JP4005907B2

JP4005907B2 - キャピラリアレイ装置、その製造方法、及び電気泳動分析方法

Info

Publication number: JP4005907B2
Application number: JP2002361107A
Authority: JP
Inventors: 省三葛西; 貴康古川; 良仁伊名波; 大樹沼井; 朋之飛田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: US20080302665A1; US7422672B2; US20040144652A1; JP2004191247A

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装置及びその製造方法に関し、また該キャピラリアレイを用いる電気泳動方法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試料を供給し、試料を泳動分離して分析する電気泳動装置及び方法が存在する。また、分離、分析される試料として、蛍光物質で標識されたＤＮＡ，蛋白質などをキャピラリに供給することが行われている。
【０００３】
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電気泳動法の方が多くの利点がある。そこで、下記特許文献１には、複数本のキャピラリカラムをホルダーにより２次元的に配列して固定されたキャピラリアレイを用いたキャピラリアレイ電気泳動装置が示されている。下記特許文献１では、各キャピラリがそれぞれステンレス製の円筒電極に挿入され、円筒電極とキャピラリの隙間に別試料が残留しないように接着するなどして隙間を埋めるように構成されている。
【特許文献１】
特開２００１−１６５９０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示されたような、キャピラリが円筒電極に挿入されたマルチキャピラリアレイ装置において、キャピラリの微細化を進めると、２回目以降の電気泳動分析が不調に終わる不具合が生じる場合があった。本発明者がこの不具合を調査・検討した結果、次の事実が判明した。
【０００５】
円筒電極とキャピラリの隙間に別試料が残留しないように接着して隙間を埋めているが、接着剤の粘性から円筒電極とキャピラリの隙間全てに接着剤が浸透することは無い。つまり、先端部の隙間は埋まるが、それ以外の大部分は埋まらず、円筒電極とキャピライの間に空気層が形成される。しかし、隙間への試料残留防止の為には、先端部の隙間のみが接着剤により埋まっていれば十分であった。
【０００６】
近年のキャピラリの微細化により、電極近傍でのキャピラリ一本当りの発熱量は約２０ｍＷ以上となる。そして、上述の空気層の存在により、電極近傍におけるキャピラリ温度は室温より数十℃以上も上昇していた。この為、ゲル（電気泳動媒体）が許容温度以上となって劣化し、その後の電気泳動分析に悪影響を与えていた。
本発明の目的は、同じゲルを用いて繰り返し実施しても信頼性の高い電気泳動分析方法及び電気泳動分析装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極と各キャピラリ間のほぼ全ての隙間に、固体又は液体又はゲル状物から選択される熱伝導媒体が充填された電気泳動分析装置に関する。また、本発明は、キャピラリの挿入される中空形状電極が複数の保持形状を備え、キャピラリをその中心部に固定する電気泳動分析装置及び方法に関する。これにより、キャピラリからの発熱を電極から効率良く放熱し、キャピライの温度上昇を防止できる。
【０００８】
また、本発明は、電極とキャピラリのほぼ全ての隙間に熱伝導媒体を配置し、キャピラリの発熱を電極から放熱し、キャピラリ温度をゲルの許容範囲内とする電気泳動分析方法に関する。これにより、ゲルの劣化を阻止でき、同一ゲルを用いて繰り返し電気泳動分析できる。
【０００９】
より具体的な方策として次の２点が提案される。
（１）中空電極パイプとキャピラリ間の空間に空気に比べて熱伝達率が良い合成樹脂で充填または、モールドする。
（２）中空電極パイプとキャピラリ間の空間に空気に比べて熱伝達率が良い冷媒液を充填する。ただし、中空電極パイプの１端または、両端を充填液体が漏出しないように封じる。
【００１０】
