JP7240524B2 - 電気泳動装置及び異物の検知方法 - Google Patents

Description

本発明は電気泳動装置に係り、特に流路中の異物検知に関する。

キャピラリ電気泳動装置は、単数もしくは複数本のキャピラリにより構成されるキャピラリアレイと、キャピラリにポリマを注入するためのポンプ機構を有し、ポンプ機構には流路(以下、ポンプ流路とする)が設けられている。また、陰極側緩衝液中の電極と高圧電源の間に流れる電流と、陰極側緩衝液中の電極とグランド間の陽極側電極に流れる電流を検出できる電流計をそれぞれ設けている。ポンプ流路やキャピラリには、気泡やごみ等の異物が混入する可能性がある。特に、ポンプ機構と接続されるキャピラリやポリマ容器の交換の際には、高い頻度で気泡がポンプ流路内やキャピラリ内に混入してしまう。電気泳動時には、ポンプ流路及びキャピラリに高電圧が印加されており、ポンプ流路やキャピラリ内の異物が大きな抵抗として働く場合がある。これにより部分放電が起こり、キャピラリ等の構成部品や装置本体の破損を招く恐れがある。

特許文献１では、ポンプ流路やキャピラリへの気泡混入等の異常を検知するため、ポンプ流路やキャピラリ等を含む通電路の電流値を検出し、検出された電流値に基づいて通電路の状態を判断する方法が開示されている。ポンプ流路やキャピラリ等の異常を電流値の変化により検知し、構成部品や装置本体の破損を防ぐことが可能である。

特開２００３－３４４３５６号公報

特許文献１は、電流値により通電路の異常を検知した場合には、異常の原因を特定するため、ポンプ流路内に気泡やごみ等の異物の混入がないか目視で確認を行っていた。しかし、ポンプ流路内の気泡や異物は見えにくく、ポンプ流路内の気泡や異物の特定は困難であった。

本発明は、上記課題を鑑み、流路内の異物の有無を検知する電気泳動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の電気泳動装置は、内部に泳動媒体が充填される流路と、泳動媒体を収容する泳動媒体容器と、前記流路に泳動媒体を送液する送液機構と、前記流路を撮影する撮影機器と、前記撮影機器で撮影した前記流路の画像を解析する制御部とを有し、前記制御部は、前記流路の画像に基づいて、前記流路内の異物の有無を判定することを特徴とする。

本発明の電気泳動装置は、流路内の異物の有無を検知することが可能である。

電気泳動装置の一構成を示す概略図。 ポンプ機構の概略図。 電圧制御機構を示す高圧電源回路図。 画像検知による異物検知のフローチャート。 画像検知による流路内の異物除去の流れを示す図。 電流検知による異常検知のフローチャート。 電流変化と電流変動検出の概略説明図。 電流検知及び画像検知で異常検出された場合の対応方法を示すフローチャート。

図１は、本実施例にかかる電気泳動装置の概略図である。以下、図１を参照して、本装置の構成について説明する。

本実施例の電気泳動装置１０１は、単数もしくは複数本のキャピラリ１０３により構成されるキャピラリアレイ１０５と、ポリマ１０７を収容するポリマ容器１０９と、キャピラリ１０３とポリマ容器１０９を接続するポンプ流路１１１が形成され、ポリマ容器１０９内のポリマ１０７をキャピラリ１０３に送液するポンプ機構１１３と、ポンプ流路１１１を撮影する撮影機器１１５を有する。電気泳動装置１０１は、コンピュータ１１７と接続され、詳細は後述するが、コンピュータ１１７は、撮影機器１１５で撮影したポンプ流路１１１の画像の解析を行い、ポンプ流路１１１内の異物の有無を判定する。

電気泳動装置１０１の構成について詳細を説明する。

キャピラリアレイ１０５は、単数もしくは複数本のキャピラリ１０３を含む交換部材である。測定手法を変更する場合、キャピラリアレイ１０５を交換し、キャピラリ１０３の長さを調節する。また、キャピラリ１０３に破損や品質の劣化が見られたとき、新品のキャピラリアレイ１０５に交換する。

キャピラリアレイ１０５は、キャピラリ１０３のほかに、検出部１２１、ロードヘッダ１２３及びキャピラリヘッド１２５を含む。

キャピラリ１０３は、内径数十～数百ミクロン，外形数百ミクロンのガラス管で構成され、強度を向上させるためにガラス管の表面をポリイミドでコーティングしている。ただし、励起光が照射されるキャピラリ１０３の光照射位置は、内部の発光が外部に漏れやすいように、ポリイミド被膜が除去されている。キャピラリ１０３の内部は、電気泳動時に、泳動速度差を与えるための分離媒体が充填される。分離媒体は、流動性と非流動性の双方が存在するが、本実施例では流動性のポリマ１０７を用いる。

検出部１２１は、キャピラリ１０３の光照射位置の近傍を、光学フラット平面に高さ数ミクロンの精度で配列固定している。電気泳動時、光源１２７より励起光が照射され、全てのキャピラリ１０３の光照射位置を連続して透過する。この励起光により、試料から情報光（試料に依存した波長を有する蛍光）が生じ、光照射位置からキャピラリ１０３の外部に放出される。この情報光を光学検出器１２９により検出して、試料を分析する。

ロードヘッダ１２３は、キャピラリ陰極端１３１に設けられている。キャピラリ陰極端１３１は、それぞれ金属製の中空電極１３３を通して固定されており、中空電極１３３からキャピラリ１０３の先端が０．５ｍｍ程度突き出た状態になっている。また、キャピラリ１０３毎に固定された中空電極１３３は、ロードヘッダ１２３に装着され、中空電極１３３とロードヘッダ１２３は一体となる。中空電極１３３は、高圧電源１３５と導通している。そのため、電気泳動や試料導入など電圧を印加する必要がある際に、中空電極１３３は陰極電極として機能する。また、電気泳動装置１０１には、電流を検出するための第１電流計１７３と第２電流計１７５が設けられている。

