JP2020508472A

JP2020508472A - 使い捨てマルチチャネルバイオ分析カートリッジ、及びそれを用いてバイオ分析を実施するためのキャピラリー電気泳動システム

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Publication number: JP2020508472A
Application number: JP2019566561A
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Inventors: ディーアマーカーニアンヴァロージ; ツァイショウ−クアン
Original assignee: Bioptic Inc
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Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2020-03-19
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Abstract

複数の連結したカートリッジ要素（６０’）を含む、生物分子分離用のマルチチャネルカートリッジ（６０）。各カートリッジ要素（６０’）は、各分離チャネル専用の、個々の、個別の、内蔵試薬（すなわち、分離バッファー）リザーバを有する。複数の分離チャネルは、各カートリッジ要素本体（８０）により又は各カートリッジ要素本体（８０）内に保持されるキャピラリーカラム（１０）を含み、異なる化学的性質の異なる分離媒体、異なる分離長さ、異なるチャネルサイズ及び内部コーティングなどの異なる特徴を有していてよい。カートリッジ要素本体（８０）は検出窓（８６）を備える。すべてのチャネルが作動する必要はない。カートリッジ内の１又は複数のチャネルが作動しない（例えば、キャピラリーチューブを備えていない）「ダミーチャネル」であってよい。キャピラリーチューブ（１０）は、１つのチャネルのリザーバ／電極（６６）（アノード）と別のチャネルの電極（カソード）までの間に配索してよく、それによってより長いキャピラリーチューブを用いてより長い分離チャネルを画成することを可能にし、分解能を改善する。本発明のマルチチャネルバイオ分離システムは、ＤＮＡ／ＲＮＡ／タンパク質分析において、より速い高スループット能力、高分解能及び良好な検出感度をもたらす。マルチチャネルシステムは、１つの装置において、ＰＣＲ増幅及び電気泳動／検出の両方を行うために設計される。

Description

関連出願の相互参照

下記に引用するすべての文献は参照することによって本明細書に記載されているかのようにその全体が組み込まれる。

本発明は、バイオ分析に関し、より詳細には、カートリッジ、並びに同カートリッジを用いてバイオ分析を実施するためのキャピラリー電気泳動装置に関する。

現在、研究所において用いられる殆どのバイオ分離手段は、スラブゲル電気泳動技術を利用しており、その技術は、それらが２０年以上前に開発されて以来、生体分子（すなわち、ＤＮＡ、タンパク質、及び炭水化物）のバイオ分析用途に日常的に使用されてきた。しかしながら、バイオ分析用のスラブゲル電気泳動は、多大な労力を要し、また分離能、スループット、及びサンプル当たりコストの点で大幅な改善が必要である。

キャピラリー電気泳動（ＣＥ）は、ゲル電気泳動に対するマイクロ流体アプローチ（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）であり、最大の利点は、その適用範囲が非常に広いことである。ＣＥ技術は、信頼性のある高分解能でかつ高感度の検出手段として、特に核酸ベースの試験法において、バイオテクノロジー産業により広く受け入れられており、ＣＥは、例えばタンパク質分析、炭水化物分析、並びにオリゴヌクレオチド分析、ＤＮＡシーケシング及びｄｓＤＮＡフラグメント分析などのＤＮＡ関連分析、さらにはグリカンプロファイリングに適用されてきた。ＣＥは、それが失敗率の高い面倒な方法であると考えられているため、日常的な分析では一般的に敬遠されてきた。しかしながら、装置製造業者が装置設計に大幅に改良を加え、さらにＣＥに関する全体的な知識が高まってきたため、それは最早正しくない。失敗率を低くし、さらに正確で、高精度で、かつ信頼性のあるＣＥデータを生成するためには３つの鍵となる要素：オペレータの訓練、システムの安定性、及び保守整備の少ない装置の操作容易性：がある。

間違いなく、レーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ）を用いるＣＥは、高速で、高感度及び高分解能のバイオ分析のための、最も強力な分析手段の１つである。しかしながら、ＣＥベースのＬＩＦシステムの現在の販売価格は、その光検出機構が複雑なため、伝統的なスラブゲルベースのバイオ分析システムよりもかなり高価である。従って、その高価なＣＥベースのシステムは、資金の潤沢な数少ない研究所以外の全ての機関にとって手の届かないシステムであり、バイオ分析の適用／事業を拡大するのに高コスト障壁となっているように思われる。

本発明の譲受人に譲渡された特許文献１は、分離支持媒体（例えば、電気泳動用バッファーを含む液体ゲル又はふるいゲル）が充填された分離チャネル（例えば、カラムで画成される）を通したバイオ分離（例えば、キャピラリー電気泳動）のための、簡易化され、低コストで、効率的で、高感度の非移動性で安定なマイクロ光検出構成を開示する。より詳細には、開示の発明は、サンプル検体により放出される放射線（例えば、放射線誘起蛍光発光）を検出するために、入射放射線を分離チャネルに沿った検出区域に照射しかつその検出区域からの出力放射線を検出するための光学系(optics)を備えた改良された検出構成に関する。開示の発明の１つの態様では、（例えば、レーザ又はＬＥＤ光源からの）入射放射線の方向、検出区域における分離チャネルの軸、及び出力放射線の集光方向の全てが、略同一平面にある。１つの実施形態では、光ファイバの形態の光導波路を用いて、入射放射線を検出区域に提供し及び／又は出力放射線を検出区域から集光する。１つの実施形態では、本発明の検出構成は、分離チャネルに沿った検出区域の両側に配置される光ファイバを有する。これらの光ファイバは、検出感度を高くするために、１８０度未満（例えば、４０〜１６０度、例えば１２０度など）の角度で互いから離れて配置され得る。開示の発明の別の態様では、本発明の検出光学系構成は、先球（ball-edeged）光ファイバを組み込み、入射放射線を提供し、そして出力放射線を集光する。開示の発明のさらに別の態様では、本発明の検出光学系構成は、改良型バイオ分離装置、特にキャピラリー電気泳動装置において実現され得る。

本発明の譲受人に譲渡された特許文献２は、可動部品がなく組み付け及び使用が容易であり、かつ内蔵試薬（分離バッファー）リザーバを有するペン形状のバイオ分離用カートリッジを利用するように構成されたカートリッジベースのバイオ分離システムを開示する。そのカートリッジは、外部検出光学系を受け入れるための検出窓としての開口を画成する本体と、前記本体内に支持され、前記本体の第１端部を超えて延出する第１端部を有する少なくとも１つのキャピラリーカラムであって、前記検出窓はキャピラリーカラムに沿ったある部分を露出させ、前記外部光学系は検出窓を通してその部分に位置合わせされる、少なくとも１つのキャピラリーカラムと、前記本体の第２端部に取り付けられて、前記キャピラリーカラムの第２端部と流体連通するリザーバとを備える。リザーバは、キャピラリーをパージしさらに分離支持媒体としてのバッファー／ゲルをキャピラリーに充填するために、ゲルリザーバを加圧する空圧ポンプ又はＮ_２タンクに接続するように構成される。

本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／７２０，７２３号（特許文献３として開示された）は、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）によるグリカンプロファイリングの方法、及びグリカン分析（Ｎ−グリカン）のためのＣＥシステムを開示する。そのＣＥシステムは、放射線励起及び発光検出の両方のための一体型デュアル光ファイバを使用する。そのＣＥシステムは、データ分析のために二色検出を実施するように構成される。単一の放射線励起源を用いて、分析すべきサンプル溶液中の２つの発光フルオロフォア（蛍光体）又は色素を励起する。一方の発光色素はサンプルにタグ付けするためのものであり、もう一方の色素はサンプルの電気泳動のための参照マーカー（例えば、デキストランラダー）を提供するために用いられる。２つの検出器（例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ））を適用してそれら色素からの蛍光発光を同時に検出する。正確なデータピーク同定のために、両方の検出器により収集されたデータを補正する（例えば、解析のために同期させ及び／又は重ね合わせる）

米国特許第８，７８４，６２６号明細書米国特許第８，７７８，１５５号明細書米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号明細書

上記の検出技術に基づき、高効率、高感度及び高スループットで高速分析をもたらす、操作が簡単でかつ安価な（すなわち、サンプル電気泳動当たり低コストの）マルチチャネルキャピラリー電気泳動システムが必要とされている。

本発明は、簡易化され、低コストで、高効率、高感度、高スループットのマルチチャネルバイオ分離システム（例えば、キャピラリー電気泳動システム）を提供する。そのバイオ分離システムは、各分離カラム（例えば、キャピラリーチューブ又はカラム）に対して光学系を微細に位置合わせする必要なしに、サンプル検体により放出される放射線（例えば、放射線誘起蛍光発光）を検出するために、各分離チャネルに沿った検出区域に入射放射線を照射しさらにその検出区域からの出力放射線を検出するための光学系を備えた装置を含む。当該装置は、バイオ分離用カートリッジの分離チャネル内でバイオ分離を自動的に行なうように構成される。

本発明の１つの態様では、本発明は、信頼性のある、小型の、簡易化された、脱着可能な、携行式の、入れ替え可能な、再使用可能な、低コストの、リサイクル可能な及び／又は使い捨てのバイオ分離用カートリッジを利用するように構成されたマルチチャネルカートリッジ式バイオ分離システムに関するものであり、このバイオ分離用カートリッジは、可動部品がなく組み付け及び使用が容易であり、かつ各分離チャネル専用の個々の個別の内蔵試薬（すなわち、分離バッファー）リザーバを有する。バイオ分離用カートリッジは、その中に画成された複数の分離チャネルを含む。その複数のチャネルは、異なる化学的性質の異なる分離媒体、異なる分離長さ、異なるチャネルサイズ及び内部コーティングなどの異なる特徴を有していてよい。

１つの実施形態では、カートリッジの全体サイズは、分離チャネルが５０ｃｍ以下、好ましくは１１〜１５ｃｍの範囲内の有効分離長さ（すなわち、それに沿ってバイオ分離がカソードと検出区域との間で生じることが予測されるキャピラリーの長さであって、それはキャピラリーカラムの実際の長さよりも短）を有することにより特徴付られる。１つの実施形態では、バイオ分離システムは、検出構成を備えた装置を含み、その検出構成は、キャピラリーカラムに対して光学系を微細に位置合わせする必要なしに、サンプル検体により放出される放射線（例えば、放射線誘起蛍光発光）を検出するために、各分離チャネルに沿った検出区域に入射放射線を照射しさらにその検出区域からの複数の波長／色の出力放射線を検出するための光学系を含む。当該装置は、バイオ分離用カートリッジの各分離チャネル内でバイオ分離を自動的に行なうように構成される。各分離チャネルは、異なるパラメータ（例えば、異なる印加電圧、異なる入射波長、異なる電気泳動時間など）の下でバイオ分離を達成するように制御され得る。

１つの実施形態では、カートリッジにより及びカートリッジ内に支持されたキャピラリーカラムが、各分離チャネルを画成する。本発明の１つの実施形態では、バイオ分離システムは、キャピラリー電気泳動分離及び分析のためのものであり、その中の装置は、キャピラリーカートリッジを利用して、キャピラリー電気泳動分離、検出及び分析を自動で行うように構成されている。１つの実施形態では、キャピラリーカラムは、特定の長さ、サイズ（内径）、及び内部コーティングを有する、各チャネル用のキャピラリーチューブにより画成される。１つの実施形態では、マルチチャネルカートリッジは複数のカートリッジ要素を含み、各カートリッジ要素は、外部検出光学系を受け入れるための検出窓としての開口を画成する本体；前記本体内に支持されるキャピラリーカラム；及び前記本体の第１端部に取り付けられて前記キャピラリーカラムの第１端部と流体連通するリザーバであって、単一のカートリッジ要素に専用であるリザーバ；を備え、前記複数のカートリッジ要素は連結しており、それぞれのカートリッジ要素のリザーバは流体連通していない。

