JP4634469B2 - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

Description

本発明は、核酸、蛋白質などの試料を電気泳動により分離及び分析するキャピラリ電気泳動装置に関する。

キャピラリ電気泳動装置にて用いられる試料、試薬、バッファ、洗浄液等の溶液は、蒸発防止膜によって密閉された容器に収容されている。キャピラリ内には分離媒体が充填されており、蒸発防止膜に開けられた孔を通って容器内の液体と接触する。電気泳動を行うためキャピラリに高電圧を印加すると、ジュール熱の発生によりキャピラリ内に充填された分離媒体は発熱し、熱拡散により試料の分離能力が低下する。従来、分離媒体の発熱をおさえ、且つ分離媒体の温度を一定に保つため、キャピラリを温度制御機構を備えた恒温槽の内部を通している。

特開２００６−２７６０３９号公報

試薬、バッファ、洗浄液等の溶液を収納する溶液収納部はオートサンプラによってキャピラリとの脱着を行うため、恒温槽の外部に設置される。そのため、溶液収納部と恒温槽間の領域は冷却ファンによって装置内を循環する風の影響を受け、温度、風速が均一でない場合、泳動時間の再現性の悪化、同一泳動時の複数キャピラリ間の泳動時間のばらつきが大きくなることがわかった。

本発明の目的は、溶液収納部と恒温槽の間のキャピラリに対し、装置内を循環する空気の影響を受けないキャピラリ電気泳動装置を提供することにある。

本発明では、恒温槽の外部に位置するキャピラリ電極に装置内を循環する空気流が直接当たらないようにする。一例として、試料又は電解溶液を収容するための上部に開口を有する容器と、その容器の上部開口を覆い、ロードヘッダから突出しているキャピラリ電極が貫通するキャピラリ孔を有する蒸発防止膜とを備え、蒸発防止膜は、装置内部を流通する風がキャピラリ電極に直接当たらないようにキャピラリ電極を囲う構造を上部に有する。

本発明によると、装置内部を循環する空気が試料注入端側でキャピラリ（キャピラリ電極）に直接あたらなくなり、複数キャピラリ間での泳動時間のばらつきや、再現性の悪化を抑えることが出来る。

図１は、キャピラリ電気泳動装置の概略図である。このキャピラリ電気泳動装置１００は、単数又は複数本のキャピラリ１０１を含むキャピラリアレイ１０２、キャピラリ１０１にポリマーを注入するためのポンプ機構１０３、キャピラリ１０１内のサンプルに光を照射しサンプルからの蛍光を検出する検出部１０４、キャピラリ１０１に高電圧を加えるための高圧電源１０５、キャピラリ１０１の主要部を恒温に保つための恒温槽１０６、試料、溶液等が入った容器を搬送するためのオートサンプラ１０７を有する。

キャピラリ１０１は交換可能な部材であり、測定手法を変更する場合や、キャピラリ１０１に破損や品質の劣化がみられたときに交換する。キャピラリ１０１は、内径が数十から数百ミクロン、外径が数百ミクロンのガラス管で構成され、表面はポリイミドでコーティングされている。キャピラリ１０１の内部は、電気泳動時に泳動速度差を与えるための分離媒体が充填される。分離媒体には流動性の媒体と、非流動性の媒体の双方が存在するが、本実施例では流動性のポリマーを用いる。

キャピラリアレイ１０２の一端にはキャピラリヘッド１１７が設けられ、他端にはキャピラリ陰極端１１８が形成されている。キャピラリヘッド１１７は、キャピラリアレイ１０２の端部を束ねたものであり、ポンプ機構１０３とキャピラリアレイ１０２を接続させる機能を有する。キャピラリ陰極端１１８は、試料、溶液等に接触する。キャピラリ陰極端側では、キャピラリアレイ１０２はロードヘッダ１１５によって固定されている。ロードヘッダ１１５には、陰極電極１１４と金属製の中空キャピラリ電極１２０が装着されている。陰極電極１１４とキャピラリ電極１２０は導通している。キャピラリ陰極端１１８はキャピラリ電極１２０を貫通し、その先から突出している。

