JP3701283B2

JP3701283B2 - 電気泳動システムのためのエネルギービームガイド

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Publication number: JP3701283B2
Application number: JP2002588133A
Authority: JP
Inventors: アルバートエル．カーリオ，
Original assignee: アプレラコーポレイション
Priority date: 2001-05-04
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP2004530133A; EP1384061A2; EP1384061B1; DE60221979D1; US20040169931A1; EP1384061A4; WO2002090921A3; DE60221979T2; US6731437B2; WO2002090921A2; CA2446272A1; US20020162746A1; ATE371183T1; US6888628B2

Description

（技術分野）
本発明は、該して、電気泳動システムに関する。より詳細には、本発明は、光度測定による分析されるサンプルを収容するための検出セルに関する。この検出セルは、分離された化学成分を検出するために用いられる励起光のための光ガイドとして機能する。

（発明の背景）
生物工学において、化学的サンプルの分離および分析は、非常に重要である。さらに、分離された成分の複数の分離および分析を同時に実施し、化学的サンプルを評価する速度および効率を向上させることが望ましい。例えば、電気泳動のような分離技術は、ＤＮＡ配列決定、タンパク質分子量決定、遺伝子マッピング、および特定の化学的サンプルについての多量の分析情報を集めるために使用される他の型のプロセスにおいて使用される。

化学的サンプルをそれらの成分に分離するために使用される１つの方法は、電気泳動である。電気泳動とは、通常浸された電極により提供される印加された電場の影響下での、溶液を通じた荷電コロイド状粒子または荷電分子の移動である。コロイド状粒子は、連続的な培地において、微細に分割された粒子の懸濁物である。

歴史的には、微細に分割された粒子を含むポリマーゲルが、２つのガラスプレートの間に加えられ、そしてそのプレートの両端に電場が印加される。しかし、この方法は、低レベルの自動化および長い分析時間を与える。

より最近、キャピラリー電気泳動（以降、「ＣＥ」）法が開発された。ＣＥ法は、速度、多用途性、および低運営費用という利点を付加する。ＣＥシステムの操作は、細い穴のキャピラリー（代表的に、２５〜１００μｍ）を横切る高電圧（代表的に、１０〜３０ｋＶ）の印加を含む。このキャピラリーは、キャピラリーの内側を通じて電流を流す電解質溶液で満たされる。キャピラリーの末端は、電解質で満たされたレザバに浸される。不活性材料（例えば、白金）で作製された電極もまた、電解質レザバに挿入され、電気循環を完全にする。少量のサンプルが、キャピラリーの末端に注入される。キャピラリーは、このキャピラリーの反対末端で、検出器（通常は、ＵＶ吸収検出器）を通される。電圧の印加により、サンプルイオンが、それらの適切な電極の方に移動し、通常、検出器を通過する。異なるサンプルイオンは、異なる時点で、キャピラリーの検出部分に到達する。サンプルは、蛍光マーカーで標識され得、その結果、サンプルが検出器にて光のビームを通過する場合、蛍光マーカーは蛍光を発し、そしてその蛍光は、電気シグナルとして検出される。電気シグナルの強度は、検出領域に存在する蛍光マーカーの量に依存する。次いで、時間に対する検出器の応答のプロット（電気泳動図と呼ばれる）が、作製される。

ＣＥは、電場により生じる熱をキャピラリー管が効果的に放散することに起因して、高電場の使用を可能にするので、特に好ましい分離方法である。こうして達成される分離は、より伝統的な電気泳動システムよりもずっと良好である。さらに、複数のキャピラリー管が、近接して一緒に配置され得、そして同時に使用されて、サンプルスループットを向上させる。

従来のＣＥシステムにおいて、分離された成分の分析または検出は、サンプルがキャピラリー内に位置する間に実施され、そして光度測定技術（例えば、吸光度および蛍光度）を用いて達成され得る。吸光度および蛍光度は、励起光がキャピラリー管の方に向けられ、そしてサンプルから発した光（例えば、蛍光）が検出器によって測定され、それによって、分離された成分についての情報を提供する。従って、これらのシステムにおいて、サンプルに向けられる励起光およびサンプルから発する光は、キャピラリーの壁を通って移動しなければならない。このアプローチの欠点は、キャピラリー電気泳動において代表的に使用される融着したシリカキャピラリーが、光学的に乏しいエレメントであり、そして有意な光の散乱を引き起こすことである。光の散乱に関連する問題は、複数のキャピラリーが、並べられることにより悪化する。なぜならば、１つのキャピラリーからの散乱した励起光は、隣接するキャピラリーにおけるサンプルの検出に干渉するからである。

キャピラリー検出の問題を解決する１つのアプローチは、サンプルが、優れた光学的特性を有する検出セル（例えば、平面石英チャンバ）におけるキャピラリーから出現した後に、サンプルを検出することであった。このシステムにおいて、サンプルは、電気泳動分離を実施するのに使用される同一電圧差の影響下での電気泳動により、キャピラリーの出口から検出セルに輸送される。この型のシステムの例は、本明細書中で参考として援用される、米国特許第５，５２９，６７９号に開示されている。

上記システムの改良型は、キャピラリー管を、プレートまたはチップ中に形成された一連の平行チャネルで置き換える。このチャネルは、上記と同様の様式で、検出セルと液体連通している。この型のシステムは、マイクロチャネルアレイとして公知である。

上記のいくつかの問題に取り組まれているが、検出セル型ＣＥシステムは、その独自の欠点を有する。例えば、励起エネルギー（例えば、レーザーからの光）は、散乱する傾向を有し、それによって、検出セルを通して移動する間にエネルギーの強度が消滅する。