本発明における中空電極は管状電極を意味するが、その断面形状は円に限定されず、例えば、楕円、四角形を含む。
また、本発明で用いられる熱伝導媒体は広く求めることができる。
【００１１】
空気に比べて熱伝達率が良い合成樹脂としては特に限定されず、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド等のポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、全芳香族ポリエステル、ポリスルホン、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、マレイミド変成樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ（アクリロニトリル・アクリルゴム・スチレン）樹脂、ＡＥＳ（アクリロニトリル・エチレン・プロピレン・ジエンゴム・スチレン）樹脂等の、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、各種エンジニアプラスチックが例示される。これらの中で、１分子中にエポキシ基を２個以上有するエポキシ樹脂が特に好ましい。本発明に用いるエポキシ樹脂としては特に限定されず、１分子中にエポキシ基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、及びポリマー全般が用いられる。例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂等が例示される。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１２】
又、空気に比べて熱伝達率が良い冷媒液としては限定されず、例えば、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ-１２５）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ-１４３ａ）、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ-１３４ａ）、ジフルオロメタン（ＨＦＣ-３２）等、及びこれらの混合冷媒を挙げることができる。
【００１３】
空気の熱伝導率を１とした時の種々の材料の熱伝導率を表１に示す。なお、表１は、空気との熱伝導率の比較を参考のために示すものであり、本発明ではこれら以外の熱伝導媒体も広く用いられる。
【００１４】
【表１】

【００１５】
以下、上記及びその他本発明の新規な特徴と効果について、図面を参酌して説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１はキャピラリアレイの構成を説明する図であり、図２は電気泳動システムを示す概略図である。以下、図１及び図２を用いて、キャピラリアレイとこれを有する電気泳動装置の概要を説明する。
【００１７】
通常、キャピラリ１は外径が０．１〜０．３ｍｍ、内径が０．０２〜０．１ｍｍで、外被はポリイミドなどの樹脂コーテイングされている。キャピラリ自体は石英パイプが用いられることが多く、複数（数１０本から１００本が一般的である）のキャピラリを配列してキャピラリアレイを構成する。
【００１８】
蛍光標識された１０〜数１０μｌのＤＮＡサンプルを入れた試料容器２を沢山組込んだサンプルトレイ３から電気泳動でキャピラリにＤＮＡを取り込むロードヘッダ４とロードヘッダのサンプル番号順にキャピラリを配列固定する検知部５にレーザ光源６からミラー７やビームスプリッタ８、集光レンズ９でキャピラリの内径程度の太さに絞られた励起光を平板状に並べられたキャピラリの両側から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１１とＣＣＤカメラ１２を備える。この例は電気泳動するＤＮＡや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励起光を照射し、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。両側からレーザを照射することにより各キャピラリに均等な強度の励起ができるようにしている。これら各部によって検出部が構成されている。
【００１９】
