WO2000014527A1 - Electrophoresis system - Google Patents

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WO2000014527A1
WO2000014527A1 PCT/JP1999/004770 JP9904770W WO0014527A1 WO 2000014527 A1 WO2000014527 A1 WO 2000014527A1 JP 9904770 W JP9904770 W JP 9904770W WO 0014527 A1 WO0014527 A1 WO 0014527A1
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Masatoshi Nishimura
Yoshiaki Mizukami
Daniel Rajniak
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Sankyo Company, Limited
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
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    • G01N27/44717Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
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Abstract

An electrophoresis system which uses a plurality of sensors disposed along a migration path in detecting signals that have conventionally been detected by one sensor and which can be formed into a microchip in its entirety by integrating a rectangular capillary tube constituting the migration path with an optical sensor array, thereby enabling a low-cost, fine device to monitor separate conditions concurrently and to analyze an electrophoresis quickly.

Description

明細 i 電気泳動システム 技術分野  Description i Electrophoresis system Technical field
本発明は、 電気泳動分析を行うためのシステムに関する。 特に、 電気泳動ュニ ットと泳動結果を機械的に読み取る検知機構とを組み合わせた電気泳動システム に関する。 背景技術  The present invention relates to a system for performing an electrophoretic analysis. In particular, the present invention relates to an electrophoresis system in which an electrophoresis unit and a detection mechanism for mechanically reading an electrophoresis result are combined. Background art
電気泳動分析は、 タンパク質や核酸といった生体成分の分析や分離に欠かせな い基本的な分析操作である。 電気泳動分析は、 分析すべき物質が荷電状態の違い に基づいて電界中で移動する現象を応用している。 荷電状態をいろいろな環境条 件によって操作すれば、 物質の検出や定量といった用途だけでなく、 分子量、 等 電点といった、 物性を知ることができる。 あるいは、 他の分析操作の試料とする ために目的の物質を分取するための手段として活用することもできる。  Electrophoretic analysis is a basic analytical operation indispensable for analyzing and separating biological components such as proteins and nucleic acids. Electrophoretic analysis applies the phenomenon that a substance to be analyzed moves in an electric field based on the difference in charge state. By manipulating the charge state under various environmental conditions, it is possible to know not only applications such as detection and quantification of substances, but also physical properties such as molecular weight and isoelectric point. Alternatively, it can be used as a means for collecting a target substance for use as a sample for another analysis operation.
電気泳動分析の中でも、 新しい分析技術として普及したのがキヤビラリ電気泳 動である。キヤビラリには、 シリカ製で内径 10- 100〃m長さ 10-lOOcmの細管が一 般に用いられ、 これに媒体としてゲルや各種の液体が充填される。 キヤビラリ電 気泳動の原理と、 センサ一 (あるいはデテクター) によって検知されるシグナル と時間の関係を図 3に示した。電気泳動分析では、 通電に伴う発熱(ジュール熱) によって泳動媒体中で引き起こされる対流の影響が分離結果に大きな影響を与え る。 通電による発熱は、 電気泳動分析の宿命的な制限と言うことができる。 この ため、 従来の電気泳動分析では対流を起こさないようにゲル媒体が利用されてい た。 しかしキヤビラリ内部という特殊な条件を利用することによって、 熱の放散 が効果的に行えるようになった。また、均一な温度の維持が難しい平面に比べて、 キヤビラリでは容易に温度制御を行える。 このような利点を生かして、 キヤビラ リ電気泳動は、 必ずしもゲル媒体を必要とせず、 しかも分離能に優れ、 安価で高 精度な分析装置として広く普及した。 Among electrophoretic analyzes, the most popular new analysis technique is capillaries. A capillary is generally used as a capillary made of silica and having an inner diameter of 10 to 100 10m and a length of 10 to 100 cm. The medium is filled with a gel or various liquids as a medium. Figure 3 shows the principle of capillary electrophoresis and the relationship between the signal detected by one sensor (or detector) and time. In electrophoretic analysis, the effect of convection in the electrophoresis medium due to the heat generated by energization (Joule heat) has a significant effect on the separation results. The heat generated by energization can be a fatal limitation of electrophoretic analysis. For this reason, gel media has been used in conventional electrophoretic analysis to prevent convection. However, by utilizing the special conditions of the inside of the capillaries, the heat can be dissipated effectively. Also, compared to a plane where it is difficult to maintain a uniform temperature, Temperature control can be performed easily with cabillaries. Taking advantage of these advantages, capillary electrophoresis has become widespread as an inexpensive, high-precision analyzer that does not necessarily require a gel medium, has excellent resolving power, and has excellent resolution.
特に等電点の分析においては、 液体中で等電点電気泳動を行えるようになった ことから泳動時間が大幅に短縮された。 従来のゲル電気泳動においては、 ゲル媒 体の中で等電点にタンパク質が収束するまでに長い時間が必要だったのである。 このように多くのメリッ卜に支えられて急激に普及したキヤビラリ電気泳動で あるが、 いくつかの問題点は残されている。 公知のキヤビラリ電気泳動システム では、 分析対象成分の検出を 1点で行っていた。 たとえばタンパク質の検出であ れば、 280nm における吸収を測定するための光学系が泳動路の末端付近に 1つだ け取り付けられているケースが一般的である。 このような構成では、 当然の事な がら分析対象成分はセンサ一が配置されたところまで泳動されてこなければ検知 することができない。 キヤビラリ電気泳動の泳動時間が短いとは言え、 常にセン サ一部分まで泳動を行うことが必要なシステムでは迅速な処理が困難となるケー スが生じる。 あるいは分析対象物質の帯電状態によっては、 センサ一部分まで泳 動されないケースも起こりうる。  Especially in the analysis of isoelectric point, electrophoretic electrophoresis can be performed in liquid, so electrophoresis time has been greatly reduced. In conventional gel electrophoresis, it took a long time for the protein to converge to the isoelectric point in the gel medium. In this way, capillary electrophoresis has become very popular, supported by many advantages, but some problems remain. In the known capillary electrophoresis system, the detection of the analyte was performed at one point. For example, in the case of protein detection, it is common that only one optical system for measuring absorption at 280 nm is attached near the end of the migration path. In such a configuration, it goes without saying that the component to be analyzed cannot be detected unless it is migrated to the position where the sensor is disposed. Although the electrophoresis time of capillary electrophoresis is short, there is a case where rapid processing becomes difficult in a system that always requires electrophoresis to a part of the sensor. Alternatively, depending on the charged state of the analyte, there may be cases where the sensor does not swim to a part of the sensor.
キヤビラリ電気泳動のひとつの特徴として電気浸透流 (electroosmotic flow) の存在がある。 通常キヤビラリ内壁は負に帯電しており、 泳動緩衝液中の陽ィォ ンをひきつける。キヤビラリに電圧が印加されると陽イオンは陰極に移動するが、 このときに水イオンをひきずりながら移動するため溶液全体が陰極に流れる。 こ の流れはサンプルに依存しないオフセットの流れで電気浸透流と呼ばれており、 緩衝液の pH、内壁のコ一ティングによりある程度コントロ一ルすることができる c 中性のサンプルは電気浸透流と同じスビードで泳動し、 正に帯電したサンプルは これより早く、 負に帯電したサンプルはこれより遅く移動する。  One characteristic of capillary electrophoresis is the presence of electroosmotic flow. Normally, the inner wall of the capillary is negatively charged, attracting the cations in the running buffer. When a voltage is applied to the capillary, the cations move to the cathode. At this time, since the cations move while dragging water ions, the entire solution flows to the cathode. This flow is called an electroosmotic flow, which is an offset flow that does not depend on the sample, and can be controlled to some extent by the pH of the buffer and the coating of the inner wall. Positively charged samples migrate faster with the same beads, and negatively charged samples migrate slower.
このように、 キヤビラリ電気泳動では電気浸透流というオフセッ 卜の流れを利 用する事により、 正、 負、 中性のサンプルを一挙に分離することができる。 ただ し、負に帯電したサンプルにおいて I レ >レ^のときはサンプルは陽極側に動き、 センサに到達しない(レ Bは負に帯電した物質の速度、 レ efは電気浸透流の速度)。 この問題を解決する唯一の方法は最大の Iレ を持つサンプルをも陰極側に動か せるだけの電気浸透流を供給することであるが、 必ずしも可能とは限らない。 仮 にこれが可能であったとしても、 速い電気浸透流を用いた場合には正に帯電して いるサンプルは短時間でセンサまで到達してしまい、 移動度の近接した 2つのサ ンプルを分離できない可能性がある。 分離度のひとつの表現として、 式 1に示す 関係が知られている。 Thus, in capillary electrophoresis, positive, negative, and neutral samples can be separated at once by using the offset flow called electroosmotic flow. However However, when the negatively charged sample is I>>, the sample moves to the anode side and does not reach the sensor (Le B is the speed of the negatively charged substance, Le e . F is the speed of the electroosmotic flow) . The only way to solve this problem is to provide an electroosmotic flow that can move even the sample with the highest I to the cathode side, but this is not always possible. Even if this was possible, a positively charged sample would reach the sensor in a short time if fast electroosmotic flow was used, making it impossible to separate two samples with similar mobility. there is a possibility. As one expression of the degree of separation, the relationship shown in Equation 1 is known.
(式 1 )  (Equation 1)
Figure imgf000005_0001
ここで、 N は理論段数、 Δレは 2つのサンプルの移動速度の差、 ソは 2つのサ ンプルの移動速度の平均値である。 これより、 Rsをできるだけ大きくするために はレを小さくすればよいことがわかるが、 電気浸透流を大きくすることはレを大 きくすることになり、 結果として Rsが小さくなり好ましくない。
Figure imgf000005_0001
Here, N is the number of theoretical plates, Δ is the difference between the moving speeds of the two samples, and So is the average value of the moving speeds of the two samples. From this, it can be seen that to increase Rs as much as possible, it is necessary to decrease the value. However, increasing the electroosmotic flow increases the value, and as a result, Rs decreases, which is not preferable.
また液体媒体中での等電点電気泳動が迅速に行えることがキヤビラリ電気泳動 の大きな特徴の一つである。 しかし、 等電点に収束したタンパク質を 1点に固定 したセンサ一で検知することはできないので、 従来は更にセンサーのところまで タンパク質を電気泳動的に移動させる操作が必要とされていた。 また、 公知のキ ャビラリ電気泳動においては試料を泳動路の末端部分からしか供給できないため、 等電点電気泳動に当たって万が一逆の末端部分に収束するようなタンパク質が分 析対象成分となつた場合には長い泳動時間が必要となる。 等電点の予想ができな いケースでは、 中心付近から泳動をスタートするのが合理的なアプローチである ことは言うまでもないが、 キヤビラリの特性上、 安価に中心付近への試料の供給 機構を構成することは困難である。 One of the major features of capillary electrophoresis is that isoelectric focusing in a liquid medium can be performed quickly. However, since the protein converged to the isoelectric point cannot be detected by a sensor fixed at one point, an operation for electrophoretically moving the protein to the sensor has conventionally been required. Also, in known capillary electrophoresis, a sample can be supplied only from the end of the migration path, so if a protein that converges to the opposite end in the event of isoelectric focusing becomes an analyte, Requires a long running time. In cases where the isoelectric point cannot be predicted, it is a reasonable approach to start electrophoresis near the center, but supply of the sample to the center is inexpensive due to the characteristics of the capillaries. It is difficult to configure the mechanism.
加えて、 キヤビラリを用いることによつて放熱と温度制御が容易となったとは 言え、 キヤビラリの製造上の制限から、 現在の大きさは限界に近い。 また操作性 においても、 現状よりも細いものでは破損しやすく現実的ではない。 そのため、 小型化による泳動時間の短縮、 より少量の試料による高感度な分析、 といった点 では、 既に限界に達しているという見方ができる。  In addition, although the use of cavities has facilitated heat dissipation and temperature control, the current size is close to the limit due to restrictions on the production of cavities. Also, in terms of operability, a thinner than the current situation is likely to break, which is not practical. Therefore, it can be seen that the limit has been reached in terms of shortening the electrophoresis time due to miniaturization and high-sensitivity analysis using a smaller amount of sample.
キヤビラリ電気泳動の他にも、 新しい電気泳動分析の手法が提案されている。 たとえば、 平面基板に作成したマイクロ流路を泳動路とする電気泳動分析が試み られた。 マイクロ流路には、 ガラスやポリマーがよく利用されている。 この方法 では、マイクロ流路を利用しているので半導体チヅプを組み合わせることにより、 キヤビラリよりも更に微小な分析システムを構築できる(Science, Vol .261, PP895-897, 1993; Proc. Natl . Acad. Sci . USA, Vol .91, pp.11348-11352, 1994; Anal . Chem. , Vol .69,pp.3451-3457, 1997) o しかし依然としてシグナルの検出は 1 点で行っているのでキヤビラリ電気泳動システムと同じ問題点を残している。 微 小なシステムとしては、半導体プロセスを用いて検出用 ICを作成し、その上にプ ラスチック流路を形成したものが公知である( International Conference oc Microelectromechanical Systems -MEMS96-,pp.491-496, 1996; International Conference on Solid -State Sensors and Actuators -Transducer97-, pp.503- 506, 1997)。プラスチック流路の形成技術には、光造形法などの新しい技術の応用 (BME, Vol .12, No.4,pp.66-75, 1998)も報告されている。しかし検出システムとして は従来の流路出口での 1点検出原理が採用されつづけている。  In addition to capillary electrophoresis, new electrophoretic analysis methods have been proposed. For example, an electrophoresis analysis using a microchannel formed on a flat substrate as an electrophoresis path was attempted. Glass and polymers are often used for microchannels. In this method, since a microchannel is used, a more minute analysis system than a capillary can be constructed by combining semiconductor chips (Science, Vol.261, PP895-897, 1993; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol.91, pp.11348-11352, 1994; Anal.Chem., Vol.69, pp.3451-3457, 1997) However, signal detection is still performed at one point, and therefore, capillary electrophoresis. It leaves the same issues as the system. As a very small system, there is known a system in which a detection IC is formed using a semiconductor process and a plastic flow path is formed thereon (International Conference oc Microelectromechanical Systems -MEMS96-, pp.491-496, 1996; International Conference on Solid -State Sensors and Actuators -Transducer97-, pp.503-506, 1997). As a technique for forming a plastic flow channel, application of a new technology such as stereolithography (BME, Vol. 12, No. 4, pp. 66-75, 1998) has also been reported. However, the principle of single point detection at the outlet of the flow channel has been adopted as the conventional detection system.
