JP6425958B2 - 電気泳動装置、電気泳動法および電気泳動法を用いた濃縮・分離・分析方法 - Google Patents
電気泳動装置、電気泳動法および電気泳動法を用いた濃縮・分離・分析方法 Download PDFInfo
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Description
本発明について説明する前に、本発明に関連する技術として本発明者が開発した上記MCCCE法について具体的に説明する。
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動装置であって、
前記泳動路が、高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられていることを特徴とする電気泳動装置である。
前記泳動路が設けられている泳動媒体の熱伝導率が、30W/mK以上であることを特徴とする第1の技術に記載の電気泳動装置である。
前記泳動媒体には、直径0.5mmφ以下の泳動路が、泳動媒体全体の断面積に対する泳動路の断面積の合計の割合が10−2〜10−1となるように、等間隔に複数配置されている
ことを特徴とする第2の技術に記載の電気泳動装置である。
さらに、前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向の流れを生じさせる向流発生手段が設けられていることを特徴とする第1の技術ないし第3の技術のいずれかに記載の電気泳動装置である。
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動法であって、
高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられている前記泳動路に電場を掛けることにより、前記イオンを移動させて濃縮・分離または分析することを特徴とする電気泳動法である。
本発明者は、上記したMCCCE法において、安定的に高い効率で濃縮・分離を行うことができなかった原因とその解決方法について検討を行った。
請求項1に記載の発明は、
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動装置であって、
前記泳動路が、30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられており、
さらに、前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段が設けられており、
前記向流発生手段が、チュービングポンプを用いて、前記泳動路中の溶液に、所定の時間、所定の間隔で脈動を与えることにより、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段である
ことを特徴とする電気泳動装置である。
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動装置であって、
前記泳動路が、30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられており、
さらに、前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段が設けられており、
前記向流発生手段が、前記泳動路に径の大きい部分と小さい部分とを交互に形成させて前記泳動路を波打った形状に形成することにより、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段であることを特徴とする電気泳動装置である。
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動法であって、
30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられている前記泳動路に電場を掛けることにより、前記イオンを移動させ、
前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを、チュービングポンプを用いることによって生じさせる
ことを特徴とする電気泳動法である。
請求項4に記載の発明は、
濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動法であって、
30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられている前記泳動路に電場を掛けることにより、前記イオンを移動させ、
前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れの流れを、前記泳動路が径の大きい部分と小さい部分とを交互に形成させて前記泳動路を波打った形状に形成することによって生じさせる
ことを特徴とする電気泳動法である。
前記濃縮・分離または分析の対象である物質が同位体元素であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の電気泳動法である。
前記同位体元素が、48Caであることを特徴とする請求項5に記載の電気泳動法である。
