JPH04231862A - 毛細管電気泳動装置用冷却装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は広義には電気泳動処理に
関し、詳細には毛細管電気泳動装置の冷却装置に関する
。

【０００２】

【従来技術とその問題点】生物学、分子生物学、生化学
、臨床化学および医学等の分野で用いられる電気泳動は
、試料内の生物学的に重要な分子を分離し、確認するた
めの分析技術である。応用としては、試料の同系特性の
判定、たんぱく質と核酸の分子量の判定、核酸の一次構
造のマッピング、すなわちＤＮＡおよびＲＮＡの連鎖分
析、および分子レベルでのたんぱく質の表現型分散の決
定等がある。これらの作業を行うために様々な技術が開
発されてきた。しかし、それらの技術はすべて各分子種
が大きさ、形状、電荷、密度、およびサブユニット構造
につき特有な組み合わせを有するという点に依拠してい
る。各電気泳動技術はこれらのパラメータを１つ以上用
いて、電界の影響下で、分子種の移動を介して分子の分
離の度合を変化させる。

【０００３】分子の分離技術の１つに毛細管領域電気泳
動と呼ばれるものがある。この技術は導電液、あるいは
緩衝液が満たされた毛細管を用いる。少量の試料が毛細
管の一端に導入され、その後この管の両端に高い電位差
が与えられる。異なる分子間の電気泳動的な移動度の差
によって、試料の成分が毛細管の出口端に分離された状
態で出てくる。毛細管領域電気泳動は、米国特許４、８
４２、７０１号にさらに詳細に説明されている。

【０００４】起電力を用いての電気泳動分離における課
題の１つとして、毛細管の温度を所望の範囲に維持する
ことがある。毛細管の両端間の通常の電位差は２０、０
００ボルトから３０、０００ボルトの範囲である。毛細
管を流れる電流は液と毛細管の加熱を引き起こす。加熱
は定量分析および定性分析の結果に影響を及ぼす、ある
いはその結果を完全に無効にする。緩衝液中の生物学的
試料は加熱によって損傷、あるいは破壊されることがあ
る。さらに、沸騰が起こって電気的導通の再発的な損失
を発生し、したがって電流の低下あるいは減少と電気泳
動処理の故障を発生することがある。

【０００５】電気泳動処理の温度を制御する方法の１つ
に毛細管用のヒートシンクの使用がある。米国特許４、
７０８、７８２号に、毛細管用のヒートシンクの使用に
ついて論べられている。同様に米国特許４、７０５、６
１６号には、このヒートシンクを論じ、さらに毛細管電
気泳動プローブの先端を緩衝液によって常に濡らして熱
の散逸を向上させることのできる２供給ラインによる方
法を提供している。米国特許４、６１２、１０６号はゲ
ルスラブ電気泳動に関するものであるが、この特許はま
たヒートシンクの使用を温度制御に対して非常に重要な
ものとして論じている。ヒートシンクを介しての蛇行配
管は熱の散逸を増大するための空気循環システムを提供
する。

【０００６】ヒートシンクの使用以外の冷却法も知られ
ている。いずれの場合も、毛細管領域電気泳動に付随す
る高電圧源の絶縁の問題を検討することが重要である。 上述のように、３０、０００ボルトの電位差を採用され
る。毛細管をなま水に浸して熱を散逸させることは、な
ま水が導電性であるため危険であり、毛細管にき裂が生
じた場合、あるいは電極が水から十分に絶縁されていな
い場合、接地されていない水の危険な充電、あるいは接
地された水への短路が起こりうる。脱イオン水はより良
い選択といえるが、汚染があるとこの水は導電性に変わ
る。周知の解決策は、毛細管に接触する、高い絶縁耐力
を有する冷却された油性の非導電性のフッ素置換された
液を使用することである。残念ながら、特殊な油性液の
使用は、高価であり費用的に採用できない場合がある。 さらに、油性液は電気泳動処理の終了後の洗浄を困難に
する。別の方法としては、毛細管に触れる空気を用いて
、毛細管領域電気泳動冷却をある程度まで達成する方法
がある。欠点としては、空気は毛細管から熱を十分に取
り出さない点、また毛細管の長さに沿った空気の流れが
、空気がその長さに沿った連結する流れが、空気がその
長さに沿った連結する流れによって加熱されるとき管内
に温度差を生じさせる点がある。

