JP3938032B2

JP3938032B2 - 電気泳動方法および電気泳動装置

Info

Publication number: JP3938032B2
Application number: JP2002360652A
Authority: JP
Inventors: 健雄田名網
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004191231A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオ分野などで使用される電気泳動方法および電気泳動装置に関し、特に電気泳動のコンパクト化および高速化のための改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気泳動法は、安価で簡単な装置を使って遺伝子構造解析やアミノ酸などの蛋白質の構造分析ができる方法としてよく知られ、バイオ分野で多用されている。
【０００３】
電気泳動法には、ポリアクリルアミドを使ったディスク電気泳動法をはじめとして、ＳＤＳ（ドデシル硫酸ナトリウム）ポリアクリルアミドゲル電気泳動法、等電点電気泳動法、核酸のゲル電気泳動法、他分子との相互作用の影響を利用した電気泳動法、２次元電気泳動法、キャピラリー電気泳動法などがある。
【０００４】
図４は従来の泳動計測装置の一例を示す構成図である（特許文献１参照）。その装置は大別して電気泳動装置部１０と信号処理装置部２０から構成されている。
【０００５】
電気泳動装置部１０は、電気泳動を行う泳動部１１と、泳動部１１に電圧を印加するための第1電極１２および第2電極１３と、泳動部１１および各電極１２，１３を保持する支持板１４と、前記電極に電圧を加える電気泳動用電源装置１５と、蛍光物質を励起するための光を発生する光源１６と、光源１６からの光を導く光ファイバ１７と、蛍光物質から発生した蛍光を集光し、光学フィルタにより特定波長の光を選択的に通した後、これを電気信号に変換する光検出器１８から構成されている。
【０００６】
信号処理装置部２０では、光検出器１８からの電気信号を受けて、適宜の処理、例えば、デジタルデータへのデータ変換、加算平均処理等の前処理などを施すことができるようになっている。この信号処理装置部２０の出力は図示しないデータ処理装置に送られ、解析処理により試料の分析が行われる。
【０００７】
このような装置において、泳動部１１にゲルを注入し、このゲルの上部から蛍光物質で標識したＤＮＡ断片の試料を注入し、続いて電源装置１５により第１電極１２および第２電極１３に電圧を印加すると、電気泳動が始まる。試料の各レーンには試料に含まれる分子が分子量ごとに集まり、それぞれバンドを作る。分子量の軽い分子ほど泳動速度が速いため同一時間内に泳動される距離は大きい。
【０００８】
これらのバンドの検出は、光源１６からの光（例えば、レーザ光）でゲルを照射してゲル中でバンドに集まっている標識の蛍光物質に蛍光を発生させ、この蛍光を光検出器１８で検出する。
【０００９】
すなわち、レーザ光が照射されると、図５に示すように光路３１上に存在するゲルの蛍光物質が励起されて、蛍光を発する。この蛍光を、レーンごとに所定の検出位置で電気泳動方向に時間の経過と共に検出する。これにより、各レーンのバンド３２が光路３１上の位置を通過する時に蛍光が検出されることになり、１つのレーンにおける蛍光強度のパターン信号が得られる。図示しないデータ処理装置は、このパターン信号から、例えば、ＤＮＡの各塩基配列を解析することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−３３８０８７号公報（第２頁、図９、図１０）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電気泳動装置では次のような課題があった。
（１）測定に時間がかかる。
（２）多種の分離には多数のレーンが必要であり、大掛かりとなる。
（３）設置面積が大きい。泳動部の面積は、例えば５０ｃｍ×５０ｃｍあるいは５ｃｍ×５ｃｍなどといずれも大きい。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、シンプル、コンパクト、高信頼で、しかも高速化を図ることのできる電気泳動方法および電気泳動装置を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
ゲル層を厚み方向に挟む上下の電極に直流電圧またはパルス電圧を印加して、ゲル層中のサンプルをゲルの厚さ方向へ泳動させる電気泳動方法において、前記サンプルが接触したとき化学反応を起こし発色する反応剤を前記ゲル層に配置し、前記電圧印加により前記サンプルを反応剤側に引き寄せるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このような方法によれば、非常に短い距離をサンプルを強制的に反応剤側に引き寄せるため泳動時間が従来のものより大幅に短縮できるという効果がある。
【００１６】
また、請求項２のように、前記サンプルを前記ゲル層の表面側の複数箇所に滴下し、前記反応剤を各サンプルに対向してゲル層の裏面側にそれぞれ配置する。これにより複数のサンプルを同時に泳動させることができる。
また、電極は、請求項３のようにゲル層と絶縁する。
【００１７】
また、請求項４の発明は、
膜状のゲル層と、
このゲル層の表面側に滴下されたサンプルと、
前記ゲル層の裏面側に前記サンプルに対向して配置され、サンプルが接触すると化学反応を起こして発色する反応剤と、
前記ゲル層の表裏側にそれぞれ配置された電極と、
この電極に電圧を印加する電源
を具備し、前記電極に直流電圧またはパルス電圧を印加することにより前記サンプルがゲル層を泳動して反応剤側に引き寄せられるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、シンプルでコンパクトな電気泳動装置を容易に実現することができる。
また、ゲル層、サンプル、反応剤からなる部分は、電極から取り外すことができ、使い捨てカートリッジとして扱える。
