JP5039585B2 - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、核酸やタンパク質等を分離分析する電気泳動装置に関し、例えば、キャピラリに泳動媒体を充填する泳動媒体充填ユニットの流路の構造に関する。
近年、高分子ゲルやポリマ溶液などの泳動媒体(分離媒体)をキャピラリに充填するキャピラリ電気泳動装置が開発されている。例えば、特開2001−324473号公報に開示されているように、キャピラリ電気泳動装置の基本構成は、キャピラリ,キャピラリの両端に高電圧を印加する電源,レーザー光光源等からなる照射系,蛍光を検出する受光光学系,キャピラリの温度を制御する温調部,キャピラリに泳動媒体を充填する泳動媒体充填ユニット等である。試料を分析する際には、蛍光標識されたDNA等の試料をキャピラリの分離媒体の中にて電気泳動を行い、分子サイズ順に分離をし、蛍光標識に照射光を照射し、生じる蛍光を検出する。電気泳動の際、分子サイズ順に泳動速度が異なるので、分子サイズ順に分離が起こる。
キャピラリの内径が数十μmであり流路抵抗が大きいことや、泳動媒体が水と比べて数〜数百倍の高粘性であるため、泳動媒体の充填には高い圧力を要する。しかし、必要以上に高い圧力を発生させると、ポンプやキャピラリが破損する可能性がある為、一定の範囲で圧力を制御する必要がある。従来、泳動媒体を充填するために、プランジャポンプが用いられてきた。ポンプ駆動系の一部が一定の力で移動することで、プランジャに一定の力が負荷され、結果圧力が一定に制御されてきた。
尚、特開平2−86970号公報には、液体クロマトグラフィで用いられるプランジャポンプにおいて、プランジャの洗浄機構を設けることが開示されている。
特開2001−324473号公報 特開平2−86970号公報
泳動媒体充填時にはプランジャシールから泳動媒体がリークする。泳動媒体は乾燥すると結晶化するが、プランジャ周辺で結晶化すると、シール部でプランジャが固着して動かなくなったり、プランジャやシールが結晶により傷つきシール性能が劣化したりする。そのため、プランジャシールからリークした泳動媒体を洗浄し、プランジャやプランジャシール部で泳動媒体が結晶化しないための洗浄機構が必要となる。
キャピラリ内に泳動媒体を充填する際、ポンプ内流路は高圧になる。そのため、プランジャシールから泳動媒体が漏れる。洗浄機構が常時閉じている場合、漏れ出た泳動媒体により、洗浄機構の内圧が上昇する。洗浄機構の内圧が上昇すると、駆動部側のシールからの洗浄機構の液漏れが促進される。駆動部側のシールから漏れた溶液には泳動媒体を含んでいる。そのため、駆動部内に駆動部側のシールから漏れた溶液が付着し、結晶化すると駆動部の運動が妨げられる。したがって、洗浄機構の圧力は大気圧程度であることが望まれる。
また、洗浄液を交換・充填しなかった場合、泳動媒体の濃度が高くなった洗浄液が、駆動部側のシールから漏れ、泳動媒体が結晶化し、駆動部側のシールが傷ついたり、駆動部の運動が妨げられたりする。この為、洗浄液の交換・充填の時期をユーザが理解できることが望ましい。交換の時期は、洗浄液における泳動媒体の濃度で決まる。泳動媒体の濃度は、洗浄液中の泳動媒体の量/洗浄液の量なので、洗浄液の泳動媒体の量が一定以上になった場合や蒸発により洗浄液が一定以下になったとき、洗浄液を交換・充填する必要がある。
本発明の目的は、キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプにおいて、泳動媒体の結晶化による性能低下を防ぐことに関する。好ましくは、洗浄機構内の圧力を大気圧程度であること、及び、洗浄液の交換・充填時期を容易に理解できることを目的とする。
本発明は、キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプの洗浄機構において、泳動媒体の量,洗浄液の量、又は洗浄機構内の圧力により、液面が変動する部分を設け、洗浄機構内の圧力を大気圧程度に保つこと、に関する。
また、好ましくは、液面が変動する箇所に洗浄液の交換・充填の時期を示す目盛り等の指標を設けたり、洗浄液の交換・充填の時期を示すPC等の表示装置を設けること、に関する。
