JP3562460B2 - Electrophoresis device - Google Patents

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JP3562460B2 JP2000325049A JP2000325049A JP3562460B2 JP 3562460 B2 JP3562460 B2 JP 3562460B2 JP 2000325049 A JP2000325049 A JP 2000325049A JP 2000325049 A JP2000325049 A JP 2000325049A JP 3562460 B2 JP3562460 B2 JP 3562460B2
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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極微量のタンパク質や核酸、薬物などを高速かつ高分解能に分析する電気泳動に用いる電気泳動装置に関し、さらに詳しくは板状部材の内部に形成された流路で電気泳動を行なうチップデバイスを用いる電気泳動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
極微量のタンパク質や核酸などを分析する場合には、従来から電気泳動装置が用いられており、その代表的なものとしてキャピラリー電気泳動装置がある。キャピラリー電気泳動装置は、内径が100μm以下のガラスキャピラリー内に泳動媒体を充填し、一端側にサンプルを導入した後、両端間に高電圧を印加して分析対象物をキャピラリー内で分離展開させるものである。キャピラリー内は容積に対して表面積が大きい、すなわち冷却効率が高いことから、高電圧の印加が可能となり、DNAなどの極微量サンプルを高速かつ高分解能にて分析することができる。
【0003】
キャピラリーはその外径が100〜500μm程度と細く破損しやすいため、ユーザーが行なうべきキャピラリー交換時の取扱いが容易でないという問題を有する。そこで、取扱いが煩雑なキャピラリーに代わって、分析の高速化、装置の小型化が期待できる形態として、D. J. Harrison et al./ Anal. Chem. 1993, 283, 361−366に示されているように、2枚の基板を接合して形成されたマイクロチップが提案されている。そのマイクロチップの例を図4に示す。
【0004】
マイクロチップ1は、一対の透明板状の無機材料(例えばガラス、石英、シリコンなど)又はプラスチックからなる基板1a,1bからなり、半導体フォトリソグラフィー技術又はマイクロマシニング技術により、一方の基板1bの表面に互いに交差する泳動用キャピラリー溝3,5を形成し、他方の基板1aにはその溝3,5の端に対応する位置に貫通穴をアノードリザーバ7a、カソードリザーバ7c、サンプルリザーバ7s、ウエイストリザーバ7wとして設けたものである。マイクロチップ1は、両基板1a,1bを(C)に示すように重ねて接合した状態で使用される。このようなマイクロチップは2本の溝(channel)が交差して形成されていることから、Cross−channel Micro−chipとも呼ばれる。
【0005】
このマイクロチップ1を用いて電気泳動を行なう場合には、分析に先立って、例えばシリンジを使った圧送により、いずれかのリザーバ、例えばアノードリザーバ7aから溝3,5内及びリザーバ7a,7c,7s,7w内に泳動媒体を充填する。次いで、リザーバ7a,7c,7s,7w内に充填された泳動媒体を除去し、短い方の溝(サンプル注入用流路)3の一方の端に対応するサンプルリザーバ7sにサンプルを注入し、他のリザーバ7a、7c,7wにバッファ液を注入する。
【0006】
泳動媒体、サンプル及びバッファ液を注入したマイクロチップ1を電気泳動装置に装着する。各リザーバ7a,7c,7s,7wに所定の電圧を印加し、サンプルを溝3中に泳動させて両溝3,5の交差部9に導く。各リザーバ7a,7c,7s,7wに印加する電圧を切り換えて、長い方の溝(分離用流路)5の両端のリザーバ7a,7c間の電圧により、交差部分9に存在するサンプルを溝5内に注入する。溝5内にサンプルを注入した後、リザーバ7s内に収容されているサンプルをバッファ液で置換する。その後、各リザーバ7a,7c,7s,7wに電気泳動用の電圧を印加して、溝5内に注入したサンプルを溝5内で分離させる。溝5の適当な位置に検出器を配置しておくことにより、電気泳動により分離されたサンプルを検出する。検出は、吸光光度法や蛍光光度法、電気化学的又は電気伝導度法などの手段により行なわれる。
【0007】
また、マイクロチップ1の流路デザインや泳動媒体の組成などの分析条件は用途やサンプルに応じて異なる。他の流路デザインのマイクロチップとしては、例えば、Yining Shi et al./ Anal. Chem. 1999, 71, 5354−5361に示されているように、放射状に多数の分離用流路を備えた電気泳動用マイクロプレートがある。近年はマイクロチップよりもサイズの大きいものや、複数のチャンネルを備えたもの、さらにはチャンネルの交差部をもたないストレートチャンネルを備えたものも使用されている。本発明におけるチップデバイスはこれらを全て包含したものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来、マイクロチップへの泳動媒体充填、リザーバ内の泳動媒体除去、リザーバへのサンプル及びバッファ液注入、分離用流路へのサンプル注入後のリザーバ内のサンプル除去、及びサンプル除去後のリザーバへのバッファ液注入は全て手操作で行なっていた。
しかし、これらの操作をシリンジ等を使って手操作で行なうのはオペレータにとって煩雑であった。
そこで本発明は、これらの操作のうちの少なくとも一部を自動化した電気泳動装置を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気泳動装置は、板状部材の内部に互いに交差するサンプル注入用流路と分離用流路が形成され、その板状部材の一表面の流路に対応する位置に流路に達する穴がリザーバとして形成されたチップデバイスを用いる電気泳動装置であって、チップデバイスを保持するためのチップ保持機構と、チップデバイスのリザーバを介して流路及びリザーバに泳動媒体を充填するための泳動媒体充填機構と、リザーバ内にサンプルを注入するためのサンプル注入機構と、各リザーバに電圧を供給するための電圧供給機構と、流路内で分離されたサンプルを検出する検出機構と、これらの機構を自動で動作するように制御するための制御部とを備えたものである。
【0010】
