WO2022034670A1 - キャピラリ電気泳動装置 - Google Patents

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WO2022034670A1
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capillary
light
optical
face
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賢太郎 大澤
隆 穴沢
学 塩澤
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株式会社日立ハイテク
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Definitions

  • the present invention relates to a capillary electrophoresis apparatus.
  • Biopharmacy has an excellent effect that small molecule drugs do not have, in which antibody molecules modified with sugar chains exert their effects on specific targets such as cancer and rare intractable diseases. While small molecule drugs are synthesized by chemical reactions, biopharmacy is produced using the biological functions of cells, so slight changes in culture conditions affect the molecular structure of the product. Immunoglobulin G (IgG), which is a typical biopharmacy, is a large molecule having a complicated structure and a molecular weight of about 150,000, and it is almost impossible to prevent structural heterogeneity. Therefore, quality inspection technology for confirming the safety and efficacy of pharmaceutical products plays an even more important role in biopharmacy.
  • IgG Immunoglobulin G
  • a biopharmacy test for example, a capillary electrophoresis device is used for a confirmation test for confirming that the main component contained in the test object is the target substance, a purity test for evaluating the content of impurities, and the like.
  • the capillary electrophoresis device injects a sample such as an antibody into the capillary and performs electrophoresis, so that the sample is separated according to the molecular weight and the amount of charge, and is detected by a detection unit provided near the end of the capillary.
  • a detection unit provided near the end of the capillary.
  • optical methods such as ultraviolet (Ultraviolet; UV) absorption, autofluorescence (NF), and laser-induced fluorescence (LIF) are widely used.
  • UV absorption measurement is the most widely used detection method. Wavelengths often used for UV absorption measurement are 280 nm, which is easily absorbed by the side chains of aromatic amino acids, and 190 nm to 220 nm, which are easily absorbed by peptide bonds. A deuterium lamp is generally used as a light source, and only a specific wavelength is cut out and used using a bandpass filter.
  • the UV absorption measurement unit of a general capillary electrophoresis device has a configuration in which the light emitting surface of a light source is imaged at the position of the capillary using a lens to irradiate the capillary with light and detect the light transmitted through the capillary. It has become.
  • the detection sensitivity (minimum detectable sample concentration) is determined by parameters such as the emission intensity distribution of the light source, the stability of the light source, the image magnification, the inner diameter of the capillary, and the noise of the detector.
  • the sensitivity of capillary electrophoresis devices currently on the market is about 0.5 ⁇ g / mL for IgG.
  • Patent Document 1 shows a predetermined system.
  • the system is a housing, a cartridge retainer located within the housing, a cartridge retainer configured to receive a capillary cartridge having a capillary, and a detection assembly located within the housing. It includes at least one radiator and a first detector and a second detector.
  • the system then comprises a first aspect in which the first detector detects a first output associated with the at least one radiator, and a second detector associated with the at least one radiator.
  • 2 Includes a detection assembly configured to transition to and from a second form of detecting output.
  • the system is also a reagent tray holder movably located within the housing and is configured to move relative to the cartridge retainer so that the capillary of the capillary cartridge is in fluid communication with the reagent volume. Includes reagent tray holders.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-throughput capillary electrophoresis apparatus.
  • the capillary electrophoresis apparatus which solves the above-mentioned problems, analyzes a plurality of capillaries to which a sample to be measured is introduced and electrically separated, and the sample electrically separated by the plurality of capillaries. It is provided with a light source for generating light for the purpose and a detector for detecting the light transmitted through the capillary.
  • the capillary electrophoresis apparatus has an optical coupling optical system and a plurality of first optical fibers between the light source and the plurality of capillaries, and a plurality of second optical fibers between the plurality of capillaries and the detector. Has an optical fiber.
  • the optical coupling optical system couples light from the light source to the plurality of first optical fibers.
  • each of the plurality of first optical fibers is arranged so that one end face is connected to the optical coupling optical system and the other end face faces the corresponding capillary. Ru.
  • each of the plurality of second optical fibers is arranged close to each other so that one end face faces the corresponding capillary, and the other end face is connected to the detector. ing.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the line ivb-ivb of FIG. 4A.
  • the horizontal axis indicates the distance r [ ⁇ m] from the center of the bundle, and the vertical axis indicates the amount of bound light.
  • the simulation result about the position dependence of the amount of light coupled to an optical fiber and its stability.
  • the horizontal axis indicates the distance r [ ⁇ m] from the center of the bundle, and the vertical axis indicates the amount of bound light.
  • It is a schematic cross-sectional view of yz which showed how the light emitted from the irradiation optical fiber (the first optical fiber) passes through a capillary and reaches the detection optical fiber (the second optical fiber).
  • It is a schematic cross-sectional view of xz which showed how the light emitted from a 1st optical fiber passes through a capillary and reaches the 2nd optical fiber.
  • the horizontal axis shows the core diameter c 1 [ ⁇ m] of the detection optical fiber
  • the vertical axis shows the signal light amount.
  • the minimum core diameter c 95% of the second optical fiber capable of detecting signal light of 95% or more of the saturation level calculated based on the result of FIG. 9 is plotted against d 1 and d 2 together with c x and cy . It is a graph which shows the result of this.
  • the horizontal axis indicates d 1 and d 2 [ ⁇ m]
  • the vertical axis indicates the core diameter c 1 [ ⁇ m] of the detection optical fiber.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the detection unit 6 of the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the first embodiment.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes a plurality of capillarys 110 into which a sample to be measured is introduced and electrically separated.
  • the plurality of capillaries 110 are combined into one from an arbitrary position to form a capillary array 11.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes a light source 101 (see FIG. 2) that generates light for analyzing a sample electrically separated by a plurality of capillarys 110.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes a detector 112 (see FIG. 2) that detects the light transmitted through the capillary 110.
