JP6832895B2 - キャピラリ電気泳動システム及び電気泳動コンソール - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年９月２２日に発行された米国特許第９，１４０，６６６号に対応する、２０１２年５月７日に出願された米国仮特許出願第６１／６４３，４１１号の優先権を主張して２０１２年５月１４日に出願された米国特許出願第１３／４７０，８７０号の継続出願である、２０１５年８月１１日に出願された米国特許出願第１４／８２２，９５６号の一部継続出願であるとともに、２０１３年９月１０日に発行された米国特許第Ｄ６８９，６２１号に対応する、２０１２年３月１５日に出願された米国特許出願第２９／４２１，５４９号の一部継続出願でもあり、これらの全ては、その全体が参照により本明細書に援用される。

技術分野
本発明は、マルチチャンネルキャピラリ電気泳動のためのシステムに関する。

現在の次世代シークエンシング（next-generation sequencing：ＮＧＳ）プラットフォームは、パイロシークエンシング、イオンシークエンシング、合成によるシークエンシング、又はライゲーションによるシークエンシングを含む様々な技術を使用してシークエンシングを行う。これらの技術には幾つかの僅かなバリエーションがあるが、これらは全て一般的に共通のＤＮＡライブラリ調製手順を有し、この手順には、ゲノムＤＮＡ品質及び品質評価、ＤＮＡ断片化及びサイジング（機械的剪断、超音波処理、噴霧化又は酵素消化を含む。）、ＤＮＡ修復及び末端平滑化、及びプラットフォーム固有のアダプターライゲーションの最後のステップが含まれる。ＤＮＡ配列情報の需要が急速に高まり、ＤＮＡライブラリの調製に必要な時間の短縮が強く望まれている。

ＤＮＡライブラリの調製における労働集約的な工程は、剪断されていないゲノムＤＮＡ及び下流の断片化されたＤＮＡの両方の定性化（サイズ決定）及び定量化である。ＤＮＡフラグメント解析のための既存の手法としては、例えば、アガロースゲル電気泳動、キャピラリ電気泳動、及びチップベースの電気泳動がある。アガロースゲル電気泳動は、労働集約的であり、ゲル調製、ピペッティングによるサンプル移送、及び画像解析が必要である。アガロース電気泳動によって得られる画像は、歪むことも多く、このため、データは、疑わしく又は信頼性に欠ける。アガロースゲル電気泳動を使用してＤＮＡを正確に定量化することは不可能であり、これは、定量化のために他の第２の手法（ＵＶ又は蛍光分光法）が必要であることを意味する。また、アガロースゲル電気泳動は、自動化が困難である。チップ又はマイクロチップベースの電気泳動は、アガロースゲル電気泳動に比べてデータ品質が優れているものの、労働集約的であることに変わりはない。例えば、チップベースの手法では、ゲル、マーカー及びサンプルをロードするための手作業の工程が必要である。これらのマイクロチップ又はチップベースの電気泳動装置は、数秒又は数分で単一のサンプルを処理できるが、特に、数百又は数千のサンプルを処理する場合、サンプル及びゲルのロードが使い易さの障壁になっている。また、既存のチップベースのシステムは、ゲノムＤＮＡを定量化できない。キャピラリ電気泳動（capillary electrophoresis：ＣＥ）は、ゲル充填及びサンプルロードが自動化されている点で、アガロース電気泳動及びマイクロチップ電気泳動よりも有利である。

マルチプレックスキャピラリ電気泳動が知られている。例えば、Ｋｅｎｎｅｄｙ及びＫｕｒｔによる米国特許第６，８３３，０６２号には、マルチプレックス吸光（multiplex absorbance）に基づくキャピラリ電気泳動システム及び方法が開示されている。Ｙｅｕｎｇらによる米国特許番号５，３２４，４０１号には、マルチプレックス蛍光ベースのキャピラリ電気泳動システムが開示されている。これらのシステムは、複数のサンプルを同時に解析でき、複数のプレートを連続的に処理できる利点があるが、これらは、システムが稼働している間に複数のサンプルプレートをロード又は変更する能力を有しておらず、また、効率的なサンプル解析のための単純なワークフローも有していない。

既存の市販のＣＥシステムは、ロボットシステムによって自動化できるが、スタンドアロンシステムは、完全に自動化されておらず、又は適切なＤＮＡライブラリ解析に必要な感度及びデータ品質が不十分である。ロボットに対応するインタフェースを備えたＣＥ装置の一例は、Ｋｕｒｔらによる米国特許第７，１１８，６５９号に記載されている。ＤＮＡライブラリの構築並びに突然変異の検出のために、１日に何千ものサンプルを処理する必要がある場合も多いが、サンプル処理のためのロボットシステムの実装は、非常に高価であり、高度なロボットシステムのメンテナンス及び操作に必要な専門知識が不足している研究所も多い。例えば、米国特許出願第２０１００１２６８５７号に開示されているように、自動化された形式のマイクロスラブゲル（micro-slab-gel）電気泳動も開発されている。これにより、複数のサンプルの自動解析が可能であるが、この技術は、依然として、人間による多くの介入を必要とし、大規模アプリケーションに必要なスループットを有していない。Ａｍｉｒｋｈａｎｉａｎらによる米国特許第６，８２８，５６７号は、マルチプレックスキャピラリ電気泳動を使用して一度に１２個のサンプルを測定できる１２チャンネルマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを開示している。しかしながら、このシステムは、複数の９６ウェルプレートを測定する能力を有しておらず、１日に数千ものサンプルの解析を可能にするワークフローを有していない。

上述の課題に鑑み、ａ）複雑でなく、コストが低く、ロボットシステムの専門知識が不要であり、ｂ）ユーザが１日に１個から数千個のサンプルを処理でき、ｃ）システムが他のサンプルを処理している間に、ユーザが複数のプレート又はサンプルをキャピラリ電気泳動システムに簡単にロードでき、ｄ）スタンドアロンのキャピラリ電気泳動ユニットのサイズ及びフットプリントが小さい自動キャピラリ電気泳動システムが必要である。

本発明は、上述の課題を解決することを主な目的とする。

本発明は、サンプルの解析のためのサンプルハンドリング及び制御方法が改善された紫外線吸光に基づくマルチプレックスキャピラリ電気泳動システム及びコンソールを提供する。