【０００７】

【発明の目的】本発明の目的は、毛細管を用いた電気泳
動分離装置用冷却装置を提供することである。熱の散逸
を隔離して均一な冷却を達成し、また運転用の高電圧源
を絶縁する方法で温度制御が行なわれる。

【０００８】

【発明の概要】上記の目的は、電気的に非導通であり、
毛細管の局部的な領域から熱を取り出すことによって毛
細管を熱的に制御することが容易な冷媒を用いる電気泳
動装置によって果たすことができた。すなわち、非導電
気体、好適には空気が冷媒として用いられ、毛細管中の
均一な冷却を促進する方法で流通される。電気泳動処理
はこの処理中の熱によって影響されるので、したがって
毛細管中でほぼ均一な温度を維持することによって試料
の定量分析および定性分析の信頼性が高められる。

【０００９】本発明は毛細管の冷却に加圧気体の流れを
利用する。加圧気体流を使用することによって、上述し
た米国特許に述べられているヒートシンクの使用が不要
になる。ヒートシンクを使用する際の問題点の１つは材
料の選定である。高電圧を絶縁するためには電気的に非
導通性の材料が好適である。しかし、導電性が低いこと
を特徴とする材料は、同時にまた通常は熱伝導率が低い
という特徴がある。第２の問題点はヒートシンク上での
凝縮の形成である。これは凝縮が通常は系の最も低温な
領域に起こるためである。凝縮は冷却の均一性に影響し
、いかなる場合も望ましくないものである。

【００１０】本発明は毛細管領域と該領域を通過する気
体流路を有するハウジングを含む。電気泳動毛細管はこ
の毛細管領域内に取り付けられ、好適には螺旋状に巻か
れる。加圧気体が毛細管中を流れ、毛細管を流れる電流
によって発生する熱を散逸させる。均一な冷却を促進す
る特徴として、毛細管領域中の気体流の主要な方向成分
が管に垂直になるように気体を流通させる。毛細管に沿
った縦方向の流れに対して、この横方向の流れは局部的
な熱の散逸を隔離する。縦方向の流れ、あるいは前述し
た米国特許に述べる蛇行する流れにおいては、気体流は
その流れが冷却対象中を進むにつれて加熱される。この
加熱によって冷却対象に沿って温度差が生じる。

【００１１】毛細管の均一な冷却を促進する他の特徴は
、螺旋状に巻かれた毛細管の軸に対して気体流を鋭角に
進行させることである。この角度をもった流れは螺旋の
軸に平行に進む流れより好ましい。何故ならば、平行の
場合には、平行な流れが螺旋のそれぞれのループに当た
る際に、気体分子はそれ以前のループとの接触によって
加熱されているためである。他の特徴は、流速が一定に
なるように、気体流路の断面積をほぼ一定にすることで
ある。５ｍ／ｓから１０ｍ／ｓの範囲内で一定である速
度が最適であることがわかっている。また冷却の均一性
を促進する他の特徴は、気体流路の構成である。この流
路はＵ字状であり、なだらかに旋回している。旋回数を
最小限に減らし、なだらかな旋回とすることによって、
重大な圧力降下を防止することができ、加圧気体源の出
力が小さくてすむ。

【００１２】毛細管内の熱的な均一性に加えて、本発明
の利点は、冷媒が安価であり、またある種のアプリケー
ションに用いられる油性の非導電性のフッ素置換された
液より明らかに清浄であることである。

