JP2014190719A - 電気泳動チップ - Google Patents

Abstract

【課題】濃縮されたターゲットを均一にキャピラリーに分布させその単位体積当たりのターゲットの数を正確に計測する電気泳動チップを提供する。
【解決手段】電気泳動チップは、基板に、第一の電極６を有する第一のリザーバー１と、第二の電極７を有する第二のリザーバー２と、を設け、前記基板の下面には、マイクロ流体チップ４を配置し、前記マイクロ流体チップ４に設けられたキャピラリー１０の底部はターゲット捕獲層５ｄで形成され、前記キャピラリー１０は、前記第一のリザーバー１と前記第二のリザーバー２とを連通し、前記キャピラリー１０に対して平行な面となるように形成された導電体膜５ｂが、絶縁膜５ｃを介して、前記ターゲット捕獲層５ｄに対向して配置されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気泳動液中のターゲット数を計測する電気泳動チップに関する。

電気泳動は、ＤＮＡ／ＲＮＡ、タンパク質などの生体高分子を分析・分取する際に広く用いられ、近年、さまざまな分野への応用が期待されている。同時に、このマイクロ流路技術には、一段と高い分離能と分析精度が求められている。

こうした電気泳動に用いられる試料溶液の濃縮方法や電気泳動チップとして、たとえば、特許文献１ないし特許文献３の技術が知られている。

特許文献１に開示された技術においては、導入部から投入された微粒子分散液が、重力により下降し、微小幅の流路の微小移動部に達する。このとき、電源に接続された電極から発生する電界により、微粒子は回収部側に移動した後、そのまま回収部に回収され、所定の濃縮比で微粒子が濃縮される。

特許文献２に開示された技術においては、電気泳動チップの流路の内壁面が、電解液に触れると正または負に帯電し、これによって生じる電気浸透流が測定対象物を電気泳動させ、この測定対象物を特異的結合物質として捕捉している。

特許文献３の開示された技術においては、電気泳動チップの導入槽と回収槽との間に電位差を生じさせ、キャピラリーを通過する試料溶液を連続的に分析することを可能にしている。

特開２００６−２０５０９２号公報 特開２０１２−１９４０１５号公報 国際公開２００８／１３６４６５号公報

一般的にキャピラリー電気泳動とは次のような現象をいう。まず、キャピラリー内を緩衝液で満たし、続いて正極あるいは負極側から試料溶液を投入した後、キャピラリーに電圧を印可すると電位差が生じ、試料溶液の各成分は電気泳動による移動速度と電気浸透による移動速度のベクトルの和をもって、正に荷電した成分は負極側に移動し、負に荷電した成分は正極側に移動する。この現象を利用して、電圧印加から検出までの時間、吸光スペクトル、等により、各成分の定性・定量が行われる。

しかしながら、特許文献１ないし特許文献３に開示される濃縮方法や電気泳動チップでは、電圧を印加し電位差を生じさせる際、キャピラリーの近傍に生じる外部電界の影響を何ら考慮していないため、試料溶液濃度や各成分の移動速度が変化し、分析の精度が劣る場合があった。

そこで、本発明は、濃縮されたターゲットを均一にキャピラリーに分布させ、その単位体積当たりのターゲットの数を正確に計測することが可能な電気泳動チップを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の電気泳動チップは、基板に、第一の電極を有する第一のリザーバーと、第二の電極を有する第二のリザーバーと、を設け、前記基板の下面には、マイクロ流体チップを配置し、前記マイクロ流体チップに設けられたキャピラリーの底部はターゲット捕獲層で形成され、前記キャピラリーは、前記第一のリザーバーと前記第二のリザーバーとを連通し、前記キャピラリーに対して平行な面となるように形成された導電体膜が、絶縁膜を介して、前記ターゲット捕獲層に対向して配置されていることを特徴とする。

この構成によって、直接電極から生じる電場に起因する外部電界をキャンセルし、電気泳動液に導通する電流に起因する内部電界を一定に保つことができる。これにより、ターゲットを均一にキャピラリー内に濃縮分布させることができ、ターゲットの数を正確に計測することが可能になる。

また、本発明の電気泳動チップは、前記第一のリザーバーもしくは前記第二のリザーバーのいずれか一方のリザーバーは、他方のリザーバーを泳動するターゲットの移動方向に沿って、垂直方向の断面積が一定であることが望ましい。この構成により、第一もしくは第二のリザーバーの中での電界が一定となるばかりでなく、ターゲットの体積移動速度も一定となり、よりターゲットの濃縮率を安定化させることが可能となる。