本発明の別の態様では、媒体の化学的性質、及び分離カラムの特徴（例えば、キャピラリーチューブにより画成された分離チャネルに関して、キャピラリーサイズＩ．Ｄ．、内部コーティング及び長さ）は、カートリッジ内の各チャネルに関して規定される。バイオ分離システム内で使用するために、異なるカートリッジを容易に入れ替えて、特定サンプルの分離に適合させることができる。各チャネルのバッファーリザーバは、空圧ポンプ又はＮ_２ガスに接続するように構成され、空圧ポンプ又はＮ_２ガスは、リザーバを加圧して、関連する分離チャネルをパージし、そして分離支持媒体としてのバッファー（例えばゲル）を分離チャネルに充填する。カートリッジは、検出光学系をカートリッジに内蔵させる必要はなく、また分離チャネルを検出区域に対して微細に位置合わせする必要もない。１つの実施形態では、カートリッジは、内蔵検出光学系を含まない。

１つの実施形態では、すべてのチャネルが作動する必要はない。カートリッジ内の１つ又は複数のチャネルが、作動しない（例えば、キャピラリーチューブを備えていない）「ダミーチャネル」であってよい。

１つの実施形態では、キャピラリーチューブは、１つのチャネルのリザーバ／電極（アノード）から別のチャネル内の電極（カソード）までの間に配索してよく、それによってより長いキャピラリーチューブを用いてより長い分離チャネルを画成することを可能にし、分解能を改善する。

１つの実施形態では、カートリッジは、作動チャネルの数、各チャネルにおける化学的性質、及び各チャネル内の分離カラム（例えば、キャピラリーチューブ）の特徴など、カートリッジの構成を識別するためにＲＦＩＤを備える。カートリッジを交換する、或いは再使用のために新鮮な分離媒体でカートリッジをリファービッシュする必要なしに、複数回電気泳動を実施するためにカートリッジを使用してもよい。ＲＦＩＤは、カートリッジの寿命末期を特定するために、完了した運転の回数を追跡するように構成され得る。消耗したカートリッジは、処分してよく、或いは分離媒体及び他の部品（例えば、キャピラリーチューブ及びシール）を交換することによりリファービッシュしてもよい。

本発明の本質及び利点、並びに好ましい使用モードをより完全に理解するために、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照する必要がある。以下の図面では、図面全体を通して、同様の参照番号が、同様の又は類似の部分を指定する。

本発明の１つの実施形態に従う、多色検出構成及びカートリッジを組み込むキャピラリー電気泳動システムの模式図。検出領域を含む図１Ａの領域Ａを示し、励起ファイバ、発光ファイバ及びキャピラリーカラムの構成を模式的に示す。キャピラリー電気泳動（ＣＥ）装置の外観図を例示する。内部構成要素を示す断面図。内部構成要素を示す断面図。本発明の１つの実施形態に従う内観図。本発明の１つの実施形態に従う内観図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルカートリッジを示す図。カートリッジの分解図。カートリッジの断面図。カートリッジの断面図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのフロントカバーを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのフロントカバーを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのフロントカバーを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのリアカバーを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのリアカバーを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのリザーバを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのリザーバを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジのリザーバを示す図。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジ内のキャピラリーチューブの内部配索（internal routing）を示す。本発明の１つの実施形態に従うカートリッジ内のキャピラリーチューブの内部配索を示す。装置の格納ブロック内へのカートリッジの挿入を示す。本発明の１つの実施形態に従う格納ブロック用の追加の加熱／冷却モジュールを示す。本発明の１つの実施形態に従う格納ブロックを示す。本発明の１つの実施形態に従う格納ブロック内部にあるフォークアセンブリを示す断面図。本発明の１つの実施形態に従うフォークアセンブリを示す図。本発明の１つの実施形態に従うフォークアセンブリを示す図。本発明の１つの実施形態に従うフォークアセンブリを示す図。本発明の１つの実施形態に従うフォークアセンブリを示す図。本発明の１つの実施形態に従う２色検出方式を模式的に示す。分離からの塩基の分離度の決定を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の分解能を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の分解能を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の分解能を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の結果を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の結果を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の結果を例示する。本発明に従う発明のＣＥ装置及び方法による蛍光検出の結果を例示する。

図面を参照して様々な実施形態に関して本発明を以下に説明する。本発明の目的を達成する最良の形態に関連して本発明を説明するが、当業者であれば、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく、これらの教示を鑑みて変更を加え得ることを理解するであろう。

本発明は、高効率、高速、高スループットな生体分子分析のための高スループットキャピラリーゲル電気泳動（４チャネル）システムを提供する。４チャネルＣＧＥアナライザー（Ｑｓｅｐ４００）は、ＤＮＡ研究を実験室で実施するペースを顕著に加速させる新規に開発された製品であり、調製時間を数時間節約し、正確で一貫しておりかつ経済的な結果を確実にする。本発明の１つの態様では、マルチチャネル高性能キャピラリーゲル電気泳動アナライザーシステムは、ＤＮＡ／ＲＮＡ／糖タンパク質への適用のために最適化されている。そのシステムは、一体化されたデュアル光ファイバ蛍光検出技術（integrated dual fiber optic fluorescence detection technology）（励起及び発光検出）、並びに新規な４チャネル（流路）使い捨てゲルカートリッジを使用する。そのシステムは、全９６サンプルを保持することができ、それらは１〜２時間以内に自動的に分析され得る。マルチカラー光ファイバ技術に基づく蛍光検出を用いるこの高スループットＣＧＥシステムは、高速ジェノタイピング（遺伝子型判定）用途のために実験室で用いることができる。

米国特許第８，７７８，１５５号及び同第８，７８４，６２６号、並びに米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号（本明細書に全体が記載されているかのように、参照によってそれらのすべてが本明細書に組み込まれる）に開示の検出システムを含む、生物学的分析システムを参照する。これら特許及び特許出願は、本発明の出願人及び譲受人であるバイオプティックインコーポレイテッド（ＢｉＯｐｔｉｃ，Ｉｎｃ．）に譲渡されたものである。特に、これら特許は、簡易化され、低コストで、高効率、高感度、高スループットのバイオ分離システム（例えば、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）システム）を開示する。そのバイオ分離システムは、単一のチャネルキャピラリーカートリッジを用いて作業するように構成された装置であって検出構成を備える装置を含み、その検出構成は、光学系を分離カラムに微細に位置合わせする必要なしに、サンプル検体により放出される放射線（例えば、放射線誘起蛍光発光）を検出するために、入射放射線を分離チャネルに沿った検出区域に照射しかつ出力放射線を分離チャネルに沿った検出区域から検出するための光学系を含む。その装置は、バイオ分離用カートリッジの分離チャネル内でバイオ分離を自動的に行なうように構成される。ＣＥシステムは、コストを減らすためにより単純な光学検出機構を有し、その光学検出機構は、操作の簡易さ、高効率、高感度及び高スループットでの迅速な分析を補完する。米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号は、２色での蛍光検出をさらに開示する。本発明は、これらシステムを採用し、下記の開示に従ってシステムへの改善（すなわち、個々の個別のリザーバを有するマルチチャネルカートリッジ）を含めるように改変する。

本発明の原理を非限定的に説明するために、キャピラリー分離カラムを用いるキャピラリー電気泳動に関する実施形態を参照することにより本発明を記載する。さらに、限定はされないが、放射線誘起蛍光検出（例えば、レーザ又はＬＥＤ光源を用いる）に関連して本発明を記載する。蛍光法は、検体の分子が特定の波長での照射によって励起され、そして異なる波長の放射線を放出する分光光度分析法である。発光スペクトルは、定性分析及び定量分析の両方に関する情報を提供する。一般的に、吸光度検出より優れた蛍光検出の利点は、その優れた検出能（検出感度）である。効率的なフルオロフォアに関して、小容積での単一分子検出が実証されている。その理由は一部では、放出される放射線が入射放射線の波長とは異なる波長で検出される（例えば、放出される蛍光の波長は、励起放射線よりも長い波長である）結果として、蛍光信号が比較的暗いバックグラウンドに対して測定されるからである。

システムの概要
分析機器の小型化及び自動化は、従来の多大な労力を要する技術（すなわち、手動のスラブゲル電気泳動）より優れた多くの利点を有する。これら利点として、データの精度及び再現性の改善、短い分析時間、最少のサンプル消費、自動化の向上、及び複雑なワークフローの統合が挙げられる。

図１Ａを参照して、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）システム１００は、模式的に示された検出構成を組み込む。ＣＥシステム１００は通常、キャピラリー分離カラム１０（例えば、２００〜５００μｍのＯ．Ｄ．（外径））を備え、このキャピラリー分離カラム１０が内部分離チャネル１２（例えば、２５〜２００μｍのＩ．Ｄ．（内径））を画成し、それはキャピラリーカラム１０であってよい（簡素化のために１つの分離チャネル／キャピラリーカラムのみを示す）。キャピラリーカラム１０は、溶融シリカ、ガラス、ポリイミド、又は他のセラミック／ガラス質材料で作られたものでよい。分離カラム１０の内壁（すなわち、分離チャネル１２を画成する壁）を、静電気を帯電させてサンプル成分の電気泳動及び／又は動電的移動を容易にすることができる材料でコーティングしてよい。分離チャネル１２に分離支持媒体を充填することができ、この分離支持媒体は、単なる電気泳動用バッファーであっても、或いは当技術分野で公知の（線状又は非線状ポリマー組成物の）ふるいゲルマトリックスであってもよい。

キャピラリーカラム１０の一方の端部は、電気泳動用バッファーのリザーバ１４に接続される。キャピラリーカラム１０の他方の端部は、別のリザーバ１６に接続され、このリザーバ１６は、サンプル（分離チャネル１２に注入されることになる）及び電気泳動用バッファー（サンプル注入後に、分離を行うための）を交互に収容してよい。電源１８は、電極２０及び２２を介して高電圧をリザーバ１４及び１６に供給する。

電気泳動及び放射線誘起蛍光の機構は、それらを単独で考える場合は、本発明の範囲外である。完全を期するために、ＣＥシステム１００の動作については簡単に説明するので十分である。動作中、少なくとも１つの既知のフルオロフォアで標識した調製生体サンプルが、本発明の一部を構成しない多くの方法のいずれかの方法（例えば、サンプルリザーバからの動電的注入、又はシリンジポンプを用いた物理的圧力注入）により、検出区域から離れたキャピラリーカラムの遠端に導入される。ＤＣ電位（例えば、１〜３０ＫＶ）が電源１８から電極２０及び２２に印加されると、サンプルは、電位が印加された状態で、分離チャネル１２に沿って方向２４に移動し（例えば、負に帯電したサンプルは、図１に示すように、正極２２に向かって移動する）、サンプル成分のバンドに分離される。分離の程度及び分離チャネル１２に沿って移動する距離は、サンプル成分の電気泳動移動度（migration mobility）、サンプル成分の質量及びサイズ又は長さ、並びに分離支持媒体などの、多くの要素によって異なる。サンプルを分離するための分離チャネル１２内の駆動力は、電気泳動力、圧力、又は電気浸透流（ＥＯＦ）手段とすることができる。

サンプルが検出区域３２に達すると、励起放射線が、励起ファイバ（excitation radiation）３４を介して、方向３５で検出区域３２に導かれる。サンプル成分は、それぞれのサンプル成分の濃度に比例する（蛍光標識材料の量に比例する）強度で蛍光発光する。検出器４２は、入射放射線の波長とは異なる１又は複数の波長で方向３７に発光ファイバ（emission fiber）３６を介して放出される蛍光の強度を検出する。検出された蛍光放射線は、多色（例えば二色）検出方式（図１１を参照して下記においてさらに説明する）により分析することができる。自動化システムに関して、プロセッサを有するコントローラ２６（例えば、外付けのノートブックコンピュータ又はデスクトップコンピュータの形態、或いは、機器に内蔵された演算装置）は、ＣＥシステム１００の様々な構成要素の動作を制御して、キャピラリー電気泳動分離及びデータ収集、並びに下記に説明する他の機能の制御を行う。そのような制御の具体的な実施は、本明細書の開示を与えられた当業者の知識の範囲内である。