キャピラリヘッド１２５は、ポンプ機構１１３と耐圧機密で着脱する部材である。キャピラリヘッド１２５は、キャピラリ１０３が複数の場合に、キャピラリ陽極端１３７を一つに束ねる。

図２を参照してポンプ機構１１３について詳述する。ポンプ機構１１３は、ポンプ流路１１１が形成されたブロック３０１と、ポンプ流路１１１内を稼動するプランジャ３０３と、プランジャ３０３を駆動するための駆動部３０５とから主に構成される。ブロック３０１は、キャピラリアレイ１０５、陽極バッファー容器１３９（図１参照）及びポリマ容器１０９（図１参照）をそれぞれ連通させるための接続部であり、ブロック３０１にそれぞれを連結させるためのポンプ流路１１１が形成されている。ポンプ流路１１１において、キャピラリヘッド１２５が接続されたキャピラリ接続部からプランジャ３０３までの流路をポンプ流路１１１Ａ、ポンプ流路１１１Ａと陽極バッファー容器１３９を連結させるための流路をポンプ流路１１１Ｂ、ポンプ流路１１１Ａとポリマ容器１０９を連結させるための流路をポンプ流路１１１Ｃとする。そして、ポンプ流路１１１内をプランジャ３０３が駆動することにより、ポリマ１０７はブロック３０１を経由し、キャピラリ陽極端１３７からキャピラリ１０３内に充填される。キャピラリ１０３内のポリマ１０７の詰め替えは、測定の性能を向上するために測定ごとに実施される。

プランジャ３０３は、ポンプ流路１１１Ｃ内を動く。駆動部３０５がプランジャ３０３を下降させることで、ポンプ流路１１１Ｃ内のポリマ１０７を排出し、ポンプ流路１１１Ａを介してキャピラリ１０３にポリマ１０７を送液する。また、駆動部３０５がプランジャ３０３を上昇させることで、ポンプ流路１１１Ｃ内に、ポリマ容器１０９内のポリマ１０７を吸引することができる。

再び図１を参照しながら説明する。ポリマ容器１０９とブロック３０１の間に、逆止弁１４１が設けられている。逆止弁１４１は、ポリマ容器１０９からブロック３０１に流れるポリマ１０７を許容し、ブロック３０１からポリマ容器１０９へのポリマ１０７の流出を遮断する機能を有している。したがって、キャピラリ１０３へポリマ１０７を注入する際に、ポリマ容器１０９にポリマ１０７が逆流することを防止する。また、ブロック３０１に、陽極バッファー容器１３９とブロック３０１をつなぐ連結管１４３が接続されている。連結管１４３は、電動バルブ１４５が設けられている。電動バルブ１４５は、ブロック３０１と陽極バッファー容器１３９の間の流路を開閉するものであり、少なくともキャピラリ１０３へのポリマ１０７の注入の際はブロック３０１と陽極バッファー容器１３９の間の流路を閉鎖し、陽極バッファー容器１３９へのポリマ１０７の流出を防止する。また、電気泳動など電流を流す際には、流路を開きブロック３０１と陽極バッファー容器１３９を接続する。また、陽極バッファー容器１３９内のバッファー１４７に浸るように、陽極バッファー容器１３９に電極(ＧＮＤ)１４９が挿入されている。

コンピュータ１１７は、通信ケーブル１１９で接続された状態で使用される。コンピュータ１１７は、電気泳動装置１０１の保有する機能の制御し、電気泳動装置１０１で検出されたデータを授受できる。

さらに電気泳動装置１０１は、キャピラリ１０３を恒温に保つための恒温槽１５３と、キャピラリ陰極端１３１に様々な容器を搬送するための搬送機１５５を有する。

キャピラリ１０３は恒温槽１５３内に配置され、恒温槽１５３により所定の温度に温められる。

搬送機１５５は、陰極バッファー容器１５７、洗浄容器１５９，廃液容器１６１及び試料容器１６３を必要に応じて、キャピラリ陰極端１３１まで搬送する。図示していないが、搬送機１５５は、３つの電動モータとリニアアクチュエータを備えており、搬送機１５５に設けられた移動ステージ１６５を、上下、左右および奥行き方向の３軸方向に移動可能である。また、移動ステージ１６５は、少なくとも１つ以上の容器を載せることができる。さらに移動ステージ１６５は電動のグリップ１６７が備えられており、各容器を掴むことや放すことができる。尚、不必要な容器は、装置１０１内の所定収容箇所に保管されている。

図３は、本装置１０１の電圧制御機構を示す高圧電源回路図である。以下、図３を参照して電圧制御機構を説明する。

電圧制御機構は、マイコン１６９，コントローラ１７１，高圧電源１３５，第１電流計１７３、及び第２電流計１７５を含む。高圧電源１３５は、コントローラ１７１の制御に基づいて、通電路に電圧を印加する。通電路は、中空電極１３３、陰極バッファー容器１５７に満たされたバッファー１４８，電気泳動路，陽極バッファー容器１３９に満たされたバッファー１４７，電極（ＧＮＤ）１４９である。電気泳動路は、キャピラリ１０３，ポンプ流路１１１，連結管１４３に充填されたポリマ１０７である。