また、本発明の電気泳動チップは、前記第一のリザーバーもしくは前記第二のリザーバーのいずれか一方のリザーバーは、仕切りフィルターによって第一領域と第二領域とに分割され、前記第二領域は前記第一の電極を含み、前記第二領域を泳動するターゲットの移動方向に沿って、前記第二領域の垂直方向の断面積が、増大することが望ましい。この構成により、第一の電極に負とし第二の電極を正とする電圧を印加したときに、これらの電極から生じる電場に起因する外部電界を利用して、第一のリザーバー内の電気泳動液の濃縮率を大きくすることができる。

また、上記の導電体膜は、前記導電体膜は、酸化亜鉛透明導電膜または酸化インジウム透明導電膜であることが望ましい。これらの膜構成であれば、膜の電気抵抗が小さくできるため、ターゲットの移動が滑らかになり、分散性が一段と向上する。

また、本発明の電気泳動チップは、絶縁体がＳｉＯ２膜であることが望ましい。この構成により、電気泳動液との絶縁がより確実になり、さらにはターゲット捕獲層を形成しやすくなる。

また、前記導電体膜を第一の検出電極とし、前記第一の検出電極の一方の面に誘電体と第二の検出電極とが順次積層されていることが望ましい。この構成により、ターゲットの濃縮率を安定化させ、ターゲットの質量の検出精度を向上させることができる。

本発明によれば、濃縮されたターゲットを均一にキャピラリーに分布させ、その単位体積当たりのターゲットの数を正確に計測することが可能な電気泳動チップを提供することができる。

本発明に係る実施の形態１の斜視図 実施の形態１の分解図 実施の形態１の平面図 図３のＩＶ−ＩＶ断面図 実施の形態１における第一の電気泳動液１８および第二の電気泳動液１９の配置図 電気泳動の動作を表す説明図 磁気ビーズの表面にターゲットを吸着させた状態を表すイメージ図 ターゲット捕獲層上に固定されたターゲットおよび磁気ビーズを表すイメージ図 電気泳動に作用する内部電界の説明図 電気泳動に作用する外部電界の説明図 導電体がない場合の外部電界の分布を示す図 実施の形態１における外部電界の分布を示す図 本発明に係る実施の形態２の斜視図 実施の形態２の外観平面図 実施の形態２における外部電界の分布を示す図 実施の形態３における水晶発振子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサーの断面図 水晶発振子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサーをマイクロ流体チップ４の下面に配置したときの断面図 実施の形態３の平面図 水晶発振子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサーで計測する手法についての説明図

以下、本発明の実施の形態について、図１から図１９を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る電気泳動チップ１００の斜視図である。
図２は、実施の形態１に係る電気泳動チップ１００の分解図である。

図１、２を参照しながら、実施の形態１の電気泳動チップ１００を説明する。

電気泳動チップ１００は、第一のリザーバー１と第二のリザーバー２とが、透明な材料からなる基板３を貫くように設けられ、第一および第二のリザーバーの底部を形成するように、基板３の下側にキャピラリー１０が形成されたＰＤＭＳ製（正式名称：ジメチルポリシロキサン）のマイクロ流体チップ４が取り付けられている。また、マイクロ流体チップ４の下部にはターゲットを検出する検出装置５が設けられている。第一のリザーバー１に設けられた第一の電極6に電源３１の負極が接続され、第二のリザーバー２に設けられた第二の電極７に電源３１の正極が接続されている。また、基板３の上方にはキャピラリー１０に導かれたターゲットを光学的に計測するために設けられた光学的検出装置３０が設けられている。

第一のリザーバー１および第二のリザーバー２は、電気泳動液の蒸発を防ぐため、透明な樹脂性のカバー１１で覆われ、第三のチューブ１２がこのカバー１１を通過して第一のリザーバー１には接続され、第四のチューブ１３がこのカバー１１を通過して第二のリザーバー１３に接続されている。

マイクロ流体チップ４は、折れ曲がった溝状のキャピラリー１０が切り抜かれ、その両端部、１０ａ、１０ｂは、円形に切り抜かれている。第一のチューブ８は、カバー１１に設けられた開口部８ｂおよび基板３に設けられた貫通穴８ａを貫き、キャピラリー１０の一方の端部１０ａに接続されている。同様に、第二のチューブ９は、開口部９ａおよび貫通孔９ｂを貫き、キャピラリー１０の他方の端部１０ｂに接続されている。