検出構成
図１Ａに示す特定の実施形態では、検出光学系構成（検出窓／区域３２の辺りに位置するエリア３０内に模式的に示される）は、図１Ｂに示す実施形態に対応する（図１Ａにおける領域Ａ）。（例えば、レーザ又はＬＥＤ光源からの）入射放射線の方向３５、検出区域における分離チャネルの軸、及び出力放射線の集光方向３７はすべて、略同一平面にある。図示の実施形態では、本発明の検出構成は、検出区域の分離チャネルの両側に配置される光ファイバを有する。１つの実施形態では、光ファイバ、特に先球光ファイバ（すなわち、単一構造内でファイバ端の一部をなす微小球を先端とする光ファイバ）の形態の光導波路を用いて、入射放射線を検出区域に提供し及び／又は出力放射線を検出区域から集光する。

図１Ｂを参照して、先球ファイバ（励起ファイバ３４）は、放射線源（例えば、図１Ａに模式的に示すＬＥＤ又はレーザ光源４１）から延在し、励起放射線を方向３５で検出区域３２に導く。励起ファイバ３４の先球は、検出区域３２辺りの分離カラム１０の外面に、又は外面の近くに配置される。図示の実施形態では、励起ファイバ３４の先球は、分離カラム１０の外面から距離を隔てて配置される（すなわち、非接触モード）。図示の実施形態では、もう一方の先球ファイバ（発光ファイバ３６）は、検出器（例えば、図１Ａに模式的に示す蛍光検出器４２）まで延在し、検出区域３２から方向３７に発光放射線を集光する。発光ファイバ３６の先球は、検出区域３２の辺りの分離カラム１０の外面に、又は外面の近くに配置される。図示の実施形態では、発光ファイバ３６の先球は、分離カラム１０の外面から距離を隔てて配置される（非接触モード）。先球を有する励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６は共に、非接触モードで（キャピラリーカラムの外面から離間して）分離カラム１０の両側に配置され、バックグラウンド蛍光を低減させ、またキャピラリーカラム又は微小球のいずれに対しても物理的損傷を生じさせない。

図１Ｂに示す実施形態では、示されている検出区域３２にある構成要素は、略同一平面にある。具体的には、励起ファイバ３４の長手軸、発光ファイバ３６の長手軸、及びキャピラリーチャネル１２の長手軸は、少なくとも検出区域３２の領域において、実質的に同一平面内に位置合わせされている（すなわち、略同一平面上にある）。すなわち、励起ファイバ３４、発光ファイバ３６及びキャピラリーカラム１０の長さ部分は、全体として湾曲する可能性はあるが、しかしながら少なくとも検出区域の領域の近くでは、励起ファイバ３４の軸、発光ファイバ３６の軸、及びキャピラリーチャネル１２の軸は、実質的に同一平面内に位置合わせされ、励起ファイバ３４から検出区域３２に向かう入射放射線の方向３５、検出区域３２における分離チャネル１２の軸、及び検出区域３２から離れて発光ファイバ３６に沿って出力される放射線の集光方向３７は全て、略同一平面にある。

さらに、検出区域３２では、励起ファイバ３４の軸と発光ファイバ３６の軸とは一直線とはならず、角度をなすように並べられる。励起ファイバ３４の軸及び発光ファイバ３６の軸のうちの少なくとも一方の軸は、検出区域３２における分離チャネル１２の軸と直交していない。図１Ｂに示す図示の実施形態では、励起ファイバ３４の軸及び発光ファイバ３６の軸は共に、分離チャネルの軸と直交しておらず、そして検出区域３２における分離チャネル１２の軸とそれぞれ角度３９及び４０をなしている。角度３９及び角度４０は、略同一であっても、又は異なっていてもよく、分離チャネル１２の軸の基準方向、又はキャピラリーカラム１０の基準部分（例えば、図１Ｂに示す、ファイバ３４と３６との間のキャピラリーカラム１０の部分）に対して測定して、９０度未満、又は９０度超とすることができる。例えば、同じ基準部分から測定して、角度３９は９０度未満とし、そして角度４０は９０度超とすることができる。図１Ｂに示す実施形態では、角度３９及び角度４０は同一であり、かつ略同一平面内にある。

図１Ｂに示す実施形態では、励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６の両方はそれぞれ、２００マイクロメートル径のコアを光導波路として外部クラッド層内に有し、そして３５０マイクロメートル径の球形先端（すなわち、ファイバコア径と球径との比が１：１．７５）を有し、この球形先端は、融合されたコア及びクラッド材料を含む。球形先端は、略球形の外形を有する。これらの先球ファイバは、融着接続機を用いることにより形成することができ、或いは多数の市販品供給業者から入手することができる。キャピラリーカラム１０は、２００〜３７０マイクロメートル（例えば、３６０マイクロメートル）の外径、及び２０〜１５０マイクロメートル（例えば、７５マイクロメートル）の内径を有する。励起ファイバ３４の先球の先端は、キャピラリーカラムの外面からおよそ５０〜５００マイクロメートルだけ離間し、そして発光ファイバ３６の先球の先端は、キャピラリーカラムの外面からおよそ１０〜５００マイクロメートル（例えば、５０〜２００マイクロメートル）だけ離間している。或いは、発光ファイバ３６は、その遠位端に５００マイクロメートル径の球形先端を有する、３００マイクロメートル径のコアを有することができる（すなわち、ファイバコア径と球径との比が１：２．５）。角度３９及び４０はそれぞれ、０度超〜９０度未満、好ましくは２０〜７０度の間、さらに好ましくは３０〜４５度の範囲とすることができる。図１Ｂに図示する実施形態では、角度３９及び４０は共に約７０度である。ファイバ３４及び３６の球形端部はキャピラリーカラム１０に接触していない。

１つの実施形態では、光検出システムは、蛍光標識（ＦＩＴＣ）抗体フラグメント検出のための励起放射線源として、スーパーブライトＵＶＬＥＤ（例えば、ＬＧＩｎｎｏｔｅｋ／ＩＲＴｒｏｎｉｘ又はＤｏｗａ）を用いて構成される。モジュール設計及び光ファイバの結合により、励起放射線を、レーザモジュール（ＬＩＦ適用のため）又は他の種類の安価な光源に交換する柔軟性がもたらされる。

平端ファイバ（微小球レンズなしで端面がむき出しのファイバ）と比較して、先球ファイバは、励起ファイバ３４の入射放射線の優れた集光性（集光度／出力密度）、ならびに広範囲角度の蛍光コレクタとして発光ファイバ３６の高い集光効率（高い開口数：ＮＡ）をもたらし、蛍光信号集光能力を高め、そして検出感度を向上させることが判明している。大径コア（例えば、１００〜１０００マイクロメートル）及び高いＮＡ（０．１５〜０．５）のマルチモードファイバを用いると、ＬＥＤ又はレーザからの高出力光を励起ファイバ３４に結合させることができる。微小球レンズを励起ファイバ３４の遠位出力端に一体化させて設けることにより、高い結合効率を分離チャネル１２（例えば、２０〜２００マイクロメートルのマイクロ流体チャネル）の内部で実現して、高い蛍光検出感度をもたらすことができる。

キャピラリー分離チャネル１２を指向する３３０〜３５０マイクロメートル径の球を有する（図１Ｂを参照）、２００マイクロメートルのコア径の小径励起ファイバ３４が、より高い出力密度を有するより小さな焦点スポットをもたらし、それによって蛍光励起信号を最適化する。３００マイクロメートルのコア径及び５００マイクロメートル径の球形レンズを有する発光ファイバ３６を用いて発光を集光すると、発光集光効率が高くなる。キャピラリーカラムの外径は３６０マイクロメートルであり、内径は７５マイクロメートルである。

先球ファイバを用いる２ファイバ検出構成は、内蔵バッファーリザーバを有する使い捨ての単一チャネル、単一キャピラリーカートリッジ概念に適用されている（米国特許第８，７７８，１５５号及び同第８，７８４，６２６号、並びに米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号を参照）。本発明は、４Ｘ〜８Ｘの倍率で、分離時間（サイクル）を加速させるために（全９６ウェルサンプルプレートの電気泳動について１時間）、同様の設計の複数のゲルカートリッジを利用する高スループット装置を提供する。

試験サンプルを動電的注入によって分離キャピラリーカラム１０に導入する。各チャネルにおける生体分子の動電的注入及び分離のために、高圧電源（例えば、ＥＭＣＯ，ＳｕｔｔｅｒＣｒｅｅｋ，ＣＡ）を用いて、例えば５００Ｖ〜２０ＫＶの電界をキャピラリーに供給する。各チャネルについて、広帯域光エネルギー（例えば、ＦＷＨＭ＝２０〜５０ｎｍ）及び２０〜１００度の視野角を有する励起ＬＥＤを、大径コア励起光ファイバ（１００〜１０００マイクロメートル）の平端面（研磨端面又は劈開端面）に接続する。ラインフィルタ（ＦＷＨＭ＝２〜５０ｎｍ、帯域通過ラインフィルタ）を、先端部に３５０マイクロメートル径の先球加工を行った励起ファイバの２００マイクロメートル径コアに光を結合させる手前のＬＥＤの前面に配置して、バックグランドノイズを低減する。当該ファイバの微小球レンズ端部を、融着接続（高電圧印加による熱溶融）によって、高精度に制御された球径を持つように形成して、明確に定義される出射ＮＡ（開口数）及びスポットサイズを設定することにより、励起放射エネルギーをキャピラリーカラムの内径（分離チャネル）に結合させる。各チャネルに関して、分離検体により生成される蛍光発光信号を、キャピラリーチャネルの検出区域で、同様の先球ファイバ（５００マイクロメートル径の球が付いた、より大きいコア径のファイバ）を用いて集光し、そして外部検出モジュール（例えば、図１Ａに模式的に示される蛍光検出器４２）に中継するが、その外部検出モジュールは、１つ又は複数の光電子増倍管（ＰＭＴｓ）又はＳｉＰＭＴ又はＣＣＤを含んでいてよく、また下記のさらなる開示に従い、多色検出のために、ビームスプリッタ、内蔵蛍光フィルタ（例えば、バンドパスフィルタ）も含んでいてよい。

検出光学系及び検出方式のさらなる詳細については、米国特許第８，７７８，１５５号及び同第８，７８４，６２６号、並びに米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号を参照することができ、それらは本明細書に全体が記載されているかのように、参照によってそれらのすべてが本明細書に組み込まれる。

ＣＥ装置は、サンプル又は所望のプロセス（ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）増幅プロセスなど）の温度を制御するために、テーブル２２１（図２Ｄを参照）（例えばその下又は上）に接続したペルチェ（Ｐｅｌｔｉｅｒ）加熱／冷却モジュール２０７などの、温度制御機構を含むことができる。そのような温度制御は、別個の装置で２つのプロセスを行うことを必要とすることなく、単一装置においてＰＣＲ増幅及び電気泳動／検出の両方を行うことを容易にする。加えて、図９Ｂに示すように、加熱／冷却モジュール２０７’（例えば、ペルチェモジュール）を設けてキャピラリーカートリッジ６０の温度を制御する。示すように、温度制御された空気をファンによってキャピラリーカートリッジ６０に循環させる。