チップ保持機構にチップデバイスが保持された後、制御部により泳動媒体充填機構を作動させて、チップデバイスの流路内及びリザーバ内に泳動媒体を充填する。サンプル注入機構を作動させて、サンプル用のリザーバにサンプルを注入する。電圧供給機構を作動させて、各リザーバに電圧を供給して、流路内でサンプルを分離させる。検出機構を作動させて、分離されたサンプルを検出する。
【0011】
本発明は、リザーバ内に充填された泳動媒体を除去するための、リザーバのそれぞれに対応して設けられた泳動媒体吸引機構と、泳動媒体が除去された後の各リザーバ内にバッファ液を同時に注入するための、リザーバのそれぞれに対応して設けられたバッファ液注入機構とをさらに備え、制御部は、泳動媒体吸引機構及びバッファ液注入機構も自動で動作するように制御する。
電極と直接接触させて電圧を印加することができない泳動媒体を用いる場合、泳動媒体充填機構を作動させてチップデバイスの流路内及びリザーバ内に泳動媒体を充填した後、泳動媒体吸引機構を作動させて、リザーバに充填された泳動媒体を除去する。バッファ液注入機構を作動させて、サンプル用のリザーバを除く泳動媒体が除去された後のリザーバにバッファ液を注入する。サンプル注入機構を作動させて、泳動媒体が除去された後のサンプル用のリザーバにサンプルを注入する。これにより、泳動バッファを介して泳動媒体に電圧を印加することができるようになる。その後、電圧供給機構及び検出機構を作動させて、分離されたサンプルを検出する。
【0013】
【発明の実施の形態】
【実施例】
図1は本発明にかかる電気泳動装置の一実施例を示す概略構成斜視図である。図1に示すマイクロチップ1は図4のものと同じである。
チップデバイスとしてのマイクロチップ1を保持するチップ保持機構(図示は省略)が設けられており、チップ1はチップ保持機構に設けられた移動機構により図中矢印11の方向に沿ってポジションA,B,C間で移動させられる。
【0014】
ポジションAの上方に、泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート13が設けられている。ポート13はノズル固定部材15と、チップ1がポジションAに位置決めされたときのリザーバ7a,7c,7s,7wの配置に対応して部材15に固定された4組の吸引ノズル17及び吐出ノズル19を備えている。吸引ノズル17及び吐出ノズル19は独立したシリンジ(図示は省略)にそれぞれ接続されている。さらに、ポート13は部材15を昇降させる昇降機構(図示は省略)を備えており、部材15は図中矢印21の方向に昇降される。その昇降機構により、チップ1がポジションAに位置しているときに、ノズル17,19の先端がリザーバ7a,7c,7s,7w内に進入するように部材15が下降される。
【0015】
本発明を構成する泳動媒体吸引機構とバッファ液注入機構は泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート13、シリンジ並びに昇降機構により構成される。
ノズル17,19としては、例えば樹脂製のキャピラリーを用いることができる。ただし、ノズル17,19は樹脂製のキャピラリーに限定されるものではなく、例えばガラスキャピラリーなど、他の材料からなるキャピラリーを用いることができる。
【0016】
ポジションBの上方に、サンプル注入機構を構成するサンプルローディングシリンジ23及び泳動媒体充填機構を構成する泳動媒体ローディングポート25が設けられている。
サンプル注入機構は、チップ1がポジションBに位置決めされたときのサンプルリザーバ7sの位置に対応して設けられたシリンジ23と、シリンジ23を3次元方向(図中矢印27参照)に移動させるための移動機構(図示は省略)と、シリンジ23の吸引吐出を行なわせるためのシリンダ駆動機構(図示は省略)とを備えている。シリンジ23はサンプル注入機構を構成する移動機構により、チップ1がポジションBに位置しているときにシリンジ23の吸引吐出口がサンプルリザーバ7sに進入される。
【0017】
ポート25は泳動媒体を収容するシリンジ(図示は省略)に接続され、チップ1がポジションBに位置決めされたときのアノードリザーバ7aの位置に対応して設けられたノズル31を備えている。ノズル31の先端にはシール材33が設けられている。泳動媒体充填機構は、ポート25と、泳動媒体をノズル31から押し出すためのシリンジと、ポート25を図中矢印35の方向に昇降させるための昇降機構(図示は省略)により構成される。その昇降機構により、ポート25はチップ1がポジションBに位置しているときに下降され、ノズル31の先端がシール材33によりアノードポート7aに密着される。
【0018】
ポジションCの上方に、電極ポート37が設けられている。ポート37は電極固定部材39と、チップ1がポジションCに位置決めされたときのリザーバ7a,7c,7s,7wの配置に対応して部材39に固定された4本の電極41を備えている。電極41は高電圧供給装置(図示は省略)に接続されている。さらに、ポート37は部材39を昇降させる昇降機構(図示は省略)を備えており、部材15は図中矢印43の方向に昇降される。電圧供給機構は、電極ポート37、高電圧供給装置及び昇降機構により構成される。その昇降機構により、チップ1がポジションCに位置しているときに、電極41の先端がリザーバ7a,7c,7s,7w内に進入するように部材39が下降される。
【0019】
ポジションCの下方に、検出光学系(検出機構)45が設けられている。検出光学系45は、チップ1がポジションCに位置しているときに、交差部9、アノードリザーバ7a間の分離用流路5の検出位置に検出光47を照射し、紫外線吸収量により分離したサンプルを検出するものである。
チップ保持機構、泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート13、サンプル注入機構、泳動媒体充填機構、電圧供給機構及び検出光学系45は制御部(図示は省略)により制御される。
【0020】
図2は、この実施例の動作例を示すフローチャートである。図1及び図2を参照してこの実施例の動作を説明する。ここでは泳動媒体として有機ポリマーを含有するもの(以下、単にポリマーという)を用いた。
チップ1をポジションBに置く(ステップS1)。
泳動媒体ローディングポート25が下降し、ノズル31の先端がシール材33によりチップ1のアノードリザーバ7aに密着する。ポリマーを収容したシリンジからノズル31及びアノードリザーバ7aを介してチップ1のチャンネル内及びリザーバ7c,7s,7w内にポリマーを加圧充填する。リザーバ7c,7s,7wの全てからポリマーが出たら充填を終了する(ステップS2)。
【0021】
泳動媒体ローディングポート25を上へ戻し、チップ1をポジションAへ移動させる(ステップS3)。
泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート13が下降し、ノズル17,19をリザーバ7a,7c,7s,7wに収容されたポリマーに進入させる。吸引ノズル17につながる吸引機構が動作し、各リザーバ7a,7c,7s,7wに収容されているポリマーを吸引ノズル17を介して吸引除去する(ステップS4)。ポリマー除去後、リザーバ7c,7a,7wに対応する吐出ノズル19につながる吐出機構が動作し、サンプルリザーバ7sを除くリザーバ7c,7a,7wに吐出ノズル19からバッファ液を注入する(ステップS5)。
【0022】
ポート13を上へ戻し、チップ1をポジションBへ移動させる(ステップS6)。
シリンジ23が移動し、空になっているサンプルリザーバ7sにシリンジ23の吸引吐出口を進入させる。シリンジ23が吐出動作し、予めサンプルポート(図示は省略)からシリンジ23内に吸引したサンプルをサンプルリザーバ7sに注入する(ステップS7)。
【0023】
シリンジ23を上へ戻し、チップ1をポジションCへ移動させる(ステップS8)。
電極ポート37が下降し、電極41をリザーバ7a,7c,7s,7w内に収容されたバッファ液又はサンプルに接触させる。リザーバ7a,7c,7s,7w内に収容されたバッファ液又はサンプルに電極41を介して所定の電圧を印加してサンプルをサンプル導入用流路と分離用流路の交差部に導いた後、電圧を切り換えて分離用流路にサンプルを注入する(ステップS9)。
【0024】
ポート37を上へ戻し、チップ1をポジションAへ移動させる(ステップS10)。
ポート13が下降し、ノズル17,19をリザーバ7a,7c,7s,7wに収容されたサンプル又はバッファ液に進入させる。サンプルリザーバ7sに対応する吸引ノズル17につながる吸引機構が動作し、サンプルリザーバ7sに残った余分なサンプルを吸引ノズル17を介して吸引除去する(ステップS11)。サンプル除去後、サンプルリザーバ7sに対応する吐出ノズル19につながる吐出機構が動作し、サンプルリザーバ7sに吐出ノズル19からバッファ液を注入する(ステップS12)。
【0025】
ポート13を上へ戻し、チップ1をポジションCへ移動させる(ステップS13)。
電極ポート37が下降し、電極41をリザーバ7a,7c,7s,7w内に収容されたバッファ液に接触させる。電極41を介してリザーバ7a,7c,7s,7wに所定の電圧を印加して分離用流路に注入されているサンプルの泳動分離を行ない、分離したサンプルを検出光学系45により検出する(ステップS14)。
【0026】
このように、この実施例ではマイクロチップへのポリマー充填、リザーバ内のポリマー除去、リザーバへのサンプル及びバッファ液注入、分離用流路へのサンプル注入後のリザーバ内のサンプル除去、サンプル除去後のリザーバへのバッファ液注入、並びにサンプルの分離及び検出を全て自動で行なうことができる。
【0027】
図3は、この実施例の他の動作例を示すフローチャートである。図1及び図3を参照してこの実施例の動作を説明する。ここでは泳動媒体として無機イオン性バッファ(以下、泳動バッファという)を用いた。
チップ1をポジションBに置く(ステップS21)。
泳動媒体ローディングポート25が下降し、ノズル31の先端がシール材33によりチップ1のアノードリザーバ7aに密着する。泳動バッファを収容したシリンジからノズル31及びアノードリザーバ7aを介してチップ1のチャンネル内及びリザーバ7c,7s,7w内に泳動バッファを充填する。リザーバ7c,7s,7wの全てから泳動バッファが出たら充填を終了する(ステップS22)。ここでは泳動媒体ローディングポート25により泳動バッファの充填を行なっているが、チップ1をポジションAへ移動させて、泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート13、吐出ノズル19並びに吐出ノズル19につながる吐出機構を使用して泳動バッファの充填を行なうようにしてもよい。
【0028】
泳動媒体ローディングポート25が上へ戻った後、シリンジ23が移動し、サンプルリザーバ7s内のサンプル導入用流路3入口近傍にシリンジ23の吸引吐出口を進入させる。シリンジ23が吐出動作し、予めサンプルポート(図示は省略)からシリンジ23内に吸引したサンプルをサンプルリザーバ7sに注入する(ステップS23)。
【0029】
シリンジ23を上へ戻し、チップ1をポジションCへ移動させる(ステップS24)。
電極ポート37が下降し、電極41をリザーバ7a,7c,7s,7w内に収容された泳動バッファ又はサンプルに接触させる。リザーバ7a,7c,7s,7w内に収容された泳動バッファ又はサンプルに電極41を介して所定の電圧を印加してサンプルをサンプル導入用流路と分離用流路の交差部に導いた後、電圧を切り換えて分離用流路にサンプルを注し(ステップS25)、続けてサンプルの泳動分離を行ない、分離したサンプルを検出光学系45により検出する(ステップS26)。
このように、この実施例ではマイクロチップへの泳動バッファ充填、リザーバへのサンプル注入、並びにサンプルの分離及び検出を全て自動で行なうことができる。
【0030】
ここでチップ1のチャンネルデザインは任意である。
泳動媒体は特に限定されるものではなく、トリス−ホウ酸などの無機イオン性バッファなどの泳動バッファや、ヒドロキシメチルセルロースやヒドロキシエチルセルロース、ポリアクリルアミドなどの有機ポリマーを含有するものなど、どのような泳動媒体を用いてもよい。
また、泳動バッファ及びバッファ液は特に限定されるものではなく、トリス−ホウ酸−EDTA(エチレンジアミン四酢酸)(TBE)系や、トリス−TAPS(tetrapentylammonium 3−{tris (hydroxymethyl) methylamino}−1−propanesulfate)−EDTA(TTE)系など、泳動媒体や測定条件などに応じて適当なものを用いることができる。
【0031】
この実施例では、吸引ノズル17に接続する吸引機構としてシリンジを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の吸引機構、例えば真空ポンプやアスピレータなど、他の吸引機構を用いてもよい。
また、この実施例では吸引ノズル17は独立したシリンジにそれぞれ接続されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくともサンプルリザーバ7s用の吸引ノズル17を独立したシリンジに接続すれば、他のリザーバ7a,7b,7w用の吸引ノズル17を共通のシリンジに接続してもよい。これはシリンジに代えて他の吸引機構を用いた場合も同様である。
【0032】
この実施例では、吐出ノズル19に接続する吐出機構としてシリンジを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の吐出機構、例えばペリスターポンプや気体による加圧機構など、他の吐出機構を用いてもよい。