検出装置５は、ベース５ａと、ベース５ａの上面に形成された導電体膜５ｂと、この導電体膜５ｂ上に形成されたＳｉＯ２膜のような絶縁膜５ｃと、さらにこのＳｉＯ２膜上の、ＤＮＡを捕獲する分子を整列させ固定化するためのターゲット捕獲層５ｄとからなっている。ターゲット捕獲層５ｄは、ポリフッ化ビニリデン、ナイロンまたはニトロセルロースのような物質から形成され、最も好ましくは、化学的に改変されたポリフッ化ビニリデンの複合ターゲット捕獲層である。絶縁膜５ｃは、その表面にターゲット捕獲層５ｄを形成できる絶縁膜であればＳｉＯ２膜以外の絶縁膜であっても構わないが、ＳｉＯ２膜であれば、電気泳動液との絶縁がより確実になり、ターゲット捕獲層を形成しやすくなる。

続いて、図３を用い実施の形態１における第一および第二のリザーバーについて詳しく説明する。

第一のリザーバー１の底には、キャピラリー１０に通じる縦孔１５が形成されている。同様に、第二のリザーバー２の底には、キャピラリー１０に通じる縦孔１４が形成されている。第一のリザーバー１の断面部は、Ｘ方向に対して断面積が一定であることが望ましい。第一の電極６は接地され、第二の電極７に正の電圧が印加された場合、第一のリザーバー１付近の外部電界Ｅ´は、第二の電極７から離れているので、電界分布がほぼ均一となり電気泳動の速度は一定となる。第一のリザーバー１の断面積が一定であると、ターゲットの体積移動速度も一定となる。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。

縦孔１４とキャピラリー１０の間には、第二のフィルター１７が配置されている。第二のフィルター１７は電気泳動液のみが通過できターゲットは通過できない程度の細かいフィルターである。フィルターは、ミリポア社製のシュアベント（登録商標）のような市販品を、ターゲットの大きさに応じて、０．０００１μｍから１００μｍの孔サイズのフィルターを使い分ければよい。

一方、縦孔１５とキャピラリー１０の間には、第一のフィルター１６が配置されている。この第一のフィルター１６は、第二のフィルター１７に比較して粗いフィルターとなっており微小なターゲットは通過可能となっている。第一のフィルターと同様にミリポア社製のシュアベント（登録商標）をターゲットの大きさに応じて使い分ければよい。

続いて、図５から図１２を用い実施の形態１における動作をより詳細に説明する。

図５は実施の形態１における第一の電気泳動液１８および第二の電気泳動液１９の配置を示した図であり、第二の電極７に正の電圧が加えられたときに、ターゲット２０が第一のリザーバー１から第二のリザーバー２に向かってキャピラリー１０の中を矢印の方向に沿って移動することを示した概略図である。

ここで、図６を用いキャピラリー１０内に流れる電流ｉによる内部電界Ｅによってターゲット２０が移動させられる電気泳動速度について説明する。

実施の形態１の電気泳動チップを用いたターゲット２０の移送において、以下の値は、式（１）から式（５）の関係を満足する。
Ｅ：内部電界
ｉ：電流
Ｓ：キャピラリーの断面積
Ｌ：キャピラリーの長さ
Ｖ：印加電圧
ρ：電気泳動液の比抵抗 （Ωｃｍ）
Ｒ：電気抵抗 （Ω）
Ｕ：移動速度
Ｗ：体積移動速度
μ：電気泳動速度の比例定数
ｍ：機械的流路損失
γ：ターゲットの濃縮率

キャピラリーの長さをＬ、キャピラリーの断面積をＳ、比抵抗ρの電気泳動液の電気抵抗をＲ、としたとき、式（１）の関係を満たす。
Ｒ＝ρ・Ｌ／Ｓ ・・・（１）

印加電圧をＶ、電気泳動液に流れる電流をｉ、この電流ｉによって生じる内部電界をＥとしたとき、式（２）の関係を満たす。
Ｅ＝Ｖ／Ｌ＝ｉ・Ｒ／Ｌ＝ｉ・ρ・Ｌ／Ｓ・Ｌ＝ｉ・ρ／Ｓ ・・・（２）