ＣＥ装置
図２Ａは、ＣＥシステム１００に含まれるＣＥ装置２００の外観図を示す。本発明の１つの実施形態に従い、ＣＥ装置２００は、上記のＣＥシステム１００の構成要素のいくつかをその装置内に組み込む（例えば、電源、加圧ガス供給源、演算装置など、ＣＥシステムの構成要素のいくつかは外部に設けてよい）。ＣＥ装置２００は、図１Ａに模式的に示す構成要素などの構成要素を含む。図２Ｂ及び２Ｃは、本発明の１つの実施形態に従うＣＥ装置２００の内部を示す断面図である。ＣＥ装置２００は、本発明に従うカートリッジ６０を収容するための格納ブロック２０５を含めて、様々な構成要素を含む。格納ブロックは、カートリッジインターフェース機構２０４を支持し、カートリッジインターフェース機構２０４は、上述した検出光学系を支持する複数のフォークアセンブリを含み、そしてカートリッジ内のキャピラリーカラムに検出光学系を接続／係合させる。図２Ｄ及び２Ｅは、装置ハウジング内にあるＣＥ装置２００の構成要素をさらに示す模式図である。ＣＥ装置２００は、サンプル輸送機構２０２（例えば、三軸Ｘ−Ｙ−Ｚ輸送機構）に作動可能に接続されるシステムボード２０１と、カートリッジインターフェース機構２０４と、光電子増倍管（ＰＭＴ）モジュール２０６（図２Ｂ及び２Ｄを参照）を含むものなどの光信号検出器と、高圧電源２０８（図２Ｄを参照；別の態様では、当該電源は、ＣＥ装置２００の外部に設けてもよい）と、検出光学系（例えば、図１Ｂに示すような）と、加圧ガス供給源（当該加圧ガス供給源は、ＣＥ装置２００の外部に設けてよいが、装置ハウジングのポートに接続される）と、を備える。

ユーザインターフェース、並びに実験／試験設定及びパラメータのプログラムのために、コントローラ２６を設ける。当該コントローラは、必要なアプリケーションソフトウェアルーチンを含み、それらはデータ圧縮アプリケーション（data reduction application）も含むことができる。コントローラ２６は、装置２００の一体部分とすることができる（例えば、アプリケーションルーチンをＡＳＩＣ（特殊用途向け集積回路）内で符号化処理した状態で、システムボード２０１の一部として）、或いは、当該コントローラは、ＣＥ装置２００に接続される／インターフェース接続される別体ユニットとすることができる。図示の実施形態では、コントローラは、ＣＥ装置２００のハウジングの外部に、ＣＥ装置２００にシステムボード２０１を介してＵＳＢインターフェース経由で接続されるデスクトップコンピュータ又はノートブックコンピュータの形態で設けられる。外部コントローラ２６は、大容量記憶装置、ディスプレイ、キーボードなどを含むことができ、或いは、これらのユーザインターフェース構成要素のうちのいくつかは、ＣＥ装置２００の一部となるように構成してもよい（例えば、前面ハウジングに取り付けられるディスプレイ及びキーボード）。別の態様では、システムボード２０１を、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、外部コントローラ２６の一部として組み込むことができる。

システムボード２０１は、例えば輸送機構２０２の移動、電源２０８の出力、ＰＭＴモジュール２０６、加圧ガスのバルブ開放、カートリッジインターフェース２０４の移動、ＲＦＩＤ送信機／リーダなど、ＣＥ装置の様々な構成要素を駆動するのに必要な電子機器を含む。システムボード２０１は、図面に模式的に表示されていることに留意されたい。当該システムボード２０１は、特定の構成要素を制御する他の電子基板を含むことができ（例えば、サンプル輸送機構２０２におけるモータを制御する電子基板）、或いはこれらの他の基板を、システムボード２０１とは別体としてシステムボード２０１と通信させて、所望の機能を実行することができる。正確な電子基板構成は本発明には重要ではなく、本明細書に開示される所望の機能及び特徴を実現するために基板を構成することは、この技術分野の当業者の知識の範囲内である。コントローラ２６及び／又はシステムボード２０１は、サンプル及び／又は試薬トレイ２２０を設置及び取り除くためにユーザがアクセスすることを可能にするように、装置ハウジングの前面パネル２０３（図２Ａを参照）に組み込むことができる。前面パネル２０３は、タッチスクリーンユーザーインターフェースディスプレイパネル２５を備える。従って、タッチスクリーンパネル２５をコントロールパネルとして用いて、装置２００のコントローラ２６の動作を設定することができる。図示するように、前面パネル２０３をステッピングモータ（Stepper Motor）によって駆動し、上にスライドさせて輸送機構２０２上にトレイ２２０（例えば、バッファー溶液、試薬及び／又はサンプルを支持する）を設置する／輸送機構２０２からトレイ２２０を取り除くためにアクセス可能にすることができ、また下にスライドさせてアクセスを防ぐことができる。

図２Ｄに示すように、サンプル輸送機構２０２は、複数のウェル（例えば、標準の９６ウェル滴定プレート）を有するトレイ２２０と、バッファー、クリーニング溶液、及び廃液回収のためのより大きなウェルを有するトレイ２２０ａとを支持するテーブル２２１を備え、３自由度で移動する。複数のウェルは、クリーニング溶液及びサンプルを含むウェルと、廃液を回収するためのウェルとを含むことができる。図面では、Ｘ、Ｙ、及びＺは直交軸であることに留意されたい。Ｙは垂直軸であり；Ｘは装置を横切る水平方向（装置の背面に平行）であり；Ｚは、装置の内部に入り込み、そして装置から出て行く水平方向である。テーブル２２１は、輸送機構２０２によって制御されて、上下に移動し、さらに平面内を直線的に移動し、そしてその平面内で回転する。すなわち、テーブル２２１は、単一の水平方向（Ｚ方向）、及び垂直方向（Ｙ方向）に移動する。輸送機構２０２はさらに、垂直軸（Ｙ軸）の周りのテーブル２２１の回転を制御するように構成することができる。テーブル２２１の動き（並進運動又は回転と並進運動との組合せ）により、トレイ２２０及びトレイ２２０ａ内の複数のウェルのいずれも、垂下する(depending)キャピラリーカラム６０の先端が接近できるように設置することができる（図３Ａを参照）。

加圧ガス供給源（例えば、加圧空気又はＮ_２）は、ＣＥ装置のハウジングの内部に設置されるガスカートリッジとすることができ、或いは装置ハウジングにあるガス接続ポートを介して加圧ガスをＣＥ装置に供給する外部供給源（例えば、空気ポンプ）とすることができる（この場合、加圧ガス供給源は、外部ガス供給源に通じるガス接続ポートとすることができる）。加圧ガスは、適切なガス管及びバルブ（バルブは、システムボード２０１に作動可能に接続される）を介して、カートリッジ６０のリザーバ６２に供給される。

電源２０８は、システムボード２０１に接続されるシステムＤＣ電源２２２（例えば、外部ＡＣ電源からの１２−２４ＶＤＣ）と、電気泳動をカートリッジ６０内で行なうために、カートリッジ６０の電極６６及び６７との電気コンタクトのための電極コンタクト／プローブに必要な高電圧を供給する可変高圧電源（例えば、１−３０ＫＶＤＣ電圧）とを含む。別の態様では、外部ＡＣ電源から給電される内部１２−２４ＶＤＣ電源を用いるのではなく、ＣＥ装置２００は、外部１２−２４ＶＤＣ電源を用いることができ、それによって、内部ＡＣ−ＤＣ変換を行なうことなくより簡単かつ安全に装置を使用できるようにする。またこれによって、屋外での携帯及び操作のためにバッテリ操作を可能にする。コンタクトプローブを、空圧で（例えば、ガス供給源からの加圧ガスを調節することにより、又は電気機械的に）作動させて、電極６６及び６７の露出表面に接触させることができ、或いは、コンタクトプローブを単純にばね荷重して、電極６６及び６７の露出表面に押し付け付勢することができる。コンタクトプローブのさらなる詳細については、米国特許第８，７７８，１５５号及び同第８，７８４，６２６号、並びに米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号を参照することができ、それらは本明細書に全体が記載されているかのように、参照によってそれらのすべてが本明細書に組み込まれる。

励起光ファイバ３４は、システムボード２０１の一部とすることができる４チャネルＬＥＤモジュール２２６（図２Ｄ）の形態の光源に光結合させる。発光ファイバ３６は、適切な光学フィルタを介してＰＭＴモジュール２０６に光結合させる。ＰＭＴモジュール２０６の電気出力は、システムボード２０１に接続される。

図９Ａ及び９Ｂを参照して、カートリッジインターフェース機構２０４は、装置の格納ブロック２０５内に支持され、カートリッジ６０を収容しさらに検出光学系に対してその位置を確実かつ正確に支持するように構成される。カートリッジ用扉２６１（図２Ａ〜２Ｃ）を装置ハウジングの上面に設けて、カートリッジ６０の挿入及び取り出しを可能にする。

図９Ａ〜９Ｃに示すように、ホールパンチャー１１９を設けて、蒸発及び／又は汚染を防ぐためにサンプルトレイ２２０上に設けられる可能性があるシールに穴をあけるのを容易にする。ホールパンチャー１１９は、サンプルトレイ２２０を輸送機構によってテーブル２２１により上昇させたときにシールにパンチで穴をあける静止型のメカニカルパンチャー（例えば、テーブル２２１に対してＣＥ装置のシャーシにより支持される）とすることができ、或いは、垂直に上／下させる及び／又は側方移動させるために空圧で又は電気機械的に作動させて、テーブル２２１に支持されるサンプルトレイ２２０のシールにパンチで穴をあけるパンチャーとすることもできる。

マルチチャネルＣＥカートリッジ
本発明の１つの態様では、システム１００は、ＣＥ装置２００（例えば、図２Ａ〜２Ｅに示す）を備えるカートリッジ式バイオ分離システムであり、そのＣＥ装置は、信頼性のある、小型の、簡易化された、脱着可能な、携行式の、入れ替え可能な、再使用可能な、低コストの、リサイクル可能な、及び／又は使い捨てのバイオ分離用カートリッジを利用するように構成され、当該カートリッジは、可動部品がなく組み付け及び使用が容易であり、かつ各チャネル用の個別の内蔵試薬（分離バッファー）リザーバを有する。図面に例示する実施形態において、バイオ分離用のマルチチャネルカートリッジは複数のカートリッジ要素を含み、各カートリッジ要素は、外部検出光学系を受け入れるための検出窓としての開口を画成する本体；前記本体内に支持されるキャピラリーカラム；及び前記本体の第１端部に取り付けられて、前記キャピラリーカラムの第１端部と流体連通するリザーバであって、単一のカートリッジ要素に専用であるリザーバ；を備え、前記複数のカートリッジ要素は連結しており、それぞれのカートリッジ要素のリザーバは流体連通していない。カートリッジ要素の各々は、ペンの一般形状にほぼ沿った全体サイズ及び長細い形状を有するように構成することができる。バイオ分離システム１００は、光学系を含む上記の検出構成を備え、この光学系は、入射放射線を各分離チャネルに沿った検出区域に照射し、そしてその検出区域からの出力放射線を検出して、サンプル検体から放出される放射線（例えば、放射線誘起蛍光発光）を、光学系をキャピラリーカラムに微細に位置合わせする必要なしに検出する。システム１００は、マルチチャネルバイオ分離用カートリッジの各分離チャネルにおいてバイオ分離を自動的に行なうように構成される。