DNA の塩基配列決定等のように、 泳動結果の 2次元的な解析が必要な分析方法 においては、 キヤビラリを走査することによって泳動パターンの解析を行う方法 が公知である。 しかしこのような方法では、 微小な光束で走査するための高精度 な光学系が要求される。 またレンズやプリズムなどで構成される複雑なシステム になってしまい、 安価なデバイスを商業的に供給することは困難である。 更に泳 動路に沿って複数の位置で検知を行う電気泳動システムも公知である (特開平 10-132783)。 この先行技術に開示されたシステムにおいては、 短い光路長で光学 測定を行いつつ高 S/N比を実現するために、 ある範囲のシグナルを積算しなけれ ばならない。 そのため泳動終了後に通電を停止して信号の測定とデ一夕の解析を 行うことが条件となっており、 電気泳動中の測定を実現できない。 またレンズな どの光学部品が必須となっており、 構造が複雑で安価なシステムの実現は困難で ある。 発明の開示 As an analysis method that requires two-dimensional analysis of electrophoresis results, such as DNA base sequence determination, a method of analyzing electrophoresis patterns by scanning cavities is known. However, such a method requires a high-precision optical system for scanning with a minute light beam. In addition, it becomes a complicated system consisting of lenses and prisms, and it is difficult to supply inexpensive devices commercially. More swimming An electrophoresis system that performs detection at a plurality of positions along a moving path is also known (JP-A-10-132783). In the system disclosed in this prior art, a certain range of signals must be integrated in order to achieve a high S / N ratio while performing optical measurement with a short optical path length. Therefore, it is necessary to stop the power supply after the electrophoresis and perform signal measurement and data analysis, which makes it impossible to perform measurement during electrophoresis. In addition, optical components such as lenses are indispensable, and it is difficult to realize an inexpensive system with a complicated structure. Disclosure of the invention
本発明は、迅速性や高い精度といったキヤビラリ電気泳動の特徴を生かしつつ、 より合理的で迅速な分離を可能とするシグナルの検出原理を提供することを課題 としている。 具体的には、 センサ一の配置によって各種の制限を受けていた電気 泳動分析を、 より合理的な検出原理に基づいて改善するための新規なシステムと 分析方法を提供することが本発明の課題である。  An object of the present invention is to provide a signal detection principle that enables more rational and rapid separation while taking advantage of the characteristics of the capillary electrophoresis such as rapidity and high accuracy. Specifically, it is an object of the present invention to provide a novel system and analysis method for improving electrophoretic analysis, which had been subjected to various restrictions due to the arrangement of sensors, based on a more rational detection principle. It is.
本発明の第 2の課題は、 現在普及しているキヤビラリ電気泳動システムよりも 更に小型化が容易で、 しかも安価な電気泳動システムの提供にある。  A second object of the present invention is to provide an inexpensive electrophoresis system that can be more easily reduced in size than the currently widely used capillary electrophoresis system.
本発明者らは、 電気泳動分析の可能性を制限している要因としてセンサ一の配 置と、 キヤビラリの物理的な形状に着目し、 新たな構成について研究を行った。 その結果、 泳動路に対応した複数の位置にセンサ一を設けることにより、 合理的 な検出系を構成できることを見出し、 本発明を完成した。  The present inventors focused on the arrangement of the sensor and the physical shape of the capillary as factors that limit the possibility of electrophoretic analysis, and conducted research on a new configuration. As a result, they have found that a rational detection system can be configured by providing sensors at a plurality of positions corresponding to the migration path, and completed the present invention.
更に本発明は、 複数のセンサ一として微細なセンサ一を平面的にマトリクス状 に配置した光学的センサーアレイを利用すれば、 現在の加工技術をもつて非常に 微細な構造の電気泳動システムを構成できることを見出した。すなわち本発明は、 以下のような電気泳動システム、 ならびに電気泳動分析方法に関する。  Furthermore, the present invention provides an electrophoresis system having a very fine structure using current processing technology by using an optical sensor array in which fine sensors are arranged in a matrix in a plane as a plurality of sensors. I found what I could do. That is, the present invention relates to the following electrophoresis system and electrophoresis analysis method.
〔 1〕 少なくとも下記の構成を含む電気泳動システムであって、 電気泳動中にセ ンサ一によるシグナルの検知が可能なものである電気泳動システム。 a ) 分析対象物質の電気泳動による分離を行う電気泳動ユニット、 および b ) 前記電気泳動ユニットと組み合わされ、 前記物質のシグナルを検知するため に分析対象物質の泳動路に配置された複数のセンサ一、 [1] An electrophoresis system including at least the following components, wherein a signal can be detected by a sensor during electrophoresis. a) an electrophoresis unit for separating an analyte by electrophoresis; andb) a plurality of sensors combined with the electrophoresis unit and arranged on a migration path of the analyte to detect a signal of the substance. ,
〔 2〕前記センサ一が複数の検知素子を平面上に配置した光学的センサ一である 〔 1〕 に記載の電気泳動システム。  [2] The electrophoresis system according to [1], wherein the sensor is an optical sensor in which a plurality of detection elements are arranged on a plane.
〔3〕複数の検知素子を平面上に配置した光学的センサ一を電気泳動ュニットに 一体化した 〔2〕 に記載の電気泳動システム。  [3] The electrophoresis system according to [2], wherein the optical sensor in which a plurality of detection elements are arranged on a plane is integrated with the electrophoresis unit.
〔4〕 前記電気泳動ュニットにおける泳動路が、 並列に配置されている 〔1〕 一 〔3〕 のいずれかに記載の電気泳動システム。  [4] The electrophoresis system according to any one of [1] to [3], wherein migration paths in the electrophoresis unit are arranged in parallel.
〔5〕 並列に配置された泳動路が、 連続する 1本の毛細管構造である 〔4〕 に記 載の電気泳動システム。  [5] The electrophoresis system according to [4], wherein the migration paths arranged in parallel have a single continuous capillary structure.
〔6〕 前記センサーを構成する検知素子が、 1つの泳動路からのシグナルを検知 し、並列に配置された隣接する泳動路のシグナルの影響を受けない、 〔4〕または 〔5〕 に記載の電気泳動システム。  (6) The detection element according to (4) or (5), wherein the detection element constituting the sensor detects a signal from one migration path and is not affected by a signal of an adjacent migration path arranged in parallel. Electrophoresis system.
〔7〕 前記泳動路の任意の部分に分析対象試料適用部位を備えた 〔1〕 に記載の 電気泳動システム。  [7] The electrophoresis system according to [1], wherein an analysis target sample application site is provided at an arbitrary part of the migration path.
〔8〕 前記電気泳動ュニットの泳動路の中間部分に分析対象試料適用部位を備え た 〔7〕 に記載の電気泳動システム。  [8] The electrophoresis system according to [7], wherein an analysis target sample application site is provided in an intermediate portion of a migration path of the electrophoresis unit.
〔9〕 少なくとも下記ステップ a ) — c ) を含む電気泳動分析方法。  [9] An electrophoretic analysis method including at least the following steps a) to c).
a ) 分析対象物質の電気泳動を行う a) Perform electrophoresis of the analyte
b ) 前記電気泳動分離操作によって分析対象物質が泳動される経路に対応した位 置に配置された複数のセンサーによって、 電気泳動分離と並行して前記物質のシ グナルを複数の位置で検知する b) The signals of the substance are detected at a plurality of positions in parallel with the electrophoretic separation by a plurality of sensors arranged at positions corresponding to a path in which the analyte is migrated by the electrophoretic separation operation.
c ) 前記複数の位置で検知したシグナルと、 そのシグナルを検知した位置情報と に基づいて前記物質の物理化学的性状を決定する c) determining the physicochemical properties of the substance based on the signals detected at the plurality of positions and the position information at which the signals are detected.
本発明において、 電気泳動システムとは、 電気泳動ユニットと電気泳動路から のシグナルを検知するためのセンサ一とで構成される。 本発明を構成する前記電 気泳動ユニットは、 電気泳動路と電気泳動に必要な通電機構を備える。 これらの 構成要素は、 公知の電気泳動システムに利用されていたものをそのまま応用する ことができる。 たとえばマイクロチャンネルを利用した電気泳動ュニットは、 本 発明における有利な態様である。 この電気泳動ユニッ トは、 基板上に微細な溝を 配置し、 これを必要に応じてカバーした構造を持ち、 この溝の中を毛細管現象に よって液体が流通するようになっている。 溝の両端は電極となっており、 電源に 接続することにより電気泳動が開始される。 溝の配置は任意であるが、 矩形状に 構成しておけば、 小さな面積により長い泳動路を構成することができるので有利 である。 たとえば、 5腿 χ5誦の範囲で、 幅 0. 1画の泳動路を、 0.35翻間隔で折り 返した矩形形状とすることにより有効泳動長 6cmを達成することができる。 ある いは、 複数の泳動路を並列させることも可能である。 電気泳動ュニッ卜の構成部 品を分析対象物質のシグナルが透過できる素材としておけば、 泳動の状態を電気 泳動ュニッ卜の外から検知することができる。 In the present invention, the electrophoresis system refers to an electrophoresis unit and an electrophoresis path. And a sensor for detecting the signal. The electrophoresis unit according to the present invention includes an electrophoresis path and an energization mechanism necessary for electrophoresis. As these components, those used in known electrophoresis systems can be applied as they are. For example, an electrophoresis unit using a microchannel is an advantageous embodiment of the present invention. The electrophoresis unit has a structure in which fine grooves are arranged on a substrate and the fine grooves are covered as necessary. The liquid flows through the grooves by capillary action. Both ends of the groove are electrodes, and electrophoresis is started by connecting to a power supply. The arrangement of the grooves is arbitrary, but it is advantageous to form the grooves in a rectangular shape, since a long migration path can be formed with a small area. For example, an effective migration length of 6 cm can be achieved by making the migration path with a width of 0.1 strokes into a rectangular shape folded at 0.35 rotation intervals within the range of 5 thighs. Alternatively, a plurality of migration paths can be arranged in parallel. If the components of the electrophoresis unit are made of a material through which the signal of the substance to be analyzed can pass, the state of the electrophoresis can be detected from outside the electrophoresis unit.
マイクロチャンネルは、 基板表面に断面が数 ΙΟ-100 zm角程度の溝 (流路) を 設け、 その上を適当な素材でシールした構造を持っている。 溝 (流路) の形成に は、 エッチング加工が利用される。 基板素材には、 ガラスが用いられていた。 ガ ラスは、 絶縁性や熱放散性に優れる反面、 溝 (流路) のシールに高熱での加工を 要求するガラスやシリコンを利用しなければならない等の不都合な面もあった。 最近ではガラスに代わってシリコーンエラストマ一等の素材を用い、 錶造に基づ いたマイクロチャンネルの成型が試みられている。 素材には、 ポリジメチルシロ キサン (以下 PDMSと省略する、 Anal . Chem. , Vol .69, ρρ· 345卜 3457, 1997)、 ァクリ ル系樹脂 11&1. 6111. 01.69 .2626,1997)、 ポリメチルメタクリレート (以下 PMMA と省略する、 Anal . Chem.,Vol .69, pp.4783, 1997)等が用いられる。 まずマス 夕一となる型をシリコンウェハ一のエッチングにより作成しておく。 これに溶液 状のポリマーを流し込んで構造を転写し、 ポリマ一を固化させる。 流路の一般的 な大きさはいずれも深さで数 10〃m、 幅 10-100〃ηι、 そして分析有効長は数 10cm とすることができる。 PDMSを素材とすればガラスや PDMS基板との自然吸着によ り簡単に流路のシ一リングが行える。 シーリングのために必要な温度は、 ガラス との接合で 105°C、 PDMSどうしの場合で 108°Cと、 ガラス基板で必要とされる接 合温度よりもかなり低い温度となっている。 このようにして作成されたマイクロ チャンネル内では、 既に DNA断片などの電気泳動分離が可能であることが確かめ られている。 ポリマ一を用いたマイクロチャンネルは量産化が容易なので、 コス 卜の点で有利である (ぶんせき 1998年 8月号 p.608-609)。 またエッチングによ る成型が困難なガラスに比べて、 マイクロチャンネルの深さを大きく取ることが できる。 The microchannel has a structure in which a groove (flow path) with a cross section of about several hundreds of zm is provided on the substrate surface, and the groove is sealed with a suitable material. Etching is used to form the grooves (channels). Glass was used as the substrate material. Glass has excellent insulation and heat dissipation properties, but it has disadvantages such as the use of glass or silicon, which requires processing at high heat, to seal the grooves (channels). Recently, attempts have been made to mold microchannels based on structure by using materials such as silicone elastomers instead of glass. Materials include polydimethylsiloxane (hereinafter abbreviated as PDMS, Anal. Chem., Vol. 69, ρ 345 3457, 1997), acryl-based resin 11 & 1.6111. 01.69.2626, 1997), polymethyl Methacrylate (hereinafter abbreviated as PMMA, Anal. Chem., Vol. 69, pp. 4783, 1997) or the like is used. First, a mold to be used for the mask is prepared by etching the silicon wafer. A polymer in solution is poured into this to transfer the structure and solidify the polymer. General flow path Each of these can be several tens of meters in depth, 10-100〃ηι in width, and the effective analysis length can be several tens of cm. If PDMS is used as a material, the channel can be easily sealed by natural adsorption to glass or a PDMS substrate. The temperature required for sealing is 105 ° C for bonding with glass and 108 ° C for PDMS, much lower than the bonding temperature required for glass substrates. It has already been confirmed that electrophoretic separation of DNA fragments and the like is possible within the microchannels created in this way. Microchannels using polymers are advantageous in terms of cost because they can be easily mass-produced (Bunseki August 1998, p.608-609). Also, the depth of the microchannel can be made larger than glass that is difficult to mold by etching.