  • the light source 101 and the detector 112 are components constituting the detection unit 6, and these will be described later.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes an optical coupling optical system 113 and a plurality of irradiation optical fibers (“first optical fiber” within the scope of the claim) between the light source 101 and the plurality of capillarys 110. ”) 109. Further, the capillary electrophoresis apparatus 1 has a plurality of detection optical fibers (“second optical fiber” in the claims) 111 between the plurality of capillarys 110 and the detector 112. The optical coupling optical system 113 will be described later.
  • each of the plurality of irradiation optical fibers 109 one end face 109a is connected to the optical coupling optical system 113, and the other end face 109b is arranged close to the corresponding capillary 110.
  • Each of the plurality of detection optical fibers 111 is arranged so that one end face 111a is close to the corresponding capillary 110, and the other end face 111b is connected to the detector 112. That is, in the present embodiment, the other end face 109b faces the side surface of the capillary 110, and one end face 111a faces the side surface of the capillary 110, and the other end face 109b and one end face 111a.
  • face-to-face means that, for example, the center of the optical axis of the light emitted from the other end surface 109b passes through the axis of the capillary 110.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes an electrophoresis medium container 2 containing an electrophoresis medium and a plurality of sample containers 3 containing a sample to be measured.
  • an electrophoresis medium container 2 containing an electrophoresis medium
  • sample containers 3 containing a sample to be measured.
  • a plurality of capillaries 110 included in the capillary array 11 are connected to these containers before measurement, and the electrophoresis medium and the sample are sequentially injected by electrical means, pressure, or the like.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 includes a plurality of injection side electrode tanks 4 and one discharge side electrode tank 7.
  • the plurality of injection-side electrode tanks 4 and one discharge-side electrode tank 7 are each filled with a buffer solution, and the capillary 110 and the electrode 9 are immersed during electrophoresis. Then, when a voltage is applied by the high-voltage power supply 8, the molecules in the sample are separated by electrophoresis according to properties such as molecular weight and charge amount, and the capillary 110 is moved from the injection side to the discharge side. When each of the moved molecules reaches the detection unit 6, it is detected by optical means.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 also has a pressure adjusting unit, a control unit, a signal processing unit, a display unit, a recording unit, and the like.
  • the detection unit 6 of the capillary electrophoresis apparatus 1 has an optical coupling optical system 113 and a plurality of detectors 112.
  • the optical coupling optical system 113 couples the light from the light source 101 to a plurality of irradiation optical fibers 109.
  • the optical coupling optical system 113 is formed of, for example, an imaging optical system 114 and at least one lens 105.
  • the imaging optical system 114 in this embodiment is formed of, for example, a lens 102 and a lens 104.
  • the imaging optical system 114 may have a bandpass filter 103 between the lens 102 and the lens 104. That is, as a specific configuration example, the optical coupling optical system 113 may be formed by a lens 102, a bandpass filter 103, a lens 104, and a lens 105.
  • the detection unit 6 has the optical coupling optical system 113 according to the specific configuration example described above, the light emitted from the light source 101 is converted into collimated light by the lens 102, and then only a specific wavelength is specified by the bandpass filter 103. Is taken out.
  • the transmission wavelength of the bandpass filter 103 can be set to 280 nm, 220 nm, or the like when measuring the UV absorption of a protein.
  • the transmission wavelength of the bandpass filter 103 can be set to 280 nm or the like when performing NF measurement.
  • the transmission wavelength of the bandpass filter 103 can be set to the excitation wavelength of the fluorescent dye used when performing LIF measurement.
  • the bandpass filter 103 can be omitted when the emission spectrum of the light source 101 has only a target wavelength component.
  • a lamp light source such as a halogen lamp or a deuterium lamp, an LED light source, a laser light source, or the like can be used.
  • the case of performing UV absorption measurement will be described.
  • the light transmitted through the bandpass filter 103 is coupled to an optical fiber bundle (bundle 106) in which a plurality of irradiation optical fibers 109 are bundled by the lens 104 and the lens 105. As a result, the light is divided into the number of irradiation optical fibers 109 included in the bundle 106.
  • at least one of the plurality of irradiation optical fibers 109 described above has one end face 109a connected to the optical coupling optical system 113. It is preferable that the other end face 107a is connected to the detector 108 for reference light. That is, in the present embodiment, it is preferable to use at least one of the plurality of irradiation optical fibers 109 described above as the reference optical fiber 107.
  • the optical fiber 107 for reference light and the detector 108 for reference light will be described later.
  • the method of splitting light using the bundle 106 can be realized with a simpler and cheaper configuration than the method using a beam splitter, a fiber splitter, a waveguide, a diffraction grating, etc. Contributes to cost reduction. Further, since the light is divided by the optical coupling optical system 113 and the bundle 106 having the above-described configuration, the energy density of the light (the energy of the light per unit area) does not decrease due to the division. Therefore, there is an advantage that the energy density of the light at the position where the capillary 110 is irradiated with the light can be kept high, that is, the detection sensitivity can be increased.
  • the irradiation optical fiber 109 has a two-layer structure of a core 109c in the center and a clad 109d covering the periphery thereof, like a general optical fiber.
  • the core 109c is designed to have a higher refractive index than the clad 109d, and light propagates in a state of being confined in the core 109c by a phenomenon called total reflection.
  • the detection optical fiber 111, the reference optical fiber 107, and the connection optical fiber 401 described later have the same configuration.
  • the optical fiber 109 for irradiation of the bundle 106 has a close-packed arrangement in order to increase the energy utilization efficiency of light as much as possible. It is desirable to increase the energy utilization efficiency of light as much as possible even when the number of optical fibers 109 for irradiation is not possible in the densely packed arrangement or when the arrangement of the optical fibers is difficult to control. In such a case, for example, as shown in FIG. 3B, it is desirable to arrange the bundle 106 so that the distance from the center 106a to the center 109e of the outermost irradiation optical fiber 109 is as small as possible. In the bundle 106 having such a configuration, the diameter of the minimum inclusion circle of the core 109c portion of the plurality of irradiation optical fibers 109 included in the bundle 106 can be set as the effective core diameter ECD.