開示の実施形態において、本発明は、再使用可能な４チャネルゲルカートリッジを提供し、その４チャネルゲルカートリッジは、例えば１１ｃｍの有効分離長さを有する４マイクロ流体ガラスキャピラリー（２０〜１００μｍの内径（ＩＤ））を組み込む一体型４独立ゲルリザーバ設計を有する堅牢な射出成型体における容易なプラグアンドプレイでの使用を可能にする。短縮されたキャピラリーの長さは、動作電圧（１〜１５ＫＶ）を下げ、またペルチェ又は低温循環水槽などの高価な冷却システムを省くことを可能にする。その設計は、上部電極及び下部電極（アノード＆カソード）、露出した検出区域、及びゲルカートリッジタイプに関するＩＤを提供しまたカートリッジ当たりの電気泳動回数を追跡するための埋め込みＲＦＩＤチップ／ラベルを含む。各カートリッジは、直線状ゲルマトリックス（linear gel-matrix）を含み、１μｌ〜２０μｌのサンプル量からわずか１ｐｌ程度を使って、サンプル当たりわずか２分程度で２００サンプルを分析することができる。

本発明のゲルカートリッジは、操作が容易なＣＧＥ装置の大量生産のための単純であるが非常に堅牢な設計アプローチであり、そのＣＧＥ装置は、バックグラウンドノイズの顕著な低減をもたらし、それによってＳ／Ｎを改善し、サンプル電気泳動当たり非常に低コストで生体分子の高い検出感度をもたらす。４チャネル独立ゲルリザーバ設計は、異なる分解能を達成するために異なるゲルマトリックス（バッファー）の組合せを使用する柔軟性を提供する。個々のチャネルを、異なる内径及び長さのガラスキャピラリーを用いて組み付けることにより、様々な生体分子のためにその性能を改善することができる（図８Ａ及び８Ｂ、並びに図１６及び１７に関連して、下記のさらなる説明を参照）。分解能（又は分離度）を改善するためにより長い分離電気泳動を行うために、より長いキャピラリーチューブを１つのリザーバからカートリッジの次の部分までループさせることができる。

図３Ａ〜３Ｈは、本発明の１つの実施形態に従うマルチチャネルチャネルカートリッジ６０を示す。図示するように、カートリッジ６０は、４つの別個のカートリッジ要素６０’を含み、各カートリッジ要素は単一チャネルに相当する／対応する。各カートリッジ要素はブレード形状である。４つより多くの又は少ないチャネルも、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく実施することができる（例えば、２、３、６、８チャネルなど）。キャピラリーカラム１０は、カートリッジ６０の各カートリッジ要素６０’／チャネルにより、及び各カートリッジ要素６０’／チャネル内に支持される。図示の実施形態では、カートリッジ要素６０’はそれぞれ、細長で、略縦長の本体８０を有する。カートリッジ６０の図示される本体８０は、略平筒状又はブレード形状であるが、当該本体８０は、円形、正方形、矩形、六角形、楕円形、又は他の規則的な及び不規則な形状のような他の筒型断面形状を有することができる。図示のように、本体８０は、略均一又は略一定の幅を有する本体部分を有し、本体の下端部分は本体部分の均一幅よりも狭くなっている。本体８０の下端部分は先細りした狭小部となって、例えば略円錐形部分９７で終端する。キャピラリーカラム１０は、カートリッジ本体８０の長手中心軸にほぼ沿って、カートリッジ本体８０により又はカートリッジ本体８０内に保持される。１つの実施形態では、カートリッジの全体サイズは、分離チャネルが３０ｃｍを超えない、好ましくは１０〜２０ｃｍの範囲であることにより特徴付けられる。

さらに、図４Ａ〜４Ｃ、５Ａ〜５Ｃ、６Ａ〜６Ｂ、及び７Ａ〜７Ｃを参照して、出口のバッファーリザーバ６２が、本体８０の上端部分に取り付けられる。バッファーリザーバ６２は、リザーバ６２の上部開口を密閉する蓋８５（例えば、ネジ式蓋又は栓）を含み、分離支持媒体（例えば、ゲルバッファー）をリザーバ内に保持する。追加の栓カバー８５’を蓋８５の下に設けてもよい。リザーバ６２の底面は、溝９３を画成する周縁部８８と、キャピラリーカラム１０を収容する貫通孔９１を有する中心突出部９０とを有する。リザーバ６２の蓋８５は、外部加圧ガス（例えば、窒素）供給源（例えば、以下に説明するＣＥ装置の一部であるガスタンク又はポンプ）に接続するためのポート６４（例えば、小さいドリル開口孔）を有する。（暫くの間カートリッジ６０を使用しない場合は、ポート６４を、短い帯状テープを貼り付けることにより密栓することができる）。加圧ガスによって必要な空圧を供給して、キャピラリーカラム１０のキャピラリー分離チャネル１２をパージし、そしてリザーバ６２に収容される分離支持媒体（バッファー）をキャピラリー分離チャネル１２に充填する。分離バッファーの粘度によって異なるが、最大６０ＰＳＩまでの圧力を加えて、キャピラリーカラム１０の充填を上部バッファーリザーバ６２から行なうことができる。リザーバ６２に、バッファーと電気的にコンタクトする電極６６（アノード）を設ける。電極６６（図７Ａを参照）は、開口６３（図６Ａを参照）を通して外部に露出するコンタクト面を有する。

さらに、内部構造を示す図５Ａ〜５Ｃ及び６Ａ〜６Ｂを参照して、本体８０は、２つのハーフカバー又は半殻体８２及び８３を含み、これらの半殻体は対向する内表面（すなわち、半殻体８２及び８３を組み付けたときに外部に露出しない面）に相補的構造を有し、それらは互いを映す鏡であってよい。半殻体８２及び８３は、外部光学系による検出区域３２へのアクセスのための貫通開口又は窓８６を画成する（以下に説明するＣＥ装置に関連してさらに詳細に説明する）。半殻体８２及び８３の内部は略中空である。半殻体８２及び８３にはそれぞれフランジ９２が設けられ、このフランジ９２は、リザーバ６２の溝９３と、これらの部分が組み付けられると嵌合して、カートリッジ本体８０の上端部分にある開放空洞内において、リザーバ６２をカートリッジ６０の本体８０に強固に取り付ける。溝及び凹部（タブ１０１上の）を、半殻体８２及び８３の内部に沿った適切な位置に設けて、キャピラリーカラム１０を挿通させる。半殻体８２の外表面に、位置合わせ溝及び／又は位置指標凹部を設けて、カートリッジ６０をＣＥ装置に挿入するときに、ＣＥ装置に対するカートリッジ６０の検出窓８６の案内、並びに確実かつ正確な位置決め及び位置合わせを容易にすることができる。同様に、ＣＥ装置内での検出窓８６の位置合わせ及び位置決めのために、半殻体８３の外部に、位置指標凹部及び／又は溝を設ける。図示の実施形態では、カートリッジ６０に、一方の縁部に沿って短いタブ５１を設け、また他方の縁部に長いタブ５２を設けており、それらはＣＥ装置に設けられた相補的な溝／凹部と係合し、またそれらはＣＥ装置に対してカートリッジ６０を確実に位置合わせ及び方向合わせをするためにカートリッジにいくらかの非対称性を提供する。上記のように、別の態様では、カートリッジ６０の表面に沿って凹部／溝を設けて、ＣＥ装置における相補的な位置指標構造と合わせて指標としてもよい。さらに、位置合わせ／位置指標凹部５３（図７Ｂ）を設けて、ＣＥ装置内に配設置される外部電源に対する電極６７の位置合わせ及び位置決めを容易にすることができる。

さらに、取り付けて合体させた２つの半殻体の断面図である図３Ｈを参照して、検出区域３２の上流及び下流の円筒スリーブ又はフェルール８７が、キャピラリーカラム１０をカートリッジ６０の本体８０内で支持している（図４も参照）。キャピラリーカラム１０をフェルール８７に挿通させ、そしてキャピラリーカラム１０の一方の端部は、リザーバ６２の内部に延出して、リザーバ６２に収容されるバッファーと流体連通し、そして他方の端部は、カートリッジ本体８０の下側端部を超えて延出している。図示の実施形態（図４Ｂ及び４Ｃを参照）では、キャピラリーカラム１０の上側端部をリザーバ６２内に固定するために、貫通孔を有するネジ付きニップル９６をリザーバ６２の基台にねじ込み、そしてＯ−リングシール９６’を押圧圧縮する（図４Ｃ及び７Ｃを参照）。キャピラリーカラム１０の上側端部をニップル９６に挿通させる。ネジ付きニップル９６は、キャピラリーカラムを取り外す際、又は異なる長さのキャピラリーカラムを収容する際に、柔軟性をもたらす。別の態様として、ニップルを使用するのではなく、キャピラリーカラム１０の端部を接着剤又はエポキシでリザーバ６２に固定してもよい。フェルール８７は、凹部９４から窓８６の位置まで延在するが、キャピラリーカラム１０の検出区域３２を露出させる。例えばネジ８９（図４Ａを参照）、又はエポキシ、又はクリップにより、２つの半殻体８２及び８３を取り付け合体させて本体８０を形成する。

キャピラリーカラム１０は、カートリッジ本体８０内で支持されるフェルール８７によって同軸に支持され、フェルール８７のそれぞれは、カートリッジ本体によって片持ち梁状に支持され、かつ検出窓８６の位置まで延出する端部を有し、そしてキャピラリーカラムに沿った検出区域は、これらのフェルール８７の延出端部の間で露出する。カートリッジ６０の下側端部は、別の電極６７（カソード）である。電極６７は、カートリッジ本体６０の半殻体８２及び８３の円錐形部分９７にある開口６５を通して外部に露出するコンタクト面を有し、それによって、カートリッジ６０を収容するように設計された以下に説明する実施形態（図２Ａ〜２Ｅを参照）のようなＣＥ装置の内部に設置されたときに、電気泳動のためにＣＥ装置において外部高電圧電源に接続することができる。下側電極６７は、金属／導電スリーブの形態に構成され、当該スリーブは、カートリッジ６０の下側端部から延出し、キャピラリーカラム１０の垂下する端部の側面を完全に（例えば、同軸金属チューブの形態で）又は部分的に（例えば、ワイヤメッシュ、金網、又は金属ネットの形態で、或いはＣ字形断面を有する開放円筒状管の形態で）取り囲むが、キャピラリーカラム１０の先端は外部バッファーリザーバとの流体連通のために露出している。キャピラリーカラム１０の先端は、サンプルに一層良好に接近できるように電極６７の端部を超えて（例えば０．５〜３ｍｍ）延出していてよく、それによってキャリーオーバーの問題を減らすことができる。

示されている様々な部品を組み付けるために、リザーバ６２の下端の周縁部８８を、半殻体８３の端部に収容し、その際にフランジ９２はリザーバ６２の溝９３に挿入される。各カートリッジ要素６０’に関して、キャピラリーカラム１０をフェルール８７に挿通させ、そして一方の端部を下側電極６７に挿入させる。キャピラリーカラム１０の他方の端部は、リザーバ６２の下端開口９１に、ニップル９６を通して挿入する。ニップル９６をリザーバ６２の基台に締め付けて、Ｏ−リング９６’を圧縮することにより、キャピラリーカラム１０の本体に押し付けて密閉する。フェルール８７の遠端を半殻体８３の凹部９４に挿入する。下側電極６７は、半殻体８３の円錐形部分９７の内部に設けた溝９５に配置され、電極の端部は、円錐形部分９７を超えて延出する。接着剤を滴下して、電極６７を溝９５に固定することができる。他方の半殻体８２を半殻体８３の上に載置し、そして図４Ａに示すようにリベット又はネジ８９のような適切な締結手段により半殻体８３に取り付ける。リザーバ６２に所望の分離支持媒体（例えば、ゲルバッファー）を充填し、蓋をする。完全に組み付けたカートリッジ６０を試験し、さらにラベルすることができる。ＲＦＩＤラベル１５０のような電子ラベルを、カートリッジ６０（例えば、リザーバ６２の外面）に埋め込む又は取り付けて、カートリッジの特定の構成（例えば、バッファー媒体、キャピラリーのサイズ、コーティング、及び長さ）の識別手段を提供することができる。ＲＦＩＤラベルは、使用期限と共に電気泳動の回数に関する事前設定限界及びカートリッジタイプを含むことができる。カートリッジ６０を組み付けた後、ＲＦＩＤラベルに初期構成パラメータを付加する。ＲＦＩＤは、再書き込み可能で情報を更新できるものであってよく、それによって、カートリッジの使用状況（例えば、電気泳動の回数、及び電気泳動時の条件及び／又は電気泳動パラメータ（例えば、印加電圧、持続時間、サンプル）、カートリッジを再調節した回数など）を追跡して、カートリッジの履歴を容易に把握することができる（例えば、以下に説明するＣＥ装置によって、又は別体のリーダによって）。各カートリッジの有効使用期限の終了は、ＲＦＩＤラベルから判断することもできる。別の態様として、バーコードラベルのような静止ラベルを取り付けてもよい。