ターゲット２０が移動する速度をＵ、内部電界をＥ、μは電気泳動速度の比例定数をμ、機械的流路損失をｍとしたとき、式（３）の関係を満たす。
Ｕ＝μ・ｍ・Ｅ＝ｍ・ｉ／Ｓ・ρ ・・・（３）

ここでターゲット２０移動速度Ｕとキャピラリー断面積Ｓの積は、単位時間当たりのターゲット２０の体積移動速度Ｗとなるから、この体積移動速度Ｗは、式（４）で表される。
Ｗ＝Ｕ・Ｓ＝μ・ｍ・ｉ・ρ ・・・（４）

つまり、式（４）において、体積移動速度Ｗは、電流ｉと電気泳動液の比抵抗ρで表され、キャピラリーの断面積Ｓには関与しないことが分かる。言い換えれば、キャピラリー断面積Ｓが変化しても単位時間当たりのターゲット２０の体積移動速度Ｗは変わらないことを示している。

なお、電気泳動の場合、機械的流路損失ｍは圧力による流体移動と異なりキャピラリー側面の摩擦抵抗の影響は受けにくいと考えられる。したがって、電気泳動によるターゲット２０の濃縮率γは、第一のリザーバー１内での単位時間当たりの体積移動速度をＷ１、比抵抗をρ１とし、キャピラリー内での単位時間当たりの体積移動速度をＷ２、比抵抗をρ２としたとき、式（５）で表される。
γ＝Ｗ１／Ｗ２＝ρ１／ρ２ ・・・（５）

図５、６の他に、図７、８を用い、電気泳動におけるターゲット２０の数の計測方法について、説明を続ける。第一の電気泳動液１８は、図７に示すように、表面にターゲット２０を吸着させた第一の磁気ビーズ２１を含んでいる。ターゲット２０はたとえば、ＤＮＡの断片あるいはタンパク質などである。この第一の磁気ビーズ２１の大きさは直径数μｍ程度である。

第一のリザーバー１には、電気泳動液に電界を与える第一の電極６が配置され、第一の電気泳動液１８が第三のチューブ１２から第一のリザーバー１に投入される。同様に、第二のリザーバー２には第二の電極７が配置され、第二の電気泳動液１９が、第四のチューブ１３から第二のリザーバー２に投入される。つまり、第一のリザーバー１が第一の電気泳動液１８で満たされたとき、すでに、第二のリザーバー２およびキャピラリー１０は第二の電気泳動液１９で満たされている。

第一の電極６を接地したうえで負極とし、第二の電極７を正極として電圧を加えると、ターゲット２０は負電荷となる。続いて、第一の電気泳動液１８に、第一の磁気ビーズ２１からターゲット２０を分離する酵素が加えられると、ターゲット２０は第一のリザーバー１の中で磁気ビーズ２１から分離される。分離後、ターゲット２０は第一のリザーバー１の中で分散し一定の濃縮率を保っている。

ターゲット２０は負電荷となるため、電気泳動によって第一のリザーバー１から第二のリザーバーに移送され始め、キャピラリー１０に導かれる。

このとき、第一のリザーバー１からキャピラリー１０に至る経路の途中に設けられた第一のフィルター１６によって第一の磁気ビーズ２１は通過できずに遮断される。そのため、ターゲット２０のみがキャピラリー１０内に導かれ、第一の磁気ビーズ２１はキャピラリー１０内に侵入できずに第二のチューブ９から排出されることになる。

キャピラリー１０内に導かれたターゲット２０は、縦孔１４とキャピラリー１０との間の、第二のフィルター１７を通過できずに遮断され、第二のリザーバー２には侵入できない。よって、キャピラリー１０内に止まったターゲット２０は、均一に分散した状態で所定の時間放置される。やがて、ターゲット２０が沈降し始め、ターゲット捕獲層５ｄ上に付着し固定される。

十分な時間が経過した後、第一のチューブ８から第二の磁気ビーズ２２をキャピラリー１０内に投入し、既にターゲット捕獲層５ｄ上に固定されたターゲット２０と反応させる。そうすると、図８に示すように、第一の磁気ビーズ２１に換わり、一つの第二の磁気ビーズ２２に対し、一つのターゲット２０が吸着する。なお、電気泳動は、先頭のターゲット２０が第二のフィルター１７に到達した後、所定の時間が経過した時点で終了する。