キャピラリアレイのロードヘッダと反対側には複数本のキャピラリを束ねて接着し、緩衝液が入った緩衝液容器１３に耐圧気密で取り付けるキャピラリヘッド１７がある。緩衝液容器とロードヘッダには高電圧電源１５から１５ｋＶ前後の高電圧が印加され、緩衝液容器からキャピラリ内に入れた緩衝液により試料容器の試料が電気泳動されて試料を分離、分析する。ロードヘッダの目的は試料をサンプリングするほかに、試料と緩衝液容器間に高電圧を印加するための試料容器側の電極２０となっている。
【００２０】
キャピラリの全域に充填されたゲル内をＤＮＡ試料が通過する間に試料の大小（長短とも表現される）により通過抵抗が異なるため、試料は小さい順に早く検知部に到達する。検知部ではキャピラリにレーザを照射し、蛍光マーキングされたＤＮＡ試料からのアデニン、グアニン、シトシン、チミンの４種類のヌクレオシド塩基に相当する蛍光をＣＣＤカメラで検出している。光信号は数１０本のキャピラリを光学フラット平面に高さ数ミクロンの精度で並べ、平板とし両サイドから励起光で串刺しにして得られる。
なお、図１、図２において、１６は多数のキャピラリを整列配置するためのセパレータであり、２１は検出した信号を演算処理する信号処理演算装置である。
【００２１】
図３は、ロードヘッダの構造例を示すもので（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図を示す。９６本のキャピラリ１はそれぞれステンレススチール（以下ＳＵＳの記号で記す。）の細いパイプの中空電極に差し込まれ、試料側先端は中空電極よりわずかに出ていてエポキシ系の接着剤２７で固定され、封じている。９６本の中空電極はあらかじめ図に示すように接続板２３で電気的に接続されるとともに厳しい公差でホルダー２５に整列されている。ＳＵＳパイプの中空電極を使用する理由は分離分析に使用する試料や試薬などが腐食性であるためである。ＳＵＳパイプの代りに導電性プラスチックでも同様の効果が得られることは言うまでも無い。
中空電極はプラスチックのモールドホルダに接着剤で固定され、接続板を組み込んだ後、フタ２６をホルダーに超音波接合して完成する。
【００２２】
キャピラリは抜け防止と高電圧のリークがないようにフタに接着剤２７で封止される。接続板の一部は９０°に曲げられてホルダーに設けた開口から高電圧接触子（図には記されていない）が接続できる構造となっている。
また、キャピラリアレイは数ヶ月間、または、数１００回の電気泳動をして分離能が低下すると廃棄処分される消耗品である。
【００２３】
図４は、本発明の第１の実施の形態を説明する図であり、ロードヘッダの断面図の要部拡大図を示す。中空電極２０はホルダー２５に接着剤２７で固定される。次に、導電性接続板２３に開いた孔に中空電極２０のフレヤー部を通し、各中空電極を電気的に接続する。次に、フタ２６をかぶせてホルダー２５と外周部で超音波接合してロードヘッダが構成される。フタ２６のロート状キャピラリガイド孔３１は中空電極２０と同芯に接合しているため，キャピラリガイド孔３１にキャピラリ１を差し込むと中空電極２０のフレヤー部にガイドされて中空電極の端まで容易に通すことができる。この状態でキャピラリガイド孔３１に、図示されるようにエポキシ樹脂、シリコンゴム、シリコンゴムゲルなどの充填接着剤２８を充填すると充填接着剤はキャピラリガイド孔３１の下から中空電極２０のフレヤー部を通過し、中空電極の下端へ出る。
【００２４】
中空電極パイプとキャピラリの隙間が０．０２〜０．５ｍｍ程度の場合、充填接着剤は隙間にほとんど浸透しない。また、粘性の低い接着剤を用いると、接着剤は隙間を通過し先端部から垂れ落ちてしまう。その為、充填接着剤に圧力を加え、充填接着剤を隙間に充填する。効率を上げる場合は中空電極下端を負圧にすれば良い。中空電極下端から充填接着剤を吸引すれば良い為、接着剤充填器具の装置構成が簡略化できる。
【００２５】
また、負圧を用いて隙間に接着剤を充填すると、充填接着剤中の気泡の大部分を除去できる。また、充填接着剤の固化後、充填接着剤に残存する気泡の体積は縮小する。この為、キャピラリの発熱を効果的に放熱できる。
【００２６】
以上により、キャピラリと中空電極内側にある空気層を無くすることができ、空気に比べて約１０倍の冷却効率が得られるロードヘッダができた。この構造にすることにより温度上昇も１０〜２０度に抑えることができ、安定なＤＮＡ解析ができた。