以下にさらに詳細に説明するように、ＣＥ装置２００に取り付けられた状態での電気泳動動作では、下側電極６７の端部をキャピラリーカラム１０の開口端部と一緒に、外部バッファーリザーバに浸漬する。電気泳動を行なうために、バッファーリザーバ６２内の電極６６、及び外部リザーバに浸漬した電極６７に、高電圧を供給し、バッファーにわたる高電圧回路を形成して、電気泳動経路をキャピラリーカラム１０内に確立する。電極６７は、キャピラリーカラム１０の垂下する端部の破断を防止するための保護も提供する。

カートリッジは、検出光学系を当該カートリッジに内蔵させる必要がなく、そして分離チャネルは、検出区域に対する微細な位置合わせを必要としない。具体的には、図示の実施形態では、カートリッジは内蔵検出光学系を含まない。検出区域３２の領域を取り囲む検出窓８６では、検出区域３２の上流及び下流のスリーブ又はフェルール８７が、キャピラリーカラム１０をカートリッジ６０の本体内で支持する。ＣＥ装置内で支持される外部励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６は、分離チャネル／カラム１０に合わせて画成された検出窓８６を通して検出区域３２に位置合わせされる。以下にさらに説明する図示の実施形態では、励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６は、ＣＥ装置内でフォークアセンブリにより支持される（例えば、図１０を参照）。ファイバ３４及び３６の軸、並びにキャピラリーカラム１０の軸は、同一平面にある。ファイバ３４及び３６の先球は、キャピラリーカラム１０に近接するが、接触はしていない。すなわち、光ファイバは、分離チャネルの外面から離間した一体型の先球終端構造を有し、この先球構造は分離チャネルの外面とは接触しない。これは、図１Ｂに示す検出光学系構成に準拠する。

図示するように、カートリッジ６０は、別個のカートリッジ要素６０’により画成された別個のチャネルを有する。各チャネルは、個別のそれ自体のリザーバを有しているため、各カートリッジ要素６０’／チャネル内の流れは、別のカートリッジ要素／チャネルから分離している。これは、バッファー媒体の化学的性質、及びキャピラリーの特徴（例えば、キャピラリーのサイズ、コーティング、及び長さ）を、各カートリッジ要素６０’ついて別々に規定することを可能にし、それらは互いに異なっていてよい。さらに、下記に説明するＣＥ装置において使用するために異なるカートリッジ６０を容易に入れ替えて、特定のサンプルに基づく分離に適合させることができる。カートリッジは、取り替える、再使用のため再調節(recondition)する（例えば、新鮮なバッファー、シール材、新しいキャピラリーカラム及び／又は電極などで）、リサイクルする、又は廃棄することができる。

本発明によるカートリッジは、比較的低コストで製造することができる。カートリッジの本体は、射出成形プラスチック（例えば、ＰＶＣ、ポリウレタン、ポリカーボネート、アセタールなど）により作製することができる。電極は、ステンレス鋼により形成することができる。フェルールは、射出成形プラスチック材料により成形するか、又はアルミニウム加工部品又はガラス加工部品で構成することができる。

図示の実施形態では、カートリッジ６０の全体サイズは、２０ｃｍ未満の長さ（例えば、約１１〜１５ｃｍ）であり、そして３ｃｍ未満（例えば、２〜３ｃｍ）の厚さである。カートリッジ６０に収容することができるキャピラリーカラム１０の長さは、５０ｃｍ未満（例えば、約１１〜１５ｃｍ）であり、有効分離長さは１１．５ｃｍである。リザーバ６２の容量は、２０ｃｃ未満（例えば、約１０〜２０ｃｃ）である。

図８Ａを参照して、キャピラリーカラム１０を、リザーバ６２（アノード６６を有する）から、同じカートリッジ要素６０’内の対応するカソード６７まで配索することができる。別の実施形態では、キャピラリーカラムを、１つのチャネルのリザーバ／電極（アノード）と別のチャネル内の電極（カソード）までの間に配索してもよく、それによって、より長いキャピラリーチューブを用いてより長い分離チャネルを画成することを可能にする。図８Ａに示すように、キャピラリーカラム１０’を、カートリッジ要素６０ａ’のリザーバ６２（アノード６６）と隣接するカートリッジ要素６０ｂ’のカソード６７までの間に配索する。これによって、より長い有効分離長さを提供し、分離塩基の分解能を顕著に改善することができる（図１２〜１９に関して下記において説明するように）。図８Ｂは、キャピラリーカラムを収容するために、有効分離長さを超える縦の長さを有するカートリッジを使用する必要なしに、３４．５ｃｍの有効分離長さを有する３８．５ｃｍの長さのキャピラリーカラムを、２つ又は３つ以上のカートリッジ要素６０’を介してカートリッジ６０内に配索できることを示す。

カートリッジインターフェース機構
カートリッジインターフェース機構２０４は、（例えば図９Ａ〜９Ｄに）示すように、カートリッジ６０を収容するようにサイズ設定及び構成された開口を有する格納ブロック２０５内で支持される。格納ブロック２０５は、装置のシャーシに支持され、カートリッジ６０を収容しそして当該カートリッジの位置を検出光学系２１０（励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６を含む）に対して確実かつ正確に間欠移動（index）させるように構成される。図３Ｅに示すように、例えば、一番右のカートリッジ要素６０’は、一番左のカートリッジ要素６０’よりも広い（すなわち、タブ５２がある）。加えて、一番左のカートリッジ要素６０’の上端部分の左側は、一番右のカートリッジ要素６０’の上端部分の右側と比較してわずかに突出している（すなわち、タブ５１がある）。これらの特徴は、カートリッジ６０がＣＥ装置に正しく挿入されたときに、下記に説明するフォークアセンブリ２３０に対してカートリッジ６０の検出窓８６を確実かつ正確に位置決め及び位置合わせすることを容易にするガイドを提供する。

この図示の実施形態では、カートリッジ６０は、格納ブロック２０５により垂直配向で支持され、キャピラリーカラム１０の長手軸は、トレイ２２０の水平面に対して略垂直である。カートリッジの長手軸が試薬／サンプル容器に対して水平になるようにカートリッジを支持する構成も、本発明の範囲に含まれる。安全インターロック機能を設けて、電気泳動動作中にカートリッジ６０が誤って格納ブロック２０５から外れるのを防止することができる。安全インターロック機能は、トレイ２２０の前扉（サンプル用扉）２０３、及びカートリッジ６０を挿入するための上部扉（カートリッジ用扉）２６１も含んでいてよく、ユーザが誤って電気泳動動作中にこれらの扉を開けるのを防止することができる。安全インターロック（図示せず）は、電気泳動の終了手順（例えば、高電圧電源の遮断、及び以下に説明するフォークアセンブリ２３０の外側への移動）が実行されたときにのみ解除されることになる。また、格納ブロック２０５は、キャピラリーカートリッジ６０のＲＦＩＤラベルと通信するために、ＲＦＩＤリーダ／送信機を（例えば、格納ブロック２０５の外側に）を含む。

カートリッジインターフェース機構２０４は、各チャネル用の一対の対向するフォークアセンブリ２３０を備える。各対のフォークアセンブリ２３０に関して、対向するフォークアセンブリの動作中の動きによってそれぞれのフォークアセンブリがカートリッジ要素６０’のフェルール８７に係合するように、軌道２２９が提供される。図１０Ａ〜１０Ｃも参照して、フォークアセンブリ２３０はスライド２３１に取り付けられ、これらのスライド２３１を作動させて、軌道２２９に沿って互いに向かう方向に及び互いから離れる方向に摺動させることができる。すなわち、図示の実施形態では、フォークアセンブリ２３０は、同じ軸に沿って摺動するように支持される。励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６はそれぞれ、別個のフォークアセンブリ２３０上に支持される。フォークアセンブリ２３０は、励起ファイバ３４及び発光ファイバ３６の先球端部を、分離サンプル検体の検出のために、キャピラリーカラム１０の検出区域６８の近傍に配置するように構成される。フォークアセンブリ２３０の移動は、空圧又は電磁動作により実施することができる。図示の実施形態では、空圧ピストン２３３によってフォークアセンブリ２３０を移動させており、その空圧ピストン２３３は、システムボード２０１により制御される適切なバルブ（単数又は複数）（図示せず）によって調節される加圧ガス２１２の供給を利用することができる。

各チャネルに関して、カートリッジ６０は、対向するフォークアセンブリ２３０がカートリッジ６０の側方両側に配置されるような様式で、フォークアセンブリ２３０に対して位置決めされ、これらのフォークアセンブリは、第１及び第２のフォークアセンブリがカートリッジ要素６０’に画成された検出窓内まで延出しない第１の位置と、第１及び第２のフォークアセンブリがカートリッジに画成された検出窓内まで延出する第２の位置との間で移動する。フォークアセンブリ２３０は基本的に、カートリッジ要素６０’をフォークアセンブリ２３０の間に挿入することを可能にするようにフォークアセンブリが離れている第１の位置と、フォークアセンブリが、カートリッジ６０の検出窓８６内において（インターロックされる）フェルール８７を押圧する第２の位置との間で移動する。

図示の実施形態では、４対のフォークアセンブリ２３０が、それぞれが図１０Ａに示す配向で（すなわち、フォークアセンブリ２３０の平面が垂直になる）、平行に配列されている。いくつかのフォークアセンブリ対の軌道２２９は、隣接するカートリッジ要素６０’の間の隙間にあることになる。

フォークアセンブリ２３０の延出部分（extended portion）には、延出表面をフェルール８７に対して位置合わせし易くする相補的な表面を設け、例えば、フェルール８７の円筒形本体にぴったり合わせるためにＶ溝又は凹面２３６を設ける。図１０Ｄは、フェルール８７に対して押圧された左のフォークアセンブリ２３０（励起ファイバ３４を有する方のフォークアセンブリ）を示す簡易図である（単一のカートリッジ要素６０’を模式的に示す）。この位置では、凹面２３６は、カートリッジ要素６０’の検出窓８６の中まで延出する。この位置では、左のフォークアセンブリ２３０に支持される光ファイバは、放射線をキャピラリーカラム１０に送達する。右のフォークアセンブリ２３０もカートリッジ要素６０’のフェルーレ８７に係合し、右のフォークアセンブリ２３０に支持される検出光ファイバは検出区域３２からの放射線を集光する。図示の特定の実施形態では、放射線誘起蛍光検出方法を実施するが、その代わりに他の種類の光学検出方法を、本発明の範囲及び精神を逸脱することなく実施することができる。両方のフォークアセンブリ２３０を一緒に移動させるように制御して、フェルール８７をほぼ同時に押圧することができ、又は別々に移動させて、フェルール８７を順番に押圧してもよい。図示の実施形態では、フェルール８７は、光ファイバに一体化された終端先球がキャピラリーカラムの外面に触れることなく、キャピラリーカートリッジの外面から所定の距離を隔てて離間するように、フォークアセンブリ２３０の延出表面に対する停止部材となり、その所定の距離は、フォークアセンブリを上記の第１の位置と第２の位置との間で作動させるときに繰り返し維持され得る。