本発明の一実施形態は、ユーザがアクセス可能な、それぞれ１〜３８４個のサンプルウェルを含むプレートを保持できる一連の少なくとも４個の、好ましくは、少なくとも６個の垂直に積み重ねられた引出しを有するコンソールである。好ましくは、各ユーザがアクセス可能な引出しは、９６個のサンプルウェルを含むサンプルプレートを保持する。このシステムは、サンプルの電気泳動又は解析の間を含むいかなる時点でもサンプルプレートをシステム上にロードできるように構成されている。ユーザＡは、マシンに立ち寄り、１２サンプルの列をロードし、ロード及び解析の指示をコンピュータに入力し、マシンから立ち去ることができる。ユーザＡのサンプルが処理されている間、ユーザＢは、マシンに立ち寄り、９６サンプルのトレイをロードし、ロードと解析の指示を入力し、立ち去ることができる。ユーザＣは、マシンに立ち寄り、１２サンプルをロードし、ユーザＡ又はユーザＢのいずれかのサンプルが処理されている間に、ロードと解析の指示を入力し、立ち去ることができる。ユーザがアクセス可能な好ましくは６個の引出しのうちの２個は、電気泳動実行バッファ及び廃棄トレイを保持するために使用される。

本発明の他の実施形態は、垂直に積み重ねられた、ユーザがアクセス可能な引出しのいずれかから、キャピラリ電気泳動サブシステムのマルチプレックスキャピラリアレイの注入電極及びキャピラリ先端部にサンプルトレイ及び／又はバッファ又は廃棄トレイを運搬する機械的ステージである。

本発明の他の実施形態は、ユーザがジョブのキューを作成できるコンピュータプログラムを使用し、各ジョブは新しいサンプルセットの解析を表す。このコンピュータシステムにより、ユーザは、システムがサンプルを処理している間でも、ジョブデータを入力できる。例えば、ユーザＡが「サンプルプレート１」をシステム内の引出し３にロードし、コンピュータプログラムを使用して、引出し３内の「サンプルプレート１」のサンプルの注入及びキャピラリ電気泳動を表すジョブをキューに追加する。システムがユーザＡのサンプルを処理している間に、ユーザＢがプレート２を引出し４にロードし、同じコンピュータプログラムを使用して、引出し４内の「サンプルプレート２」におけるサンプルの注入及びキャピラリ電気泳動を表すジョブをキューに追加する。ユーザＣは、「サンプルプレート３」を引出し５にロードし、同じコンピュータプログラムを使用して、引出し５内の「サンプルプレート３」におけるサンプルの注入及びキャピラリ電気泳動を表すジョブをキューに追加する。

本発明の他の実施形態は、紫外吸光に基づくキャピラリ電気泳動システムであり、これは、動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、少なくとも１２個のキャピラリを含むキャピラリアレイと、ＵＶ光源と、ＵＶ光源を覆い、スリットを有する第１の筐体と、第１の筐体、コリメートレンズ、及びキャピラリアレイのキャピラリ窓を覆う第２の筐体とを備える。

本発明の更に他の実施形態は、キャピラリ電気泳動システムであり、動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるためのフローチャネルを含むリザーバと、電極を経由して同じ導電性流体を通過させるための第２の別個のチャネルとを備える。

サンプル及び緩衝液プレートを保持する６個の引出しを有する装置の左側からの斜視図である。 緩衝プレートを配置するために１つの引出しが引き出され、上部及び側部の窓部が開かれた状態の装置の右側からの斜視図である。 ｘ−ｚステージアセンブリを示す図である。 引出し、ステージアセンブリ、トレイホルダ、及びサンプルプレートを示す図である。 トレイホルダの底面を示す図である。 カバーを外した装置の右側面図である。 カバーを外した装置の左側面図である。 キャピラリアレイカートリッジを示す図である。 ジョブ待ち行列を作成するためのソフトウェア制御プログラムのフローチャートである。 コンピュータソフトウェアのコンピュータ画面を示す図である。 ステージによるアレイの下のサンプルプレートの位置決めを説明する図である。 キャピラリ電気泳動リザーバシステムを示す図である。 キャピラリ電気泳動リザーバシステムを示す図である。 引出しに対するｘ−ｚステージを示す図である。 サンプルトレイが持ち上げられた状態のｘ−ｚステージを示す図である。 光学経路カバーを有する他の電気泳動システムを示す図である。 光学経路カバーを外した他の電気泳動システムを示す図である。 光学経路カバーの断面を含む他の電気泳動システムを示す図である。 他の電気泳動リザーバシステムを示す図である。 他の電気泳動リザーバシステムの側面図である。 スリットカバー付き光源ボックスを示す図である。 スリットを外した光源ボックスを示す図である。 摺動インターロックキャピラリアレー窓取付機構を示す図である。 他のキャピラリアレイカートリッジ設計を示す図である。 キャピラリアレイ窓をアレイ基板に取り付けるためのアダプタを示す図である。 本発明の電気泳動システムによって取得された電気泳動図である。 図１４Ａの筐体１４０１を使用して取得された他の電気泳動図である。 図１４Ａのスリット及び筐体１４０１を取り外して取得された電気泳動図である。

本発明は、ワークフローが強化されたマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを提供する。本発明のキャピラリ電気泳動システム及び装置は、光源を有する吸光又は蛍光に基づくキャピラリ電気泳動サブシステムと、少なくとも１２個のキャピラリ（好ましくは、９６個のキャピラリ）を含むマルチプレックスキャピラリアレイのサンプル窓に光源からの光を搬送する方法と、マルチプレックスアレイのサンプル窓から出射された光（蛍光）又は吸収された光（吸光）を検出する方法とを含む。また、このサブシステムは、キャピラリを介して緩衝液及びゲルをポンピングする方法、及び電気泳動分離のための電界の印加方法を含む。本発明の蛍光ベースのサブシステムの光学系は、Ｐａｎｇによる米国特許出願第２００７０１３１８７０号及び第２０１００１４０５０５号に開示されており、これらの文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。適用可能な吸光ベースのシステムの光学系、並びに流体の取り扱い、リザーバの通気、電場の印加、シリンジポンプと６方向分配弁を介する流体の選択については、Ｋｅｎｎｅｄｙらによる米国特許第７，５３４，３３５号及び第６，８３３，０６２号に開示されており、これらの文献は、その全体が参照により本明細書に援用される。