検出部１０４は、照射系と検出系からなる。検出部１０４の照射系は、キャピラリ１０１のポリイミド被膜が除去されている部分、即ち、検出領域に励起光を照射する機能を有する。検出系は、キャピラリ１０１の検出領域内のサンプルからの蛍光を検出する機能を有する。検出系によって検出された光によって試料を分析する。

ポンプ機構１０３は、シリンジ１０８、ブロック１０９、逆止弁１１０、ポリマー容器１１１及び陽極バッファ容器１１２に接続されている。キャピラリヘッド１１７をブロック１０９に接続することで、キャピラリ１０１とブロック１０９内の流路が接続される。シリンジ１０８の操作により、ポリマー容器１１１内のポリマーがブロック１０９内の流路を経由してキャピラリ１０１に充填され、又は詰め替えられる。キャピラリ１０１中のポリマーの詰め替えは、測定の性能を向上するために測定毎に実施される。

陽極バッファ容器１１２には陽極電極１１３が配置されている。高圧電源１０５は、陽極電極１１３と陰極電極１１４の間に高圧電圧を印加する。恒温槽１０６は、断熱材とヒータが取り付けられた温度制御板より、キャピラリアレイ１０２を平面状に挟み込んで、キャピラリの温度を一定に保つ。温度制御板にはフィードバック用の温度センサが取り付けられている。また、キャピラリアレイのロードヘッダ１１５を恒温槽に固定することで、キャピラリヘッド１１７の先端を所望の位置に固定することができる。

オートサンプラ１０７は、移動ステージを移動させるための３つの電動モータとリニアガイドを備えており、移動ステージを上下、左右、及び奥行きの３軸方向に移動可能である。移動ステージは、バッファ容器、洗浄容器、廃液容器及びサンプルプレートを必要に応じてキャピラリ陰極端１１８まで搬送できる。装置内は、高圧電源１０５などの発熱体による温度上昇を抑えるため、冷却ファン１１９により空気の循環が行われる。

図２は、キャピラリ電気泳動装置によって用いられる一般的な溶液収納部の構造を説明する分解組み立て図である。溶液収納部は、溶液を収容する容器２０１、及びキャピラリ１０１が貫通するためのキャピラリ孔２０５を有した蒸発防止膜２０２を備える。図３は溶液収納部が組み立てられた状態を示し、複数のキャピラリ１０１がそれぞれキャピラリ孔２０５に挿入された状態を示す。容器２０１の開口部は蒸発防止膜２０２によって塞がれ、内部の溶液が蒸発するのが防止される。中空キャピラリ電極１２０とその中に装着されたキャピラリ１０１の先端部は、蒸発防止膜２０２に設けられたキャピラリ孔２０５を貫通して容器２０１中に挿入され、容器２０１内の溶液に浸漬される。

図４、図５は、従来のキャピラリ電気泳動装置の溶液収納部における問題点を説明する図である。図４は、キャピラリ１０１の先端が挿入されている中空キャピラリ電極１２０と容器２０１及び蒸発防止膜２０２の関係を示す図である。容器２０１の上部開口は、蒸発防止膜２０２によって塞がれる。蒸発防止膜２０２のキャピラリ孔は、一本一本のキャピラリ電極１２０に対応して設けられている。オートサンプラによって、蒸発防止膜２０２で蓋がされた容器２０１を、蒸発防止膜２０２のキャピラリ孔の位置がキャピラリ電極１２０の位置に対応するようにロードヘッダ１１５の下方に位置づけ、上方に押し上げる。その結果、図５に示すように、中空キャピラリ電極１２０とその内部のキャピラリ１０１は、蒸発防止膜２０２のキャピラリ孔を貫通して、先端部が容器２０１中の溶液に浸漬され、容器２０１は恒温槽１０６のロードヘッダ１１５の下方に装着される。