  • the lenses 102, 104, and 105 of the optical coupling optical system 113 shown in FIG. 2 constitute Koehler illumination. Therefore, the lenses 102, 104, and 105 of the optical coupling optical system 113 can equalize the spatial emission intensity distribution of the light source 101 and bind light to the bundle 106 (to a plurality of irradiation optical fibers 109).
  • the lens 102 and the lens 104 form an imaging optical system 114 (more specifically, a 1x magnification imaging optical system). Therefore, it can be said that the optical coupling optical system 113 includes an imaging optical system 114 and at least one lens 105.
  • the light emitting surface of the light source 101 is imaged at a predetermined position by the lens 102 and the lens 104 constituting the equal magnification imaging optical system.
  • the lens 105 is arranged so that the image formation position of the light emitting surface of the light source 101 by the lens 102 and the lens 104 coincides with the focal position or the combined focus position on the light incident side of the lens 105.
  • the detection unit 6 can suppress the variation in the amount of light bound to the bundle 106 between the optical fibers, and can bind almost the same amount of light to all the optical fibers 109 for irradiation. Therefore, the detection unit 6 can make the measurement conditions uniform for all the capillaries 110.
  • the detection unit 6 equalizes the spatial emission intensity distribution of the light source 101 by Koehler illumination and couples it to the bundle 106. Therefore, the detection unit 6 can suppress the fluctuation of the combined light amount due to the fluctuation of the component position due to the disturbance or the like at the position of one end surface 109a of the bundle 106, and can prevent the detection sensitivity from being lowered.
  • the end face on the light incident side of the bundle 106 is arranged at a position shifted in the optical axis direction by a predetermined amount from the image formation position of the light emitting surface of the light source 101 by the lens 102 and the lens 104 without using the lens 105.
  • the spatial spread of light on the light incident side end face of the bundle 106 is larger than that in the case where the light incident side end face of the bundle 106 is arranged at the image formation position.
  • the light source 101 emits light by the lens 102 and the lens 104 without using the lens 105. It is desirable to place the light incident side end face of the bundle 106 at the image formation position of the surface. In this case, the same sensitivity and throughput can be obtained with a smaller number of parts.
  • reference light As described above, it is preferable to use at least one of the optical fibers included in the bundle 106 as the reference optical fiber 107.
  • the light emitting side end face (the other end face 107a) of the reference light optical fiber 107 is directly connected to the reference light detector 108.
  • the light propagating through the reference optical fiber 107 is detected by the detector 108, and by monitoring the light intensity, the decrease in detection sensitivity due to the fluctuation of the light emission intensity of the light source 101 can be suppressed by signal processing.
  • the detector 108 will be described later.
  • the light emitting side end faces (the other end faces 109b) of the plurality of irradiation optical fibers 109 other than the reference optical fiber 107 included in the bundle 106 are arranged in a direction perpendicular to the length direction of the capillary 110. .. That is, the other end surface 109b of the plurality of irradiation optical fibers 109 is arranged so as to be in a direction parallel to the arrangement plane of the plurality of capillary 110s arranged in a straight line. That is, the light emitted from the other end surface 109b of the irradiation optical fiber 109 is arranged so as to vertically enter the capillary 110.
  • the other end faces 109b of the plurality of irradiation optical fibers 109 are linearly aligned at regular intervals and are arranged close to the capillary 110. Further, the arrangement pitches of the plurality of irradiation optical fibers 109 and the arrangement pitches of the plurality of capillarys 110 are the same. That is, each of the plurality of capillaries 110 and each of the plurality of irradiation optical fibers 109 are arranged so as to correspond to each other.
  • the length from the end face 110a (see FIG. 1) into which the sample is injected in each capillary 110 to the portion of the capillary 110 to be irradiated with light can be made uniform in a simple configuration. .. More preferably, the plurality of capillaries 110 are all arranged so as to have the same length from the end face 110a into which the sample is injected to the end face arranged in close proximity to the capillary 110 in the irradiation optical fiber 109. be. In this way, the capillary electrophoresis apparatus 1 can measure a plurality of samples under the same conditions.
  • each irradiation optical fiber 109 and the center position of the corresponding capillary 110 can be accurately matched.
  • the distance between the light emitting side end surface (the other end surface 109b) of the irradiation optical fiber 109 to be arranged close to the capillary 110 will be described later.
  • each irradiation optical fiber 109 is directly applied to each of the corresponding capillaries 110 without going through a lens.
  • the capillary 110 is a glass thin tube coated with polyimide. In each capillary 110, the polyimide coating in the vicinity of the position where the light is irradiated is removed in advance so that the glass is exposed.
  • Each light transmitted through the capillary 110 is coupled to a corresponding detection optical fiber 111 having a light incident side end face (one end face 111a) located close to the capillary 110.
  • the light coupled to the detection optical fiber 111 propagates through the detection optical fiber 111 and is guided to the detector 112.
  • Both the detector 112 and the detector 108 described above use, for example, a photodiode, a CCD (Charge Coupled Device) camera, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) camera, a photomultiplier tube, a spectroscope including a diffraction grating, and the like. be able to.
  • One of these spectroscopes can be provided corresponding to each of the plurality of detection optical fibers 111.
  • the detector 112 for example, a spectroscope capable of collectively splitting the emitted light from a plurality of detection optical fibers 111 can be used. That is, the detector 112 only needs to be able to detect the light emitted from the plurality of detection optical fibers 111 separately for each detection optical fiber 111, and the number thereof is not limited.
  • the detector 112 may be one or two or more as long as it can individually detect the emitted light of all the detection optical fibers 111 provided. Further, the detector 112 may be provided one by one corresponding to the detection optical fiber 111 (FIG. 2 shows a state in which the detector 112 is provided one by one corresponding to the detection optical fiber 111. ing).
  • a single CCD camera can collectively disperse the light emitted from a plurality of detection optical fibers 111.
  • the light emitting side end face (the other end face 109b) of the irradiation optical fiber 109 is perpendicular to the length direction of the capillary 110 and is arranged in a straight line with respect to the arrangement plane of the plurality of capillary 110. They are arranged so that they are in parallel directions.