本発明によると、キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプの性能を維持できる。また、洗浄液の交換の時期を、ユーザは容易に理解できる。
以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と利益を、図面を参酌して説明する。ただし、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。また、各実施例は、適宜組み合わせることができる。
図1に、本実施例における電気泳動装置の全体構造を示す。
本実施例は、泳動媒体が充填されるキャピラリと、キャピラリの両端に電圧を印加する高圧電源と、電気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光学系と、キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプと、プランジャポンプのプランジャと接触するように洗浄液を保持する空間を備えた洗浄機構と、を備え、当該空間の一部が大気に開放されている電気泳動装置に関する。
また、前記空間と繋がっているチューブを備え、当該チューブを介して、前記空間の一部が大気に開放されている。
また、洗浄液の交換・充填時期を示す指標が、チューブに設けられている。
より具体的には、本実施例の電気泳動装置は、単数もしくは複数本のキャピラリを含むキャピラリアレイ101,キャピラリアレイ101に泳動媒体を注入するするプランジャポンプ102,キャピラリアレイ101内のサンプルに光を照射し、サンプルの蛍光を検出する光学系103,キャピラリアレイ101に高電圧を加える電源ユニット104,キャピラリを恒温に保つ恒温槽105,バッファ又は純水が入った容器106や試料が入った試料容器107をキャピラリ陰極側端に搬送する搬送機108を有する。
本実施例の電気泳動装置に用いるプランジャポンプ102を図2に示す。図2(a)はプランジャポンプ102の正面図、図2(b)は断面図である。プランジャポンプ102は、キャピラリ接続部111から電極210まで、泳動媒体が充填された流路211を形成している。本実施例では、アクリルブロック203内に流路211を形成している。この流路211の途中にプランジャ202がある。プランジャポンプ102は、アクリルブロック203,プランジャ202,プランジャシール204,駆動系208からなる。駆動系208にはモータで駆動するリニアアクチュエータ2081を用いる。プランジャ202の位置は、モータ軸についたロータリエンコーダ2082から算出される。流路211が詰まった時に、流路内の圧力が過剰に上がらないように、一定の圧力以上でモータが脱調するようにモータに印加する電圧を調整する。便宜上、プランジャ202を押し出す方向をX方向とする。
泳動媒体をアクリルブロック203のチャンバー2031に充填する際には、リニアアクチュエータ2081のプランジャ202を−X方向に引っ込め、大気圧により泳動媒体用ボトル220からチャンバー2031内へ泳動媒体が吸い込まれる。
泳動媒体をキャピラリアレイ101に充填する際には、ピンバルブ116を閉じ、プランジャ202をX方向に押し出す。キャピラリアレイ101の流路抵抗は数MPa/(μl/s)に対し、プランジャ202の移動速度は数十μl/s相当なので、流路内の圧力は急上昇する。モータの印加電流が数MPa以上になると脱調するように調整している。そのため、流路211内の圧力が数MPaに維持されつつ、プランジャ202がX方向に進む。キャピラリアレイ101に泳動媒体を充填する分、プランジャ202がX方向に動き、プランジャ202の移動が終了する。その後ピンバルブ116を開き、泳動媒体の充填を完了する。
洗浄機構301として、本実施例1のプランジャポンプ102には、プランジャ202を洗浄するためのWater pool3011が備わっている。Water pool3011には、シリンジ3012とシリンジ用fittingA3013、大気に晒された廃液用チューブ3014が備わっている。Water pool3011の容量は1mL弱程度、シリンジ3012は2.5mL〜5mL程度である。
