JPH0399256A - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、緩衝液（ｂｕｆｆｅｒ　５ｏｌｕｔｉｏｎｓ
）中の未知の溶質を分離するための装置に関し、特に化
学的（ｃｈｅｍｉｃａｌ）電気泳動を利用した微細なキ
ャピラリを通して輸送される大きな生物学的物質（ｌａ
ｒｇｅ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ）
の検出・同定に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

バイオテクノロジーにおける最近の進歩は、研究開発所
、健康管理施設、製薬製造業において、微量の無機物質
及び有機物質を正確かつ迅速に同定することのできる装
置の要求を加速させている。

ガスクロマトグラフィー及び液体クロマトグラフィーを
含む従来の技術は、分子構造が比較的小さいサンプルの
分析に用いられている。クロマトグラフィーは、金属、
無機混合物、小さい有機イオン等の分析に有効に用いる
ことができるが、アミノ酸、たんばく質、ペプチド、Ｄ
ＮＡ等の非常に大きく、極めて複雑な分子を未知組成物
のサンプル中で単離し、発見することは、より困難なも
のである。クロマトグラフィーにおけるもう１つの重大
な欠陥は、未知サンプルが特に希薄である場合に困難な
事態に直面することである。これは、クロマトグラフィ
ーが分析に必要な物質を多量に使用するからである。液
体クロマトグラフィーを用いた場合に直面する他の欠点
としては、流体のバルク移動（ｂｕｌｋ　ｍｏｖｅｍｅ
ｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｕｉｄ）の妨げをする「デッ
ドゾーン」と呼ばれる不均一な流れや望ましくない層流
の混合を生じる、液体クロマトグラフ・システムを通る
溶質の不均一な移動パターン（ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎ
ｔ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｆ　５ｏｌｕｔｅ　ｍｏｖｅ
ｍｅｎｔ）があげられる。

電気泳動は、研究者や科学者にとって、未知物質の評価
を可能とする他の周知の方法である。キャピラリ電気泳
動（ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓ
ｉｓ）では、未知サンプルと緩衝液と呼ばれる非反応性
液体の混合物を含むある長さの管またはキャピラリに電
界を印加する。この印加電界により、電気浸透流（ｅｌ
ｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ　ｆｌｏｗ）が生じ、緩衝
液及び未知サンプルの成分はキャピラリを介して吸引さ
れる。また、電界により、重畳（ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓ
ｅｄ）電気泳動流が生じ、これはサンプルの成分をそれ
らの分子抵抗（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｄｒａｇｓ）の差
および実行電荷の差にしたがって分離する。異なる物質
は抵抗及び電気的吸引力に対して異なる反応を示すため
、キャピラリに沿って進行するにしたがってしだいに異
なるゾーンまたは群に分離される。このようにして、最
初の未知物質の分離されていない混合物を構成する各成
分のバンド（ｂｉｎｄ）はひとりでにキャピラリを移動
する。各バンドはキャピラリ沿いのある点において検出
器により検出され、同定される。電気泳動分離のための
検出器の一つとしては、キャピラリ中のバンドの電気伝
導率を測定するものがある。また、これに代わる検出の
仕方にレーザ誘発蛍光発光（ｌａｓｅｒ　１ｎｄｕｃｅ
ｄ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）とよばれる方法がある
。この方法は、高感度であるが、高価で、蛍光を発する
化合物あるいは刺激によって蛍光を発することのできる
化合物の検出にしか用いることができない。

従来技術におけるもう一つの検出システムでは、緩衝液
中に含まれる未知溶質を通して紫外光を照射し、溶質に
よる吸光量を測定する。この放射吸収方法は現在利用可
能な種々の電気泳動システムの中でも特によ（用いられ
る技術である。このシステムで使用されるキャピラリは
、その中の全ての物質が乱流や渦電流（ｅｄｄｙ　ｃｕ
ｒｒｅｎｔｓ）を生じることなく移動するよう非常に小
さな径に抑えなければならない。このような不均一な流
れはキャピラリの含有物に流れる電流が緩衝液を加熱す
る際に生じる。その熱は、管の中心からその周囲へ向け
て放射状に伝えられる。この熱の移動はキャピラリの中
心の比較的高温のゾーンからキャピラリ壁の比較的低温
の領域へ向けて分布する放射状熱勾配を生じさせる。キ
ャピラリ（ｖｅｓｓｅｌ）内においてこのように熱レベ
ルが異なる結果、緩衝液中で対流電流（ｃｏｎｖｅｃｔ
ｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ）が生じ、これがキャピラリ
中を移動する液体及び溶質の流れの方向に対して垂直な
方向にキャピラリの含有物を混合する作用がある。この
混合は分離された溶質のバンドをひろげるように作用す
るので、電気泳動分離装置の感度を大きくそこなう。キ
ャピラリ内におけるこのような不均一な加熱によって生
じるもう一つの問題は、粘度勾配が生じ、やはり溶質バ
ンドをひろげる作用がある。また、はとんどの分離シス
テムには、重力サイホン効果（ｇｒａｖｉｔｙ　ｓｉｐ
ｈｏｎｉｎｇ）と呼ばれる好ましくない状況がつきまと
う。即ち、分離キャピラリの両端の高さが正確に配列（
ａｌｉｇｎｅｄ）されていないと、その高低差のため、
各カラムの含有物の高さを等しくしようとする重力の作
用により好ましくない流れが生じる。