また、この実施例では吐出ノズル19は独立したシリンジにそれぞれ接続されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくともサンプルリザーバ7s用の吐出ノズル19を独立したシリンジに接続すれば、他のリザーバ7a,7b,7w用の吐出ノズル19を共通のシリンジに接続してもよい。これはシリンジに代えて他の吐出機構を用いた場合も同様である。
この実施例では吸引ノズル17用のシリンジと吐出ノズル19用のシリンジをそれぞれ設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、1つの共通のシリンジと、共通のシリンジを吸引ノズル17と吐出ノズル19に切り換えて接続する切換えバルブを設け、切換えバルブの切換え及び共通のシリンジの動作により、吸引ノズル17からの吸引及び吐出ノズル19からの吐出を行なうようにしてもよい。これはシリンジに代えて他の吸引及び吐出機構を用いた場合も同様である。
【0033】
この実施例では、検出機構として紫外線吸収により分離したサンプルを検出するものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、1色又は多色の蛍光による検出や照射した検出光の散乱による検出など、他の検出原理を用いた検出機構を用いてもよい。
また、この実施例では検出機構として一点の検出位置でサンプルを検出するものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、分離用流路の所定範囲でイメージ検出するものを用いてもよい。
【0034】
この実施例では、マイクロチップをポジションA,B,C間で移動させているが、本発明はこれに限定されるものではなく、マイクロチップをチップ保持機構に固定し、泳動媒体充填機構、泳動媒体吸引機構、バッファ液注入機構、サンプル注入機構、サンプル吸引機構、電圧供給機構もしくは検出機構又はこれらの組合せを固定されたマイクロチップ上又は下に移動させるようにしてもよい。
【0035】
この実施例では4つのリザーバを備えたマイクロチップを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、5つ以上のリザーバを備えたマイクロチップにも適用できる。すなわち、多数の分離用流路を備えたマイクロチップにも本発明を適用できる。
また、この実施例では、互いに交差するサンプル導入用流路と分離用流路が形成されたチップデバイスを用いているが、本発明で用いるチップデバイスはこれに限定されるものではなく、例えば、交差する流路が存在しない分離用流路が形成されたものや、分離用流路に複数の流路が交差して形成されているもの、マルチチャンネル、大型のものなど、他のチップデバイスにも本発明を適用できる。これらの場合、リザーバの配置に応じて泳動媒体充填機構、泳動媒体吸引機構、バッファ液注入機構、サンプル注入機構及びサンプル吸引機構のノズル構成を変更することが好ましい。
【0036】
この実施例では、バッファ液及びサンプルに進入させる電極41を備えた電圧供給機構を備えているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばマイクロチップ表面にリザーバに通電するチップ側電極が形成されている場合にはそのチップ側電極に接続するための電極を備えた電圧供給機構を用いることができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明の電気泳動装置では、チップ保持機構と、泳動媒体充填機構と、サンプル注入機構と、電圧供給機構と、検出機構と、これらの機構を制御するための制御部とを備え、制御部によりこれらの機構を動作させるようにしたので、チップデバイスへの泳動媒体充填、リザーバへのサンプル注入、並びにサンプルの分離及び検出を自動で行なうことができる。
【0038】
リザーバ内に充填された泳動媒体を除去するための泳動媒体吸引機構と、泳動媒体が除去された後のリザーバ内にバッファ液を注入するためのバッファ液注入機構とをさらに備え、制御部は、泳動媒体吸引機構及びバッファ液注入機構も自動で動作するように制御するようにし、泳動媒体吸引機構によりリザーバ内の泳動媒体を除去し、泳動媒体が除去された後のリザーバ内にバッファ液注入機構によりバッファ液を注入するので、電極と直接接触させて電圧を印加することができない泳動媒体を用いる場合であっても、バッファ液を介して泳動媒体に電圧を印加することができるようになる。
また、サンプル注入機構と泳動媒体吸引機構、バッファ液注入機構を分けて設けることにより、ノズルの洗浄工程を省略できるなど、分析サイクルタイムの短縮を大幅に図ることができ、結果として高スループット化を図ることができる。
また、各リザーバに同時にバッファ液を満たすことができるので、ヘッド差(水頭差)の影響を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例を示す概略構成斜視図である。
【図2】同実施例の動作例を示すフローチャートである。
【図3】同実施例の他の動作例を示すフローチャートである。
【図4】マイクロチップの一例を表す図であり、(A)は一方の基板の上面図、(B)は他方の基板の上面図、(C)は両基板を重ね合わせた状態での側面図である。
【符号の説明】
1 マイクロチップ
3 サンプル注入用流路
5 分離用流路
7a アノードリザーバ
7c カソードリザーバ
7s サンプルリザーバ
7w ウエイストリザーバ
13 泳動媒体吸引及びバッファ液注入ポート
15 ノズル固定部材
17 吸引ノズル
19 吐出ノズル
23 サンプルローディングシリンジ
25 泳動媒体ローディングポート
31 ノズル
33 シール材
37 電極ポート
39 電極固定部材
41 電極
45 検出光学系
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrophoresis apparatus used for electrophoresis for analyzing very small amounts of proteins, nucleic acids, drugs, and the like at high speed and high resolution, and more specifically, a chip for performing electrophoresis in a flow path formed inside a plate member The present invention relates to an electrophoresis apparatus using a device.