【００２７】
図５は、別の実施形態を示すものである。ロードヘッダの形状は同じであるが、キャピラリの接着方法と充填材が異なる。キャピラリガイド孔３１にキャピラリ１を差し込み、中空電極２０端からキャピラリ１を１０ｍｍ程度出す。ここで中空電極端に接着剤２７を付着させて中空電極２０とキャピラリ１を接着し中空電極端を封止する。接着剤２７は中空電極２０パイプの内側に0.5〜2.0ｍｍ侵入するため封止部の強度を十分とすることができる。次にキャピラリガイド孔３１に冷媒液２９である水や水を含んだゲル、ゴム状ゲルを入れてキャピラリガイド孔３１は接着剤２７で封止する。
【００２８】
上記表１からも判るように、水は空気の２０倍良い熱伝達率のため、接着剤などの樹脂よりも冷却効率が大きい。なお、冷媒液の熱膨張はわずかであるが、２０〜３０℃の温度上昇で膨張した液はフタ２６とゴム製の導電性接続板２３で囲まれる空間で吸収できる。冷媒液としてフッ素系不活性液を使用すると、浸透性が良いため簡単に電極とキャピラリ間の隙間に入れることができる。フッ素系不活性液は熱伝達率は水に比べて悪いが粘性が小さく、対流による熱伝達があるため水と同等の効果を奏する。
【００２９】
次に、第２の発明の実施の形態について説明する。図６は中空電極軸にキャピラリ軸を同芯で配置して、キャピラリから均一に放熱できるようにするものである。その方法として中空電極のパイプを図６の201ａ〜201ｄのように90度ずつずらしてパイプの一部を潰して中空電極凹部を作り、キャピラリをガイドするものである。この実施の形態は、中空電極内径が１ｍｍ以下の場合に好ましく適用される。
【００３０】
図７は、第２の発明の別の実施の形態である。図７ａは図６の構成のロードヘッダに、冷媒液２９を封入して中空電極の両端を接着剤で封止したものである。また、図７ｂは図６の構成のロードヘッダに、中空電極内に充填接着剤２８を満たした場合を示す。いずれの実施の形態も、図６の実施の形態に比べて熱拡散性がより向上する。
【００３１】
図８は第２の本発明の別の実施の形態を示す。中空電極内径が１ｍｍ以上の太い場合に適用し易い。その構成は、中空電極２０内径よりわずかに大きいリング状ガイド部材３１を中空電極の両端のテーパ部に設けるもので、ガイド部材３１には充填接着剤や冷媒液を通す穴301が複数個付けてある。また、中心の径はキャピラリ１の外径の１０％程度大きくしてある。この実施の形態は、リング状ガイド部材は取り付けピッチが１０数ｍｍ以下で効果的であるが、長くなるとキャピラリが弛むことにより偏心し効果が減少する。
【００３２】
図９は更に第２の本発明の別の実施の形態を示す。この例では中空電極パイプの一部を絞りパイプ径を小さくしたものである。絞り部４１の内径はキャピラリ外径の10〜20％大きくしている中空電極の下端にはリング状ガイド部材３１を併用している。この状態で中空電極内に充填接着剤や冷媒液を通す。
【００３３】
【発明の効果】
本発明により、動作中のキャピラリの発熱による温度上昇を抑え、ゲルの熱劣化を抑えることができる。これにより、ＤＮＡや蛋白質の高精度の分離・検出を安定に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャピラリアレイの構成を説明する図である。
【図２】電気泳動システムを示す概略図である。
【図３】ロードヘッダの構造例を示すもので（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図を示す。
【図４】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図９】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１：キャピラリ、２：試料容器、３：サンプルトレイ、４：ロードヘッダ、５：検知部、６：レーザ光源、７：ミラー、８：ビームスプリッタ、９：集光レンズ、１１：検出レンズ系、１２：ＣＣＤカメラ、１３：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：中空電極、２１：信号処理演算装置、２２：整束シート、２３：接続板、２５：ホルダー、２６：フタ、２７：接着剤、２８：充填接着剤、２９：冷媒液、３１：リング状ガイド部材（キャピラリガイド孔）、４１：絞り部、201：中空電極凹部、301：穴。

