JP4483469B2

JP4483469B2 - 電気泳動装置

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Publication number: JP4483469B2
Application number: JP2004229804A
Authority: JP
Inventors: 誠一樫村; 宏明岡野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: JP2006047150A

Description

本発明は、２枚の石英ガラス基板を貼り合わせ内側に分析流路を形成させた石英マイクロチップ及び光検出器をプラットフォーム基板上に備えた、タンパク質やＤＮＡを分離分析するための電気泳動装置に関するものである。

近年、電気泳動装置に関し、分析の高速化、装置の小型化が期待できるものとして、２枚の石英ガラス板を接合して形成された電気泳動用石英マイクロチップが提案、製品化されている（例えば、特許文献１参照。）。図８に従来の電気泳動用石英マイクロチップの例を示す。

２枚の石英ガラス基板５１、５２を準備し、一方の石英ガラス基板５１に電気泳動溝５３を形成する。他方の石英ガラス基板５２には、電気泳動溝５３の両端に対応する位置に、泳動液の注入及び高電圧印加用電極の挿入をするための貫通穴からなる陽極側電極槽５４、陰極側電極槽５５をそれぞれ形成する。これらの石英ガラス基板５１、５２の双方を接合することで、電気泳動用石英マイクロチップ６０（図９参照）が得られる。これを電気泳動装置に取り付けることで測定が行われるのである。

図９に示す電気泳動装置は、図８において得られた電気泳動用石英マイクロチップ６０、紫外線励起用光源６１、光検出器６２、陽極側電極６３及び陰極側電極６４から構成されている。

測定方法には主として２つの方法がある。その内の１つは、以下のような方法である。まず、電気泳動溝５３内に泳動液と試料分子を満たす。次に、電気泳動溝５３の両端に陽極側電極槽５４及び陰極側電極槽５５を介してそれぞれ挿入した陽極側電極６３及び陰極側電極６４に高電圧を印加する。これにより、試料分子が電気泳動溝５３内を電気泳動する。紫外線励起用光源６１から、電気泳動溝５３内を泳動する試料分子に対して紫外線を透過し、その紫外線吸光度を光検出器６２で検出する。

もう一つの測定方法は、以下の通りである。まず、電気泳動溝５３内に泳動液と蛍光標識をした試料分子を満たす。次に、電気泳動溝５３の両端に挿入された陽極側電極６３及び陰極側電極６４に高電圧を印加する。これにより、試料分子が電気泳動溝５３内を電気泳動する。紫外線励起用光源６１から、電気泳動溝５３内を泳動する蛍光標識をした試料分子に対して励起光を照射し、その蛍光強度を光検出器６２で検出する。

いずれの方法を用いても、光検出器６２において吸光度或いは蛍光強度を測定し、タンパク質やＤＮＡの分析を行うのである。
特開２０００−３１０６１３号公報

しかしながら、このようなマイクロチップを用いた電気泳動装置は、従来のキャピラリー電気泳動装置に比べて取り扱い性は大きく改善されたものではあるが、電気泳動溝が１つしか設けられていないため、複数の検体の分離分析を行うためには、検体を１つずつ順々に分離分析しなくてはならず、全体としての処理時間が長くなり、分析コストが大になる。

一方、複数の検体を並列に処理するためには、複数の電気泳動装置を準備しなければならないため、装置コストが大になり、準備等の手数が煩わしい。

したがって、電気泳動装置において分析コスト及び時間の双方の低減を図るためには、多くの検体を同時に分析すること、即ち、検出の並列処理が重要な課題であると供に、装置本体の小型化、低価格化を実現するための電気泳動用石英マイクロチップと紫外線励起用光源などの部品点数の削減が大きな課題となる。

本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、複数の試料を同時に電気泳動により分離し、それぞれの試料の吸光度測定或いは蛍光強度の測定を同時に行うことが可能であり、かつ複数の電気泳動装置を準備することに比べて省スペース化及び部品点数の削減が可能な電気泳動装置を提供することにある。

