JP6151359B2 - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

Description

本発明は、核酸やタンパク質等を電気泳動により分離分析する技術に関し、特に、キャピラリ電気泳動装置に関する。

近年、キャピラリに高分子ゲルやポリマー溶液等の泳動媒体を充填したキャピラリ電気泳動装置が広く用いられている。

例えば、特許文献1に示されているような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放熱性が高く、より高い電圧を試料に印加することができるため高速で電気泳動を行う事ができる長所がある。また、試料が微量で済む事や分離媒体の自動充填やサンプル自動注入ができる点等、数多くの利点があり、核酸やタンパク質の解析をはじめ様々な分離分析測定に使用される。

図1に、キャピラリ電気泳動装置の従来例を示す。キャピラリ電気泳動装置は、キャピラリ101、キャピラリ101の両端に高電圧を印加する電源102、レーザー光源等からなる不図示の照射系、蛍光を検出する不図示の受光光学系、キャピラリの温度を制御する恒温槽103、キャピラリ101に泳動媒体を充填する泳動媒体充填ユニット104、試料が入った容器を搬送する不図示の搬送機等で構成される。

キャピラリ101の陽極側は、泳動媒体充填ユニット104の流路と接合される。泳動媒体充填ユニット104内の流路は2つの流路に分岐される。流路の一方は泳動媒体容器105に接合され、流路の他方は緩衝液容器A 106に接合される。

キャピラリ電気泳動装置においては、50μm程度の内径しか有しないキャピラリ101に対し、水の数百倍も粘度が高い泳動媒体を注入する必要がある。このため、泳動媒体充填ユニット104には、泳動媒体用の流路の一端に数MPaの圧力を印加出来る機構が採用されている。この種の機構として、例えばプランジャポンプ107が使用される。図1の場合、プランジャポンプ107は、紙面に対して垂直な方向に駆動される。これにより流路内の容積を変化させ、泳動媒体の充填に必要な圧力を発生させる。

試料の分析時には、キャピラリ101と連結された流路の両端間(緩衝液容器A 106及び緩衝液容器B 109間)に高電圧を印加し、蛍光標識されたDNA等の試料をキャピラリの泳動媒体中で電気泳動させる。このとき、電気泳動に使用する電荷のほとんどは陽極側の緩衝液中の電荷を使用している。試料は分子サイズにより泳動速度に違いが生じ、検知部108にて検出される。

ところで、キャピラリ電気泳動装置では、泳動媒体容器105の交換やキャピラリ101の交換が必要である。しかし、これらの交換時には、流路の一部が空気に晒されるので、流路内に空気が混入する可能性がある。

電気泳動時には、数〜数十kVもの高電圧が流路の両端間に印加される。このため、流路内に気泡が存在する場合には、当該気泡によって流路が電気的に遮断される可能性がある。流路が電気的に遮断された場合、遮断箇所に高電圧差が発生し、放電が起こる。この放電の大きさによっては、キャピラリ電気泳動装置が破壊される可能性がある。

従って、電気泳動の開始前に、流路内から気泡を取り除く必要がある。

例えば泳動媒体充填ユニット104の流路内に気泡が存在する場合、泳動媒体充填ユニット104とキャピラリ101との接続流路を閉じ、その状態で泳動媒体をユニット内の分岐路で折り返すように緩衝液容器A 106に流す。これにより、泳動媒体充填ユニット104の流路区間から気泡を除去する。

一方、キャピラリ101の流路内に気泡が存在する場合、キャピラリ101の内容積に対して1.5倍程度の量の泳動媒体をキャピラリ101内に充填する。この際、キャピラリ101の内径は50μm程度と細い。このため、気泡は泳動媒体と共にキャピラリ101内を流れ、キャピラリ101の他端側から排出される。すなわち、気泡を、キャピラリの内部から除去することができる。

特許文献2は、泳動媒体充填ユニット104の流路内から少ない泳動媒体量で気泡を除去するための仕組みが示されている。具体的には、泳動媒体充填ユニット104とキャピラリ101との接続部に泳動媒体が下方から上方に向かって流れるように接続流路を形成する構造を採用する。

特許第2776208号公報 特開2008-8621号公報

従来装置の場合、泳動媒体充填ユニット104の流路が長いため、流路内の気泡抜きに多くの泳動媒体を消費している。

そこで本発明は、泳動媒体充填ユニット104の流路を短くすることができ、気泡抜きに使用する泳動媒体を減少させることができる、キャピラリ電気泳動装置を提供することを目的とする。