ポリマーの他に感光性ガラスのエッチングにより流路を形成する技術も公知で ある。 感光性ガラスは、 金属イオンを増感剤とともに加えて溶解した珪酸塩ガラ スである。 紫外線に感光して加熱現像処理により金属コロイ ドを生じ、 このコロ ィ ドを核として結晶が成長する。 この結晶が酸に溶けやすいことから、 酸処理に よりエッチング加工が可能となる。 流路断面にテーパを設けたり、 あるいは平面 的にも微細で複雑な形状に対応できる。 この加工技術を利用して、 マイクロチヤ ンネルの作成を行っても良い。  A technique for forming a flow path by etching a photosensitive glass in addition to the polymer is also known. Photosensitive glass is silicate glass in which metal ions are added and dissolved together with a sensitizer. Exposure to ultraviolet light causes heat development to generate metal colloids, and crystals grow using the colloids as nuclei. Since these crystals are easily dissolved in an acid, etching can be performed by the acid treatment. A taper can be provided in the cross section of the flow path, or a fine and complicated shape can be accommodated in a plane. Microchannels may be created using this processing technology.
この他、 光硬化樹脂を利用した光造形技術によってマイクロチャンネルを形成 することもできる。 光造形技術によればセンサ一上に泳動路を直接形成すること ができる。光造形技術は、 目的とする構造を何層にもスライスした形状を想定し、 各層を光照射によって形成するとともに順次積み重ねることによつて構造全体を 完成させる技術である。 スライスした形状に沿って光を照射する工程は、 コンビ ユー夕一制御によって自動化することができる。 光造形法には、 樹脂槽の上方か らレーザ光を照射し、 上下方向に移動可能なステージ上に構造を積層する自由液 面法と、 樹脂槽の下方からレーザ光を照射し、 樹脂槽底部に取り付けた石英ガラ ス板とステージ間で各スライス層を形成および積層する規制液面法がある。 しか しながら、 これら一般的な光造形法では、 中空部である流路内壁表面の形成時に 樹脂面が非規制状態となるため、 光学測定には不向きな粗く透明度の低い面が形 成されてしまう。 しかし、 規制液面法において、 上下方向に移動可能なステージ に加え、 中空部作製時に液面状態を制御するための規制板を用いることにより、 表面が滑らかで透明度に優れた流路内面を作製することができる。光造形技術は、 射出成型やエッチングといった従来の成型技術では原理上不可能な形状も自在に 形成することができる。 さらに、 光造形技術によればセンサーと泳動路の距離を 容易に短くすることができる。 In addition, micro channels can be formed by stereolithography using a photocurable resin. According to the stereolithography technology, the migration path can be formed directly on the sensor. Stereolithography is a technology that assumes a shape in which the target structure is sliced into multiple layers, forms each layer by irradiating light, and sequentially stacks the layers to complete the entire structure. The process of irradiating the light along the sliced shape can be automated by the combination control. Laser lithography involves irradiating a laser beam from above the resin tank and stacking the structure on a vertically movable stage, or irradiating the laser beam from below the resin tank. There is a regulated liquid surface method in which each slice layer is formed and laminated between the quartz glass plate attached to the bottom and the stage. Only However, in these general stereolithography methods, the resin surface is in an unregulated state when forming the inner surface of the channel, which is a hollow part, and a rough, low-transparency surface that is unsuitable for optical measurement is formed. . However, in the regulated liquid level method, in addition to a stage that can be moved in the vertical direction, a regulating plate for controlling the liquid level during the production of the hollow part is used to produce a smooth inner surface of the flow channel with excellent transparency. can do. Stereolithography can freely form shapes that are impossible in principle with conventional molding techniques such as injection molding and etching. Furthermore, according to the stereolithography technology, the distance between the sensor and the migration path can be easily reduced.
具体的には、 たとえば紫外線硬化性のァクリル樹脂に紫外線レーザーを照射し て泳動路を形成させる場合、 センサーと泳動路の間の距離を限りなく接近させる ことも可能である。 両者の距離が短ければ、 より鮮明なイメージと高い感度とが もたらされる。 実施例においては、 光造形技術によってセンサと泳動路の間の距 離 0 . 5纖を実現している。 しかもこれは成型技術上の制限ではなく、 単に他の 部品との位置関係に基づいて設定された数値である。 したがって、 原理的には更 にセンサ一と泳動路の距離を短くすることも可能である。  Specifically, for example, when an ultraviolet curable acryl resin is irradiated with an ultraviolet laser to form a migration path, the distance between the sensor and the migration path can be made as close as possible. Shorter distances result in sharper images and higher sensitivity. In the embodiment, the distance between the sensor and the migration path is 0.5 Fiber by the stereolithography technique. Moreover, this is not a limitation in molding technology, but a value set based on the positional relationship with other parts. Therefore, in principle, it is possible to further shorten the distance between the sensor and the migration path.
マイクロチャンネルの深さは、 光路長を決める重要な要素である。 ポリマーを 素材とすることで、 50- 100 /mの光路長を容易に実現できる。 光路長がこの範囲 よりも短い場合には、 特に吸光度測定の場合に十分なシグナル強度を期待できな くなる。 一方、 100〃m以上のときには、 泳動路の深さが大きくなることによって 場合により分離能がかえって低下する恐れが生じる。 したがって、前記 50- 100/ m、特に 70〃m前後という光路長は、特に吸光度をシグナルとするときに望ましい 光路長である。 平面基板上のマイクロチャンネルを利用した電気泳動に関するほ とんどの報告において、 検出は励起用レーザと光電子増倍管を用いた蛍光測定に より行われている。 公知の平面基板上マイクロチャンネルを用いた電気泳動に関 する研究ではチャンネルがそれほど深くないために (したがって検出限界濃度 C が大きくなり) 吸光測定は困難である。 これに対して本発明の望ましい態様であ る 70Adm程度の深さを備えたマイクロチャンネルを用いれば、 実用的な感度を持 つた電気泳動システムの提供が可能となる。実際に市販されている装置では 70〃 m程度の内径のキヤビラリを用いて吸光測定をおこなっている。 以下に吸光測定 における光路長の影響について詳細に述べる。 The depth of the microchannel is an important factor in determining the optical path length. By using a polymer as a material, an optical path length of 50-100 / m can be easily realized. If the optical path length is shorter than this range, sufficient signal intensity cannot be expected especially in the case of absorbance measurement. On the other hand, when the diameter is 100 m or more, the separation ability may be reduced in some cases due to an increase in the depth of the migration path. Therefore, the optical path length of 50-100 / m, especially around 70 μm is a desirable optical path length particularly when the absorbance is used as a signal. In most reports on electrophoresis using microchannels on a flat substrate, detection is performed by fluorescence measurement using an excitation laser and a photomultiplier tube. In studies of electrophoresis using microchannels on known flat substrates, absorption measurements are difficult because the channels are not so deep (thus increasing the detection limit concentration C). On the other hand, in a desirable mode of the present invention, The use of microchannels with a depth of about 70Adm makes it possible to provide electrophoresis systems with practical sensitivity. In a commercially available device, absorption measurement is performed using a cavity with an inner diameter of about 70 mm. The effect of the optical path length on the absorbance measurement is described below in detail.
まず、 吸光度 Aは式 2のように定義される。  First, absorbance A is defined as in Equation 2.
(式 2)  (Equation 2)
A-sCl— lnIout A-sCl— ln Iout
I in ここで、 iin、 および i。utは、 それぞれサンプルへの入射光量およびサンプルか らの出射光量、 £はモル吸光係数、 Cはモル濃度、 1は光路長である。吸光度が小 さいとき、 入射光量に対するサンプルの吸収量の比は式 3で説明できる。 I in where i in , and i. ut is the amount of light incident on and out of the sample, respectively, £ is the molar extinction coefficient, C is the molar concentration, and 1 is the optical path length. When the absorbance is low, the ratio of the amount of sample absorbed to the amount of incident light can be described by Equation 3.
(式 3) r 一  (Equation 3)
in out m m (exp(-A)) in一 " 一 A^eCl m m in 検出限界は、 検出器の分解能により決まる。 たとえば IVが最大振幅であり、 lmVが最小分解能である検出器を用いたとき(十分に実現可能)には A=£C1 = 1(T3 が検出限界となる。仮に £=lxl04/Mcm、 1二 70〃mとしたときの検出限界濃度は式 4で求めることができる。 in out mm (exp (-A)) in 1 "1 A ^ eCl mm in The detection limit is determined by the resolution of the detector. For example, when using a detector with IV of maximum amplitude and lmV of minimum resolution a = £ C1 = 1 (T 3 is the detection limit for (fully feasible). If £ = lxl0 4 / Mcm, 1 detection limit concentration when a two 70〃M is be found from equation 4 it can.
(式 4)
Figure imgf000012_0001
モル吸光係数、 キヤビラリ内径にもよるが、 この性能は市販装置の検出限界能 と比較して遜色は無く、 十分実用に応用できる性能である。 しかしガラスを深く エッチングするのは時間がかかるため、 一般的には光路長を 10〃m程度としてい る。 このような短い光路長では、 光学的な吸収量はごくわずかであり吸光測定は 困難で、 蛍光測定や発光測定としなければ十分なシグナル強度を得ることはでき ない。
(Equation 4)
Figure imgf000012_0001
Depending on the molar extinction coefficient and the inside diameter of the capillary, this performance is the detection limit of a commercially available device. There is no inferiority to that, and it is a performance that can be applied practically enough. However, since deep etching of glass takes time, the optical path length is generally set to about 10 m. With such a short optical path length, the amount of optical absorption is very small and absorbance measurement is difficult, and sufficient signal intensity cannot be obtained unless fluorescence or luminescence measurement is performed.
更にポリマーを素材とすることで、 光路を遮る面を平面とすることができる。 ポリマーを素材とすれば、 通常はたとえば泳動路の断面が四角形となり必然的に 光路を遮る面は平面となる。 したがって円形のキヤビラリで生じる光の散乱等の 問題が軽減され、 検出能力の向上も期待できる。  Furthermore, by using a polymer as a material, the surface that blocks the optical path can be made flat. When a polymer is used as a material, for example, the cross section of the migration path is usually rectangular, and the plane that necessarily blocks the optical path is necessarily flat. Therefore, problems such as light scattering caused by circular cavities are reduced, and improvement in detection capability can be expected.
本発明の特に望ましい態様によれば、 実施例にも示したように、 電気泳動ュニ ットであるマイクロチャンネルを光学的センサーアレイのすぐ上に接近させて配 置することによって、 集光のための光学系を不要とすることができる。 市販装置 は検出窓 (0.2から 0. 8腦程度) を設けているが、 センサを流路に沿って配置し た構成ではセンサの大きさ自体がこの検出窓に相当する。 これは数 10〃m程度に なるが、 上の式からもわかるように検出分解能は光路長により決定され水平方向 の広がりには依存しないためアレイ型構成で電気泳動を行いながらシグナルを検 出する事に関して特に問題はない。 本発明において、 光学系を不要とすることが できる条件について以下に述べる。  According to a particularly preferred embodiment of the present invention, as shown in the examples, the microchannel, which is an electrophoresis unit, is placed in close proximity directly above the optical sensor array, thereby collecting light. Optical system is not required. Although commercially available equipment is provided with a detection window (about 0.2 to 0.8 cm), the size of the sensor itself corresponds to this detection window when the sensor is arranged along the flow path. This is about several tens of micrometers, but as can be seen from the above equation, the detection resolution is determined by the optical path length and does not depend on the horizontal spread, so signals are detected while performing electrophoresis in an array configuration. There is no problem in particular. In the present invention, conditions under which the optical system can be eliminated will be described below.