図１に示すように、強化されたワークフローを有するマルチプレックスキャピラリシステム及び／又はコンソール１６は、ゲルのロードのためのアクセスを容易にするためのドア１０と、バッファトレイと廃棄トレイを容易にロードするするための２個の引出し１１を有する。引出し１２を開くことにより、９６ウェルＰＣＲプレート、チューブストリップ、バイアル、又は他のサンプル容器を容易にロードできる。上部ドア１３を開くことにより、交換可能なキャピラリアレイ、アレイ窓、及びリザーバにアクセスできる。インジケータライト１４は、起動中のアプリケーションのユーザに、電気泳動のための高電圧を通知するために使用される。取り外し可能な背面パネル１５により、電子回路、例えば、高圧電源、電気通信パネル、ポンプ基板、圧力変換器基板、及びステージドライバ電子回路にアクセスできる。また、背面パネル１５は、引出し１１、１２からキャピラリアレイにサンプルトレイを移動させるために使用されるｘ−ｚステージの保守アクセスを可能にする。

図２は、図１のワークフローが強化されたコンソール１６と共に使用されるマルチプレックスキャピラリシステムの上面及び側面のドアを開いた状態を示している。交換可能なキャピラリアレイ１７は、マルチプレックスキャピラリ電気泳動のために１２個又は９６個のキャピラリを保持する。ＬＥＤ光ガイド６７は、背面区画に位置するＬＥＤエンジンから、アレイ窓ホルダ１９とＬＥＤ光ガイド／窓ホルダ１８との間に挿入されているアレイ窓ブロック２２に光を案内する。この図では、表示のために、アレイ窓ブロック２２をキャピラリアレイ１７に取り付けている。キャピラリアレイをシステムから取り外すと、（図示のように）アレイ窓ブロック２２をキャピラリアレイ１７に取り付けることができる。キャピラリアレイが完全にインストールされると、アレイ窓ブロック２２は、アレイ窓ホルダ１９とＬＥＤ光ガイド／窓ホルダ１８との間に挟まれて、見えなくなる。キャピラリリザーバ２０の上部には、ベント弁２１が接続されている。６方向分配弁２９に連結されたシリンジポンプ２３は、流体容器２４、２５から、キャピラリリザーバ２０、廃棄物容器２６、又はキャピラリアレイ１７内のキャピラリ内に流体及び電気泳動ゲルを送達する。ファン２７は、背面区画から冷却用の空気を流すために使用され、この空気は、キャピラリアレイ１７を介し、リザーバ２０の外側を通過し、流体容器２４、２５を下方に流れ、最終的にこの装置の底部から送り出される。ＬＥＤインジケータライト１２０は、引出し内のトレイの有無を表示するために使用される。バッファトレイ２８は、引出し（図１の１１）内に示されている。リザーバ２０には、キャピラリアレイリザーバ先端９１が挿入されている。

動き制御システムの概念及び実際の実装は既知である。例えば、全体が参照により本明細書に援用されるＳａｂｏｎｏｖｉｃ及びＯｈｎｉｓｈｉによる「"Motion Control" John Wiley and Sons, 2011」には、動き制御の設計と実装のための実用的な手法が記述されている。但し、この文献には、ここに開示するような拡張されたＣＥワークフローコンソール１６は記述されていない。

図３は、ｘ−ｚステージアセンブリ４８を示しており、これは、サンプルトレイ（図４の５０）及び関連するトレイホルダ（図４の５１）を、引出し（図１の１２）から、キャピラリアレイ（図８の１７）の注入キャピラリ（図８の７２）及び注入電極（図８の７１）に運搬するために使用される。また、ｘ−ｚステージアセンブリ４８は、引出し（図１の１１）からキャピラリアレイ（図８の７２）の注入キャピラリ及び電極に、バッファトレイ又は廃棄物トレイ（図２の２８）を位置決めするためにも使用される。ｘ−ｚステージアセンブリは、トレイホルダ（図４の５１）の底部の穴（図５の５７）と整列して、後の移送時のトレイホルダの摺動又は移動を防止するための整列ピン３２を有するトレイキャリア３１を有する。金属又はプラスチック製の保護カバー３４は、ジェル又は他の液体がステージアセンブリのｘ方向ガイドレール３８及びｘ方向駆動ベルト３７上に漏れ出ることを防いでいる。ｘ方向ステッピングモータ３５は、ｘ方向の運動のための電気機械的駆動装置として使用される。ステッピングモータ３５及びｘ方向駆動ベルト３７には、駆動プーリ３６が取り付けられ、これは、ステージキャリア３９をガイドバー３８に沿って前後に駆動する。ステージの後端側では、ベルト３７が第２の駆動プーリー（図示せず）によって送られ、これにより、ベルトは、ステージキャリア３９に取り付けられたときに完全なループを形成する。モータによって誘発されるベルトの動きにより、ガイドレール３８上でステージキャリア３９がｘ方向に移動する。ｚ位置用のステッピングモータは、４１に位置し、これは、ｘ方向について説明したものと同様の駆動プーリ／ベルト構成に取り付けられている。ｚ方向駆動ベルトは、４３として示されている。ｚ位置モータ／プーリ／ベルトは、トレイキャリア３１をガイドバー４０に沿って上下に移動させる。頂部プレート３３は、ガイドバー４０のための構造的支持体として機能する。電気通信ストリップ４４は、電気モータ制御基板４６とステッピングモータ４１、３５との間の通信のために使用される。ｘ方向膜ポテンショメータストリップ４９は、適切な制御電子回路と協働して、ステージキャリア３９のｘ方向の絶対位置を決定し、制御するために使用される。ｚ方向膜ポテンショメータストリップ４２は、適切な制御電子回路と協働して、トレイキャリア３１のｚ方向の絶対位置を決定するために使用される。位置測定及び制御の代替の形式として、リニアエンコーダ又は（ステッピングモータ上の）回転エンコーダを用いてもよい。各ガイドバー４０及びガイドレール３８上には、ベアリング４５が配置され、これにより、トレイキャリア３１とステージキャリア３９の両方が摩擦なしで移動できる。なお、ガイドバー又はガイドレールは、軸毎に２個設けられている。電気コードガイドストラップ４７は、背面支持体に取り付けられ、これは、ｘ−ｚステージアセンブリ用の電気制御基板４６も保持している。

