JP4681433B2 - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

Description

本発明は、キャピラリ電気泳動装置に関し、特に、キャピラリの詰まりを検出する技術に関する。

キャピラリ電気泳動装置は、従来から用いられてきた平板型電気泳動装置に比べて熱放散性が高く、高い電圧を印加することができるため、高速で電気泳動を行うことができる利点を有する。したがって、キャピラリ電気泳動装置はDNAやタンパクの解析をはじめ様々な分離分析測定に利用されている。

近年用いられているキャピラリ電気泳動装置の多くは、分離媒体であるポリマーの詰め替えを自動で行える機構を有している。米国アプライドバイオシステムズ社より、プリズム310、3100、3730（商品名）として販売されているDNAシーケンサでは、シリンジやポンプを用いてキャピラリへのポリマー充填を自動的に行う。
特許第2776208号 ＷＯ２００３／０６２８１４

キャピラリ電気泳動装置では、試料及び分析の目的によって、キャピラリの長さや径などを変える必要があり、キャピラリを交換する。外したキャピラリは、通常、再使用するために、保存する。キャピラリ内には、ポリマーが充填されているが、それが乾燥し固化すると、再使用することできなくなる。そこで、キャピラリの両端が水やバッファなどの液体に浸かるように、容器に入れておく必要がある。

しかしながら、キャピラリの保存状態が悪く、又は、管理が不十分であると、キャピラリの先端が乾燥し、キャピラリに詰まりが発生することがある。

キャピラリの外観からは、詰まりを発見することはできない。詰まりがあるキャピラリを使用すると、測定のやり直しを行わなければならず、時間と試料の無駄使いとなる。特に、試料が微量しかなく、貴重である場合、試料を無駄遣いすることによる損害は極めて大きい。

本発明の目的は、キャピラリの詰まりを検出することによって測定のやり直しと試料の浪費を回避し、効率的に電気泳動を行うことにある。

本発明は、キャピラリに分離媒体を充填して電気泳動を行うキャピラリ電気泳動装置において、キャピラリに分離媒体を充填するのに要する時間を計測する計測部と、キャピラリに詰まりがあるか否かを判定する判定部とを有することに関する。

本発明は、キャピラリに試料を注入する前にキャピラリアレイの詰まりを通常の測定操作の中で検知することが可能となる。

図１は本発明によるキャピラリ電気泳動装置の構成の一例を示す。本例のキャピラリ電気泳動装置は、ポンプユニット10、オートサンプラユニット20、照射・検出ユニット30、高圧電源ユニット40、及び、恒温槽ユニット50、を有することに関する。

ポンプユニット10は、シリンジ101、ポリマーブロック102、逆止弁104、側流路切替弁106、ポリマーボトル108、及び、バッファ容器109を有し、キャピラリにポリマーなどの分離媒体を充填する。バッファ容器109には陽極側電極402が設けられている。ポンプユニットの動作は、後に詳細に説明する。

キャピラリアレイ110の先端のキャピラリヘッド112に装着されたチューブ111は、ポリマーブロック102に接続され、キャピラリアレイ110の下端にはキャピラリサンプル導入端側電極401が設けられている。

オートサンプラユニット20は、サンプルを分注したサンプル容器201、溶解した電解質を含むバッファ液を収容するバッファリザーバ202、又は、キャピラリ先端を洗浄する洗浄水を入れた容器や廃液を入れた容器をキャピラリサンプル導入端204に搬送し、又は、そこから搬出するオートサンプラ203を有する。

照射・検出ユニット30は、励起光302をキャピラリ検出部301に照射するレーザやLEDなどの光源と、キャピラリ検出部301からの蛍光を検出する信号検出機構303を有する。高圧電源ユニット40は、キャピラリサンプル導入端側電極401と陽極側電極402の間に高電圧を印加する高圧電源403を有する。恒温槽ユニット50はキャピラリアレイ110を収容する恒温槽501を有する。

図２は本発明によるキャピラリ電気泳動装置の制御部の構成を示す。本例の制御部600は、キャピラリに分離媒体を充填するのに要する時間を計測する計測部601と、キャピラリに詰まりがあるか否かを判定する判定部602と、警告を発する警告発生部603と、測定を中止させる中止部604と、実験条件及びアプリケーション毎に設定された規定時間を有するテーブル605と、を有する。判定部602は、計測部601によって計測された充填時間がテーブル605に登録された規定時間を超えたとき詰まりがあると判定し、警告発声部603、又は、警告発声部603及び中止部604に命令信号を出力する。警告発生部603は、判定部からの命令信号により警告を発する。中止部604は、判定部からの命令信号により測定を中止する。

