JPH085608A

JPH085608A - 流路切り替え装置およびそれを応用した装置

Info

Publication number: JPH085608A
Application number: JP6134089A
Authority: JP
Inventors: Masao Kamahori; 政男釜堀; Hideo Enoki; 英雄榎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】極微量、高分解能を有するキャピラリー電気
泳動法の性能を充分発揮させるために、キャピラリー電
気泳動装置内への極微量のサンプルの注入、キャピラリ
ー電気泳動装置とキャピラリー電気泳動装置との結合や
キャピラリー電気泳動装置と複数の検出装置との結合が
容易にできるキャピラリー電気泳動用流路切り替え装置
を提供すること。【構成】試料を搬送する複数の流路と、該流路のそれ
ぞれと個別に連結する複数の連結部を有する連結細管
と、前記複数の流路または複数の該連結部のそれぞれに
設けられる複数の凍結解凍部とを具備し、前記複数の流
路のうち相互に連通すべき流路にかかわる凍結解凍部の
みを解凍し、解凍された凍結解凍部以外のすべての複数
の前記凍結解凍部を凍結させ、解凍された凍結解凍部に
係わるそれぞれの流路を前記連結細管を介して結合す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は流路の切り替え装置およ
びこれを利用した測定装置に関し、極めて微量の試料を
取り扱うキャピラリー電気泳動装置、これと結合させた
サンプル注入装置あるいは他の測定装置、検出装置を結
合させた測定システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】キャピラリー電気泳動法は、高速液体ク
ロマトグラフィーと比較して１／１００００（数μｌ）
以下の微量試料量で分析できる点と、数十倍分離性能が
高い点とで優れている。さらに、従来のスラブ電気泳動
法等に比べて、一桁以上の高電圧を印加できることによ
って、分析時間を大幅に短縮することができる。また、
キャピラリー電気泳動法に使用する泳動用キャピラリー
の一端をインジェクターとして利用できるため、試料注
入の自動化も容易である。そのため、近年キャピラリー
電気泳動法が多くの分野で、盛んに用いられるようにな
ってきている。特に、バイオテクノロジーの発展に伴
い、核酸やタンパク質の分析に適用されつつある。しか
し、極微量、高分解能分析法の今後の発展のためには、
キャピラリー電気泳動法の性能を活用し、さらに付加価
値を付けて応用範囲を広げるために他の分析装置や検出
装置との結合が必要である。

【０００３】そのため、キャピラリー電気泳動装置内に
流路切り替え装置を設置することが必要である。また、
キャピラリー電気泳動装置と他の装置との間に流路切り
替え装置を設置することが必要となってくる。現在、キ
ャピラリー電気泳動装置と他の装置を結合した方法とし
ては、試料を高速液体クロマトグラフで分離後、さらに
キャピラリー電気泳動装置で分離する方法や極微量サン
プルの注入のためのロータリー式インジェクタが考案さ
れている。このいずれの方式でも流路を切り替える方法
としては、六方バルブ等を利用して機械的に流路を切り
替えていた。

【０００４】なお、高速液体クロマトグラフとキャピラ
リー電気泳動装置を結合した分析法については、例え
ば、アナリティカルケミストリー、６２巻（１９９
０）第９７８頁から第９８４頁（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ
Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．６２（１９８１）ｐ
ｐ．９７８−９８４）、ロータリー式インジェクタにつ
いては、例えば、特開昭６３−２５３２４７に記載され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の六方バルブ等の
切り替えバルブを利用して機械的に流路を切り替える方
法は、高速液体クロマトグラフやフローインジェクショ
ン法等のフロー式の分析法に一般に使用されている。そ
の際に使用している流路の内径は０．２−１．０ｍｍ程
度である。しかし、内径１００μｍ以下のガラスキャピ
ラリーを使用しているキャピラリー電気泳動法の場合に
は、内径１００μｍ以下の流路を有する流路切り替え装
置が必要である。