【００１３】

【実施例】図１および図２において、毛細管カセット１
０は円筒状のファンハウジング１２と前部支持壁１４を
含む固定支持構造に取り付けるように位置合わせされた
ものとして示されている。毛細管１６は、向きが変えら
れた一連のリブ１８を含む毛細管バスケットによって、
巻かれた状態に維持される。毛細管カセット１０は前部
支持壁１４に取り外し可能に取り付けられている。毛細
管カセット１０の外部の溝２０は取り外し作業中におい
て部材の把握を容易にする。毛細管領域電気泳動におい
ては、分子の分離は毛細管１６の内部で起こる。図１お
よび図３についていえば、試料用ガラス瓶２２が毛細管
１６の入口端２４に取り付けられている。入口端２４は
カセットシェル２８の小径穴２６に挿入されて、次にア
ノード電極３２への取り付け用のアノード挿入部３０を
貫通する。毛細管１６は導電性の液、あるいは緩衝液が
満たされ、次に分離の対象となる少量の試料が、流体力
学的に、あるいは電気浸透によって入口端２４から導入
される。３０、０００ボルトまでの直流電位がアノード
電極３２に印加され、分子の分離のための起電力を提供
する。分離は、分子間の電気泳動的な移動度の差の結果
起こるものである。

【００１４】カセットシェル２８から突出した保護スリ
ーブ３４はアノード接点３６とコイルばね３８を収納す
る。コイルばね３８は金属であり、アノード接点３６と
アノード挿入部３０の導通を確実にするために設けられ
る。毛細管カセット１０を上述した支持構造に取り付け
ると、保護スリーブ３４がこの構造の支持壁内に摺動可
能に受けられ、アノード接点３６は電源と接触する。

【００１５】毛細管１６の構造は当該技術分野では周知
である。本発明では毛細管は融解石英（フェーズド・シ
リカ）製であることが好適である。融解石英の管は毛細
管バスケットのリブ１８によって図示された螺旋状の状
態にすることができるが、このような管は毛細管をほぼ
まっすぐな状態に戻す特性を持っている。通常、毛細管
は５０ミクロンの内径と３７５ミクロンの外径を有する
。毛細管バスケットのリプ１８は２０ｃｍから１メート
ルの長さの融解石英毛細管を収容する。融解石英はポリ
イミドで被覆されていることが多い。ポリイミドで被覆
された融解石英毛細管１６は所望の長さに切られ、毛細
管１６の入口端２４が試料用のガラス瓶２２と液通され
、アノード接点３６を介して高電圧源と電気的に導通さ
れる。毛細管１６の出口端４０から約３ｃｍのところに
ポリイミド被覆を通して窓が形成されている。出口端４
０は毛細管シェル２８に挿入され、窓は開口クリップ４
２、コイルばね４４を有する開口取り付け部および光学
開口部材４６によって提供される光学通路に位置合わせ
されている。開口取り付け部と光学開口部材の組み合わ
せによって毛細管を所望の位置に固定する。開口クリッ
プ４２はユーザが工具を使わずに毛細管を速く位置合わ
せし留めることを可能にする嵌め込み部材である。開口
クリップ４２の突出端４８はカセットシェル２８の座５
０に受けられる。開口クリップ４２の反対の端部５２は
この部材をわずかに曲げることによってカセットシェル
から選択的に解放される。毛細管の出口端４０を留める
部材４２、４４および４６はそれぞれ紫外線吸収検出器
によるもののような光学的検出の通過を可能にする。