次に、光学検出装置３０で観察できる視野範囲にある第二の磁気ビーズ２２を確認する。一つの第二の磁気ビーズ２２に対し、一つのターゲット２０が対応することになるから、キャピラリー１０内の所定の面積あたりの第二の磁気ビーズ２２の数を計測すれば、単位面積あたりのターゲット２０の数に換算することができる。

なお、第二の電気泳動液１９の塩濃度は第一の電気泳動液１８の塩濃度よりも濃くしてあり、その結果、第二の電気泳動液１９よりも第一の電気泳動液１８の方が、比抵抗が高くなっている。

このように、第一のリザーバー１からキャピラリー１０に電気泳動させるとき、第一の電気泳動液１８の比抵抗ρが第二の電気泳動液１９の比抵抗ρよりも高いため、式（４）に従って、第一のサーバー１内でのターゲット２０の体積移動速度Ｗ１は大きく、キャピラリー１０内での単位時間当たりのターゲット２０の体積移動速度Ｗ２は小さくなる。よって、本来、第一のサーバー１からキャピラリー１０に移送されたターゲット２０は、比抵抗ρに比例した分、均一にキャピラリー内で濃縮されることになる。

ところで、先に説明したとおり、ターゲット２０に作用する電界には、電流ｉによる内部電界Ｅと、電極から直接伝わる外部電界Ｅ´の二つがある。

ここで、図９および図１０を用い、内部電界Ｅと外部電界Ｅ´について説明する。

図９は、模式化したキャピラリー１０の両端に電極６ａ、７ａを設けた図である。電極６ａと７ａとの間に式（２）で表される電流ｉが流れると、この電流ｉに比例する内部電界Ｅが生じ、この内部電界Ｅは一定の値となる。

一方、図１０は、図９におけるキャピラリー１０の両端に設けられた電極６ａ、７ａから外部に発せられる外部電界Ｅ´を表した図である。この外部電界Ｅ´はキャピラリー１０の中を電気泳動する方向に対して均一に分布せず、距離の２乗に反比例して分布する。当然ながら、電極７ａ付近（＋Ｖ）の外部電界Ｅ´は大きく、電極６ａ（Ｇ）付近の外部電界Ｅ´は小さくなる。そうすると、キャピラリー１０内で外部電界Ｅ´の影響を受けることになり、体積移動速度Ｗは変化してしまうことになる。

この外部電界Ｅ´の影響を回避するため、キャピラリー１０に平行にかつ絶縁膜５ｃを介して導電体膜５ｂを設けることにより、外部電界Ｅ´をキャンセルし、導電体膜５ｂ近傍の電圧変化を抑えることができる。

これによりキャピラリー１０に流れる電流ｉによる内部電界Ｅのみが作用し、電気泳動を安定化させることができる。なお、導電体膜５ｂとキャピラリー１０の距離に当たる絶縁膜５ｃの厚みが薄くなると、キャピラリー１０内での電気抵抗が上昇し電流ｉが小さくなるが、式（５）に示すように濃縮率γには影響しない。

以上の原理に従い、実施の形態１における導電体膜５ｂの効果についてさらに説明する。

図１１は、導電体膜５ｂがない場合の外部電界Ｅ´の分布を示す計算結果である。キャピラリー１０内での外部電界Ｅ´の分布は、３０００Ｖ／ｍから６０００Ｖ／ｍにまでおよび、かなりの差があることが分かる。これは、キャピラリー１０内での外部電界Ｅ´の変化が大きいことを示している。言い換えると、キャピラリー１０内の位置によって、ターゲット２０の濃縮率が大きく変化することを意味している。

一方、図１２は、導電体膜５ｂがある場合を示した図である。導電体膜５ｂがあるとき、キャピラリー１０内での外部電界Ｅ´の変動の幅は抑えられ、外部電界Ｅ´の影響を殆ど受けていないことが分かる。言い換えると、キャピラリー１０内でのターゲット２０の濃縮率がほぼ一定していることを意味している。

なお、図１１並びに図１２のいずれにおいても、第一のリザーバー１内での外部電界Ｅ´の変化は少なく抑えられている。これは第二の電極７から第一のリザーバー１が離れているためである。