【０００６】そのため、キャピラリー電気泳動装置用流
路切り替え装置では、切り替えバルブ内に内径１００μ
ｍ以下の流路を形成し、その際位置あわせを正確に行な
い位置ずれにより生じる空隙を最小限に押さえる必要が
ある。しかし、切り替えバルブ内に内径１００μｍ以下
の流路を形成することが非常に困難である上に、流路を
駆動して流路を切り替えるためには数１０μｍ程度の位
置精度が必要であったり、駆動する流路が小さいため機
械的強度が非常に弱い問題があった。

【０００７】また、極微量分析のために、さらに内径の
小さいキャピラリーを使用する場合には、内径数１０μ
ｍ程度の流路を有する切り替えバルブが必要となってく
る。しかし、機械加工では数１０μｍ程度の流路を有す
る切り替えバルブを製作することは、非常に困難であり
限度がある。

【０００８】また、一般的なサンプル注入装置であるロ
ータリー式インジェクタ場合にも同様である。例えば、
４μｌのサンプル計量部を有するロータリー式インジェ
クタの場合には、内径０．１ｍｍ、長さ１ｍｍのサンプ
ル計量部を備えたローターが必要である。しかし、厚さ
１ｍｍと非常に薄いローター内に内径０．１ｍｍのサン
プル計量用細孔を形成することは困難である上に、回転
駆動するローターの機械的強度が非常に弱く破損しやす
い問題があった。

【０００９】そのため、切り替えバルブを用いてキャピ
ラリー電気泳動装置とキャピラリー電気泳動装置と結合
させた分析装置や切り替えバルブを用いて数μｌ以下の
サンプルを注入できるサンプル注入装置等は実現されて
いなかった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明では流路の一部分を凍結、解凍することによ
り液体の流れを開閉制御し、流路切り替えを行なった。
さらに、流路切り替えを利用して計量装置の機能を持た
せた。

【００１１】

【作用】上記した凍結解凍手段を利用した流路切り替え
装置において、冷凍手段により流路の一部を冷凍するこ
とにより、流路内部の液体が凍結されるので、流路内の
液体は流路の中を流動できなくなり、これによって冷凍
した部分での流路内の液体の流動が停止する。そのた
め、あたかも流路内の弁を閉じた場合と同等の状態にな
る。また、冷凍された部分の流路を解凍することによ
り、流路内部の液体が解凍されるので、流路内の液体が
流動できるようになる。そのため、あたかも流路内の弁
を開いた場合と同等の状態になる。冷凍解凍はペルチェ
効果を利用すれば簡易な構造で実現できる。なお、近接
した場所に少なくとも２つ以上の凍結、解凍を行なう箇
所を設ければ、挾まれた部分は計量部として使用でき
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例をブロック図で示す
図１により説明する。１は流路切り替え装置であり、連
結細管６を備え、独立した複数の流路２〜５がこれらと
選択的に接続できる構成である。連結細管６と流路２〜
５との開放または接続は連結細管端部または流路端部に
設けた凍結解凍部７〜１０の凍結、解凍の制御により行
う。コントローラ部１１はペルチェ素子を内蔵する凍結
解凍部に流す電流の方向および大きさを制御して凍結解
凍部の温度を制御する。

【００１３】いま、コントローラ部１１の制御により、
凍結解凍部７、８を解凍し、凍結解凍部９、１０を凍結
させれば、流路２と流路３とが連結細管６を介して連携
され矢印Ａ方向の流れができる。一方凍結解凍部９、１
０を解凍し、凍結解凍部７、８を凍結させれば、流路４
と流路５とが連結細管６を介して連携され矢印Ｂ方向の
流れができる。

【００１４】その際、矢印Ａ方向の流れにより連結細管
６に導入された液体は、矢印Ｂ方向の流れの中に導入さ
れることになる。すなわち、流路の切り替えにより、最
初に連結細管６に導入された液体を他の流路で使用でき
るわけであり、この量は、連結細管６の内部容積で決定
される。もっとも、連結細管６から流路側に伸びた末端
部分に存在する液体が、量的な不確定要素になりうる
が、再現性についての問題は無い。

【００１５】凍結解凍部７、８、９、１０の凍結、解凍
の制御は、例えば、マイコンを主体とするコントローラ
部１１に凍結、解凍時間及び切り替えタイミングを設定
することにより、ボタン一つで容易に制御することがで
きる。なお、冷凍は、凍結解凍部７、８、９、１０の温
度を−１５℃程度に設定して行なうことができる。

