JP4801007B2 - 電気泳動装置及びそれに用いられるポンプ機構 - Google Patents

電気泳動装置及びそれに用いられるポンプ機構 Download PDF

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Description

本発明は、キャピラリ電気泳動装置及びその電気泳動装置に適したポンプ機構に関する。特に、キャピラリ又はキャピラリアレイに分離媒体となる電気泳動媒体であるゲルまたは流動性ポリマ溶液を充填する電気泳動装置及びその電気泳動装置に適したポンプ機構に関する。
キャピラリ電気泳動は、デオキシリボ核酸(DNA)をはじめ、多くの生体試料を分離分析する技術として広く普及している。その技術的な利点の一つは、キャピラリの表面積対体積率から生まれる、優れた放熱特性である。この放熱特性が、高電圧を用いた電気泳動による、高速で高分解能な試料分離を実現している。
さらに、キャピラリ電気泳動では、多数本のキャピラリを同時に使用して分析を行うマルチ化が容易であるという特徴も有している。マルチキャピラリ方式による高スループット電気泳動装置が実用化されている。
特許文献1及び特許文献2においては、16本のキャピラリからなるキャピラリアレイを使用した電気泳動装置を開示している。キャピラリは、内径数十〜数百ミクロンの細管であり、主な材料は石英であり、石英の外側を厚さ数十ミクロン程度のポリイミドでコーティングして機械的強度を付与している。電気泳動の際には、キャピラリに、試料分離媒体となる成分を充填して使用する。
電気泳動分離媒体としては、非流動性の架橋型ポリマが使用されたこともあったが、近年は、生産性や性能安定性の点で優れた、非架橋型の流動性ポリマ溶液が主流になっている。特許文献1においては、試料分離媒体であるゲル又はポリマをキャピラリに充填するためのポンプ機構を開示している。ポンプ機構としては、ガラスシリンジを開示しているが、ガラスシリンジ以外にも、サファイヤプランジャを駆動するポンプ機構を備えた電気泳動装置も存在する。
また、特許文献3においては、分析の種類や、ユーザが必要とするスループットに応じて、キャピラリの長さ、あるいは本数を変えることが開示されている。例えば、DNAの一塩基長の違いを、数百から一千塩基長程度まで見分けるような高分解能を要するアプリケーションにおいては、比較的長めのキャピラリが使用される。また、分離能を多少落としてでも、高速で分析を行いたい場合には、比較的短めのキャピラリが使用される。大規模な遺伝子解析センターなど、多数の試料を同時に扱うところにおいては、高いスループットが要求され、研究室レベルの小規模なユーザは低いスループットでも良いことがある。
また、特許文献3においては、ユーザが交換できる形態のキャピラリアレイが開示されている。キャピラリアレイは、試料導入側端部,光学検出部,ポリマ溶液供給端部の3ヶ所で押さえられる構造となっている。キャピラリアレイのポリマ溶液供給端部は、電気泳動装置のポンプ機構に接続される。
特許文献1〜3に開示の電気泳動装置において、より具体的には、ポリマ溶液供給端部は、16本のキャピラリが直径3.5mm程度の束状になっており、アクリル製のブロックに水平方向に挿入され、スリーブと押ネジにより密封接続される構造になっている。ブロックにはポリマ溶液を貯蔵するためのリザーバ用シリンジとキャピラリにポリマ溶液を高圧注入するための注入用シリンジが取り付けられている。両シリンジとも、ブロック内の流路を介して、キャピラリアレイと連通している。
さらに、バッファ液を収容する容器を取り付け可能な第2ブロックが備えられている。キャピラリアレイが取り付けられる第1ブロックと、上述の第2ブロックの間は、チューブで繋がれている。キャピラリアレイと、第2ブロックに供給されたバッファ液とは、第1ブロックに形成された流路、前記チューブ、第2ブロックに形成された流路を介して連通している。また、第2のブロックに供給されたバッファ液には、陽極側となる電極が挿入されるので、キャピラリアレイからバッファ液に通じる流路は電気泳動路となり、電気泳動の際には電圧が印加される。
電気泳動装置では、内径数十〜数百ミクロンのキャピラリに一般的に高い粘性を有する流動性ポリマを充填するために高圧力で充填を行っている。圧力が低いと、ポリマ充填に時間がかかってしまい、装置の処理能力が劣化するからである。また、性能のばらつき、劣化を防止するために、ポリマ充填は測定毎に行っている。分析時間を短縮し、装置の処理能力を向上するためには、安定して高圧力を発生できるポンプ機構が必要になる。