以上のように実施の形態１によれば、キャピラリー１０と平行に導電体膜５ｂを設けることにより、電源３１から生じる電位による外部電界Ｅ´をキャンセルできる。また、キャピラリー１０内に分布する電界がほぼ一定となるおかげで、ターゲット２０の濃縮率および移動速度はほぼ一定となる。特に、導電体膜５ｂが、酸化亜鉛透明導電膜または酸化インジウム透明導電膜であれば、電気抵抗をより小さくできるため、ターゲット２０の移動が滑らかになり、分散性も向上する。これにより、キャピラリー１０内に、ターゲット２０を一層均一に濃縮分布させることができる。その結果、ターゲットの数を正確に計測することが容易になるばかりでなく、キャピラリー１０内の外部電界Ｅ´の影響を抑えることができ、濃縮効率の低下を防ぐことができる。

実施の形態１では、ターゲットの濃縮率は、式（５）よりキャピラリー内の電気泳動液の比抵抗と第一のリザーバー内の電気泳動液の比抵抗によってのみ決定される。しかし、キャピラリー内の電気泳動液はターゲットがターゲット捕獲層に付着する性質にも関係しており選択の自由度は大きくない。実施の形態２では、さらに大きな濃縮率を得ることができる。

（実施の形態２）
図１３は本発明に係る実施の形態２の電気泳動チップの斜視図である。

図１４は本発明に係る実施の形態２の電気泳動チップの平面図である。

図１３において、第一のリザーバー１は仕切りフィルター２３によって、第一領域１ａと第二領域１ｂに分割されている。なお、この仕切りフィルター２３は、第二のフィルター１７と同じく、電気泳動液のみが通過可能でターゲット２０は遮断されるフィルターである。第一のリザーバーの電気泳動液１８は、第一領域１ａと第二領域１ｂの双方に存在している。第一領域１ａと第二領域１ｂを合わせた第一のリザーバー１のＹ軸で切った面の断面積は一定であり、第一領域１ａの断面積は電気泳動する方向（−Ｘ方向）に向かって増加するように設置される。その他の構成は、実施の形態１と何ら変わらない。

以上のように構成された電気泳動チップについて、その動作を説明する。

実施の形態１と同様にＤＮＡの断片あるいはタンパク質などのターゲット２０をあらかじめ表面に吸着させた第一の磁気ビーズ２１を第三のチューブ１２から第一領域１ａに投入する。なお、第二領域１ｂには、第一の電気泳動液１８のみが投入される。

その後、第一の電気泳動液１８に第一の磁気ビーズ２１からターゲット２０を分離する酵素が加えられる。この時点でターゲット２０は第一のリザーバー１の第一領域１ａ中で分散し一定の濃縮率を保っている。

実施の形態１と同様に、電気泳動によって第一のリザーバー１の第一領域１ａからターゲット２０を移送させる。このとき第二の電極７を接地したうえで正極とし、第一の電極６を負極として電圧を加える。ターゲット２０は、負電荷となっており第一のリザーバー１からキャピラリー１０に向かって移送される。ここで途中に設けられた第一のフィルター１６によって第一の磁気ビーズ２１は遮断され、キャピラリー１０にはターゲット２０のみが移動できることになる。それ以降のプロセスは実施の形態１と同様である。

次に、図１５を基に仕切りフィルター２３の配置について説明する。

図１５（ａ）は、キャピラリー１０および第一のリザーバー１内での外部電界Ｅ´の分布を示す。キャピラリー１０での外部電界Ｅ´は、導電体５ｂがキャピラリー１０の下側に配置されているので、ほぼ一定の値となっている。一方、第一のリザーバー１での外部電界Ｅ´は、第一の電極６を負極として電圧が印加されている影響で大きく変化している。

図１５（ｂ）は、電気泳動液内を導通する電流ｉにより生じる内部電界Ｅを示す。キャピラリー１０内および第一のリザーバー１内の内部電界Ｅは、ほぼ一定の値となる。

図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の外部電界Ｅ´と図１５（ｂ）の内部電界Ｅの和（以下、トータル電界）を示したものである。第一のリザーバー１内でのターゲット２０の移動速度を一定に保つためには、第一のリザーバー１の内部電界Ｅと外部電界Ｅ´とを合計したトータル電界と反比例するように第一領域１ａの断面積を調整する必要がある。そのため、図１３、図１４に示すように仕切りフィルター２３を設け、第一領域の断面積を電気泳動する方向に対して断面積を徐々に増加させる。この断面積の変化率は、トータル電界の変化と第一領域の断面積の変化が反比例するよう設定する。

以上のように、実施の形態２では、第一のリザーバー１を、仕切りフィルター２３によって第一領域１ａと第二領域１ｂとに分割し、第一の電極６を含む第二領域１ｂを泳動するターゲット２０の移動方向に向って、第二領域１ｂの垂直方向の断面積を増大させる。