図４は、ステージアセンブリ４８、トレイホルダ５１及び９６ウェルサンプルトレイ５０の画像と重ねて引出し１２を示す図である。トレイホルダ５１は、特に、ここでは５０と示されている９６ウェルプレートを保持するように成形されている。トレイホルダを別様に成型することにより、異なるサンプルプレートを保持できる。トレイホルダ５１の底部の穴（図５の５７）は、トレイキャリア（図４の３１）の整列ピン３２に整列する。トレイホルダ５１のノッチ５３は、引出し１２上の整列ピン５２と整列し、これにより、トレイホルダをサンプル引出し内に再現可能に固定して嵌め込むことができる。

図６は、シャーシ６６、ポンプモータ及び制御システム６１、ポンプ制御基板６２、ＬＥＤ光エンジン６９、ＬＥＤライトライン６７、アレイの電極間に０．０〜１５ｋＶを印加できる高圧電源基板６５、ＣＣＤカメラ６４、キャピラリアレイカートリッジ１７、アレイ窓ホルダ１９、リザーバ２０、引出し１１、引出し１２、流体ライン６８、廃棄物容器２６、ゲル容器２５及びシリンジ２３を有する電気泳動システムの右側面図である。ＵＳＢ電気配線ボードは、６３として示されている。

図７は、電気泳動ユニットの左側面図であり、ｘ−ｚステージアセンブリ４８を示しており、これは、トレイホルダ５１及びサンプルトレイ５０を引出し１２、１１からアレイ１７の底部に移動させる。ステージユニット４８は、サンプルトレイホルダ５１及びサンプルトレイ５０をｚ方向に移動させることができ、引出しからトレイホルダ／サンプルトレイを持ち上げ、サンプル引出しからｘ方向に後方に移動させ、続いてサンプルプレートをｚ方向にキャピラリアレイ１７の底部まで移動させる。電気的（electrokinetic）又は流体力学的（hydrodynamic）注入の後、ステージユニット４８は、サンプルトレイホルダ／サンプルトレイをターゲット引出し位置（ｚ方向の下方）に戻し、サンプルプレート上にｘ方向に前進させ、次に、ｚ方向に降ろすことによって、サンプルトレイホルダ／サンプルトレイを引出しにセットする。サンプルトレイホルダ５１が引出しに載っている間は、サンプルトレイホルダ５１の後端部とサンプルトレイ５０が整列し、これらは、アレイ１７の真下に位置しない。これにより、サンプルステージトレイキャリア（図３の３１）は、引出し内の他のトレイホルダ／サンプルトレイに干渉することなく、トレイホルダ／サンプルトレイと共に、ｚ軸全体に沿って上下に移動できる。アレイ１７の底部の整列ピン（図８の７０）は、キャピラリ及び電極先端がサンプルプレートの各サンプルウェルに浸かり、サンプルプレートの他の領域と干渉しないように、トレイホルダをトレイに整列させる。これは、キャピラリアレイの下方に整列されたサンプルトレイ５０を有するサンプルトレイホルダ５１を示す図１１においてより詳細に示されている。トレイホルダ５１上の整列穴５６によって、トレイホルダとキャピラリアレイ整列ピン７０が強制的に整列される。

また、図７には、高圧電源基板６５と（アレイへの）高圧電源ケーブル７５も示されている。

図８は、剛性プラスチック支持構造体７７、窓格納及び運搬用ネジ８０、キャピラリ支持カード７６、高圧電源ケーブル７５、及び電気回路基板７４が載置される絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３を有するアレイカートリッジ１７を示している。電極７１は、電気回路基板７４、絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３、及びアレイの底部を介して突き出ている。電極材料はステンレス鋼又はタングステンである。本発明の重要な側面ではないが、電極寸法は、長さ５０ｍｍ×直径０．２９ｍｍである。カートリッジベースの底部からの突出部の長さは、２０．０ｍｍである。電極は、回路基板７４上にはんだ付けされている。高圧電源ケーブル７５も電気回路基板の同じ回路にはんだ付けされ、これにより、電極７１が高圧電源（図６の６５）に接続されている。キャピラリ先端７２は、電気回路基板７４及び絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３を通され、電極先端に隣接して平行に整列されている。キャピラリ先端と電極との間の距離は、０．１ｍｍ〜４ｍｍである。キャピラリの端部及び電極の端部は、単一平面内にある（すなわち、キャピラリ先端及び電極先端は、実質的に同じ長さであり、長さの差異は約＋／−１ｍｍを超えない）。キャピラリ先端及び電極先端の長さの差異は、好ましくは、０．５ｍｍ未満である。キャピラリは、キャピラリアレイの底部を通り、絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３を通り、電気回路基板７４を通り、（剛性プラスチック支持構造体７７によって支持されている）キャピラリ支持カード７６を通り、キャピラリ窓７９が窓ホルダの開口部に中心合わせされているキャピラリ窓ホルダ７０を通り、最終的にキャピラリリザーバ先端９１を通り、全てのキャピラリ（この場合１２）は、単一の穴に通されている。９６キャピラリアレイの場合、キャピラリは、キャピラリリザーバ先端９１内で１２個、８個、４個又は２個（好ましくは４個）を一組としてグループ化して通されている。キャピラリは、例えば、熱硬化性又はＵＶ硬化性のエポキシ樹脂である接着剤によってリザーバ先端９１の所定位置に保持されている。

図１２Ａは、リザーバを示しており、これは、リザーバ本体２０、キャピラリリザーバ先端９１、スライダバー１３０（キャピラリリザーバ先端９１及びスライダバー１３０上のノッチの整列によってキャピラリリザーバ先端がリザーバ内にロックされる）、ベントブロック弁２１、廃棄チューブ出口１３８、廃棄ブロック弁１３２、及び圧力変換器キャビティ１３３を含む。