【００１９】
また、請求項５のように、前記サンプルは前記ゲル層の表面側の複数箇所に滴下され、前記反応剤は各サンプルに対向してゲル層の裏面側にそれぞれ配置されるようにすることもできる。これにより、サンプルはアレイ状に配置され、複数のサンプルの同時泳動が可能となる。
【００２０】
また、請求項６のように、前記各サンプルが滴下される各サイトごとに、ゲル層の膜厚や材質が異なるように、また請求項７のように、前記各サンプルが滴下される各サイトごとに個別の電極を設け、これらの電極に異なる電圧を印加するように構成することもできる。
【００２１】
また、この発明では、請求項８のように、前記サンプルは負に帯電し、前記ゲル層の裏面の反応剤側に配置された電極は正の電極、ゲル層表面側に配置された電極は負の電極とする。また、請求項９のように電極はゲルと絶縁しておく。さらにまた、反応剤としては、吸光試薬または発光試薬または蛍光試薬を用いる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。本発明は荷電粒子に電界を印加することによりゲル中の荷電粒子を移動させるという原理に基づくものである。図１は本発明の電気泳動装置の一実施例を示す要部構成図である。
【００２３】
図１において、１はゲル層、２はサンプル、３は反応剤、４は第１の絶縁材、５は第２の絶縁材、６は負電極、７は正電極、８は電源である。
ゲル層１は、薄い膜、例えば１μｍ以下程度の膜で形成されている。サンプル２としては例えばターゲットDNAであり、ゲル層１の表面側に滴下される。反応剤３は、各サンプル２に対向してゲル層１の裏面側に配置され、前記ターゲットDNA２の接触により化学反応を起こし発色する特性を有するものである。
【００２４】
絶縁材４と５は、ゲル層１を挟んで配置された例えばガラス基板などである。なお、絶縁材４と５は、容器の一部をなしており（図示せず）、この容器内にゲル層１と反応剤３とターゲットDNA２が充填されている。
負電極６は第１の絶縁材４の上側に配置され、正電極７は第２の絶縁材５の下側に配置されている。この電極には電源８から電圧が印加される。
【００２５】
このような構成において、電源８から電極６、７に例えば数ボルトから数千ボルトの範囲内の適宜の高電圧を印加する。高電圧印加により電極間に電界が生じ、負に帯電しているターゲットDNA２はプラス電極７側に引き寄せられる。ゲル層１中を通過して反応剤３に接触すると化学反応を起こし発色する。
【００２６】
ゲル層１に滴下されたそれぞれのターゲットDNAに分子量の違いがあると、同一時間内にゲル層中を移動する距離に違いが出る。分子量の軽い分子ほど泳動速度が速いため反応剤３に早く到達し、発色する。
この発色を検出することにより、DNAの分子量の比較や塩基配列の判定を行うことができる。
なお、上記発色検出や分子量の比較、塩基配列の判定は図示しない周知の手段により行なわれる。
【００２７】
このように、本発明によれば、電極の材質などに依存する電気化学反応が生じないため高信頼性に富み、しかもシンプルかつコンパクトな電気泳動装置を容易に実現することができる。
また、本発明は従来のような電流を流す電気泳動ではないため、ターゲットDNAに電気分解は起こらない。高電圧印加により大きな力でターゲットDNAを正電極側７に引き寄せるため、また薄い膜の厚さ方向に移動させるため、従来に比べ泳動時間は大幅に短縮される。
【００２８】
なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
例えば、上記のターゲットDNAのスポットをアレイ状にして、DNAチップのように並べれば、電気泳動アレイ（電界泳動アレイともいう）を形成できる。
【００２９】
また、DNAをスポットする各サイトはゲル層の膜厚や材質を適宜に変えたり、サイトごとに個別の電極を設けサイトごとに印加電圧を変えれば、電気泳動をアレイの２次元で行うことができる。
この場合、電極にITO（インジウム−スズ酸化物）のような透明電極を用いれば、発光、吸光、蛍光などを、電極を取り外すことなく直接観察することができる。
【００３０】
なお、直流電圧の印加では荷電粒子（DNA）の移動が弱い場合は、図２に示すようなパルス電圧の印加にしてもよい。実施例の構造はコンデンサ構造となっているため、パルスを印加すると印加した瞬間に電流が流れる。そのため、ターゲットDNA２は、電気泳動の原理に基づき、図３に矢印で示すようにパルス印加ごとに正電極７側へ移動する。
【００３１】
また、絶縁材と電極の間にはエアギャップを避けるために高誘電率の物質、例えばグリセリンなどを充填してもよい。
なお、実施例では、電極とゲル層の間に絶縁材５を入れているが、絶縁材５を用いない接液型でもよく、その場合もゲル層の厚さ方向への電気泳動により高速化を実現することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
（１）ゲル層上へのサンプル滴下をアレイ状に並べることにより容易に電気泳動アレイを形成することができる。
このとき、各サイトはゲル層の膜厚や材質を変えたり、サイトごとに印加電圧を変えることにより、容易にアレイの２次元で高速な電気泳動を行うことができる。
（２）絶縁物を持つタイプでは、従来の電気泳動で必要としていた接液電極が不要であり、シンプルでコンパクトな高信頼の電気泳動方法および電気泳動装置を容易に実現することができる。
（３）このとき、サンプルには電気分解が生じないので、高電圧印加が可能であり、サンプルの泳動をさらに高速化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電気泳動装置の一実施例を示す要部構成図である。
【図２】印加するパルス電圧波形の説明図である。
【図３】パルス電圧印加ごとのターゲットDNAの泳動を示す説明図である。
【図４】従来の電気泳動装置の一例を示す構成図である。
【図５】泳動パターンの説明図である。
【符号の説明】
１ゲル層
２サンプル
３反応剤
４，５絶縁材
６，７電極
８電源