  • One end surface 111a of the detection optical fiber 111 is arranged in a direction perpendicular to the length direction of the capillary 110 and parallel to the arrangement plane of the plurality of capillary 110 arranged in a straight line. .. Further, one end surface 111a of the detection optical fiber 111 is linearly aligned at regular intervals and is arranged close to the capillary 110.
  • the arrangement pitch of the plurality of detection optical fibers 111 and the arrangement pitch of the plurality of capillarys 110 are the same. That is, in the irradiation optical fiber 109, the light emitted from the other end surface 109b of the irradiation optical fiber 109 is vertically incident on the capillary 110, passes through the capillary 110, and is transmitted as it is to the other end surface 111b of the detection optical fiber 111. It is arranged so as to be incident on.
  • UV absorption measurement can be realized with a compact and simple configuration by irradiating the capillary 110 with light and detecting the transmitted light of the capillary 110 only with an optical fiber without installing a lens. Not only that, the cost reduction effect is great if the configuration does not use a lens.
  • it is necessary to use optical components with high transmittance for ultraviolet light but since materials with high transmittance for ultraviolet light are expensive, manufacturing lenses using such materials is costly. Requires.
  • the manufacturing cost can be significantly reduced. Further, since it is not necessary to install the lens or the lens array at a specific position, the manufacturing cost required for that can be reduced.
  • the distance between the light incident side end surface (one end surface 111a) of the detection optical fiber 111 to be arranged close to the capillary 110 will be described later.
  • FIG. 4A is a schematic plan view showing a configuration example when the irradiation optical fiber 109 is fixed to the positioning array substrate 115.
  • 4B is a cross-sectional view taken along the line ivb-ivb of FIG. 4A.
  • At least one of the irradiation optical fiber 109, the detection optical fiber 111 and the capillary 110 is 1 by the groove 115a of the positioning array substrate 115 having a plurality of grooves 115a, for example, as shown in FIGS. 4A and 4B. It is preferable that the fibers are positioned one by one. Further, when a plurality of positioning array substrates 115 are provided, it is preferable that the positions of the groove portions 115a coincide with each other.
  • the irradiation optical fiber 109, the detection optical fiber 111, and the capillary 110 By positioning the irradiation optical fiber 109, the detection optical fiber 111, and the capillary 110 by the positioning array substrate 115, the irradiation optical fiber 109, the detection optical fiber 111, and the capillary 110 can be mounted with high position accuracy, and the decrease in detection sensitivity caused by the misalignment can be suppressed. Since the groove portion 115a of the positioning array substrate 115 can be manufactured with a high accuracy of several ⁇ m or less by the current processing technology, the optical fiber or the capillary 110 can be positioned with a high position accuracy as described above.
  • the cross-sectional shape of the groove portion 115a of the positioning array substrate 115 can be V-shaped, spherical, trapezoidal, or the like.
  • the arrangement pitches of the light emitting side end faces of the irradiation optical fiber 109 and the light incident side end faces of the capillary 110 and the detection optical fiber 111 are equal to each other. If these arrangement pitches are made too small, the light emitted from the irradiation optical fiber 109 is incident on the detection optical fiber 111 other than the corresponding detection optical fiber 111, and the sensitivity is lowered. In order to prevent such a decrease in detection sensitivity and obtain high detection sensitivity, it is preferable to set the array pitch pi to a value satisfying the following equation (1).
  • c 0 is the core diameter of the irradiation optical fiber 109.
  • c 1 is the core diameter of the detection optical fiber 111.
  • d 1 is the distance between the end face 109b of the irradiation optical fiber 109 and the capillary 110.
  • d 2 is the distance between the end face 111a of the detection optical fiber 111 and the capillary 110.
  • R out is the outer diameter of the capillary 110.
  • NA is the numerical aperture of the irradiation optical fiber 109.
  • the sequence pitch pi is at least about 269 ⁇ m.
  • the arrangement pitch pi is made too large, the size of the apparatus becomes large, so that the arrangement pitch pi is preferably made small within the range of the equation (1).
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 divides the light into a plurality of pieces by binding the light from the light source 101 to the bundle 106 of the plurality of irradiation optical fibers 109. Further, the capillary electrophoresis apparatus 1 arranges one end surface 109b of each irradiation optical fiber 109 close to the corresponding capillary 110 so that the light emitted from each irradiation optical fiber 109 can be directly received from each of the capillary electrophoresis devices 1. Irradiate the corresponding capillary 110.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 directly couples each light transmitted through each capillary 110 to the corresponding detection optical fiber 111 and guides the light to the detector 112.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 can detect a plurality of samples by electrophoresing a plurality of samples at the same time on the plurality of capillarys 110 at the same time. Therefore, the capillary electrophoresis apparatus 1 can obtain a higher throughput than the conventional capillary electrophoresis apparatus.
  • the capillary electrophoresis device 1 when the capillary electrophoresis device 1 binds light to the bundle 106 by Koehler illumination, it suppresses the fluctuation of the amount of light bound to each irradiation optical fiber 109, and the light does not reduce the energy density of the light. Can be uniformly and divided into multiple parts. Further, when the capillary electrophoresis apparatus 1 uses the optical fiber 107 for reference light, the intensity of the reference light can be monitored and the decrease in detection sensitivity due to the fluctuation of the emission intensity can be suppressed by signal processing. Further, since the capillary electrophoresis apparatus 1 irradiates the capillary 110 with light and detects the transmitted light of the capillary 110 only with an optical fiber, it can be compact and inexpensive.
  • FIG. 5A shows how the amount of light coupled to the bundle 106 depends on the distance r from the center of the bundle 106 in both of the above cases.
  • the simulation conditions are that the transmission wavelength of the bandpass filter 103 is 220 nm, the focal length of both the lens 102 and 104 is 50 mm and the outer diameter is 20 mm ⁇ , the focal length of the lens 105 is 2.71 mm and the outer diameter is 3 mm ⁇ , and the optical fiber is.
  • the core diameter was 105 ⁇ m, the NA was 0.25, and the measurement was performed using ray tracing using simulation software (Zemax Optical Studio 17.5).