特許文献1においては、ポリマ充填のための圧力を発生させる手段として、モータの停動トルクを利用する手法が開示されている。負荷トルクが大きくなるにつれて回転数が下がり、やがて停止するというDCモータの特性を利用した方法である。
具体的には、以下のステップを繰り返して圧力をコントロールしている。(1)シリンジ内の圧力が所望の圧力まで上昇したら、負荷トルクが大きなり、DCモータが停止する。(2)ポリマがキャピラリ内に進行し、シリンジ内の圧力が下がったらモータが回転を始める。この場合、所望の圧力でモータが停止するように、モータに流す電流値を調整して、トルク特性をコントロールしている。所望の圧力は、通常、流路系に漏れや損傷が発生しない程度に設定される。また、上記と同様な方式をステッピングモータで実現している電気泳動装置も存在する。
特開2001−281221号公報 特開2001−324473号公報 特開2001−324475号公報
キャピラリ又はキャピラリアレイに分離媒体となるゲルまたは流動性ポリマ溶液を充填する必要がある電気泳動装置においては、装置の処理能力を高めるために、より高い圧力でキャピラリにポリマを充填する必要がある。しかし、実際には、装置の流路系の耐圧力には限界があるので、その限界よりも低い圧力でポリマ充填が行われる。また、ポンプ駆動系の特性などにより、圧力の変動、あるいは経時的にポンプ圧力が変化する場合は、それらの変化も考慮して、圧力が決して装置の耐圧を超えないように使用圧力を設定する。つまり、使用圧力は、ポンプ流路系の耐圧から圧力の変動分を差し引いた圧力以下に設定する必要がある。従って、変動が少ないポンプシステムの方が使用圧力を流路の耐圧に近づけることができ、結果的に使用圧力が高く、処理能力が優れた装置を実現するのに有利になる。
上述の装置では、モータのトルク特性を利用して圧力をコントロールしている。モータのトルク特性は環境温度により変化する。モータのトルク特性、具体的には、モータの停動トルクと起動トルクの再現性にばらつきがある。これら、モータトルク特性の変動は圧力変動をもたらす。さらに、モータの回転を直進運動に変化するリードネジ部の摩擦力が変化し、圧力の変動をもたらすことがある。上述の装置では、流路の耐圧から、少なくともこれらの変動分を差し引いた圧力で使用されている。
さらに、モータ間の特性ばらつきがあるので、これを補償するために、モータ毎に電流値の調整が必要である。調整作業は生産性を劣化させる。
また、少量のポリマを扱うシステムでは、プランジャ径が小さくなるため、圧力上昇による負荷トルクの変化が小さくなる。負荷トルクの変化が小さくなると、上述の方式では、圧力制御が難しい。
従って本発明の課題は、キャピラリアレイにポリマを充填するときに安定した圧力を得、充填時間を短縮し、装置の処理能力を向上した電気泳動装置を提供すること、並びに高い吐出圧力を安定して発生することができるポンプ機構を提供することである。
本発明は、電気泳動媒体が充填される一本以上のキャピラリと、前記キャピラリに接続可能で、該キャピラリに電気泳動媒体を充填するためのポンプ機構を含む電気泳動装置において、前記ポンプ機構が、少なくともプランジャと、該プランジャに結合し、該プランジャと一体になって移動するスライダと、前記スライダに力を加えるバネと、前記スライダの移動範囲を制限するためのカバーと、前記カバーに結合して直進運動する直動システムを備え、前記電気泳動媒体を前記ポンプ機構に吸入するときは、前記カバーと前記スライダが一体となって動作し、前記電気泳動媒体を前記ポンプ機構から前記キャピラリに充填するときは、前記バネの作用により前記プランジャを押し込むことを特徴とする電気泳動装置を提供するものである。
また、本発明は、電気泳動媒体を吸引又は圧入するためのプランジャと、該プランジャの一端に結合されたスライダと、該スライダと直動システムの接続体との間に圧縮して挿入されたバネと、前記スライダ、バネ及び接続体を同軸上に支持し、前記スライダ及びバネを軸方向に移動可能に支持し、かつ前記接続体に一端が固定されたカバーと、前記スライダとカバーとの相対位置を検出する手段とを備え、前記電気泳動媒体を吸入するときは、前記カバーとプランジャが一体となって一方向に移動し、前記電気泳動媒体を吐出するときは前記バネにより前記プランジャを他方向に押圧するように構成したことを特徴とするポンプ機構を提供するものである。
