかけて高電圧を印加することによって、検体の分離が達成される。フラグメントが毛管１４０の終端に達して検出区域に入ると、（例えば、１２のＬＥＤから光ファイバで送られる）励起光エネルギーが移動しているフラグメントを照射する。検出方式は、米国特許第６８２８５６７号及び第６８７０１６５号の明細書に開示されているような、時間スタガ態様とすることができる。これらの明細書は本明細書に参照として含まれる。

異なる試料による次回のランを準備するため、前回のランの古いゲルは、貯槽を加圧して新鮮なゲルで毛管を再充填することで、毛管からパージされる。トレイ７０はクリーニング溶液、集められた廃液及び試料を運ぶ。パージされたゲルはトレイの１つの廃液収集ウエル列に毛管の先端の位置を定めることによってトレイ７０の１つに集められる。毛管の先端は、適切なトレイウエルに毛管の先端の位置を定めて水またはクリーニング溶液に浸すことによって、水またはクリーニング溶液で洗浄することができる。毛管が再充填され、次回のランの準備ができると、トレイ７２の位置を再び定めることによって毛管の先端が試料に浸される。上述したプロセスシーケンスはコントローラ３２の自動機能の１つとしてプログラムすることができる。インターフェース機構３００は、上述したように、高電圧、ガス圧、ＬＥＤ光源及び検出光学系のような、ＣＥシステム２００の支援要素のカートリッジとのインターフェースを提供する。

分析完了後、カートリッジ１００は取り出すことができ、後刻または後日の別の分析に必要とされるときに再使用できる。異なるラン条件で分析を行いたければ、異なる属性及び特性を有する異なるカートリッジを代わりに用いることができる。本発明のデータキー機構は様々な互換カートリッジの使用の記録を自動で取り、ユーザがそのような記録を手動で取る必要をなくすであろう。

本発明を特に、好ましい実施形態に関して示し、説明したが、本発明の精神、範囲及び教示を逸脱せずに、形態及び詳細に様々な変更がなされ得ることが当業者には当然であろう。

例えば、インターフェース機構は別の構造形態の毛管カートリッジを受け入れるように構成することができる。限定ではなく、例として、毛管電気泳動法及び光誘起蛍光検出に関して本発明の検出方式を説明した。燐光、ルミネセンス及び化学ルミネセンスのような別のタイプの発光を含む、蛍光発光以外の発光の検出にも、またＵＶ及び可視吸収ベース検出にも、本発明を適用できることは当然である。さらに、説明した実施形態において分離チャネルは円筒カラムまたはチューブで定められるが、本発明の概念は（正方形、長方形、または実質的に半円の断面のような）様々な断面をもつカラムまたはチューブに等しく適用できることは当然である。

したがって、開示される本発明は単なる説明と見なされるべきであり、添付される特許請求の範囲で特定される範囲にしか限定されない。

１２，１４ 電極
１６ 励起ファイバ
１８ 励起光源
２２ 毛管カラム
２４ 検出器
２６ 試料バイアル
２８ ゲル貯槽
３０ 検出区域
３２ コントローラ
３４ ランニングバッファ／ゲル
３６ 分離チャネル
１００ 多チャネル毛管カートリッジ
２００ 毛管電気泳動（ＣＥ）システム
８００ 透明硬質フルオロポリマー被覆
８０２ 石英ガラス毛管

Claims (13)

1. 毛管において、
   細長い透明チューブ体、及び
   前記チューブ体上の硬質光透過性被覆、
   を有し、
   光の前記硬質被覆透過を可能にすることを特徴とする毛管。
2. 前記硬質光透過性被覆が硬質被覆ポリマーを含むことを特徴とする請求項１に記載の毛管。
3. 前記硬質被覆ポリマーがフルオロポリマー材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の毛管。
4. 生体分析用カートリッジにおいて、
   本体、
   少なくとも１本の、前記本体に支持された、請求項１から３のいずれか１項に記載の毛管、
   前記毛管と流体が通じる貯槽、及び
   前記貯槽に容れられた、電気泳動分析のために調合された分離マトリックス、
   を有することを特徴とするカートリッジ。
5. 複数本の毛管が前記カートリッジの前記本体に支持されており、前記毛管のそれぞれが光透過性被覆で覆われ、前記貯槽が前記複数本の毛管に共通であることを特徴とする請求項４に記載のカートリッジ。
6. 生体分析システムにおいて、
   基体、
   請求項４または５に記載のカートリッジ、
   前記基体上に支持された、前記カートリッジとインターフェースする、カートリッジインターフェース、及び
   前記カートリッジインターフェースの動作を制御するための、前記カートリッジインターフェースに動作可能な態様で接続されたコントローラ、
   を備えることを特徴とする生体分析システム。
7. 前記毛管のそれぞれの検出区域に光結合された検出システムをさらに備え、前記検出システムが、少なくとも、前記検出区域に導かれる励起光、または前記検出区域からの放出光の検出を備えることを特徴とする請求項６に記載の生体検出システム。
8. 前記検出システムが光誘起蛍光検出を備えることを特徴とする請求項７に記載の生体分析システム。
9. 前記励起光及び前記放出光の波長が一般に４００〜７００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項７または８に記載の生体分析システム。
10. 生体分析のための方法において、
    請求項４または５に記載のカートリッジを提供する工程、
    前記毛管のそれぞれの一端に試料を導入する工程、
    前記試料を成分に分離するために、前記毛管のそれぞれに沿う電気泳動分離を施す工程、及び
    前記分離された成分を分析する工程、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記分離された成分が、前記毛管のそれぞれの検出区域に光結合された検出システムを用いて分析され、前記検出システムが、少なくとも、前記検出区域に導かれる励起光、または前記検出区域からの放出光の検出を備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記検出システムが光誘起蛍光検出を備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記励起光及び前記放出光の波長が一般に４００〜７００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。

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