【００１６】凍結解凍部７〜１０の構造を図２に示す。
２０、２１はそれぞれキャピラリーホルダーであり、熱
伝導率の良い材料として銅で構成され、対向する面の中
央の切り欠き部にキャピラリー２８を挾み付け、反対側
の面にペルティエ素子２２、２３が配置される。、２
４、２５は放熱フィンで、ペルティエ素子２２、２３の
反対側の面に設けられる。断熱材２６、２７がキャピラ
リーホルダー２０、２１およびペルティエ素子２２、２
３の側面に配置される。ペルチェ素子の熱のキャピラリ
ー２８および放熱フィン２４、２５への熱伝導を効果的
にするため、図示を省略した保持具により、放熱フィン
２４、２５間には適当な力が加えられる。

【００１７】サンプル注入装置とキャピラリー電気泳動
装置を結合した本発明の実施例を図３により説明する。

【００１８】高電圧電源部３１、バッファー槽３２、３
３、光学検出器３４、記録計３５、キャピラリー３６
ａ、３６ｂ、流路切り替え装置１によりキャピラリー電
気泳動装置が構成される。一方、流路切り替え装置１に
はサンプル注入装置３７が結合され、流路切り替え装置
１の連結細管６は両者で共用される。後述するように、
サンプル注入装置３７から連結細管６に供給された試料
が電気泳動装置により分析される。

【００１９】高電圧電源部３１は、出力電圧０−３０ｋ
Ｖの高電圧電源を使用し、バッファー槽３２内の白金電
極３８とバッファー槽３３内の白金電極３９の間に高電
圧を印加することができる。まず最初、凍結解凍部７、
８を解凍し、９、１０を凍結する。高電圧電源部３１を
用いて、バッファー槽３２とバッファー槽３３の間に高
電圧を印加し、キャピラリー３６ａ、連結細管６、キャ
ピラリー３６ｂ、光学検出器３４を連通させるための予
備泳動を行ない電気泳動が行なえる状態に保っておく。
その後、凍結解凍部９、１０を解凍し、７、８を凍結す
る。後述するように、サンプル注入装置３７を用いて連
結細管６にサンプルを導入する。その後、再び、凍結解
凍部７、８を解凍し、９、１０を凍結して、キャピラリ
ー３６ａで電気泳動を行なう。電気泳動によりキャピラ
リー３６ａ内で分離した成分は、光学検出器３４で検出
され、検出された成分毎の泳動時間及び濃度の値は記録
計３５に送られ記録される。なお、キャピラリー３６
は、内径７５μｍ、外径３７５μｍのガラスキャピラリ
ー（ＧＬサイエンス製）を使用した。

【００２０】次に、サンプル注入装置３７を用いたサン
プル注入法のより詳細な手順を述べる。

【００２１】サンプル注入装置３７は、サンプル導入用
電源部４１、サンプルステージ４３、サンプル槽４４、
廃液槽４５と、サンプル槽４４および廃液槽４５のそれ
ぞれから凍結解凍部９、１０を介して連結細管６に接続
される流路４ａおよび４ｂと流路５とから構成されてい
る。電気泳動装置の予備泳動が終わった後、凍結解凍部
９、１０を解凍して開く。その後、サンプルステージ４
３上のサンプル槽４４に流路４ｂの先端部を挿入して、
サンプル槽４４内の白金電極４６と廃液槽４５内の白金
電極４７の間にサンプル導入用電源部４１を用いて高電
圧を印加する。サンプル槽４４と廃液槽４５の間に高電
圧を印加することにより発生する電気浸透流及び電気泳
動により、サンプル槽４４内のサンプルは、流路４ａ、
連結細管６、流路５間を順次流れる。その際の導入され
るサンプル量は、連結細管６の容量により設定できる。
連結細管６にサンプルを導入した後、凍結解凍部７、８
を開き、９、１０を閉じることにより電気泳動に移行す
ることができる。