図１２Ｂは、リザーバの他の切欠き図を示しており、ここには、リザーバ本体２０、キャピラリリザーバ先端９１、スライダバー１３０、ベントブロック弁２１、廃棄チューブ出口１３８、廃棄ブロック弁１３２、接地用電極１３５、圧力変換器キャビティ１３３、圧力変換器１３６、アナログ／デジタル基板への接続のための圧力変換器ケーブル１３７、及び（図２のシリンジポンプ２３からの）流体チューブ入口１３４が示されている。

リザーバ本体は、アクリル、テフロン（登録商標）、ＰＥＴＥ、アルミニウム、ポリエチレン、ＡＢＳ、又は他の一般的な金属又はプラスチックから形成できる。重要な基準は、材料が耐久性を有し、使用材料に対して化学的耐性を有することである。好ましい材料は、アクリル又はテフロン（登録商標）である。

図１３Ａは、引出し１１、１２に対するｘ−ｚステージユニット４８を示している。ｘ−ｚステージは、引出しの直後にあり、ｚ位置４１においてステッピングモータを使用することによりステージキャリア（図１３Ｂの３９）をｘ方向に前後に移動させることができる。サンプルトレイを引出しから取り外す際、まず、ステージを引出しに向かってｘ方向に前進させる。トレイキャリア（図３の３１）は、ｚ方向のステッピングモータ（図３の４１）を使用して、トレイホルダを引出しからｚ方向に持ち上げる。そして、ステージキャリアは、図１３Ｂに示すように、引出しからｘ方向に戻る。次に、ステージキャリア３９は、ｚ方向に上昇し、トレイホルダ５１及びサンプルトレイ５０をキャピラリアレイの注入位置に移動させる（図１１）。

キャピラリ電気泳動のための流体のポンピングのための典型的なストラテジは、以下の通りである。シリンジ上の６方向分配弁（図２の２９）について、以下の６個のポジションを検討する。ポジション１は、リザーバの底部に接続されるポジションであり（図１２Ｂの１３４）、ポジション２は、チューブを介して、調整流体（キャピラリの壁を調整するための流体）のボトルに接続されるポジションであり、ポジション３は、ゲノムＤＮＡの解析に使用される「ゲル１」に接続されるポジションであり、ポジション４は、断片化されたＤＮＡの解析に使用される「ゲル２」に接続されるポジションであり、ポジション５は、未使用のポジションであり、ポジション６は、廃棄物ボトルに接続されるポジションである。

ステップＡ：リザーバは、まず、ポジション１（リザーバ）を開くことによって空にされ、リザーバ内にある流体をシリンジに充填し、ポジション１を閉じ、ポジション６を開き、流体を廃棄物ボトルに排出する。リザーバが空になるまでこれを繰り返す。このプロセスの間、ブロック弁２１、１３２は、開かれたままであり、これにより、リザーバの効率的な排出が可能になる。

ステップＢ：次にポジション２を開き、シリンジに調整溶液を充填し、ポジション２を閉じ、ポジション１を開き、リザーバに調整溶液を充填する。ブロック弁２１を閉じ、廃棄ブロック弁１３２を開き、これにより、リザーバに調整溶液をオーバーフィル（over-filling）できる。

ステップＣ：ベントブロック弁２１及び廃棄ベント弁１３２の両方を閉じることによって、キャピラリを充填する。シリンジにキャピラリ調整溶液を充填する。ポジション１を開き、キャピラリを介して、所定の時間、例えば、１分から２０分の範囲で、最低でも１００ｐｓｉで流体を圧力充填する。

ステップＤ：ステップＡによってリザーバを空にし、６方向分配弁においてゲル用のポジション３を使用する点を除いて、ステップＢと同じプロセスを用いて、ゲルを再充填する。

ステップＥ：ステップＣと同様のプロセスを用いて、キャピラリにゲルを充填する。

ステップＡ〜Ｅの後、キャピラリは、電気泳動の準備が整う。

電気泳動を用いてサンプルを解析するための一般的なストラテジ及びプロセスは以下の通りである。

解析のためにサンプルを９６ウェルプレートに入れる。ユーザは、サンプルプレートをサンプル引出し（図１の１２）内に置き、特定の列又は引出し内のサンプルプレート全体の解析に対応するジョブをコンピュータベースのキューに追加する。この装置の制御システムであるコンピュータは、関心のある列又は全体のトレイの解析を実行する。

本発明の主要な実施形態は、キャピラリ電気泳動システムのワークフローである。引出し（図１の１１）によって、バッファ及び廃棄トレイをシステムに容易に配置できる。引出し（図１の１２）によって、サンプルトレイをシステムに容易に配置できる。特に重要なことは、システムがキャピラリ電気泳動を行っている間にサンプルトレイを引出し（図１の１２）から出し入れする能力である。インジケータライト（図１の１２０）は、トレイが引出し内に存在するか存在しないかを示し、これにより、ユーザは、引出しがあるか否かを知ることができる。１２キャピラリマルチプレックスシステムの典型的なワークフローは次のとおりである。ユーザＡがサンプルトレイ１を持ってマシンに立ち寄り、これを上から３番目の引出し（図１の引出し１１の１つ）に入れる。ユーザＡは、サンプルの３個の列、すなわち、サンプルトレイ１の列Ａ、サンプルトレイ１の列Ｂ、及びサンプルトレイ１の列Ｃについてキャピラリ電気泳動を行うことに対応する３つのジョブをキューに入れる。次に、ユーザＡは、キューを実行するようにコンピュータに指示し、この結果、システムは、サンプルトレイ１、列Ａのキャピラリ電気泳動を開始し、これ以上ジョブがなくなるまでキュー内のジョブの実行を継続する。次に、ユーザＢが近づき、サンプルトレイ２を上から４番目の引出し（図１の引出し１２の１つ）に設置する。ユーザＢは、８列のサンプル、すなわち、サンプルトレイ２、列Ａ〜Ｈのキャピラリ電気泳動の実行に対応する８個のジョブをキューに追加する。コンピュータは、ユーザＡのサンプルの解析を最後まで継続し、次に、ユーザＢのサンプルの解析を続行する。その間、ユーザＣが立ち寄り、サンプルトレイ３を上から５番目の引出し（第１図の引出し１２の１つ）にロードする。ユーザＣは、１列のサンプル、すなわちサンプルトレイ３、列Ａの解析に対応する１つのジョブをキューに追加する。このプロセスは、ゲル容器（図２の２５）に十分なゲルが存在する限り、又は図１の上部の引出し１１内に配置されているバッファトレイ（図２の２８）に十分な実行バッファがある限り、無制限に続行できる。ＣＥワークフローについて、従来技術のシステムと、本発明との相違点は、特に、引出し、サンプルステージ、及びジョブをロードするためのキューを有するコンピュータプログラムを介して、このワークフローを可能にする点である。