  • the imaging optical system when the imaging optical system is used, the emission intensity spatial distribution of the light source 101 is reflected, and the combined light amount shows a Gaussian type dependence on the distance r. Therefore, when the imaging optical system is used, the amount of coupled light is larger for the optical fiber closer to the center in the bundle 106 and smaller for the peripheral optical fiber. As described above, in this case, since the position dependence of the combined light amount in the bundle 106 is high, the light amount irradiated to each capillary 110 is different.
  • the amount of light coupled to the optical fiber takes a substantially constant value within a region (distance r) of ⁇ about 400 ⁇ m from the center of the bundle 106. Therefore, when a plurality of optical fibers are arranged in this region, almost the same amount of light can be coupled to all the optical fibers. As described above, in this case, since all the capillaries 110 are irradiated with light of substantially the same amount of light, it is possible to simultaneously measure a plurality of different samples under the same conditions.
  • the region where the amount of coupled light is constant can be freely set by changing the ratio of the focal lengths of the lens 104 and the lens 105.
  • the amount of light coupled to the optical fiber fluctuates accordingly.
  • the amount of coupled light to the optical fiber at the position (x, y, z) of the optical fiber is I and the amount of displacement of the optical fiber is ( ⁇ x, ⁇ y, ⁇ z)
  • the fluctuation of the amount of coupled light due to the displacement of the optical fiber ⁇ I The magnitude is approximately given by the following equation (2).
  • FIG. 5B shows the absolute value of the fluctuation of the amount of coupled light generated when the position of the end face on the light incident side of the optical fiber fluctuates by ⁇ r in the r direction, which is calculated based on the result of FIG. 5A.
  • the magnitude of position fluctuation ⁇ r was set to 0.1 ⁇ m.
  • the core diameter c 0 of the irradiation optical fiber 109 in the present embodiment is mainly determined from the viewpoint of three performances of resolution, throughput, and detection sensitivity.
  • the resolution is the ability to separate and detect different types of molecules flowing through the capillary 110 during electrophoresis, and the smaller the width ⁇ L in the length direction of the light irradiation region with respect to the capillary 110, the higher the resolution.
  • this ⁇ L is approximately as follows, ignoring the spatial spread of light until the light emitted from the irradiation optical fiber 109 reaches the inside of the capillary 110 and the refraction of the light in the capillary 110. It is given by the equation (3).
  • the throughput increases as the number of capillaries 110 capable of irradiating light at the same time, that is, the number of irradiation optical fibers 109 included in the bundle 106 increases. Since the number N of the irradiation optical fibers 109 is approximately proportional to the ratio of the cross-sectional area of the optical fiber to the cross-sectional area of the light at the end face on the light incident side of the bundle 106, the following equation (4) is approximately established.
  • D is the beam diameter of the light on the light incident side end face of the bundle 106
  • c 0 '(> c 0 ) is the clad diameter of the irradiation optical fiber 109.
  • the detection sensitivity increases as the amount of light P applied to the inside of the capillary 110 (the portion through which the sample passes) increases.
  • the total amount of light incident on the bundle 106 is set to P0 , and considering that the light intensity distribution is made uniform by Koehler illumination, the light emitted from the irradiation optical fiber 109 is used for simplicity. Ignoring the spatial spread of light to reach the interior of the capillary 110 and the refraction of light in the capillary 110, it is approximately given by equation (6) below.
  • R in is the inner diameter of the capillary 110, and is typically about 50 ⁇ m.
  • the expression of the amount of light P differs depending on the conditions. In the case of c 0 ⁇ R in , all the light emitted from the irradiation optical fiber 109 is irradiated to the inside of the capillary 110, whereas c 0 > R. This is because in the case of in, a part of the inside of the capillary 110 is irradiated.
  • the core diameter c 0 needs to be determined according to the specifications of the target device.
  • the present inventors have found that the same detection sensitivity as that of a conventional capillary electrophoresis device can be achieved by actually conducting an experiment of UV absorption measurement.
  • a commercially available deuterium lamp is used, for example, the beam diameter D is 600 ⁇ m, the clad diameter c 0'of the irradiation optical fiber 109 is 125 ⁇ m, and the core diameter c 0 is 105 ⁇ m. I went there.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a beam diameter D and an arrangement example of the irradiation optical fiber 109. As shown in FIG.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 can obtain 14 times the throughput of the conventional capillary electrophoresis apparatus.
  • the core diameter of the detection optical fiber 111 in the present embodiment is mainly determined from the viewpoint of detection sensitivity and crosstalk. From the viewpoint of detection sensitivity, it is preferable that most of the light transmitted through the inside of the capillary 110 (hereinafter referred to as signal light) is set to a value large enough to be detected.
  • the light emitted from the irradiation optical fiber 109 spreads in the direction perpendicular to the optical axis by the time it reaches the detection optical fiber 111.
  • the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 is set to be larger than the core diameter c 0 of the irradiation optical fiber 109. By doing so, more capillary transmitted light can be detected than in the case where the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 is made the same as the core diameter c 1 of the irradiation optical fiber 109, and the detection sensitivity is improved.
  • the core diameter of the detection optical fiber 111 is made larger than necessary, the light transmitted through other than the inside of the capillary 110 that causes noise (hereinafter referred to as stray light) is detected and the detection sensitivity is conversely increased. May decrease. Not only that, the light transmitted through the inside of another adjacent capillary 110 (hereinafter referred to as crosstalk light) is detected, and the risk of crosstalk occurring increases.
  • FIG. 7A is a schematic cross-sectional view of yz showing how the light emitted from the irradiation optical fiber 109 passes through the capillary 110 and reaches the detection optical fiber 111.
  • FIG. 7B is a schematic cross-sectional view of xz showing how the light emitted from the irradiation optical fiber 109 passes through the capillary 110 and reaches the detection optical fiber 111.
  • the y direction in FIGS. 7A and 7B is the length direction of the capillary 110
  • the z direction is the light emission direction
  • the x direction is the direction perpendicular to the yz plane.
