JP4661213B2

JP4661213B2 - 電気泳動装置

Info

Publication number: JP4661213B2
Application number: JP2004375782A
Authority: JP
Inventors: 広明岡野; 延明北野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006184057A

Description

本発明は、本発明は、汎用性があり、高い検出感度で分析することができる小型の電気泳動装置に開する。

近年、蛋白質やＤＮＡ（デオキシリボ核酸）等の試料の分析に電気泳動法が広く用いられており、特に、蛋白質等の微量物質を分離・同定するために、マイクロチップを用いる電気泳動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、特許文献１に対応するマイクロチップを使用した電気泳動装置の概略構成を示す。この電気泳動装置は、第１および第２の石英ガラス基板５１，５２を接合して形成されたマイクロチップ６０と、マイクロチップ６０が有する図示しない電気泳動溝に高電圧を印加する陽極側電極６３および陰極側電極６４と、電気泳動層に紫外線を照射する紫外線励起用光源６１と、電気泳動溝を透過した紫外線の吸光度を検出する光検出器６２とから概略構成されている。

図８は、マイクロチップ６０を示す。このマイクロチップ６０は、石英からなる第１および第２の石英ガラス基板５１，５２とから概略構成され、第１の石英ガラス基板５１は、試料供給および電極が投入される陽極側電極層５４および陰極側電極層５５を有する。第２の石英ガラス基板５２は、試料および必要な電気泳動用緩衝液を供給する電気泳動溝５３を有する。

このマイクロチップ６０を用いて試料の分離、同定を行うには、まず、電気泳動溝５３内に試料および必要な緩衝液を注入する。次に、電気泳動溝５３内に投入された陽極側電極６３および陰極側電極６４間に高電圧を印加する。これにより、試料中の分子が、電気泳動溝５３内を電気泳動し、紫外線励起用光源６１から電気泳動溝５３内を泳動する試料中の分子に対し紫外線を照射し、その照射後の紫外線を光検出器６２で検出し、紫外線吸光度を測定する。

この従来の電気泳動装置によると、電気泳動溝全体に紫外線励起光を照射し、電気泳動溝を透過した紫外線の吸光度を測定するため、電気泳動溝全体に均一に照射する光源が必要であり、測定範囲で測定ムラが生じない光検出器が必要であるので、電気泳動装置として大型化するという問題があった。

また、紫外線の吸光度を測定する方法は、検出感度が低いため、近年の高感度化の要請に応えられない。

そこで、検出感度が高い測定方法として、紫外線励起蛍光検出法が用いられている。これは、電気泳動溝内に電気泳動用緩衝液と蛍光標識を付与した試料を満たし、陽極側電極および陰極側電極間に高電圧を印加し、試料中の分子を、電気泳動溝内で電気泳動させ、紫外線励起用光源により、電気泳動溝内を泳動する蛍光標識を付与した試料中の分子に対し励起光を照射し、その蛍光強度を光検出器で検出するものである。
特開２０００−３１０６１３号公報（０００３，００２７，００２８）

しかし、従来の紫外線励起蛍光検出法によれば、検出感度が向上するが、蛍光標識化するため、汎用性に欠け、用途が限定される。また、電気泳動溝全体に均一に照射する光源が必要であり、測定範囲で測定ムラが生じない光検出器が必要であるので、電気泳動装置として大型化するという問題があった。

従って、本発明の目的は、汎用性があり、高い検出感度で分析することができる小型の電気泳動装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、所定の電界下で測定試料を収容する試料流路と、前記試料流路に測定光を導入する入力導波路、および前記試料流路を通過した前記測定光を導出する出力導波路よりなる入出力導波路と、前記入力導波路に前記測定光を入力する光源と、前記出力導波路から出力される前記測定光を受光する光検出器とを備えた電気泳動装置であって、前記試料流路および前記入出力導波路は、無水合成石英ガラス基板によってマイクロチップとして構成され、前記光源および前記光検出器は、シリコン基板によって構成される基台部に備えられ、前記基台部および前記マイクロチップは、前記基台部に形成した凸条部または凹部と、前記マイクロチップに形成した凹部または凸条部と嵌合することにより固定されることを特徴とする電気泳動装置を提供する。

前記光導波路は、前記マイクロチップおよび前記基台部の屈折率よりも高い屈折率を有する金属元素を１種類以上添加した珪酸ガラスからなるコアを備えることが好ましい。

前記光源は半導体レーザであり、前記光検出器はフォトダイオードであることが好ましい。

本発明に係る電気泳動装置によれば、分離した試料に測定光を導入し、試料流路を通過し出力導波路から導出される測定光を検出するため、狭い範囲の光を検出するので、広い範囲の光を検出する場合に比べて高感度で分析することができる。