高圧電源１３５は、第１電流計１７３を介して中空電極１３３と、第２電流計１７５を介して電極（ＧＮＤ）１４９と導通している。図１では省略したが第２電流計２０７はマイコン１６９と接続されている。数十キロボルトの電圧を印加すると、中空電極１３３から電極（ＧＮＤ）１４９の方向に電界が生じる。この電界により、負に帯電した核酸等の試料は、キャピラリ陰極端１３１からキャピラリ陽極端１３７へ移動する。

第１電流計１７３は、高圧電源１３５から中空電極１３３に流れる電流を検出し、その電流値をマイコン１６９に送信する。第２電流計１７５は、電極（ＧＮＤ）１４９からＧＮＤに流れる電流を検出し、その電流値をマイコン１６９に送信する。後述する電流値および電流値の変動のチェックには、通常、第２電流計１７５を使用する。電気泳動路を流れる電流値をより直接的に反映している為である。第１電流計１７３と第２電流計１７５の間はバッファー１４７（１４８）やポリマ１０７など金属に比べて比較的抵抗の大きい媒体が介在している。さらに、第１電流計１７３と第２電流計１７５の間は、ブロック３０１やキャピラリアレイ１０５などの接続部が多く存在する。従って、図２の回路の中では、第１電流計１７３と第２電流計１７５の間は、測定される電流値にノイズが発生しやすい部分であるといえる。一方で、第２電流計１７５が示す数値はノイズが含まれにくい。第２電流計１７５では、電気泳動路を流れる正味の電流量が検出される。

マイコン１６９は、第１電流計１７３及び第２電流計１７５から電流値を読み込み、演算を行う。そして、コントローラ１７１に命令し、高圧電源１３５を高電圧印加，低電圧印加，電圧強制遮断等の各状態に制御する。また、装置本体１０１の外部に配置されたコンピュータ１１７と相互に通信できる。

＜構成の説明＞
本実施例の異常検知について説明する。

ポンプ機構１１３と接続されるキャピラリ１０３やポリマ容器１０９の交換の際、高い頻度でポンプ流路１１１内に気泡やごみ等の異物が混入する。

従来、電流検知で異常が検知された場合には、オペレータがポンプ流路１１１内の異物の有無を目視で確認を行い、確認された異常の原因に応じて所定の対応行っていた。ポンプ流路１１１内に異物が確認された場合は、ポンプ機構１１３によりポンプ流路１１１内のポリマ１０７を循環させることで異物除去を行っていた。

しかし、ポンプ流路１１１内の異物は見えにくく、異物の有無の特定は困難であり、非常に手間であった。特に、微小な異物は目視では捕えにくい。また、目視による確認では前記問題に加えて、ひとが目視により異物の有無を判断するため、異物の検知に個人差が生じるという問題がある。

キャピラリ１０３やポンプ流路１１１を含む流路内に異物が混入したまま電気泳動を続けると、異物が大きな抵抗として働く場合があり、導通不良による分析精度の低下や、部分放電による構成部品の破損等を招く恐れがある。微小な気泡であっても、電気泳動中のジュール熱により膨張し、流路を閉塞して放電を起こす可能性もある。また、電気泳動時に異物が流路内に混入していると、異物がピークとして検出されてしまうことがあり、異物が検出されてしまうと、検出精度が低下する可能性がある。これらの問題を排除するために異物の自動検知が求められている。

そこで、これらの問題を解消するため、ポンプ流路１１１を撮像するための撮影機器１１５を設けた。撮影機器１１５で取得したポンプ流路１１１の画像により、ポンプ流路１１１内の異物を検知する。ブロック３０１は透明であり内部のポンプ流路１１１を視認できることが望ましい。

撮影機器１１５により取得したポンプ流路１１１の画像を、コンピュータ１１７で画像解析を行い、ポンプ流路１１１内の異物の有無を検知することが可能となる。これにより、電気泳動装置１０１の操作性が向上し、また一定精度で異物を検知することが可能となる。

＜動作の説明＞
続いて図４および図５を用いて、画像を用いた異物検知のフローを詳述する。

図４は泳動開始前から泳動終了までの、ポンプ流路１１１内の異物を画像検知により検出するフローチャートである。図５は図４のフローチャートのステップ４０１～４１０のポンプ流路１１１内の異物を除去する流れの一例を図示したものである。

最初に、装置１０１を初めに使用する際の事前準備について説明する。事前にポンプ流路１１１を含むようにポンプ機構１１３の画像を取得する（４０１）。

コンピュータ１１７に、ポンプ流路１１１を判別するためのリファレンス画像が予め保存されている。リファレンス画像とは、装置製造後に装置毎に取得したポンプ機構１１３の画像である。

リファレンス画像と、ステップ４０１で取得したポンプ機構１１３の画像を比較することにより、ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを特定する（４０２）。

詳細は後述するが、異物の画像検知は、所定のタイミングで撮影した２枚の画像を比較し異物の検知を行う。所定のタイミングとは、フローの順番や時間の間隔を示す。

ポンプ機構１１３はプランジャ３０３等が駆動するため、プランジャ３０３はポンプ流路１１１Ｃの画像の類似度を変化させる要因となる。そのためポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを特定し、異物以外の影響による類似度の変化を無視できるようにする。また、撮影機器１１５は装置に固定するため、一度固定したら取得する画像は同じものとなる。

しかし、製造工程で撮影機器１１５を固定する際、固定位置が装置毎にわずかに異なる可能性がある。それが検出誤差となりうるため、リファレンス画像を用いて前記４０１および４０２の工程を事前に行うことでより正確な異常検知が可能となる。

ステップ４０１及びステップ４０２を行った装置をユーザーに提供しても、装置を提供後にユーザーがステップ４０１及び４０２を行っても良い。

次に、泳動開始前のポンプ流路１１１の異物検知の流れについて説明する。泳動開始前の異物の検知は、ポンプ流路１１１にポリマ１０７を送液し、ポンプ流路１１１内のポリマ１０７を移動させる。ポリマ１０７の移動前後に取得したポンプ流路１１１の画像を比較することで、異物の有無を判定する。