請求項3ないし請求項6のいずれか1項に記載の電気泳動法を用いて、対象となる物質のイオンを濃縮・分離または分析することを特徴とする濃縮・分離または分析方法である。
本発明の実施の形態について説明する前に、本発明者が開発したMCCCE法の基本的な実施の形態について具体的に説明する。
(1)電気泳動装置の構成
図4はMCCCE法の基本的な実施の形態における電気泳動装置を模式的に示す図であり、(a)は電気泳動装置を正面から見た断面図、(b)は前記電気泳動装置に設けられた泳動媒体の正面図である。図4において、101は容器、102は泳動部、103は陽極板、104は陰極板、105は泳動媒体、106は向流発生部、107は泳動路(チャネル)、108はマルチチャネル部、109は陽極側撹拌部、110は陰極側撹拌部である。
次に、上記の電気泳動装置を用いた同位体の濃縮・分離・分析について説明する。
次に、本発明者が開発したMCCCE法を用いた電気泳動法の理論面からの考察について、同じく図4を参照しながら説明する。
前記したように、電気泳動法によるイオンの濃縮・分離・分析は、泳動路107に電場を掛けて、イオンの移動度の差が濃縮・分離・分析に充分な泳動距離の差を生み出すまで、イオンを泳動させることにより達成することができるが、短時間で、大量に濃縮・分離・分析するためには、拡散による広がりより大きな移動距離の差を生み出させると共に、電圧との積で与えられる電力に対応するジュール熱を適切に除熱する必要がある。
細い泳動路を用いると、イオンの移動距離が乱流によりさらに広がることを避けることができる。また体積に対する表面積が大きいので周りから熱を有効に取り去ることができる。しかし、前記したように、泳動に使える有効な断面積が小さいので、大量のイオンの濃縮(分離)に向いていない。
イ)細い泳動路(チャネル)107を高熱伝導率の絶縁体からなる泳動媒体105中に設けることで、乱流の発生を抑制すると共に発生したジュール熱を有効に除去する、
ロ)泳動路(チャネル)107の数を多くするマルチチャネル化を行うことにより、大量の分離を可能にする、
ハ)各泳動路(チャネル)107の形状と配置を、除熱の観点から最適化すると共に、電場を高くすることにより、電力当たりの分離効率を向上する、
ことにより、濃縮・分離・分析の効率を飛躍的に向上させることができると考えた。
(a)基本方程式
泳動媒体105の断面積をSA、マルチチャネル部108の開口断面積の合計をSMCとする。電圧は電極で与えられる。このとき、基礎となる方程式は、電荷密度と電位の関係を与えるポアッソンの方程式(1.1)、電荷の保存則(1.2)、オームの法則(1.3)であり、それぞれ以下のように表される。なお、Vは電位、ρは電荷密度、
本実施の形態においては、定常状態を考えているため、時間微分は0となる。また、泳動路107を移動する水溶液は導体であるため、電荷分布ρも0となる。この結果、上記の式(1.2)において電流密度は
マルチチャネル部108の泳動路107において発生する電力、即ちジュール熱
(イ)泳動速度と電場と電力
電場によるイオンの移動泳動速度は移動度と電場の積で与えられる。また、塩の溶液における電気伝導度は、カチオンとアニオンの移動度と濃度で与えられる。
泳動による同位体の分離効率や目的とするイオンの分離効率は、拡散との関係で与えられる。電気泳動によって泳動距離に同位体間で差が生じても、その差が拡散による移動距離の広がりに比較して大きくなければ分離の効率は上がらない。ここで、拡散は溶液中のイオンが熱運動でランダムな方向に移動することを反映している。
電場による泳動距離は、移動度μと電場Eにより表すことができるため、時間tに移動する距離
前記したように、電場(単位長さ辺りの電圧)をn倍にすると、単位体積・時間当たりの電力はn2倍になるが、分離に必要な時間は1/n2、泳動距離は1/nで良いため、電場の掛かる体積もほぼ1/nになる。この結果、一定量を濃縮・分離・分析するために投入される全エネルギー(電力×時間)をほぼ1/nに減らすことができるため、投入する電力が一定の条件下では、電場を高くした方が総合的に分離効率を向上させることができることが分かる。
(イ)電力と放熱
電場をn倍にしたときにn2倍になる電力はジュール熱となってそのまま水溶液の発熱に使われる。キャピラリー電気泳動法では周りを冷却水で冷やすことで、この熱を取り去っているが、冷却のためにキャピラリーの直径は0.1mm程度と細く、周りに数cmの冷却のスペースを必要とするため、全体の断面積の中で泳動路の断面積の比は10−4〜10−5と小さい。
1つのチャネルを半径rで長さ
の円柱としたとき、熱は中の水溶液に接するチャネル側面から逃げると考えられる。そして、温度勾配があるときに単位時間および単位面積当たりに移動する熱量、即ち、除熱量J[W/m2]は、以下の式(4.1)で与えられる。なお、λは熱伝導率で物質固有の値で、gradTは温度勾配である。
前記したように、キャピラリー電気泳動法では0.1mmφ程度の極細チューブを用いることが多い。これに対して、本実施の形態の泳動媒体のBNはλが100倍以上大きいため、式(4.4)より電力密度又は半径を(乱流を引き起こさない程度に)大きく設定することが可能となる。単純には、式(4.1)と式(4.4)より半径rはλの平方根に比例して大きくできる。