【００１６】開口クリップ４２の突出端４８を受けるカ
セットシェル２８の座５０に隣接して、試料用ガラス瓶
２２からの試料の抽出に用いられる真空ポート５４があ
る。毛細管１６の出口端４０は貯留用ガラス瓶５６と液
通している。出口端４０を貯留用ガラス瓶５６に適切に
取り付けるために、毛細管はカソード挿入部５８、変形
可能なフェルール６０、カソード電極６２および真空シ
ール６４の中を進行する。カソード電極６２はカセット
シェル２８の前部にある図示しない穴に受けられたカソ
ードコネクタ６６と電気的に導通している。カソードば
ね６８はプランジャー７０とカソードコネクタ６６をバ
イアスして、毛細管の入口端２４の正の電位に対して地
電位にある部材に接触させる。

【００１７】図１から図３についていえば、毛細管カセ
ット１０を、前部支持壁１４中に円筒状ファンハウジン
グ１２を含む支持構造に取り付ける際、支持構造の据え
付けロッド７２は毛細管カセット１０の円錐台状の壁７
４内に受けられる。４個の放射状アーム７５はロッド７
２に取付けられている。図３に示すロッキングノブ７６
が支持構造の据え付けロッド７２に挿入され、その後ロ
ッキングノブ７６を９０°回転させることによって毛細
管カセット１６が支持構造に固定される。毛細管カセッ
ト１０を支持構造に接触する際に、毛細管の窓は紫外線
吸収検出器によって光学的に見ることができるように位
置合わせされ、アノード接点３６は電源に電気的に接続
され、そして毛細管は図４に示す回転ファン７８によっ
て発生する加圧空気の冷却流を受けるように配置される
。

【００１８】図２および図４についていえば、回転ファ
ンは矢印Ａで示すように、毛細管１６によって形成され
る螺旋に対してその軸方向にある気流を発生する。気流
が毛細管カセット１０の円錐台状の壁７４と支持構造の
突出壁８０との間の毛細管領域に入ると、円錐台状の壁
７４は螺旋の軸に対してある角度をもつ気体の流れを提
供するための偏向面として働く。

【００１９】円錐台状の壁７４と突出壁８０の間の毛細
管領域中の気流は毛細管１６に対して横方向の流れであ
る。すなわち、毛細管領域内の気流の主要な方向成分は
毛細管中の分子の流れに対して垂直である。図４に示す
実施例では、気流の速度は５ｍ／ｓから１０ｍ／ｓの範
囲が最適であることがわかった。５０ミクロンの内径と
３７５ミクロンの外径を有する毛細管を０．６４Ｗ／　
　の電力消費と５ｍ／ｓの流速で用いた場合、毛細管の
内径と外径との温度差は２０℃以下である。１０ｍ／ｓ
では温度差は１５℃以下まで小さくなる。流れが毛細管
領域中の横方向の流れであるため、直線状の毛細管に沿
った縦方向の流れよりも管の局部的領域からの熱の散逸
が隔離される。すなわち、局部的領域からの熱の散逸か
らが連続する局部的領域を冷却すべき気流を加熱するこ
とがない。代わりに、螺旋状に巻かれた毛細管の第１の
ループとの接触によって加熱される気体分子は、後続す
るループに触れることがない様に円錐台状の壁７４の偏
向面によって外方向に向けられる。このようにして毛細
管冷却の均一性が促進される。

【００２０】壁７４と８０の間の毛細管領域はトロイダ
ル状である。突出壁８０の内面は円錐台状の壁７４の傾
斜より小さい傾斜を有する。壁７４と８０の傾斜の差は
毛細管領域中の断面積が均一なままであるような差であ
る。面積の均一性は、面積の増減が毛細管領域中の気体
の速度に悪影響を与える点から重要である。一方、一定
な流速は毛細管領域における一定した冷却の維持を助け
る。上述したように、温度は電気泳動処理に影響を与え
る。したがって、毛細管全体にわたる温度の均一性は定
量分析および定性分析の信頼性に影響する。図４の実施
例において、円錐台状の壁７４の傾斜は螺旋の軸に対し
て約２１．５℃であり、突出壁８０は１２℃の角度をな
す。