  • the core diameter cy of the detection optical fiber 111 may be determined so that all the light emitted from the irradiation optical fiber 109 is combined. ..
  • the core diameter cy of the detection optical fiber 111 in the y direction is given by the following equation (7) from FIG. 7A, ignoring the refraction of light in the capillary 110.
  • the expression of the core diameter c x of the detection optical fiber 111 differs depending on the magnitude relationship between the value (formula (10)) on the light emitting side end surface of the irradiation optical fiber 109 of f (z) and ⁇ c 0/2 .
  • FIGS. 8A to 8C are schematic cross-sectional views of xz showing how the light emitted from the irradiation optical fiber 109 passes through the capillary 110 and reaches the detection optical fiber 111 under the conditions shown in the respective drawings. be.
  • the core diameter c x of the detection optical fiber 111 is expressed by the same equation as the core diameter cy of the detection optical fiber 111 as shown in the following equation (11), ignoring the refraction of light in the capillary 110.
  • Equation (16) By solving equation (16) for m, a table equation for m can be obtained. Two table equations relating to m satisfying the equation (16) can be obtained, but g (z) shown in FIG. 8C always gives a larger value among these two equations, and is expressed in the following equation (17). It is expressed as.
  • the core diameter c x of the minimum detection optical fiber 111 required to detect all signal lights can be expressed by the following equation (18).
  • the core diameter c x and the core diameter cy of the minimum detection optical fiber 111 required to detect all signal lights differ between the xz cross section and the yz cross section. Therefore, the core shape of the detection optical fiber 111 is ideally elliptical, but it is difficult to actually apply such an optical fiber because an optical fiber having an elliptical core shape is not generally distributed. Since cy> c x , all signal light can be detected by setting the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 to cy . However, in that case, there is a high possibility that the signal-to-noise ratio (SNR) will decrease due to the detection of stray light and crosstalk light.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 satisfies c x ⁇ c 1 ⁇ cy .
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the result of performing a ray tracing simulation using simulation software (Zemax OpticalStudio17.5) and calculating the relationship between the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 and the signal light amount.
  • the simulation was performed in the optical system shown in FIG. 2 without using the lens 105. That is, in the simulation, the light incident side end face of the bundle 106 is arranged at the image formation position of the light emitting surface of the light source 101 by the lens 102 and the lens 104, and the light is coupled to the irradiation optical fiber 109 arranged at the center of the bundle 106. And performed on the light shining on the corresponding capillary 110.
  • the simulation conditions were Gaussian with a half-value spatial distribution of emission intensity space of about 0.35 mm, a divergence angle of light from the light source 101 of ⁇ 20 degrees, a transmission wavelength of the bandpass filter 103 of 220 nm, a lens 102 and a lens 104.
  • the focal lengths of both are 21.5 mm
  • the effective diameters of the lens 102 and 104 are both 10 mm
  • the refractive index of the capillary 110 is 1.458
  • the refractive index inside the capillary 110 is 1.33
  • c 0 105 ⁇ m
  • R in 50 ⁇ m
  • R out 150 ⁇ m
  • NA 0.25.
  • the vertical axis of FIG. 9 is a value when the total amount of light emitted from the light source 101 having a wavelength of 220 nm is 1. As shown in FIG. 9, it can be seen that the amount of signal light increases as the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 increases regardless of whether d 1 or d 2 is used, but the signal light amount increases above a certain value. ..
  • FIG. 10 shows the minimum core diameter c 95% of the detection optical fiber 111 capable of detecting signal light of 95% or more of the saturation level calculated based on the result of FIG. 9, along with c x , cy and d 1 , d. It is a graph which shows the result of plotting with respect to 2 .
  • the minimum core diameter c 95% of the detection optical fiber 111 is indicated by “ ⁇ ”.
  • ⁇ a value corresponding to the case of ⁇ c 0 ⁇ 2f ( ⁇ (d 1 + R out / 2)) ⁇ c 0 is used for c x .
  • the minimum core diameter c 95% of the detection optical fiber 111 capable of detecting most of the signal light (95% or more) exists between c x and cy . ..
  • the signal light amount is about 0.004 (Fig.). 9). This is about 33% of the saturation level 0.012 of the signal light amount when the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 is set to a sufficiently large value.
  • the signal light amount is about 0.0096 to about 0.012 (. FIG. 9). This is about 75% to 99.9% of the saturation level.
  • the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 between c x and cy (c x ⁇ c 1 ⁇ cy )
  • it is the same as the core diameter c 0 of the irradiation optical fiber 109. More signal light can be detected than in the case of.
  • the stray light rate means the ratio of the stray light amount to the total light amount coupled to the detection optical fiber 111.
  • the stray light rate decreases almost monotonously as the core diameter c 1 increases up to about 200 ⁇ m, and further decreases slightly up to around 225 ⁇ m, but starts to increase at 225 ⁇ m or more. You can see that.
  • the core diameter c 1 of 111 is obtained. Further, as shown by the dotted line in FIG. 11, it can be seen that the optimum core diameter c 1 from the viewpoint of the stray light rate also exists between c x and cy (c x ⁇ c 1 ⁇ cy ). ..
  • the smaller d 1 and d 2 the larger the maximum signal light intensity. Therefore, from the viewpoint of performance, it is desirable to make d 1 and d 2 as small as possible. However, in order to avoid damage to parts and deterioration of performance due to contact between parts, it is actually appropriate to set it to about several tens to several hundreds of ⁇ m.
  • a suitable signal light amount for obtaining a predetermined sensitivity is defined, and conditions suitable for obtaining the signal light amount will be described.
  • a typical example of the UV absorption optical system 130 for one capillary 131 shown in FIG. 13 will be considered.
  • the light emitting surface of the deuterium lamp 132 which is a light source, is imaged at the position of the capillary 131 by the imaging optical system L3 composed of two lenses L1 and L2.