従来のシステムは、極めて細いキャピラリを用いること
により、好ましくない乱流、粘度勾配、及び重力サイホ
ン効果を最小化するために設計されてきた。断面が比較
的小さいキャピラリは好ましくない渦電流や粘度勾配を
生じさせる不均一な加熱を低減する。これは一種の妥協
的解決策であり、検出器によって一度に分析することの
できるサンプルのサイズが著しく小さくなるという不利
をまねく。この−時に処理可能なサンプル容積が比較的
小さいという点は従来の全ての検出方法に共通してみら
れる重大な難点である。大きな熱勾配によって溶質の好
ましくない分散が生じるのを防ぐため、従来の円形キャ
ピラリの直径は通常１００ミクロン以下におさえられて
いる。これらのキャピラリの最も一般的なサイズは５０
ミクロンである。そのため、従来システムの感度は、無
機分子や小さい有機分子との混合物を分析するために達
成されるべき目下の望ましい検出精度である１００万分
の−（ｉｐｐｍ）のスレッシュホールド・レベルよりは
るかに低い。

遺伝テクノロジーの発展が続くことで、より正確で、信
頼性があり、感度の高い診断及び測定技術の価値がさら
に上がっている。医師、臨床研究者、研究技師は、複雑
な遺伝子コードを調べ、急激に増加する世界人口に対す
る食料供給のため、耐寒性で有用な植物の改良をおこな
い、動物の寿命を延ばし、最終的には遺伝性廃疾や恐ろ
しい病気に対する治療方法を考察するためにより強力な
ツールを必要としている。従来の装置及び技術の障害と
なっていた制限を克服する感度と精度の高い生物学的検
出、分析をおこなえるようにするという問題は、生化学
技術における設計者、革新者に対して重大な目標を提示
することになっている。

未特定の生体サンプル成分を関知するための有効で、感
度が高く、入手可能で、正確さを備えたシステムの開発
は生化学及びバイオテクノロジー産業における重要な技
術革新をもたらすことになる。

こうした革新的な装置を用いて得られる性能の向上は、
長期にわたって考えられてきた必要が満たされることに
なり、また、薬物、医療品、生物学的製品の製造業者に
とって時間と費用の消費を大幅に節約することが可能に
なる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、乱流、渦電流
、重力サイホン効果を減少させると共に検出感度及び精
度を向上させる電気泳動キャピラリを提供することにあ
る。

〔発明の概要〕

本発明に係る分散阻止断面（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｉ
ｎｈｉｂｉｔｉｎｇ）を有する電気泳動キャピラリでは
、所与のどの検出器技術の場合も、従来の電気泳動分離
装置より高レベルの検出感度を確保することができる。

このような高レベルの感度は、非円形断面を有するキャ
ピラリを用い、これに自存されるサンプル容積を従来よ
り太き（することにより達成される。本発明によれば、
同等の断面積を有する円形キャピラリを用いる従来の問
題であった好ましくない乱流の発生を防止することがで
きる。本発明を用いて達成される性能強化の鍵は、キャ
ピラリ内に不均一な流れを生じさせるような状態を作り
出すことなくキャピラリの中心部の面積が最大となる断
面形状を有する新規な非円形キャピラリにある。

本発明においては、最大幅が約５０ミクロンの１つ以上
のチャネルを有する微細キャピラリを用いる。本発明の
一実施例では、端部を丸めた矩形に類似する、一般に、
長円状のキャピラリより成り、これによって緩衝液中の
溶質を移動させるための断面積を従来より格段に太き（
する一方、溶質の混合を抑制するための最適な幅を確保
したものである。本発明の他の実施例のキャピラリの断
面形状には、レンズ形、微小凸レンズ形、矩形や楕円形
、中心連通８の字形、さらにはアスタリスク形等がある
。本発明のさらに他の実施例には、種々の形状の中実フ
ィラメントを包囲する外キャピラリも含まれる。

本発明に係る分散阻止断面を有する電気泳動キャピラリ
は、未知溶質の電気泳動検出において従来にない高感度
が得られる新規なデバイスである。

本発明は、医療機器産業の技術者、科学者がバイオテク
ノロジー分野の進歩に役立つ有用な分析装置を設計、製
造することができるような効果的かつ効率的で強力なツ
ールを提供する。