【００２１】図４中の矢印Ｂは毛細管領域に入った後壁
７４によって偏向される気流を示す。毛細管カセット１
０の内壁は矢印Ｃに示すようにＵ字状の流路を提供する
。流路は支持構造８２の前部支持壁１４を出るまで、そ
の断面積が一定である。均一な断面積を維持し、なだら
かな旋回を提供し、かつ流れを１つの旋回に低減するこ
とによって、本発明は毛細管領域中に一定の冷却処理を
提供する。すなわち、これらの３つの特徴は前述した横
方向の流れとともに毛細管１６の均一な冷却を促進する
。

【００２２】図２に示すように、支持構造の前部支持壁
１４は毛細管カセット１０からの気流の戻りを可能にす
る多数の三日月状の開口８４を含む。図４に戻って、気
流は次に矢印Ｄに示すように円筒状のファンハウジング
１２に戻る。この装置内の気体の温度は、冷却液の流れ
を有する熱交換器８６との接触によって制御される。

【００２３】

【発明の効果】動作中、毛細管１６は図１および図３の
毛細管カセット１０内に取りはずし可能に取り付けられ
る。緩衝液への試料の真空注入に続いて、毛細管の入口
端２４と出口端４０の間に高電圧が印加される。異なる
電気泳動的な移動度を有する試料分子が分離され、次に
定量分析および定性分析のために出口端で検出される。

【００２４】毛細管１６は横流である気流によつて冷却
される。好適には空気が冷媒として用いられるが、乾燥
窒素等の他の気体を閉システム中に採用して露点以下の
温度での凝縮の形成による短路の問題を防止することが
できる。毛細管領域中で横流であることに加えて、この
気流は毛細管の軸に対してある角度をなして流れる。そ
の結果、毛細管のある局部的領域からの熱の散逸は毛細
管の他の領域にはもたらされない。このような流れによ
って熱の隔離が達成される。さらに、カセット中の流路
は流れが一定速度にとどまり、冷却能力の差の発生を防
止するように設計されている。この一定の速度は、単一
のなだらかな旋回と共に、流路の均一な断面積を維持す
ることによって達成される。また上記構成により、圧力
降下を防止することができ、加圧気体源の出力が小さく
てすむ。また本発明に使用できる冷媒は安価であり、従
来の油性体に比較して清浄である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による毛細管を支持する毛細管カセット
の斜視図である。

【図２】図１の毛細管カセツトを支持する支持体の斜視
図である。

【図３】図１の毛細管カセツトの分解斜視図である。

【図４】図１の毛細管カセットと図２の支持体とを結合
した状態の側断面図である。

【符号の説明】

１０：毛細管カセット １６：毛細管 １８：リブ ２０：溝 ２２：試料ビン ５６：貯蔵ビン １４：前部支持壁 １２：円筒状ファン・ハウジング ７２：据え付けロッド ８０：突出壁 ７４：円錐台状の壁 ３２：アノード電極 ６２：カソード電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】毛細管領域と該領域を通るガス流路とを有
   するハウジングと、前記ハウジング内で前記毛細管領域
   内に支持された電気泳動用毛細管と、前記ガス流路に沿
   って加圧されたガス流を発生し、その主方向成分が前記
   毛細管内の試料成分の流れ方向にほぼ直角である冷却手
   段と、前記毛細管の入出力端子間に電位差を発生させる
   手段とを含む毛細管電気泳動装置用冷却装置。
2. 【請求項２】毛細管領域および該領域を通るガス流路を
   定める壁を有するハウジングと、前記毛細管領域内に毛
   細管を支持する装着手段と、前記装置手段によって前記
   毛細管領域内に支持された電気泳動用毛細管と、前記電
   気泳動用毛細管と直接的に熱的接触を行なう冷却用ガス
   を供給する加圧されたガス供給手段と、前記電気泳動用
   毛細管の入出力端子間に高い電位差を与える手段とを含
   む毛細管電気泳動用装置用冷却装置。