このとき、恒温槽１０６に接続されたロードヘッダ１１５と蒸発防止膜２０２の間に空間が形成される。これは、容器２０１をオートサンプラにより下方から機械的に押し上げるため、容器２０１の上部をロードヘッダ１１５に完全に密着させるのが困難なためである。また、容器２０１を下降させてキャピラリ電極から取り外すとき、蒸発防止膜２０２を押し下げてキャピラリ電極１２０からの脱着を容易にするための器具を差し込む空間を、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜２０２の間に設けるという意味からも隙間が空けられていた。

ところが、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜２０２の間に空間が形成されてキャピラリ電極１２０が露出していると、冷却ファン１１９により装置１００内を循環している空気がそこを通過し、通過した空気の温度により、キャピラリ間に放熱効果の差が発生し、電気泳動時間のばらつきとなって現れることが判明した。これは今まで認識されていなかった現象である。

図６は、図５のような装置状態においてＤＮＡ断片を電気泳動したときの測定例を示し、４つのピークが検出されている。図７は、同一ロードヘッダ１１５に固定された１６本のキャピラリによる泳動結果を重ね書きしたものであり、１６本のデータが時間軸方向でばらついている。

このような問題認識に基づき、本発明では、ロードヘッダ１１５と容器２０１の間において、キャピラリ電極１２０が装置内を循環する空気に対して露出しないように工夫を施した。

図８は本発明の実施例で用いた蒸発防止膜４０１の模式図であり、図８（ａ）は側面図、図８（ｂ）は斜視図である。この蒸発防止膜４０１には、キャピラリ（キャピラリ電極）が貫通する個々のキャピラリ孔を個別に囲む形で筒状壁４０２が複数設けられている。筒状の壁４０２は蒸発防止膜４０１の本体と一体の状態で、電気絶縁性の高い柔軟なシリコーン樹脂によって構成されている。

図９、図１０は、本発明の対策を施したキャピラリ電気泳動装置の溶液収納部を示した図である。図９は、キャピラリ１０１の先端が挿入されているキャピラリ電極１２０と容器２０１及び蒸発防止膜４０１の関係を示す図である。容器２０１の上部開口は、蒸発防止膜４０１によって塞がれる。蒸発防止膜２０２のキャピラリ孔及びそれを囲む筒状壁４０２は、一本一本のキャピラリ電極１２０に対応して設けられている。オートサンプラによって、蒸発防止膜４０１で覆われた容器２０１を、蒸発防止膜４０１のキャピラリ孔の位置がキャピラリ電極１２０の位置に対応するようにロードヘッダ１１５の下方に位置づけ、上方に押し上げる。その結果、図１０に示すように、中空のキャピラリ電極１２０とその内部のキャピラリ１０１は、蒸発防止膜４０１の筒状壁４０２で囲まれたキャピラリ孔を貫通して、先端部分が容器２０１中の溶液に浸漬され、容器２０１は恒温槽３０１のロードヘッダ１１５の下方に装着される。

このとき、従来、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜の間の空間に露出して、装置内を循環する空気流に晒されていたキャピラリ電極の部分は、蒸発防止膜４０１の上部に設けられた筒状壁４０２によって囲まれ、装置内を循環する空気流から遮断される。従って、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜の間の空間に装置内部を循環する空気が流れてきても、直接キャピラリ（キャピラリ電極）に当たることはなく、キャピラリアレイ１０２を構成する各キャピラリ１０１間での放熱は一様になり、泳動時間が安定する。

図１１は、筒状壁４０２を設けた蒸発防止膜４０１を使用したキャピラリ電気泳動装置を用いて、図７のときと同じ条件で１６本のキャピラリによる電気泳動を行ったときの測定結果を示す図である。図１１と図７とを比較すると分かるように、筒状壁を設けた蒸発防止膜を使用することによって、従来よりもキャピラリ間での泳動時間のばらつきが改善されている。