図3に、シリンジ用fittingAの拡大図を示す。シリンジ用fittingAは、シリンジをアクリルブロックと接続する為に使用し、シリンジの脱着が可能で、奥まで閉めると栓になる。シリンジ3012とシリンジ用fittingA3013は、ルアーロックで脱着・接続が可能になっている。シリンジ用fittingA3013には、Oring3113と先端部の穴3213,ネジ部3313がある(図3(a))。アクリルブロック203内のシリンジ用fitting用ネジ部3313に、シリンジ用fittingAのネジがはまる。シリンジ用fittingAのネジを締め付けると、先端部の穴3213より、さらに先端のテーパー部がアクリルブロックの縁2032に当り、シールされ、シリンジ用fittingAは栓として機能する。この状態から、緩めると、シリンジ用fittingA3013の先端部の穴3213とシリンジ3012が流路的に繋がる(図3(b))。
図4に、Water poolの拡大図を示す。Water pool3011内には、シール抑え部3911がある。シール抑え部3911は、アクリルブロック203と駆動系208に挟まれ、アクリルブロック203に付いた、プランジャシール204を抑えている。また、シール抑え部3911には、洗浄液が駆動系208側にもれないために内側にシール3111と外側にOring3211が付いている。各材質は、耐薬品性を考慮し、PEEK,UHMPEやフッ素系のゴムが望ましい。
図5に、廃液用チューブの拡大図を示す。大気に晒された廃液チューブ3014端面には、洗浄液の交換・充填の時期を示す指標となる目盛りが設けられている。
洗浄機構の洗浄液を交換・充填する際は、下記手順で行う。
(手順1)シリンジ3012をシリンジ用fittingA3013から外し、シリンジ3012内に洗浄液を充填させる。その後、洗浄液が充填されたシリンジ3012を、シリンジ用fittingA3013に取付ける。
(手順2)シリンジ3012のピストンを押し、洗浄液を交換・充填させる。洗浄液は廃液チューブ3014から流れ、廃液容器401に落ちる。
(手順3)シリンジ用fittingA3013を締め付け、シリンジ用fittingA3013の先端部とアクリルブロック203の縁2032をシールする。
(手順4)溜まった廃液容器401内の廃液を捨てて、廃液容器401を元にもどし、交換・充填は完了する。
本実施例では、廃液チューブ3014が大気に晒されている為、Water pool3011の圧力は大気圧に保たれている。
また、大気に晒されているので、廃液チューブ3014の端面から水が蒸発する。この水面が蒸発により上昇し、目盛り3114に達した時に、洗浄液を交換する。
尚、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量は、キャピラリアレイ101に泳動媒体を充填する頻度に依存する為、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量に比べて、洗浄液が蒸発する量が多くなるように廃液チューブ3014径を調整する。
本実施例は、プランジャポンプのプランジャと接触するように洗浄液を保持する空間と繋がっている廃液容器を備え、当該廃液容器に設けられた穴を介して、前記空間の一部が大気に開放されている電気泳動装置に関する。また、洗浄液の交換・充填時期を示す指標が廃液容器に設けられている。
より具体的には、実施例1では、廃液チューブ3014を大気に晒しているが、本実施例では、廃液チューブ3014を、洗浄液が入った廃液容器401につけている。以下、実施例1との相違点を中心に説明する。
図6は、本実施例のプランジャポンプユニットの概略図である。廃液容器401には、蓋4011があり、廃液チューブ3014を差し込むとOring4012で廃液チューブ3014は固定(シール)される。廃液容器401の一部には、複数の穴4013が存在する。また、廃液容器401の表面には、洗浄液の交換・充填の時期を示す指標となる目盛り4014が設けられている。廃液容器401の体積は、シリンジ3012の体積の1.5〜2倍程度が望ましい。
洗浄機構の洗浄液を交換・充填する際は、下記手順で行う。
(手順1)廃液容器401内に挿された廃液チューブ3014を取出し、廃液容器401の蓋4011を開け、廃液を捨てる。