[0002]
[Prior art]
When analyzing very small amounts of proteins, nucleic acids, and the like, an electrophoresis apparatus has been conventionally used, and a typical example thereof is a capillary electrophoresis apparatus. A capillary electrophoresis apparatus is a device in which a glass capillary having an inner diameter of 100 μm or less is filled with an electrophoresis medium, a sample is introduced into one end, and a high voltage is applied between both ends to separate and develop an analyte in the capillary. It is. Since the inside of the capillary has a large surface area with respect to the volume, that is, high cooling efficiency, a high voltage can be applied, and a very small amount of sample such as DNA can be analyzed at high speed and with high resolution.
[0003]
Since the capillary has an outer diameter of about 100 to 500 μm and is easily broken, there is a problem that it is not easy for the user to handle the capillary when replacing it. Therefore, instead of a capillary that requires complicated handling, D.I. J. Harrison et al. / Anal. Chem. As shown in 1993, 283, 361-366, a microchip formed by bonding two substrates has been proposed. FIG. 4 shows an example of the microchip.
[0004]
The microchip 1 is composed of a pair of substrates 1a and 1b made of a transparent plate-like inorganic material (eg, glass, quartz, silicon, etc.) or plastic, and is formed on the surface of one substrate 1b by a semiconductor photolithography technique or a micromachining technique. Electrophoresis capillary grooves 3 and 5 that intersect each other are formed, and through holes are formed in the other substrate 1a at positions corresponding to the ends of the grooves 3 and 5, respectively, the anode reservoir 7a, the cathode reservoir 7c, the sample reservoir 7s, and the waste reservoir 7w. It is provided as. The microchip 1 is used in a state where both substrates 1a and 1b are overlapped and joined as shown in FIG. Such a microchip is also called a cross-channel micro-chip because two channels are formed to intersect.
[0005]
When electrophoresis is performed using this microchip 1, prior to analysis, for example, by pumping using a syringe, one of the reservoirs, for example, from the anode reservoir 7a to the inside of the grooves 3, 5 and the reservoirs 7a, 7c, 7s. , 7w is filled with the electrophoresis medium. Next, the electrophoresis medium filled in the reservoirs 7a, 7c, 7s, and 7w is removed, and a sample is injected into the sample reservoir 7s corresponding to one end of the shorter groove (sample injection flow path) 3; The buffer solution is injected into the reservoirs 7a, 7c, 7w.
[0006]
The microchip 1 into which the electrophoresis medium, the sample, and the buffer solution have been injected is mounted on an electrophoresis apparatus. A predetermined voltage is applied to each of the reservoirs 7a, 7c, 7s, and 7w to cause the sample to migrate into the groove 3 and to lead to the intersection 9 between the grooves 3,5. By switching the voltage applied to each of the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w, the sample existing at the intersection 9 is changed by the voltage between the reservoirs 7a, 7c at both ends of the longer groove (separation channel) 5. Inject into. After injecting the sample into the groove 5, the sample contained in the reservoir 7s is replaced with a buffer solution. Thereafter, a voltage for electrophoresis is applied to each of the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w, and the sample injected into the groove 5 is separated in the groove 5. By disposing a detector at an appropriate position in the groove 5, a sample separated by electrophoresis is detected. Detection is carried out by means such as an absorption spectrophotometry, a fluorescence photometry, an electrochemical or electric conductivity method.
[0007]
The analysis conditions such as the flow path design of the microchip 1 and the composition of the electrophoresis medium differ depending on the use and the sample. Microchips having other flow path designs include, for example, Ying Shi et al. / Anal. Chem. As shown in 1999, 71, 5354-5361, there is an electrophoresis microplate provided with a large number of separation channels radially. In recent years, a device having a size larger than a microchip, a device having a plurality of channels, and a device having a straight channel without an intersection of channels have been used. The chip device in the present invention includes all of them.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, loading the microchip with the electrophoretic medium, removing the electrophoretic medium in the reservoir, injecting the sample and buffer solution into the reservoir, removing the sample in the reservoir after injecting the sample into the separation channel, and removing the sample into the reservoir after removing the sample All buffer liquid injections were performed manually.
However, it is complicated for the operator to perform these operations manually using a syringe or the like.
Therefore, an object of the present invention is to provide an electrophoresis apparatus in which at least a part of these operations is automated.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the electrophoresis apparatus of the present invention, a sample injection flow path and a separation flow path that intersect each other are formed inside the plate-like member, and reach the flow path at a position corresponding to the flow path on one surface of the plate-like member. An electrophoresis apparatus using a chip device in which a hole is formed as a reservoir, a chip holding mechanism for holding the chip device, and an electrophoresis device for filling a flow path and a reservoir with an electrophoresis medium via a reservoir of the chip device. A medium filling mechanism, a sample injection mechanism for injecting a sample into the reservoir, a voltage supply mechanism for supplying a voltage to each reservoir, a detection mechanism for detecting a sample separated in the flow path, And a control unit for controlling the mechanism to operate automatically.
[0010]
After the chip device is held by the chip holding mechanism, the electrophoresis medium filling mechanism is operated by the control unit to fill the flow path and the reservoir of the chip device with the electrophoresis medium. Activate the sample injection mechanism to inject the sample into the sample reservoir. The voltage supply mechanism is operated to supply a voltage to each reservoir to separate the sample in the channel. Activate the detection mechanism to detect the separated sample.
[0011]
The present invention provides an electrophoretic medium suction mechanism provided for each of the reservoirs for removing the electrophoretic medium filled in the reservoir, and simultaneously buffering the buffer solution in each of the reservoirs after the electrophoretic medium is removed. A buffer liquid injection mechanism provided for each of the reservoirs for injection is further provided, and the control unit controls the electrophoretic medium suction mechanism and the buffer liquid injection mechanism to operate automatically.
When using an electrophoretic medium that cannot be applied with a voltage by directly contacting the electrodes, the electrophoretic medium filling mechanism is activated to load the electrophoretic medium into the flow path of the chip device and the reservoir, and then the electrophoretic medium suction mechanism is activated. Then, the electrophoresis medium filled in the reservoir is removed. The buffer solution injection mechanism is operated to inject the buffer solution into the reservoir after the removal of the electrophoresis medium excluding the sample reservoir. Activate the sample injection mechanism to inject the sample into the sample reservoir after the electrophoresis medium has been removed. As a result, a voltage can be applied to the electrophoresis medium via the electrophoresis buffer. Thereafter, the voltage supply mechanism and the detection mechanism are operated to detect the separated sample.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
【Example】
FIG. 1 is a schematic perspective view showing one embodiment of the electrophoresis apparatus according to the present invention. The microchip 1 shown in FIG. 1 is the same as that of FIG.