本発明は、上記した目的を達成するために、被分析試料を含む流体が流動可能な複数の分析流路と、当該複数の分析流路の全てと交差するように設けられた光導波路を有し、該光導波路よりも屈折率が低いガラスで該光導波路を囲繞してなる第１の石英ガラス基板と、当該光導波路に光を供給する励起用光源と、当該光導波路を通して当該励起用光源からの当該光を当該複数の分析流路内に導いた際に当該複数の分析流路内において発せられた蛍光を検出する複数の光検出器と、からなる電気泳動装置を提供するものである。

本発明によれば、光学測定において複数の電気泳動溝に対し交差する１つの光導波路を通して複数の試料を同時に励起させることにより、複数の検体の同時・並列処理（検査）が可能となるので、分析コスト及び時間の低減を図ることが可能となる。

また、１つの励起用光源、１つの装置により複数の検体の同時処理が可能となるので、装置の省スペース化及び装置コストの低減を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る電気泳動装置について説明する。

［電気泳動装置の構成］
図１は、本発明に係る電気泳動装置の一実施形態の構成図である。この電気泳動用石英マイクロチップ１０は、第１の石英ガラス基板１及び第２の石英ガラス基板７より構成される。第１の石英ガラス基板１の表面には幅５０μｍ、深さ５０μｍ、長さ５ｃｍのサイズよりなる複数本の電気泳動溝２が形成されており、更に当該複数本の電気泳動溝２の全てと直交するように光導波路３が形成されている。また、この光導波路３の入力端面には、光ファイバ４が接続されている。また、第１の石英ガラス基板１の裏面には複数個の凹部が設けられている。

この複数個の凹部の内の一部は、後述するフォトダイオード１４が収まるための空間となる複数のフォトダイオード用凹部５を構成し、残る凹部は後述するプラットフォーム基板１１に設けられた位置決め用凸部１３と嵌合することで当該電気泳動用石英マイクロチップ１０を位置決めするために用いられる複数の位置決め用凹部６を構成する。そのため、このフォトダイオード用凹部５は、第１の石英ガラス基板１に設けられた複数個の電気泳動溝２と光導波路３との交差部に対応して設けられている。そして位置決め用凹部６については、蛍光分析の障害とならない位置に設けられている。

ここで、複数本の電気泳動溝２の間隔は、電気泳動溝２を通過する光の損失を抑えるため、６０μｍ〜１２０μｍが望ましい。これ以上の間隔では損失が増大して、多くの溝中の試料を励起できなくなる。また、光導波路３の入力端面には直接に励起用光源を結合することも可能であるが、電気泳動用石英マイクロチップ１０の位置を装置内で微調整する必要が出るため、励起用光源から電気泳動用石英マイクロチップ１０まで光を導くための光ファイバ４をあらかじめ電気泳動用石英マイクロチップ１０に接続しておくことが好ましい。

なお、本実施形態においては、光導波路３の２つの端面のいずれか一方にのみ光ファイバ４を接続するように構成されているが、本発明はこれに限らず、２つの端面の双方に光ファイバを接続したものであってもよく、また、光ファイバを接続しないものであってのよい。

第２の石英ガラス基板７には、第１の石英ガラス基板１に設けられた複数本の電気泳動溝２のそれぞれの両端に対応する位置に、泳動液の注入及び高電圧印加用電極の挿入をするための貫通穴よりなる陽極側電極槽８、陰極側電極槽９が形成されている。第１の石英ガラス基板１と第２の石英ガラス基板７とを接合することで、電気泳動用石英マイクロチップ１０とする。

上記のように得られた電気泳動用石英マイクロチップ１０は、プラットフォーム基板１１に搭載されることとなる。このプラットフォーム基板１１には、上面に電気泳動用石英マイクロチップ１０を搭載するためのチップ搭載用凹部１２が設けられている。このチップ搭載用凹部１２の上面には、搭載される電気泳動用石英マイクロチップ１０に設けられた位置決め用凹部６に対応する位置に、当該位置決め用凹部６と嵌合することにより電気泳動用石英マイクロチップ１０を固定するための複数個の位置決め用凸部１３が設けられている。チップ搭載用凹部１２の上面には更に、電気泳動用石英マイクロチップ１０の複数個の電気泳動溝２と光導波路３との交差部に対応する位置に複数のフォトダイオード１４が搭載されている。このとき、電気泳動用石英マイクロチップ１０に設けられた電気泳動溝２の本数と、プラットフォーム基板１１に搭載されたフォトダイオード１４の個数は、同数となる。