(手順2)シリンジ3012をシリンジ用fittingA3013から外し、シリンジ3012内に洗浄液を充填させる。その後、洗浄液が充填されたシリンジ3012を、シリンジ用fittingA3013に取付ける。
(手順3)シリンジ3012のピストンを押し、洗浄液を交換・充填させる。洗浄液は廃液チューブ3014から流れ、廃液容器401に溜まる。
(手順4)シリンジ用fittingA3013を締め付け、シリンジ用fittingA3013の先端部とアクリルブロック203の縁2032をシールさせ、交換・充填は完了する。
本実施例では、穴4013により、廃液容器401の内部が大気に晒されている為、Water pool3011の圧力は大気圧に保たれている。
また、廃液容器401の内部が大気にさらされている為、廃液容器401の水は蒸発していく。洗浄液の交換は、廃液容器401の水面が蒸発により下降し、目盛り4014に達した時に実施する。尚、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量は、キャピラリアレイ101に泳動媒体を充填する頻度に依存する為、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量に比べて、洗浄液の蒸発量が多くなるように廃液容器401の径や廃液溶液401の穴4013を調整する。
若しくは、上記とは逆に、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量に比べて、洗浄液の蒸発量が少なくなるように、廃液容器401の径や廃液溶液401の穴4013を調整してもよい。この場合は、水面が上昇し、目盛りに達した時に交換する。
実施例2では、穴4013の空いた廃液容器401を用いているが、本実施例では、切れ目の入ったゴムを蓋4011の間に挟んだ廃液容器401を用いる。以下、実施例1及び2との相違点を中心に説明する。
本実施例では、廃液チューブ3014はゴムの切れ目に差し込む。この時、ゴムの切れ目と廃液チューブ3014の間に隙間が生まれる為、廃液容器401の溶液は大気にさらされることになる。ゴムの材質としては、耐薬品性が高く、永久歪が少ない、シリコンゴムが望ましい。
本実施例は、プランジャポンプのプランジャと接触するように洗浄液を保持する空間を備えた洗浄機構と、大気中にプランジャが配置されたジリンジを備え、前記空間の一部が当該シリンジに繋がっている電気泳動装置に関する。また、洗浄液の交換・充填時期を示す指標が前記シリンジに設けられている。
より具体的には、本実施例では、プランジャポンプ102に、プランジャ202を洗浄するためのWater pool3011が備わっている。以下、実施例1〜3との相違点を中心に説明する。
図7は、本実施例のプランジャポンプユニットの概略図である。Water pool3011には、シリンジ3012とシリンジ用fittingB703,廃液用fittingA701,大気に晒された廃液チューブ702が備わっている。シリンジ用fittingBは、シリンジとアクリルブロックとを接続するために使用し、シリンジの脱着が可能であるが、奥まで閉めても栓とならない。廃液用fittingAは、廃液用チューブとアクリルブロックを接続する為に使用し、シリンジの脱着はできないが、奥まで閉めると栓となる。Water pool3011の容量は1mL弱程度、シリンジ3012は2.5mL〜5mL程度でよい。
シリンジ3012とシリンジ用fittingB703は、ルアーロックで脱着・接続が可能になっている。シリンジ用fittingB703には、Oringと先端部の穴,ネジ部がある。アクリルブロック203内のシリンジ用fittingB用ネジ部に、シリンジ用fittingBのネジがはまる。シリンジ用fittingB703の先端部には穴があり、シリンジ3012が流路的に繋がっている。シリンジ3012には、交換用の目盛り3112が振ってある。