Claims

複数のキャピラリと、該複数のキャピラリを並列配置する検出部と、キャピラリの試料注入端において前記キャピラリ及び中空電極を保持するロードヘッダと、キャピラリの他方の端において前記複数のキャピラリを保持するキャピラリヘッドを有するキャピラリアレイ装置において、前記中空電極は外周に複数の凹部形状を有する金属製パイプ又は導電性プラスチック製パイプからなり、各キャピラリが前記中空電極に通されており、かつ電極と各キャピラリ間の全領域に渡って固体又は液体又はゲル状物から選択される熱伝導媒体が充填されていることを特徴とするキャピラリアレイ装置。
請求項１において、中空電極の内側にキャピラリ軸と電極軸を一致させるガイド部材を設けたことを特徴とするキャピラリアレイ装置。
複数のキャピラリと、キャピラリの試料注入端において前記キャピラリ及び中空電極を保持するロードヘッダと、キャピラリの他方の端において複数のキャピラリを保持するキャピラリヘッドを有するキャピラリアレイ装置において、各キャピラリが中空電極に通されており、かつ電極と各キャピラリ間の全領域に渡って充填接着剤が圧力を加えられて気泡の大部分が除去された状態で充填され、更に、前記充填接着剤は、前記ロードヘッダに設けられた孔と該孔を通るキャピラリの間に充填されることを特徴とするキャピラリアレイ装置。
複数のキャピラリと、前記複数のキャピラリを並列配置する検出部と、キャピラリの試料注入端において前記キャピラリ及び中空電極を保持するロードヘッダと、キャピラリの他方の端において前記複数のキャピラリを保持するキャピラリヘッドを有するキャピラリアレイ装置において、前記中空電極は外周に複数の凹部形状を有するパイプからなり、該パイプとキャピラリ軸が同芯で配置されたキャピラリアレイ装置。
請求項４において、前記電極が金属製パイプ又は導電性プラスチック製パイプであるキャピラリアレイ装置。
請求項４において、中空電極の内側にキャピラリ軸と中空電極軸を一致させるガイド部材を設けたことを特徴とするキャピラリアレイ装置。
請求項４において、各キャピラリが非接触で中空電極を通されており、かつ中空電極と各キャピラリ間に固体又は液体又はゲル状物から選択される熱伝導媒体が充填されていることを特徴とするキャピラリアレイ装置。
複数のキャピラリと、前記複数のキャピラリを並列に配置する検出部と、キャピラリの試料注入端において前記キャピラリ及び中空電極を保持するロードヘッダと、キャピラリの他方の端において前記複数のキャピラリを保持するキャピラリヘッドを有するキャピラリアレイ装置の製造方法において、各キャピラリをロードヘッダ電極に通した後、各キャピラリを中空電極に通す工程、及び中空電極と各キャピラリ間に固体又は液体又はゲル状物から選択される熱伝導性媒体を充填する工程を含むことを特徴とするキャピラリアレイ装置の製造方法。
複数のキャピラリと、キャピラリの試料注入端において前記キャピラリ及び中空電極を保持するロードヘッダと、キャピラリの他方の端において複数のキャピラリを保持するキャピラリヘッドを有するキャピラリアレイ装置の製造方法において、各キャピラリをロードヘッダ電極に通した後、各キャピラリを中空電極に通す工程、及び中空電極と各キャピラリ間に充填接着剤に圧力を加えて気泡の大部分を除去した状態で充填する工程を含み、前記充填接着剤は、前記ロードヘッダに設けられた孔と該孔を通るキャピラリの間に充填されることを特徴とするキャピラリアレイ装置の製造方法。
請求項９において、充填接着剤に負圧を加えて充填することを特徴とするキャピラリアレイ装置の製造方法。
試料を導入する試料注入端と光が照射される照射部を含む複数のキャピラリと、
試料注入端において熱伝導性媒体を介して各キャピラリとそれぞれ接触する複数の電極と、
電極と試料注入端と照射部を含む通電路に電圧を印加する電源と、
照射部を照射する光源と、
照射部から放出される試料に依存した光を測定する光センサを用い、
各キャピラリの発熱を熱伝導性媒体を介して電極から放熱し、電気泳動の動作中の各キャピラリの温度を室温以上・８０℃以下に保つ電気泳動分析方法であって、
中空電極は金属製パイプ又は導電性プラスチック製パイプであり、パイプは外周に複数の凹部形状を有することを特徴とする電気泳動分析方法。
請求項１１において、中空電極の内側にキャピラリ軸と電極軸を一致させるガイド部材を設けたことを特徴とする電気泳動分析方法。