特に実施例に示したような泳動路が並列して配置された構造を持つ泳動路にお いては、 隣接する電気泳動路からの光学的なシグナルを拾わないようにしなけれ ば高精度な分析を達成できない。 すなわち、 1つの検知素子が 1つの泳動路から のシグナルを検知する構成が必要である。 また泳動路と泳動路の間を通過してく る光の影響も避ける必要がある。 このような場合、 通常は集光のための光学系が 採用されるが、 本発明においては検知素子と泳動路とを接近させることによって 光学系を省くことが可能となる。 本発明において、 検知素子と泳動路の距離は、 通常 1 . 5匪 以下、 好ましくは 0 . 1 〜 1 . 0廳、 より好ましくは 0 . 1 〜 0 . 5 mmとすることにより高精度な分析結果を期待できる。 0 . 1 mm以下に接近させる ことにより、 光学的にはより望ましい状態とすることができるが、 泳動路を構成 する素材によっては絶縁崩壊を生じる可能性がある。 Particularly in a migration path having a structure in which migration paths are arranged in parallel as shown in the examples, high-precision analysis can be performed unless optical signals from adjacent electrophoresis paths are picked up. I can't achieve it. That is, a configuration is required in which one detection element detects a signal from one migration path. It is also necessary to avoid the effect of light passing between the migration paths. In such a case, an optical system for condensing light is usually adopted, but in the present invention, the optical system can be omitted by bringing the detection element and the migration path close to each other. In the present invention, the distance between the detection element and the migration path is usually 1.5 band or less, preferably from 0.1 to 1.0, and more preferably from 0.1 to 0.5. By setting mm, highly accurate analysis results can be expected. By bringing it closer to 0.1 mm or less, a more optically desirable state can be obtained, but insulation breakdown may occur depending on the material constituting the migration path.
泳動路が並列に配置されているときの光学測定上の問題は、 大きく分けて回析 と屈折である。開口を通過する光はフレンネル回析現象によって広がる。つまり、 泳動路を通過した光は、 検知素子にたどり着く前に広がる。 また液体/樹脂/空 気といった屈折率が異なった媒体を通過する光は、 それぞれの界面で屈折する。 検知素子面が光に対して垂直でない場合には、 拾うべきでないシグナルに反応し てしまう危険性につながりかねない。 したがって、 泳動路と検知素子をできるだ け接近させ、 かつ検知素子の大きさを小さくすれば、 隣接する泳動路からのシグ ナルの影響を受けず、 1つの泳動路のシグナルのみを拾う構成とすることができ る。 すなわち、 泳動路の複数の場所に配置された複数の検知素子は、 個々の検知 素子をそれそれ 1つの泳動路からのシグナルに対応させるのが、 本発明の望まし い態様である。 泳動路を構成する素材によって屈折率が異なるので一般的な数値 を示すことに意味は無いが、 たとえば電気泳動ュニットに検知素子が密着した構 造は、 光学系を省略する場合には理想的な構造ということができる。 また検知素 子の大きさも種々の条件の影響を受けるが、 泳動路に対して検知素子を近づける ほど、 泳動路の幅に近い大きさの検知素子を利用することができる。 逆に泳動路 から離れるほど、 泳動路以外の部分から屈折、 あるいは回析してきた光を拾いや すくなるので、検知素子の大きさを泳動路の幅に対して小さくするのが望ましい。 なお、 検知素子に電荷積分型センサを用いれば、 面積の縮小が感度の低下につな がる恐れは無い。  The problems in optical measurement when the migration paths are arranged in parallel are roughly divided into diffraction and refraction. Light passing through the aperture spreads due to the Fresnel diffraction phenomenon. In other words, the light that has passed through the migration path spreads before reaching the detection element. Light passing through a medium having a different refractive index such as liquid / resin / air is refracted at each interface. If the detector surface is not perpendicular to the light, it can lead to a risk of reacting to signals that should not be picked up. Therefore, if the migration path and the detection element are as close as possible and the size of the detection element is reduced, the configuration is such that the signal from the adjacent migration path is not affected and only the signal of one migration path is picked up. can do. That is, it is a desirable embodiment of the present invention that the plurality of sensing elements arranged at a plurality of locations on the migration path make each detection element correspond to a signal from one migration path. It is meaningless to indicate a general value because the refractive index differs depending on the material constituting the migration path.However, for example, a structure in which the detection element is in close contact with the electrophoresis unit is ideal when the optical system is omitted. It can be called a structure. The size of the sensing element is also affected by various conditions, but the closer the sensing element is to the migration path, the more the sensing element can be used, the closer to the width of the migration path. Conversely, the further away from the migration path, the easier it is to pick up light that has been refracted or diffracted from portions other than the migration path, so it is desirable to reduce the size of the sensing element with respect to the width of the migration path. If a charge integration type sensor is used as the detection element, there is no danger that a reduction in area will lead to a decrease in sensitivity.
回析による光の広がりは、 フレンネル近似により回析パターンを予測すること ができる。 屈折については、 光が通過する媒体の屈折率と光の入射角から算出す ることができる。 これらの数値から、 泳動路と検知素子との距離、 あるいは検知 素子の大きさなどの条件を適宜調整すれば、 光学系の無い状態でも十分に実用的 なレベルで感度や精度を達成することが可能となる。 The spread of light due to diffraction can be predicted by a Fresnel approximation. Refraction can be calculated from the refractive index of the medium through which the light passes and the angle of incidence of the light. From these numerical values, if conditions such as the distance between the migration path and the detection element or the size of the detection element are appropriately adjusted, it is sufficiently practical even without an optical system. It is possible to achieve sensitivity and accuracy at an appropriate level.
ところで、 光学的センサ一アレイのように、 平面的に多くの検知素子を配置し たセンサーを採用するときには、 これを構成するすべての検知素子が泳動路に対 応する必要は無い。 このような態様においては、 泳動路に対応する検知素子のシ グナルのみを選択的に収集するようにすれば、 結果的に理想的な検知機構を実現 することができる。  By the way, when a sensor having a large number of sensing elements arranged in a plane, such as an optical sensor array, is used, it is not necessary that all the sensing elements constituting the sensor correspond to the migration path. In such an embodiment, by selectively collecting only the signals of the detection elements corresponding to the migration path, an ideal detection mechanism can be realized as a result.
本発明においては、 分析対象物質に由来するシグナルを検知するための複数の センサーを泳動路に沿って配置する必要がある。 しかも本発明を構成するセンサ 一は、 電気泳動中にシグナルの検知が可能なものとしなければならない。 本発明 において、 泳動路に沿つて配置するとは、 電気泳動ュニット中で電気泳動によつ て分析対象物質が移動する可能性のある領域に対して、 その複数の位置で前記物 質のシグナルを検知することができるようにセンサ一を配置することを意味する。 分析対象物質が移動する可能性のある領域は、 たとえば泳動路の全体となるが、 本発明においては必ずしも泳動路の全てをカバーできるようにセンサーを配置す る必要は無い。 少なくとも任意の複数の位置にセンサーを配置すれば良い。 ただ し、 後に述べるように、 緻密に配置されたセンサー素子からなる光学的センサ一 アレイのような、泳動路の全体に対応してセンサ一素子を配置できる構成は、様々 な点で有利な態様である。  In the present invention, it is necessary to arrange a plurality of sensors for detecting a signal derived from the substance to be analyzed along the migration path. Moreover, the sensor constituting the present invention must be capable of detecting a signal during electrophoresis. In the present invention, arranging along an electrophoresis path means that a signal of the substance is transferred at a plurality of positions to a region in the electrophoresis unit where an analyte may move by electrophoresis. This means that the sensors are arranged so that they can be detected. The region where the substance to be analyzed may move is, for example, the entire migration path, but in the present invention, it is not necessary to arrange the sensor so as to cover the entire migration path. At least a plurality of sensors may be arranged at arbitrary positions. However, as will be described later, a configuration in which a sensor element can be arranged corresponding to the entire migration path, such as an optical sensor array composed of densely arranged sensor elements, is advantageous in various points. It is.
更に、 本発明において電気泳動中にシグナルの検知が可能なものとは、 電気泳 動の進行中であっても任意のタイミングで任意の場所でシグナルの検知を行いう るセンサーを意味する。 前記シグナルは、 分析対象物質の指標となるものであれ ばどのようなものであっても利用することができる。 具体的には、 光学的シグナ ルが一般的であるが、 放射活性や磁気的な活性を指標とできる場合もある。 光学 的シグナルには、 特定の波長における吸光度、 屈折率、 蛍光や発光といったもの が含まれる。 これらのシグナルを検知するセンサ一は公知である。 たとえば光学 的シグナルを検知するのであれば、 フォトダイオードゃフォトトランジスタ等が 利用できる。 複数のセンサ一を前記泳動路に沿って配置するには、 予め複数のセ ンサ一を並べた状態のものを電気泳動ュニットに対してアセンブルすると良い。 この構成を実現するために、 光学センサーアレイの利用が好ましい。 光学セン サ一アレイは、 光学的なシグナルの変化を電気的な信号の変化として取り出すこ とができるセンサ一素子 (フォトトランジスタ等) を 2次元的に配列させた構造 を持った電子部品である。 個々のセンサ一素子は独立してシグナルを検知するの で、 得られた信号をその位置情報と対比させれば、 どの位置でシグナルを検知し たのかを知ることができる。 なお、 本発明によって取得することができる泳動中 のシグナル強度とそれを検知した位置情報との対応関係を、 本発明ではイメージ と言う。 イメージには、 更に時間的なシグナル強度の推移の情報を重ねて、 たと えば図 1 2に示したようなグラフに表示することもできる。 Further, in the present invention, a sensor capable of detecting a signal during electrophoresis means a sensor capable of detecting a signal at an arbitrary timing and at an arbitrary place even during electrophoresis. Any kind of signal can be used as long as it serves as an indicator of the substance to be analyzed. Specifically, optical signals are generally used, but in some cases, radioactivity or magnetic activity can be used as an index. Optical signals include such things as absorbance at a particular wavelength, refractive index, fluorescence and luminescence. Sensors for detecting these signals are known. For example, to detect optical signals, photodiodes and phototransistors Available. In order to arrange a plurality of sensors along the migration path, it is preferable to assemble a plurality of sensors arranged in advance in the electrophoresis unit. In order to realize this configuration, it is preferable to use an optical sensor array. An optical sensor array is an electronic component that has a structure in which a sensor element (such as a phototransistor) that can extract changes in optical signals as changes in electrical signals is two-dimensionally arranged. . Since each sensor element detects a signal independently, by comparing the obtained signal with its position information, it is possible to know at which position the signal was detected. In the present invention, the correspondence between the signal intensity during electrophoresis that can be obtained by the present invention and the position information at which the signal intensity is detected is referred to as an image in the present invention. The image can be further superimposed with information on the transition of the signal intensity over time, and displayed on a graph, for example, as shown in FIG.
本発明に用いる光学センサーアレイを構成するセンサ一素子をより微細なもの とし、 小さな面積に集積すれば、 光学的センサーアレイ全体をマイクロチップ化 することができる。  If the sensor elements constituting the optical sensor array used in the present invention are made finer and integrated in a small area, the entire optical sensor array can be formed into a microchip.
このような電子部品は、 CCD(Charged Coupled Device)や CMOS(Complymentary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等として商業的に供給されている。 CCD は、 半導体イメージセンサなどとも呼ばれ、 ビデオカメラにも利用されてい るイメージセンサの主流である。一方 CMOSイメージセンサは、 フォトダイオード の出力信号により寄生容量を一定時間放電してから読み出す。 感度の調整が可能 で、 消費電力が小さい、 センサ一素子のみならず周辺回路も含めて集積化できる といった特徴を持ち、 新しいイメージセンサとして注目されている。 これらのデ バイスの中から、 検知すべきシグナル、 感度、 集積度、 あるいは大きさといった 条件を勘案して適宜選択する。 すなわち、 組み合わせるべき電気泳動ユニットの 分析対象物質が泳動される経路に沿った位置にセンサ素子を配置可能な形状を持 ち、 分析対象物質に起因するシグナルを適切な感度で検知しうる性能を備えた光 学的センサ一アレイを選べば良い。 たとえば、 図 1に示したような、 矩形状に構 成したマイクロチャンネルを電気泳動ュニットに利用する場合、 マイクロチャン ネルをある程度の解像度で観察することができるようにセンサ一素子を配置する のが望ましい。 このとき、 センサー素子がマイクロチャンネルに対してより緻密 に配置されていれば、両者の位置関係を厳密に規定する必要は無い。なぜならば、 センサ一素子が並んだ一定の区域の中に泳動路が位置する限り、 必ずいずれかの センサー素子で捕捉することができるからである。 緻密にセンサ一素子を配置し たセンサ一アレイを利用することにより、 電気泳動ュニットとの位置合わせには 厳密さが要求されないシステムとすることができる。 このようなシステムでは、 電気泳動ュニットのみの交換も容易に実施できるので有利である。 Such electronic parts are commercially supplied as CCD (Charged Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors, and the like. CCDs, also called semiconductor image sensors, are the mainstream image sensors used in video cameras. On the other hand, the CMOS image sensor discharges the parasitic capacitance for a certain period of time based on the output signal of the photodiode, and then reads it. It has features such as sensitivity adjustment, low power consumption, and integration not only for one sensor element but also for peripheral circuits, and is attracting attention as a new image sensor. From these devices, select as appropriate, taking into account conditions such as the signal to be detected, sensitivity, degree of integration, or size. In other words, the electrophoresis unit to be combined has a shape that allows the sensor element to be arranged at a position along the path where the analyte is migrated, and has the ability to detect signals originating from the analyte with appropriate sensitivity. It is sufficient to select an optical sensor array. For example, as shown in Fig. 1, When the formed microchannel is used for an electrophoresis unit, it is desirable to arrange one sensor element so that the microchannel can be observed with a certain resolution. At this time, if the sensor elements are more precisely arranged with respect to the microchannel, there is no need to strictly define the positional relationship between the two. This is because as long as the migration path is located in a certain area where one sensor element is arranged, it can be captured by any one of the sensor elements. By using a sensor array in which sensor elements are precisely arranged, a system that does not require strict alignment with the electrophoresis unit can be realized. Such a system is advantageous because the electrophoretic unit alone can be easily replaced.
