JP3832256B2

JP3832256B2 - キャピラリアレイ

Info

Publication number: JP3832256B2
Application number: JP2001047518A
Authority: JP
Inventors: 省三葛西; 清司塚田; 敏昭喜多; 友成盛岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2002039992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＤＮＡ，蛋白質などの試料を分離分析するキャピラリアレイ電気泳動装置に用いられるキャピラリアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数のキャピラリを組み合わせてアレイを構成し、各キャピラリに電気泳動媒体と分析又は分離すべき試料を供給，移動させて、対象となる試料を分離・分析などに利用する技術はよく知られている。蛍光物質で標識されたＤＮＡ，蛋白質などの試料をキャピラリに供給する。このような技術は、米国特許第5366608,同５５２９６７９，同５５１６４０９，同５７３０８５０，同５７９０７２７，同５５８２７０５，同５４３９５７８，同５２７４２４０などに記載されている。分離・分析のスループットの観点からすると、平板ゲルを用いた電気泳動法よりもマルチキャピラリを用いた方が、多くの利点がある。
【０００３】
特開平９−９６６２３号公報にキャピラリアレイ電気泳動装置が記載されている。キャピラリは外径が０.１〜０.７mm，内径が０.０２〜０.５mmで、外被はポリイミド樹脂コーテングである。キャピラリ自体は石英パイプであり、複数（数本から数１０本が一般的である。）のキャピラリを配列してアレイを構成する。
【０００４】
蛍光標識されたＤＮＡサンプルを入れたサンプルトレイから電気泳動でキャピラリに蛋白質を取り込むロードヘッダとロードヘッダのサンプリング番号順に配列固定する検知部に電磁波例えばレーザ光源でミラーやビームスプリッタ，集光レンズで励起光を照射する励起光学系、および信号光である蛍光を検出する検出レンズ系とＣＣＤカメラを備える。この例は電気泳動蛋白質の入ったキャピラリアレイの両側面からレーザを照射し、キャピラリのレンズ作用によってレーザを集光させることにより全てのキャピラリにレーザ光を照射し、各キャピラリからの蛍光を検出光学系によって検出する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題はキャピラリヘッド部の構造に関し、ゲルを入れたときの気泡発生が無く、かつ接液面に気泡の付着が無いようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はＤＮＡ，蛋白質などの試料を分離分析するキャピラリアレイ電気泳動装置に関し、特にキャピラリアレイのキャピラリヘッド部の気泡発生の防止とシール構造の改善に関する。
【０００７】
より詳しくは、本発明は、キャピラリヘッド部を３つの部品で構成する。即ち、パイプ状のキャピラリ受け３２，シールコマ３３及び締付つまみ３４を有する。これにより、締付つまみを回しても気密を保持するシール面は回転せず、シール圧力のみの印加となる。キャピラリを束にしてキャピラリ受けに通して接着し、キャピラリとキャピラリ受けの端部をそろえ、その端面を同時に切断し、同一平面とする。また、キャピラリとキャピラリ受けの同一平面の面粗さをほぼ鏡面とする。
【０００８】
他の実施態様によれば、キャピラリとキャピラリ受けの同一平面において、キャピラリ受けの内径面積に占めるキャピラリと接着剤の面積の比を示すキャピラリ充填率を６０〜７３％と成るようなキャピラリ受けの内径面積とする。以上により、キャピラリヘッド接着製作における接着剤にボイドを巻き込んでできる切断面に表れるクレータの発生を無くした。また、緩衝液との接液面の凹凸がないため気泡の付着を無くすることができた。
【０００９】
更に本発明においては、キャピラリ受けと締付つまみ、緩衝液容器の硬さをシールコマの硬さより大きくする。これにより締付部の変位を防止する。またキャピラリ受けとシールコマの接触面積がシールコマと締付つまみの接触面積より大きくすることにより、キャピラリ受けとシールコマとの接触が強固になる。なお、電気泳動はロードヘッダのキャピラリ先端に付けた電極と、キャピラリに電気泳動媒体である緩衝液をキャピラリヘッドから検知部に注入する緩衝液容器に設けられた電極との間に高電圧電源から１０〜２０ｋＶの電圧を印加して行う。キャピラリ１，ロードヘッダ４，電極２０，検出部５，キャピラリヘッド１７の部分は１体に作られキャピラリアレイと呼ばれる。取り付けや取り外しはキャピラリアレイを一体として行う。また、キャピラリの中には電気泳動の抵抗となるゲルを入れてあり、泳動ＤＮＡや蛋白質の分子の大きさで電気泳動の速度は変化する。