図３を参照して、本発明によるキャピラリ電気泳動装置の動作を説明する。ステップＳ201にて、オートサンプラ203によって廃液容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬する。この廃液容器には、キャピラリより押し出された廃分離媒体を溶解するための水が収容されている。ステップＳ202にて、シリンジ101を操作し、使用済の分離媒体を廃液容器に押し出し、キャピラリに新しい分離媒体を注入する。

ステップＳ203にて、オートサンプラ203によって洗浄水容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬し、キャピラリサンプル導入端204を洗浄する。ステップＳ204にて、バッファ容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬する。ステップＳ205にて、サンプルを注入せずにキャピラリに電圧を印加して、予備泳動を行う。

ステップＳ206にて、オートサンプラ203によって洗浄水容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬し、キャピラリサンプル導入端204を洗浄する。ステップＳ207にて、オートサンプラ203によってサンプル容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬し、キャピラリサンプル導入端204をサンプル容器内のサンプル溶液に浸す。

ステップＳ208にて、キャピラリに電圧を印加して、サンプルを電気力学的にキャピラリ内に注入する。ステップＳ209にて、オートサンプラ203によって洗浄水容器をキャピラリサンプル導入端204に運搬し、キャピラリサンプル導入端204を洗浄する。ステップＳ210にて、バッファ容器をオートサンプラ203によりキャピラリサンプル導入端204に運搬する。ステップＳ211にて、泳動電圧をキャピラリに印加して、電気泳動を行う。

図４〜図６を参照して、ポンプユニットの動作を詳細に説明する。ポンプユニットは、内部に細管103が形成されたポリマーブロック102を有する。ポリマーブロック102の上端にはシリンジ101が接続されている。ポリマーブロック102の下端には管105、107が接続されている。管105は逆止弁104を有し、下端がポリマーボトル108に挿入されている。管107は、流路切替弁106を有し、下端がバッファ容器109に挿入されている。ポリマーブロック102の側端には、チューブ111が接続され、チューブ111にはキャピラリヘッド112が接続されている。シリンジ101、管105、107及びチューブ111は、ポリマーブロック102の細管103に接続されている。

本例では、ポリマーをキャピラリに充填するためにポリマーを吸引・吐出する手段としてシリンジ101を用いているが、ポンプなどの他のポリマー吸引・吐出手段を用いてもよい。また、流路切替弁106は、ピンバルブやロータリー型バルブなど、その形態は問わない。陽極の電極402がバッファ容器109内のバッファに浸っている。

図４は、流路切替弁106を閉じて、シリンジ101を吸引した状態を示す。ポリマーボトル109内のポリマーは、管105、逆止弁104及びポリマーブロック102内の細管103を経由してシリンジ101へ流れる。それによって、シリンジ101はポリマーによって充填される。

図５は、流路切替弁106を開けて、シリンジ101を押し出した状態を示す。シリンジ101内のポリマーは、ポリマーブロック102内の細管103及び流路切替弁106を経由してバッファ容器109へ流れる。ポリマーが、バッファ容器109へ流れることによって逆止弁104の吐出側が負圧になり、ポリマーボトル108内のポリマーが逆止弁104を経由してポリマーブロック102内の細管103に流れる。それによって、ポリマーブロック102内の細管103はポリマーによって充填され、気泡が除去される。

図６は、再び、流路切替弁106を閉じて、シリンジ101を押し出した状態を示す。シリンジ101内のポリマーは、ポリマーブロック102内の細管103を経由してチューブ111内に流れ、更に、キャピラリ内に流れる。流路切替弁106は閉じられているから、ポリマーがバッファ容器109に流れることはない。ポリマーが、キャピラリ内へ流れることによって逆止弁104の吐出側が負圧になり、ポリマーボトル108内のポリマーが逆止弁104を経由してポリマーブロック102内の細管103に流れる。

ポリマーが、キャピラリ内へ流れることによって、キャピラリ内の使用済ポリマーはキャピラリサンプル導入端より排出する。

本例では、シリンジ101側からポリマーブロック102内の細管103を加圧してキャピラリにポリマーを充填した。しかしながら、キャピラリにポリマーを充填する方法はこれに限定されるものではない。例えば、キャピラリのサンプル導入端204を新しいポリマーの入った容器を浸し、シリンジ101側からポリマーブロック102内の細管103を減圧することにより、キャピラリにポリマーを充填してもよい。