はじめに、駆動部３０５によりプランジャ３０３を動かすことで、ポンプ流路１１１およびキャピラリ１０３に、ポリマ容器１０９に格納されているポリマ１０７を充填する（４０３）。

ポリマ１０７が充填されたポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを撮影機器１１５で撮影し、ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを含んだ画像を取得する（４０４）。

画像による異物検知は、ポリマ１０７充填による異物の移動により異物の有無を確認する。そのため、再度ポリマ１０７を送液し、ポンプ流路１１１内のポリマ１０７を移動させる（４０５）。

ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを撮影機器１１５で撮影し、ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを含んだ画像を取得する（４０６）。

続いて、ステップ４０４およびステップ４０６で取得したポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを含んだ画像の比較を行う。ス
テップ４０４及びステップ４０６で取得した画像を用いて、ステップ４０２で特定したポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂ部分の類似度（例として０～１００）を算出する（４０７）。

ステップ４０７で求めた類似度と閾値を比較し異物の有無を判断する（４０８）。

特許文献１のような電流値に基づいた異常検知では、使用するキャピラリ１０３の長さや本数、ポリマ１０７の種類等により電流値が変化するため、キャピラリ１０３の本数や長さ、ポリマ１０７の種類等多くのパラメータの組み合わせ毎に実験的に事前に調査を行ったうえで閾値を設定する必要がある。画像による異物の検知は、実験条件により閾値を変更する必要がなく、閾値を固定値とすることが可能であり、設定が容易である。

類似度が所定の閾値（類似度）より小さいとポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂ内に異物が混入していると判断され、類似度が閾値より大きいとポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂ内に異物がないと判断される。例えば図５では、異物の有無を判断するための閾値は９０と設定されているのに対し、ステップ４０４とステップ４０６により取得した画像から求めた類似度は８０である。そのため、求めた類似度は閾値より小さく、異物が混入したと判断される。

異物が混入と判断された場合には、再度ステップ４０３～４０８を行いポンプ流路１１１Ａ及び１１１Ｂ内の異物の有無を判断する。図５では、再度ステップ４０３～４０８を繰り返し行ったところ類似度は９８となった。繰り返しステップ４０３～４０８を行った場合は最新の２枚の画像以外は破棄しても良く、つまり前回行ったステップ４０３～４０８で取得した画像は破棄してよい。

ステップ４０８で異物がないと判断された場合には、電気泳動に進む。

電気泳動中にも撮影機器１１５を用いた異物検知を行う場合には、電気泳動を行う前に、ステップ４０６で取得した最新の画像をコンピュータ１１７に保存する（４０９）。

コンピュータ１１７に保存された画像は、泳動時に画像による異物検知を行う際の、最初の比較画像となる。つづいて、試料をキャピラリ１０３内に注入し、電気泳動を開始する（４１０）。

泳動開始前の異物検知では、ポリマ１０７の送液による異物の移動を検出した。一方で電気泳動中は、異物の時間変化を検知する。電気泳動中は、試料の電気泳動を行うため、ポンプ流路１１１やキャピラリ１０３等の流路に電圧が印加される。泳動前の異物検知では検知されない非常に微小な気泡等が、電圧印加により発生したジュール熱により膨張し、流路を閉塞する可能性がある。そのため、電気泳動中にも異常を検知することが好ましい。

電気泳動中も電気泳動前と同様に、所定の間隔でポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを含んだ画像を取得する。そして、最新の２枚の画像を比較し類似度を算出することで、異物の膨張等の異物の変化を検知し、異物の有無を判別する。

電気泳動中の異物検知について詳細を説明する。

ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを撮影機器１１５で撮影し、ポンプ流路１１１Ａ及び１１１Ｂを含んだ画像を取得する（４１１）。

その後コンピュータ１１７に保存されているステップ４０６で取得した画像とステップ４１１で取得した画像を比較し、ステップ４０６で取得した画像とステップ４１１で取得した画像のポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂ部分の類似度（例として０～１００）を算出する（４１２）。

類似度と所定の閾値とを比較することにより異物の有無を確認する（４１３）。

コンピュータ１１７により、異物がないと判定された場合には試料の電気泳動を継続して行い、異物があると判定された場合には、ポンプ流路１１１にポリマ１０７を送液し異物を除去するために、ステップ４０３に戻る。このように、異物が検知された場合にはステップ４０３に戻り、自動で異物の除去を行うことが可能である。

類似度が閾値より大きいと判断されると異物が検知されていないため、試料の電気泳動を継続し、ポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂを撮影機器１２６で再度撮像する（４１４）。

最新の２枚の画像であるステップ４１２で取得した画像と、ステップ４１４で取得した画像とを比較し、２枚の画像のポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂ部分の類似度（例として０～１００）を算出する（４１５）。

ステップ４１５で算出した類似度と所定の閾値を比較することで異物の有無を確認する（４１６）。

前述したステップ４１４～４１６のループを泳動終了まで繰り返す（４１８）。

ステップ４１２で、ステップ４０６で取得した画像とステップ４１１で取得した画像におけるポンプ流路１１１Ａ及び１１１Ｂ部分の類似度が閾値より小さいと（４１３）、ポンプ流路１１１Ａまたは１１Ｂ内に異物混入していると判定される（４１７）。

異物の混入が検知された場合には、流路への電圧印加を停止し、電気泳動を停止させる。そして、電気泳動前のステップ４０３に戻り、再度ポリマ１０７の充填から行うことで流路内の異物除去を行い、試料の電気泳動を再開する。