先行技術の検出セル１０２の部分断面を、図１Ａに示す。この検出セル１０２（代表的に、ガラス製である）は、キャビティ１０８を形成し、キャビティ１０８は、検出されるサンプルを含む電解質ポリマー１１０で満たされる。光線１０４（代表的に、レーザーからの光である）は、第１端１１２で検出セル１０２に進入する。第１端１１２は、光線１０４に対して垂直なので、光１０４は、空気からガラスへと検出セルを通過する際に散乱しない（すなわち、反射または屈折しない）。しかし、光１０４は、検出セルとポリマー１１０との間の境界１０６を通過する際に、屈折する。このことは、境界１０６の角度および傾斜、およびガラスおよびポリマーの屈折率の差に起因する。境界１０６の角度または傾斜は、ガラスまたはプラスチックにおいて光学的に平面的な垂直方向のキャビティ壁を生成し得ない現行のエッチングおよびマスタリング技術により引き起こされる。

屈折した光は、屈折の法則に従う。すなわち、
ＲＩ_Ｉｓｉｎ（Ａ_Ｉ）＝ＲＩ_Ｒｓｉｎ（Ａ_Ｒ）
ここで、ＲＩ_Ｉは、第１屈折率であり；
Ａ_Ｉは、入射角であり；
ＲＩ_Ｒは、第２の屈折率であり；そして
Ａ_Ｒは、屈折角である。

ポリマーは、ガラスの屈折率（約１．５２）よりも小さい屈折率（約１．４１）を有し、屈折角は、入射角よりも大きく、そしてその光は、境界１０６に対して垂直よりもずっと傾いている。多くの光線は、フレネル反射によりキャビティにおいて捕捉される代わりに、検出細胞の外側での光のエスケーピング１１６により失われる。これにより、サンプル上での励起光発生の強度が下がり、その後、検出されるシグナル強度に悪影響を及ぼす。さらに、屈折した光線はまた、キャビティ１０８の内部表面で反射し（１１４）、干渉および検出シグナルの喪失を引き起こす。言い換えると、ガラスからポリマー境界または界面への好ましくない屈折率の変化と合わせて、曲がっているかまたは角度のついた界面または境界は、満足のいかない光の強度および質を導き、乏しいサンプル検出を導く。

さらに、これらのシステムの光学的チャネルは、しばしば、細いチャネルに沿って、検出セルの光受容側の行き止まりへと伸びる。このことは、チャネルが検出セルと遭遇する点に、検出セルにおいて制御すること、清潔に保つこと、および高電圧から隔離することが困難な界面を導入する。さらに、この界面は、電気泳動場のひずみを引き起こす。なおさらに、このトンネル内に捕捉される泡は、光学的に励起光と干渉し得る。このことは、乏しい光の強度および質と合わせて、シグナル検出をさらに悪化させる。

上記の欠点に照らして、ＣＥ管またはマイクロチップ技術のような技術を用いて生成される分離されたサンプル成分を検出または分析するために使用される励起光に対するより優れた制御を提供する改善された検出セルに対する必要性が存在する。さらに、この検出セル内の光線の検出を制御するための改善された方法に対する必要性が存在する。

（発明の要旨）
本発明に従って、エネルギービームガイドが提供される。エネルギービームガイドは、第１屈折率を有する第１領域を有し、この第１領域は、エネルギービーム受容端およびこのエネルギービーム受容端と対向する上向き傾斜第１境界を有する。このエネルギービームガイドはまた、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する第２領域を備える。第２領域は、第１領域と第１境界を共有し、そして第１境界と対向する下向きに傾斜した第２境界を有する。予め決定された距離が、第１境界と第２境界とを分離する。最後に、エネルギービームガイドは、第３屈折率を有する第３領域を備える。この第３領域は、第２領域と第２境界を共有する。

さらに、本発明に従って、別のエネルギービームガイドが提供される。エネルギービームガイドは、第１屈折率を有する第１領域、および第１領域との上向き傾斜第１境界を共有する第２領域を有する。第２領域は、第１屈折率よりも小さい第２屈折率を有する。エネルギービームガイドはまた、第２領域との下向きに傾斜した第２境界を共有する第３領域を備える。第３領域は、第３屈折率を有する。また、予め決定された距離が、第１境界と第２境界とを分離する。第１屈折率は、第２屈折率より大きく、そして好ましくは、第２屈折率は、第３屈折率よりも大きい。

なおさらに、本発明に従って、検出セル（好ましくは、電気泳動システムの一部）が提供される。この検出セルは、基板、およびこの基板中に形成される第１キャビティおよび第２キャビティを備える。第１キャビティは、第１キャビティ傾斜壁を有し、そして第１屈折率を有する第１物質を収容するよう構成される。この物質は、第２屈折率を有する。第２キャビティは、第２キャビティ傾斜壁を有し、そして第３屈折率を有する第２物質を収容するよう構成される。この物質の領域により規定される壁は、予め決定された距離だけ、第１キャビティと第２キャビティとを互いに分離する。第１屈折率は、第２屈折率より大きく、そして好ましくは、第２屈折率は、第３屈折率よりも大きい。

本発明に従って、検出セルを作製する方法もまた提供される。基板が最初に提供され、この基板は、各々傾斜壁を有し、壁により分離される第１キャビティおよび第２キャビティを規定する。第１キャビティは、第１屈折率を有する第１物質で満たされる。この基板は、第２屈折率を有する物質で形成される。次いで、第２キャビティは、第３屈折率を有する第２物質で満たされる。第１屈折率は、第２屈折率より大きく、そして好ましくは、第２屈折率は、第３屈折率よりも大きい。

