JP4233751B2 - 毛細管電気泳動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ゾーン電気泳動、等電点電気泳動、界面動電ミセルクロマトグラフィのような、様々な電気泳動工程を容易に行うのに適切な毛細管電気泳動装置に関する。
【０００２】
電気泳動は電気化学の工程であり、これは電気的に荷電した粒子、ある特別の技術により、また荷電してない粒子も相互の分離に用いることができ、これらの粒子は電解質溶液に存在し、最も小さいイオン及び分子からコロイド状粒子までに及ぶ大きさを有する。電気荷電及びそれによる特性により、粒子は電場中を異なる速度で進む。電気泳動工程を分類するいくつかの方法がある。一つの分類は、例えば紙、ゲル、カラム、毛細管の、液体相中の対流を取り除くのに用いるキャリア又は装置に基づく。
【０００３】
毛細管電気泳動は、分析化学の最も急速に進歩しているアプリケーションの一つである。この方法において、バックグランド溶液は、毛細管のような細い管に含まれ、液体の粘性力が予め対流を取り除く。毛細管の内径は通常０．０１から１ｍｍの範囲内である。電気泳動は、従って、キャリアによって起こる妨害を取り除くために自由溶液中で行われる。また毛細管から電流によって発せられた熱エネルギーを取り除くことも容易であり、従ってより迅速な分離のために高い電場の使用が可能になる。加えて、毛細管電気泳動は容易に自動化できる。
【０００４】
毛細管電気泳動において、電解質バックグランド溶液を含む二つの容器が、同じ溶液を含む毛細管チューブにより相互に連結されている。それぞれの容器は電極を備えている。調べるサンプルが、短い区域として毛細管の入り口の端に置かれる。一般に、サンプルを供給するために、毛細管の端がバックグランド溶液容器からサンプル容器へ移されそして戻される。この操作は毛細管の端で、サンプル区域のバックグランド溶液中の妨害と歪の原因となり、この方法を正確性が損なわれたものとする。また電流が、毛細管を一つの容器から他へ動かす間、スイッチを切られることは避けられず、これは運転条件の変動の原因となる。同じ欠点がまた運転過程の間にバックグランド溶液を置換することから生ずる。
【０００５】
電極で起こる反応もまたバックグラウンド溶液容器に含まれる溶液組成を変化させ、これらの変化は毛細管へ広がり、一連の試験のパラメータへ歪をもたらす。
【０００６】
毛細管電気泳動は様々なアプリケーションを用いることにより行うことができる。最も一般に用いられるアプリケーションは毛細管ゾーン電気泳動(CZE)、毛細管等電点電気泳動(CIEF)、毛細管等速電気泳動(CITP)、及びミセル界面動電毛細管クロマトグラフィー(MECC)である。見たところは異なるが、これらのアプリケーションは同一の電気化学的法則により支配されている。様々なアプリケーションが、電気泳動システムへの様々な初期の及び境界条件応用することにより作り出される。
【０００７】
市場で入手できる電気泳動装置は、通常様々な電気泳動アプリケーションを行うことができる。しかしながら、このような装置はある欠点又は構造的特徴により妨げられ、これは一つのアプリケーションから他への容易な移行、また運転中のシステムパラメータの変更も制限する。
【０００８】
何人かの研究者が技術的解決法を紹介しており、これにより上記欠点を部分的に取り除くことができる。Virtane, Acta Polytechnica Scadinavica, Chemistry Including Metallurgy Series,No.123 (1974),pp.1-67,は早くも1969年代に、電流が接続されている間にサンプルの注入を可能にする注入技術を用いた。Verheggen et al., J. Chromatogr., 452(1988), pp. 615-622,及びZare et al., US-Patent 5,141,621はまた、電流を切断することなく毛細管電気泳動装置へサンプルを注入する方法を紹介している。しかしながら、これらの方法や装置は、様々な電気泳動アプリケーションの理論的類似点が提供する、多くの可能性を開発する手段を提供しない。