この目的を実現するために、本発明においては、例えば、キャピラリ陽極端に関して、電気泳動に必要な電荷を緩衝液からではなく、泳動媒体から使用する、つまりは電気泳動媒体のみで電気泳動を行う。

本発明によれば、電気泳動時の流路から、泳動媒体充填ユニット104における、キャピラリ接続部から緩衝液が入った容器までの流路をなくすことができる。このため、泳動媒体充填ユニット104内の気泡抜きに要する泳動媒体の消費を抑えることができる。

また、緩衝液容器106が不要となり、消耗品の数を減らせ、分析前の準備、及び装置の簡略化が可能となる。結果的に、電気泳動装置の操作の難易度を低下させることができる。

キャピラリ電気泳動装置の従来例を示す図 実施例1に係る電気泳動装置の全体構造の概要を示す図 キャピラリアレイの外観図 泳動媒体容器の外観構造図 泳動媒体容器の断面図 泳動媒体容器の外観分解構造図 泳動媒体容器構成部品（蓋）の構造図 泳動媒体容器構成部品（中間蓋）の構造図 泳動媒体容器構成部品（ゴム膜）の構造図 泳動媒体容器構成部品（本体部）の構造図 実施例1で使用する電気的絶縁性が高い樹脂製流路ブロックの構造を示す図 キャピラリ内に泳動媒体を充填する際の処理ステップを示す図 変形例記載の電気的絶縁性が高い樹脂製流路ブロック内の流路を示す図 変形例記載の中空パイプを電極として使用した際の構造図

以下、図面に基づいて、発明の実施の形態を説明する。なお、後述する装置構成や処理プロセスの内容は、専ら発明を解説するための一例であり、発明の範囲を限定するものではない。また、各実施の形態同士だけでなく、各実施の形態と既知の技術の組み合わせや置換により他の実施の形態を実現することもできる。

以下、発明者が提案する電気泳動装置の装置構成の具体例を説明する。

(システム概要)
図2に実施例1に係る電気泳動装置の全体構造の概要を示す。実施例1に係る電気泳動装置は、単数または複数本のキャピラリ201の集合体であるキャピラリアレイ202と蛍光標識されたキャピラリ内の試料にレーザー光を照射するレーザー光源203、試料が発する蛍光を検出する受光光学系204とキャピラリに高電圧を加える高電圧印加部205と、キャピラリを恒温に保つ恒温槽206を有する。

キャピラリアレイ202は恒温槽206に固定されている。また、恒温槽206の外部には、試料の検査に使用する検知部207が設けられている。図中、緩衝液容器208が配置されている側がキャピラリアレイ202の陰極端であり、試料を注入する試料吸引端209である。

試料吸引端209は緩衝液容器208内の緩衝液210に浸漬され、他方(キャピラリヘッド302)が電気的絶縁性が高い樹脂製流路ブロック211に接続されている。樹脂製流路ブロック211にはキャピラリアレイ202の他に、中空パイプ 212が接合されており、この中空パイプ 212は、泳動媒体213が入った泳動媒体容器214に接続されている。また、樹脂製流路ブロック211内には電極215も設置されている。

(キャピラリアレイの構造)
図3にキャピラリアレイ202の外観図を示す。図2、図3を用いて以下を説明する。キャピラリアレイ202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201自体は石英パイプであり1本あるいは複数本(本例では8本)のキャピラリ201を配列してキャピラリアレイ202を構成している。キャピラリアレイ202は蛍光標識されたDNAサンプル等が入った試薬容器から電気的な作用でキャピラリ201にサンプルを取り組む為のロードヘッダ302、ロードヘッダ302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207、複数本のキャピラリ201を束ねて接着したキャピラリヘッド301を備える。ロードヘッダ302から突出する試料吸引端209には、キャピラリ201に高電圧を印加するための中空電極A 303が設けられている。検知部301は整列保持したキャピラリアレイ202に側方からレーザー光を照射するための開口304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305を備えている。

キャピラリアレイ202のキャピラリヘッド301と樹脂製流路ブロック211との接続部形状はキャピラリ201を一束にまとめた丸型のキャピラリヘッド301にスリーブを取り付けた後、押しねじを締め込み、スリーブを変形させることにより隙間を埋めることで樹脂製流路ブロック211に取り付けができる。

(泳動媒体容器の構造)
図4に実施例で使用する泳動媒体容器214の詳細構造を示す。図4(A)は泳動媒体容器214の外観構造図を示し、図4(B)は断面構造図、図4(C)に外観分解構造図、図4(D)〜図4(G)に各構成部品の外観構造図を示す。