本発明によれば、キャピラリアレイにポリマを充填するときに安定した圧力を得ることができ、充填時間を短縮し、装置の処理能力が向上する。また、バネの作用によりプランジャを押し込むので、上述のような、モータの特性ばらつきに起因する圧力変動がない。
本発明は、キャピラリに分離媒体を充填するためのポンプ機構の圧力コントロールにバネを使用する電気泳動装置及びポンプ機構に関する。本発明の具体的な実施形態を例示すれば以下のとおりである。
前記電気泳動装置において、前記バネが、自然長よりも短い状態で装置に組み込まれていることが望ましい。また、前記ポンプ機構が、前記スライダに結合する検知棒と、前記検知棒を検出するためのセンサを備え、前記センサが、前記スライダが前記電気泳動媒体の充填完了の位置にあるときに、検知棒を検出する位置に配置されることが好ましい。前記電気泳動装置において、前記ポンプ機構が、さらに、前記スライダに結合するスリット板と、前記スリット板のスリットを検出するエンコーダを備え、前記エンコーダは前記カバーに取り付けられ、前記スライダと前記カバーの相対位置を検知することが好ましい。
本発明の他の観点による電気泳動装置は、電気泳動媒体が充填される複数のキャピラリを備えたキャピラリアレイと、該キャピラリアレイの一端に接続可能で、前記キャピラリに前記電気泳動媒体を充填するためのポンプ機構を有する電気泳動装置において、前記ポンプ機構は前記電気泳動媒体を吸引又は圧入するためのプランジャと、該プランジャの一端に結合されたスライダと、該スライダと直動システムの接続体との間に圧縮して挿入されたバネと、前記スライダ、バネ及び接続体を同軸上に支持し、前記スライダ及びバネを軸方向に移動可能に支持し、かつ前記接続体に一端が固定されたカバーと、前記スライダとカバーとの相対位置を検知する手段とを備え、前記電気泳動媒体を前記ポンプ機構に吸入するときは、前記カバーとプランジャが一体となって一方向に移動し、前記電気泳動媒体を前記キャピラリに充填するときは前記バネにより前記プランジャを押圧するように構成したものである。
上記電気泳動装置において、前記検出手段は、前記スライダに結合した検知棒などの検知体と、該検知体の位置を検出するためのセンサを備えたことが好ましい。また、前記検知手段は、前記カバーの軸方向に配列されたスリットを有しかつ前記スライダに結合したスリット板と、前記カバーに取り付けられ、該スリット板のスリットを検出するエンコーダを有することが好ましい。更に、前記センサが、前記スライダが電気泳動媒体の充填完了の位置にあるときに、検知棒を検知する位置に配置されることができる。
前記ポンプ機構において、前記検知手段は、前記スライダに結合した検知体と、該検知体の位置を検出するためのセンサを備えたものが好ましい。更に、前記検知手段は、前記カバーの軸方向に配列されたスリットを有しかつ前記スライダに結合したスリット板と、前記カバーに取り付けられ、該スリット板のスリットを検出するエンコーダを有することが好ましい。また、前記センサが、前記スライダがポリマ充填完了の位置にあるときに、検知棒を検出する位置に配置されることができる。
前記電気泳動装置において、好ましくは、バネを、電動直動部とプランジャの間に挿入し、前記プランジャの押し込み力を前記バネの作用で制御する。また、前記バネは、所望の特性が得られるように、バネ定数が小さいバネを変形された状態で組み込むことが好ましい。バネ定数が小さいバネを使用することで、バネ特性による圧力低下が抑えられる。
また、ポリマを吸入する方向に電動直動部が動くときに、前記電動直動部と一体となってプランジャが移動するように攻勢することが好ましい。これにより、プランジャを引いてポリマを吸入するときのプランジャ移動速度を精度良くコントロールすることができ、配管接続部などから気泡の混入を防ぐことができる。
また、前記スライダに検知板を設け、光学検出器により検知板が所定の位置に達したことを検知できるようにすることが好ましい。さらに、プランジャを押し切った位置にスライダが達したときに前記検知板がスライダを検出するように配置することが好ましい。それによって、電気泳動媒体であるポリマの充填終了を検知することができ、自動で次の動作に移ることができる。