A chip holding mechanism (not shown) for holding the microchip 1 as a chip device is provided, and the chip 1 is moved to positions A and B in the direction of arrow 11 in the figure by a moving mechanism provided in the chip holding mechanism. , C.
[0014]
Above the position A, a migration medium suction and buffer liquid injection port 13 is provided. The port 13 includes a nozzle fixing member 15 and four sets of suction nozzles 17 and discharge nozzles 19 fixed to the member 15 corresponding to the arrangement of the reservoirs 7a, 7c, 7s, and 7w when the chip 1 is positioned at the position A. It has. The suction nozzle 17 and the discharge nozzle 19 are respectively connected to independent syringes (not shown). Further, the port 13 is provided with an elevating mechanism (not shown) for elevating and lowering the member 15, and the member 15 is moved up and down in the direction of arrow 21 in the figure. When the tip 1 is located at the position A, the member 15 is lowered by the elevating mechanism so that the tips of the nozzles 17 and 19 enter the reservoirs 7a, 7c, 7s and 7w.
[0015]
The electrophoretic medium suction mechanism and the buffer liquid injection mechanism that constitute the present invention include the electrophoretic medium suction and buffer liquid injection port 13, a syringe, and an elevating mechanism.
As the nozzles 17 and 19, for example, a capillary made of resin can be used. However, the nozzles 17 and 19 are not limited to capillaries made of resin. For example, capillaries made of other materials such as glass capillaries can be used.
[0016]
Above position B, a sample loading syringe 23 constituting a sample injection mechanism and a loading medium loading port 25 constituting a loading medium loading mechanism are provided.
The sample injection mechanism includes a syringe 23 provided corresponding to the position of the sample reservoir 7s when the tip 1 is positioned at the position B, and a mechanism for moving the syringe 23 in a three-dimensional direction (see an arrow 27 in the figure). A moving mechanism (not shown) and a cylinder driving mechanism (not shown) for performing suction and discharge of the syringe 23 are provided. When the tip 1 is located at the position B, the suction and discharge port of the syringe 23 enters the sample reservoir 7s.
[0017]
The port 25 is connected to a syringe (not shown) for accommodating the electrophoresis medium, and has a nozzle 31 provided corresponding to the position of the anode reservoir 7a when the chip 1 is positioned at the position B. A sealing material 33 is provided at the tip of the nozzle 31. The electrophoretic medium filling mechanism includes a port 25, a syringe for pushing out the electrophoretic medium from the nozzle 31, and an elevating mechanism (not shown) for elevating the port 25 in the direction of arrow 35 in the figure. By the elevating mechanism, the port 25 is lowered when the chip 1 is located at the position B, and the tip of the nozzle 31 is brought into close contact with the anode port 7a by the sealing material 33.
[0018]
Above position C, an electrode port 37 is provided. The port 37 has an electrode fixing member 39 and four electrodes 41 fixed to the member 39 corresponding to the arrangement of the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w when the chip 1 is positioned at the position C. The electrode 41 is connected to a high voltage supply device (not shown). Further, the port 37 is provided with an elevating mechanism (not shown) for elevating and lowering the member 39, and the member 15 is moved up and down in the direction of arrow 43 in the figure. The voltage supply mechanism includes an electrode port 37, a high voltage supply device, and an elevating mechanism. The member 39 is lowered by the elevating mechanism so that the tip of the electrode 41 enters the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w when the chip 1 is at the position C.
[0019]
A detection optical system (detection mechanism) 45 is provided below the position C. When the chip 1 is located at the position C, the detection optical system 45 irradiates the detection light 47 to the detection position of the separation channel 5 between the intersection 9 and the anode reservoir 7a, and separates the detection light 47 by the ultraviolet absorption amount. This is for detecting a sample.
The chip holding mechanism, the electrophoresis medium suction and buffer liquid injection port 13, the sample injection mechanism, the electrophoresis medium filling mechanism, the voltage supply mechanism, and the detection optical system 45 are controlled by a control unit (not shown).
[0020]
FIG. 2 is a flowchart showing an operation example of this embodiment. The operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, an electrophoretic medium containing an organic polymer (hereinafter simply referred to as a polymer) was used.
The chip 1 is placed at the position B (step S1).
The loading medium loading port 25 is lowered, and the tip of the nozzle 31 is brought into close contact with the anode reservoir 7a of the chip 1 by the sealing material 33. The polymer is pressure-filled from the syringe containing the polymer into the channel of the chip 1 and the reservoirs 7c, 7s, 7w via the nozzle 31 and the anode reservoir 7a. When the polymer comes out of all of the reservoirs 7c, 7s, 7w, the filling is completed (step S2).
[0021]
The migration medium loading port 25 is returned upward, and the chip 1 is moved to the position A (step S3).
The electrophoretic medium suction and buffer liquid injection port 13 descends, causing the nozzles 17 and 19 to enter the polymer contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s and 7w. The suction mechanism connected to the suction nozzle 17 operates, and the polymer contained in each of the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w is suctioned and removed via the suction nozzle 17 (step S4). After the removal of the polymer, the discharge mechanism connected to the discharge nozzle 19 corresponding to the reservoirs 7c, 7a, 7w operates, and the buffer liquid is injected from the discharge nozzle 19 into the reservoirs 7c, 7a, 7w excluding the sample reservoir 7s (step S5).
[0022]
The port 13 is returned upward, and the chip 1 is moved to the position B (step S6).
The syringe 23 moves, and the suction / discharge port of the syringe 23 enters the empty sample reservoir 7s. The syringe 23 performs a discharging operation, and injects a sample previously sucked into the syringe 23 from a sample port (not shown) into the sample reservoir 7s (step S7).