たとえば蛍光シグナルを検知する場合、 センサ一素子としてフォト トランジス 夕を配置した光学センサーァレィを利用し、 励起光は特定の波長を持った光源か ら導く。 励起光の照射は、 光学的センサーアレイの全体を同時に照射しても良い し、 あるいは点状や線状の光源で走査する方式を採用することもできる。 あるい は特定の波長における吸光度をシグナルとすれば、 やはり特定の波長の光を照射 し、 その吸収をセンサ一素子によって検知する。  For example, when detecting a fluorescence signal, an optical sensor array with a phototransistor is used as one sensor element, and the excitation light is guided from a light source having a specific wavelength. The irradiation of the excitation light may be performed by irradiating the entire optical sensor array at the same time, or a method of scanning with a point-like or linear light source may be employed. Alternatively, if the absorbance at a specific wavelength is used as the signal, the light is also emitted at a specific wavelength, and the absorption is detected by a single sensor element.
光学的センサ一アレイを利用することにより、 個々のセンサー素子の相対的な 位置関係は厳密に一定に維持することができる。 光学的センサーアレイ上のセン サ一素子は、 基板上に固着されているからである。 また光学的センサ一アレイは 大量生産が可能な電子部品であることからコストを低く押さえられる。 したがつ て、 多くのセンサーを利用する場合でも経済的である。  By using an optical sensor array, the relative positional relationship between the individual sensor elements can be kept strictly constant. This is because the sensor element on the optical sensor array is fixed on the substrate. Optical sensors and arrays are electronic components that can be mass-produced, so costs can be kept low. Therefore, it is economical to use many sensors.
光学的な検出方法の他には、 熱光学的検出、 電気化学的検出、 あるいは電気伝 導度検出等も応用することができる。 熱光学的検出は、 レーザを試料成分に照射 すると成分付近の温度が局部的に上昇して屈折率が変化する現象を測定に応用し たものである。 屈折率の変化は別のレーザ一で検知することができる。 電気化学 的検出は、 2つの電極を用いて電気分解をおこさせ、 このときの酸化電流、 ある いは還元電流に基づいて分析対象成分を測定する。 電気伝導度検出では、 キヤピ ラリ内に 2つの電極を配置し、 電極間の電気抵抗、 すなわち試料の電気伝導度を 測定する。 試料成分がイオン性であれば電気伝導度はイオンの濃度に比例する。 本発明の好ましい態様においては、 前記電気泳動ユニットと、 複数のセンサー とが一体化される。 本発明における一体化とは、 両者の相対的な位置関係の固定 を意味する。この場合、検出すべきシグナルとセンサーの組み合わせにもよるが、 一般に両者をできるだけ接近させるのが、 ノイズや感度の点で有利である。 特に 光学的なシグナルを光学的センサアレイによって検出する場合には、 センサ素子 のシグナルに基づいてイメージ情報を構成する場合に、 より S/N比に優れた結果 を得ることができる。 なお、 一体化は、 少なくともセンサ一による検知が行われ るときになされれば良い。 したがって、 たとえば両者を分離可能に一体化させ、 泳動後に電気泳動ュニットのみを交換してセンサ一部分は繰り返し利用するとい つた構成とすることもできる。 In addition to the optical detection method, thermo-optical detection, electrochemical detection, or electrical conductivity detection can also be applied. Thermo-optical detection is applied to the measurement of the phenomenon that when a laser is applied to a sample component, the temperature near the component rises locally and the refractive index changes. The change in the refractive index can be detected by another laser. In electrochemical detection, electrolysis is caused using two electrodes, and the analyte is measured based on the oxidation current or reduction current. In electrical conductivity detection, Two electrodes are placed in the library, and the electrical resistance between the electrodes, that is, the electrical conductivity of the sample, is measured. If the sample component is ionic, the electrical conductivity is proportional to the ion concentration. In a preferred aspect of the present invention, the electrophoresis unit and a plurality of sensors are integrated. The term “integration” in the present invention means to fix the relative positional relationship between the two. In this case, depending on the combination of the signal to be detected and the sensor, it is generally advantageous to bring them as close as possible in terms of noise and sensitivity. In particular, when an optical signal is detected by an optical sensor array, a better S / N ratio can be obtained when the image information is configured based on the signal of the sensor element. The integration may be performed at least when the detection is performed by the sensor. Therefore, for example, it is also possible to adopt a configuration in which both are integrated so that they can be separated, and after electrophoresis, only the electrophoresis unit is replaced and a part of the sensor is repeatedly used.
本発明に基づいて構成された電気泳動システムには、 電気泳動分析に必要な 種々の機能を附加することができる。 たとえば電気泳動ユニットに対して、 試料 を供給する機構を装備することにより自動化が可能である。 マイクロチヤンネル のような微小な泳動路に対して試料を供給する作業を用手法で行うには、 顕微鏡 下での作業が求められる。 自動化することによりこの作業は省略しうる。 微小な 泳動路に対して試料を供給する手段としては、 たとえば電気泳動的な物質輸送技 術を採用することができる。 図 9に試料供給手段の一例を示した。 すなわち、 前 記マイクロチャンネル(分離用の電気泳動路)の任意の一部をその泳動路とする、 試料供給用の電気泳動路を構成する。 この電気泳動路の末端は、 試料を含む溶液 に接触すると同時に、 他方の末端との間に通電を行うための電極が接続されてい る。 この状態で通電すれば、 試料溶液が電気泳動的に移動を始め、 やがてマイク 口チャンネルの中に誘導される。 マイクロチャンネルの中に必要量の試料溶液を 移送したところで試料供給用の電気泳動は停止し、 マイクロチャンネル側の分離 用の電気泳動を開始すれば良いのである。 この原理に基づく試料の導入方法は、 すべての流路部をオープンにした開放系でサンプル導入をおこなうことができる (すなわち、 開閉用バルブが不要) ので、 ポンプ等の物理的な試料供給よりも高 い精度を達成できる。 Various functions required for electrophoretic analysis can be added to the electrophoresis system configured based on the present invention. For example, automation can be achieved by equipping the electrophoresis unit with a mechanism that supplies the sample. In order to perform the work of supplying a sample to a micro electrophoresis path such as a micro-channel, it is necessary to work under a microscope. This operation can be omitted by automation. As a means for supplying a sample to a microscopic migration path, for example, an electrophoretic mass transport technique can be employed. Fig. 9 shows an example of the sample supply means. In other words, an arbitrary part of the microchannel (electrophoresis path for separation) is used as an electrophoresis path to constitute a sample supply electrophoresis path. At the end of this electrophoresis path, an electrode for conducting electricity is connected to the other end while contacting the solution containing the sample. When electricity is applied in this state, the sample solution starts to move electrophoretically and is eventually guided into the microphone channel. When the required amount of sample solution has been transferred into the microchannel, electrophoresis for sample supply should be stopped and electrophoresis for separation on the microchannel side should be started. The sample introduction method based on this principle is Since sample introduction can be performed in an open system with all channels open (that is, no on-off valve is required), higher accuracy can be achieved than with a physical sample supply such as a pump.
ここに示した試料供給手段は、 前記マイクロチャンネルの任意の部分に設ける ことができる。 キヤビラリ電気泳動においてはキヤビラリの末端に試料を供給す るのが一般的であった。 しかし本発明においては、 たとえばマイクロチャンネル の中間部分に試料供給手段を設けることができる。 ここで中間部分とは、 マイク 口チャンネルの必ずしも真の中間点を意味するものではない。 真の中間点から偏 つた位置であっても、 末端でなければ中間部分と理解すべきである。 試料を中央 付近で供給し、 分析対象成分の移動を複数のセンサで検出することにより、 サン プルが正、 あるいは負のいずれに帯電していても常にセンサでの検出が可能であ る。 また、 分離度をあげるという観点からは、 なるべく電気浸透流を抑えた状態 (すなわち前記式 1におけるレを小さくした状態で) サンプルを中央から導入し て、 サンプルの電荷のみの移動に基づいて分離するという、 理想的な分析条件を 実現することができる。  The sample supply means shown here can be provided at any part of the microchannel. In capillary electrophoresis, it was common to supply the sample to the ends of the capillary. However, in the present invention, for example, a sample supply means can be provided in an intermediate portion of the microchannel. Here, the middle part does not necessarily mean the true middle point of the microphone channel. Even if the position deviates from the true midpoint, it should be understood as an intermediate part unless it is at the end. By supplying the sample near the center and detecting the movement of the analyte with multiple sensors, the sensor can always detect whether the sample is positively or negatively charged. In addition, from the viewpoint of increasing the degree of separation, a sample is introduced from the center while the electroosmotic flow is suppressed as much as possible (that is, with the value of the equation (1) reduced), and separation is performed based on the movement of only the charge of the sample. The ideal analysis conditions can be realized.
以上のような構成を持つ本発明による電気泳動システムを利用して実際に物質 を分析するには、 前記電気泳動ユニットに分析対象物質を導入し、 電気泳動しな がらそのシグナルを泳動路に沿って配置したセンサにより追跡する。 本発明によ れば、 電気泳動を行いながらセンサの出力を観察することもできるし、 あるいは その必要が無ければ電気泳動を完了した後にセンシングを行うこともできる。 本 発明においては、 電気泳動ュニッ卜に対して複数の位置で分析対象物質の検知を 行うようにしたことにより、 様々なバリエーションが可能となった。 以下に、 公 知の電気泳動システムに対して特に有利な態様を具体的に述べる。  In order to actually analyze a substance using the electrophoresis system according to the present invention having the above-described configuration, a substance to be analyzed is introduced into the electrophoresis unit, and the signal is transferred along the migration path while performing electrophoresis. Tracking with sensors placed According to the present invention, it is possible to observe the output of the sensor while performing the electrophoresis, or to perform the sensing after the electrophoresis is completed if it is not necessary. In the present invention, various variations are made possible by detecting the substance to be analyzed at a plurality of positions with respect to the electrophoresis unit. The following is a specific description of an embodiment particularly advantageous for the known electrophoresis system.
本発明において特に有利に実施することができる電気泳動分析の一つに、 等電 点電気泳動がある。 図 2としてシグナルの検知を単一のセンサーで行う従来の方 法と、 複数のセンサーを利用する本発明との比較を模式的に示した。 等電点電気 泳動は、 pH勾配の中で夕ンパク質がその電荷に応じた位置に収束する現象を利用 した分析方法である。 したがって、 原則的に電気泳動を行う前にそのタンパク質 の信号をどの位置で検知して良いのかを知ることはできない。 本発明の好ましい 態様においては、 光学センサ一アレイによって泳動路の複数の位置での監視が可 能なため、 どこに泳動されたとしても確実に信号を検知することができる。また、 電気泳動の様子を電気泳動を行いながら監視できるため、 電気泳動の終了を迅速 に判断することができるのも本発明の有利な点である。 これに対して従来の等電 点電気泳動では、 確実に等電点への収束を行わせるために十分な泳動時間を取る 必要があった。 本発明を等電点電気泳動に応用した場合のメリットとして、 泳動 開始位置を自由に選択できる点がある。 すなわち、 先に述べたマイクロチャンネ ルを電気泳動ュニットに採用した場合、その中心からでも電気泳動を開始できる。 等電点電気泳動は、 電荷が未知の物質に対して行うものなので、 電解の中心点か ら泳動を開始するのは非常に合理的である。 サンプルの中央付近からの導入方式 により、 分析対象成分の電荷を特に限定せず、 分離能の高い泳動を行うことがで きる。 One of the electrophoretic analyzes that can be particularly advantageously performed in the present invention is isoelectric focusing. FIG. 2 schematically shows a comparison between the conventional method of detecting a signal with a single sensor and the present invention using a plurality of sensors. Isoelectric point electricity Electrophoresis is an analytical method that utilizes the phenomenon in which protein is converged to a position corresponding to its charge in a pH gradient. Therefore, in principle, it is not possible to know where to detect the signal of the protein before performing electrophoresis. In a preferred embodiment of the present invention, monitoring can be performed at a plurality of positions on the migration path using an optical sensor array, so that a signal can be reliably detected regardless of where the migration is performed. Further, since the state of the electrophoresis can be monitored while performing the electrophoresis, it is an advantage of the present invention that the end of the electrophoresis can be quickly determined. In contrast, in conventional isoelectric focusing, it was necessary to take a sufficient electrophoresis time to ensure convergence to the isoelectric point. An advantage of applying the present invention to isoelectric focusing is that the electrophoresis start position can be freely selected. That is, when the above-described microchannel is employed in the electrophoresis unit, electrophoresis can be started from the center thereof. Since isoelectric focusing is performed on substances whose charge is unknown, it is very reasonable to start electrophoresis from the central point of electrolysis. The introduction method from near the center of the sample enables high resolution electrophoresis without limiting the charge of the component to be analyzed.