このようにすることによって、外部電界Ｅ´を積極的に利用して第一のリザーバー１内での体積移動速度を一定に高めることができる。つまり、ターゲットの濃縮度を式（５）で示す濃縮率γより大きく設定することができると同時に、電気泳動液の比抵抗値以上に濃縮率を設定でき、少ないターゲットであっても第二の磁気ビーズ２２の計測が容易となる。

（実施の形態３）
図１６は、せん断方向に共振して微小な質量を検出する水晶発振子マイクロバランス（ＱＣＭ）センサー２７の断面を示した図である。ＱＣＭセンサー２７は、電極に物質が付着するとその質量に相当する周波数が低下する現象を利用している。誘電体である薄い水晶プレート２４の一方の面には第一の検出電極２５が、他方の面には第二の検出電極２６が形成されている。

第一の検出電極２５とターゲット捕獲層５ｄとの間には絶縁カバー２８が位置している。第二の検出電極２６にはＱＣＭセンサー２７を共振させる周波数の電圧を印加する。なお、第一の検出電極２５は絶縁カバー２８で覆われているため、電気泳動液と直接接触することはない。これは、ターゲット２０をキャピラリー１０内に導く電気泳動の際、第一の検出電極面２５で生じる気泡を発生させないようにするためである。

図１７は、ＱＣＭセンサー２７をマイクロ流体チップ４の下面に配置した図である。また、図１８は、電気泳動装置を上面から見た図でありマイクロ流体チップに形成されたキャピラリー２９は、キャピラリーの中央部２９ａで幅が拡げられている。この中央部２９ａに対応した位置に第一の検出電極２５が位置している。なお、キャピラリーの中央部２９ａの幅が広がっても、式（４）により体積移動速度は変わらない。実施の形態１および実施の形態２と異なる点は、導電体膜５ｂをＱＣＭセンサー２７の第一の検出電極２５として用いている点である。

以上のように構成された電気泳動チップについて、以下その動作を説明する。実施の形態２と同様に、ＤＮＡの断片あるいはタンパク質などの検出すべきターゲット２０をあらかじめ表面に吸着させた第一の磁気ビーズ２１を第三のチューブ１２から領域１ａに投入する。なお、第二領域１ｂには、第一の電気泳動液１８のみが投入される。その後、第一の電気泳動液１８に第一の磁気ビーズ２１からターゲット２０を分離する酵素が加えられる。

この時点でターゲット２０は第一のリザーバー１の第一領域１ａ中で分散し、一定の濃縮率を保っている。次に実施の形態２と同様に、第二の電極７を接地したうえで正極とし、第一の電極６を負極として電圧を加える。ターゲット２０は、負電荷となっており第一のリザーバー１からキャピラリー２９に向かって移送される。このとき、第一の検出電極２５は電気泳動でターゲット２０をキャピラリー２９に導くときは浮遊電極であって、第二の電極７と同様に接地されている。したがって、ターゲット２０は第一の検出電極２５の位置まで電気泳動で移送されるが、第一の検出電極２５が設置されている領域では、実施の形態１と同様に外部電界E´を遮断しているので、ターゲット２０の移動速度が一定となる。したがって、第一のリザーバー１０の第一領域１ａ内のターゲット２０は、キャピラリーの中央部２９ａで一定に濃縮される。すなわち、すべてのターゲット２０は第一の検出電極２５の上面の絶縁カバー２８上に形成されたターゲット捕獲層５ｄに均一に付着する。

その後、実施の形態１と同様に、第一のチューブ８から第二の磁気ビーズ２２をキャピラリー２９に投入し、先にターゲット捕獲層５ｄ上に固定されたターゲット２０と反応させ、一つのターゲット２０に対して一つの第二の磁気ビーズ２２を対応させる。

次に、図１９を用いて第二の磁気ビーズ２２の質量をＱＣＭセンサー２７で計測する手法について説明する。先ず、ターゲット２０を供給する前に、第二の検出電極２６にＱＣＭの固有振動数に近い周波数で電圧を加える。このときの状況を図１９（ａ）に示す。この時は振動数ω０でせん断方向に振動する。