図１２は本発明による蒸発防止膜の他の例を示す図であり、図１２（ａ）は側面図、図１２（ｂ）は斜視図である。本実施例の蒸発防止膜４０３は、キャピラリを通すキャピラリ孔４０５が複数設けられた領域全体を１つの筒状壁４０４で包囲する構造となっている。ロードヘッダ１１５に本実施例の蒸発防止膜４０３が取り付けられた容器が装着されたとき、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜４０３の間の空間は筒状壁４０４によって密封される。従って、ロードヘッダ１１５と蒸発防止膜４０４に装置内部を循環する空気が流れてきても、それが直接キャピラリ（キャピラリ電極）に当たることはなく、キャピラリアレイを構成する各キャピラリ間の放熱は一様になり、泳動時間が安定する効果が得られる。

キャピラリ電気泳動装置の概略図。 キャピラリ電気泳動装置によって用いられる一般的な溶液収納部の構造説明図。 溶液収納部の組立状態を示す図。 キャピラリ電極と従来の溶液収納部の関係を示す図。 従来の溶液収納部と恒温槽間のキャピラリに、装置内を循環する空気が通過する状態を示す図。 ＤＮＡ断片の泳動結果例を示す図。 従来の溶液収納部を用いた場合の１６本のキャピラリによる電気泳動結果を重ね書きした図。 本発明による蒸発防止膜の模式図。 キャピラリ電極と本発明の溶液収容部の関係を示す図。 筒状壁が付加された蒸発防止膜と恒温槽の関係を示す図。 本発明の装置で測定した１６本のキャピラリによる電気泳動結果を重ね書きした図。 本発明による蒸発防止膜の他の例を示す図。

符号の説明

１０１…キャピラリ、１０２…キャピラリアレイ、１０３…ポンプ機構、１０４…検出部、１０５…高圧電源、１０６…恒温槽、１０７…オートサンプラ、１０８…シリンジ、１０９…ブロック、１１０…逆止弁、１１１…ポリマー容器、１１２…陽極バッファ容器、１１３…陽極電極、１１４…陰極電極、１１５…ロードヘッダ、１１７…キャピラリヘッド、１１８…キャピラリ陰極端、１１９…冷却ファン、１２０…キャピラリ電極、２０１…容器、２０２…蒸発防止膜、２０５…キャピラリ孔、４０１…蒸発防止膜、４０２…筒状壁、４０３…蒸発防止膜、４０４…筒状壁

Claims (4)

1. キャピラリと、
   前記キャピラリの両端に電圧を印加する電源と、
   前記キャピラリの主要部を収納し当該主要部の周囲温度を一定に保つ恒温槽と、
   前記キャピラリ内にて泳動分離された試料に励起光を照射し試料からの蛍光を検出する検出部と、
   前記恒温槽に固定され、前記キャピラリの先端部分が挿入された中空のキャピラリ電極が装着されたロードヘッダと、
   試料又は電解溶液が収容された溶液収納部と、
   前記溶液収納部を搬送するオートサンプラとを有し、
   前記溶液収納部は、試料又は電解溶液を収容するための開口を有する容器と、前記容器の開口を覆い、前記ロードヘッダから突出している前記キャピラリ電極が貫通するキャピラリ孔を有する蒸発防止膜とを備え、
   前記蒸発防止膜は、前記キャピラリ電極を前記キャピラリ孔に貫通させる位置まで前記キャピラリを移動させたとき前記キャピラリ電極の側面を囲うように配置された壁部を有する
   ことを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
2. 請求項１記載のキャピラリ電気泳動装置において、前記壁部は、個々のキャピラリ電極を個別に囲むように配置されていることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
3. 請求項１記載のキャピラリ電気泳動装置において、前記壁部は、複数のキャピラリ電極を囲むように配置されていることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
4. 請求項１記載のキャピラリ電気泳動装置において、前記蒸発防止膜は電気絶縁性の高い樹脂材料からなることを特徴とする電気泳動装置。
   

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