【００１０】
この検出系の検出時間ｔ（泳動時間ともいう）は下式で示される。

【００１１】
ｋ：比例定数
Ｅ：電気泳動電圧
Ｌ：キャピラリ長さ
Ｔ：周囲温度
現在の装置の検出時間としては０.５〜３時間と長時間要するのが一般的である。
【００１２】
上式で得られる検出光量の経時パターンからＤＮＡや蛋白質の解析が信号処理演算装置２１で行われる。しかし、信号パターンの分解能はいろいろなファクターで変動し、特に装置の温度変化による影響が大きい。その１例について以下詳細に説明する。キャピラリアレイにゲルを注入する場合は緩衝液容器１４に入れた高粘度のゲルに５〜１０Ｍｐａの高圧をポンプなどで印加してキャピラリヘッド１７からキャピラリ１の内部に注入する。ゲル注入の完了は電極部からゲルが出たことを確認することによって知る。注入圧力が大きいのはゲルの粘度が大きいこととキャピラリ内径が小さいことによる。ゲルを注入した後でゲル内を電気泳動するための緩衝液を緩衝液容器からとロードヘッダ４の電極側から浸透させている。
【００１３】
このような分析装置ではゲルが充填されている部分に気泡が含まれると下記のような問題が発生する。
（１）キャピラリ内径より大きい気泡がキャピラリに注入されるとキャピラリ内の電気の導通が途切れ電気泳動が出来なくなり分析不可能となる。
（２）緩衝液容器にキャピラリヘッドを図３に示すように高耐圧，気密シール部２９で取り付けるが取付部３０近傍に気泡があると、分析中に系内温度変化で気泡の体積が変化して緩衝液がキャピラリを通って開放端である電極部に出たり、入ったりする。緩衝液の出入り量はキャピラリ毎に圧力損失が異なるため分析結果に差がでる。このことは、電気泳動時間を増減させるため直接分析に影響する。２６はキャピラリの束をキャピラリヘッドに付ける接着剤である。
【００１４】
以上の問題があり緩衝液容器にキャピラリヘッドを取り付ける高耐圧，気密構造には細心の注意が払われなければならない。
【００１５】
以上の構成により、締付つまみを回して締め付けてもキャピラリ受けとシールコマが回転せずシール面に傷が付かないようにでき、完全なシールを可能としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は本発明によるキャピラリアレイを示す。ポリイミドなどの被覆を有するキャピラリ１を複数本たばねて、アレイを構成する。検出部５のキャピラリのポリイミド等の被覆を除去し、透明にする。キャピラリが一個所に集まって、電気泳動による熱がこもったりしないように、キャピラリの１本１本を所望の距離だけ離すように、キャピラリセパレータ１６によって支持する。電気泳動を掛けるための一方の電極が設けられているロードヘッダ４にキャピラリの試料供給部を接続する。試料供給部はロードヘッダ４と電気的に接続した電極２０を備える。ゲル及び緩衝液をキャピラリヘッド１７に供給し、緩衝液容器にキャピラリヘッドの組込部要部を示す。
【００１８】
図２は本発明が適用される電気泳動システムであり、試料容器２，３の中にキャピラリの試料供給部を挿入する。ロードヘッダ４とキャピラリアレイのキャピラリヘッド１７との間に電源１５により電圧を掛けて、キャピラリ内の蛍光色素で標識した試料を分子量の大きさ順に分離する。
【００１９】
レーザ源６で発生したレーザ光（図中に点線で示す）は、ミラー７で反射し、ビームスプリッタ８で２等分され、キャピラリアレイの検出部５の両側からミラー７，集光レンズ９を介して照射される。
【００２０】
発生した蛍光１０は、検出レンズ１１を介してＣＣＤカメラ１２等により検出される。この検出信号は信号処理演算装置２１で必要な処理を行い、必要なデータを出力し、表示する。
【００２１】
図３，図４に示すように、キャピラリヘッド１７はキャピラリ受け３２とシールコマ３３と締付つまみ３４に３分割され、キャピラリ受け３２にはキャピラリ１が１０数本束にして組み込まれる。キャピラリ受け先端部３５でキャピラリとキャピラリ受けを接着剤２６で接着してキャピラリの長手方向に対し直角に切断される。３者は同一平面を作り、緩衝液容器１４に組み込まれる。切断された切断面は気泡が付着しても取れ易いように面粗さは３.２ｓ以下の鏡面となるようにダイヤモンドソーで切断する。切断条件はダイヤモンドソーの回転数をたとえば約２００００回転とする。
【００２２】