図１９（ｂ）はターゲット捕獲層５ｄ上に固定された一つのターゲット２０に対して一つの第二の磁気ビーズ２２を対応させた状態を示している。このとき、第一の検出電極２５側には第二の磁気ビーズ２２による質量増加のため、振動数ω０よりも低い周波数ωでせん断方向に振動する。図１９（ｃ）に模式的に示したとおり、このω０からωを差し引いたδωが第二の磁気ビーズ２２の増加量に比例する。よって、あらかじめ測定された質量増加量と周波数変化δωとの相関から付着した第二の磁気ビーズ２２の数に換算することができ、元のターゲットの数を計測することができる。

以上のように本実施の形態によれば、第一の検出電極２５を接地することによりターゲット２０を第一の検出電極２５上に集積することができ、より正確なターゲット数の計測が可能になる。このように、ＱＣＭセンサーの第一の検出電極２５を、導電体膜５ｂの役割を持たせることで、効率的にターゲット２０を第一の検出電極２５に集積させることができる。

以上のとおり、検出装置の一例としてＱＣＭセンサーを示したが、第二の磁気ビーズの質量を検出するために、圧電センサーを用いてもよい。

なお、実施の形態１ないし３において、基板３の下方側に絶縁膜５Ｃを介して導電体膜５ｂを形成しているが、これらの膜を基板３の上方側に形成しても同等な効果が得られる。その場合は、基板３の下面に位置するマイクロ流体チップ４のキャピラリー１０の底部１０ｃを形成するようにターゲット捕獲層５ｄのみを設け、基板３の上面に絶縁膜５Ｃを形成し、さらにその上面にキャピラリー１０と平行になるように導電体膜５ｂを形成すればよい。

１ 第一のリザーバー
１ａ 第一の領域
１ｂ 第二の領域
２ 第二のリザーバー
３ 基板
４ マイクロ流体チップ
５ 検出装置
５ａ ベース
５ｂ 導電体膜
５ｃ 絶縁膜
５ｄ ターゲット捕獲層
６ 第一の電極
７ 第二の電極
８ 第一のチューブ
８ａ 貫通孔
８ｂ 開口部
９ 第二のチューブ
９ａ 貫通孔
９ｂ 開口部
１０，２９ キャピラリー
１０ａ キャピラリーの端部
１０ｂ キャピラリーの端部
１０ｃ キャピラリーの底部
１１ カバー
１２ 第三のチューブ
１３ 第四のチューブ
１４，１５ 縦孔
１６ 第一のフィルター
１７ 第二のフィルター
１８ 第一の電気泳動液
１９ 第二の電気泳動液
２０ ターゲット
２１ 第一の磁気ビーズ
２２ 第二の磁気ビーズ
２３ 仕切りフィルター
２４ 誘電体（水晶プレート）
２５ 第一の検出電極
２６ 第二の検出電極
２７ ＱＣＭセンサー
２８ 絶縁カバー
２９ａ キャピラリー中央部
３０ 光学的検出装置
３１ 電源
１００ 電気泳動チップ

Claims (6)

1. 基板に、第一の電極を有する第一のリザーバーと、第二の電極を有する第二のリザーバーと、を設け、
   前記基板の下面には、マイクロ流体チップを配置し、
   前記マイクロ流体チップに設けられたキャピラリーの底部はターゲット捕獲層で形成され、
   前記キャピラリーは、前記第一のリザーバーと前記第二のリザーバーとを連通し、
   前記キャピラリーに対して平行な面となるように形成された導電体膜が、絶縁膜を介して、前記ターゲット捕獲層に対向して配置されていることを特徴とする電気泳動チップ。
2. 前記第一のリザーバーもしくは前記第二のリザーバーのいずれか一方のリザーバーは、他方のリザーバーを泳動するターゲットの移動方向に沿って、垂直方向の断面積が一定であることを特徴とする請求項１に記載の電気泳動チップ。
3. 前記第一のリザーバーもしくは前記第二のリザーバーのいずれか一方のリザーバーは、仕切りフィルターによって第一領域と第二領域とに分割され、前記第二領域は前記第一の電極を含み、前記第二領域を泳動するターゲットの移動方向に沿って、前記第二領域の垂直方向の断面積が、増大することを特徴とする請求項１に記載の電気泳動チップ。
4. 前記導電体膜は、酸化亜鉛透明導電膜または酸化インジウム透明導電膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電気泳動チップ。
5. 前記絶縁膜は、ＳｉＯ２膜であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電気泳動チップ。
6. 前記導電体膜を第一の検出電極とし、前記第一の検出電極の一方の面に誘電体と第二の検出電極とが順次積層されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電気泳動チップ。
   

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