なおさらに本発明に従って、サンプルの成分部分を検出する方法が提供される。サンプルは、最初に、電気泳動によりその成分部分に分離される。エネルギービームが、第１屈折率を有する第１領域に向けられる。次いで、このエネルギービームは、第２境界の方に再度向けられ、ここで、再指向は、第１領域と第２領域とを分離する上向き傾斜第１境界で生じる。第２領域は、第２屈折率を有する。その後、エネルギービームは、サンプルの成分部分を含む第３領域に導かれる。この誘導は、第２領域と第３領域とを分離する下向きに傾斜した第２境界で生じる。次いで、成分部分は、エネルギービームと衝突し、そして成分部分から発せられるエネルギーが検出される。ここでも、第１屈折率は、第２屈折率より大きく、そして好ましくは、第２屈折率は、第３屈折率よりも大きい。再試行工程および誘導工程は、エネルギービームを屈折する工程を包含し、その結果、これらの境界において、エネルギービームの角度または屈折は入射角よりも大きくなる。

本発明は、先行技術に対して多くの利点を有する。例えば：
１．励起エネルギービームは、全反射により第１境界に誘導される。
２．キャビティまたは領域の間の距離および屈折率は、第２キャビティの入口界面で生じる減損的な散乱を補正するように調整され得る。
３．キャビティまたは領域の間の距離は、光学的通路をポリマー、化学物質、および高電圧から隔離しつつ、第２キャビティとの光学的界面を提供する。第１キャビティおよびそのエレメントは、分離媒体（すなわち、第２キャビティにおけるポリマー）を再充填するのに必要とされる高圧に曝されない。
４．本発明は、分離媒体で満たされ、そして清浄な光学的界面および満足な泡の除去を確実にする特別な洗浄および再充填手順を必要とするトンネルを排除する。
５．第２キャビティは、第１キャビティと同一プロセスにより、同時に作製される。このことは、適切な整列および一貫性のある寸法を確実にする。

本発明の性質および目的をより理解するために、添付の図面と合わせて、以下の詳細な説明を参照するべきである。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
先行技術欠点に対応するために、多数の異なる実施形態を試験した。光伝搬の理想的な幾何学的モデルおよび理論的モデルに基づいて、光線追跡を行った。本発明の好ましい実施形態の成功を完全に記載するために、図１Ｂおよび１Ｃに関連して、失敗したモデルを以下に簡潔に示す。

図１Ｂは、上記欠点に対応しようとするためのブランテッド（ｂｌｕｎｔｅｄ）チャネル１１８を有する検出セルを示す。ここで、ブランテッドチャネル１１８は、内部反射によって生じる任意の干渉を排除するために使用される。キャビティ１０８の内面から反射し得る光線は、入射角より小さい反射角で、別の境界または界面１３０にて屈折される。これは、キャビティからさらに離れた光線を曲げ、内部反射を回避する。この実施形態は、境界１３０におけるより小さい曲率に起因して、回折に関連した干渉効果を減少させるが、キャビティ内の励起光の強度は、かなり減少される。

図１Ｃは、２つのキャビティを有する基材１２４を示す。この基材１２４は、約１．５２の屈折率を有する、プラスチックまたはガラスのような材料から製造される。この基材１２４は、約１．００の屈折率を有する空気を含む第一の空のキャビティ１２０を形成する。この基材１２４はまた、約１．４１の屈折率を有するポリマーで充填された第二のキャビティ１２６を形成する。反射の法則に従って、空気とガラスとの間の第一の境界１２２における反射角は、この境界を通過する光の入射角より小さい。このことは、示されるように、光が下向きに反射されることを意味する。ガラスとポリマーとの間の第二の境界１２８を通過するこれらのビームはまた、反射角が入射角よりも大きい場合、下向きに反射される。さらに、この実施形態は、いくらかの光が第二の境界１２８に到達しないという事実に起因して、第二のキャビティ１２６における光の強度を低下させる。

図１Ｂにも図１Ｃにも示されている実施形態はどちらも、先行技術の欠点には十分に対応しないことが見出された。上記の観点から、以下に記載される本発明の実施形態を開発した。以下の図２および図３は、本発明の好ましい実施形態に従う、励起光を制御するためのシステムを示す。

図２Ａは、本発明の実施形態に従うＣＥシステム２００の部分的上面図である。このＣＥシステム２００は、好ましくは、励起源２０２、検出セル２１０、第一のキャビティ２１４および第二のキャビティ２１８を備える。この励起源２０２は、検出セル２１０にエネルギービーム２０４を放射するように配置される。好ましい実施形態において、この励起源２０２は、励起光を放射するアルゴンガスレーザーである。簡便性のために、エネルギービーム２０４は、時々、励起光と呼ばれるが、任意の適切なエネルギーが使用され得ることが理解されるべきである。

検出セル２１０は、基材２１６から構成され、この基材は、第一のキャビティ２１４および第二のキャビティ２１８を形成する。第一のキャビティ２１４は、好ましくは、第一の物質で充填されているかまたは鋳造されており、この第一の材料は、操作の容易さ、接着特性、および光学特性（例えば、透明度および屈折率（これは、本明細書中以後、第一の屈折率（ＲＩ_１）として認識される））について選択される。好ましい実施形態において、第一のキャビティ２１４は、第一の屈折率（これは、約１．４７と１．６１との間の屈折率を有する）を有する光学接着剤または流体で充填される。入口２２４は、好ましくは、第一のキャビティ２１４をこの第一の物質で充填するように提供される。この第一のキャビティ２１４は、好ましくは、エネルギービーム２０４よりもかなり広く、そのビームが第一のキャビティ２１４の側面上の円形縁部２１５と接触しないことを確実にする。