  • a slit 133 is arranged between the lens L 2 and the capillary 131 and in the vicinity of the capillary 131, and a part of the light transmitted through the slit 133 is irradiated to the capillary 131. At this time, only the wavelength component used for measurement is cut out by the bandpass filter 134 provided between the two lenses L1 and L2. A part of the light transmitted through the capillary 131 is coupled to the optical fiber bundle 135 and detected by the photodiode 136, which is a detector.
  • the slit 133 plays a role of preventing light from being irradiated to other than the inside of the capillary 131 as much as possible, and a role of limiting the width of the light irradiation region with respect to the length direction of the capillary 131 and defining the resolution.
  • the amount of light transmitted through the inside of the capillary 131 increases as the magnification of the imaging optical system is lowered to reduce the spot size of the light applied to the capillary 131.
  • the upper limit of the amount of light coupled to the optical fiber bundle 135 that is finally detected is determined by the numerical aperture NA f of the optical fiber. Therefore, it is sufficient if the numerical aperture of the lens L 2 is about NA f , and even if the numerical aperture is made larger than that, the detected light amount hardly increases. From this, it can be said that using the same lens having a numerical aperture of about NA f to form an image at the same magnification is the cheapest and simplest configuration for maximizing the amount of irradiation light. Therefore, in the present embodiment, the signal light amount obtained at the time of equal-magnification imaging in the UV absorption optical system 130 shown in FIG. 13 is defined as the reference value Pc of the signal light amount required to achieve a predetermined sensitivity. And said.
  • the optical fiber bundle 135 has seven optical fibers having a core diameter of 320 ⁇ m arranged within a range of 1 mm in diameter.
  • the width of the capillary 131 of the slit 133 in the length direction is set to 200 ⁇ m, and the width of the slit 133 in the direction perpendicular to the length direction of the capillary 131 is set to 100 ⁇ m.
  • the conditions for the light source (deuterium lamp 132), the lenses L1, L2, and the bandpass filter 134 are the same as the conditions for obtaining the result shown in FIG.
  • the reference value P c was set to 0.8%, assuming that there is an error of about 20% due to the difference between the simulation and the actual machine and the variation of the total light emission amount of the light source for each product. This reference value P c can be interpreted as a typical value of the amount of signal light obtained in the UV absorption optical system 130 of a typical single capillary.
  • the core diameter c 1 of the detection optical fiber 111 is preferably at least 60 ⁇ m or more.
  • d 1 and d 2 are each about 300 ⁇ m or less in order for the signal light amount to be 0.8% or more.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing another aspect of the detection unit 6 in the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the second embodiment.
  • the same components as those shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • a second light source (light source 201) for fluorescence measurement (NF or LIF) NF or LIF
  • NF or LIF fluorescence measurement
  • a lens 202 for fluorescence measurement
  • a removable long-pass filter 203 are provided in close proximity to the capillary 110. It differs from the first embodiment in that it is.
  • the lens 202 is, for example, a collimated lens, and serves as a light irradiation unit that converts the excitation light from the light source 201 into collimated light and irradiates the plurality of capillarys 110.
  • the irradiation direction of the light to the plurality of capillaries 110 by the lens 202 is the irradiation direction of the light to the capillaries 110 by the plurality of irradiation optical fibers 109 and the capillaries. It is set to be perpendicular to both of the length directions of 110. Further, the irradiation of light onto the plurality of capillaries 110 by the lens 202 is set to pass through the inside of the capillaries 110.
  • the excitation light emitted from the light source 201 is converted into collimated light by the lens 202. Then, this collimated light is incident on the capillary array 11 toward the arrangement direction of the capillary 110.
  • fluorescence autofluorescence or fluorescence from a fluorescent dye
  • a part of the generated fluorescence is coupled to the detection optical fiber 111.
  • the fluorescence propagated through the detection optical fiber 111 passes through the long pass filter 203 and is detected by the detector 112.
  • the long pass filter 203 serves to block the excitation light scattered by the capillary 110 and coupled to the detection optical fiber 111. Further, the long pass filter 203 is removable and is removed when UV absorption measurement is performed and installed when fluorescence measurement is performed.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the second embodiment operates in the same manner as the first embodiment and is based on the light source 101. UV absorption measurement is performed. Then, the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the second embodiment performs LIF measurement at the same time.
  • the capillary electrophoresis apparatus 1 can suppress the amount of excitation light coupled to the detection optical fiber 111. This makes it possible to perform fluorescence measurement with higher sensitivity.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration example of the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the third embodiment.
  • the same components as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the third embodiment is the first embodiment in that the detection unit 12 for fluorescence measurement is further downstream of the detection unit 6 for UV absorption measurement in the electrophoresis of the sample. Different from.
  • the configuration of the detection unit 6 is as shown in FIG.
  • the configuration of the detection unit 12 will be described.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration example of the detection unit 12 for fluorescence measurement of the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the third embodiment.
  • the irradiation direction of the light to the plurality of capillaries 110 by the lens 202 is the plurality of irradiation optical fibers 109 (not shown in FIG. 16).
  • the irradiation of light onto the plurality of capillaries 110 by the lens 202 is set to pass through the inside of the capillaries 110.
  • the excitation light emitted from the light source 201 is converted into collimated light by the lens 202, as in the second embodiment. Then, this collimated light is incident on the capillary array 11 toward the arrangement direction of the capillary 110. The fluorescence generated from the sample in the capillary 110 is converted into collimated light by the lens array 301. Then, this collimated light passes through the long pass filter 302, is focused by the lens array 303, and is detected by the photodiode array 304, which is a detector.
  • the lens array 301 and the lens array 303 are used as means for guiding the fluorescence to the photodiode array 304. It is easy for a lens to have a numerical aperture larger than that of an optical fiber. Therefore, in the third embodiment, more fluorescence can be detected as compared with the second embodiment, and high detection sensitivity can be obtained.
  • a detection unit 6 for UV absorption measurement and a detection unit 12 for fluorescence measurement are provided in different portions of the capillary array 11.
  • the array pitch pi of the capillary array 11 can be individually optimized for each measurement mode in these detection units 6 and 12.
  • the arrangement pitch pi of the capillary array 11 can be made equal in each measurement mode.