ステップ４０１からステップ４０２は、装置を初めて使用する場合のみ行えばよく、１度ステップ４０１およびステップ４０２を行った装置ではステップ４０３から行う。ステップ４０１およびステップ４０２は装置間の誤差を補正するために行うため、１度行えばそれ以降の画像からポンプ流路１１１Ａおよび１１１Ｂのみの比較が可能となる。また、ステップ４０３のポリマ充填は、測定毎のポリマ１０７の詰め替えや、異物が検出された際に異物除去のためのポリマ１０７の送液である。一方でステップ４０５のポリマ充填は、異物が流路１１１内にあった場合に、異物を動かすことを目的としている。そのため、ステップ４０５ではステップ４０３と比べて少量のポリマ１０７の送液で良い。

本実施例の電気泳動装置１０１では、キャピラリ１０３はポリイミドでコーティングされているため、キャピラリ１０３内部の画像を取得することが困難であり、キャピラリ１０３内の異物の確認に画像検知を用いることは難しい。そのため、上述した画像によるポンプ流路１１１内の異物検知と併せて、電流値に基づいて通電路の状態を判断し異常検知を行うことが好適である。電流値による通電路状態確認では、異物の有無は特定できないものの、バッファー１４７（１４８）の液量不足、ポンプ流路１１１やキャピラリ１０３を含む流路内の気泡の残留や異物の混入等の異常事態を確認できる。電流検知により異常を検知することで、異常状態のまま高電圧を印加し、流路内に放電を生じさせる危険を回避できる。

また電流検知に画像検知を併用することで、異常原因が、ポンプ流路１１１内の異物かその他の原因かの特定が可能となる。従来の電流のみによる異常検知では、電流値により異常と判断された場合には、オペレータが気泡や異物の混入がないか目視で確認を行い、確認されたエラー原因に応じて、所定の対応を行っていた。しかし、本実施例では、異常発生箇所がポンプ流路１１１かその他の原因のエラーか等特定することが可能となり、エラー表示だけでなく対応手段を提示することが可能となる。また、ポンプ流路１１１内に異物が検知された場合には、自動でポリマ充填を行い、異物を除くことが可能となる。これにより、エラーの原因がポンプ流路１１１Ａまたは１１１Ｂの異物の場合は、オペレータに対応を要求することなく、自動でエラーを解消することが可能であり、オペレータの手間を削減することが可能となる。夜間等長時間オペレータが介入できない場合も、ポンプ流路１１１Ａまたは１１１Ｂ内の異物によるエラーの場合には、自動でエラーを解消し、分析を継続することが可能である。

電流値による異常の検知方法について説明する。

電気泳動の前の異常の検知では、電気泳動を行う際の電圧より低い電圧を印加する。電圧の大きさは、バッファー１４７（１４８）の液量不足、電気泳動路内の気泡の残留、ゴミの混入等の異常事態が生じても放電しない程度である。本実施例では、１キロボルトの電圧を加えて、さらに３秒後に電流値を確認することにしている。それは、電流の立ち上がり時間を考慮して、電圧に見合う正確な電流値を把握するためである。待ち時間は数秒もあれば十分である。また、このときに検出される数値は陽極側である第２電流計１７５から読み込まれる値である。

次に電流チェックを行う。前述した電圧印加にて検出された電流値を閾値と比較する。閾値は、キャピラリ１０３の長さ，本数，使用するポリマ１０７の種類等の電流値に影響を及ぼすパラメータを考慮して決定される。また、電気泳動前の異常検知と後述する電気泳動中では、印加する電圧の大きさが異なるため、それぞれに適切な閾値を決定するのがよい。電流値は正常なときは安定な値をとり、経時的に変動することはあってもその度合いはなだらかである。一方、異物等により電気泳動路が閉塞すると電流値は急激に変動する。従って、電流値の変動の度合い、具体的には電流値の勾配を監視することにより電圧印加中に発生する電気泳動路内の異常を瞬時に検出できる。ここでは、単位時間あたりの電流値の減少量が閾値を超えた場合に、通電路に異常が発生したと判断する。

実際は、それぞれに使用条件で得られる電流値を実験的に事前に調査し、その半分から三分の一程度の値を閾値として用いることもできる。そして、電流値が閾値より低い場合、正常とは違う状態、例えば前述したようなバッファー１４７（１４８）の液量不足、電気泳動路内の異物の残留など電流を阻害するような要因が推定されるため、電気泳動路内に異常がある（エラー）と判定する。

図６は、電気泳動開始後の電気泳動路内異常検知フローを示す図である。以下、電流値変動監視による電気泳動路内異常発生の検出方法について、図６を参照して説明する。

まず、電圧印加を開始し、予備泳動、試料導入または電気泳動を始める（６０１）。

続いて、異常電流測定を開始し（６０２）、第２電流計１７５から電流値を取得する（６０３）。

過去に取得した電流値があれば、現在値と過去の値を比較して通電路の状態を判断する（６０４）。

電流値は正常なときは安定な値をとり、経時的に変動することはあってもその度合いはなだらかである。一方、気泡等により電気泳動路が閉塞すると電流値は急激に変動する。従って、電流値の変動の度合い、具体的には電流値の勾配を監視することにより電圧印加中に発生する電気泳動路内の異常を瞬時に検出できる。ここでは、単位時間あたりの電流値の減少量が閾値を超えた場合に、通電路に異常が発生したと判断する。異常が発生した場合の対応方法は後述する。ステップ６０４で異常が見られなければ、引き続き電圧を加えつづけるか確認する（５０５）。

