JP2022054010A - 電気泳動装置およびキャピラリユニット - Google Patents

Abstract

【課題】中空電極の内側への液体流入を抑制した信頼性を高い電気泳動装置を提供する。【解決手段】キャピラリと、前記キャピラリが貫通する中空電極と、前記キャピラリおよび前記中空電極を保持する保持部と、前記保持部へ加圧された気体を供給する気体供給部と、を備え、前記保持部は、前記キャピラリおよび前記中空電極が、試料または試薬を収容する容器内に挿入され、前記保持部には、前記気体供給部によって供給された前記気体を前記容器内へ流す流路が形成され、前記中空電極の側面には、前記気体を内側に通す孔が形成されたことを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、電気泳動装置およびキャピラリユニットに関する。

蛋白質などの生体試料を分析する技術として、キャピラリを用いた電気泳動装置が広く普及している。その技術的な利点の一つは、キャピラリ内で試料を電気泳動することにより、試料の分離を高速でしかも高分解能で実現できるところにある。

こうした電気泳動装置で用いられるキャピラリは、一般に内径数十～数百μｍの石英ガラス製の細管であり、中空電極の内側に通すことで、折損などから保護される。また、キャピラリへの試料の注入は、電気的手段や圧力印加手段などにより行われる。特に、圧力印加手段は、キャピラリの一方端に液体試料を浸漬した状態で、液体試料の液面を加圧空気等で加圧することで、キャピラリ内部に試料を注入する。例えば、特許文献１には、ヘッド部材に設けられた圧力入口チャネル等を通って、バイアル（容器）中の液体に圧力を印加し、液体をキャピラリ内へ導入する電気泳動装置が開示されている（特許文献１の段落００３２等）。

特許第３３５０５７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、加圧された気体を容器内に供給すると、容器内の試料がキャピラリに注入されるだけでなく、キャピラリと中空電極との間隙にも試料が流入し、キャリーオーバーを生じさせる可能性がある。

本発明の目的は、中空電極の内側への液体流入を抑制した信頼性の高い電気泳動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、キャピラリと、前記キャピラリが貫通する中空電極と、前記キャピラリおよび前記中空電極を保持する保持部と、前記保持部へ加圧された気体を供給する気体供給部と、を備え、前記保持部は、前記キャピラリおよび前記中空電極が、試料または試薬を収容する容器内に挿入され、前記保持部には、前記気体供給部によって供給された前記気体を前記容器内へ流す流路が形成され、前記中空電極の側面には、前記気体を内側に通す孔が形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、中空電極の内側への液体流入を抑制した信頼性の高い電気泳動装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る電気泳動装置の全体構成の概略図である。 本発明の本実施形態におけるトレイ等の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態のキャピラリユニットの構成を示す断面斜視図である。 キャピラリユニットと容器の位置関係を示す斜視図である。 実施例１に係るマニホールドおよび中空電極の構成を示す断面図である。 実施例２に係るマニホールドおよび中空電極の構成を示す断面図である。 実施例３に係るマニホールドおよび中空電極の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る電気泳動装置の全体構成の概略図である。電気泳動装置は、キャピラリ１と、電気泳動用の中空電極３２（図３等参照）と、キャピラリ１および中空電極３２を保持する保持部２６，２７と、中空電極３２に高電圧を印加する高電圧電源７と、キャピラリ１内にて泳動分離された試料に励起光を照射したときに発生する蛍光を検出する光学検出器８と、キャピラリ１を一定の温度に保つ恒温槽９と、試料や試薬（例えばバッファ）を含む液体を収容する容器１０，１１と、容器１０，１１を保持するトレイ１２，１３と、トレイ１２，１３が載置されるトレイホルダ１６，１７と、トレイホルダ１６，１７の位置を移動させるオートサンプラ１４，１５と、保持部２６，２７へ加圧された気体を供給する気体供給部（図示せず）と、を備える。

ここで、気体供給部は、圧力印加手段としての加圧空気源２と、加圧空気の供給路を開閉するバルブ１８，１９と、保持部２６，２７に形成された流路３１（図５等参照）を大気圧に開放するリリースバルブ２０，２１と、で構成される。また、保持部２６，２７は、中空電極３２を保持するマニホールド３，４に対し、キャピラリ１を保持するロードヘッダ５，６を連結することで構成される。マニホールド３，４は、加圧空気源２から供給される加圧空気が接続され、ロードヘッダ５，６は電気泳動装置の筐体に固定される。