また、試料流路の長さ全体に渡って光を照射し、光を検出する必要がないので、装置の小型化を達成することができる。

本発明に係る電気泳動装置によれば、マイクロチップを無水合成石英ガラス基板により構成しているため、紫外線を減衰せずに透過するので、光源に紫外線を用いることができる。また、光源および光検出器が基台部に備えられるため、装置の小型化を達成することができる。

本発明に係る電気泳動装置によれば、一対の光導波路は、マイクロチップおよび基台部の屈折率よりも高い屈折率を有する金属元素を１種類以上添加した珪酸ガラスを用いるため、容易にコアを形成することができる。

本発明に係る電気泳動装置によれば、基台部とマイクロチップとを凹部および凸条部との嵌合により固定するため、容易に固定することができる。

本発明の電気泳動装置によれば、光源を半導体レーザとし、光検出器がフォトダイオードとするので、装置の小型化を達成することができる。

［本発明の実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る電気泳動装置図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う拡大断面図である。この電気泳動装置は、試料を分離するマイクロチップ１０と、マイクロチップ１０が搭載されるシリコンプラットフォーム１１とから概略構成される。

（各部の構成）
マイクロチップ１０は、組合わさって試料を分離する電気泳動溝５を形成する第１および第２の石英ガラス基板１，２から構成される。この第１および第２の石英ガラス基板１，２は、純粋ＳｉＯ_２からなり、金属等の不純物を含まない石英ガラス基板、特に、無水合成石英ガラス基板を用いる。

第１の石英ガラス基板１は、試料を注入し、図示しない電極により高電圧を印加する陽極側電極槽６および陰極側電極槽７を有する。

第２の石英ガラス基板２は、測定分子が電気泳動する電気泳動溝５と、電気泳動溝５の長さ方向の両側に電気泳動溝５に対して直角方向に形成された少なくとも一対の光導波路３と、第２の石英ガラス基板２を固定するときに位置決めの役目を果たす凹部４Ａとを有する。電気泳動溝５は、例えば、幅５０μｍ、深さ５０μｍ、長さ５ｃｍの大きさである。

一対の光導波路３は、励起光を電気泳動溝５に供給する入力導波路３Ａと、電気泳動溝５に供給された励起光が出力される出力導波路３Ｂとを有する。、

シリコンプラットフォーム１１は、マイクロチップ１０が搭載される凹部であるマイクロチップ搭載部１２と、凹部４Ａと組み合わせることにより位置決めの役目を果たす凸部１３Ａと、入力導波路３Ａに供給する光源としての半導体レーザ１４Ａおよび出力導波路から３Ｂから出力される光を検出する光検出器としてのフォトダイオード１５Ａとを有する。

（第１の石英ガラス基板の製造方法）
次に、図を参照しながら、各部の製造方法について説明する。
図３は、第１の石英ガラス基板１の製造方法を示す断面図である。まず、図３（ａ）に示すように外径４インチ、厚さ１０００μｍの無水合成石英ガラス基板３０を準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、後述する第２の基板に形成される電気泳動溝５に試料が注入される位置に対応する位置に機械加工により、陽極側電極槽６および陰極側電極槽７となる貫通穴を形成する。

（第２の石英ガラス基板の製造方法）
図４は、第２の石英ガラス基板２の製造方法を示す断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、外径４インチ、厚さ５００μｍの石英ガラス基板２０を準備し、その裏面にフォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを施して、図４（ｂ）に示すように、複数の凹部４を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、石英ガラス基板２０の表面に、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長法）法により、石英ガラスより屈折率の高い金属元素（例えば、Ｇｅ）を１種類以上添加したＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２ガラスを成膜した後、１０００〜１２００℃の範囲内で加熱処理を施し、ＳｉＯ_２−ＧｅＯ_２ガラスを所定の屈折率としたコアガラス膜２２を形成する。

次に、このコアガラス膜２２を、図４（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングにより所望のパターンの光導波路３に加工し、図４（ｅ）に示すように、光導波路３上に、プラズマＣＶＤ法により、約４００℃で純粋ＳｉＯ_２ガラスを成膜し、１１００℃の酸素雰囲気中で加熱処理を施してこの純粋ＳｉＯ_２ガラスを所望の屈折率としたクラッド層２４を形成する。

次に、図４（ｆ）に示すように、クラッド層２４上に、スパッタリング法により、金属膜からなる電気泳動溝加工用マスク２６を形成した後、図４（ｇ）に示すように、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングを用いて、開口２６Ａを形成する。その後、図４（ｈ）に示すように、反応性イオンエッチングにより、クラッド層２４、光導波路３および石英ガラス基板２０のエッチングを行い、直線導波路の約１０μｍ下まで掘り下げ、深さ５０μｍ、幅１００μｍの電気泳動溝５を形成する。次に、電気泳動溝加工用マスク２６を除去して、図４（ｉ）に示す第２の石英ガラス基板２を得る。