これら複数のフォトダイオード１４が実装されたプラットフォーム基板１１上に、プラットフォーム側凸部１３を合わせマークとして光導波路３及び電気泳動溝２が形成された電気泳動用石英マイクロチップ１０をハイブリッド実装し、陽極側電極槽８及び陰極側電極槽９にそれぞれ電極を挿入することにより、本実施形態に係る電気泳動装置が構成されるのである。

そして、複数の電気泳動溝２のそれぞれに別個の試料を投入し、電気泳動を行い、光導波路３を通じて共通の励起光の照射により生じた蛍光を、それぞれの電気泳動溝２に対応するフォトダイオード１４が検知することで、同時に複数の電気泳動測定が可能となり、省スペース、省コストながら、従来と同様な電気泳動による蛋白質やＤＮＡの分析を行うことが可能となるのである。

また、図２は、本実施形態における電気泳動装置の構成図の側断面図を示したものである。なお、図２においては電気泳動溝２、陽極側電極槽８及びフォトダイオード１４は各々３つが設けられたものとして描かれている。

［電気泳動用石英マイクロチップの作成］
次に、図３から図６において、本実施形態に係る電気泳動用石英マイクロチップ１０を作成するための工程図を示す。なお、図３から図６においては電気泳動用石英マイクロチップには３本の電気泳動溝を設けるものとして説明する。

また、図３から図６においては、各工程について２つの断面図を用いて説明している。図３、図４、及び図６においては、２つの断面図のうちの１つは光導波路の長軸に沿った垂直断面図（各工程における左側の断面図）であり、右側断面図のＢ−Ｂ’切断面における断面図に相当する。もう１つは電気泳動溝に沿った垂直断面図（各工程における右側の断面図）であり、左側断面図のＡ−Ａ’切断面における断面図に相当する。

また、図５においては、２つの断面図のうちの１つは複数の陽極側電極槽の全てを通る垂直断面図（各工程における左側の断面図）であり、右側断面図のＣ−Ｃ’切断面における断面図に相当する。もう１つは一対の陽極側電極槽と陰極側電極槽とを通る垂直断面図（各工程における右側の断面図）であり、左側断面図のＡ−Ａ’切断面における断面図に相当する。

まず、図３（ａ）に示すように、外形４インチ、厚さ５００μｍの石英ガラス基板２０を準備する。そして、図３（ｂ）に示すように、石英ガラス基板２０の裏面にフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを施し、複数のフォトダイオード用凹部５及び複数の位置決め用凹部６を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、石英ガラス基板２０の表面に電子ビーム蒸着法、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタリング法により、ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂ガラスまたはＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラスを成膜した後、このガラス膜を所望の屈折率にするために、１０００℃から１２００℃の範囲内で加熱処理を施してコアガラス膜２１を形成する。その際、得られたコアガラス膜２１の屈折率の値は、石英ガラス基板２０の有する屈折率の値よりも大きな値であることが必要である。

次に、このコアガラス膜２１を、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより所望のパターンのコアとなる光導波２３を形成するように加工する。

次に、図３（ｅ）に示すように、光導波路３上に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ₂クラッドガラスを成膜し、その後このＳｉＯ₂ガラス膜を所望の屈折率にするために１１００℃酸素雰囲気中で加熱処理を施すことにより、クラッド層２２を形成する。その際、得られたクラッド層２２の屈折率の値は、光導波路３の有する屈折率の値よりも小さな値であることが必要であり、石英ガラス基板２０と等しい値が好ましい。