コンピュータプログラムにより、ユーザは、システムが他のサンプルを処理している間に、垂直方向に積層された所望の引出し（図１の１２）にサンプルプレートをロードでき、所望の列又はサンプルプレート全体を実行するようにシステムに指示できる。これにより、他のサンプルの電気泳動が完了するまで待つ必要なく、複数のユーザがサンプル及び／又はサンプルプレートをロードでき、又は単一のユーザが複数のサンプル及び／又はサンプルプレートをロードできる。

図９は、作業プロセス及びコンピュータプログラムの包括的なフローチャートである。ユーザは、システムの引出し（図１の１２）にサンプルトレイをロードする。ユーザは、コンピュータ上でトレイを選択し、サンプル名及び／又はトレイ名を編集する。ユーザは、更にメソッド（分離時間、分離に使用する電界、ゲル選択等）を選択又は定義する。この選択されたトレイは、関連するメソッドと共に「ジョブ」として定義され、キューに入れられる。コンピュータは、装置制御デバイスとして、キューからジョブをフェッチし、全てのタスクについて装置を制御し、このタスクは、シリンジポンプの作動、並びに高圧電源及び動き制御ステージ（図３の４８）の動作を含む。実行（又はジョブ）毎に様々なタスクが存在でき、各タスクは、システムのサブユニットの直接的なコマンド及び制御を必要とする。シリンジポンプの制御に関連するタスクには、リザーバを空にする／調整流体で満たすこと、キャピラリに調整流体を流すこと、リザーバを空にする／ゲルで満たすこと、キャピラリにゲルを流すことが含まれる。ｘ−ｚステージの制御に関連するタスクには、キャピラリアレイの入口キャピラリ及び電極への／からの廃物トレイの移動又は除去、キャピラリアレイの入口キャピラリ及び電極への／からの緩衝トレイの移動又は除去、又はキャピラリアレイの入口キャピラリ及び電極への／からのサンプルトレイの移動又は除去が含まれる。高圧電源の制御に関連するタスクには、キャピラリ電気泳動分離のための高電圧のオフ／オンが含まれる。カメラ（データの取得）及びブロック弁に関連する他のタスクもある。プログラムは、サンプルの各セットについて、一連の電気泳動図を取得するために必要な全てのタスクを完了する。これらのタスクが完了すると、プログラムは、キューから他のジョブをフェッチする。キューが空になると、（ユーザが他のキューを開始するまで）全てのサンプル処理が完了する。

このコンピュータプログラムのグラフィック画面である図１０には、キューにおいて解析されるサンプルのリスト１０１、列又はトレイをキューに追加するオプション１０２、及び解析のためのトレイ番号を選択するオプション１０３が示されている。ａ）（図１の引出し１２に対応する）トレイの選択オプション１０３、ｂ）キューにサンプルセットを追加すること（図１０の１０２）、及びｃ）全てのジョブが完了するまで順番に実行される解析のためのアクティブサンプルのキュー（図１０の１０１）が本発明のソフトウェア部分にとって重要な３つの側面である。他の重要な側面は、装置が他のサンプルを処理している間に、サンプルを装置引出し（図１の１１）及びキュー（図１０の１０１）に追加する能力である。

吸光ベースの検出で動作するように改変された電気泳動システムの例を図１４Ａ〜図１８Ｂに示す。吸光システムは、（以下に限定されるわけではないが）水銀ランプ、亜鉛ランプ、発光ダイオード、重水素ランプ、又はタングステンランプ等の紫外光源又は可視光源を含む。筐体（図１４Ａの１４０１）は、ランプハウジング（図１４Ｂの１４０４）、並びにコリメートレンズ（図１４Ｂの１４０３）からキャピラリ窓までの空間内に光を封入する。筐体１４０１（図１４Ａ）は、一連の光学素子を空気流から実質的に遮断している。オプションとして、キャピラリをリザーバの近くで冷却するために空気を循環させるファン付きのファンポート（図１４Ａの１４０２）を追加的に設けてもよい。ランプハウジング（図１４Ｂの１４０４）内の光源は、コリメートレンズ（図１４Ｂの１４０３）と協働して、キャピラリアレイ窓に光を向け、集光させる。図１４Ｃは、筐体１４０１の切欠図であり、ランプハウジング１４０４、コリメートレンズ１４０３、及びキャピラリ束１７０８を示している。