また、本発明においては、構造的に、リードネジ部の摩擦力の変動の影響も受けない。バネの力はバネ特性と変形量で決まるので、本発明においては、装置ごとにキャリブレーションする必要がない。世の中には多様なバネが存在するので、本発明においては、幅広いプランジャサイズに対して対応可能である。また、本発明によれば、圧力センサを必要としないので、電気泳動装置及びポンプ機構のコストが抑えられる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は、キャピラリ電気泳動装置の基本的構成を示す概略図である。キャピラリ電気泳動装置は、電気泳動媒体である高粘性ポリマ溶液(以下、ポリマと称す)が充填されるキャピラリ(内径数十〜数百μmの細管)を含むキャピラリ電気泳動部、電気泳動分離された試料を検出する光学検出部を有する。また、キャピラリと接続できる接続流路を構成する流路ブロック104と、接続流路と連通し、キャピラリに電気泳動媒体を充填できるポンプであるポリマ注入機構を備える。ポリマ注入機構は、ポンプ103の操作により、ポリマを収容しているボトル(以下、ポリマボトルと称す)101からポリマを吸入し、そのポリマを例えば96本のキャピラリから成るキャピラリアレイに注入する動作を行う。
以下、装置構成の概略について説明する。96本のキャピラリを備えるキャピラリアレイ110は、その一端(試料注入端)がバッファ容器112中のバッファに浸漬され、他端が流路ブロック104に接続されている。流路ブロック104には、キャピラリアレイ110の他にポンプ103,キャピラリに注入するポリマが入ったポリマボトル101、及びもう一つのバッファ容器107が接続され、内部にそれらを連通する流路が形成されている。流路ブロック104とポリマボトル101の間には逆止弁102が配置され、ポンプ103からキャピラリアレイ110のキャピラリにポリマを注入する際に、ポリマボトル101への逆流を防いでいる。
ポリマボトル101は連続運転に必要十分な容量のものが用いられる。また、ポリマを吸入してもボトル内が負圧にならないように排気弁もしくはチューブ挿入口に十分な隙間を持たせた構造になっている。また、高低差による圧力でポリマボトル101からバッファ容器107側にポリマが逆流しないように、ポリマボトル101はバッファ容器107よりも低い位置に配置されている。このとき、逆止弁102の作用でポリマボトル101へのポリマもしくはバッファ液の流入は防止される。
バッファ容器107と流路ブロック104の間には電動のバッファバルブ105が配置されており、キャピラリアレイ110のキャピラリにポリマを注入する際にはバッファバルブ105を閉じて、キャピラリアレイとバッファ容器間の流路をクローズする。また、電気泳動のときはバッファバルブ105を開き、流路をオープンにしてキャピラリアレイとバッファ容器を連通させる。
図2は、キャピラリアレイ110の一例を示す概略図である。キャピラリアレイを構成する1本1本のキャピラリ201は、外径が0.1〜0.7mm、内径が0.02〜0.5mm程度で、外被はポリイミド樹脂でコーティングされている。キャピラリ自体は石英パイプであり複数本(本例では96本)のキャピラリを配列してキャピラリアレイを構成する。キャピラリアレイ110は、蛍光標識されたDNAサンプル等が入った試料容器から電気的な作用でキャピラリにサンプルを取り込むロードヘッダ202,ロードヘッダ202のサンプル番号順にキャピラリ201を配列固定する検知部(ウインドウユニット)205のキャピラリを束ねて接着したキャピラリヘッド203を備える。ロードヘッダ202から突出する試料注入端には、キャピラリに泳動電圧を印加するための中空電極204が設けられている。検知部(ウインドウユニット)205は、整列保持したキャピラリアレイに側方から光照射するための開口206とキャピラリから発せられた発光を取り出すための開口207とを備える。
図2に示したキャピラリアレイ110は、ロードヘッダ202から突出した中空電極204及びキャピラリ201の試料注入端が、蛍光標識されたDNAサンプルを入れたウェルを複数備えたサンプルトレイに浸漬され、他端のキャピラリヘッド203はポリマが入った流路ブロック104に耐圧気密で取り付けられる。流路ブロック104に接続されたバッファ容器107に浸漬された電極106とロードヘッダ202の中空電極204には高電圧電源114から数kV程度の高電圧印加され、試料容器(図省略)中の試料がキャピラリアレイの各キャピラリに電界注入される。
その後、キャピラリアレイ110の試料注入端は図1に示すようにバッファ容器112に浸漬され、各キャピラリに電界注入された試料が電気泳動されて分離する。図1では省略されているが、キャピラリアレイ110の試料注入端に試料容器やバッファ容器112を搬送するオートサンプラが備えられている。
