WO1997011362A1 - Dispositif electrophoretique multicapillaire - Google Patents

Description

明細書

マルチキヤビラリ電気泳動装置

技術分野

本発明は、 ガラス細管であるキヤビラリを複数本並行に配列して、 複数の 試料を同時に分析することのできるマルチキヤビラリ電気泳動装置に関する ものである。

背景技術

キヤビラリ電気泳動装置は、 キヤビラリ内に泳動溶媒を溝たし、 キヤビラ リに沿って電位勾配をかけながら、 キヤビラリの一端から試料成分を溶解さ せた溶液を注入して試料成分を分離する装置であって、 キヤビラリ電気泳動 の測定対象は、 イオン、 生体高分子、 生体低分子、 薬物、 化成品など多分野 にわたつている。

キヤビラリ電気泳動装置は、 泳動中の試料成分の一部に光を当て、 試料成 分の蛍光像や吸光像の強度分布を検出する光検出器を有している。 これによ り、 キヤビラリ内での試料成分の移動中の分布状態を高分解能で検出し、 そ れに基づレ、て試料成分の存在やその濃度を求めることができる。

ところで、 近年キヤビラリ電気泳動装置の処理の高速化と、 処理量の増大 が求められている。

そこで、 従来の技術では、 複数のキヤビラリを並列に配置するとともに、 配列方向の一端から各キヤビラリに光を照、射し、 各キヤビラリからの照射光 を、 各キヤビラリにそれぞれ一対一に対応して設けられた受光素子により検 出する構成が提案されている （実公平 7— 2 0 5 9 1号公報参照）。 これに より、 比較的簡単な構成で同時に複数の分析処理を行うことができ、 処理時 間を短縮化できるとされている。

前記公報の技術では、 各キヤビラリに対応して受光素子を設ける必要があ るが、 実際には受光素子ごとに感度が異なり、 電気処理回路のゲインにもバ ラツキがあるため、 感度やゲインを補正するための調整作業が必要となる。 また、 受光素子を多く並べる必要があり、 検出部分のサイズを小さくでき ないという問題もある。

発明の開示

本発明の目的は、 受光素子の感度のバラツキ、 電気処理回路のゲインのバ ラツキが生ずる余地がなく、 検出部分のサイズを小さくできるマルチキヤビ ラリ電気泳動装 Sを提供することである。

前記の目的を達成するための本発明のマルチキヤビラリ 気泳動装置は、 透光部が並列に保持された複数のキヤビラリと、 前記複数のキヤビラリの各 透光部にそれぞれ光を照射する複数の発光部と、 前記複数の発光部をそれぞ れ異なる電気信号成分により駆動する発光駆動部と、 前記透光部を通した光 を 1つに集束する集束部と、 集束された光を検出する光検出部と、 it己光検 出部により検出された ¾気信号に含まれている各鼋気信号成分を分離する信 号処理部と、 前記キヤビラリに 圧を印加する 圧印加部とを備えるもので ある （請求項 1 ) 。

この構成であれば、 それぞれ異なる ¾気信号成分により発光 された光 を、 キヤビラリの各透光部に照射することができる。

—方、 キヤビラリ内に泳動溶媒を溝たし、 キヤビラリに沿って電位勾配を かけながら、 キヤビラリの一端から試料成分を溶解させた試料溶液を注入し て、 試料成分を 気泳動させた場合に、 各透光部では、 試料成分の蛍光像や 吸光像の強度分布に応じた光強度減衰が発生する。

そこで、 前記透光部を通した光を 1つに集束する。 透光部を通した光を 1 つに集束する手段として、 光ファイバ束を使用すればよい。 さらに、 集束さ れた光を検出し、 検出された信号に含まれている各電気信号成分を分雜する。 すると、 各キヤビラリの透光部を通り、 光強度減衰を受けた光の光強度減衰 量を個別に知ることができる。

したがって、 複数のキヤビラリにそれぞれ光検出部を備えなくても、 1つ の光検出部のみを用意するだけで、 各キヤビラリの光強度減衰量を知ること ができる。

したがって、 従来のように、 各キヤビラリに対応して受光素子を設け、 電 気回路を設けた場合のように、 受光素子の感度のバラツキ、 受光処理回路の ゲインのバラツキが生ずる余地がないので、 調整作業が容易になる。

また、 受光素子を多く並べる必要がなくなり、 検出部分のサイズを小さく できる。

なお、 前記発光駆動部で発生する電気信号は、 前記信号処理部によって分 雜可能なように、 互いに直交する関数系で構成された信号であることが望ま しい （請求項 2 )。