基材２１６は、好ましくは、第二の物質から製造され、この第二の物質は、その製造の容易さ、および光学特性（例えば、透明度および屈折率（これは、本明細書中以後、第二の屈折率（ＲＩ_２）として認識される））について選択される。第二の物質は、光が伝達し得る任意の材料であり、そして好ましくは、１．４６〜１．５２の範囲の屈折率を有する。好ましい実施形態において、第二の物質は、ガラスであり、これは、約１．５２〜１．４７２の屈折率を有する。この屈折率は、類似の屈折率を有する多くの適切なプラスチックが存在しており、より低コストにするためにガラスで置き換えることができるので、選択される。

第二のキャビティ２１８は、第三の物質２２３を含み、この第三の物質は、電気を導電する能力、懸濁液中のサンプルを保持する能力、そしてその光学特性（例えば、透明度および屈折率（これは、本明細書中以後、第三の屈折率（ＲＩ_３）として認識される））について選択される。好ましい実施形態において、第三の物質２２３は、ポリマーであり、これは、１．３３〜１．４６の範囲の屈折率を有する。好ましい実施形態において、第三の屈折率は、１．４１である。より好ましい実施形態において、第二のキャビティ２１８は、第三の物質２２３において同調したサンプルの検出が検出される場である。

光学強度および励起エネルギーの質を達成するために、屈折率の間の全体的な関係は、好ましくは、以下の通りである：
ＲＩ_１＞ＲＩ_２＞ＲＩ_３。

キャピラリーまたはチャネル２１２は、上記の背景の節において記載されるように、第二のキャビティ２１８内の出口端で開口する。別の入口２２０は、好ましくは、第三の物質２２３で第二のキャビティ２１８を充填するように提供される。

光学素子２０６は、好ましくは、エネルギービーム２０４の経路で基材２１６に連結される。光学素子２０６は、好ましくは、オプティカルフラット（例えば、非常に精密に研磨加工された表面を有するフラットガラスディスク）であり、入力の光学表面を制御するために使用される。好ましい実施形態において、この光学素子２０６は、第一のキャビティ２１４の光学接着剤によって、構造２１６に構造的に結合される。

１つの実施形態において、第一のキャビティは、励起源２０２に最も接近した基材２１６のエネルギービーム受容端上で開口し得る。第一のキャビティから光学素子を分離する壁が存在していないこの実施形態において、光学素子は、基材２１６に容易に取り付けられ得る。これは、光学素子を第一のキャビティ２１４に近接して配置し、この第一のキャビティは接着剤を充填し、そしていくらかの接着剤が光学素子と基材２１６との間の流れるのを可能にすることによって達成される。接着剤が乾燥した場合、この光学素子は、第一のキャビティ内の接着剤と、接着剤（これは、第一のキャビティ２１４から第一のキャビティ２１４を結合している基材２１６の側壁上に漏出する）の両方に接着する。液体の屈折率を整合する流体が使用される実施形態において、接着剤の代わりに、この光学素子は、第一のキャビティを充填する前に基材２１６に結合され得るか、または外部支持体によって適所に保持され得る。あるいは、第一のキャビティ内の第二の物質が励起源に曝された、光学的に平坦な表面で鋳造されている場合、光学的な平坦さは必要ではない。

図２Ｂは、図２Ａに示されるＣＥシステムの線ＢＢ’に沿って取られた、断面側面図である。この側面図は、第一のキャビティ２１４および第二のキャビティ２１８を、それぞれ明確に示している。上記のように、これらのキャビティは、ガラスおよびプラスチックマスターのために現在利用可能なエッチング技術の制限に起因して、直線の壁ではなく、むしろ勾配を持っている境界２２６または曲線状の境界２２８を有する。好ましい実施形態において、第一の境界２２６は、入射エネルギービーム２０４に提供されるように、上向き（ｉｎｃｌｉｎｅｄ）形状または凹面形状を有し、一方、第二の境界は、下向き（ｄｅｃｌｉｎｅｄ）形状または凸面形状を有する。これにより、以下の図３に関して説明されるように、境界２２６および２２８において、エネルギービーム２０４の屈折が導かれる。

図３は、図２Ｂの部分２３０の拡大図である。本発明の光導原理を例示するために、それぞれ第一のキャビティ２１４、第一の境界２２６、基材２１６、第二の境界２２８、および第二のキャビティ２１８を通過する９つの光線３１２が示される。しかし、任意の適切なエネルギービームが光線の代わりに使用され得ることが理解されるべきである。上記のように、第一のキャビティ２１４は、第一の屈折率ＲＩ_１を有する第一の物質２２２で充填され；基材２１６は、第二の屈折率ＲＩ_２を有する第二の物質３０４から作製され；そして第二のキャビティ２１８は、第三の屈折率ＲＩ_３を有する第三の物質２２３で充填される。また、上記のように、物質２２２、３０４、および２２３は、ＲＩ_１＞ＲＩ_２＞ＲＩ_３であるように選択される。言い換えると、第一のキャビティ２１４により含有される第一の物質２２２は、第一の領域を形成し、第二のキャビティ２１８内に含まれる第三の物質２２３は、第三の領域を形成し、そして第二の物質３０４から作製される基材２１６は、第二の領域を形成し、この基材は、距離３０２によって第一の領域と第二の領域とを分離する。