【０００９】
本発明の目的は新規な毛細管電気泳動装置を提供することであり、これは上記欠点を取り除くことができ、一つでかつ同一の装置により毛細管電気泳動の全ての様々なアプリケーションを容易に実行することを可能にする。これを成し遂げるため、本発明は請求項１の特徴項に述べられていることに特徴を有する。
【００１０】
与えられた電気泳動アプリケーションを達成するために、ある種の初期及び境界条件を選択する必要がある。毛細管電気泳動システムでの境界条件の調整は、毛細管の端部の近くに存在するバックグランド溶液の組成を調整しなければならないことを意味する。本発明によれば、このことは新しい溶液を分離毛細管の端部を通って連続的にポンプで汲むことによりなされる。これはまた、この毛細管へ通過した電極反応から生じる反応生成物を妨げる。バックグランド溶液の消費量を多くしないために、この溶液チャンネルはできる限り小さな容積を有してなければならない。本発明に係る装置の設計はこの原理に基づいている。本発明の装置において、試験条件は制限なく選択でき、運転中に任意に変更できる。
【００１１】
本発明はここに添付の図面を参照して詳細に記載され、ここで
図１は本発明の一つの実施態様を示し；及び
図２は本発明のもう一つの実施態様を示す。
【００１２】
図１及び２は本発明の装置を描いており、ここで分離毛細管１の端は、拡大部７と５（図２）へ収容されており，リザーバＲ１−Ｒ６から種々な溶液を供給するようになっており、毛細管チューブ２と３の底の端から伸びている。前記拡大部は好ましくは約０．５から３ｍｍの直径を有する。これらの拡大部は廃水導管Ｗ１とＷ２の形状の廃水容器へ伸びており、これは拡大部と同じ幅を有する。毛細管チューブ２と３は、好ましくは０．０１から１．０ｍｍ、より好ましくは０．０２から０．５ｍｍの内径を有している。毛細管チューブ２と３の配置は、また図に描かれているものと異なってもよい。バックグランド溶液として用いる電解質溶液は、リザーバＲ１−Ｒ３のどれからも、及びリザーバＲ４からＲ６のどれからも、これらの毛細管チューブ２と３に沿ってゆっくりと、廃水導管Ｗ１とＷ２の中にあり、電源に接続されている、電流電極Ｅへ向かって分離毛細管１の両端を通って流れ、そして最後にシステムから廃水導管を通って廃水容器へ排出する。この廃水容器は分離毛細管１の端からやや離れて配置されており、電極Ｅは好ましくは廃水導管Ｗ１とＷ２の出口端部に配置されており、電極上に生成した電気分解生成品の分離毛細管中への移動は、例えば長い、広い廃水導管のおかげで排除されている。この流速は分離毛細管１での必要な条件を維持するよう、更に、電極の電気分解生成品を分離毛細管へ接近させないように調整される。
【００１３】
溶液リザーバＲ１−Ｒ６から届く供給溶液は、ポンプＰにより自由に置換でき、種々な供給溶液の流速もまた自由に変えることができる。電気泳動運転を完了した後、リザーバＲ１−Ｒ６のいずれかに存在する洗浄溶液と残りの溶液は毛細管システムを通してポンプで送ることができる。このポンプはまた廃水導管Ｗ２中に装着でき、この場合ポンプは吸引力の原理で作動する。従って、図１及び２において、ポンプＰはバルブで置換でき、吸引力はポンプＳＰにより発生される。ポンプとバルブの数は自由に選択でき、本出願により選択できる。流速が高度の正確さを必要としない場合には、またポンプを完全にバルブで置き換えることもでき、流れを重力又は溶液容器Ｒ１−Ｒ６中に存在する負圧若しくは正圧により作り出すことができる。