【００２２】次に２つのキャピラリー電気泳動装置を結
合した分析装置に係わる本発明の実施例を図４により説
明する。

【００２３】本分析装置は、２つのキャピラリー電気泳
動装置と流路切り替え部１から構成されている。まず最
初、流路切り替え部１の凍結解凍部９、１０を開き、凍
結解凍部７、８を閉じる。その後、高電圧電源部５１を
用いて、バッファー槽５２内の白金電極５３とバッファ
ー槽５４内の白金電極５５の間に高電圧を印加し、電気
泳動を行なう。電気泳動によりキャピラリー５６内で分
離した成分は、光学検出器５７で検出され、連結細管６
を通りバッファ−槽５４に泳動していく。光学検出器５
７で分離した成分をモニターすることにより、次の分析
に必要な成分が検出されたことを知る。装置の構成と使
用方法により、次の分析のための成分検出後その試料が
連結細管６に到達するタイミングを知ることが出来るか
ら、そのタイミングで高電圧電源部５１による泳動を停
止する。

【００２４】その結果、次の分析に必要な成分が連結細
管６に充填される。

【００２５】その状態で、次に流路切り替え部１の凍結
解凍部９、１０を閉じ、凍結解凍部７、８を開く。その
後、高電圧電源部５８を用いて、バッファー槽５９内の
白金電極６０とバッファー槽６１内の白金電極６２の間
に高電圧を印加し、電気泳動を行なう。電気泳動により
キャピラリー６３内で分離した成分は、光学検出器６４
で検出される。

【００２６】以上のような順序でキャピラリー電気泳動
を二次元的に容易に行なうことができる。従って、各キ
ャピラリーの濃度を替えておくことにより、粗分析およ
び精密分析を手際良く行うことが出来る。

【００２７】それぞれの電気泳動装置で、必要なら、予
備電気泳動を行っておけば良いが、この段階では、全部
の凍結解凍部を解凍しておいて同時に行うものとしても
良い。

【００２８】本実施例では、測定装置として２つのキャ
ピラリー電気泳動装置を用いたが、１つのキャピラリー
電気泳動装置の代わりとして高速液体クロマトグラフを
用いた高速液体クロマトグラフとキャピラリー電気泳動
装置を結合して構成した装置とし、高速液体クロマトグ
ラフによる分析の結果の特定部分の成分よる電気泳動を
行うものとしても、同様な装置構成で実施できる。

【００２９】キャピラリー電気泳動装置に２種類の検出
装置を結合した本発明の実施例を図５により説明する。

【００３０】本分析装置は、電気泳動流路を共用し、独
立の検出装置を備える二つのキャピラリー電気泳動装置
と流路切り替え装置から構成されている。検出装置とし
ては、紫外検出器及び蛍光検出器を用いた。その際、泳
動時間の早い成分は紫外検出器７１で検出を行ない、泳
動時間の遅い成分は蛍光検出器７２で検出を行なった。

【００３１】まず最初、流路切り替え部１の凍結解凍部
７３を開き、凍結解凍部７４を閉じる。その後、高電圧
電源部７５を用いて、バッファー槽７６内の白金電極７
７とバッファー槽７８内の白金電極７９の間に高電圧を
印加し、電気泳動を行なう。電気泳動によりキャピラリ
ー８０内で分離した泳動時間の早い成分は、紫外吸収検
出器７１で検出される。次に、流路切り替え部１内の凍
結解凍部７３を閉じ、凍結解凍部７４を開き、電源切り
替えスイッチ８１を用いて電源を切り替えてバッファー
槽７６内の白金電極７７とバッファー槽８２内の白金電
極８３の間に高電圧を印加し電気泳動を行なうことによ
り、泳動時間の遅い成分は蛍光検出器７２で検出され
る。

【００３２】以上のような順序でキャピラリー電気泳動
により分離した異なる成分を違う検出器で検出すること
ができる。本実施例では、流路切り替え装置１として、
図１とは異なる構成で説明したが、図１の三つの流路と
三つの凍結解凍部のみを使用し、他の一つの流路は、凍
結解凍部で凍結封じ切りとした形で使用すれば同じ結果
が得られる。