次に、図４（ａ）に示すように、クラッド層２２上にスパッタリング法を用いて金属膜２３を形成し、その後、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを行うことで金属膜２３を加工し、電気泳動溝加工用マスク２４を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、反応性イオンエッチングを行うことでガラス層のエッチングを行い、深さ５０μｍ、幅５０μｍのサイズの複数の電気泳動溝２を形成する。

次に、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを行うことで電気泳動溝加工用マスク２４を除去し、更に、光導波路３の入力端面に光ファイバ４をＣＯ_２レーザ光を照射することにより融着接続し、図４（ｄ）に示すように第１の石英ガラス基板１とする。

次に、図５（ａ）に示すように、外径４インチ、厚さ１０００μｍの無水合成石英基板３０を準備する。そして、図５（ｂ）に示すように、第１の石英基板に設けられた複数の電気泳動溝２の両端に対応する位置に機械加工により、泳動液の注入及び高電圧印加するための貫通穴を設けた陽極側電極槽８、陰極側電極槽９を形成することにより、第２の石英ガラス基板７とする。

次に、電気泳動溝２と光導波路３とが形成された第１の石英ガラス基板１と、陽極側電極槽８及び陰極側電極槽９とが形成された第２の石英ガラス基板７との表面を科学的な処理を施し活性化させる。そして、図６に示すように、表面処理が終了した第１の石英ガラス基板１と第２の石英ガラス基板７とを重ね、電気炉内において約５００℃に加熱することにより２つの石英ガラス基板を接合させ、その後、ダイシング装置で所望の寸法に切り出し、図１に示すような電気泳動用石英マイクロチップ１０を得ることができるのである。

［プラットフォーム基板の構成］
次に、図７において、本実施形態に係るプラットフォーム基板を作成するための工程図を示す。

まず、図７（ａ）に示すように、電気泳動用マイクロチップより少なくとも一回り大きい金属板４０を準備する。そして、図７（ｂ）に示すように、金属板４０の表面を切削加工し、チップ搭載用凹部１２を形成する。

次に、図７（ｃ）に示すように、チップ搭載用凹部１２の上面に、当該チップ搭載用凹部１２に電気泳動用石英マイクロチップ１０が搭載された際に当該電気泳動用石英マイクロチップ１０に設けられた位置決め用凹部６と対応することとなる位置に、当該位置決め用凹部６と嵌合することにより電気泳動用石英マイクロチップ１０を固定するための複数個の位置決め用凸部１３を設置する。なお、チップ搭載部１２を形成するための切削加工の際に、予め位置決め用１３が形成されるように切削加工を行うものであってもよい。

次に、図７（ｄ）に示すように、チップ搭載用凹部１２の上面に、当該チップ搭載用凹部１２に電気泳動用石英マイクロチップ１０が搭載された際に当該電気泳動用石英マイクロチップ１０に設けられた複数個の電気泳動溝２と光導波路３との交差部と対応することとなる位置に、複数個のフォトダイオード１４を設置する。これにより、図１に示すようなプラットフォーム基板１１を得ることができるのである。

なお、本実施形態におけるプラットフォーム基板１１は金属板を切削加工することで作成されたものであるが、本発明に係るプラットフォーム基板は切削加工以外の金属加工、例えば、冷間鍛造、鋳造などの方法で作成されたものであってもよい。また、金属以外の材質を用いるものであってもよく、例えば、樹脂を用いてプラットフォーム基板を作成する場合には、射出成型などの方法を用いてもよい。

また、本実施形態における電気泳動用マイクロチップの製造工程は、本発明に係る電気泳動用マイクロチップの製造工程の好適な実施形態の１つに過ぎず、結果として本発明に係る効果を得られる電気泳動用マイクロチップであれば、他のいかなる工程により得られるものであってもよい。

また、本実施形態における電気泳動用マイクロチップは、材質として石英ガラスを用いたものであるが、本発明はこれに限らず、光透過性材料であればよく、例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート、ＰＥＴなどであってもよい。