なお、図示していないが、本実施形態の電気泳動装置は、制御部、表示部、操作部、記憶部なども備える。制御部は、例えば、バルブ１８，１９やリリースバルブ２０，２１の開閉を制御することで、マニホールド３，４への加圧空気の流入と遮断を切り替えることが可能である。

キャピラリ１は、外径が０．１～０．７ｍｍ、内径が０．０２～０．５ｍｍ程度の石英ガラス製の細管からなる。キャピラリ１の外皮は、ポリイミド樹脂でコーティングされているが、その一部が、光学検出のため検出部として、ポリイミド樹脂のコーティングが除去されている。なお、キャピラリ１は、使用目的や汚染等により交換して使用される、消耗品である。

光学検出器８は、キャピラリ１に設けられた検出部に励起光を照射するための光源と、光ファイバやレンズなどの投光光学系と、キャピラリ１の検出部を透過した励起光や試料中の成分に付与された蛍光体からの蛍光を受光するための受光素子、光ファイバやレンズや分光器などの受光光学系と、を備える。

オートサンプラ１４，１５は、直動アクチュエータを水平方向および鉛直方向に組み合わせて構成される。水平方向へ移動する直動アクチュエータにより、所望の液体がキャピラリ１の直下に選択的に搬送され、鉛直方向へ移動する直動アクチュエータにより、容器１０，１１はマニホールド３，４に押し付けられ、容器１０，１１内が密閉される。

キャピラリへ１への試料または試薬の送液は、加圧空気源２から供給される加圧空気によりキャピラリ１の両端に圧力差を付与することで行われる。具体的には、キャピラリ１の一方の端に注入したい液体を浸漬し、加圧空気によりその液面を加圧することで、他方の端に向かって液体がキャピラリ１内に注入される。

また、電気泳動は、キャピラリ１の両端が、容器１０，１１に収容された電解質溶液に浸漬された状態で行われる。高電圧電源７により中空電極３２に電圧が印加されると、容器１０，１１内の成分は、電気泳動により分子量等の性質に従って分離されながら、キャピラリ１内を容器１０から容器１１に向かって移動する。移動した成分は、キャピラリ１の検出部において励起光が照射され、成分に付与された蛍光や成分を透過した透過光などが、光学検出器８によって検出される。

図２は、本実施形態におけるトレイ１２，１３等の構成を示す斜視図である。図２に示すように、トレイ１２，１３は、容器１０，１１の外壁に嵌合するような凹面を有しているため、容器１０，１１内に加圧空気が供給されても、圧力で容器１０，１１が変形するのを防止できる。

また、トレイ１２，１３が載置されるトレイホルダ１６，１７は、ペルチェ素子等の冷却機構２２を備えており、この冷却機構２２により、容器１０，１１に収容された液体は、所定の温度に冷却され保持される。トレイ１２，１３の材質は、容器１０，１１の冷却効率を高めるため、アルミナ等の熱伝導率が高いものが望ましい。さらに、容器１０，１１内には、高電圧が印加される中空電極３２が挿入されるため、トレイ１２，１３は、電気的絶縁性を有する材料で形成されるのが好ましい。

図３は、本実施形態のキャピラリユニットの構成を示す断面斜視図である。図３に示すように、本実施形態のキャピラリユニットは、キャピラリ１と、キャピラリ１が貫通する中空電極と、キャピラリ１および中空電極が貫通するマニホールド３と、キャピラリ１が貫通するロードヘッダ５と、を備える。以下では、マニホールド３およびロードヘッダ５を有する一方のキャピラリユニットについて説明するが、マニホールド４およびロードヘッダ６を有する他方のキャピラリユニットについても同様である。

中空電極３２は、筒状の形状を有し、望ましくは白金の材質で形成されている。この中空電極３２は、マニホールド３に対して、圧入または接着により固定されている。マニホールド３は、電気的絶縁性を有する樹脂で形成され、気体供給部から送られる加圧空気２４を流す流路３１が内部に形成されている。また、マニホールド３の上面には、Ｏリング３３などのシール部材が配置されている。