〔発明の実施例〕

第１図は、従来のキャビ９１月０の拡大断面図である。

キャピラリｌＯの壁部１２吉中心部１４の中心との距離
は、第２（ａ）図に示すキャビ９１月６に比べて相当大
きい。キャビ９１月６は外径１８を有し、その内径２０
はキャピラリｌＯの内径に比べてはるかに小さい。この
ようなキャピラリ１０を電気泳動分離装置に用いると、
キャピラリによって運搬される緩衝液が分離プロセスを
進めるためにキャピラリに印加される電界によって加熱
されたとき生じる放射状熱勾配によって、乱流や好まし
くない混合が発生する。乱流や渦電流は、未知化合物の
混合物を明確なバンドに分離するキャピラリの性能を太
き（損ない、有害である。このような好ましくない混合
は、第２（ａ）図に示すボアの小さい、微細なキャピラ
リを用いることによって実質的に大きく減少させること
ができる。このような小さな中心部を備えることにより
発生する熱勾配であれば、乱流は許容可能な範囲内に維
持される。第２（ｂ）図のグラフ２２では、キャピラリ
１６内の半径方向位置と温度の関係を示す曲線２４を示
す。曲線２４では、キャピラリ１６内の中心温度が最も
高い最高温度２６を示す。内径２０の温度、ＲＩＤは、
中心よりやや低く、外径の温度（ｈｅａｔ　１ｅｖｅｌ
）、Ｒｏｏは、温度曲線の最低点である。

しかしながら、乱流を少な（するためにサンプル容積を
小さ（する上述の妥協的やり方は、所与の時間に検出可
能な未知サンプルの量、従って電気泳動分離装置の感度
のどちらも劣化するという厳しい結果につながる。第３
（ａ）図に示す分散阻止断面を有する電気泳動キャピラ
リ３２は、有害な対流混合、粘度勾配及び重力サイホン
作用なしに検出器の感度を向上させ、上述の不都合な妥
協を回避する。本発明の好適な一実施例においては、−
般に、非円形の断面を有するキャピラリを使用する。本
発明の実施例で共通の新規な事項として、キャピラリの
断面積をできるだけ大きくすると同時に溶質及び緩衝液
を運搬するキャピラリのチャネルの幅をできるだけ狭く
することがあげられる。

本発明のキャピラリのサンプル容積は、等しいチャネル
幅を有する従来の円形キャピラリに比べて大きい。

第３（ａ）図に示すキャピラリ３２は長円の形状を有す
る。外側表面３４はキャピラリ壁３６を包囲し、キャピ
ラリ壁はキャピラリの中心から横軸に沿って互いに逆方
向に延びる２つの放射状のチャネル３５を画定する。キ
ャピラリ壁３６の周囲距離がキャピラリ３２の全周の長
さとなる。参照番号３７で示す各放射状チャネルの幅は
キャピラリ３２の内側表面の壁部３８間の最大直交距離
で画定される。溶質と緩衝液の混合物はキャピラリの中
心領域４０を通って移動する。キャピラリ電気泳動分離
装置は周知の技術であるので本願明細書ではその詳細な
動作説明については省略する。４２．４４は等混線を示
し、４６は電界線である。本発明では、キャピラリ断面
領域内のどの点であっても、そこからキャピラリの内壁
上の最も近い点までの距離を最小化する。

好適な一実施例では、最大チャネル幅３７は約５０ミク
ロンである。チャネル３５の長さとチャネルの幅３７の
比は通常２と等しいまたはそれ以上大きい値となる。

第３（ｂ）図は、本発明の他の実施例であるキャピラリ
４７を示すものである。本実施例では、キャピラリ壁３
６の内側に拡張した（ｅｘｐａｎｄｅｄ）セル４７ａが
一体に形成される。この中央のセル４７ａの両側にはそ
れぞれ断面部分４７ｂが示されている。

第４（ａ）図、第４（ｂ）図、第５図にはそれぞれ本発
明に係る他の実施例を示す。第４（ａ）図の実施例のキ
ャピラリ４８は外側部５０、壁部５２及び中心部５４よ
り成り、たまご形（長円形、ｏｖａｌ）の断面を有する
。

第４（ｂ）図のキャピラリ５６は、外側部５８、壁部６
０及び中心部６４より成り、８の字形と同様な形状であ
る。第５図に示す「アスタリスク（ａｓｔｅｒｉｓｋ）
　Ｊ形または星形のプロファイルを有するキャピラリ６
４は、外側部６６、放射状チャネル６７、壁部６８及び
中心部７０より成る。第５図の各放射状チャネル６７の
長さは７２で表されており、その中心から壁部間の距離
及びチャネル６７の最大幅はそれぞれ７４．７６で表さ
れている。