Claims

ゲル層を厚み方向に挟む上下の電極に直流電圧またはパルス電圧を印加して、ゲル層中のサンプルをゲルの厚さ方向へ泳動させる電気泳動方法において、前記サンプルが接触したとき化学反応を起こし発色する反応剤を前記ゲル層に配置し、前記電圧印加により前記サンプルを反応剤側に引き寄せるようにしたことを特徴とする電気泳動方法。
前記サンプルは前記ゲル層の表面側の複数箇所に滴下され、前記反応剤は各サンプルに対向してゲル層の裏面側にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１に記載の電気泳動方法。
前記電極はゲル層と絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気泳動方法。
膜状のゲル層と、
このゲル層の表面側に滴下されたサンプルと、
前記ゲル層の裏面側に前記サンプルに対向して配置され、サンプルが接触すると化学反応を起こして発色する反応剤と、
前記ゲル層の表裏側にそれぞれ配置された絶縁材と、
この絶縁材の外側にそれぞれ配置された電極と、
この電極に電圧を印加する電源
を具備し、前記電極に直流電圧またはパルス電圧を印加することにより前記サンプルがゲル層を泳動して反応剤側に引き寄せられるようにしたことを特徴とする電気泳動装置。
前記サンプルは前記ゲル層の表面側の複数箇所に滴下され、前記反応剤は各サンプルに対向してゲル層の裏面側にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項４記載の電気泳動装置。
前記各サンプルが滴下される各サイトごとに、ゲル層の膜厚や材質が異なるように構成したことを特徴とする請求項４または５に記載の電気泳動装置。
前記各サンプルが滴下される各サイトごとに個別の電極を設け、これらの電極に異なる電圧を印加するように構成したことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記載の電気泳動装置。
前記サンプルは負に帯電し、前記ゲル層の裏面の反応剤側に配置された電極は正の電極、ゲル層表面側に配置された電極は負の電極としたことを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の電気泳動装置。
前記電極はゲル層と絶縁されていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載の電気泳動装置。