レーザ光源111から発せられたレーザ光は、励起光学系によって検知部(ウインドウユニット)205に誘導され、照射する。励起光照射によってキャピラリ中を泳動している試料から発せられる信号光である蛍光は、検出光学系を介して光検出器108で検出される。キャピラリアレイ110は、交換可能な部品であり、ユーザの使用目的によりキャピラリ本数や長さが違うものが選ばれる。また、キャピラリアレイが汚染等により劣化すようなことがあっても交換する。なお、ここに示した装置構成はひとつの具体例を示すものであって、これによって本発明に条件や制限を与えるものではない。
図3に、本実施例におけるポンプ機構のプランジャ駆動機構の概略図を示す。本ポンプ機構は図1のポンプ103の役割を担う。ステッピングモータ301は入力されたパルス数に応じて回転し、リードスクリュー302を直進運動させ、位置決めを行う。アダプタ304はリードスクリュー302の一端に接合し、カバー307と連結する。カバー307の内部にバネ306とスライダ308が一列に組み込まれる。スライダ308はカバー307内を直進移動できる。バネ308は変形してスライダの動きに追随する。スライダ308のプランジャ311側への移動量はカバー307によって制限される。プランジャ311はポンプヘッド316に設けられる。バネ306はバネ定数がなるべく小さいものを、圧縮して組み込むのが望ましい。理由については後述する。
プランジャ311はスライダ308に結合し、スライダ308と一体となって移動する。スライダ308には検知棒312が備えられており、プランジャ311を押し切った位置にスライダ308があるときに、胴体303に固定された第1のセンサ313によって検知される。アダプタ304には第2の検知棒314が備えられており、前記アダプタ304が移動範囲のリミット位置に達したときに、胴体303に固定された第2のセンサ315によって検知される。
前記リミット位置は、ポリマを吸入するときの動作完了位置にする。プランジャ311は、ポリマを封止するためのシール310を介して、ポンプヘッド316のチャンバ部に挿入される。プランジャ311はポリマにコンタクトし、スライダ308を介して得たバネ306の力をポリマに伝える。
ポンプヘッドのチャンバは流路ブロック104に連通する。または、流路ブロック内にチャンバが形成された構造でも良い。いずれにしても、ポンプチャンバはポリマボトル101とキャピラリアレイ110に連通する。胴体303とポンプヘッド316を組み合わせることで、シールプッシャサポート305がシールプッシャ309を介してシール310を押さえつける構成になっている。
続いて、ポリマ注入時の手順について説明する。また、各ポイントでのスライダ308とカバー307の位置関係を図4(a)〜(c)に示す。なお、プランジャをチャンバ内に押し込む方向をモータの正転、プランジャを引き込む方をモータの反転として説明を行う。
まず初めに、図1において、バルブ105を閉じる。次に、ステッピングモータ301を反転して、第2センサ315が第2検出棒314を検出する位置までプランジャ311を引き込み、ポリマをポリマボトル101から吸入する。これが図4(a)に示した状態である。このとき、カバー307がスライダ308を支持するので、スライダ308はカバー307、アダプタ304、リードスクリュー302と一体となって移動する。
プランジャ311の移動速度はモータ301の回転数で決まる。ポンプ内が急激な負圧になることにより、流路の接続部などから空気を引き込んでしまわないように、プランジャ移動速度を設定する。ここでは、1回のポリマ注入で使用されるポリマ量以上のポリマを吸入することにする。続いて行うポリマ注入において、1ストロークのプランジャ移動で注入動作を完了するためである。他に、少量のポリマを吸入と少量のポリマ注入を、キャピラリのポリマ充填に必要な回数だけ繰り返すというやり方もある。
また、その他の形態として、ポリマ充填完了の状態、つまり、第1の検出棒312を第1のセンサ313が検知した状態を原点とし、そこから必要なパルス数をモータに入力してポリマを吸入するやりかたもある。この場合、第2センサ315、第2検出棒314は不要になる。
次にキャピラリへのポリマ注入を行う。ポリマ吸入動作完了の時点では、図4(a)のように、スライダ308とカバー307は、接触した状態になっている。ステッピングモータ301を正転させ、リードスクリュー302、アダプタ304、カバー307をポリマ注入動作完了の位置まで移動する。このとき、カバー307、アダプタ304、リードスクリュー302は一体となって移動する(以後、カバー307、アダプタ304、リードスクリュー302が一体となって移動することを単にカバー307が移動すると言うことにする)。ここで、カバー307はモータの回転速度に従って移動するのに対して、スライダ308は、モータの回転ではなく、ポリマがキャピラリに進入する流速に合わせて移動する。