光学センサ一アレイが検知した信号は、 分析の目的に応じて任意の方法で処理 することができる。 たとえばマイクロチャンネル内における、 分析対象成分の移 動度を標準試料と比較することにより物質の同定が行われ、 そのシグナル強度に 基づいて定量的な数値を得ることができる。 定量的な数値を求める場合には、 シ グナル強度のみならずシグナルの得られた面積情報も反映させる。 複数のセンサ 一素子のデータを電気泳動中でも集めることができる本発明によれば、 面積情報 の収集が容易である。  The signals detected by the optical sensor array can be processed in any manner depending on the purpose of the analysis. For example, a substance is identified by comparing the mobility of a component to be analyzed in a microchannel with a standard sample, and a quantitative value can be obtained based on the signal intensity. When obtaining a quantitative value, reflect not only the signal intensity but also the area information where the signal was obtained. According to the present invention in which data of a plurality of sensors can be collected even during electrophoresis, it is easy to collect area information.
図 1に、 本発明の好ましい実施態様を示した。 以下に、 この図に基づいて本発 明の実施の形態を具体的に説明する。図 1は、光学的センサーアレイ(1 )とマイク 口チャンネルを利用した電気泳動ュニット(2)とを組み合わせた本発明による電 気泳動システムを示している。 両者は、 相互の位置関係を固定することが可能な 手段により一体化することができる。前記前記電気泳動ュニッ卜(2 )の上には、マ イク口チャンネルによる 1本の泳動路(3 )が矩形状に設置されており、 1本の連続 した泳動路を構成している。光学的センサ一アレイ(1 )を構成する個々の光学セン サー素子は、 基板の上に固着されており、 互いに独立してセンサ一素子の位置に おける光学的シグナルに応じた信号を出力する。 光学センサ一アレイは、 その表 面に固着した光学センサ一素子が前記泳動路 ( 3)の折り返し間隔に沿って並んで おり、複数の部位においてその光学的なシグナルを検出できるように配置される。 一方、 泳動路 ( 3 )の末端は緩衝液槽 (4)に連絡し、 緩衝液槽 (4)には電源 (5 )に接 続された電極 (6 )が浸漬されている。 更に、 この泳動路 (3 )には、 電気泳動を行う べき試料を導入するための、サンプル導入手段 ( 7)が接続されている。サンプル導 入手段 (7)は、それ自身が独立した電気泳動路を構成し、その泳動路は前記マイク 口チャンネルの泳動路の一部と重複している。サンプル導入手段(7)の末端には試 料溶液が接触しており、 通電によって、 前記マイクロチャンネルと共有している 部分まで電気泳動的に試料溶液を移動させる。 必要な量の試料の移動が完了した ら試料供給のための泳動を止め、 改めてマイクロチャンネル内における本来の電 気泳動分析を行えば良い。 電気泳動を利用した試料供給手段における一連の試料 溶液の動きは、 図 9にも示したとおりである。 なお、 このような電気泳動を利用 した送液系は、 試料の導入のみならず泳動路の洗浄にも応用することができる。 図 1に示す本発明による電気泳動システムにおいては、光学的センサアレイ(1 ) が電気泳動ュニット( 2 )と一体化することができるので、電気泳動を開始時に両者 を一体ィヒしておけば、 試料の分離状況を電気泳動中でも光学的に追跡することが できる。 分離の状況を観察し、 電気泳動分離が終了したと判断されれば直ちに停 止するといつた利用形態が可能である。 確実な分離を期待して長時間の電気泳動 分離を行う必要はない。 あるいは、 電気泳動時間の超過により、 一部のバンドが 泳動路の末端まで移動してしまい分離不能になるといったトラブルの防止にもつ ながる。 本発明による電気泳動システム、 あるいは電気泳動分析方法は、 汎用の電気泳 動分析技術として広い範囲において応用することができる。 中でも、 安価に多量 の検体を迅速に処理しなければならない場合には特に有効である。 たとえば、 糖 尿病の診断指標である血液中の糖ィ匕ヘモグロビン (HbAlc)の分析は、高齢化社会を 迎えて病態管理ゃスクリーニングのために多くの検体の処理が必要となることが 予想される分析項目である。 糖化ヘモグロビンを高い精度で分析するには、 現状 では液体クロマトグラフィーや電気泳動分析が必要とされていることから、 その 分析を安価に、 しかも迅速に行うことができる本発明の電気泳動システムは有用 である。 より具体的には、 微量採血デバイスにより被験者からごく微量の血液を 採取し、 これを溶血緩衝液と混合して電気泳動分析用の試料とする。 微量の血液 は特殊な採血デバィスのみならず、 たとえばろ紙採血のような簡便な方法によつ て採取したものであってもかまわない。 得られた溶血試料を、 先に述べた電気泳 動的な試料の導入方式により、 適当な緩衝液を充填した本発明による電気泳動シ ステムのマイクロチャンネルの中に導入する。 これを電気泳動して、 糖化へモグ ロビンの分析を行う。 被検物質を追跡するシグナルは、 ヘモグロビンの吸光度と すれば良い。 電気泳動によって、 正常なヘモグロビンと糖化ヘモグロビンが分離 され、 両者の比を求めることができる。 本発明によれば、 マイクロチャンネルの 交換が可能なので、 電気泳動ュニットのみを必要に応じて交換しセンサーアレイ 部分を繰り返し利用すれば、 ランニングコストを低く押さえることができる。 図面の簡単な説明 FIG. 1 shows a preferred embodiment of the present invention. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be specifically described based on this diagram. FIG. 1 shows an electrophoresis system according to the present invention in which an optical sensor array (1) and an electrophoresis unit (2) using a microphone channel are combined. Both can fix the mutual positional relationship It can be integrated by means. On the electrophoresis unit (2), a single migration path (3) having a microphone opening channel is provided in a rectangular shape, and constitutes one continuous migration path. The individual optical sensor elements constituting the optical sensor array (1) are fixed on a substrate and output signals corresponding to the optical signals at the positions of the sensor elements independently of each other. In the optical sensor array, the optical sensor elements fixed to the surface are arranged along the turn-back interval of the migration path (3), and are arranged so that the optical signals can be detected at a plurality of sites. . On the other hand, the end of the electrophoresis path (3) is connected to a buffer solution tank (4), and an electrode (6) connected to a power supply (5) is immersed in the buffer solution tank (4). Further, a sample introduction means (7) for introducing a sample to be subjected to electrophoresis is connected to the migration path (3). The sample introduction means (7) itself constitutes an independent electrophoresis path, and the migration path overlaps a part of the migration path of the microphone channel. A sample solution is in contact with the end of the sample introduction means (7), and the sample solution is electrophoretically moved to a portion shared with the microchannel by energization. When the transfer of the required amount of sample is completed, the electrophoresis for supplying the sample is stopped, and the original electrophoretic analysis in the microchannel may be performed again. The movement of a series of sample solutions in the sample supply means using electrophoresis is as shown in FIG. In addition, such a liquid feeding system using electrophoresis can be applied not only to the introduction of the sample but also to the washing of the migration path. In the electrophoresis system according to the present invention shown in FIG. 1, the optical sensor array (1) can be integrated with the electrophoresis unit (2). Also, the separation state of the sample can be optically tracked during electrophoresis. By observing the state of the separation and judging that the electrophoretic separation has been completed, it is possible to use it immediately by stopping it. There is no need to perform long-term electrophoretic separations in order to ensure reliable separation. Or, it may prevent the trouble that some bands move to the end of the electrophoresis path and become inseparable due to excessive electrophoresis time. The electrophoresis system or the electrophoresis analysis method according to the present invention can be applied in a wide range as a general-purpose electrophoresis analysis technique. In particular, it is particularly effective when a large number of samples must be processed quickly and inexpensively. For example, the analysis of glucose in hemoglobin (HbAlc) in blood, which is a diagnostic indicator for diabetes, is expected to require a large number of samples for disease management and screening in an aging society. Analysis item. At present, liquid chromatography and electrophoresis analysis are required to analyze glycated hemoglobin with high accuracy.The electrophoresis system of the present invention, which can perform the analysis at low cost and quickly, is useful. It is. More specifically, a very small amount of blood is collected from a subject using a micro blood collection device and mixed with a hemolysis buffer to prepare a sample for electrophoretic analysis. The trace amount of blood may be collected not only by a special blood sampling device but also by a simple method such as filter paper blood sampling. The obtained hemolyzed sample is introduced into the microchannel of the electrophoresis system according to the present invention, which is filled with an appropriate buffer, by the above-described electrophoretic sample introduction method. This is electrophoresed and analyzed for saccharified mogrobin. The signal that tracks the analyte can be the hemoglobin absorbance. By electrophoresis, normal hemoglobin and glycated hemoglobin are separated, and the ratio between them can be determined. According to the present invention, since the microchannel can be replaced, the running cost can be reduced by replacing only the electrophoresis unit as needed and repeatedly using the sensor array portion. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明による一体化マイクロ電気泳動システムの実施態様を示す斜視 図である。 光学センサ一アレイ(1 )に、 電気泳動ユニット(2)を一体化している。 図 2は、 本発明により複数のセンサ一を組み合わせることで期待できるメリヅ 卜を示す模式図である。  FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the integrated micro electrophoresis system according to the present invention. The electrophoresis unit (2) is integrated with the optical sensor array (1). FIG. 2 is a schematic diagram showing advantages that can be expected by combining a plurality of sensors according to the present invention.
図 3は、 キヤビラリ電気泳動の原理を示す模式図である。 図 4は、 本発明による一体型マイクロ電気泳動システムの写真である。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the principle of capillary electrophoresis. FIG. 4 is a photograph of the integrated microelectrophoresis system according to the present invention.
図 5は、 本発明による一体型マイクロ電気泳動システムを構成する電気泳動ュ ニットの写真とその断面図である。  FIG. 5 is a photograph of an electrophoresis unit constituting the integrated microelectrophoresis system according to the present invention and a sectional view thereof.
図 6は、 本発明による一体型マイクロ電気泳動システムを構成する光学的セン サアレイユニットと、 そのセンサー部分を拡大した写真である。  FIG. 6 is an enlarged photograph of an optical sensor array unit constituting the integrated microelectrophoresis system according to the present invention and a sensor part thereof.
図 7は、 電気泳動ユニットにホウ酸緩衝液を充填したときの、 光学的センサー アレイの出力信号から構成したイメージである。  Figure 7 is an image composed of the output signals of the optical sensor array when the electrophoresis unit was filled with borate buffer.
図 8は、 0-25mg/mL のブルーデキストランを導入したときの本発明による一体 型マイクロ電気泳動システムの出力信号の変化を示すグラフである。縦軸は、(ホ ゥ酸緩衝液を充填したときの光学的センサーアレイ全体の出力信号の平均)一(ブ ルーデキストランを充填したときの光学的センサ一アレイ全体の出力信号の平 均) fflVを、 横軸はブルーデキストラン濃度 (mg/mL)を示す。  FIG. 8 is a graph showing changes in the output signal of the integrated microelectrophoresis system according to the present invention when 0-25 mg / mL blue dextran was introduced. The vertical axis indicates (average output signal of the entire optical sensor array when filled with borate buffer) / (average output signal of the entire optical sensor array when filled with blue dextran). The horizontal axis indicates the concentration of blue dextran (mg / mL).
図 9は、 本発明による一体型マイクロ電気泳動システムに、 サンプルを電気泳 動的に導入する手順を示す模式図である。  FIG. 9 is a schematic diagram showing a procedure for electrophoretically introducing a sample into the integrated microelectrophoresis system according to the present invention.
図 1 0は、 ブル一デキストランを電気泳動したときの、 本発明による一体型マ イク口電気泳動システムの出力信号から構成したイメージの経時的変化を示す図 である。  FIG. 10 is a diagram showing a temporal change of an image formed from output signals of the integrated micro-mouth electrophoresis system according to the present invention when blue dextran is electrophoresed.
図 1 1は、 本発明による改良型電気泳動チップの構成を示す図である。 感光性 ガラスによるマイクロ流路および光センサーから構成される。  FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an improved electrophoresis chip according to the present invention. It consists of a microchannel made of photosensitive glass and an optical sensor.
図 1 2は、 ブルーデキストランを電気泳動したときの、 本発明による改良型マ イク口電気泳動システムの出力信号から構成したイメージの経時的変化を示す図 である。  FIG. 12 is a diagram showing a temporal change of an image formed from output signals of the improved micro-mouth electrophoresis system according to the present invention when blue dextran is electrophoresed.
図 1 3は、 光造形法により作製したマイクロ流路を用いた電気泳動チップの構 成を示す図である。 (a ) は流路の設計図、 (b ) は電気泳動チップの断面図であ FIG. 13 is a diagram showing a configuration of an electrophoresis chip using a microchannel manufactured by stereolithography. (A) is a design drawing of the flow channel, and (b) is a cross-sectional view of the electrophoresis chip.
^ o ^ o
図 1 4は、光造形法により作製した電気泳動チップの写真である。 (a )は全体 図、 (b ) は流路部の拡大図、 (c ) サンプルインジェクション部分の拡大図であ る。 FIG. 14 is a photograph of an electrophoresis chip produced by stereolithography. (A) is the whole FIG. 2B is an enlarged view of the flow path portion, and FIG. 2C is an enlarged view of the sample injection portion.