泳動媒体容器214は、蓋401、中間蓋402、ゴム膜403、本体部404、プランジャ405を有する。ゴム膜403は中間蓋402を介し、蓋401に設けられたねじ部406により、蓋401を回転させることにより本体部404に固定される。この際、中間蓋402は蓋401の回転によりゴム膜403のテーパ部A 407がねじれないようにするため設置されており、構造としては図00に示すように、本体部404に設けられた溝408に中間蓋402が有する突起409がはまり、中間蓋402が蓋401の締め付けの際に鉛直方向のみの力をゴム膜403に伝えるようになっている。また、ゴム膜403上部にある窪み部410に中空パイプ 212が挿通する。ゴム膜403が有するテーパ部A 407は、プランジャ405にて泳動媒体214を送液時、中間蓋402のテーパ部B 411によりゴム膜403のテーパ部A 407が押されることにより、中空パイプ 212挿通の際、中空パイプ212周りからの漏れを防止する構造となっている。

(樹脂製流路ブロック211の構造)
図5に実施例1で使用する樹脂製流路ブロック211の構造を示す。樹脂製流路ブロック211は中空パイプ212、電極215、で構成されている。

また、樹脂製流路ブロック211内の流路は、泳動媒体213をキャピラリ201に充填の際、樹脂製流路ブロック211内の流路中に有る気泡が確実に動くよう、流路内に発生する気泡の直径より径が小さい流路となっている。本実施例では流路の内径をφ0.5mmとした。

(装置全体の動作)
次に実施例に係るキャピラリ電気泳動装置による一連の処理動作を説明する。なお、下記に説明するキャピラリ電気泳動装置における電気泳動のための電圧の印加動作などは、不図示の制御部(例えばコンピュータ)を通じて実現される。

図6にキャピラリアレイ202に対して泳動媒体213を充填する際の処理ステップを示す。

まず、中空パイプ212を泳動媒体容器214に挿通する。この後、泳動媒体容器214が有するプランジャ405を押すことにより、キャピラリ201内に泳動媒体213が注入される。この時、樹脂製流路ブロック211及び中空パイプ212に混入した気泡は、樹脂製流路ブロック211内および、キャピラリ201の内径が細いために、泳動媒体213と一緒にキャピラリ201内を通り、試料吸引端209から排出される。キャピラリ201内に注入される泳動媒体213量は中空パイプ212と樹脂製流路ブロック211の内容積+キャピラリアレイ202の内容積の1.5倍ほどであり、樹脂製流路ブロック211内の流路及び泳動媒体容器214内には、電気泳動1回に必要な電荷量を持った泳動媒体213が残る。
本実施例では、26cm、8ch、内径φ50μmのキャピラリアレイ202を想定し、電気泳動に必要な電荷量は実験値から87mCとし、Life Technologies社製の泳動媒体(POP-7^TM)では約60μlでこの量を満たす。泳動媒体213充填の際、試料吸引端209は不図示の搬送トレイにより搬送された不図示の廃棄タンク(純水が入っている)に浸されている。

この後、不図示の搬送トレイにより搬送された不図示の試料容器内に試料吸引端209が浸され、不図示の純水(洗浄のため)が入った容器、緩衝液容器208の順に浸される。そして、キャピラリアレイ202の試料吸引端209が緩衝液容器208に浸った状態で電気泳動が開始される。

以上説明したように、本実施例に係る電気泳動装置を用いれば、泳動媒体容器214及びキャピラリアレイ202セット時に混入する気泡の除去を容易に、少量の泳動媒体213で行え、ランニングコストを大幅に減らすことができ、さらには電気泳動前の準備が、従来の装置より容易に行える。

前述の説明では、樹脂製流路ブロック211の流路形状は流路内に発生する気泡の直径よりも径が小さい、円型の形状とすることにより、確実に気泡が動き、流路内に気泡が残らない構造とした。しかし、樹脂製流路ブロック211内に気泡が混入したとしても、気泡が流路を塞ぐ、つまりは電気泳動を阻害するような場所に気泡が残らなければ問題ない。例えば図7A記載の流路のように、マイクロ化学チップ等の流路で良く知られているような気泡トラップ用のマイクロチャンネルを設けても良い。ここでいうマイクロチャンネルとは、表面張力により、気泡がより微小なチャンネル側に形性されやすいことを利用し、気泡が樹脂製流路ブロック211内に混入しても、気泡はマイクロチャンネル側に移動し、幅の広い流路ではバイパスする流れが確保されるため、電気泳動を阻害することはない。