【００１４】
本質的には分離毛細管１の排出端の近くに検出器４が取り付けられ、これによりこの毛細管で分離された粒子が検出される。この検出は、例えばサンプルの吸収力に基づいて達成することができる。全体の装置の操作はマイクロプロセッサにより制御できる。
【００１５】
適切なポンプとバルブを用いることにより、閉鎖又は開放毛細管電気泳動を行うことができ、又は毛細管中の予め計算した流速を達成することが可能である。本発明の装置はまた、分離毛細管のどちらの端からでも運転中の様々な化学的勾配、パルスを運転するのに用いることができる。
【００１６】
本発明の装置において、一つのサンプルは基本的に少なくとも二つの異なった方法で注入できる。まず最初に、図１及び２に示される装置の注入側に存在する溶液リザーバの一つがサンプル溶液を含むことができる。従って、このサンプルは毛細管２に沿って分離毛細管１の中へ届けられる。
【００１７】
その他の試料供給方法の原理は、図２に示されている。この試料供給方法はまた、本出願人の先のフィンランド（ＦＩ）特許出願第９６１０６９号にも記述されており、この特願を参考資料としてここに組み込む。この本発明の一つの装置の実施態様では、本装置の注入側において、分離毛細管１の端部は開放型チューブ５中に収容されており、この開放型チューブは拡大部を構成し、図１の拡大部７に相当する前述の毛細管チューブ２の底部から伸びており、そしてこの開放型チューブは、分離毛細管の外径より大きい内径を有する。該チューブ５はまた、廃水導管Ｗ１の一部分として機能する。バックグラウンド溶液は、毛細管２に沿って実質的にチューブ５の底部区域から分離毛細管１の端部近くへ流れる。一つの試料を供給するこの態様において、この試料溶液は、可動式試料供給毛細管６により、分離毛細管１の端部近くへ運ばれる。この毛細管６は好ましくは約０．５−１．５ｍｍの内径を有し、この内径は、毛細管電気泳動装置の分離毛細管１の端部の外径より大きい。この試料供給毛細管６の内径と分離毛細管１の外径との間の差は、代表的には約０．２−５ｍｍである。この試料供給毛細管６は試料溶液で満たされており、その端部は、分離毛細管１の端部のまわりに伸縮自在に位置している。本試料供給毛細管に含まれる試料溶液は、分離毛細管の端部を完全にとり囲んでおり、バックグラウンド溶液は、分離毛細管１の端部周辺の試料溶液に完全に取り替えられる。試料中に存在する電気的に帯電した粒子は、電流の作用で、分離した毛細管１へ移動する。この溶液の電気浸透性流動は、試料溶液を分離毛細管１へと運ぶ。一つの試料の注入において、吸引ポンプＳＰを使うことも可能である。この試料は一定時間供給され、その後、試料供給毛細管６は分離毛細管１の入口端部周囲から引き上げられる。
【００１８】
図２の装置において、分離試料供給毛細管６を使わずに、一つの試料を供給することもでき、試料溶液は毛細管２に沿ってリザーバＲ１−Ｒ３のどれかから供給される。
【００１９】
電場のスイッチが入れられると同時に、ポンプでくみ出して一つの試料溶液が供給される場合、制御できる量の試料は、分離毛細管１に移る。注入される試料の量は、ポンプくみ出し時間、電場及び電気浸透性流動速度を制御することで決定される。
【００２０】
分離毛細管中の、電気浸透性の及び流体力学の正味の流動は、検出器４側の水路系を閉鎖することで除くことができる。この場合供給は、全く電気動力学的に引き起こされ得る。様々なパラメータ、注入のタイプ、電場及び溶液の流れを変化させることによって、本発明の装置を用いて多くの異なる試料供給方法を容易にもたらすことができる。
【００２１】
もし望むのであれば、あらゆる応用及び運転条件を選択できるし、これらを運転中に変更できる。
【００２２】