図 1 5は、 分子量マーカーの電気泳動の結果を示す図である。  FIG. 15 is a diagram showing the results of electrophoresis of molecular weight markers.
図 1 6は、 流路に沿って再構成した電気泳動パターンを示す図である。 横軸は ピクセル位置、 縦軸は吸光度を表す。  FIG. 16 is a diagram showing an electrophoresis pattern reconstructed along the flow channel. The horizontal axis represents the pixel position, and the vertical axis represents the absorbance.
(符号の説明)  (Explanation of code)
( 1 ) 光学的センサ一アレイ  (1) Optical sensor array
(2) 電気泳動ュニット  (2) Electrophoresis unit
( 3 ) 泳動路  (3) Electrophoresis path
(4) 緩衝液槽  (4) Buffer solution tank
(5 ) 電源  (5) Power supply
(6 ) 電極  (6) Electrode
(7) サンプル導入手段  (7) Sample introduction method
(8) 光源 発明を実施するための最良の形態  (8) Light source Best mode for carrying out the invention
以下、 実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明する。  Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples.
1 . 本発明による電気泳動分析システムの作成 1. Creation of an electrophoresis analysis system according to the present invention
図 1に示す構造を持った、 本発明による電気泳動システムを作成した。 電気泳 動ュニットとしては、 感光性ガラスのエッチングによりマイクロチャンネルを構 成した基板に、 ガラスシールを施したものを作成した。 一方、 光学的センサァレ ィは、 CMOS技術を利用して作成した。  An electrophoresis system according to the present invention having the structure shown in FIG. 1 was created. As an electric swimming unit, a substrate in which micro channels were formed by etching photosensitive glass and a glass seal was applied was created. On the other hand, the optical sensor array was created using CMOS technology.
1 - 1 . 電気泳動ュニッ ト 1-1. Electrophoresis unit
7.342腿 xl4.537mmの感光性ガラスに、 幅 70〃mx深さ 70〃mのマイクロ流路を 図 5に示すように 5. 57删 χ3.23雇の範囲で矩形状に配置した電気泳動ュニットを 作成した。 まず、 目的とする形状のパターンを露出するマスクを感光性ガラス表 面に施して紫外線を照射した。 次いで、 この感光性ガラス基板を現像 (熱処理) し、 更に紫外線に再露光した。 加熱処理により最初の紫外線照射を受けていない 部分は感光しない。 再露光したガラス基板を酸で処理して紫外線照射部分を溶解 し、 更に加熱して結晶化した。 こうして目的のパターンでマイクロチャンネルを 形成したガラス基板をガラスシールし、 加熱により一体化した。 このとき、 マイ クロチャンネルの末端部分と、 試料供給手段の末端には外部とのインターフエ一 スとしてキヤビラリを装着し、 電気泳動ユニッ トとした。 7.342 thigh A 70 流 路 mx 70〃m deep microchannel is provided on a photosensitive glass of xl4.537mm. As shown in Figure 5, we created electrophoresis units arranged in a rectangular shape within the range of 5.57 删 3.23 employment. First, a mask exposing a pattern having a desired shape was applied to the surface of the photosensitive glass, and the surface was irradiated with ultraviolet rays. Next, the photosensitive glass substrate was developed (heat treated) and re-exposed to ultraviolet rays. Areas that have not been exposed to UV light by the heat treatment are not exposed. The re-exposed glass substrate was treated with an acid to dissolve the UV-irradiated portion, and further heated to crystallize. The glass substrate on which the microchannels were formed in the desired pattern was sealed with glass and integrated by heating. At this time, a capillary was attached to the end of the microchannel and the end of the sample supply means as an interface with the outside to form an electrophoresis unit.
1 - 2 . 光学的センサアレイ 1-2. Optical sensor array
Ρ+ηρ型の光感受性フォト トランジスタ (68〃11^39 111) を、 シリコンウェハ一 上に縦横ともに 117 zm間隔で 4.6删 χ6.8腿の範囲に並べ、 30行 x48列のピクセ ルアレイからなるセンサ一部分 (図 6右) を構成した。 このセンサ一部分を更に 電源供給とシグナル出力用の端子を備えたベースチップに装着して光学的センサ アレイュニヅトとした(図 6左)。得られた光学的センサアレイュニッ卜の上に前 記電気泳動ュニッ トを載せ、接着剤で固定して本発明による電気泳動システム(図 4 ) とした。 両者の位置関係は図 5に示したようにガラス基板の厚さ 1.0腿、 セ ンサ一表面とガラス基板裏面の隙間が 0.5mmで、全体として 1.5誦の間隔がある。 また平面的に見た場合、 電気泳動ュニットのマイクロチャンネルはちょうどセン サ素子 3つおきに位置する。  A Ρ + ηρ-type photo-sensitive phototransistor (68〃11 ^ 39 111) is arranged on a silicon wafer in a range of 4.6 删 6.8 thighs at 117 zm intervals both vertically and horizontally and consists of a pixel array of 30 rows x 48 columns. A part of the sensor (Fig. 6, right) was constructed. A part of this sensor was further mounted on a base chip equipped with terminals for power supply and signal output to make an optical sensor array unit (Fig. 6, left). The electrophoresis unit was placed on the obtained optical sensor array unit and fixed with an adhesive to obtain an electrophoresis system according to the present invention (FIG. 4). As shown in Fig. 5, the positional relationship between the two is that the thickness of the glass substrate is 1.0, the gap between the sensor surface and the back of the glass substrate is 0.5 mm, and there is a total of 1.5 intervals. Also, when viewed in plan, the microchannels of the electrophoresis unit are located exactly every third sensor element.
2 . 泳動路の光学的な認識 2. Optical recognition of migration path
本発明による電気泳動システムにおいて、 シグナルの検出がどのように行われ ているのかを確認した。 まず、 キヤビラリを利用してマイクロチャンネルからな る泳動路にホウ酸緩衝液 (透明) を充填した。 電気泳動ユニットの上からハロゲ ンランプを光源 (8)としてその前面を照射し、 光学的センサ一アレイの出力信号 (mV)を記録した。 光学的センサ一アレイの出力信号から構成したイメージを図 7 に示した。 黒く見えるのが泳動路に相当する部分の信号である。 ホウ酸緩衝液は 透明だが、 泳動路の形成に伴ってガラス素材表面で光散乱が生じるために黒くな つている。 ちょうど 3つおきに黒い線が現れ、 マイクロチャンネルに対応してい る様子がよくわかる。 光学的なシグナルを泳動路の下で検知しょうとするなら、 一般的にはこの部分が暗くなるのは好ましくない。 しかし本発明においては上記 のように光学的センサ一と泳動路とが接近しているため、 レンズなどの光学部品 の助け無しでも泳動路のイメージを検知できる。 In the electrophoresis system according to the present invention, it was confirmed how a signal was detected. First, a migration path consisting of microchannels was filled with a borate buffer (transparent) using capillaries. Halogen from above the electrophoresis unit The lamp was used as a light source (8) to illuminate the front surface, and the output signal (mV) of an optical sensor array was recorded. Figure 7 shows an image composed of the output signals of one optical sensor array. The signal in the portion corresponding to the migration path is seen as black. The borate buffer is transparent, but is darkened due to light scattering on the glass material surface as the migration path is formed. Just every third black line appears, clearly showing how it corresponds to the microchannel. If you want to detect an optical signal below the migration path, it is generally not desirable for this part to be dark. However, in the present invention, since the optical sensor and the migration path are close to each other as described above, the image of the migration path can be detected without the aid of an optical component such as a lens.
なお、 光学的センサーアレイの出力信号からイメージ構成するために、 以下の ような処理を行った。 光学的センサ一アレイを構成する各ピクセルには、 光電変 換用にフォト トランジスタが配置されており、 これは入射光量に比例した電流を 出力する。 各ピクセルからの電流を順次出力するために、 X方向、 y方向それそ れにシフトレジス夕列を配置し、 常に 1つのピクセルのみが出力信号を提供する ようにした。 すなわち、 2つのシフトレジス夕列を適当なタイミングで駆動させ ることにより、 各ビクセルの信号を順番に得ることができる。 より具体的には、 この実施例で用いた光学的センサーアレイには 30行 X48列のピクセルがある。 したがって、 1行あたり 48列分の信号を得るたびに次の行に移ることを伝えるト リガ一信号を発するようにすれば良い。 得られたセンサからの電流出力を電圧に 変換した後、 センサからの制御信号に基づいて A/D変換し、 コンピュータにデ一 夕を入力して二次元データとして再構成した。  The following processing was performed to construct an image from the output signal of the optical sensor array. Each pixel in the optical sensor array is provided with a phototransistor for photoelectric conversion, which outputs a current proportional to the amount of incident light. To sequentially output the current from each pixel, a shift register array was placed in each of the X and Y directions so that only one pixel always provided an output signal. That is, by driving the two shift registers at appropriate timing, the signals of each pixel can be obtained in order. More specifically, the optical sensor array used in this example has 30 rows by 48 pixels. Therefore, each time a signal corresponding to 48 columns is obtained per row, a trigger signal indicating that a transition to the next row should be issued. After converting the obtained current output from the sensor into a voltage, A / D conversion was performed based on the control signal from the sensor, and the data was input to a computer and reconstructed as two-dimensional data.
3 . サンプル濃度とセンサー検出信号 3. Sample concentration and sensor detection signal
本発明による電気泳動システムにおいて、 ホウ酸緩衝液に代え、 モデルとして 0- 25mg/mLのブル一デキストラン (青色、 吸収極大 610nmを持つ) を泳動路に充 填し光学センサーアレイの出力信号の変化を観察した。 各濃度における光学的セ ンサ一アレイの出力信号 (mV)とホウ酸緩衝液を満たしたときの出力信号 (mV)との 差を平均し、 両者の関連をみた。 結果は図 8に示した。 ブル一デキストランの濃 度に依存して光学的センサーアレイの出力信号が変化し、 本発明による電気泳動 システムによって定量的な分析が可能なことが確認された。 In the electrophoresis system according to the present invention, as a model, instead of borate buffer, 0-25 mg / mL blue dextran (blue, having an absorption maximum of 610 nm) is charged into the electrophoresis path to change the output signal of the optical sensor array. Was observed. Optical density at each concentration The difference between the sensor array output signal (mV) and the output signal when the borate buffer was filled (mV) was averaged, and the relationship between the two was observed. The results are shown in FIG. The output signal of the optical sensor array changed depending on the concentration of blue dextran, confirming that the electrophoresis system according to the present invention enables quantitative analysis.
4 . 光学的センサ一アレイで検出したサンプルの動き 4. Sample movement detected by an optical sensor array
本発明による電気泳動システムによって、 泳動路における分析対象物質の動き を電気泳動と並行して追跡できることを確認した。 ホウ酸緩衝液を満たした泳動 路に導入したブル一デキストランを泳動し、 光学的センサーアレイの出力信号に 基づいてイメージを構成した。 ブルーデキストランは、 電気泳動的に泳動路へ導 入した。このときのサンプル導入原理を図 9に示した。すなわち、サンプル槽(ブ ルーデキストラン)一泳動路一陽極槽と連続するサンプル導入用泳動路を構成(図 9 - 1 ) し、 サンプル槽 /陽極槽間に通電してブル一デキストランを電気泳動的 に移動させ、 泳動路内に導入 (図 9— 2 ) する。 この状態で、 本来の泳動路に通 電すれば導入されたブルーデキストランは電気泳動による移動を開始する (図 9 一 3、 図 9一 4 )。 このときの出力信号の変化を 7秒間隔で記録した。  It was confirmed that the electrophoresis system according to the present invention can track the movement of the analyte in the migration path in parallel with the electrophoresis. The blue dextran introduced into the migration path filled with borate buffer was migrated, and an image was constructed based on the output signal of the optical sensor array. Blue dextran was electrophoretically introduced into the migration path. Figure 9 shows the principle of sample introduction at this time. That is, a sample introduction path is connected to the sample tank (blue dextran), one electrophoresis path and one anode tank (Fig. 9-1), and electricity is supplied between the sample tank and the anode tank to transfer the blue dextran electrophoretically. Into the electrophoresis path (Fig. 9-2). In this state, the introduced blue dextran starts to move by electrophoresis when electricity is passed through the original electrophoresis path (Figs. 9-13 and 9-14). The change of the output signal at this time was recorded at intervals of 7 seconds.
ブルーデキストランの動きに合わせて光学的センサ一アレイの出力信号から構 成したイメージを図 1 0に示した。 ブル一デキストランの位置が黒くなり、 泳動 時間に伴って移動していることが確認できた。 本発明により、 電気泳動路内の分 析対象物質の動きを同時に並行して追跡することが可能である。  FIG. 10 shows an image composed of output signals of an optical sensor array according to the movement of blue dextran. The position of blue dextran became black, and it was confirmed that it moved with the migration time. According to the present invention, the movement of a substance to be analyzed in an electrophoresis path can be simultaneously tracked in parallel.