図１Ｂに示す実施形態は、Ｖ字状に配向された光ファイバを示しているが、光ファイバは、直線状又は一列になるように構成してもよく（例えば、吸光度タイプの検出方法）、或いは、一方又は両方の光ファイバが、キャピラリーカラムの軸と直交する軸を有するように構成してもよい。さらに、放射線供給ファイバ及び放射線集光ファイバの両方を同じフォークアセンブリに取り付けて一つのフォークアセンブリのみを用いてもよい。

システムボード２０１は、格納ブロック２０５内に保持されるカートリッジ６０に対してサンプル／バッファートレイ２２０を位置決めする機能を含む、ＣＥ装置２００の様々な機能、及びカートリッジインターフェース機構２０４の上記機能、並びに、電気泳動の終了の検出、及びカートリッジ６０を格納ブロック２０５から取り出すための安全ロックの解除などの他の機能を制御する。

電気泳動のためのシステム動作：
所望の電気泳動を行なうために、ユーザは、例えばフロントタッチスクリーンパネル２５のインターフェースを用いることにより、コントローラ２６（ＣＥ装置の外にあっても或いはＣＥ装置内に内蔵されていてもよい）を用いて適切なパラメータを事前設定する。各カートリッジ要素６０’内に適切な分離支持媒体（バッファー）と所望のサイズ及びコーティングを有するキャピラリーカラム１０とを有するカートリッジ６０を、格納ブロック２０５に挿入する。システムボード２０１に連携するコントローラ２６は、ＣＥ装置２００の制御を引き受けて以下のタスクを行なう。

カートリッジは、各カートリッジ要素６０’の検出窓８６がフォークアセンブリ２３０に対して適切に位置決めされて、正しく挿入されると、格納ブロック２０５内で「ロック」される。各カートリッジ要素６０’に関して、上部扉２６１を閉じて、空気流出口のＯ−リングをカートリッジリザーバ６２の蓋８５の上面に押圧して、空気流出口をカートリッジリザーバ６２のポート６４にアクセスさせると、加圧ガスがその供給源から加えられる。電気コンタクトプローブを電極６６（開口６３を介して電極２２４（図９Ｄに模式的に示す））及び電極６７（開口６５を介して電極２２５（図９Ｄに示す））に押し当てる。フォークアセンブリ２３０を移動させて、検出窓８６内のフェルール８７に嵌合させる。

Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を組み合わせることにより、サンプル輸送機構は、サンプル及びバッファートレイ２２０内の適切なウェルを、各カートリッジ要素６０’内で支持されるキャピラリーカラム１０の垂下する先端に対して位置決めする。必要に応じて、加圧ガスをカートリッジリザーバ６２に流すことによりまずキャピラリーカラム１０の中に存在する分離バッファーをパージし（キャピラリーカラムからの廃液を回収するために、特定のウェルを配置するようにトレイ２２０を移動させてよい）、及び／又はリザーバからの新鮮な分離バッファーを分離チャネルに充填する。

１又は複数の試験サンプルをトレイ２２０の１又は複数のウェルに入れ、そのトレイ２２０を位置決めして、キャピラリーカラム１０の垂下する先端、及び各カートリッジ要素６０’の電極６７の先端を、サンプルに浸す。電気的試料注入により（適切な高電圧を所定の期間、例えば６０秒未満、例えば５〜１０秒間印加することにより）、すなわちこの技術分野の当業者に周知の手順により、サンプルを分離キャピラリーカラム１０に導入させる。

次に、トレイ２２０のバッファーリザーバを位置決めして、キャピラリーカラム１０の先端及び電極６７の先端をリザーバに浸す。電気泳動は、特定のサンプル及び分離バッファー媒体に対して規定された期間にわたり、適切なレベルの高電圧を印加することにより行なわれる。電気泳動中、放射線誘起蛍光に対応するデータが、ＰＭＴ２０６を介して収集される。データは電子ファイルに保存される。電気泳動が終了すると、トレイ２２０を降下させる。

これ以上電気泳動を行なわない場合は、事前設定解除手順を実施することによりカートリッジ６０を取り出すことができ、この事前設定解除手順には、加圧ガスの供給を停止する、フォークアセンブリ２３０をカートリッジ要素６０’から離れるように移動させる（上に説明したように）、コンタクトプローブ２２４及び２２５（これらのプローブが作動可能である場合に）による電極６６及び６７との当接を解除する、及びカートリッジ６０のロックを解除することが含まれる。カートリッジ６０をこのようにして取り出すことができ、そして所望の時点で次の電気泳動のための別のカートリッジに取り替えることができる。

同じ又は追加のサンプルに対してさらに電気泳動を行なうことが望まれる場合、リザーバを加圧することにより、前の電気泳動による古いバッファー（例えば、ゲルバッファー）をキャピラリーカラム６０から廃液ウェルへとパージして、新鮮なバッファーでキャピラリーの詰め替えを行う。別のサンプルを上記のようにキャピラリーカラム６０に装填して電気泳動を行う前に、各カートリッジ要素６０’内のキャピラリーカラム６０の先端をクリーニング溶液（ウェル内の）でクリーニングするようにトレイ２２０が配置される。

キャピラリーカラムの出口においてバッファーリザーバ６２に流入するサンプル検体は、リザーバの容積と比較してかなり少ない量及び体積濃度であり、また検体はゲルリザーバ内で混合されると予測されるので、過去の電気泳動から無視できる微量の検体しかリザーバ内に残らず、その微量の検体は、次の電気泳動のためにキャピラリーカラムに詰め替えたゲル中に均一に分散することに留意されたい。この無視できる微量の検体に起因するいずれのノイズも、データ分析において検出信号から容易に除去することができる比較的小さなバックグランドノイズとなる。

これ以上電気泳動を行なわない場合は、事前設定解除手順を実施することによりカートリッジ６０を取り出すことができ、この事前設定解除手順には、加圧ガスの供給を停止する、フォークアセンブリ２３０をカートリッジ６０から離れるように移動させる（上に説明したように）、コンタクトプローブ２２４及び２２５（これらのプローブが作動可能である場合に）による電極６６及び６７との当接を解除する、及びカートリッジ６０のロックを解除することが含まれる。カートリッジ６０をこのようにして取り出すことができ、そして所望の時点で次の電気泳動のための別のカートリッジに取り替えることができる。

上述の処理手順は、コントローラ２６の自動化機能のうちの１つとしてプログラムすることができる。

収集データは、適切なアプリケーションソフトウェアルーチンを使用して解析する。図１２を参照して、ピーク分離距離（peak separation interval）（時間及び＃塩基）の分離度を半値幅（Full Width at Half Maximum（ＦＷＨＭ））アプローチを用いて決定する。

分離度（塩基）＝ピーク分離距離（＃塩基）／（ピーク分離距離（時間）／ＦＷＨＭ（時間））

典型的には、２０〜１００μｍ（典型的には７０μｍ）のＩ．Ｄ．（内径）を有する１５ｃｍの長さのキャピラリー（１１．５ｃｍの有効長さを有する）をＤＮＡフラグメント分析用の各カートリッジ／チャネルに用いる。１５５ｂｐ（塩基対）に関して達成される分離度は、ＰＯＰ−７ゲルを用いて１．９５である。Ｑｓｅｐ４００の新規設計では、４チャネルカートリッジモジュール内でより長いキャピラリー（例えば、図８Ａ及び８Ｂを参照）を用いることができる。ＰＯＰ−７ポリマー分離マトリックス／変性ゲル（ＡｐｐｌｉｅｄＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，ＬｉｆｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ＣａｒｌｓｂａｄＣＡ）を充填した全長３８．５ｃｍ（３４．５ｃｍの有効長さを有する）において、ＧＸ５００−ＲＯＸＤＮＡラダー（末端標識ｓｓＤＮＡ；ＡｐｐｌｉｅｄＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓ；ＬｉｆｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ／ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ＣａｒｌｓｂａｄＣＡから購入）を用いて試験して、１５０ｂｐと１６０ｂｐに関して０．６７５の分離度（ＦＷＨＭ＝２．０秒で、２９．６４秒のピーク分離距離）を達成することができる［分離度に関して上記の式を適用して、達成される分離度＝（１６０−１５０）／（２９．６４秒／２．０秒）＝０．６７５］

機械的パッケージングの観点から、より長いキャピラリーを、単一チャネルの２つの電極間でループさせることができ、或いは、１つのチャネルの電極から第２、第３、又は第４のチャネル／電極まで配索／ループさせてもよい（図８Ａ及び８Ｂを参照）。図１３〜１５は、より短い長さのキャピラリーと比較して、より長いキャピラリーを用いて達成することができるＧＸ５００−ＲＯＸの１５０ｂｐ−１６０ｂｐの分離度を示す（図１３）。より長いキャピラリーでのＧＸ５００−ＲＯＸの１５０−１６０ｂｐに関して、０．６７５の分離度が達成された（図１４及び１５に示すズームイン図／拡大図を参照）。図１４及び１５は、１５０−１６０塩基に関する図１３のズームイン図／拡大図であり、図１２は、式：分離度＝（１６０−１５０）／（２９．６４秒／２．０秒）＝０．６７５を用いてどのように０．６７５の分離度が得られるかを詳しく説明する。

図１１は、２色検出の１つの実施形態を示し、２つの異なる波長での蛍光検出のために発光信号３７を２つの信号に分割するためのファイバコンバイナ／スプリッタ６１を含む。１ｘ２ファイバコンバイナ／スプリッタ６１は、発光ファイバ３６の出力信号３７を第１の発光ファイバ３６ａ及び第２の発光ファイバ３６ｂの入力へとつなげる。発光ファイバ３６は、少なくとも２つの波長λ１及びλ２の蛍光を含む。この実施形態では、λ１は検出デキストランラダーの蛍光の波長に対応し、λ２は検出グリカンプロファイルの蛍光の波長に対応する。第１の発光ファイバ３６ａは、発光ファイバ３６からの発光信号をλ１の蛍光を検出する第１のＰＭＴ１へと経路制御し、第２の発光ファイバ３６ｂは、発光ファイバ３６からの発光信号をλ２の蛍光を検出する第２のＰＭＴ２へと経路制御する。ファイバコンバイナは、少なくとも２つの波長（例えば、λ１及びλ２）又は２つの範囲の波長の直交偏光を分割するタイプのものであってよい（例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ１Ｘ２カプラ又はＧｏｕｌｄ１Ｘ２ファイバスプリッタ）。加えて、図１１に示していないが、１又は複数のバンドパスフィルタを、ＰＭＴ１及び／又はＰＭＴ２と、第１の発光ファイバ３６ａ及び／又は第２の発光ファイバ３６ｂの対応する出力との間に設けてもよい。２色検出の別の実施形態は、ダイクロイックフィルタ／ビームスプリッタを利用して、２つの異なる波長での蛍光検出のために発光信号３７を２つの発光信号に分割するものである。適切なビームスプリッタの例は、ソーラボ社（ＴｈｏｒＬａｂｓ，Ｉｎｃ．，）から購入できるモデル番号ＤＭＬＰＰ４２５のロングパス型のダイクロイックミラーであり、それは４５°の入射角、４２５ｎｍのカットオフ波長を有し、４４０〜７００ｎｍの透過帯域、及び３８０〜４１０ｎｍの反射帯域である。加えて、図１１に示していないが、１又は複数のバンドパスフィルタを、ＰＭＴ１及び／又はＰＭＴ２と、第１の発光ファイバ３６ａ及び／又は第２の発光ファイバ３６ｂの対応する出力との間に設けてもよい。二色検出アプローチのさらなる詳細は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２０１５０３３８３４７号に見ることができ、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明によると、２色検出を実施できることにより蛍光検出が改善され、より高速でかつ正確なピーク同定を行うことができる。各分離チャネルに関して、単一の励起（ＬＥＤ又はレーザ）を用いて、２つの異なるフルオロフォアを励起する。２つの検出器（ＰＭＴ）と共に、１つの発光色素（フルオロフォア）をサンプル用に用い、第２の色素（フルオロフォア）を参照ラダー（ＤＮＡラダー又はグリカンラダー：すなわちデキストラン）の電気泳動用に用いる。正確なピーク同定のためにポストデータ収集解析ソフトウェア（ポストＣＥ分離分析）を用いて、両方の検出器からの結果を同期化し、互いに重ねて表示する（転位された電気泳動図）。