廃液用fittingA701には、Oringと先端部の穴,ネジ部があり、シリンジ用fittingA3013と似た構造をとる。アクリルブロック203内の廃液用fittingA701用ネジ部に、廃液用fittingA701のネジがはまる。廃液用fittingA701のネジを締め付けると、先端部の穴より、さらに先端のテーパー部がアクリルブロック203の縁に当り、シールされ、廃液用fittingA701は栓として機能する。この状態から緩めると、廃液用fittingA701の先端部の穴と廃液チューブ702が流路的に繋がる。
洗浄機構の洗浄液を交換・充填する際は、下記手順で行う。
(手順1)シリンジ3012をシリンジ用fittingB703から外し、シリンジ3012内に洗浄液を充填させる。その後、洗浄液が充填されたシリンジ3012を、シリンジ用fittingB703に取付ける。
(手順2)廃液用fittingA701を緩める。
(手順3)注入ラインを示した目盛り3112までシリンジ3012のピストンを押し、洗浄液を交換・充填する。洗浄液は廃液チューブ702から流れ、廃液容器401に落ちる。
(手順4)廃液用fittingA701を締め付け、廃液用fittingA701の先端部とアクリルブロック203の縁をシールする。
(手順5)溜まった廃液容器401内の廃液を捨てて、廃液容器401を元にもどし、交換・充填は完了する。
本実施例では、プランジャシール204から泳動媒体が漏れた分、シリンジ3012のピストンが上昇する。シリンジ3012の交換ラインの目盛り3112までピストンが上昇したら、洗浄液の交換・充填を行う。本実施例では、シリンジ3012のピストンを動かすために、Water pool3011内の圧力が、ピストンのシール抵抗の分、大気圧より高くなる。また、本実施例では、蒸発用の穴や隙間がない為、長期間保存してもWater pool3011まで乾燥することはなく、Water pool3011内で泳動媒体の結晶化は起きない。
本実施例のプランジャポンプ102には、プランジャ202を洗浄するためのWater pool3011が備わっている。また、実施例4と異なり、Water pool3011には、シリンジ3012とシリンジ用fittingB、大気に晒された廃液用チューブ3014が備わっている。以下、実施例1〜4との相違点を中心に説明する。
シリンジ3012とシリンジ用fittingBは、ルアーロックで脱着・接続が可能になっている。シリンジ用fittingBには、Oringと先端部の穴,ネジ部がある。アクリルブロック203内のシリンジ用fittingB用ネジ部に、シリンジ用fittingBのネジがはまる。シリンジ用fittingBの先端部には穴があり、シリンジが流路的に繋がっている。廃液チューブ3014の末端は、洗浄液が入った廃液容器401に挿入されている。
洗浄機構の洗浄液を交換・充填する際は、下記手順で行う。
(手順1)廃液容器401内に挿された廃液チューブ3014を取出し、廃液容器401の蓋を開け、廃液を捨てる。
(手順2)シリンジ3012をシリンジ用fittingB703から外し、シリンジ3012内に洗浄液を充填させる。その後、洗浄液が充填されたシリンジ3012を、シリンジ用fittingB703に取付ける。
(手順3)シリンジ3012のピストンを押し、洗浄液を交換・充填させる。洗浄液は廃液チューブ3014から流れ、廃液容器401に溜まる。洗浄液の交換・充填は完了する。
洗浄液の交換は、廃液容器401の水面が蒸発により下降し、廃液容器401に設けられた目盛りに達した時に実施する。プランジャシール204から泳動媒体がリークする量は、キャピラリアレイ101に泳動媒体を充填する頻度に依存する為、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量に比べて、洗浄液が蒸発する量が多くなるように廃液容器401の径や廃液溶液401の隙間の大きさを調整する。
また、上記とは逆に、プランジャシール204から泳動媒体がリークする量に比べて、洗浄液の蒸発量が少なくなるように廃液容器401の径や廃液溶液401の穴を調整してもよい。この場合は、水面が上昇し、一定の目盛りに達した時に交換する。
本実施例は、洗浄液を交換又は補充した時期を記録し、一定期間経過後に、洗浄液の交換又は補充を報知する制御装置を備えた電気泳動装置に関する。また、前記プランジャ位置を計測するセンサーと、当該液面が所定位置となったときに、洗浄液の交換又は補充を報知する制御装置を備えた電気泳動装置に関する。