一方、キャピラリ１は、中空電極３２とは固定されておらず、電気的絶縁性を有する樹脂で形成されたロードヘッダ５に対して接着により固定されている。そして、キャピラリ１と一体の組品を成すロードヘッダ５を、中空電極３２と一体の組品を成すマニホールド３に対して、上方からネジ２３で着脱可能に固定することにより、キャピラリユニットが組み立てられる。このため、中空電極３２の上端とロードヘッダ５の下面との間に隙間を生じる可能性もある。しかし、中空電極３２の外周側は、マニホールド３とロードヘッダ５の間に位置するＯリング３３等によって封止されているため、仮に、中空電極３２とキャピラリ１との間に液体が流入してきても、外へ漏れ出ることはない。

また、ロードヘッダ５は、ネジ２３を外すことで、キャピラリ１と共に、中空電極３２と一体の組品を成す組品から取り外すことができる。このため、消耗品であるキャピラリ１を交換する際には、高価で繰り返し使用される中空電極３２は、マニホールド３とともに電気泳動装置の筐体に固定された状態で、ロードヘッダ５のみを取り外せば済み、メンテナンス性が良い。さらに、新しいキャピラリ１をキャピラリユニットとして組み立てる際には、キャピラリ１の挿入される中空電極３２がガイドの役割を果たすため、マニホールド３に対して位置合わせが容易である。

図４は、キャピラリユニットと容器１０の位置関係を示す斜視図である。オートサンプラ１４の直動アクチュエータが鉛直方向に駆動すると、オートサンプラ１４上に配置されたトレイホルダ１６およびトレイ１２が上昇するため、電気泳動装置の筐体２５に固定されたマニホールド３に対して、容器１０が上方へ移動する。すると、容器１０の上端面が、シール材３４を介してマニホールド３の下面に押し付けられ、容器１０とマニホールド３との間が密閉される。

ここで、試料または試薬を含む液体を、キャピラリ１内へ送液する方法について、説明する。まず、オートサンプラ１４のキャピラリ１直下には液体が入った容器１を配置し、オートサンプラ１５のキャピラリ１直下には空の容器１１を配置する。オートサンプラ1４，１５が上昇すると、容器１０，１１は上昇し、それぞれマニホールド３，４へと押し付けられて密閉される。次に、バルブ１９を閉じ、リリースバルブ２０を閉じ、リリースバルブ２１を開いた状態で、バルブ１８を開くことで、加圧空気をマニホールド３に導入する。すると、マニホールド３に導入された加圧空気が流路３１を通って容器１０内へ流入し、容器１０内の圧力が上昇するため、容器１０内の液体の液面が加圧される。

このとき、リリースバルブ２１は開いており、マニホールド４の流路内および容器１１内は大気圧であるため、キャピラリ１の両端に圧力差が生じ、容器１０内の液体が容器１１へ向かってキャピラリ１内へ送液される。容器１０に加圧空気が導入されると、容器１０は内部の圧力が高まり膨張しようとするが、容器１０の外周面は、トレイ１２に形成された凹面によって覆うように支持されているため、膨張は抑制される。なお、容器１１内の液体を容器１０へ送液する場合には、バルブ１８を閉じ、リリースバルブ２１を閉じ、リリースバルブ２０を開いた状態で、バルブ１９を開く。

以下では、マニホールド３と、マニホールド３に保持される中空電極３２と、の構成について、実施例１～実施例３に分けて、詳細に説明する。

図５は、実施例１に係るマニホールド３および中空電極３２の構成を示す断面図である。図５に示すように、マニホールド３およびロードヘッダ５が、容器１０の上方に位置し、シール材３４を介して容器１０内を密閉することで、液体２８の蒸発が防止されている。また、キャピラリ１および中空電極３２は、容器１０内に挿入され、それぞれの下端が液体２８に浸漬されている。また、マニホールド３内には、気体供給部によって供給された空気を容器１０内へ流す流路３１が形成されている。流路３１の上流側は、マニホールド３の長手方向（水平方向）に延び、流路３１の下流側は、マニホールド３の厚み方向（鉛直方向）に延び、吐出口３１１が、容器１０に向けてマニホールド３の下面に設けられている。そして、吐出口３１１から容器１０内に流入した加圧空気は、中空電極３２の外側の液体２８の液面を加圧する。