【００３３】また、本実施例では、検出器として紫外吸
収検出器及び蛍光検出器を用いたが、質量分析装置等の
他の検出装置を用いても同様な装置構成に大きな変更は
なく実施できる。

【００３４】上述の実施例は、試料を搬送する複数の流
路と、該流路のそれぞれと個別に連結する複数の連結部
を有する連結細管と、前記複数の流路または複数の該連
結部のそれぞれに設けられる複数の凍結解凍部とをそれ
ぞれ独自に構成して組み合わせる例としたが、連結細管
および凍結解凍部とを一体的に平面基板上に形成し、こ
れを保持する保持台に、各流路としてのキャピラリーを
挿入連結する構成とすることもできる。図６にこの考え
方による実施例を示す。

【００３５】図６は、図１の矢印Ａ方向の流れを形成す
る流路２、凍結解凍部７、連結細管６、凍結解凍部８、
流路３の部分についての横方向断面図に相当する図であ
る。流路切り替え装置１の連結細管６の部分は対向して
配置されるガラスまたはシリコン等の平面基板１００、
１０１に直径約１００μｍの半円状の微細溝を形成し、
それぞれの微細溝の中心が一致する位置で重ね合わせて
融着等で接合させる。その結果、微細溝により、連結流
路６が形成される。平面基板１０１の外面側の連結流路
に対応する位置には連結流路６に近い位置まで届く小孔
が形成され、その内部に、凍結解凍部７、８が構成され
る。この場合の凍結解凍部の構成は図２の場合とは異な
り、図２のキャピラリ２８より上の部分のみを小型に形
成したものとなる。この例では、断熱材２６、２７は不
要となる。放熱フィンはスペースが許す範囲で、必要に
応じて大きなものとして良い。

【００３６】流路切り替え装置１は、中央部分に流路切
り替え装置１とほぼ同一の面積の切欠きを有し、流路切
り替え装置１とほぼ同一の厚みの深さを有する保持台１
２０に収納される。保持台１２０の連結細管６の開口部
に対応する位置には押さえネジ用ネジ穴１２２、１２３
が設けられる。ネジ穴１２２、１２３の流路切り替え装
置１の側にはキャピラリー用リングシール１２６、１２
７（例えば、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂で製作
される）が設けられる。ネジ穴１２２、１２３には、中
心に流路となるキャピラリーを挿入するための穴が設け
られた押さえネジ１２４、１２５が取り付けられる。流
路を形成するキャピラリー１２８、１２９は押さえネジ
１２４、１２５の中心を貫通して流路切り替え装置１の
連結細管６につき当たるまで挿入される。この状態で押
さえネジ１２４、１２５を回して、キャピラリー用リン
グシール１２６、１２７を所定の力で押圧すれば、連結
細管６とキャピラリー１２８、１２９は接続される。

【００３７】

【発明の効果】本発明では、流路の少なくとも一部分を
凍結、解凍することにより液体の流れを開閉制御し、流
路切り替えを行なっている。そのため、機械的な切り替
えバルブに比べて構造が単純で、内径１００μｍ以下微
細流路にも容易に適用できる。

【００３８】さらに、本発明の流路切り替え装置をキャ
ピラリー電気泳動装置に適用することにより、キャピラ
リー電気泳動装置内への微量のサンプル注入装置の設
置、キャピラリー電気泳動装置とキャピラリー電気泳動
装置との結合やキャピラリー電気泳動装置と複数の検出
装置との結合が容易にできる。そのため、極微量、高分
解能を有するキャピラリー電気泳動法の性能を充分発揮
できる分析装置が容易に構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】流路切り替え装置の構成を示す図。