光線１および２は、第一および第二の境界２２６ならびに第二の境界２２８を、これらの境界に対して垂直に通過する。従って、屈折は、これらの光線についてほとんどまたは全く起こらない。境界２２６および２２８は、代表的には、曲線形状を有し、従って、これらの境界に入射する光線の入射角は、上向き傾斜の角度が増加するにつれて、増加する。言い換えると、第一の境界２２６に衝突する光線３の入射角は、第一の境界２２６に衝突する光線９の入射角よりも小さい。第一の境界２２６の上向き傾斜の方向、およびＲＩ_１がＲＩ_２よりも大きいという事実に起因して、屈折角は、第一の境界２２６における入射角よりも大きく、従って、光線は上方に曲げられる。同様に、第二の境界２２８の下向き傾斜の方向、およびＲＩ_２がＲＩ_３よりも大きいという事実に起因して、屈折角はまた、第二の境界２２８における入射角よりも大きく、従って、光線は下方に曲げられる。言い換えると、上向きの境界または下向きの境界は、光が上方または下方のいずれに曲げられるかを有効に決定する。両表面の累積効果は、チャネル表面３０６に対して可能な限り平行な出口光線を生じることになる。さらに、それぞれ第一の境界２２６と第二の境界２２８との間のとの間の距離３０２は、光線の経路、特に、光線が互いにどのくらい近接するかということに影響を及ぼす。

境界２２６および２２８は連続していることに留意すべきである。この境界において、各領域の間に層を形成する物質は、他に存在しない（すなわち、互いから領域を分離する、空気も他の物質（例えば、接着剤）も存在しない）。

さらに、ＲＩ_１は、好ましくはＲＩ_２よりも大きいので、第一のキャビティ２１４におけるいずれの光も、全内反射によってチャネルの内側に反射される。ＲＩ_３は、好ましくはＲＩ_２よりも小さいので、第二のキャビティ２１８内で生じるいずれの反射も、フレネルの反射に起因する。フレネルの反射は、８０％の効率のみであり、ここで、入射光の入射角は、８９°よりも大きい（すなわち、ビームの角度は、反射表面の１°以内である）。

従って、屈折率ＲＩ_１、ＲＩ_２およびＲＩ_３、ならびに境界２２６と２２８との間の距離３０２を選択することによって、エネルギービーム（例えば、光線）は、検出セルを通って正確に導かれ得る。このことは、第二のキャビティ２１８における光の強度を維持し、かつフレネルの反射角を上回る光線（これは、９０％の反射効率について、２°未満である）に対する光損失量を減少させることによって、内部反射量を減少させる。好ましい実施形態において、距離３０２は、０．１ミクロンと１０００ミクロンとの間である。

図４Ａは、本発明の別の実施形態による、異なる光学素子４０２を組み込むＣＥシステム４００の、部分断面側面図である。光学素子４０２のエントリー表面４０４は、この光学素子にある角度で衝突するエネルギービーム２０４をうまく通すように角度を付けられ、そして抜き勾配（これは、鋳型からの構成要素（すなわち、射出成形されるオプティクス）の取り外しを容易にするために、構成要素の側面に与えられる角度である）を可能にすることによって、製造を改善し得る。

図４Ｂは、本発明のなお別の実施形態による、別の光学素子４０８を組み込むＣＥシステム４０６の部分断面側面図である。光学素子４０８は、好ましくは、第一物質２２２（図２）から注型され、そして第一物質２２２が第一キャビティ２１４内に注型されると同時に、注型される。注型光学素子４０８は、任意の適切な形状に注型され得るが、好ましくは、エネルギービーム２０４を第一キャビティ２１４に収束させる、円筒形レンズとして注型される。

図４Ｃは、本発明のなお別の実施形態による、光学素子および支持ブロックを組み込むキャピラリー電気泳動システムの、部分断面側面図である。この実施形態は、第一物質が液体（例えば、屈折率を整合する流体（ｉｎｄｅｘｍａｔｃｈｉｎｇｆｌｕｉｄ））であることを可能にする。この実施形態において、支持ブロック４１６は、光学素子４１２を支持し、そして整列させるために使用される。支持ブロック４１４は、第一物質を保持する第一キャビティの下の床を形成し、この物質から、第一領域４１４が構成される。支持ブロック４１４は、好ましくは、プラスチック、ガラス、またはセラミックから作製される。

このシステムの、図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに示されない部分は、上記で図２および３に関して示され、そして記載された部分と同じである。

図５Ａは、本発明の実施形態による、「ＲＩ_１対距離および％強度」のグラフ５００である。「距離」とは、第一境界２２６（図３）と第二境界２２８（図３）との間の、互いに最も近い距離にある（すなわち、これらの境界を分離している最短の可能な線分に沿って測定された）距離３０２（図３）をいう。「第一屈折率」とは、第一屈折率（ＲＩ_１）をいい、一方で「％強度」とは、第二境界から第二キャビティ（第三領域）２１８（図３）に入る、約１７ｍｍのエネルギービームの強度の、第一領域および第二領域から離れる方向に測定した場合の強度の百分率をいう。見られ得るように、より大きな第一屈折率（ＲＩ_１）については、％強度は、第一屈折率（ＲＩ_１）を増加させることによって、数パーセントの点が増加し、一方でギャップは、かなり小さくなり得る。従って、高い第一屈折率（ＲＩ_１）を有する小さなギャップが好ましい。この実施形態において、好ましい物質２２２、３０４、および２２３（図３）は、以下の通りである：第一物質２２２（図３）は、１．５６〜１．５７の範囲（１．５６および１．５７を含む）の第一屈折率を有する、ＡＢＬＥＳＴＩＫ、ＭＡＳＴＥＲＢＯＮＤ、またはＮＹＥＯＰＴＩＣＡＬによって製造される接着剤である；第二物質３０４（図３）は、１．５２の第二屈折率を有する０２１１ＣＯＲＮＩＮＧＧＬＳＡＡ（ＣＯＲＮＩＮＧによって製造される）または１．５２３の第二屈折率を有するＺＥＯＮＯＲ１０２０Ｒプラスチックである；そして第三物質２２３（図３）は、１．４１の第三屈折率を有する、ＡＰＰＬＩＥＤＢＩＯＳＹＳＴＥＭＳＰＯＰ−６ＰＯＬＹＭＥＲＧＥＬＭＡＴＲＩＸである。光学素子の屈折率は、未知でありかつ重要ではない。