本発明は高耐圧，気密シール部の各部品の硬さや接触面積に関する。高耐圧，気密シールは接触する部品面に必要な面圧を得ることであるが、従来装置ではねじ締め付けで接触面が回転しながら面圧を大きくしているため、接触面同志が互いに傷付け合うことになり、シール性を損ねている。また、取り付け取り外しを繰り返すと摩耗粉が発生し、これがシール面に挟まってシールを阻害することもあった。
【００２３】
本発明の実施例においては、キャピラリヘッドを３つの部品に分けた。締付つまみを回してもシールコマ３３には軸方向の力のみ発生し回転力は生じないようにキャピラリ受け３２とシールコマ３３の接触面積を、シールコマと締付つまみの接触面積より大きくした。このようにすると締付つまみ部の摩擦抵抗がキャピラリ受けの摩擦抵抗より小さくなり、締付つまみを回してもシール面で回転することは無い。さらに、キャピラリ受けと締付つまみ、緩衝液容器の硬さをシールコマに比べて大きくすることによりシール面圧が大きくなるとシールコマが接触する側に食い込みシール性を一層高める。
【００２４】
なお、キャピラリヘッドを組み込んだとき、締付つまみの端部の外側にキャピラリ受け端部が出るように構成するとキャピラリにゲルや緩衝液を注入するときにキャピラリ受けの周囲にできた溝の空気を高耐圧，気密シール部を弛めて締付つまみとキャピラリ受け間の隙間から空気と液を系外に出すことが行われ、このときに、キャピラリを液で汚すことが無い。
【００２５】
図４により、本発明におけキャピラリ受けの構造について説明する。従来は、キャピラリ受け３２に単に複数のキャピラリ１を通すため、キャピラリ受け内径はキャピラリ束に比べて充分余裕のある大きさになっていた。そのため、接着剤の使用量も多かった。キャピラリ受けにキャピラリ束を入れたときの余裕の程度を示す指標としてキャピラリ受け内径面積Ｓ１と組み込んだ全てのキャピラリ面積の和Ｓ２の比、すなわち、キャピラリ充填率＝Ｓ２／Ｓ１×１００（％）がある。以下、キャピラリ充填率で説明する。
【００２６】
従来の充填率は４５〜５５％であり、接着剤が占める割合が約５０（％）前後あり、接着剤に含まれたり、キャピラリに付着したボイドで切断面にキャピラリの太さ程度のクレータが出来ることがあった。このような微細な穴には液が入りにくいため緩衝液やゲルを注入すると気泡ができ、かつ、発生した気泡は穴に密着して系外には除去できない問題があった。この気泡が何かのショックで穴から取れてキャピラリの中にはいることもありえる。これを対策する方法として、キャピラリの充填率を高めて接着剤の割合を小さくすることが得策である。これまでの実験によると充填率が６０％を超えると接着剤の割合が減少すること、個々の接着剤面積が気泡の面積に比べて小さくなり、キャピラリ束に容器に入れた接着剤をディッピング法により塗布して取り出すと気泡が接着剤表面近く浮き出てきて、キャピラリ受けで余分の接着剤を削ぎ取ると気泡は接着剤と共に除去されることが判った。充填率が７０％を超えるとクレータの発生は更に少なくなるが、キャピラリ束をキャピラリ受けに入れることが難しくなる。
【００２７】
キャピラリを１０〜３０本入れる場合はキャピラリ内径のドリル加工とキャピラリ外形の寸法公差も考慮すると、安定した生産をするためには充填率７３％が最大であることが判った。こうすることにより、気泡の影響を無くし、分離分析を高分解能で信頼性高くでき、かつ漏れの無いシール構造が得られた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば分析系内に気泡の付着や発生の無い、高耐圧，気密シール性の優れたキャピラリアレイが得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるキャピラリアレイの構造を示す全体斜視図である。
【図２】本発明が適用される電気泳動装置システムを示す概略図である。
【図３】本発明によるキャピラリアレイのアレイヘッド部の詳細構造を示す断面図である。
【図４】図３のキャピラリアレイヘッドの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１…キャピラリ、２，３…試料容器、４…ロードヘッダ、５…検出部、６…レーザ源、７…ミラー、８…ビームスプリッタ、９…集光レンズ、１０…蛍光、
１１…検出レンズ系、１２…ＣＣＤカメラ、１３…緩衝液、１４…緩衝液容器、１５…高電圧電源、１６…セパレータ、１７…キャピラリヘッド、２０…電極、２１…信号処理演算装置、２６…接着剤、２９…高耐圧気密シール部、３０…取付部、３３…シールコマ、３４…締付つまみ，３５…キャピラリ受け先端部。