引き続き電圧を加えつづけるときは、ステップ６０３から６０５までを繰り返す（６０５）。

電圧を切るときは電流値変動監視を停止して電圧をオフする（６０６）。

図７は、電流変化と電流変動検出の概略説明図であり、測定開始から異常検出までの関数変化を示す。以下、図７を参照して、実際の電流値（Ｉ）及び電流値の変動（ΔＩ）の変化推移を説明する。図７上図は、横軸が経過時間、縦軸が電流値を示している。また、この図はある地点で電圧を印加してから一旦は安定状態になり、流路内の温度の上昇と共に気泡が膨張して、ある地点でその気泡が流路を閉塞してしまうときの電流変化を示している。また、図７下図は、横軸が同様に経過時間、縦軸が図８で説明した方式で求められる電流値の変動を示している。また、この図は電流値が安定状態になってから気泡が流路を閉塞してしまうまでの電流値の変動を示している。

図７の上図のように、電圧を印加するとそれに見合う電流が発生する。実際は、電圧印加から電流値（Ｉ）が立ち上がるまでに若干の時間を要するが、電気泳動路に異常がなければすぐに安定な値をとる。また、流路を閉塞するには至らない微小な気泡が電気泳動路に混入していたとしても電流値（Ｉ）は一定になる。やがて電流による発熱等により、電気泳動路を遮断してしまう程に成長した気泡が発生すると、その気泡が大きな抵抗成分となるため、電流値（Ｉ）は大きく減少する。また、高圧電源の短絡，絶縁物による電気泳動路の遮断などの偶発的な事故によっても前述したような電流値の激減が発生する。

この電流変化に対応した電流値の変動（ΔＩ）は同下図のようになる。電流値（Ｉ）が一定の間、電流値の変動（ΔＩ）はほぼゼロに近い値をとりつづける。しかし、気泡が発生し電流値（Ｉ）が減少すると電流値の変動（ΔＩ）は増大し、やがて設定した閾値に達したところで電流値の異常変動が検出される。

正常時の電流が数百マイクロアンペア程度流れるような系で、数マイクロアンペアの閾値に設定していれば、これまで述べてきた方法により気泡の発生など電気泳動路異常を検出できる。また本実施例では、マイコンにより電流値の変動をチェックしているが、制御用コンピュータ１１７によりチェックしてもよく、装置外にチェックするためのサーバーを設けてもよい。

画像検知と電流検知を併用した異常検知でエラーが検知された際の対応について、説明する。画像検知および電流検知どちらもエラーが発生していないと、正常な状態と判断できるため、電気泳動前の異常検知では電気泳動を開始し、電気泳動中の異常検知ではそのまま泳動を継続する。

画像検知と電流検知を併用した時のエラーのパターンは、画像検知のみでエラー、電流検知のみでエラー、画像検知および電流検知でエラーの３つが考えられる。

画像検知のみでエラーを検知している場合には、ポンプ流路１１１Ａまたは１１１Ｂに異物があると判断できる。この場合は、ステップ４０５に戻り再度ポリマの充填を行い、異物の除去を行う。電流検知ではポンプ流路１１１およびキャピラリ１０３を含む通電路全体の異常を検知しているため、通常この状態は起こらない。異物の有無を判断する閾値付近、例えば、閾値を９０とした場合の画像の類似度が８８～８９や９１～９２であった場合、異常検知の正確性に欠ける。画像検知により異物が検知されたが、電流検知では異常が検知されない場合は、電流検知の閾値が適切ではない可能性がある。それゆえ、例えば閾値を２～３程度下げる等閾値を調整し、再度電流検知を行うのが好適である。このように閾値を調整することで、より最適な閾値を設定することが可能となり、より精度の高い異常検知が可能となる。また、閾値を変更しても電流検知により異常が検知されない場合には、第２電流計１７５の故障が疑われるため、オペレータに第２電流計１７５の確認を要求するアラームを出す。

電流検知のみでエラーを検知している場合には、ポンプ流路１１１内の異物以外の異常が発生していると判断できる。この場合にはキャピラリ１０３内の異物混入以外にも、バッファー１４７（１４８）不足やキャピラリ１０３の折損等、原因は多岐に渡る。そのため、この場合はオペレータに対応を要求するアラームを出す。オペレータは、異物混入およびキャピラリ１０３の折損においてはキャピラリアレイ１０５の交換、バッファー１４７（１４８）不足においてはバッファー１４７（１４８）の補充の対応をそれぞれ実施する。エラーの原因がキャピラリ１０３内の異物の可能性もあるため、ステップ４０５に戻り再度ポリマ１０７の充填を行った後、電流検知のエラーが解消されない場合に、オペレータに対応を要求しても良い。また、画像検知の閾値が適切でない可能性もあるため、画像検知の閾値を調整し、再度画像検知による異常の有無を判断するのも好適である。閾値を調整することで、より精度の高い異常検知が可能となる。

画像検知および電流検知でエラーを検知している場合には、ポンプ流路１１１の異物が発生、またはポンプ流路１１１及びキャピラリ１０３側の両方で異常が発生していることが考えられる。そのため、画像検知のみでのエラーを検知している場合と同様にステップ４０５に戻り再度ポリマ充填を行い、はじめに画像検知のエラーを解消する。その後、電流検知のみでエラーを検知した場合には、上述した電流検知のみでエラーが出た際の対応を行い、エラーが出なかった場合には、電気泳動を開始する。