5 . 感光性ガラスで作製したマイクロ流路を用いた電気泳動チップの改良 5. Improvement of electrophoresis chip using microchannel made of photosensitive glass
5— 1 . 感光性ガラスの改良 5-1. Improvement of photosensitive glass
流路形状は実施例 1に記載のものと同じである。 ただし、 底部のガラスの厚さ を 0.4画とした。底部のガラスを簿くしたため、流路からセンサまでの距離が 830 〃m (0.83腿)となった。作製プロセス上、 底部ガラスには流路の下に相当する部 分に白濁が見られるが、 今回、 この部分の厚さが 0.93腿から 0.33讓に減少した ためより鮮明なィメージの取得が可能となる。 The channel shape is the same as that described in the first embodiment. However, the thickness of the bottom glass was 0.4 strokes. Due to the bottom glass, the distance from the channel to the sensor was 830 m (0.83 thighs). Due to the production process, the bottom glass has There is cloudiness in the minute, but this time, the thickness of this part has been reduced from 0.93 thighs to 0.33 ridges, so that a clearer image can be obtained.
5— 2 . 光センサーアレイの改良 5-2. Improvement of optical sensor array
実施例 1で記載した光学的センサーアレイを以下のように改良した。  The optical sensor array described in Example 1 was modified as follows.
ピクセル数: 1 4 7 x 1 4 7 Number of pixels: 1 4 7 x 1 4 7
1ビクセルの大きさ : 39 /mx 39yam  The size of one pixel: 39 / mx 39yam
光電変換方式: フォトダイオードによる電荷積分方式 Photoelectric conversion method: Charge integration method using photodiode
吸光度検出限界: 0.0012 Absorbance detection limit: 0.0012
実施例 1で記載したフォトトランジスタ方式のセンサ一に比べて 1ビクセルが 小さい。 また、 ノイズを低減したことにより吸光度検出限界が小さくなつた。 こ れはフォトダイオードが光照射により生成する電流を寄生容量に蓄積する一種の 積分型の光電変換方式を用いたためである。  One pixel is smaller than the phototransistor sensor described in the first embodiment. In addition, the reduction in noise has reduced the absorbance detection limit. This is due to the use of a kind of integral type photoelectric conversion method in which the photodiode generates a current generated by light irradiation in a parasitic capacitance.
5 - 3 . 電気泳動実験 5-3. Electrophoresis experiment
感光性ガラスを用いてマイクロ流路を作製し、 それを光センサ一上に接着する ことにより一体化した電気泳動チップを作製した(図 1 1 )。この改良型電気泳動 システムにおいて、 単一物質が電気泳動により移動する様子を泳動と並行して検 知できることを確認した。サンプルとして 4.9nlのプル一デキストラン(25mg/ml) を泳動路に充填し光学センサーアレイの出力信号の変化を観察した(図 1 2 )。緩 衝液は 50mMリン酸緩衝液 (pH7)を使用した。検出波長は 620nm、印加電圧は 50V/cm で行った。  A microchannel was fabricated using photosensitive glass, and then integrated onto the optical sensor to produce an integrated electrophoresis chip (Fig. 11). In this improved electrophoresis system, it was confirmed that the movement of a single substance by electrophoresis could be detected in parallel with the electrophoresis. As a sample, 4.9 nl of pull-dextran (25 mg / ml) was filled in the migration path, and the change in the output signal of the optical sensor array was observed (FIG. 12). The buffer used was a 50 mM phosphate buffer (pH 7). The detection wavelength was 620 nm and the applied voltage was 50 V / cm.
その結果、 サンプルがスポットとして移動する様子を鮮明に検出することがで きた。 なお、 検出は吸光法を用いて行った。 移動速度は約 O. lmm/secであった。  As a result, it was possible to clearly detect the movement of the sample as a spot. The detection was performed using the absorption method. The moving speed was about 0.1 mm / sec.
6 . 光造形法により作製したマイクロ流路を用いた電気泳動システム 6 - 1 . 電気泳動チップ 6. Electrophoresis system using micro-channel fabricated by stereolithography 6-1. Electrophoresis chip
設計図を図 1 3に、 作製したチップの写真を図 1 4に示す。 光造形法とよばれ る方法 (レーザ照射および走査により、 樹脂を 1層ずつ硬化させて 3次元形状を 作製する手法、 電気加工技術 21 [68],p8-12,1997) により、 センサ一上にァクリ ル樹脂製の流路を直接作製した。 流路は、 断面形状が 100〃mx l00〃m、 有効長が 4.5cm である。 センサー上に直接作製したため、 流路とセンサー面との距離を 0.5麵 まで縮めることができた。 また、 アクリル樹脂の透明度は非常に高く良好 なイメージが期待される。 なお、 光センサ一としては 147x 147 ピクセルのセン サーを用いた。  Fig. 13 shows the design drawing and Fig. 14 shows a photograph of the fabricated chip. Using a method called stereolithography (a method of curing a resin one layer at a time by laser irradiation and scanning to create a three-dimensional shape, electric processing technology 21 [68], p8-12, 1997) A channel made of acrylic resin was directly produced. The channel has a cross section of 100〃mx 100〃m and an effective length of 4.5cm. Since it was fabricated directly on the sensor, the distance between the channel and the sensor surface could be reduced to 0.5 mm. In addition, the transparency of acrylic resin is very high, and a good image is expected. Note that a sensor of 147 × 147 pixels was used as the optical sensor.
6 - 2 . 電気泳動実験 6-2. Electrophoresis experiment
サンプルとして、 青色分子量マ一力一 2種(乳酸デヒ ドロゲナ一ゼ (分子量 39, 000)および/?一ガラクトシダ一ゼ(分子量 116, 000)、 ともに濃度は 10 mg/ml) を用い、ゲル緩衝液はェチレングリコールおよび Tris緩衝液との混合液を使用し た。 検出波長は 620皿、 印加電圧は 18 V/cmで行った。  As a sample, two kinds of blue molecular weights were used. The buffer used was a mixture of ethylene glycol and Tris buffer. The detection wavelength was 620 dishes and the applied voltage was 18 V / cm.
電気泳動実験の結果、 2次元イメージ上で 2つのサンプルが泳動し、 時間とと もに分離していく様子が確認された (図 1 5 )。 また、流路に沿って泳動パターン を 1次元上に再構成したものを図 1 6に示す。 産業上の利用の可倉 生  As a result of the electrophoresis experiment, it was confirmed that the two samples migrated on the two-dimensional image and separated over time (Fig. 15). Fig. 16 shows a one-dimensional reconstruction of the migration pattern along the flow channel. Ogura Kakura for industrial use
本発明により、 電気泳動分析の進行状況を迅速に、 かつ並行して追跡できるよ うになつた。 たとえば、 マイクロチャンネル電気泳動に本発明を応用した場合、 分析対象物質のシグナルは泳動開始直後からでも追跡することができる。 短い泳 動時間で分離が確認できた場合にはその時点で泳動を完了することが可能である c これに対して 1個所での検知しか行わない公知のシステムでは、 分析対象物質が シグナルの検知機構が位置する場所に泳動されてこない限り、 なんら泳動結果に 関する情報は得られない。特に等電点電気泳動に適用した場合、 pH勾配の中心か ら電気泳動を開始し、 その後の分析対象物質の動きを常に監視可能な合理的な分 析システムとすることができる。 本発明による等電点電気泳動分析は、 タンパク 質の収束状況を継続して監視できるので迅速な分析が可能である。 更に、 泳動路 の中央部分からの試料導入手段との組み合わせにより、 分析対象成分の帯電状態 に依存しない検出が可能となる。 According to the present invention, the progress of electrophoretic analysis can be tracked quickly and in parallel. For example, when the present invention is applied to microchannel electrophoresis, the signal of the analyte can be traced even immediately after the start of electrophoresis. If the separation can be confirmed within a short swimming time, the electrophoresis can be completed at that point.c In a known system that only performs detection at one point, the target substance is detected as a signal. Unless electrophores migrate to the location where the mechanism is located, No information is available. In particular, when applied to isoelectric focusing, a rational analysis system that can start electrophoresis from the center of the pH gradient and constantly monitor the subsequent movement of the analyte can be obtained. In the isoelectric focusing electrophoresis analysis according to the present invention, rapid analysis is possible because the convergence state of the protein can be continuously monitored. Furthermore, the combination with the means for introducing a sample from the central part of the migration path enables detection independent of the charged state of the component to be analyzed.
また本発明における複数のセンサ一を光学的センサ一アレイとした態様におい ては、 2次元上でシグナルの検知を可能とすると同時に、 複数のセンサ一を安価 に、 そして容易に電気泳動ユニットと一体化することができる。 更に、 光学的セ ンサーアレイと一体化する電気泳動ュニットを、 平面上に矩形状に配置した 1本 の毛細管構造とすることにより、 システム全体を小さなチップの上にまとめるこ とができる。 このチップは微量試料の迅速な電気泳動システムとして機能する。 加えて、 本発明では電気泳動ュニッ 卜の直下にセンサーアレイを配置するとい うきわめて単純な光学系とすることができる。 このとき、 レンズのような高価な 光学系は不要である。 また精密な加工も求められない。 したがって泳動システム のコストダウンにつながる。 特に電気泳動ュニットにマイクロチャンネルを利用 する態様においては、 吸光度測定に影響を与える光散乱の原因となるキヤビラリ を用いないことから、 信頼性の面でも優れた光学系を実現する。  In the embodiment of the present invention in which the plurality of sensors are arranged in an optical sensor array, signals can be detected two-dimensionally, and the plurality of sensors can be integrated with the electrophoresis unit at low cost and easily. Can be Furthermore, the electrophoresis unit integrated with the optical sensor array has a single capillary structure arranged in a rectangular shape on a plane, so that the whole system can be integrated on a small chip. This chip functions as a rapid electrophoresis system for trace samples. In addition, in the present invention, a very simple optical system in which a sensor array is disposed immediately below an electrophoresis unit can be provided. In this case, an expensive optical system such as a lens is unnecessary. Also, precise processing is not required. Therefore, it leads to cost reduction of the electrophoresis system. In particular, in a mode in which a microchannel is used for an electrophoresis unit, since an optical system that does not cause light scattering that affects the absorbance measurement is used, an optical system excellent in reliability is realized.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
1 . 少なくとも下記の構成を含む電気泳動システムであって、 電気泳動中にセ ンサ一によるシグナルの検知が可能なものである電気泳動システム。 1. An electrophoresis system comprising at least the following components, wherein a signal can be detected by a sensor during electrophoresis.
a ) 分析対象物質の電気泳動による分離を行う電気泳動ユニット、 および b ) 前記電気泳動ユニットと組み合わされ、 前記物質のシグナルを検知するため に分析対象物質の泳動路に配置された複数のセンサ一、 a) an electrophoresis unit for separating an analyte by electrophoresis; andb) a plurality of sensors combined with the electrophoresis unit and arranged on a migration path of the analyte to detect a signal of the substance. ,
2 . 前記センサ一が複数の検知素子を平面上に配置した光学的センサ一である 請求項 1に記載の電気泳動システム。  2. The electrophoresis system according to claim 1, wherein the sensor is an optical sensor in which a plurality of sensing elements are arranged on a plane.
3 . 複数の検知素子を平面上に配置した光学的センサーを電気泳動ュニッ卜に 一体化した請求項 2に記載の電気泳動システム。  3. The electrophoresis system according to claim 2, wherein an optical sensor having a plurality of detection elements arranged on a plane is integrated with the electrophoresis unit.
4 . 前記電気泳動ュニットにおける泳動路が、 並列に配置されている請求項 1 一 3のいずれかに記載の電気泳動システム。  4. The electrophoresis system according to claim 13, wherein migration paths in the electrophoresis unit are arranged in parallel.
5 . 並列に配置された泳動路が、 連続する 1本の毛細管構造である請求項 4に 記載の電気泳動システム。  5. The electrophoresis system according to claim 4, wherein the electrophoresis paths arranged in parallel have a single continuous capillary structure.
6 . 前記センサーを構成する検知素子が、 1つの泳動路からのシグナルを検知 し、 並列に配置された隣接する泳動路のシグナルの影響を受けない、 請求項 4ま たは 5に記載の電気泳動システム。  6. The electric device according to claim 4, wherein the detection element constituting the sensor detects a signal from one migration path, and is not affected by a signal of an adjacent migration path arranged in parallel. Electrophoresis system.
7 . 前記泳動路の任意の部分に分析対象試料適用部位を備えた請求項 1に記載 の電気泳動システム。  7. The electrophoresis system according to claim 1, wherein an analysis target sample application site is provided at an arbitrary part of the migration path.
8 . 前記電気泳動ュニッ 卜の泳動路の中間部分に分析対象試料適用部位を備え た請求項 7に記載の電気泳動システム。  8. The electrophoresis system according to claim 7, wherein an analysis target sample application site is provided at an intermediate portion of a migration path of the electrophoresis unit.
9 . 少なくとも下記ステップ a ) — c ) を含む電気泳動分析方法。  9. An electrophoretic analysis method including at least the following steps a) to c).
a ) 分析対象物質の電気泳動を行う a) Perform electrophoresis of the analyte
b ) 前記電気泳動分離操作によって分析対象物質が泳動される経路に対応した位 置に配置された複数のセンサーによって、 電気泳動分離と並行して前記物質のシ グナルを複数の位置で検知する b) In parallel with the electrophoretic separation, a plurality of sensors are arranged at positions corresponding to the paths in which the analytes migrate through the electrophoretic separation operation. Detect signal at multiple locations
C ) 前記複数の位置で検知したシグナルと、 そのシグナルを検知した位置情報と に基づいて前記物質の物理化学的性状を決定する  C) determining the physicochemical properties of the substance based on the signals detected at the plurality of positions and the position information at which the signals are detected.
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