図１５Ａは、流体ポート１５０１、１５０２、１５０３を有する他のリザーバ設計を示している。ポート１５０１、１５０２を使用して、流体をリザーバに出し入れできる。流体は、入力ポート１５０１から、チューブ１５０７を経由して、キャピラリ先端フローチャンバ１５０９に至る連続的な経路を通過して、電極フローチャンバ１５０４に至り、最終的に、廃棄弁１３２を介して廃棄ポート１５０３から排出される。他の流路は、入力ポート１５０２から電極フローチャンバ１５０４を経て、最終的に廃棄弁１３２を介して廃棄ポート１５０３から出る経路である。なお、この図の廃棄弁は、リザーバブロックに組み込まれている。ポート１５０３は、廃棄ポートとしてのみ使用され、したがって、流体は、常に廃棄弁１３２を通ってリザーバから排出される。また、圧力変換器１３６と、接地用の電極コード１５０８も示されている。キャピラリ先端１５１１を通過する流路は、キャピラリ先端フローチャンバ１５０９内で拡張されているチューブ１５０７として示されている。流路１５０７及びフローチャンバ１５０９と流体連通し、これらの一部である第２の比較的大きなフローチャンバ１５０４は、（電極コード１５０８に取り付けられている）電極１５０５を収容するために使用される。電気泳動中に電極１５０５によって生成される気泡は、チャンバ１５０４に収容され、キャピラリ先端１５１１又はキャピラリフローチャンバ１５０９に容易に到達しないようにされている。電極チャンバ１５０４は、圧力変換器１３６の位置に対応する最高点がキャピラリ１５１１よりも低く又はキャピラリフローチャンバ１５０９の最低点よりも低くなるように構成されている。電極チャンバ１５０４の直径は、流路１５０７の通常部分の直径の少なくとも２倍である。一連の電気泳動を最初に行う前に、好ましいステップは、ポート１５０２をブロックした状態で、ゲルをポート１５０１からキャピラリ先端１５１１を通過させ、キャピラリフローチャンバ１５０９を介して、廃棄弁１３２を通るようにポンピングすることである。実行と実行の間のゲルの中間パージでは、好ましい流路は、ポート１５０１をブロックした状態で、ポート１５０２からポート１５０３を介して廃棄弁１３２に至る流路である。ポート１５０２及び１５０３がブロックされると、圧力変換器１３６を介して圧力を監視しながら、流体をポート１５０１に流すことによって、ゲル又は他の流体がキャピラリ先端１５１１を通過するように加圧される。電極チャンバ１５０４において拡張されている流路は、比較的大きなゲル容積を提供し、ここに、接地用の電極１５０８が取り付けられている。

図１５Ｂは、圧力変換器１３６、アナログ／デジタル基板に取り付けるための圧力変換器ケーブル１３７、電極チャンバ１５０４、及び電極１５０５の相対的な配置を強調したリザーバの側面図である。

図１６Ａは、スリット（１６０４）を有するプレート（１６０２）で覆われた中空の矩形の箱体（１４０４）内に光源又はランプが固定され、コリメートレンズを介してキャピラリ窓に向けて光を出射できるランプハウジングの拡大図である。図１６Ｂは、プレート１６０２を除去し、ランプ又は光源１６０３を露出させたランプハウジング１４０４を示している。ランプハウジング１４０４の底部からは、ランプ１６０３のための電力ケーブルが延び出ている。プレート内のスリット（１６０４）の幅は、５０〜４０００マイクロメートルまでとすることができ、好ましいスリット幅の範囲は５００〜１５００マイクロメートルである。

図１７は、２個のガイドポスト１７０３を介して装置取付台１７０５に窓ホルダスロット１７０２をスライドさせることによって電気泳動システムに装着される他のキャピラリアレイ窓ブロック１７０１を示している。キャピラリアレイ窓ブロック１７０２は、バネ圧ボールスナップコネクタ１７０４によって定位置に嵌め込まれる。外部圧力マウント１７０７は、キャピラリ束１７０８をキャピラリアレイ窓ブロック内で固定し、接着剤、ネジ、又は他の任意の取り付け手段によって適所に保持される。オプションとして、米国特許第５，９００，９３４号（Ｇｉｌｂｙ）に記載されているスリット又はマスク１７０６をキャピラリアレイの前に配置し、光源からの光を制限し又は個々のキャピラリに向けてもよい。

図１８Ａは、キャピラリ窓ブロック１７０１が、一体型の架橋又は接続ピース１８０１に取り付けられた窓格納及び運搬用ネジ（図８及び図１８Ａの８０）によって、絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３への格納及び運搬のために装着されている他のキャピラリアレイを示している。一体型の架橋又は接続ピース１８０１は、剛性フレーム７７（図８及び図１８Ａ）に取り付けられておらず、これに代えて、接着剤、ネジ、又は任意の他の一般的な取付方法によって、絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３に取り付けられている。

図１８Ｂは、一体型の架橋又は接続ピース１８０１を示しており、これにより、窓ブロック１７０１を絶縁支持構造体又はロードヘッダ７３に取り付けることができる。

以下の実施例は、本発明の特定の側面を説明するものであり、本発明を限定するものではない。

実施例１：
この例では、変性一本鎖オリゴマゲル又はふるい分けマトリクス（sieving matrix）「ＤＮ−４１５」（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能）を使用した。本明細書に記載のキャピラリ電気泳動システムを使用して、「ＤＮ−４１５」ふるい分けマトリクスを、有効長５５センチメートル（ｃｍ）、全長８０ｃｍ（７５ミクロンＩ．Ｄ．）の複数の９６キャピラリにポンピングした。ポリ−Ｔオリゴマ１９−ｍｅｒ、２０−ｍｅｒ、３９−ｍｅｒ、４０−ｍｅｒ、５９−ｍｅｒ及び６０−ｍｅｒの各１０マイクロモルのオリゴマ混合物標準溶液を使用して、分離効率を評価した。この実施例においては、以下の条件で電気泳動図を取得した。１）ゲル充填キャピラリに対し、サンプル注入前に１２ｋＶを２０分間印加する電気泳動前処理を行った。２）３ｋＶの動電的注入を用いて７秒間、オリゴマ混合物標準溶液をキャピラリ電気泳動システム（本発明）に注入した。３）この直後に１２ｋＶの一定の印加電圧を用いて７０分間、電気泳動を行った。図１９Ａは、筐体１４０１（図１４Ａ）及びランプ収容スリットカバー１６０２（図１６）を有する本発明の電気泳動システムを用いて取得された電気泳動図である。電気泳動図の領域１９０１は、ベースラインノイズが低レベルであることを示している。図１９Ｂは、本発明の電気泳動システムから筐体１４０１（図１４Ａ）を取り外し、ランプ収容スリットカバー１６０２（図１６）を残したシステムによって取得された電気泳動図である。図１９Ｂの電気泳動図の領域１９０２は、図１９Ａの領域１９０１に比べて、ベースラインノイズ及びドリフトが大きいことを示している。図１９Ｃは、本発明の電気泳動システムから筐体１４０１（図１４Ａ）を取り外し、更に、ランプハウジングスリットカバー１６０２（図１６）も取り外したシステムによって取得された電気泳動図である。図１９Ｃの電気泳動図の領域１９０３は、図１９Ａの領域１９０１に比べて、ベースラインドリフト及びノイズが顕著に高くなっていることを示している。この実施例は、ベースラインノイズ及びドリフトが低い電気泳動図を取得するためには、ランプ収容スリットカバー１６０２及び筐体１４０１が重要であることを示している。