前述の説明では、樹脂製流路ブロック211は中空パイプ212、電極215で構成されていた。しかし、図7Bのように、中空パイプを電極として使用し、電極を無くしてもよい。

前述の説明では樹脂製流路ブロック211とキャピラリヘッド301は別パーツにて構成されていた。しかし、これらのパーツは基より一体の部品となっていてもよい。

101・・・キャピラリ
102・・・電源
103・・・恒温槽
104・・・泳動媒体充填ユニット
105・・・泳動媒体容器
106・・・緩衝液容器A
107・・・プランジャポンプ
108・・・検知部
109・・・緩衝液容器B
201・・・キャピラリ
202・・・キャピラリアレイ
203・・・レーザー光源
204・・・受光光学系
205・・・高電圧印加部
206・・・恒温槽
207・・・検知部
208・・・緩衝液容器
209・・・試料吸引端
210・・・緩衝液
211・・・樹脂製流路ブロック
212・・・中空パイプ
213・・・泳動媒体
214・・・泳動媒体容器
215・・・電極
301・・・キャピラリヘッド
302・・・ロードヘッダ
303・・・中空電極Ａ
304・・・レーザー光を照射する為の開口部
305・・・発光を取り出す為の開口部
401・・・蓋
402・・・中間蓋
403・・・ゴム膜
404・・・本体部
405・・・プランジャ
406・・・ねじ部
407・・・テーパ部A
408・・・溝
409・・・突起
410・・・窪み部
411・・・テーパ部B

Claims (11)

1. キャピラリと、
   前記キャピラリの一端であり試料を注入する試料吸引端を緩衝液に浸漬させる緩衝液容器と、
   前記キャピラリの他端であるキャピラリヘッドが接続される流路と、
   前記流路に接続される、泳動媒体が入っている泳動媒体容器と、
   前記泳動媒体容器に入っている泳動媒体を、前記流路を介して、前記キャピラリへ注入する機構と、
   を備え、
   前記泳動媒体容器は、蓋、中間蓋、ゴム膜、本体部、およびプランジャを有しており、
   前記蓋には、当該蓋を回転させることにより本体部に固定するねじ部が設けられており、
   本体部および中間蓋は互いにはめ合って固定され、蓋の締め付けの際に、鉛直方向の力のみをゴム膜に伝え、
   前記蓋、中間蓋、ゴム膜、本体部、及びプランジャはこの順に配置されており、前記鉛直方向は、前記プランジャが前記本体部内を駆動する駆動方向であること
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
2. 請求項１において、
   前記流路は、前記キャピラリヘッドが接続される流路ブロックと、前記流路ブロックに接続される中空パイプを有して構成されていること、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
3. 請求項１において、
   前記機構は、前記泳動媒体容器に接続されるプランジャであり、該プランジャを可動することにより、前記泳動媒体容器に入っている泳動媒体を前記キャピラリへ注入するように構成されていること、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
4. 請求項１において、
   前記キャピラリ内の蛍光標識された試料にレーザー光を照射するレーザー光源と、
   試料が発する蛍光を検出する受光光学系と、
   前記キャピラリに高電圧を加える高電圧印加部と、
   を備えることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
5. 請求項４において、
   前記高電圧印加部は、陰極側の電極が前記緩衝液容器内に配置され、陽極側の電極が前記流路に配置され、前記キャピラリに高電圧を加えるように構成されていること、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
6. 請求項１において、
   電気泳動により陽極側に泳動してきたＤＮＡ断片を、前記キャピラリを介し陰極側に押し出すこと、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
7. 請求項１において、
   電気泳動に使用した泳動媒体を前記試料吸引端側に排出すること、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
8. 請求項１において、
   流路ブロック内の流路に気泡が混入しても、マイクロチャンネルにより、電気泳動路が確保されること、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
9. 請求項２において、
   前記キャピラリヘッドと前記流路ブロックが一体となったこと、
   を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
10. 請求項１において、
    前記本体部には溝が設けられ、前記中間蓋には前記溝にはまる突起が設けられていること、
    を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
11. 請求項１において、
    前記ゴム膜および前記中間蓋にはテーパ部が設けられており、前記蓋を前記本体部に固定することにより、前記中間蓋のテーパ部が前記ゴム膜のテーパ部に押されること、
    を特徴とするキャピラリ電気泳動装置。

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