ここで、本実施例の中空電極３２の側面であって、流路３１の吐出口３１１よりも低い位置、すなわち、マニホールド３の下端から露出した位置に、加圧空気を内側に通す孔３２１が形成されている。このため、吐出口３１１から容器１０内に流入した加圧空気の一部が、キャピラリ１と中空電極３２の間隙を通って、中空電極３２の内側の液体２８の液面を加圧する。その結果、中空電極３２の外側と内側の液面が同じ圧力で加圧されることとなり、キャピラリ１と中空電極３２の間隙に液体２８が流入するのが抑制される。したがって、中空電極３２の内側に試料が残留してキャリーオーバーするのも抑制され、信頼性の高い電気泳動装置が実現できる。

また、中空電極３２に形成される孔３２１の開口領域のうち、少なくとも一部は、容器１０の上端より高い位置にある。このため、孔３２１が容器１０内の液体２８によって塞がれ難く、仮に一部の液体２８が孔３２１に付着しても、加圧空気によって当該液体２８は下方へ落される。さらに、後述する他の実施例と比較して、マニホールド３に設ける吐出口３１１の数と、中空電極３２に設ける孔３２１の数が、少なくて済むので、加工し易い利点もある。

図６は、実施例２に係るマニホールド３および中空電極３２の構成を示す断面図である。図６に示すように、本実施例のマニホールド３の下面には、実施例１と同様に、容器１０に向けて鉛直方向に加圧空気を吐出する吐出口３１１が設けられており、吐出口３１１から容器１０内に流入した加圧空気は、中空電極３２の外側の液体２８の液面を加圧する。さらに、本実施例では、実施例１と異なり、吐出口３１１（第１の吐出口）の他に、中空電極３２の側面に向けて水平方向に加圧空気を吐出する吐出口３１２（第２の吐出口）が設けられている。

一方、本実施例の中空電極３２の側面であって、流路３１の吐出口３１１（第１の吐出口）より高い位置には、加圧空気を内側に通す孔３２２が形成されている。そして、孔３２２と吐出口３１２（第２の吐出口）が連結されている。このため、流路３１を流れる加圧空気の一部が、吐出口３１２および孔３２２を介して中空電極３２内に入り、キャピラリ１と中空電極３２の間隙を通って、中空電極３２の内側の液体２８の液面を加圧する。その結果、中空電極３２の外側と内側の液面が同じ圧力で加圧されることとなり、実施例１と同様に、キャピラリ１と中空電極３２の間隙に液体２８が流入するのが抑制される。

また、本実施例では、実施例１と比較して、中空電極３２に設けられる孔３２１の位置が高く、マニホールド３から露出していないため、容器１０内の液体２８によって孔３２１が塞がれ難い。さらに、本実施例では、流路３１の吐出口３１２（第２の吐出口）と孔３２１が連結されているため、加圧空気をより安定的に中空電極３２内に導くことが可能となっている。

図７は、実施例３に係るマニホールド３および中空電極３２の構成を示す断面図である。本実施例では、実施例２と同様に、中空電極３２の側面に向けて水平方向に加圧空気を吐出する吐出口３１２がマニホールド３に設けられ、中空電極３２の側面であってマニホールド３から露出しない高さに、加圧空気を内側に通す孔３２２が設けられている。そして、孔３２２と吐出口３１２が連結されているため、流路３１を流れる加圧空気が、吐出口３１２および孔３２２を介して中空電極３２内に入り、キャピラリ１と中空電極３２の間隙を通って、中空電極３２の内側の液体２８の液面を加圧する。