図１６〜１９は、上記のＣＥ装置を用いて実施した様々な電気泳動の結果を示す。具体的には、図１６は、１分未満でのＤＮＡラダー（２０〜５０００ｂｐの範囲）の４チャネル電気泳動の結果を示す。図１７は、２〜１０００ｂｐの範囲での２色検出（検出器１＋検出器２）の結果を示す。図１８は、グリカンサンプル（検出器２）の結果の上にグリカンラダー（検出器１）の結果を移したものを示す。図１９は、グリカンラダー（検出器１）の結果及びグリカンサンプル（検出器２）の結果を個別に、矢印により揃えて示す。

上記のＣＥシステムを用いてグリカンプロファイリングを実施して、本発明が、高効率、高速、高スループットのグリカン分析（Ｎ−グリカン）用の、費用効率の高いキャピラリーゲル電気泳動システムを提供することが判明した。その新規な方法及びシステムは、研究所で糖タンパク質研究を行うペースを加速させ、調製時間を数時間節約し、正確で一貫した及び経済的な結果を確実にする。

２色検出は、サンプルの分離及び検出を単一の電気永動で行うように簡易化及び短縮し、さらにピーク同定のための正確なデータ解析を確実にする。二重色素検出（すなわち、２つの色素標識）は、グリカンプロファイリングのため又はＤＮＡ分析において再現性のあるピーク同定及びサイジングをもたらす堅牢でかつ正確な方法である。

マイクロ光検出の簡易性はまた、光学系（励起光学系又は発光光学系）をカートリッジアセンブリ内で使用することなく高スループット（すなわち、マルチチャネル）型のゲルカートリッジを設計する柔軟性も提供し、従ってカートリッジのコストを下げることができる。

従って、本発明によるＣＥシステムのための新規な蛍光ファイバベースの検出は、（例えば、グリカンプロファイリング又はＤＮＡ及びＲＮＡ分析、及び／又はジェノタイピングのために）設計の簡易性、操作の容易性、及び消耗品コストの低減をもたらす。それは、装置の据え付けに要する基本経費、及び試験試薬やバッファー含有キャピラリーカートリッジなどの消耗品に関する定常的な必要経費の両方に由来する持続的かつ安定な経常収益の流れを必要とする研究用及び臨床用検査薬開発研究所／産業に対して特に、良好な解決策を提供する。

本発明を好適な実施形態を参照しながら具体的に示しまた説明してきたが、当業者であれば、本発明の精神、範囲及び教示から逸脱することなく、構成及び詳細に様々な変更を加え得ることを理解するであろう。

１０キャピラリーカラム
１２分離チャネル
１４リザーバ
１６別のリザーバ
１８電源
２０，２２電極
２６コントローラ
３２検出区域
３４励起ファイバ
３６発光ファイバ
４２検出器
６０カートリッジ
６０’，６０ａ’，６０ｂ’ カートリッジ要素
６２リザーバ
６３，６５開口
６４ポート
６６電極（アノード）
６７電極（カソード）
８０カートリッジ本体
８２，８３半殻体
８５リザーバの蓋
８６検出窓
８７フェルール
９７（略）円錐形部分
１００キャピラリー電気泳動（ＣＥ）システム
１５０ＲＦＩＤラベル
２００ＣＥ装置
２０１システムボード
２０２サンプル輸送機構
２０３前面パネル、前面扉（サンプル用扉）
２０４カートリッジインターフェース機構
２０５格納ブロック
２０６光電子増倍管（ＰＭＴ）
２１０検出光学系
２１２加圧ガス
２２０サンプル／バッファートレイ
２２１テーブル
２２２システムＤＣ電源
２２４，２２５コンタクトプローブ
２２９軌道
２３０フォークアセンブリ
２３１スライド
２３３空圧ピストン
２６１上部扉（カートリッジ用扉）

Claims

複数のカートリッジ要素を含む、サンプルのバイオ分離用のマルチチャネルカートリッジであって、各カートリッジ要素は：
外部検出光学系を受け入れるための検出窓としての開口を画成する本体と、
前記本体内に支持されるキャピラリーカラムと、
前記本体の第１端部に取り付けられて前記キャピラリーカラムの第１端部と流体連通する、各カートリッジ要素に専用のリザーバと、
を備え、前記複数のカートリッジ要素は連結しており、それぞれのカートリッジ要素のリザーバ同士は流体連通していない、マルチチャネルカートリッジ。
前記複数のカートリッジ要素は平面内で逐次連結している、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
少なくとも１つのカートリッジ要素の前記検出窓は、前記キャピラリーカラムに沿ったある部分を露出させ、前記検出窓を通して該部分に対して外部検出光学系が位置合わせされる、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
前記キャピラリーカラムは、前記本体内に支持される２つのフェルールにより同軸に支持され、前記２つのフェルールのそれぞれが、前記本体により片持ち梁状に支持され、かつ前記検出窓内まで延出する端部を有し、キャピラリーカラムに沿った検出区域が、前記２つのフェルールの延出端部の間で露出する、請求項３に記載のマルチチャネルカートリッジ。
前記本体が、細長で、略縦長のブレード形状である、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
前記キャピラリーカラムは、前記本体の中心軸に沿って支持される、請求項５に記載のマルチチャネルカートリッジ。
各カートリッジ要素において、前記本体の第２端部が、ある幅を有する本体部分から延出しており、前記本体の第２端部は前記本体部分の幅よりも狭い、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
前記本体の前記第２端部は、前記本体部分から狭い端部へと次第に細くなる、請求項７に記載のマルチチャネルカートリッジ。
少なくとも第１のカートリッジ要素は、リザーバにアノードをさらに備え、該アノードはリザーバに収容される流体に導電結合しており、かつそれぞれのカートリッジ要素のアノード同士はカートリッジ内で導電結合していない、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
少なくとも第２のカートリッジ要素は、前記本体の第２端部に配置されるカソードをさらに備え、前記キャピラリーカラムは、前記第１のカートリッジ要素のリザーバと前記第２のカートリッジ要素のカソードとの間に延在する、請求項９に記載のマルチチャネルカートリッジ。
各カートリッジ要素はアノード及びカソードを備え、前記カソードはカートリッジ要素の本体の第２端部に配置され、各カートリッジ要素において、前記キャピラリーカラムは前記リザーバと前記カソードとの間に延在し、検出窓内のキャピラリーカラムに沿ったある部分が露出され、前記検出窓を通して該部分に対して外部検出光学系が位置合わせされる、請求項９に記載のマルチチャネルカートリッジ。
各カートリッジ要素が異なる分離チャネルを画成する、請求項１１に記載のマルチチャネルカートリッジ。
バイオ分離用のマルチチャネルカートリッジにおいて、
外部検出光学系を受け入れるための検出窓としての複数の開口を画成する本体であって、各検出窓が、複数の分離チャネルの個別の１つに対応する、本体と、
前記本体に取り付けた複数のリザーバであって、各リザーバが、前記複数の分離チャネルの個別の１つに対応する、複数のリザーバと、
複数のキャピラリーカラムであって、各キャピラリーカラムが、個別のリザーバと流体連結する第１端部、及び前記リザーバから離れて前記本体の遠位端まで延在する第２端部を有する、複数のキャピラリーカラムと
を備える、バイオ分離用のマルチチャネルカートリッジ。
シャーシと、
各カートリッジ要素の本体が前記シャーシによって支持される、請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジと、
サンプル及びバッファーを収容する少なくとも１つのトレイを、前記カートリッジ内のカートリッジ要素の１つに支持される少なくとも１つのキャピラリーカラムの延出端部に対して支持するテーブルと、
検出光学系を支持する少なくとも１つのフォークアセンブリであって、前記カートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出するように移動できるフォークアセンブリと、
前記キャピラリーカラム内でサンプルのバイオ分離を行なう分離機構と、
前記キャピラリーカラム内でサンプルのバイオ分離を行なうために前記フォークアセンブリの移動及び前記分離機構を制御するコントローラと、
を備える、バイオ分離システム。
前記フォークアセンブリは、第１のフォークアセンブリ及び第２のフォークアセンブリを備え、前記検出光学系は、前記第１のフォークアセンブリによって支持されて入射放射線を前記カートリッジ要素の検出区域に誘導する第１の光学系と、前記第２のフォークアセンブリによって支持されて前記カートリッジ要素の検出区域からの放射線を集光する第２の光学系とを備える、請求項１４に記載のバイオ分離システム。
前記第１及び第２のフォークアセンブリは、前記カートリッジ要素の側方両側に配置され、前記第１及び第２のフォークアセンブリは、該第１及び第２のフォークアセンブリが前記カートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出しない第１の位置と、該第１及び第２のフォークアセンブリが前記カートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出する第２の位置との間で移動する、請求項１５に記載のバイオ分離システム。
前記トレイにあるサンプルの温度を制御する温度制御機構をさらに備える、請求項１４に記載のバイオ分離システム。
前記カートリッジ要素の温度を制御する温度制御機構をさらに備える、請求項１７に記載のバイオ分離システム。
シャーシにより支持されるパンチャーをさらに備え、該パンチャーは、前記テーブル上に支持されるトレイに対して相対的に移動可能であり、それによってトレイを覆うシールにパンチで穴をあける、請求項１４に記載のバイオ分離システム。
シャーシと、
請求項１に記載のマルチチャネルカートリッジであって、前記カートリッジ要素の本体が前記シャーシによって支持され、各カートリッジ要素が異なる分離チャネルを画成する、マルチチャネルカートリッジと、
サンプル及びバッファーを収容する少なくとも１つのトレイを、前記カートリッジ要素の本体により支持されるキャピラリーカラムの延出端部に対して支持するテーブルと、
検出光学系を支持する複数のフォークアセンブリであって、該フォークアセンブリは、それぞれのカートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出するように移動でき、各分離チャネルは少なくとも１つのフォークアセンブリを備える、フォークアセンブリと、
前記キャピラリーカラムにより画成されるそれぞれの分離チャネル内でサンプルのバイオ分離を行なう分離機構と、
前記キャピラリーカラム内でサンプルの分離を行なうために前記フォークアセンブリの移動及び前記分離機構を制御するコントローラと、
を備える、バイオ分離システム。
各フォークアセンブリは、第１のフォークアセンブリ及び第２のフォークアセンブリを備え、前記検出光学系は、前記第１のフォークアセンブリによって支持されて入射放射線を対応するカートリッジ要素の検出区域に誘導する第１の光学系と、前記第２のフォークアセンブリによって支持されて対応するカートリッジ要素の前記検出区域からの放射線を集光する第２の光学系とを備え、前記第１及び第２のフォークアセンブリは、前記対応するカートリッジ要素の側方両側に配置され、前記第１及び第２のフォークアセンブリは、該第１及び第２のフォークアセンブリが前記対応するカートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出しない第１の位置と、該第１及び第２のフォークアセンブリが前記対応するカートリッジ要素に画成された検出窓内まで延出する第２の位置との間で移動する、請求項１９に記載のバイオ分離システム。