[0023]
The syringe 23 is returned upward, and the tip 1 is moved to the position C (step S8).
The electrode port 37 descends, bringing the electrode 41 into contact with the buffer solution or sample contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w. After applying a predetermined voltage to the buffer solution or the sample contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w via the electrode 41 to guide the sample to the intersection of the sample introduction channel and the separation channel, The voltage is switched to inject the sample into the separation channel (step S9).
[0024]
The port 37 is returned upward, and the chip 1 is moved to the position A (step S10).
The port 13 descends, causing the nozzles 17, 19 to enter the sample or buffer solution contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w. The suction mechanism connected to the suction nozzle 17 corresponding to the sample reservoir 7s operates, and the excess sample remaining in the sample reservoir 7s is suctioned and removed via the suction nozzle 17 (step S11). After removing the sample, the ejection mechanism connected to the ejection nozzle 19 corresponding to the sample reservoir 7s operates to inject the buffer solution from the ejection nozzle 19 into the sample reservoir 7s (Step S12).
[0025]
The port 13 is returned upward, and the chip 1 is moved to the position C (step S13).
The electrode port 37 descends, bringing the electrode 41 into contact with the buffer solution contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w. A predetermined voltage is applied to the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w via the electrodes 41 to perform electrophoretic separation of the sample injected into the separation channel, and the separated sample is detected by the detection optical system 45 (step). S14).
[0026]
As described above, in this embodiment, the microchip is filled with the polymer, the polymer is removed from the reservoir, the sample and the buffer solution are injected into the reservoir, the sample is removed from the reservoir after the sample is injected into the separation channel, and the sample after the sample is removed. Injection of the buffer solution into the reservoir, and separation and detection of the sample can all be performed automatically.
[0027]
FIG. 3 is a flowchart showing another operation example of this embodiment. The operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, an inorganic ionic buffer (hereinafter, referred to as an electrophoresis buffer) was used as an electrophoresis medium.
The chip 1 is placed at the position B (step S21).
The loading medium loading port 25 is lowered, and the tip of the nozzle 31 is brought into close contact with the anode reservoir 7a of the chip 1 by the sealing material 33. The migration buffer is filled from the syringe containing the migration buffer into the channel of the chip 1 and the reservoirs 7c, 7s, 7w via the nozzle 31 and the anode reservoir 7a. When the electrophoresis buffer comes out from all of the reservoirs 7c, 7s, 7w, the filling is completed (step S22). Here, the loading of the migration buffer is performed by the migration medium loading port 25. However, the chip 1 is moved to the position A, and a discharge mechanism connected to the migration medium suction and buffer liquid injection port 13, the discharge nozzle 19, and the discharge nozzle 19 is provided. It may be used to fill the electrophoresis buffer.
[0028]
After the migration medium loading port 25 returns to the top, the syringe 23 moves, and the suction and discharge port of the syringe 23 enters near the inlet of the sample introduction channel 3 in the sample reservoir 7s. The syringe 23 performs a discharging operation, and injects a sample previously sucked into the syringe 23 from a sample port (not shown) into the sample reservoir 7s (step S23).
[0029]
The syringe 23 is returned upward, and the tip 1 is moved to the position C (step S24).
The electrode port 37 descends, bringing the electrode 41 into contact with the electrophoresis buffer or sample contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w. After applying a predetermined voltage to the electrophoresis buffer or the sample contained in the reservoirs 7a, 7c, 7s, 7w via the electrode 41 to guide the sample to the intersection of the sample introduction channel and the separation channel, The voltage is switched to inject the sample into the separation channel (step S25), and then the sample is subjected to electrophoretic separation, and the separated sample is detected by the detection optical system 45 (step S26).
Thus, in this embodiment, the filling of the electrophoresis buffer into the microchip, the injection of the sample into the reservoir, and the separation and detection of the sample can all be performed automatically.
[0030]
Here, the channel design of the chip 1 is arbitrary.
The electrophoresis medium is not particularly limited, and any electrophoresis medium such as an electrophoresis buffer such as an inorganic ionic buffer such as tris-boric acid, or an organic polymer such as hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, or polyacrylamide. May be used.
The electrophoresis buffer and the buffer solution are not particularly limited, and tris-boric acid-EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) (TBE) or tris-TAPS (tetrapentylammonium 3- {tris (hydroxymethyl) methylamino} -1-) An appropriate material such as a propanesulfate-EDTA (TTE) system can be used depending on the electrophoresis medium, measurement conditions, and the like.
[0031]
In this embodiment, a syringe is used as a suction mechanism connected to the suction nozzle 17, but the present invention is not limited to this, and another suction mechanism such as a vacuum pump or an aspirator may be used. May be used.
Further, in this embodiment, the suction nozzles 17 are connected to independent syringes, respectively, but the present invention is not limited to this. At least the suction nozzles 17 for the sample reservoir 7s are connected to independent syringes. Alternatively, the suction nozzles 17 for the other reservoirs 7a, 7b, 7w may be connected to a common syringe. The same applies to a case where another suction mechanism is used in place of the syringe.
[0032]
In this embodiment, a syringe is used as a discharge mechanism connected to the discharge nozzle 19, but the present invention is not limited to this, and other discharge mechanisms, such as a peristaltic pump and a gas pressurizing mechanism, may be used. Other ejection mechanisms may be used.
Further, in this embodiment, the discharge nozzles 19 are connected to independent syringes, respectively, but the present invention is not limited to this. At least the discharge nozzle 19 for the sample reservoir 7s is connected to an independent syringe. Alternatively, the discharge nozzles 19 for the other reservoirs 7a, 7b, 7w may be connected to a common syringe. The same applies to a case where another ejection mechanism is used instead of the syringe.
In this embodiment, a syringe for the suction nozzle 17 and a syringe for the discharge nozzle 19 are provided. However, the present invention is not limited to this, and one common syringe and a common syringe are connected to the suction nozzle 17. A switching valve may be provided for switching to and connecting to the discharge nozzle 19, and the suction from the suction nozzle 17 and the discharge from the discharge nozzle 19 may be performed by switching the switching valve and operating the common syringe. This is the same when other suction and discharge mechanisms are used instead of the syringe.