Claims

ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイであって、キャピラリとキャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けおよび接着剤が同一平面であるキャピラリアレイ。
請求項１において、キャピラリとキャピラリ受けおよび接着剤が作る平面がほぼ鏡面であることを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項２において、鏡面の粗さが３.２ｓ以下であることを特徴とするキャピラリアレイ。
ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイであって、キャピラリとキャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けの接液面のキャピラリ受け内径面積に対するキャピラリ断面の合計比（キャピラリの充填率）が６０〜７３％であるキャピラリアレイ。
ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイであって、
電気泳動媒体を保持する容器に取り付けられるキャピラリヘッドが、キャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けと、シールコマと、締付つまみを有し、
キャピラリ受けをシールコマと締付つまみで密封固定する構造であり、
キャピラリ受けと締付つまみ、前記容器の硬さがシールコマの硬さより大きいキャピラリアレイ。
請求項５において、キャピラリ受けとシールコマの接触面積がシールコマと締付つまみの接触面積より大きいことを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項５において、キャピラリ受け長さが締付つまみより長いことを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項１から７の何れか一項に記載のキャピラリアレイにおいて、電気泳動媒体が緩衝液及びゲルを含むキャピラリアレイ。
ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイと、
電気泳動媒体を保持する容器と、
キャピラリの両端に電圧を印加する電源と、
励起光を照射する励起光学系と、
蛍光を検出する検出光学系と、を有する電気泳動装置であって、
キャピラリとキャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けおよび接着剤が同一平面である電気泳動装置。
請求項９において、キャピラリとキャピラリ受けおよび接着剤が作る平面がほぼ鏡面であることを特徴とする電気泳動装置。
請求項１０において、鏡面の粗さが３.２ｓ以下であることを特徴とする電気泳動装置。
ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイと、
電気泳動媒体を保持する容器と、
キャピラリの両端に電圧を印加する電源と、
励起光を照射する励起光学系と、
蛍光を検出する検出光学系と、を有する電気泳動装置であって、
キャピラリとキャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けの接液面のキャピラリ受け内径面積に対するキャピラリ断面の合計比（キャピラリの充填率）が６０〜７３％である電気泳動装置。
ＤＮＡ分析のための複数本のキャピラリと検出部を有し、前記一方の端に試料を注入する複数の試料注入口を、他方の端に電気泳動媒体を注入するキャピラリヘッドを備えたキャピラリアレイと、
電気泳動媒体を保持する容器と、
キャピラリの両端に電圧を印加する電源と、
励起光を照射する励起光学系と、
蛍光を検出する検出光学系と、を有する電気泳動装置であって、
前記容器に取り付けられるキャピラリヘッドが、キャピラリを束ねて接着したキャピラリ受けと、シールコマと、締付つまみを有し、
キャピラリ受けをシールコマと締付つまみで密封固定する構造であり、
キャピラリ受けと締付つまみ、前記容器の硬さがシールコマの硬さより大きい電気泳動装置。
請求項１３において、キャピラリ受けとシールコマの接触面積がシールコマと締付つまみの接触面積より大きいことを特徴とする電気泳動装置。
請求項１３において、キャピラリ受け長さが締付つまみより長いことを特徴とする電気泳動装置。
請求項９から１５の何れか一項に記載の電気泳動装置において、泳動媒体が緩衝液及びゲルを含む電気泳動装置。