この 「直交する関数系」 とは、 公知の直交関数系であれば何でもよく、 例 えば周波数の異なる正弦波関数系、 形の互いに異なるパルス関数系がある。 パルス関数系の一例として、 繰り返し周波数が互いに偶数倍の関係にあるパ ルス関数系があげられる （FIG. 6参照） 。 また、 アダマール (Hadamard)行列 の各行 （各列） から作られるパルス直交閟数系も有名である （FIG. 7参照） 。 また、 時分割されたパルス関数系も使用可能である （FIG. 8参照） 。

発光駆動部で発生する電気信号が互レ、に直交する関数系で構成された信号 であれば、 他のマルチキヤビラリの信号の影響を原理的には 0に低減できる ので、 クロストークの心配がない。 このため測定の信頼性を上げることがで さる。

前記信号処理部は、 各電気信号を分雜する同期整流回路を含むものであつ てもよい （請求項 3 ) 。

また、 前記発光駆動部で発生する電気信号は、 それぞれ周波数の異なる正 弦波信号であり、 前記信号処理部は、 各周波数成分を分雜する周波数フィル ター回路を含むものであってもよい （請求項 4 )。

前記発光駆動部に代えて、 複数の発光部からの光をそれぞれ異なる電気信 号成分により変調する光変調部を備えるものであってもよい （請求項 5 ) 。

例えば、 電気光学素子や液晶素子等からなる光シャッ夕一を使って各発光 部からの光をオンオフしてもよく、 FIG. 9に示したように、 異なる系列のバ ルス関数を表わすように孔をキヤビラリ本数に応じた段数だけ開けた円板を 使って機械的なチヨッビングを行ってもよい。 以下、 図面を参照して本発明の前記及び他の目的は明らかになるであろう。 図面の簡単な説明

FIG. 1はマルチキヤビラリ電気泳動法による则定システム図である。

FIG. 2は複数の L E D光源によって照らされたマルチキヤビラリの測定ゾ ーンからの蛍光像や吸光像を、 光ファイバ束を通して 1つの検出器に集める 本発明の構成を示す図である。

FIG. 3は L E D光源の光をマルチキヤビラリの測定ゾーンに集光し、 測定 ゾーンから出る蛍光像や吸光像を、 光ファイバに導く集光系の構成を示す断 面図である。

FIG. 4は本発明の一実施形態に係る、 L E Dに発光駆動信号を供給する発 光駆動部及び光検出器の検出信号を処理する信号処理部を示す回路プロック 図である。

FIG. 5は他の実施形態に係る、 L E Dに発光駆動信号を供給する発光駆動 部及び光検出器の検出信号を処理する信号処理部を示す回路プロック図であ る o

FIG. 6は直交関数系の一例として、 繰り返し周波数が互いに偶数倍の関係 にあるパルス閟数系を示した波形図である。

FIG. 7は直交関数系の他の一例として、 パルス関数系を示した波形図であ る。

FIG. 8は直交関数系の他の一例として、 時分割パルス関数系を示した波形 図である。

FIG. 9は開口列を多段に開けた円板を使って機械的なチヨッビングを行う ことにより、 関数系を作る例を示す図である。

FIG. 1 0は本発明のマルチキヤビラリ電気泳動法による測定システムを用 いて、 検出信号強度を測定した場合の測定結果を示すグラフであり、 （a) は チャンネル 1での測定結果、 （b) はチャンネル 2での刺定結果を示すグラフ である。

発明を実施するための最良の形憨 以下、 発明の実施の形想を、 添付図面を参照しながら詳細に説明する。

FIG. 1は、 マルチキヤビラリ鬈気泳動法による则定システム図であり、 溶 融石英製マルチキヤビラリ Cの中に試料溶液を注入して両端に高 EVを印 加している。 マルチキヤビラリ Cの終端近くには、 光が照射される測定ブー ン Zがあり、 このゾーン Zにお t、て発生した試料成分の蛍光像や吸光像の強 度分布が光検出器により検出され、 信号処理部により再現される。 なお、 電 流計 Aは、 マルチキヤビラリ C内に気泡が発生して電流が中断するのをモニ 夕するために設けているものである。

FIG. 2は、 マルチキヤビラリ Cにそれぞれ光を照射する複数の発光部 1及 び光検出部 1 0の拡大図であり、 発光部 1は、 青色 L E D 2と、 所定の波長 範囲の光のみ取り出す誘電体多層膜バンドバスフィル夕 3と、 マルチキヤピ ラリ Cの測定ゾーン Zに光を集光する集光レンズ 4とを備えている。 なお、 発光素子は青色 L E Dに限られるものではなく、 他の色の L E D、 レーザダ ィオード等、 任意の発光素子が使用可能である。