前記したように、MCCCE法において高い効率の濃縮・分離を達成するには、イオンの熱運動による速度分散より同位体による移動度の差が生み出すイオンの移動距離が大きくなるようにすることが必要であり、その手段として向流を発生させている。
本発明者は、本発明を実施するための実験を行うにあたって、図1に示すような電気泳動装置を、本実施の形態に係る電気泳動装置として新たに作成した。なお、本実施の形態においては、この電気泳動装置を用いて、塩化カルシウム溶液(CaCl2溶液)に含まれる48Caの濃縮を行った。
本実施の形態に係るMCCCE法は、上記したMCCCE法の基本形態と同様に、極めて高い効率で濃縮・分離を行うことができる。この点について、上記したMCCCE法の基本形態において既に説明した内容と一部重複するが、以下に詳しく説明する。
上記したMCCCE法の基本形態で説明したように、MCCCE法は、泳動路に高い電場を掛けることにより、拡散によるイオンの広がりよりも大きな泳動速度を生じさせて、効率よく、イオンを大量に濃縮・分離・分析することができる。即ち、効率的な濃縮・分離は、泳動路に掛かる電場により生じる泳動速度と関係している。
ここでは、イオンの泳動速度について説明する。前記したように、イオンの泳動速度は、移動度と電場の積で与えられる。そして、塩の溶液ではカチオンとアニオンの移動度と濃度が電気伝導度を与える。例えば、CaCl2溶液の場合、Caイオンの移動度は、0.59mm/s/[100V/cm]であり、Clイオンの移動度は、0.77mm/s/[100V/cm]である。
上記したように、電気泳動法による同位体の濃縮効率は、拡散によるイオンの泳動距離の広がりとの関係で決まる。このため、同位体間の泳動距離の差は、拡散による泳動距離の広がりに比較して大きくなることが求められる。
により算出することができる。この式により求められる水中でのCaイオンの拡散係数は常温で7.9×10−10[m2/s]である。このときの泳動距離の広がり(σ)の具体的な値は、例えば、1秒で0.039mmとなり、10000秒で3.9mmとなる。
上記したように、同位体間の泳動距離の差を短時間で広げることにより、高い効率で濃縮・分離を行うことができる。そこで、本実施の形態においては、電場を高く設定して短時間で同位体間の泳動距離の差を広げることにより有効な濃縮(分離)を行っている。移動度は同位体によって差があり、例えば40Caと48Caの場合の移動度の差
と表すことができる。これらの式より、電場をn倍強くすれば分離に必要な時間が1/n2で短くなることが分かり、また、電場と時間の積で与えられる泳動距離が1/nになることから、装置をコンパクト化できることが分かる。
しかし前記したように、泳動路でのイオンの移動は電流となるため、電圧との積で与えられる電力に対応するジュール熱が発生する。このジュール熱の発生により、溶液の温度が上昇するため、適切な範囲内に温度を維持できるように除熱する必要がある。
本実施の形態においては、上記したように、63[W/(mK)]という水や一般の絶縁体のほぼ100倍高い熱伝導率を有しているBN板を泳動媒体として用いている。このとき、BN板に形成される泳動路(チャネル)内の温度上昇と、BN板中心の温度上昇とを比較した際に、各チャネル内の温度上昇の方が低くなるように、泳動媒体が構成されていることが好ましい。
そして、電気泳動装置を安定に作動させるためには、装置内のどの部分においても100度よりも充分に低い温度になっている必要がある。なお、チャネルの直径を細くし、チャネル数を増やせば、泳動路の面積(チャネルの面積×チャネル数)が同じで上限温度も同じになるため、装置全体における効率を増すことができる余地がある。しかし、装置全体における効率の向上は最大でも2倍弱に留まり、一方ではチャネルの直径を細くするために高いレベルの工作精度が要求されるため、得策とは言えず、本実施形態においては上記したMCCCE法の基本形態と同様のサイズに設定している。
前記したように、MCCCE法において高い効率の濃縮・分離を達成するには、イオンの熱運動による速度分散より同位体による移動度の差が生み出すイオンの移動距離が大きくなるようにすることが必要であり、その手段として向流を発生させている。
向流において速度分散が大きくなるのは、向流が細い泳動路(チャネル)内で層流を形成することに起因している。即ち、細い泳動路を向流が定常的に流れる場合、流れる向流は壁面では流速が0になるという境界条件を満たす層流となる。この層流はハーゲン・ポアズイユ流として知られており、本実施の形態のように円柱状に泳動路が設けられている場合、その中を流れる液体(向流)の速度νは、中心から半径rの2次関数として、
で与えられ、この式より、ハーゲン・ポアズイユ流となった向流は壁面での流速が0で、中心部での流速が最高になるという位置依存性を有していることが分かる。なお、上式において、平均の速度はν0であり、中心の速度は2ν0となる。また、aは泳動路の半径である。
で与えられる。上記数式中のUは向流の流速、Lは円柱状の泳動路の半径、νは動粘性係数である。本実施の形態において、流速Uを0.6mm/s、半径Lを0.8mmとすると、水の動粘性係数νは1×10−6m2/sであるため、レイノルズ数は0.5となる。通常、レイノルズ数が2000より小さくなると層流になると言われており、Reが1より小さなMCCCE法では必ず層流(ハーゲン・ポアズイユ流)が生じる。