一例として、図８のフローチャートを用いて、電気泳動中に、電流検知および画像検知でエラーが発生した時の対応方法を説明する。

電気泳動中に、画像検知および電流検知により異常が検知される（８０１）。

まず、装置故障防止のため泳動を停止する（８０２）。

画像検知および電流検知の両方でエラーを検知している場合には、ポンプ流路１１１内に異物が発生、またはポンプ流路１１１内の異物及びポンプ流路１１１内の異物以外の異常の両方の異常が発生していることが考えられる。そのため、画像検知により確認されたポンプ流路１１１Ａまたは１１１Ｂ内の異物を除去するため、図４のフローチャートのステップ４０３のポリマ充填からステップ４０７を行い、さらに電気泳動時よりも低い電圧を印加し電流値の計測を行う（８０３）。

再度電流検知および画像検知により異常が検知されるか確認する（８０４）。

画像検知及び電流検知で異常が検知されなければ、ポンプ流路１１１及びキャピラリ１０３を含む流路に異物が発生していないと判断できるため泳動を再開する（９０５）。

また、ステップ８０１から８０５までのフローは全自動で行われる。これにより、ひとを介さずに異物検知をすることができ、個人差が生じず、一定の精度で異物検知を行うことが可能となる。

画像検知により異常を検知した場合には、再度ステップ８０３に戻り、ポリマ１０７を充填し、異物の除去を行う（８０６）。

画像検知で異物が確認されず、電流検知で異常が検知された場合は、ポンプ流路１１１内の異物以外の異常が発生していると判断できる（８０７）。

ポンプ流路１１１内の異物以外の異常は、キャピラリ１０３内の異物混入のみならず、バッファー１４７（１４８）不足やキャピラリ１０３の折れ等による破損など多岐にわたるため、アラームを出し（８０８）、オペレータに対策を要求する（８０９）。

オペレータによりよる対策完了後、泳動を再開する（８０５）。

本フローでは、ステップ８０９でオペレータによる対策を行った後すぐに泳動を再開しているが、ステップ８０９の対策完了後、再度電流検知を行い異常が解消されたか確認してもよい。

本実施例では、撮影機器１１５で画像を取得することを想定し詳述したが、動画で流路を撮影し、取得した動画中の時間変化を見ることでも異物の検知は可能である。また、撮影機器１１５として赤外線カメラを使用した場合は、ポンプ流路１１１は透明でなくても異物の有無を判定可能となる。画像解析は上述した方法以外の、広く一般的な画像解析でも良い。また、ポンプ流路１１１内の異物の有無が判定可能であれば、ポンプ流路は透明でなくても良い。

実施例２では、ポリマ１０７の送液方法の一例を示す。

実施例１では、ポンプ流路１１１のポリマ充填と、キャピラリ１０３のポリマ充填を区別せず、あわせてポリマ充填としている。実施例１の電流検知及び画像検知を併用した異常検知では、異常がポンプ流路１１１内の異物か、キャピラリの破損等のそれ以外の異常か特定することが可能である。そのため、異物が検知された際に再度行うステップ４０３のポリマ充填は、異物の発生箇所のみのポリマ充填のみ行えばよい。具体的には、画像に基づき異物が検知された場合には、ポンプ機構１１３により、ポリマ容器１０９から流路１１１Ａ、１１１Ｂを通って緩衝液容器１３９に泳動媒体を送液し、ポンプ流路１１１内の異物を除去する。一方、電流値に基づき異物が検知された場合は、ポンプ機構１１３により、流路１１１Ｃから流路１１１Ａを通ってキャピラリ１０３にポリマ１０７を送液する。電流検知及び画像検知の併用で異常の発生箇所の特定が行えるため、部分的なポリマ充填を行うことが可能となる。これにより、気泡等の異物除去に用いるポリマ１０７の消費量を削減可能である。

実施例１では、キャピラリ１０３はガラス管をポリイミドで覆う構成であり、キャピラリ１０３の内部は確認できない。そのためキャピラリ１０３内の異物を検知するために画像検知を用いることができず、流路内部の状態が確認できるポンプ流路１１１内の異物検知にのみ画像検知を用いている。しかし、流路内部が視認可能なマイクロ流路で電気泳動を行う場合は、試料の電気泳動を行うマイクロ流路で画像検知を用いた状態異常箇所の特定が有効に機能する。また、実施例１では、キャピラリ１０３の強度を向上させるためガラス管をポリイミドでコーティングしているが、コーティング材が透明で視認できる場合やコーティングが不要で内部が視認可能な材料でキャピラリ１０３が作成された場合は、キャピラリ１０３内の異物を画像検知で確認することが可能である。

前記実施例において流動性のポリマ１０７を分離媒体として用いているが、流動性のある分離媒体であれば前記画像検知を用いたマイクロ流路内の状態異常箇所の特定が有効に機能する。

実施例１において、図４のフローにより電気泳動中に、画像検知と電流検知を並行して行い、ポンプ流路１１１及びキャピラリ１０３を含む流路内の監視を行っている。実施例４は、電気泳動中は電流検知のみ用いて流路内の監視を行う。試料の電気泳動中に電流検知によるエラーが発生したときのみ、ポンプ流路１１１を撮影し画像を取得して、異物の有無を確認する。

これにより、常時画像検知と電流検知を併用して検知するときのような検出精度の向上は行えないが、電流検知で目視により行っていた異物の確認を自動で行うことができる。エラーがポンプ流路１１１内の異物かその他の原因か等特定することが可能となり、エラー表示だけでなく対応手段を提示することが可能となる。ポンプ流路１１１内に異物が検知された場合には、自動でポリマ１０７の充填を行い、異物を除くことが可能となる。エラーの原因がポンプ流路１１１の異物の場合は、オペレータに対応を要求することなく、自動でエラーを解消することが可能となり、オペレータの手間を削減することが可能となる。また、継続して画像を取得して処理を行う必要がないため、実施例１よりも制御部に処理能力を要求せずに使用することが可能である。