FIG. 3は、 キヤビラリ Cの集光部付近の構造を示す断面図であり、 発光部 1から照射された光をキヤビラリ Cの中心に集めるボールレンズ 6と、 余計 な光をしや断するスリツト 5と、 キヤビラリ Cの中心を通って出ていく光を 集束光ファイバ 9に導入する 2つのボールレンズ 7 , 8とを備えている。 前記集束光ファイバ 9に導入された光は、 FIG. 2に示すように、 束ねられ、 光検出部 1 0に入射される。 光検出部 1 0には、 所定の波長範囲の光のみ取 り出すシャープカツトオフフィルタ 1 1と、 光検出器 1 2ととが備えられて いる。 光検出器 1 2にはフォトマルチブライヤや P I Nフォトダイオードを 用いることができる。

FIG. 4は、 L E D 2に発光駆動信号を供給する発光駆動部 1 9及び光検出 器 1 2の検出信号を処理する信号処理部 2 0を示す。

発光駆動部 1 9は、 波形発生回路 2 1と L E Dドライノく 2 2とからなり、 各波形発生回路 2 1は、 周波数の異なる正弦波信号を発生し、 L E Dドライ バ 2 2はこの正弦波信号に基づいて L E D 2を発光駆動する。 各マルチキヤビラリ Cを通過し （チャンネルという） 、 光検出器 1 2に入 つた光検出信号は、 電気信号に変換される。 この電気信号には、 多数の正弦 波が重量されている。 髦気信号は、 D Cカツ トフィルタ 1 3を通った後、 同 期整流回路 2 4に入力される。 一方、 波形発生回路 2 1の発生する正弦波信 号と同じ周波数の矩形波信号が同期信号回路 2 3で生成され同期整流回路 2 4に入力される。 同期整流回路 2 4は、 具体的には乗算器であり、 前記鼋気 信号と、 同期信号回路 2 3で発生された矩形波信号との積をとる。 これによ り、 当該チャンネルの波形発生回路 2 1で発生された信号成分のみ取り出す ことができる。 この出力信号は、 平滑回路 2 5で平滑化され、 測定データと して出力される。

以上の機能により、 平滑回路 2 5から、 各チャンネルの信号成分のみを分 雜して取り出すことができる。

なお、 光検出器 1 2の鼋気信号を処理する信号処理部 2 0は、 前記 FIG. 4 の回路に限定される訳ではない。 ItriSFIG. 4の回路では、 乗算器からなる同 期整流回路 2 4を用いていたが、 FIG. 5に示すように、 各波形発生回路 2 1 で発生された周 ¾¾ί [の異なる正弦波信号にそれぞれ対応するバンドパスフィ ル夕回路 2 6を用いてもよい。 これによつて、 当該周波数の信号のみを分離 して取り出すことができる。

以上の実施形態では、 各波形発生回路 2 1で周波数の異なる正弦波信号を 発生していたが、 信号波形はこれに限定されるものではなく、 正弦波信号に 代えて矩形波波信号などを用いてもよい。

なお、 各波形発生回路 2 1で発生される信号は、 直交していることが好ま しい。 すなわち、 各信号を a , ( i=l, 2, 3, · · · · ) と表すと、 信号同士を掛け て、 ある時間にわたって積分すれば、

； a i ² dt = 1 ,

J a , a i dt = 0 ( i≠ j )

が溝たされる関係にあることが、 他チャンネルの信号からの妨害を軽減する ためには、 好ましい。 直交している関数系としては、 前述した周波数の異なる正弦波信号の他、

FIG.6に示すように、 揉り返し周波数が互いに偶数倍の関係 （例えば 1 kH z, 2kHz, 4 kHz, 8 kHz. ····) にあるパルス関数系を使っても よく、 F【G.7に示すような、 2値符号 1, - 1からなるパルス関数系を使つ てもよレ、。 また、 FIG.8に示すように、 時分割されたパルス関数系を使って もよい。

また、 前述の例では、 LED 2を駆動する発光駆動部 1 9の段階において、 直交信号を発生させるようにしていたが、 L E D 2から一定強度で発光され た光を、 それぞれ異なる電気信号成分により変調するようにしてもよい。 例えば、 電気光学素子や液晶素子等からなる光シャッターを使って各発光 部 1からの光を変調してもよく、 FIG.9に示したように、 異なる系列のパル ス関数を表わすように開口列を多段に開けた円板を使って機械的なチヨッピ ングを行ってもよい。

次に、 前記マルチキヤビラリ 気泳動法による測定システム （FIG. 1〜FI G.4) を用い、 サンプルとしてフルォレセイン（fluorescein) 水溶液を使つ て、 検出信号強度を測定した。 ただし、 信号波形を見るために、 FIG.4の平 滑回路 25は、 取り外して測定した。