本発明の装置を使用することで、様々な電気泳動応用の初期条件及び境界条件を選択したり満たしたりすることが容易である。更に、電気泳動運転中に、境界条件を変更することで、組み合わせた方法を利用することができる。以下に、本発明装置の多方面の応用の可能性に関する２、３の実施例を記載する。
【００２３】
実施例１
図２を参照すると、本発明装置の単一帯域電気泳動応用が記載されている。注入側は、バックグラウンド溶液リザーバ（例えば、リザーバＲ１）から、バックグラウンド溶液を供給するための単一のポンプを単に必要とするだけである。検出器側は、バックグラウンド溶液を供給するポンプを必要とし（例えば、リザーバＲ４から）、更に希望すれば、洗浄溶液及び安定化溶液用ポンプを必要とする（例えば、リザーバＲ５及びＲ６）。吸引ポンプＳＰは必ずしも必要とは限らない。バックグラウンド溶液のポンプによるくみ出しは、分離毛細管１の両端を通り越して続行される。電圧は常に上げられる。両廃水導管Ｗ１及びＷ２は、周囲の圧力にさらされ続けており、分離毛細管中の静水圧差は故にゼロであり、電気浸透性流動は自由に進行する。運転状況が安定するとすぐに、チューブ５中の分離毛細管１の端部周辺に、試料溶液を含有する試料供給毛細管６を配置することで、試料は注入される。試料用毛細管は、適当な時間の長さが過ぎた後引き上げられ、分離運転が始まる。この運転が完了すると、分離毛細管１は次の試料注入のために準備される。場合次第で、これは様々なやり方で実行できる。もし洗浄が必要でなければ、電流と電気浸透性流動が、分離毛細管にバックグラウンド溶液を回復させるまで待つことができる。この回復は、廃水導管バルブを閉じることで迅速に実行でき、その結果バックグラウンド溶液の流れは片寄らされて、分離毛細管１を通って流れる。状況が再び安定するとすぐに、本装置は別の試料注入の準備ができあがる。
【００２４】
運転中、検出器側の廃水導管Ｗ２は閉じたままにすることができる。これは密閉毛細管応用と呼ばれる。故に、層流の流体力学流動を、分離毛細管１において引き起こしたくなければ、検出器側でのポンプによるくみ出しもまた停止されなければならない。たとえポンプによるくみ出しが停止されても、電極Ｅ上に生成する電気分解生成物の分離毛細管１中への移動は、長く広々とした廃水導管のせいで防止される。この場合、電気浸透性の正味の流動はなく、これは例えば運転時間の変動を引き起こすかもしれない。
【００２５】
実施例２
ここに記載される第２の応用は、等電的焦点合わせである。これは図１の装置を用いて実行される。この応用では、注入側に３つのポンプ（リザーバＲ１、Ｒ２及びＲ３）が備えられ、検出器側には二つのポンプ（例えば、リザーバＲ４及びＲ５）が備えられる。吸引ポンプＳＰは必ずしも必要とは限らない。毛細管システムの初期充填及び安定化の後は、以下のような手順である。廃水導管Ｗ１を閉じることで、分離毛細管は両性電解質溶液で満たされる。廃水導管Ｗ２は開いている。両性電解質溶液はリザーバＲ２からポンプでくみ出される。試料溶液はリザーバＲ３からポンプでくみ出され、続いてなお少量の両性電解質溶液をリザーバＲ２からくみ出す。前もってこの試料は両性電解質溶液と混合することもでき、これは毛細管システム全体を満たすことができる。廃水導管Ｗ１を開けて、リザーバＲ１から陽極液H₃PO₄をそしてリザーバＲ４から陰極液NaOHをポンプでくみ出し、分離した毛細管の端部を通り越して廃水導管へ送ることによって、システムの焦点合わせ準備がなされる。電流のスイッチが入れられ、焦点合わせが始まる。焦点合わせが完了すると、廃水導管Ｗ１を閉じてリザーバＲ１及びＲ４からのくみ出しを続けることによって、分離毛細管中に存在する溶液はゆっくりと検出器４を通り越して押し出される。その他の運転用の毛細管システムの準備には、廃水導管Ｗ２が閉じており廃水導管Ｗ１が開いている場合に、リザーバＲ４からNaOHを用いた洗浄及びリザーバＲ５から水を用いた洗浄を含ませてもよい。
【００２６】