１０１：電気泳動装置、１０３：キャピラリ、１０５：キャピラリアレイ、１０７：ポリマ、１０９：ポリマ容器、１１１：ポンプ流路、１１３：ポンプ機構、１１５：撮影機器、１１７：コンピュータ、１１９：通信ケーブル、１２１：検出部、１２３：ロードヘッダ、１２５：キャピラリヘッド、１２７：光源、１２９：光学検出器、１３１：キャピラリ陰極端、１３３：中空電極、１３５：高圧電源、１３７：キャピラリ陽極端、１３９：陽極バッファー容器、１４１：逆止弁、１４３：連結管、１４５：電動バルブ、１４７・１４８：バッファー、１４９：電極(ＧＮＤ)、１５１：光学検出器、１５３：恒温槽、１５５：搬送機、１５７：陰極バッファー容器、１５９：洗浄容器、１６１：廃液容器、１６３：試料容器、１６５：移動ステージ、１６７：グリップ、１６９：マイコン、１７１：コントローラ、１７３：第１電流計、１７５：第２電流計、３０１：ブロック、３０３：プランジャ、３０５：駆動部

Claims (16)

1. 内部に泳動媒体が充填される流路と、
   泳動媒体を収容する泳動媒体容器と、
   前記流路に泳動媒体を送液する送液機構と、
   を有する電気泳動装置において、
   前記流路を撮影する撮影機器と、
   前記撮影機器で撮影した前記流路の画像を解析する制御部と、
   を有し、
   前記撮影機器は、所定のタイミングで前記流路を撮影することで、前記流路の第１画像と、前記流路の第２画像とを取得し、
   前記制御部は、前記第１画像と、前記第２画像とを比較することで異物の有無を判定する
   ことを特徴とする電気泳動装置。
2. 請求項１の電気泳動装置において、
   前記制御部は、前記第１画像と前記第２画像の前記流路を特定し、
   前記第１画像の前記流路内と、前記第２画像の前記流路内とを比較することで異物の有無を判定することを特徴とする電気泳動装置。
3. 請求項２の電気泳動装置において、
   前記制御部は、前記流路を判別するためのリファレンス画像を有し、前記リファレンス画像により、前記第１画像及び前記第２画像から前記流路の位置を特定することを特徴とする電気泳動装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項の電気泳動装置において、
   前記撮影機器が前記第１画像を取得してから前記第２画像を取得するまでの間に、
   前記送液機構は、前記流路に泳動媒体を送液し、前記流路内の泳動媒体を移動させることを特徴とする電気泳動装置。
5. 請求項１～３のいずれか一項の電気泳動装置において、
   前記流路を含む通電路に電圧を印加する電源を有し、
   前記撮影機器が第１画像を取得してから第２画像を取得するまでの間に、
   前記流路に、電圧が印加されることを特徴とすることを特徴とする電気泳動装置。
6. 請求項１～５のいずれか一項の電気泳動装置において、
   前記制御部により異物が検知された場合は、前記送液機構は前記流路に泳動媒体を送液することを特徴とする電気泳動装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項の電気泳動装置において、
   前記流路を含む通電路を流れる電流を検出する電流計とを有し、
   前記制御部は、前記電流値に基づいて、前記通電路の異常の有無を判断することを特徴とする電気泳動装置。
8. 請求項７の電気泳動装置において、
   前記第１画像と前記第２画像の類似度と、所定の第１閾値とを比較し、第１閾値を基準に異物の有無を判断し、
   前記電流値による異常検知は、前記電流値と第２閾値とを比較し、前記第２閾値を基準に異常の有無を判断することを特徴とする電気泳動装置。
9. 請求項８の電気泳動装置において、
   前記画像による異物検知で異物が検知され、かつ前記電流値による異常検知では異常が検知されなかった場合は、
   第２閾値を調整することを特徴とする電気泳動装置。
10. 請求項８の電気泳動装置において、
    前記電流値による異常検知で異常が検知され、かつ前記画像による異物検知では異物が検知されなかった場合は、第１閾値を調整することを特徴とする電気泳動装置。
11. 請求項７の電気泳動装置において、
    前記制御部により、前記画像に基づき異物が検知され、電流値に基づき異常が検知されない場合は、前記電流計の故障を報知することを特徴とする電気泳動装置。
12. 請求項７の電気泳動装置において、
    前記制御部により、前記画像に基づき異物が検知されず、電流値に基づき異常が検知された場合は、
    異常を報知することを特徴とする電気泳動装置。
13. 請求項７の電気泳動装置において、
    内部で試料の電気泳動を行うキャピラリと、
    前記キャピラリに電圧を印加するための緩衝液を収容する緩衝液容器とを有し、
    前記流路は、前記キャピラリと前記泳動媒体容器、かつ前記キャピラリと前記緩衝液容器を接続しており、
    前記制御部により、前記画像に基づき異物が検知された場合には、前記送液機構は前記泳動媒体容器から前記緩衝液容器に泳動媒体を送液し、
    前記電流値に基づき異物が検知された場合は、前記送液機構は前記泳動媒体容器から前記キャピラリに泳動媒体を送液することを特徴とする電気泳動装置。
14. 請求項７の電気泳動装置において、
    前記電流値に基づいて異常が検知された場合に、前記撮影機器は前記画像を取得することを特徴とする電気泳動装置。
15. 内部に泳動媒体が充填される流路内の異物検知方法において、
    所定のタイミングで撮影した流路の第１画像と、流路の第２画像とを比較し、流路内の異物を検知することを特徴とする異物検知方法。
16. 請求項１５の異物検知方法において、
    前記第１画像と前記第２画像の流路を特定し、
    前記第１画像の前記流路内と、前記第２画像の前記流路内とを比較することで異物の有無を判定することを特徴とする異物検知方法。

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