【図２】細管冷凍、解凍部の断面図。

【図３】サンプル注入装置を用いたキャピラリー電気泳
動装置を示す図。

【図４】キャピラリー電気泳動装置とキャピラリー電気
泳動装置とを結合した分析装置を示す図。

【図５】キャピラリー電気泳動装置に２種類の検出装置
を結合した装置を示す図。

【図６】平面基板上に作製した流路切り替え装置とキャ
ピラリーとの接続を示す断面図。

【符号の説明】１…流路切り替え装置、２〜５…流路、６…連結細管、
７〜１０…凍結解凍部、１１…コントローラ部、２０、
２１…キャピラリーホルダー、２２、２３…ペルチェ素
子、２４、２５…放熱フィン、２６、２７…断熱材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を搬送する複数の流路と、該流路のそ
れぞれと個別に連結する複数の連結部を有する連結細管
と、前記複数の流路または複数の該連結部のそれぞれに
設けられる複数の凍結解凍部とを具備し、前記複数の流
路のうち相互に連通すべき流路にかかわる凍結解凍部の
みを解凍し、解凍された凍結解凍部以外のすべての複数
の前記凍結解凍部を凍結させ、解凍された凍結解凍部に
係わるそれぞれの流路を前記連結細管を介して結合する
ことを特徴とする流路切り替え装置。
【請求項２】前記凍結解凍部はペルティエ素子を備え、
電流の流通方向で凍結または解凍機能を発揮することを
特徴とする請求項１に記載の流路切り替え装置。
【請求項３】試料を搬送する複数の流路と、それぞれ個
別に連結する複数の連結部を有する連結細管と、前記複
数の流路または複数の該連結部に設けられる複数の凍結
解凍部とを具備し、前記の複数の流路のうち相互に連通
すべき流路にかかわる凍結解凍部のみを解凍し、解凍さ
れた凍結解凍部以外のすべての複数の前記凍結解凍部を
冷凍する流路切り替え装置を備えることを特徴とするキ
ャピラリー電気泳動装置。
【請求項４】前記複数の流路のうち少なくとも二つの流
路と連結細管によって連結細管に所定の試料を導入し、
前記複数の流路のうち少なくとも前記二つの流路とは別
の二つの流路と連結細管が、キャピラリー電気泳動装置
の泳動流路を形成することを特徴とする請求項３に記載
のキャピラリー電気泳動装置。
【請求項５】前記連結細管を共用する二つのキャピラリ
ー電気泳動装置を備え、第１の泳動装置の分析物が前記
連結細管に存在するとき該第１の泳動を停止して、第２
の電気泳動装置による分析を開始することを特徴とする
請求項３に記載のキャピラリー電気泳動装置。
【請求項６】前記第１のキャピラリー電気泳動装置に代
え高速液体クロマトグラフィー測定装置が使用され、第
２の電気泳動装置の流路と高速液体クロマトグラフィー
測定装置から供給される試料を搬送する搬送流路とが、
前記連結細管を共用することを特徴とする請求項５に記
載のキャピラリー電気泳動装置。
【請求項７】前記第１のキャピラリー電気泳動装置に代
えサンプル注入装置が使用され、第２の電気泳動装置の
流路とサンプル注入装置から供給される試料を搬送する
搬送流路とが、前記連結細管を共用することを特徴とす
る請求項５に記載のキャピラリー電気泳動装置。
【請求項８】前記試料を搬送する複数の流路の内、連通
する二つの流路を介して前記連結細管に導入される試料
が、該二つの流路に関する凍結解凍部を凍結させること
により、連結細管の内部容積によって決定される量の計
量装置とされることを特徴とする請求項１の流路切り替
え装置。
【請求項９】前記複数の流路のうち少なくとも二つの流
路と連結細管がキャピラリー電気泳動装置の第１の泳動
流路を形成し、前記二つの流路の一つと前記複数の流路
の他の一つと連結細管がキャピラリー電気泳動装置の第
２の泳動流路を形成し、前記第１の泳動流路の検出部に
紫外吸収検出装置が設けられ、前記第２の泳動流路の検
出部に蛍光検出装置が設けられたことを特徴とする請求
項３に記載のキャピラリー電気泳動装置。
【請求項１０】前記連結細管は、溝を有する二つの基板
を、それぞれの基板上の溝が対合するように融着して形
成することを特徴とする請求項１に記載の流路切り替え
装置。
【請求項１１】凍結解凍部は、少なくとも一方の上記基
板上に、穴を設けて、該穴にペルティエ素子を装着して
形成されることを特徴とする請求項１０に記載の流路切
り替え装置。
【請求項１２】前記基板は、ガラス板またはシリコン板
であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に
記載の流路切り替え装置。