上記した位置依存性のない向流(一様向流)を生じさせる方法につき、本発明者は、以下に示す2つの方法が好ましく採用できることを見出した。
第1の方法は、向流の流れに脈動を追加して脈動流を形成させる方法である。前記したように、ハーゲン・ポアズイユ流は、レイノルズ数が小さく定常的に流れる場合に現れて中心は高速、周りは低速という速度分布を発生させる。そこで、向流の流れに脈動を追加して脈動流を形成させることにより、ハーゲン・ポアズイユ流ではない向流の流れを形成させる。これにより、中心は高速、周りは低速という速度分布が発生せず、位置依存性のない一様な速度分布の向流(一様向流)を生じさせることができる。
第2の方法は、泳動路に径の大きい部分と小さい部分とを交互に形成させて泳動路自体を波打った形状に形成する方法である。具体的には図3に示すように、泳動媒体14に太さの大きい部分15aと小さい部分15bとが長手方向に交互に反復された泳動路(チャネル)15を形成する。
文献 Y. Fujii, et al., Zeitschrift fur Naturforschung ection A−A Journal of Physical Sciences, 40, 8 (1985) 843−848
に記載の濃縮度の質量依存性が質量差に比例する関係を示す式
11 ケース
12、14、105 泳動媒体
13、15、107 泳動路(チャネル)
15a 泳動路の太さの大きい部分
15b 泳動路の太さの小さい部分
101 容器
102 泳動部
103 陽極板
104 陰極板
106 向流発生部
108 マルチチャネル部
109 陽極側撹拌部
110 陰極側撹拌部
A CaCl2溶液の流入口
B CaCl2溶液の流出口
C 塩酸溶液の流入口
D 塩酸溶液の流出口
E 陰極
F 陽極
G カチオン交換膜
H 冷却水の流路
Claims (7)
- 濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動装置であって、
前記泳動路が、30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられており、
さらに、前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段が設けられており、
前記向流発生手段が、チュービングポンプを用いて、前記泳動路中の溶液に、所定の時間、所定の間隔で脈動を与えることにより、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段である
ことを特徴とする電気泳動装置。 - 濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動装置であって、
前記泳動路が、30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられており、
さらに、前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段が設けられており、
前記向流発生手段が、前記泳動路に径の大きい部分と小さい部分とを交互に形成させて前記泳動路を波打った形状に形成することにより、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを生じさせる向流発生手段であることを特徴とする電気泳動装置。 - 濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動法であって、
30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられている前記泳動路に電場を掛けることにより、前記イオンを移動させ、
前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れを、チュービングポンプを用いることによって生じさせる
ことを特徴とする電気泳動法。 - 濃縮・分離または分析の対象である物質のイオンを、電場が掛けられた泳動路に沿って移動させることにより濃縮・分離または分析する電気泳動法であって、
30W/mK以上の高熱伝導率の絶縁体中に複数設けられている前記泳動路に電場を掛けることにより、前記イオンを移動させ、
前記泳動路中の溶液に、前記イオンの泳動速度に対応した速度で、イオンの泳動方向とは逆方向に、一様な速度分布の流れの流れを、前記泳動路が径の大きい部分と小さい部分とを交互に形成させて前記泳動路を波打った形状に形成することによって生じさせる
ことを特徴とする電気泳動法。 - 前記濃縮・分離または分析の対象である物質が同位体元素であることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の電気泳動法。
- 前記同位体元素が、48Caであることを特徴とする請求項5に記載の電気泳動法。
- 請求項3ないし請求項6のいずれか1項に記載の電気泳動法を用いて、対象となる物質のイオンを濃縮・分離または分析することを特徴とする濃縮・分離または分析方法。
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