[0033]
In this embodiment, a detection mechanism that detects a sample separated by ultraviolet absorption is used as a detection mechanism, but the present invention is not limited to this, and detection using one-color or multi-color fluorescence or detection light irradiated A detection mechanism using another detection principle, such as detection by scattering of light, may be used.
In this embodiment, a detection mechanism that detects a sample at a single detection position is used.However, the present invention is not limited to this, and a detection mechanism that detects an image in a predetermined range of a separation channel is used. May be used.
[0034]
In this embodiment, the microchip is moved between positions A, B, and C. However, the present invention is not limited to this, and the microchip is fixed to the chip holding mechanism, The medium suction mechanism, the buffer solution injection mechanism, the sample injection mechanism, the sample suction mechanism, the voltage supply mechanism or the detection mechanism, or a combination thereof may be moved above or below the fixed microchip.
[0035]
In this embodiment, a microchip having four reservoirs is used. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a microchip having five or more reservoirs. That is, the present invention can be applied to a microchip provided with a large number of separation channels.
Further, in this embodiment, a chip device in which a sample introduction channel and a separation channel that intersect with each other is used, but the chip device used in the present invention is not limited to this. For other chip devices, such as those with separation channels that do not have crossing channels, those with multiple channels intersecting with the separation channels, multi-channels, and large channels The present invention can also be applied. In these cases, it is preferable to change the nozzle configuration of the electrophoresis medium filling mechanism, electrophoresis medium suction mechanism, buffer solution injection mechanism, sample injection mechanism, and sample suction mechanism according to the arrangement of the reservoir.
[0036]
In this embodiment, a voltage supply mechanism provided with an electrode 41 for entering a buffer solution and a sample is provided. However, the present invention is not limited to this. For example, a chip-side electrode for supplying electricity to a reservoir on a microchip surface is provided. Is formed, a voltage supply mechanism having an electrode for connecting to the chip-side electrode can be used.
[0037]
【The invention's effect】
The electrophoresis apparatus of the present invention includes a chip holding mechanism, a migration medium filling mechanism, a sample injection mechanism, a voltage supply mechanism, a detection mechanism, and a control unit for controlling these mechanisms. Since these mechanisms are operated, the loading of the chip device with the electrophoresis medium, the injection of the sample into the reservoir, and the separation and detection of the sample can be performed automatically.
[0038]
An electrophoresis medium suction mechanism for removing the electrophoresis medium filled in the reservoir, and a buffer solution injection mechanism for injecting a buffer solution into the reservoir after the electrophoresis medium has been removed, the control unit includes: The electrophoretic medium suction mechanism and the buffer liquid injection mechanism are also controlled to operate automatically, the electrophoretic medium in the reservoir is removed by the electrophoretic medium suction mechanism, and the buffer liquid injection mechanism is inserted into the reservoir after the electrophoretic medium is removed. Thus, even when using an electrophoretic medium to which a voltage cannot be applied by directly contacting the electrodes, a voltage can be applied to the electrophoretic medium via the buffer solution.
In addition, by separately providing the sample injection mechanism, the electrophoretic medium suction mechanism, and the buffer solution injection mechanism, the analysis cycle time can be significantly reduced, such as the nozzle washing step can be omitted, resulting in higher throughput. Can be planned.
In addition, since each reservoir can be filled with the buffer solution at the same time, the influence of the head difference (head difference) can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration perspective view showing one embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation example of the embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing another operation example of the embodiment.
4A and 4B are diagrams illustrating an example of a microchip, in which FIG. 4A is a top view of one substrate, FIG. 4B is a top view of the other substrate, and FIG. FIG.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 Microchip 3 Sample injection channel 5 Separation channel 7a Anode reservoir 7c Cathode reservoir 7s Sample reservoir 7w Weight reservoir 13 Electrophoretic medium suction and buffer liquid injection port 15 Nozzle fixing member 17 Suction nozzle 19 Discharge nozzle 23 Sample loading syringe 25 Electrophoresis medium loading port 31 Nozzle 33 Seal material 37 Electrode port 39 Electrode fixing member 41 Electrode 45 Detection optical system

Claims (1)

板状部材の内部に流路が形成され、その板状部材の一表面の流路に対応する位置に流路に達する穴がリザーバとして形成されたチップデバイスを用いる電気泳動装置において、
チップデバイスを保持するためのチップ保持機構と、
チップデバイスの前記リザーバを介して前記流路及び前記リザーバに泳動媒体を充填するための泳動媒体充填機構と、
前記リザーバ内にサンプルを注入するためのサンプル注入機構と、
前記各リザーバに電圧を供給するための電圧供給機構と、
前記流路内で分離されたサンプルを検出する検出機構と、
前記リザーバ内に充填された泳動媒体を除去するための、前記リザーバのそれぞれに対応して設けられた泳動媒体吸引機構と、
泳動媒体が除去された後の前記各リザーバ内にバッファ液を同時に注入するための、前記リザーバのそれぞれに対応して設けられたバッファ液注入機構と、
これらの機構を自動で動作するように制御するための制御部と、を備えたことを特徴とする電気泳動装置。
In an electrophoresis apparatus using a chip device in which a flow path is formed inside the plate member and a hole reaching the flow path at a position corresponding to the flow path on one surface of the plate member is formed as a reservoir,
A chip holding mechanism for holding a chip device;
An electrophoresis medium filling mechanism for filling the electrophoresis medium into the flow path and the reservoir via the reservoir of the chip device,
A sample injection mechanism for injecting a sample into the reservoir,
A voltage supply mechanism for supplying a voltage to each of the reservoirs,
A detection mechanism for detecting the sample separated in the flow path,
For removing the electrophoresis medium filled in the reservoir, an electrophoresis medium suction mechanism provided corresponding to each of the reservoirs,
For simultaneously injecting buffer solution into each of the reservoirs after the electrophoresis medium has been removed, a buffer solution injection mechanism provided corresponding to each of the reservoirs,
An electrophoresis apparatus comprising: a control unit for controlling these mechanisms to operate automatically.
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