本実施例では、洗浄液を交換・充填した日時をPCに記録し、一定の期間後、PCから交換時期の知らせを画面に表示する。また、光学式センサー等で、水面位置を観察し、交換時期を知らせてもよい。尚、この機能と実施例1〜5を併用させてもよい。
実施例1のキャピラリ電気泳動装置。 実施例1のプランジャポンプユニット。 実施例1のシリンジ用fittingA。 実施例1のWater pool。 実施例1の洗浄液交換・充填時期を報せる目盛り。 実施例2のプランジャポンプユニット。 実施例4のプランジャポンプユニット。
符号の説明
101 キャピラリアレイ
102 プランジャポンプ
103 光学系
104 電源ユニット
106 容器
107 試料容器
108 搬送機
111 キャピラリ接続部
116 ピンバルブ
202 プランジャ
203 アクリルブロック
204 プランジャシール
208 駆動系
210 電極
211 流路
701 廃液用fittingA
702 廃液チューブ
703 シリンジ用fittingB
2031 チャンバー
2032 縁
2081 リニアアクチュエータ
2082 ロータリエンコーダ
3011 Water pool
3012 シリンジ
3013 シリンジ用fittingA
3111 シール
3112,3114,4014 目盛り
3113,3211,4012 Oring
3213,4013 穴
3313 ねじ部
3911 シール抑え部
4011 蓋

Claims (6)

  1. 泳動媒体が充填されるキャピラリと、
    キャピラリの両端に電圧を印加する高圧電源と、
    電気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光学系と、
    キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプと、
    プランジャポンプのプランジャと接触するように洗浄液を保持する空間を備えた洗浄機構と、を備えた電気泳動装置であって、
    前記空間の一部が大気に開放されており、
    さらに、前記空間と繋がっているチューブと、該チューブを介して前記空間と繋がっている廃液容器を備え、
    前記チューブは、Oringを用いて前記廃液容器の開口部に固定されており、
    前記廃液容器の側面には複数の穴が設けられており、該複数の穴が大気に開放されている電気泳動装置。
  2. 泳動媒体が充填されるキャピラリと、
    キャピラリの両端に電圧を印加する高圧電源と、
    電気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光学系と、
    キャピラリに泳動媒体を充填するプランジャポンプと、
    プランジャポンプのプランジャと接触するように洗浄液を保持する空間を備えた洗浄機構と、を備えた電気泳動装置であって
    らに、前記空間と繋がっているチューブと、該チューブを介して前記空間と繋がっている廃液容器を備え、
    前記廃液容器は、切れ目の入ったゴムを蓋の間に挟みこんでおり、
    前記チューブは、前記ゴムの切れ目に差し込まれており、
    前記空間の一部が、前記ゴムの切れ目と前記チューブとの間に形成される隙間を通じて大気に開放されている電気泳動装置。
  3. 請求項1または2記載の電気泳動装置であって、
    洗浄液の交換・充填時期を示す指標が、前記チューブに設けられている電気泳動装置。
  4. 請求項1または2記載の電気泳動装置であって、
    洗浄液の交換・充填時期を示す指標が、前記廃液容器に設けられている電気泳動装置。
  5. 請求項1または2記載の電気泳動装置であって、
    洗浄液を交換又は補充した時期を記録し、一定期間経過後に、洗浄液の交換又は補充を報知する制御装置を備えた電気泳動装置。
  6. 請求項1または2記載の電気泳動装置であって、
    前記空間内における液面位置を計測するセンサーと、当該液面が所定位置となったときに、洗浄液の交換又は補充を報知する制御装置を備えた電気泳動装置。
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