測定を始める際には、 一方の容器に水を満たして他方の容器を密閉してボ ンブで吸引し、 マルチキヤビラリ C内に水を潢たした。 そして、 マルチキヤ ビラリ Cに沿って電位勾配をかけながら、 マルチキヤビラリ Cの一端からフ ルォレセイン水溶液 （5 X 1 0—⁷モル） を注入して、 サンブル成分を電気泳 動させた。

キヤビラリ Cの本数は 2とし、 一方のチャンネル （チャンネル 1という） では 4 kHzの正弦波、 他方のチャンネル （チヤンネル 2という） では 2 k Hzの正弦波を使って、 それぞれ LEDを発光駆動した。

前記正弦波の時間変化は、 蛍光像や吸光像の強度の時間変化（通常、 秒の オーダー） に比べて十分短いので、 蛍光像や吸光像の強度の時間変動が信号 処理部 20に与える影響は無視してよい。 チャンネル 1 , チャンネル 2でのフォトマルチブライヤ P MTの出力を、 時間を追って測定した。

FIG. 1 0における（a) はチャンネル 1での測定結果、 （b) はチャンネル 2 での測定結果を示すグラフである。 数字の単位はミ リボルト （p— p値） で あ < &。

チャンネル 1では、 マルチキヤビラリ Cに水のみが満たされているときは、 測定信号は現れず、 わずかに発光駆動部 1 9や信号処理部 2 0等で発生した ノイズ （2 mV) が現れているに過ぎない。 チャンネル 2でも、 マルチキヤ ビラリ Cに水のみが満たされているときは、 測定信号は現れず、 わずかに発 光駆動部 1 9や信号処理部 2 0等で発生したノイズ （ 1 . 6 mV) が現れて いるに過ぎない。 この 「2」 と Π . 6」 の相違は、 L E D 2の発光強度の 相違ゃ鼋気回路の増幅度の相違によるものと考えられる。

チャンネル 1にサンプル成分が泳動してくると、 チャンネル 1に大きな信 号 （ 1 0 O m V) が現れる。 このとき、 チャンネル 2のノイズ成分も 4 m V に増加する。 すなわち、 1 0 0の振幅に対して 4の振幅のクロストーク （混 信） が生じている。 このクロストーク量は一 2 8 d Bであり、 十分小さい値 である。

チャンネル 1のサンプル成分が過ぎ去り、 チャンネル 2にサンブル成分が 泳動してくると、 チャンネル 2に大きな信号 （7 7 mV) が現れる。 このと き、 チャンネル 1のノイズ成分も 4 mVに增加する。 このときのクロストー ク fiは一 2 6 d Bであり、 十分小さい値である。

なお、 測定に用いた回路では、 平滑回路 2 5は取り外したが、 実際に最適 化した時定数を持つ平滑回路 2 5を設ければ、 クロストーク量はさらに減少 させることができると予想される。

以上のように、 本発明のマルチキヤビラリ電気泳動装置を採用すれば、 各 チャンネルを通した光を 1つに集束し、 単一の光検出部で検出した後、 各 ¾ 気信号成分を分雜することができるので、 他のチャンネルの影響を殆ど受け ることなく、 当該チャンネルに現れる信号成分を測定することができる。

Claims

»求の範囲

1 . 透光都が »に された 数のキヤビラリと、 数のキヤビラ リの各透光部にそれぞれ光を fi¾itrる u«の発光部と、 ES数の発光 部をそれぞれ具なる ¾気ほ号成分により する発光 部と、 ¾t«22 光部を通した光を 1つに «束する集束部と、 集束された光を検出する光 検出 Wと、 検出部により検出された 信号に含まれている各 気侰号成分を分艨する侰号処理節と、 前 Eキヤビラリに ¾圧を印加する «JE印加部とを備えることを特徴とするマルチキヤビラリ S 泳動装 £。

2 . ΙίΐΕ¾½«ΚΙ!ι節で発生する S気 は、 ί(Γ£像兮処 saiによって分雜 可能なように、 互いに itsする ^で《成された «号である «f求項 1

32载のマルチキヤビラリ Jtt気 S K装 So

3. 前お僂 処理筘は、 号を分 ίΤΤる同期整流 路を含むもので ある》求項 1記載のマルチキヤビラリ S CSSlo

4 . 前記 ¾Λ«動部で 生する は、 それぞれ 波数の異なる正弦 波 号であり、 ΤΪ!Π2侰号処理節は、 各屠 ffittfiK分を分 る ffiiffiKフィ ル夕一回路を含むものである 2»求項 1記 のマルチキヤビラリ g気泳動 装 SL rss ¾ffi»«5に代えて、 «数の »¾scからの光をそれぞれ異なる s 気信号成分により変 8»する光変 部を儋える 求項 1纪載のマルチキヤ ビラリ β気泳動装 to