さらに、本実施例では、実施例２と異なり、中空電極３２の側面であってマニホールド３から露出する高さ、すなわち、マニホールド３の下端よりも低い位置に、孔３２２（第２の孔）とは別に、加圧空気を外側に通す孔３２１（第１の孔）が設けられている。このため、孔３２２から中空電極３２内に入った加圧空気のうち一部が、孔３２１を介して中空電極３２の外へ出て容器１０内に達し、中空電極３２の外側の液体２８の液面を加圧する。その結果、中空電極３２の外側と内側の液面が同じ圧力で加圧されることとなり、他の実施例と同様に、キャピラリ１と中空電極３２の間隙に液体２８が流入するのが抑制される。

また、本実施例では、実施例１，２と異なり、マニホールド３に対して、鉛直方向の流路を形成する必要がないため、マニホールド３を省スペース化でき、キャピラリユニット全体としても小型化が可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、加圧空気の代わりに、加圧された他の気体を用いても良い。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ キャピラリ
２ 加圧空気源
３，４ マニホールド
５，６ ロードヘッダ
７ 高電圧電源
８ 光学検出器
９ 恒温槽
１０，１１ 容器
１２，１３ トレイ
１４，１５ オートサンプラ
１６，１７ トレイホルダ
１８，１９ バルブ
２０，２１ リリースバルブ
２２ 冷却機構
２３ ネジ
２４ 加圧空気
２５ 筐体
２６，２７ 保持部
２８ 液体
３１ 流路
３２ 中空電極
３３ Ｏリング
３４ シール材
３１１ 吐出口（第１の吐出口）
３１２ 吐出口（第２の吐出口）
３２１ 孔（第１の孔）
３２２ 孔（第２の孔）

Claims (10)

1. キャピラリと、
   前記キャピラリが貫通する中空電極と、
   前記中空電極に電圧を印加する電源と、
   前記キャピラリおよび前記中空電極を保持する保持部と、
   前記保持部へ加圧された気体を供給する気体供給部と、
   前記キャピラリ内にて泳動分離された試料に励起光を照射したときに発生する蛍光を検出する検出器と、
   試料または試薬が収容された容器を搬送するオートサンプラと、を備え、
   前記保持部は、前記容器の上方に位置して、前記キャピラリおよび前記中空電極が前記容器内に挿入され、
   前記保持部には、前記気体供給部によって供給された前記気体を前記容器内へ流す流路が形成され、
   前記中空電極の側面には、前記気体を内側に通す孔が形成された電気泳動装置。
2. 請求項１に記載の電気泳動装置において、
   前記孔の開口領域のうち少なくとも一部は、容器の上端より高い位置にあることを特徴とする電気泳動装置。
3. 請求項１に記載の電気泳動装置において、
   前記孔は、前記保持部の下端よりも低い位置にあることを特徴とする電気泳動装置。
4. 請求項１に記載の電気泳動装置において、
   前記流路の吐出口が前記容器に向けて下面に設けられ、前記孔が前記吐出口よりも低い位置にあることを特徴とする電気泳動装置。
5. 請求項１に記載の電気泳動装置において、
   前記流路の吐出口が前記中空電極の側面に向けて設けられ、前記吐出口と前記孔が連結されたことを特徴とする電気泳動装置。
6. 請求項５に記載の電気泳動装置において、
   前記流路は、前記容器に向けて下面に設けられた別の吐出口を有することを特徴とする電気泳動装置。
7. 請求項５に記載の電気泳動装置において、
   前記中空電極の側面には、前記保持部の下端よりも低い位置に、前記気体を外側に通す別の孔が形成されたことを特徴とする電気泳動装置。
8. 請求項１に記載の電気泳動装置において、
   前記オートサンプラ上には、前記容器の外壁に嵌合する凹面を有するトレイが配置されたことを特徴とする電気泳動装置。
9. キャピラリと、
   前記キャピラリが貫通する中空電極と、
   前記中空電極を保持し、試料または試薬が収容された容器の上方に位置するマニホールドと、
   前記キャピラリを保持し、前記マニホールドに対して上方から固定されるロードヘッダと、
   を備え、
   前記マニホールドには、前記容器内に気体を流す流路が形成され、
   前記中空電極の側面には、前記気体を内側に通す孔が形成されたキャピラリユニット。
10. 請求項９に記載のキャピラリユニットにおいて、
    前記ロードヘッダは、電気泳動装置の筐体に固定された前記マニホールドに対して、着脱可能であることを特徴とするキャピラリユニット。

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