本実施例では、カバー307がスライダ308よりも10倍以上速いスピードで移動するようにモータの回転数を設定することにする。こうすると、スライダ308とカバー307の移動量の差分だけバネ306が変形し〔図4(b)〕、変形したバネ306が、スライダ308およびプランジャ311を介してポリマに圧力を加えるようになる。キャピラリへのポリマ流入が進むにつれて、スライダ308が進行し、やがて、スライダ308がカバー307に接触したところでスライダ308は停止し、ポリマ充填が完了する〔図4(c))。つまり、ポリマ充填開始直後に、カバー307が先にポリマ充填完了の位置まで移動し、後からスライダ308が徐々にポリマの流速に合わせて追随してくるという仕組みである。スライダ308に取り付けられた検知棒312が第1センサ313に検知されるように配置することで電気的にポリマ充填完了を検知できる。
他に、モータをポリマの流速に合わせて回転させる、という方法がある。この場合、流路のどこかに漏れがあっても正常に動作を終了してしまう。上述の方式では、例えば、ポリマ充填開始から完了までの時間を測定すれば、漏れの有無をポリマ充填に費やした時間から判別できる。漏れがあるときはポリマ充填が通常よりも早く完了してしまうからである。最後に、バルブ105開けて電気泳動に備える。
次に、本実施例に適したバネの選定方法について説明する。本実施例では、カバー307が移動した直後にバネの圧縮量が最大で、圧力も最大になる。その後、プランジャ311が進むにつれて、バネ306の変形量が減り、圧力は徐々に小さくなっていくというプロファイルになる。圧力は、装置の耐圧を超えない範囲で大きく、変動が少ないほど好ましい。
プランジャ位置による圧力変化を小さくするためには、バネ定数が小さい方が好適であり、また、バネ定数を小さくすると、必要な圧力を得るために、バネの変形量を増やさなければならなくなる。そこで、本実施例では、バネ定数が小さく、カバー307内に組み込んだときに、必要な量だけ変形するサイズのバネを使用することにする。こうすることで、バネの変形量は組み込むときにあらかじめ変形される量と、ポリマ充填時にさらに変形する量の総和になる。
上述したように、本実施例では、ポリマ充填時に、カバー307とスライダ308の移動量の差分だけバネが変形する。ただし、バネには許容限界変形量があるので、変形の総和が前記限界を超えないようにバネを選定する必要がある。
図5は、本方式でポリマ充填を行ったときの圧力の時間変化を模式的に示した図である。図中にはバネ定数が異なる2つのタイプのものを示している。Aはバネ定数が小さいもの、Bはバネ定数がより大きいものを組み込んだときの圧力変化を示している。ポリマ充填開始時の圧力が同じだとしても、バネ定数が小さいものの方が、圧力変化が小さく、平均圧力が大きくなる。従って、ポリマ充填の高速化に有利である。
図6に、もう一つのプランジャ駆動機構の実施例の概略図を示す。図において、図3と同じ符号は同じ部材を示すので、特に必要でない限り、その説明を省略する。上述の実施例1との違いは、スライダ308に取り付けられるのが検知棒ではなく、複数のスリットを有するスリット板501であること、および、第1のセンサ313が、スリット数をカウントするエンコーダ502で、胴体303ではなく、カバー307に取り付けられることである。こうすることで、バネ特性による圧力変化を低減する制御方法が可能になる。詳細を以下に説明する。
図7は、実施例2における、ポリマ充填時のスライダ308とカバー307の位置関係を示している。まず、上述と同様な手順でポリマをポリマボトルから吸入する〔図7(a)〕。続いてポリマ充填を開始するときに、実施例1では、一気にカバー307をポリマ充填完了の位置まで移動させていたが、ここでは、最終的な移動量より短い距離だけ移動させる〔図7(b)〕。例えば、その移動量は、最終的な移動量の1/10程度にしもよい。実施例1のときと同様に、カバー307を移動させると、カバー307が先に進み、スライダ308はポリマの流速に従って、後から追随する。このとき、カバー307とスライダ308の位置関係がずれて、その相対距離がエンコーダ502で検出される。