図５Ｂは、本発明の別の実施形態による、「ＲＩ_１対距離および％強度」の別のグラフ５０２である。このチャートは、図５Ａに示されるものと類似である。このチャートは、０％より高い強度に対して、第一屈折率（ＲＩ_１）が１．４７〜１．５２の範囲内（１．４７および１．５２を含む）になければならず、適切な強度および距離は、約１．５０のＲＩ_１および４２０ミクロンの距離において起こることを示す。最も高い強度は、約３０ミクロンにおいて起こるが、この距離は、製造プロセスの目的では小さすぎる。この実施形態において、好ましい物質２２２、３０４、および２２３（図３）は、以下の通りである：第一物質２２２（図３）は、１．５０の第一屈折率を有する、ＣＡＲＧＩＬＬＥＬＩＱＵＩＤＩＮＤＥＸＭＡＴＣＨ流体（ＣＡＲＧＩＬＬＥＬＡＢＯＲＡＴＯＲＩＥＳ，Ｉｎｃ．によって製造される）である；第二物質３０４（図３）は、１．４７２の第二屈折率を有するＢＯＲＯＦＬＯＡＴＧＬＡＳＳ（ＳＣＨＯＴＴＧＬＡＳＳによって製造される）である；そして第三物質２２３（図３）は、１．４１の第三屈折率を有する、ＰＯＰ−６ＰＯＬＹＭＥＲＧＥＬＭＡＴＲＩＸ（ＡＰＰＬＩＥＤＢＩＯＳＹＳＴＥＭＳによって製造される）である。光学素子の屈折率は、未知でありかつ重要ではないが、適切な光学素子は、ＶＷＲ４８３９３−０７０（ＶＷＲＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓによって製造される）であり得る。

当業者は、一旦、第一物質および第二物質が選択されると、適切な距離３０２（図３）および適切な第一屈折率（ＲＩ_１）の選択が、グラフ５００を利用してなされ得ることを理解する。

図６Ａは、本発明の実施形態による、エネルギービームガイドを作製する方法のフローチャート６００である。ＲＩ_１がＲＩ_２より大きく、ＲＩ_２がＲＩ_３より大きくなるように、第一、第二、および第三物質が、最初に選択される（６０２において）。好ましい実施形態において、ＲＩ_３は、狭い範囲の屈折率で利用可能である。ＲＩ_２が、基礎として選択され、そしてＲＩ_１は、ＲＩ_２およびＲＩ_３に基づいて、チャートからか、反復計算によってか、モデルからか、または実験を通して、決定される。次いで、第一キャビティと第二キャビティとの間の距離または壁が、選択される（６０４において）。基材が提供され（６０５において）、そして第一キャビティおよび第二キャビティを規定し、これらのキャビティは、それぞれが傾斜した壁を有し、そして壁によって分離されている。基材は、第二物質から作製され、この物質は、第二屈折率（ＲＩ_２）を有する。第一キャビティが、第一屈折率（ＲＩ_１）を有する第一物質で充填される（６０６において）。第二キャビティが、第三屈折率（ＲＩ_３）を有する第二物質で充填される（６０８において）。

図６Ｂは、収容されるサンプルの成分部分を検出するための方法のフローチャート６１２である。最初に、サンプルが、電気泳動によって、その成分部分に分離される（６１４において）。次いで、エネルギービームが、第一屈折率（ＲＩ_１）を有する第一領域において、方向付けられる（６１６において）。このエネルギービームは、引き続いて、第二境界に向けて再度方向付けられ（６１８において）、この再度の方向付けは、第一領域を第二領域（第二屈折率を有する）から分離する、上向きの傾斜の第一境界において起こる。次いで、このエネルギービームは、第三領域に向けてガイドされ（６２０において）、この領域は、サンプルの成分部分を含む。このガイドは、第二領域を第三領域から分離する、下向き傾斜の第二境界において起こる。引き続いて、この成分部分に、エネルギービームが衝突する（６２２において）。最後に、成分部分から放出されたエネルギーが検出される（６２４において）。第一屈折率（ＲＩ_１）は、第二屈折率（ＲＩ_２）より大きく、そして第二屈折率（ＲＩ_２）は、第三屈折率（ＲＩ_３）より大きい。

ＲＩ_１＞ＲＩ_２＞ＲＩ_３である上記実施形態において、最適な照射は、エネルギービームをキャビティ表面３０６（図３）に対して可能な限り平行に方向付け、これによって、このキャビティ内の反射の量を減少させることによって、提供される。しかし、代替の実施形態においては、ＲＩ_１＞ＲＩ_２＜ＲＩ_３である。第二屈折率が第三屈折率より小さい、この実施形態において、第三キャビティに入る光は、最初、全反射によって反射される。このことは、この実施形態が、弾性照射によって機能することを可能にする。しかし、この実施形態は、基材の反射率より大きい反射率を有する、適切なポリマーを配置することを必要とする。