（マイクロチップの製造方法）
図５は、マイクロチップ１０の製造方法を示す断面図である。マイクロチップ１０は、第１の石英ガラス基板１および第２の石英ガラス基板２の接合面を化学的な処理を施し活性化させ、第１の石英ガラス基板１と第２の石英ガラス基板２とを重ね合わせ、電気炉内において約５００℃に加熱して接合し、ダイシング装置で所望の寸法に切り出すことにより製造する。

（シリコンプラットフォームの製造方法）
図６は、シリコンプラットフォームの製造方法を示す断面図である。図６（ａ）示すように外径４インチ、厚さ１０００μｍのシリコン基板４０に、図６（ｂ）に示すように、深さ５００μｍの平坦部１２Ａを形成する。さらに、マイクロチップ搭載部１２の内部に図６（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングにより、複数の凸部１３を形成する。さらに、シリコン基板４０上の所望の位置に、半導体レーザ１４及びフォトダイオード１５を搭載し、シリコンプラツトフォーム１１とする。

（実施の形態に係る電気泳動装置の動作）
次に、本実施の形態の電気泳動装置の動作について説明する。まず、分析する試料および必要な緩衝液を電気泳動溝５内に注入有し、図示しない電極間に高電圧を印加し、試料を分離する。分離した試料に半導体レーザ１４により紫外線を出射し、入力導波路３Ａを介して照射して、紫外線を試料に吸収させる。紫外線が吸収された後の紫外線を出力導波路３Ｂを介してフォトダイオード１５からなる光検出器で検出し、紫外線吸光度を測定する。

（実施の形態に係る電気泳動装置の効果）
本実施の形態によれば、光学測定を電気泳動溝に対し直交する入力光導波路と出力光導波路および半導体レーザとフォトダイオードで行うことで、背景光等の影響が少なく、高感度での光吸収強度を計測することが可能な電気泳動測定が実現できる。また、シリコンプラットフォーム上に、マイクロチップ、半導体レーザおよびフォトダイオードを搭載することで、従来に比べ非常に小型な電気泳動測定装置も実現できる。

なお、マイクロチップは、紫外線吸収や蛍光等により検出することから、透明または半透明の材料で作製されることが必要であるが、特に限定されるものではない。石英ガラスのほか、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の型で成型可能な材料で形成することが好ましい。

また、光源としては、半導体レーザのほか、水銀ランプ、フォトダイオード、発光ダイオード等が使用可能である。また、光検出器は、蛍光検出器、光電子倍増管、ＣＣＤ等が使用できる。

本発明の実施の形態に係る電気泳動装置の概略図である。図１のＸ−Ｘ線に沿う拡大断面図である。第１の石英ガラス基板の製造方法を示す断面図である。第２の石英ガラス基板の製造方法を示す断面図である。マイクロチップ１０の製造方法を示す断面図である。シリコンプラットフォームの製造方法を示す断面図である。従来のマイクロチップを使用した電気泳動装置の概略構成を示す図である。従来のマイクロチップを示す図である。

符号の説明

１第１の石英ガラス基板
２第２の石英ガラス基板
３光導波路
３Ａ入力導波路
３Ｂ出力導波路
４，４Ａ凹部
５電気泳動溝
６陽極側電極槽
７陰極側電極槽
１０マイクロチップ
１１シリコンプラットフォーム
１２マイクロチップ搭載部
１２Ａ平坦部
１３，１３Ａ凸部
１４，１４Ａ半導体レーザ
１５，１５Ａフォトダイオード
２０石英ガラス基板
２２コアガラス膜
２４クラッド層
２５金属膜
２６電気泳動溝加工用マスク
２６Ａ開口
３０無水合成石英ガラス基板
３１貫通穴
４０シリコン基板
５２，５１石英ガラス基板
５３電気泳動溝
５４陽極側電極層
５５陰極側電極層
６０マイクロチップ
６１紫外線励起用光源
６２光検出器
６２Ａ光検出部
６３陽極側電極
６４陰極側電極

Claims

所定の電界下で測定試料を収容する試料流路と、
前記試料流路に測定光を導入する入力導波路、および前記試料流路を通過した前記測定光を導出する出力導波路よりなる入出力導波路と、
前記入力導波路に前記測定光を入力する光源と、
前記出力導波路から出力される前記測定光を受光する光検出器とを備えた電気泳動装置であって、
前記試料流路および前記入出力導波路は、無水合成石英ガラス基板によってマイクロチップとして構成され、
前記光源および前記光検出器は、シリコン基板によって構成される基台部に備えられ、
前記基台部および前記マイクロチップは、前記基台部に形成した凸条部または凹部と、前記マイクロチップに形成した凹部または凸条部と嵌合することにより固定されることを特徴とする電気泳動装置。
前記入出力導波路は、前記マイクロチップおよび前記基台部の屈折率よりも高い屈折率を有する金属元素を１種類以上添加した珪酸ガラスからなるコアを備えることを特徴とする請求項１記載の電気泳動装置。
前記光源は、半導体レーザであり、前記光検出器は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１記載の電気泳動装置。