また、本実施形態における電気泳動溝２のサイズは、１つの好適な例を挙げたものに過ぎず、異なるサイズの電気泳動溝を備える電気泳動用マイクロチップであってもよい。

また、本実施形態における位置決め用凹部６及び位置決め用凸部１３はそれぞれ複数設けられているが、本発明はこれに限らず、それぞれが１つずつ設けられたもの、位置決め用凹部６及び位置決め用凸部１３を有さないもの、あるいは位置決め用凹部６の数が位置決め用凸部１３の数よりも多いもの、などであってもよい。

更に、本実施形態におけるフォトダイオード用凹部５は、プラットフォーム基板１１に搭載されたフォトダイオード１４の数と同数のものが設けられ、１つのフォトダイオード用凹部５には１つのフォトダイオード１４が収まるように構成されたものであるが、本発明はこれに限らず、１つのフォトダイオード用凹部５に複数のフォトダイオード１４が収まるように構成されたものであってもよい。

更にまた、フォトダイオード１４は、その上面がチップ搭載用凹部１２の上面と同一平面を構成するようにプラットフォーム基板１１に埋設されたものであってもよく、この場合、電気泳動用石英マイクロチップ１０にはフォトダイオード用凹部５は不要となる。

本発明の一実施形態における電気泳動装置の構成を示す斜視図である。本発明の実施形態における電気泳動装置の構成を示す断面図である。本発明の実施形態における電気泳動用石英マイクロチップを構成する第１の石英ガラス基板の製造工程図の１つ目である。本発明の実施形態における電気泳動用石英マイクロチップを構成する第１の石英ガラス基板の製造工程図の続きである。本発明の実施形態における電気泳動用石英マイクロチップを構成する第２の石英ガラス基板の製造工程図である。本発明の実施形態における第１の石英ガラス基板と第２の石英ガラス基板とを用いた電気泳動用石英マイクロチップの製造工程図である。本発明の実施形態における電気泳動用石英マイクロチップを搭載するプラットフォーム基板の製造工程図である。従来の電気泳動装置における電気泳動用石英マイクロチップの構成を示す斜視図である。従来の電気泳動装置の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１第１の石英ガラス基板
２、５３電気泳動溝
３光導波路
４光ファイバ
５フォトダイオード用凹部
６位置決め用凹部
７第２の石英ガラス基板
８、５４陽極側電極槽
９、５５陰極側電極槽
１０、６０電気泳動用石英マイクロチップ
１１プラットフォーム基板
１２チップ搭載用凹部
１３位置決め用凸部
１４フォトダイオード
２０、５１、５２石英ガラス基板
２１コアガラス膜
２２クラッド層
２３金属膜
２４電気泳動溝加工用マスク
３０無水合成石英基板
６１紫外線励起用光源
６２光検出器
６３陽極側電極
６４陰極側電極

Claims

被分析試料を含む流体が流動可能な複数の分析流路と、
前記複数の分析流路の全てと交差するように設けられた光導波路を有し、該光導波路よりも屈折率が低いガラスで該光導波路を囲繞してなる第１の石英ガラス基板と、
前記光導波路に光を供給する励起用光源と、
前記光導波路を通して前記励起用光源からの前記光を前記複数の分析流路内に導いた際に当該複数の分析流路内において発せられた蛍光を検出する複数の光検出器と、からなることを特徴とする電気泳動装置。
前記複数の分析流路と前記光導波路は光透過性材料よりなる電気泳動用マイクロチップに設けられ、前記複数の光検出器は前記電気泳動用マイクロチップを支持するプラットフォーム基板上に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の電気泳動装置。
前記電気泳動用マイクロチップは、前記第１の石英ガラス基板と第２の石英ガラス基板を貼り合わされたものであり、
前記分析流路は、前記光導波路の形成された前記第１の石英ガラス基板の表面に形成された溝が、前記第２の石英ガラス基板によって覆われることにより形成されるものであることを特徴とする請求項２記載の電気泳動装置。
前記第１の石英ガラス基板に設けられた前記光導波路は入力端面または入力端面及び出力端面の双方に光ファイバが接続されていることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の電気泳動装置。
前記第１の石英ガラス基板に形成された前記複数の溝の間隔が６０μｍ〜１２０μｍであることを特徴とする請求項３または４に記載の電気泳動装置。