本発明の特定の実施形態の上述の説明は、図示および説明の目的で提供される。これらの説明は、排他的であることも、本発明を開示された正確な形態に限定することも意図されず、多くの改変および変化が、上記教示を考慮して、明らかに可能である。これらの実施形態は、本発明の原理およびその実用的な用途を最良に説明する目的で、選択および記載されており、これによって、当業者は、意図される特定の使用に適するような種々の改変を伴って、本発明および種々の実施形態を最良に利用し得る。さらに、この方法における工程の順序は、必ずしも記載された順序で起こることは、意図されない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって規定されることが、意図される。

同じ参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を参照する。

図１Ａは、先行技術の検出セルの部分断面図である図１Ｂは、平滑末端チャネルを有する検出セルである。図１Ｃは、２つのキャビティを有する検出セルである。図２Ａは、本発明の実施形態に従うキャピラリー電気泳動システムの部分上面図である。図２Ｂは、図２Ａに示されるキャピラリー電気泳動システムを、線ＢＢ’で切り取った断面側面図である。図３は、図２Ｂの一部の拡大図である。図４Ａは、本発明の別の実施形態に従う、異なる光学的エレメントを組み込んだキャピラリー電気泳動システムの部分断面側面図である。図４Ｂは、本発明のさらに別の実施形態に従う、別の光学的エレメントを組み込んだキャピラリー電気泳動システムの部分断面側面図である。図４Ｃは、本発明のさらに別の実施形態に従う、光学的エレメントおよび支持ブロックを組み込んだキャピラリー電気泳動システムの部分断面側面図である。図５Ａは、本発明の実施形態に従う、「ＲＩ_Ｉ対距離および％強度」のグラフである。図５Ｂは、本発明の別の実施形態に従う、「ＲＩ_Ｉ対距離および％強度」の別のグラフである。図６Ａは、本発明の実施形態に従う、電気泳動システムにおいてエネルギービームを誘導するための方法のフローチャートである。図６Ｂは、本発明の別の実施形態に従う、電気泳動システムにおいてエネルギービームを誘導するための方法の別のフローチャートである。