第６図及び第７図は、本発明に係る分散形断面を有する
電気泳動キャピラリの他の実施例を示す。

第６図のキャピラリ７８は、中実の内部フィラメントを
有する。すなわち、壁部８２及び内径８４を有する従来
の円形キャピラリ８０が外径８６を有するフィラメント
８５を包囲している。参照番号８７は本実施例における
チャネルを示す。キャピラリ８０とフィラメント８５は
、接点８８で互いに接触している。このような中実の内
部フィラメントは分離カラムの全長にわたって設けても
よく、また外側のキャビラリの壁に接着してもしなくと
もよい。

第７図のキャピラリにおいても、熱勾配距離を最小値に
保ちつつ断面積をできるだけ大きくする構成を得ること
ができる。本実施例では、外側部９２、壁部９４及び内
径９６を有する円形キャピラリ９０がその内側に外形９
９及びこれに形成された３個の接触突起部（ｃｏｎｔａ
ｃｔ　ａｐｐｅｎｄａｇｅｓ）１００を有する中実の内
部フィラメント９８を包囲している。フィラメント９８
は１０２で示す３つの点でキャピラリと接触する。本実
施例においては、キャピラリの内径９６とフィラメント
９８の外径との間にチャネル１０３が形成される。第８
図に、３個の中実のフィラメント１０６が外接する内径
を有する円形キャピラリ１０４を示す。

本発明に係るキャピラリを製造するために用いるプロセ
スは、従来の円形キャピラリの製造に用いられるものと
実質的に同じである。即ち、フユーズド・シリカ（ｆｕ
ｓｅｄ　５ｉｌｔｃａ）の大きなインゴットまたはプレ
フォームを所望の断面寸法に延伸する。最初のインゴッ
トは最終製品よりはるかに大きいが、断面形状は最終製
品とほぼ同じ形状である。最終製品の成形には局部加熱
源を用いる。第９図に矩形断面を有するフユーズド・シ
リカの典型的な鋳造されたプレフォーム１０８を示す。

この図の右手に示す断面の大きい側の端部１１０を所定
位置に保持しながら、反対側の端部１１２を所望のキャ
ピラリ寸法が得られるまで延伸する。プレフォーム１０
８に加えられる力の方向を矢印１１４で示す。

〔発明の効果〕

分離機器の性能を示す一つの目安として、分離システム
の分解能を測定するために用いられる統計学用語である
「理論段数」の考え方に基づくもがある。直径５０ミク
ロンの比較的小さいキャピラリは約１００万理論段数の
分解能を有する。これより大きい従来の円形キャピラリ
を使用すると、この数字が急激に数桁低下し、カラムの
分離能力が大きく劣化することは明確である。本発明に
係る分散阻止断面を有する電気泳動キャピラリは、渦電
流、粘度勾配及び重力サイホン作用を大幅に減少させる
ことによって、１００万理論段数以上という従来に全く
例のない高い分解能を確保することができる。本発明に
係るキャピラリは、通常の径が比較的細い円形キャピラ
リの選択性とそれより１０倍も大きいキャピラリの感度
とを兼ね備えている。

本願明細書では幾つかの実施例に基づいて詳述したが、
当業者にとって本発明の精神の範囲内で様々な変更及び
改良を施すことは自明のことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の電気泳動キャピラリの断面図。 第２（ａ）図は、従来の他の電気泳動キャピラリの断面
図。 第２（ｂ）図は、第２（ａ）図に示すキャピラリの半径
とその温度の関係を示すグラフ。 第３（ａ）図は、本発明の一実施例である電気泳動キャ
ピラリの断面図。 第３（ｂ）図は、本発明の他の実施例である電気泳動キ
ャピラリの断面図。 第４（ａ）図から第８図は、本発明の別の実施例を示す
電気泳動キャピラリの断面図。 第９図は、本発明の電気泳動キャピラリを製造するため
のフユーズド・シリカから成るプレフォームの断面図。 １０、１６．３２．４７．４８．５６．６４．７８．９
１．１０４：キャビラリ４７ａ：セル、 ８５、９８．１０６：　　フィラメント、１０８：　プ
レフォーム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）検出放射線ビームが透過する壁部と、幅を有する
   少なくとも１つの放射状チャネルと、緩衝液中の溶質の
   運搬を可能にする内部チャンバとを含み、 その断面積を最大に、前記チャネルの前記幅を最小にす
   る構成であることを特徴とする電気泳動キャピラリ。
2. （２）複数の溶質の分散を阻止する電気泳動キャピラリ
   において、 前記溶質の分離を最適化すると同時に前記電気泳動キャ
   ピラリ内の不均一な加熱を実質的に除去するための内部
   フィラメント手段を備えることを特徴とする電気泳動キ
   ャピラリ。