前述したのは、本発明の２、３の実施態様である。当然、本発明の原理が請求項で定義された保護範囲内で変更できるかぎり、本発明は記載された実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一つの実施態様を示す図である。
【図２】 本発明の別の実施態様を示す図である。

Claims (9)

1. 分離毛細管（１）を経由して連結されるバックグラウンド溶液を含有するリザーバ、電圧電源に接続された電流電極（Ｅ）、そして前記分離毛細管（１）の出口端の実質的に近傍に検出器を含む毛細管電気泳動装置であって、前記装置が前記装置の注入側上に底端部拡張部（５，７）を備えた毛細管チューブ（２）を有する１またはそれ以上の溶液リザーバ（Ｒ１−Ｒ３）及び前記装置の検出器側上に底端部拡張部（７）を備えた毛細管チューブ（３）を有する１またはそれ以上の溶液リザーバ（Ｒ４−Ｒ６）をさらに含み、前記分離毛細管（１）の両端部が、前記リザーバ（Ｒ１−Ｒ６）から種々の溶液を供給することが意図されかつ毛細管チューブ（２，３）の底端部から伸びている拡張部（５，７）中に配置され、前記拡張部は廃水容器まで廃水導管（Ｗ１，Ｗ２）として伸びており、前記廃水容器は分離毛細管（１）の端部からやや離れて配置されており、そして前記電流電極（Ｅ）は前記廃水導管（Ｗ１，Ｗ２）中に配置されることを特徴とする前記装置。
2. 前記拡張部（５，７）が、１−１０ｍｍの直径を有することを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
3. 前記毛細管チューブ（２，３）及び前記分離毛細管（１）が、０．０１−１．０ｍｍの内径を有することを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
4. 前記装置が前記溶液リザーバ（Ｒ１−Ｒ６）から届く供給溶液を選択するためのそしてその流速を独立に制御するための前記溶液リザーバ（Ｒ１−Ｒ６）と連結したポンプ（Ｐ）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
5. 前記装置が前記廃水導管Ｗ２の中に吸引ポンプ（ＳＰ）及び前記溶液リザーバ（Ｒ１−Ｒ６）と連結したバルブ及び／又はポンプ（Ｐ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
6. 前記ポンプ（Ｐ）がバルブと置き換えられ、前記毛細管チューブ（２，３）中の流れが前記溶液リザーバ（Ｒ１−Ｒ６）中に存在する重力により又は負圧若しくは正圧により作り出されることを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
7. 前記装置の注入側上に、前記装置が前記分離毛細管（１）の端部を収容するための前記毛細管チューブ（２）の底端部から伸びている拡張部を構成する開口チューブ（５）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の毛細管電気泳動装置。
8. 前記装置が前記毛細管電気泳動装置の前記分離毛細管（１）の端部の外径を越える内径を有し、そして前記開口チューブ（５）の内径よりも小さい外径を有し、そしてそれにより試料溶液が、前記供給毛細管（６）の端部が前記分離毛細管（１）の端部の回りに配置されるような方法で、前記開口チューブ（５）内の前記分離毛細管（１）の端部の近傍に導かれる、試料供給毛細管（６）を含むことを特徴とする請求項７に記載の毛細管電気泳動装置。
9. 前記試料供給毛細管（６）が、０．５−１．５ｍｍの内径を有することを特徴とする請求項８に記載の毛細管電気泳動装置。

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