Claims

エネルギービームガイドであって、以下：
第一屈折率を有する第一領域であって、該第一領域は、エネルギービーム受容末端、および該エネルギービーム受容末端の反対側の上向き傾斜第一境界を有する、第一領域；
該第一屈折率より小さい第二屈折率を有する、第二領域であって、該第二領域は、該第一領域と該第一境界を共有し、そして該第一境界の反対側の下向き傾斜第二境界を有し、ここで、所定の距離が、該第一境界と該第二境界とを分離している、第二領域；ならびに
第三屈折率を有する第三領域であって、該第三領域は、該第二領域と該第二境界を共有する、第三領域、
を備える、エネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より大きい、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より小さい、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記エネルギービームガイドが、電気泳動システムの検出セルの一部を形成する、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第三領域が、前記検出セルの検出部分を規定する、請求項４に記載のエネルギービームガイド。
励起源および検出器をさらに備える、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第一屈折率が、１．４７〜１．６１の範囲である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．４６〜１．５２の範囲である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．５２である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．４７２である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第三屈折率が、１．３３〜１．４６の範囲である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第三屈折率が、１．４１である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域が、光学接着剤である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域が、液体の屈折率を整合する流体である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第二領域が、ガラスおよびプラスチックからなる群より選択される、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第三領域が、移動媒体である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記移動媒体が、ポリマーである、請求項１６に記載のエネルギービームガイド。
前記上向き傾斜第一境界が、エネルギービームに対して凹状の形状を呈する、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記下向き傾斜第二境界が、エネルギービームに対して凸状の形状を呈する、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
エネルギービームが、前記第一境界および第二境界で屈折する、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記第一境界と第二境界との両方において、屈折角が入射角より大きい、請求項２０に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域を前記第二領域から分離する最短の距離が、０．１〜１０００ミクロンの範囲である、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
エネルギービーム源と前記エネルギービームガイドとの間に配置された、光学素子をさらに備える、請求項１に記載のエネルギービームガイド。
前記光学素子のエネルギービーム受容末端が傾斜している、請求項２３に記載のエネルギービームガイド。
前記光学素子が、前記第一領域を構成する物質から形成されている、請求項２３に記載のエネルギービームガイド。
エネルギービームガイドであって、以下：
第一屈折率を有する、第一領域；
該第一領域と上向き傾斜第一境界を共有する、第二領域であって、該第二領域が、該第一屈折率より小さい第二屈折率を有する、第二領域；および
該第二領域と下向き傾斜第二境界を共有する、第三領域であって、該第三領域が、第三屈折率を有し、ここで、所定の距離が、該第一境界と該第二境界とを分離している、第三領域、
を備える、エネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より大きい、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より小さい、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記エネルギービームガイドが、電気泳動システムの検出セルの一部を形成する、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第三領域が、前記検出セルの検出部分を規定する、請求項２９に記載のエネルギービームガイド。
励起源および検出器をさらに備える、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第一屈折率が、１．４７〜１．６１の範囲である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．４６〜１．５２の範囲である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．５２である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第二屈折率が、１．４７２である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第三屈折率が、１．３３〜１．４６の範囲である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第三屈折率が、１．４１である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域が、光学接着剤である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域が、液体の屈折率を整合する流体である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第二領域が、ガラスおよびプラスチックからなる群より選択される、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第三領域が、移動媒体である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記移動媒体が、ポリマーである、請求項４１に記載のエネルギービームガイド。
前記上向き傾斜第一境界が、エネルギービームに対して凹状の形状を呈する、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記下向き傾斜第二境界が、エネルギービームに対して凸状の形状を呈する、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
エネルギービームが、前記第一境界および第二境界で屈折する、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記第一境界と第二境界との両方において、屈折角が入射角より大きい、請求項４５に記載のエネルギービームガイド。
前記第一領域を前記第二領域から分離する最短の距離が、０．１〜１０００ミクロンの範囲である、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
エネルギービーム源と前記エネルギービームガイドとの間に配置された、光学素子をさらに備える、請求項２６に記載のエネルギービームガイド。
前記光学素子のエネルギービーム受容末端が傾斜している、請求項４８に記載のエネルギービームガイド。
前記光学素子が、前記第一領域を構成する物質から形成されている、請求項４８に記載のエネルギービームガイド。
検出セルであって、以下：
基材；
該基材に形成された第一キャビティであって、該第一キャビティは、第一キャビティ傾斜壁を有し、そして第一屈折率を有する第一物質を受容するように構成されており、ここで、該基材が、第二屈折率を有する、第一キャビティ；
該基材に形成された第二キャビティであって、該第二キャビティが、第二キャビティ傾斜壁を有し、そして第三屈折率を有する第二物質を受容するように構成されている、第二キャビティ；および
該基材の領域によって規定されている壁であって、該第一キャビティと該第二キャビティとを、所定の距離で互いから分離する、壁、
を備え、
ここで、該第一屈折率が、該第二屈折率より大きい、検出セル。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より大きい、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二屈折率が、前記第三屈折率より小さい、請求項５１に記載の検出セル。
前記検出セルが、電気泳動システムの検出セルの一部を形成する、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二キャビティが、前記検出セルの検出部分を規定する、請求項５１に記載の検出セル。
励起源および検出器をさらに備える、請求項５１に記載の検出セル。
前記第一屈折率が、１．４７〜１．６１の範囲である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二屈折率が、１．４６〜１．５２の範囲である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二屈折率が、１．５２である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二屈折率が、１．４７２である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第三屈折率が、１．３３〜１．４６の範囲である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第三屈折率が、１．４１である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第一物質が、光学接着剤である、請求項５１に記載の検出セル。
前記第一物質が、液体の屈折率を整合する流体である、請求項５１に記載の検出セル。
前記基材が、ガラスおよびプラスチックからなる群より選択される、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二物質が、移動媒体である、請求項５１に記載の検出セル。
前記移動媒体が、ポリマーである、請求項６６に記載の検出セル。
前記第一キャビティ傾斜壁の少なくとも一部が、エネルギービームに対して凹状の形状を呈する、請求項５１に記載の検出セル。
前記第二キャビティ傾斜壁の少なくとも一部が、エネルギービームに対して凸状の形状を呈する、請求項５１に記載の検出セル。
エネルギービームが、前記壁で屈折する、請求項５１に記載の検出セル。
前記壁において、屈折角が入射角より大きい、請求項７０に記載の検出セル。
前記第一キャビティを前記第二キャビティから分離する最短の距離が、０．１〜１０００ミクロンの範囲である、請求項５１に記載の検出セル。
エネルギービーム源と前記検出セルとの間に配置された、光学素子をさらに備える、請求項５１に記載の検出セル。
前記光学素子のエネルギービーム受容末端が傾斜している、請求項７３に記載の検出セル。
前記光学素子が、前記第一物質から形成されている、請求項７４に記載の検出セル。
検出セルを作製するための方法であって、以下：
第一キャビティおよび第二キャビティを規定する基材を提供する工程であって、各キャビティが、傾斜した壁を有し、そして壁によって分離されている、工程；
該第一キャビティに、第一屈折率を有する第一物質を充填する工程であって、該基材が、第二屈折率を有する、工程；
該第二キャビティに、第三屈折率を有する第二物質を充填する工程；
を包含し、
ここで、該第一屈折率が、該第二屈折率より大きい、方法。
前記第一屈折率が、前記第二屈折率より大きいように、そして該第二屈折率が、前記第三屈折率より大きいように、前記第一物質、前記基材、および前記第二物質を選択する最初の工程を包含する、請求項７６に記載の方法。
前記第一屈折率が、前記第二屈折率より大きいように、そして該第二屈折率が、前記第三屈折率より小さいように、前記第一物質、前記基材、および前記第二物質を選択する最初の工程を包含する、請求項７６に記載の方法。
前記第一キャビティと第二キャビティとの間の距離を選択する最初の工程を包含する、請求項７６に記載の方法。
サンプルの成分部分を検出するための方法であって、以下：
第一屈折率を有する第一領域において、エネルギービームを方向付ける工程；
該エネルギービームを、第二境界に向けて再度方向付ける工程であって、ここで、該再度方向付ける工程が、該第一領域を、第二屈折率を有する第二領域から分離する、上向き傾斜第一境界において起こる、工程；
該エネルギービームを、サンプルの成分部分を含有する第三領域に向けてガイドする工程であって、ここで、該ガイドする工程が、該第二領域を該第三領域から分離する、下向き傾斜第二境界において起こる、工程；
該エネルギービームを該成分部分に衝突させる工程；および
該成分部分から放射されたネルギーを検出する工程、
を包含し、
ここで、該第一屈折率が、該第二屈折率より大きい、方法。
電気泳動によって、前記サンプルを、該サンプルの成分部分に分離する、最初の工程をさらに包含する、請求項８０に記載の方法。
前記再度方向付ける工程および前記ガイドする工程が、前記境界における前記エネルギービームの屈折角が入射角より大きくなるように、該エネルギービームを屈折させる工程を包含する、請求項８０に記載の方法。