やがて、スライダ308が進み、カバー307との相対距離が元の状態に近づいてきたら〔図7(c)〕、再びカバー307を少しだけ移動させる。カバー307とスライダ308の相対距離が縮まったことは、エンコーダ502で検出できる。この動作を、カバー307およびスライダ308がポリマ充填完了の位置に達するまで繰り返す。ここで、カバー307とスライダ308が完全にもとの位置関係に戻って、カバー307とスライダ308が接触してしまう前に、カバー307の次の移動を行うのがポイントである。スライダ308とカバー307が接触する位置に達してしまうと、バネの力がポリマに伝わらなくなってしまい、圧力が急減するからである。ただし、ポリマ充填完了時には、カバー307とスライダ308が接触して停止する。カバー307の移動量は、ステッピングモータ301への入力パルス数で制御する。
この方法の特徴は、バネの変形量が実施例1よりも少ないことである。実施例1ではポリマ充填に必要なストローク分だけバネを変形させていたので、そのストロークに相当する分だけ圧力減少を招いていた。実施例2では、バネの変形量を少なくできるので、バネ特性による圧力減少が少ない。実施例2では、ポリマ充填中のバネの変形量が少ないので、装置にインストールされた時点でほぼ必要変形量に近い状態になるようにする。
実施例2の方法でポリマ充填を行ったとき、圧力は図8のようになる。周期的な圧力変動は、上述のカバー307を移動するタイミングに相当する。
ポリマ注入機構を備えた電気泳動装置の基本的構成を示す概略図。 キャピラリアレイの基本的構成を示す概略図。 プランジャ駆動機構の実施例1を示す概略図。 実施例1の方式でポリマ充填を行ったときの駆動系の挙動を示す概略図。 実施例1での圧力の時間変化を示す概略図。 プランジャ駆動機構の実施例2を示す概略図。 実施例2の方式でポリマ充填を行ったときの駆動系の挙動を示す概略図。 実施例2での圧力の時間変化を示す概略図。
符号の説明
101…ポリマボトル、102…逆止弁、103…ポンプ、104…流路ブロック、105…バッファバルブ、107,112…バッファ容器、106…電極、108…光検出器、110…キャピラリアレイ、111…光源、114…高電圧電源、201…キャピラリ、202…ロードヘッダ、203…キャピラリヘッド、204…中空電極、205…検知部、206,207…開口、301…モータ、302…リードスクリュー、303…胴体、304…アダプタ、305…シールプッシュサポート、306…バネ、307…カバー、308…スライダ、309…シールプッシャ、310…シール、311…プランジャ、312…第1検知棒、313…第1センサ、314…第2検知棒、315…第2センサ、316…ポンプヘッド。

Claims (12)

  1. 電気泳動媒体が充填される一本以上のキャピラリと、前記キャピラリに接続可能で、該キャピラリに電気泳動媒体を充填するためのポンプ機構を含む電気泳動装置において、
    前記ポンプ機構は、
    ランジャと、
    該プランジャに結合し、該プランジャと一体に移動可能なスライダと、
    駆動機構を介して直進運動する直動システムと、
    前記直動システムに結合し、該直動システムと共にポンプの吸引方向と吐出方向に移動するカバーであって、前記スライダの前記吐出方向への移動を制限し、前記吸引方向の移動では前記スライダと係り合って該スライダを該カバーと共に移動させ、前記吐出方向では前記スライダと離れて独立した移動が可能な前記カバーと、
    前記カバー内で前記直動システムと前記スライダとの間に設けられ、前記カバーと前記スライダとの相対位置に応じて軸方向に伸縮変形するバネとを備え
    前記カバーは、ポンプ吸引位置から前記吐出方向に移動するときに、前記直動システムにより、前記スライダより先に移動して該カバーと前記スライダとの間に移動差が生じるよう設定され、この移動差で生じる前記バネの圧縮変形により生じるバネ力により前記スライダ及び前記プランジャを前記吐出方向に移動させて、前記電気泳動媒体を前記プランジャで前記キャピラリに押し込むように構成したことを特徴とする電気泳動装置。
  2. 請求項1記載の電気泳動装置において、前記バネが、自然長よりも短い状態で前記ポンプ機構に組み込まれていることを特徴とする電気泳動装置。
  3. 請求項1記載の電気泳動装置において、前記ポンプ機構が、さらに、前記スライダに結合する検知棒と、前記検知棒を検出するためのセンサを備え、前記スライダが前記電気泳動媒体の充填完了の位置にあるときに、前記センサが前記検知体を検出するように配置されたことを特徴とする電気泳動装置。