以上の説明から分かるように、このシステムは、フットプリントが小さく、ユーザは、高価なロボットを使用することなく、このシステムによって、１日に多くのサンプルを実行でき、新しいサンプルを処理しながら他のサンプルをロードできる。更に、本発明により、高品質の信号対ノイズ比、及び低レベルのベースラインドリフトでサンプルの解析を行うことができる。したがって、これは、上述した課題を解決するものである。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールを備える紫外吸光に基づくキャピラリ電気泳動システムであって、前記マルチプレックスキャピラリ電気泳動システムは、
少なくとも１２個のキャピラリを含むキャピラリアレイと、
ＵＶ光源と、
前記ＵＶ光源を覆い、スリットを有する第１の筐体と、
前記第１の筐体、コリメートレンズ、及び前記キャピラリアレイのキャピラリ窓を覆う第２の筐体と、
を含むキャピラリ電気泳動システム。
請求項２：
請求項１において、
前記第１の筐体上の前記スリットは、１５００ミクロン未満の幅を有するシステム。
請求項３：
動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、
キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるためのフローチャネルを含むリザーバと、を備え、
前記リザーバは、前記キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるための前記フローチャネルと流体連通する電極用の別個のフローチャンバを含み、
前記電極用の別個のフローチャンバの最高点は、前記キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるための前記フローチャネルの最低点よりも低い、キャピラリ電気泳動システム。
請求項４：
ワークフローを強化するための紫外線吸収に基づく電気泳動コンソールであって、
動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、
前記コンソールにサンプルプレート又は緩衝プレートを保持するための複数の外部アクセス可能な引出しと、前記コンソール内に構築され、前記サンプルプレート又は緩衝プレートを、前記引出しから前記キャピラリ電気泳動システムの注入位置に移動させる動き制御システムと、
を備える電気泳動コンソール。
請求項５：
請求項４において、
前記動き制御システムは、回転エンコーダである電気泳動コンソール。
請求項６：
請求項４において、
動き制御システムは、リニアエンコーダである電気泳動コンソール。
請求項７：
請求項４において、
前記外部アクセス可能な引出しとして、少なくとも４個の垂直に積み重ねられた引出しを含む電気泳動コンソール。
請求項８：
請求項４において、
前記外部アクセス可能な引出しとして、少なくとも６個の垂直に積み重ねられた引出しを含む電気泳動コンソール。
請求項９：
請求項４において、
前記電気泳動コンソールが稼働し、電気泳動データを収集している間に、少なくとも幾つかの前記引出しにサンプルを設置することができる電気泳動コンソール。
請求項１０：
請求項４において、
前記システムが電気泳動を行っている間に、複数のユーザが複数のサンプルを前記引出しにロードし、前記複数のサンプルを順次処理することを可能にするように動作可能なコンピュータプログラムを含む電気泳動コンソール。

Claims (10)

1. 動作可能なマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールを備える紫外吸光に基づくキャピラリ電気泳動システムであって、前記マルチプレックスキャピラリ電気泳動システムは、
   少なくとも１２個のキャピラリを含むキャピラリアレイと、
   ＵＶ光源と、
   前記ＵＶ光源を覆い、スリットを有する第１の筐体と、
   前記第１の筐体と、コリメートレンズと、前記キャピラリアレイのキャピラリ窓とを覆う第２の筐体であって、該第２の筐体は前記第１の筐体と前記コリメートレンズと前記キャピラリ窓とからなる空間を取り囲み、該第２の筐体は前記空間内に前記ＵＶ光源からの光を封入し、該第２の筐体は、前記第１の筐体と前記コリメートレンズと前記キャピラリ窓とを、該第２の筐体の外側でのキャピラリの冷却に関する空気流から遮断する、第２の筐体と、
   を含むキャピラリ電気泳動システム。
2. 請求項１において、
   前記第１の筐体上の前記スリットは、１５００ミクロン未満の幅を有するシステム。
3. 請求項１又は２に記載のマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、
   キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるためのフローチャネルを含むリザーバと、を備え、
   前記リザーバは、前記キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるための前記フローチャネルと流体連通する電極用の別個のフローチャンバを含み、
   前記電極用の別個のフローチャンバの最高点は、前記キャピラリアレイのキャピラリ先端を経由して流体を通過させるための前記フローチャネルの最低点よりも低い、キャピラリ電気泳動システム。
4. ワークフローを強化するための紫外線吸収に基づく電気泳動コンソールであって、
   請求項１又は２に記載のマルチプレックスキャピラリ電気泳動システムを収容するコンソールと、
   前記コンソールにサンプルプレート又は緩衝プレートを保持するための複数の外部アクセス可能な引出しと、前記コンソール内に構築され、前記サンプルプレート又は緩衝プレートを、前記引出しから前記キャピラリ電気泳動システムの注入位置に移動させる動き制御システムと、
   を備える電気泳動コンソール。
5. 請求項４において、
   前記動き制御システムは、回転エンコーダである電気泳動コンソール。
6. 請求項４において、
   動き制御システムは、リニアエンコーダである電気泳動コンソール。
7. 請求項４において、
   前記外部アクセス可能な引出しとして、少なくとも４個の垂直に積み重ねられた引出しを含む電気泳動コンソール。
8. 請求項４において、
   前記外部アクセス可能な引出しとして、少なくとも６個の垂直に積み重ねられた引出しを含む電気泳動コンソール。
9. 請求項４において、
   前記電気泳動コンソールが稼働し、電気泳動データを収集している間に、少なくとも幾つかの前記引出しにサンプルを設置することができる電気泳動コンソール。
10. 請求項４において、
    前記システムが電気泳動を行っている間に、複数のユーザが複数のサンプルを前記引出しにロードし、前記複数のサンプルを順次処理することを可能にするように動作可能なコンピュータプログラムを含む電気泳動コンソール。