キャピラリの内径は、1mm以下であり、よく用いられるものは0.02mm〜0.2mm程度であり、非常に細い。このため、キャピラリに詰まりが発生すると、それを除去することは非常に困難である。ポリマーに配合されている物質の例として、DNA変性剤である尿素がある。尿素は、通常の状態ではポリマーに完全に溶解しているが、高濃度であるため、結晶化し易い。従って、尿素が結晶化すると、キャピラリの詰まりの原因となる。キャピラリの詰まりは、外観から見つけ出すことはできない。本発明によると、サンプルをキャピラリに注入する前に、一連の通常の測定操作の中で、キャピラリの詰まりの有無を判定する。

本発明によるキャピラリの詰まりの検出方法の原理を説明する。キャピラリアレイに充填されるポリマーの量は、ポリマーの種類、キャピラリの本数、内径、長さ、材質、温度等の実験条件によって決まるが、これらの実験条件が同一であれば同一である。即ち、キャピラリアレイに充填されるポリマーの量は、実験条件及びアプリケーションによって一定の量に定められている。

キャピラリアレイに詰まりが無ければ、ポリマーの充填時間は一定の範囲内に収まるはずである。しかしながら、キャピラリに詰まりがあると、ポリマーの充填時間は一定の範囲に収まらず、より長くかかる。たとえば、4本のキャピラリのうち１本に詰まりがある場合、３本のキャピラリに４本分のポリマーを充填させなければならない。従って、ポリマーの充填時間は本来より長くかかる。そこで、ポリマーの充填時間を計測し、それが一定の範囲に収まるか否かで詰まりの有無を判定する。

図７を参照して、本発明によるキャピラリアレイに詰まりがあるか否かを判定をする処理を説明する。ステップS601にて、キャピラリへのポリマーの充填を開始し、規定量のポリマーを充填するのに要する時間を測定する。ステップS602にて、ポリマーの充填時間が、規定時間の範囲にあるか否かを判定する。この規定時間は、ポリマーの種類、キャピラリの本数、内径、長さ、材質、温度等の実験条件及びアプリケーションによって、予め設定する。ポリマーの充填時間が、規定時間の範囲にある場合には、ステップS603に進み、キャピラリアレイに詰まりがないと判定する。ステップS604にて、電気泳動測定を続行する。

ポリマーの充填時間が、規定時間の範囲にない場合には、ステップS605に進み、キャピラリアレイに詰まりがあると判定する。ステップS606にて、詰まりの警告を出し、必要に応じて電気泳動測定を中止する。

以上本発明の例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明によるキャピラリ電気泳動装置の一例を示す図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置の制御部の一例を示す図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置によるキャピラリ電気泳動の測定の流れを示す図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置においてポリマーをキャピラリに充填する方法を説明するための説明図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置においてポリマーをキャピラリに充填する方法を説明するための説明図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置においてポリマーをキャピラリに充填する方法を説明するための説明図である。 本発明によるキャピラリ電気泳動装置においてキャピラリの詰まりを検出する処理を示す図である。

符号の説明

10…ポンプユニット、20…オートサンプラユニット、30…照射・検出ユニット、40…高圧電源ユニット、50…恒温槽ユニット、101…シリンジ、102…ポリマーブロック、103…管、104…逆止弁、105…管、106…流路切替弁、107…管、108…ポリマーボトル、109…バッファ容器、110…キャピラリアレイ、111…チューブ、112…キャピラリヘッド、201…サンプル容器、202…バッファリザーバ、203…オートサンプラ、204…キャピラリサンプル導入端、301…キャピラリ検出部、302…励起光、303…信号検出機構、401…キャピラリサンプル導入端側電極、402…陽極側電極、403…高圧電源、501…恒温槽、601…計測部、602…判定部、603…警告発生部、604…中止部、605…テーブル

Claims (3)

1. キャピラリに分離媒体を充填して電気泳動を行うキャピラリ電気泳動装置において、
   キャピラリに分離媒体を充填するのに要する時間を計測する計測部と、
   キャピラリに詰まりがあるか否かを判定する判定部と、
   実験条件及びアプリケーション毎に設定された規定時間を有するテーブルと、
   を有し、
   上記判定部は、上記計測部によって計測された充填時間が、前記テーブルが有している規定時間を超えている場合に、キャピラリに詰まりがあると判定する
   ことを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
2. 請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置において、上記判定部によってキャピラリに詰まりがあると判定された場合に、警告を発する機構を有す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に記載のキャピラリ電気泳動装置において、上記判定部によってキャピラリに詰まりがあると判定された場合に、警告を発し、さらに測定を中止する機構を有するキャピラリ電気泳動装置。

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