  4. 請求項1記載の電気泳動装置において、前記ポンプ機構が、さらに、前記スライダに結合するスリット板と、前記スリット板のスリットを検出するエンコーダを備え、前記エンコーダが前記カバーに取り付けられ、前記スライダと前記カバーの相対位置を検知することを特徴とする電気泳動装置。
  5. 電気泳動媒体が充填される複数のキャピラリを備えたキャピラリアレイと、該キャピラリの一端に接続可能で、該キャピラリに前記電気泳動媒体を充填するためのポンプ機構を有する電気泳動装置において、
    前記ポンプ機構は、
    ランジャと、
    該プランジャの一端に結合し、該プランジャと一体に移動可能なスライダと、
    駆動機構を介して直進運動する直動システムと、
    前記直動システムに接続体を介して結合し、該直動システムと共にポンプの吸引方向と吐出方向に移動可能なカバーであって、前記スライダバネと前記接続体を同軸上支持し、且つ前記スライダの前記吐出方向への移動を制限し、前記吸引方向の移動では前記スライダと係り合って該スライダを該カバーと共に移動させ、前記吐出方向では前記スライダと離れて独立した移動が可能な前記カバーと、
    前記スライダと前記カバーとの相対位置を検出する検知手段とを備え、
    前記バネは、前記スライダと前記直動システムの前記接続体との間に最大圧縮よりも小さな圧縮が予め与えられた状態で設けられ、且つ前記カバーと前記スライダとの相対位置に応じて軸方向に伸縮変形するように設定されており、
    前記カバーは、ポンプ吸引位置から前記吐出方向に移動するときに、前記直動システムにより、前記スライダより先に移動して該カバーと前記スライダとの間に移動差が生じるよう設定され、この移動差で生じる前記バネの圧縮変形と前記予め与えられた圧縮の力により前記スライダ及び前記プランジャを前記吐出方向に移動させるように構成したことを特徴とする電気泳動装置。
  6. 前記検知手段は、前記スライダに結合した検知体と、該検知体の位置を検出するための
    センサを備えたことを特徴とする請求項5記載の電気泳動装置。
  7. 前記検知手段は、前記カバーの軸方向に配列されたスリットを有しかつ前記スライダに結合したスリット板と、前記カバーに取り付けられ、該スリット板のスリットを検出する
    エンコーダを有することを特徴とする請求項5記載の電気泳動装置。
  8. 前記検知手段は、前記スライダが電気泳動媒体の充填完了の位置にあるときに、検知体を検出する位置に配置されることを特徴とする請求項5記載の電気泳動装置。
  9. ランジャと、
    該プランジャに結合し、該プランジャと一体に移動可能なスライダと、
    駆動機構を介して直進運動する直動システムと、
    前記直動システムに接続体を介して結合し、該直動システムと共にポンプの吸引方向と吐出方向に移動可能なカバーであって、前記スライダバネと前記接続体を同軸上支持し、且つ前記スライダの前記吐出方向への移動を制限し、前記吸引方向の移動では前記スライダと係り合って該スライダを該カバーと共に移動させ、前記吐出方向では前記スライダと離れて独立した移動が可能な前記カバーと、
    前記スライダと前記カバーとの相対位置を検出する検知手段とを備え、
    前記バネは、前記スライダと前記直動システムの前記接続体との間に設けられ、前記カバーと前記スライダとの相対位置に応じて軸方向に伸縮変形するように設定されており、
    前記カバーは、ポンプ吸引位置から前記吐出方向に移動するときに、前記直動システムにより、前記スライダより先に移動して該カバーと前記スライダとの間に移動差が生じるよう設定され、この移動差で生じる前記バネの圧縮変形により生じるバネの力により前記スライダ及び前記プランジャを前記吐出方向に移動させるよう構成したことを特徴とするポンプ機構。
  10. 前記検知手段は、前記スライダに結合した検知体と、該検知体の位置を検出するためのセンサを備えたことを特徴とする請求項9記載のポンプ機構。
  11. 前記検知手段は、前記カバーの軸方向に配列されたスリットを有しかつ前記スライダに結合したスリット板と、前記カバーに取り付けられ、該スリット板のスリットを検出するエンコーダを有することを特徴とする請求項9記載のポンプ機構。
  12. 前記検知手段は、前記スライダがポリマ充填完了の位置にあるときに、検知体を検出する位置に配置されることを特徴とする請求項9記載のポンプ機構。
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