  • the section for adjusting the array pitch pi between the detection unit 6 and the detection unit 12 becomes unnecessary, so that the distance between the detection unit 6 and the detection unit 12 can be reduced. Therefore, the electrophoresis conditions (for example, the electrophoresis distance) of both measurement modes can be brought close to each other. Also, the size of the device can be reduced.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing another aspect of the detection unit 6 in the capillary electrophoresis apparatus 1 according to the fourth embodiment.
  • the same components as those shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the imaging optical system 114 is not provided with the lens 105, and instead, a connecting optical fiber 401 (“third optical fiber” within the scope of the claim) is used. It differs from the first embodiment in that the optical fiber adapter 402 is provided.
  • the optical fiber adapter 402 is a member for directly connecting the connection optical fiber 401 and the irradiation optical fiber 109, and is not interposed as an inclusion in the light propagation path like a lens. That is, the optical fiber adapter 402 has no effect on the propagating light.
  • the optical fiber adapter 402 connects the connection optical fiber 401 and the irradiation optical fiber 109, the light propagating through the connection optical fiber 401 is directly propagated (directly connected) to the irradiation optical fiber 109.
  • the incident side end face (one end face 401a) of the connection optical fiber 401 is arranged at the image formation position of the light emitting surface of the light source 101 by the image formation optical system 114.
  • one end face 401a is arranged at a position where the amount of light coupled to the connecting optical fiber 401 is maximized.
  • the emission side end face (the other end face 401b) of the connection optical fiber 401 is directly connected to the light incident side end face (one end face 109a) of the bundle 106 by the optical fiber adapter 402.
  • the light from the light source 101 is coupled to the connecting optical fiber 401, propagated through the connecting optical fiber 401, and then coupled to the bundle 106, and is divided into the number of irradiation optical fibers 109 included in the bundle 106. ..
  • the optical fiber adapter 402 since the other end face 401b and the one end face 109a are integrated by the optical fiber adapter 402, the relative positional relationship between them hardly changes. Therefore, in the fourth embodiment, it is possible to suppress the fluctuation of the amount of light coupled to the irradiation optical fiber 109 included in the bundle 106 due to the fluctuation of the component position and prevent the detection sensitivity from being lowered.
  • the core diameter of the optical fiber 401 for connection is relatively larger than the core diameter of the bundle 106 composed of the optical fiber 109 for irradiation.
  • a method of splitting light by directly connecting a bundle 106 composed of one connecting optical fiber 401 having a relatively large core diameter and an irradiation optical fiber 109 having a relatively small core diameter is described. Since it can be realized with a simpler and cheaper configuration than a method using a beam splitter, a fiber splitter, a waveguide, a diffraction grating, etc., it contributes to miniaturization and cost reduction of the device. In addition, since the energy density of light (light energy per unit area) does not decrease due to division, the energy density of light at the position where the capillary 110 is irradiated with light can be kept high, and the detection sensitivity can be increased. There are advantages.
  • the core diameter of the connecting optical fiber 401 is from the effective core diameter ECD of the bundle 106 shown in FIGS. 3A to 3C (the diameter of the minimum inclusion circle of the core 109c portion of the plurality of irradiation optical fibers 109 included in the bundle 106). It is also desirable to increase. As a result, the light can be evenly divided into the plurality of irradiation optical fibers 109, and the detection unit 6 can make the measurement conditions for all the capillaries 110 uniform.
  • the capillary electrophoresis apparatus has been described in detail in accordance with the embodiments, the gist of the present invention is not limited to this, and various modifications are included.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

高スループットなキャピラリ電気泳動装置を提供する。キャピラリ電気泳動装置（１）は、光源（１０１）と複数のキャピラリ（１１０）との間に光結合光学系（１１３）および複数の第一の光ファイバ（１０９）を有するとともに、複数のキャピラリ（１１０）と複数の検出器（１１２）との間に複数の第二の光ファイバ（１１１）を有し、光結合光学系（１１３）は、光源（１０１）からの光を複数の第一の光ファイバ（１０９）に結合させ、複数の第一の光ファイバ（１０９）は、端面（１０９ａ）が光結合光学系（１１３）に接続され、端面（１０９ｂ）が対応するキャピラリ（１１０）に近接かつ正対して配置され、複数の第二の光ファイバ（１１１）は、端面（１１１ａ）が対応するキャピラリ（１１０）に近接かつ正対して配置され、端面（１１１ｂ）が対応する検出器（１１２）に接続している。

Description

キャピラリ電気泳動装置
　本発明は、キャピラリ電気泳動装置に関する。
　バイオ医薬品は糖鎖で修飾された抗体分子ががんや希少難病等の特定標的に対して効果を発現するという低分子医薬品にない優れた作用をもっている。低分子医薬品が化学反応によって合成されるのに対し、バイオ医薬品は細胞の生体機能を利用して生成されるため、わずかな培養条件の変化によって生産物の分子構造は影響を受ける。代表的なバイオ医薬品である免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）は複雑な構造を持つ分子量１５万程度の大きな分子であり、構造の不均一性を防ぐことはほぼ不可能である。従って、バイオ医薬品において製剤の安全性・有効性を確認するための品質検査技術はより一層重要な役割を果たす。
　目的物質の構造が複雑であるためバイオ医薬品の検査項目は多岐にわたる。バイオ医薬品の検査として、例えば、検査対象物に含まれる主要成分が目的物質であることを確認する確認試験や、不純物の含量を評価する純度試験などにはキャピラリ電気泳動装置が用いられる。
　キャピラリ電気泳動装置は、キャピラリに抗体をはじめとする試料を注入して電気泳動することで、試料が分子量や電荷量に応じて分離され、キャピラリ終端付近に設けられた検出部で検出される。検出方式としては、紫外線（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ；ＵＶ）吸収、自家蛍光（Ｎａｔｉｖｅ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；ＮＦ）、レーザー誘起蛍光（Ｌａｓｅｒ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ；ＬＩＦ）などの光学方式が広く用いられている。
　これらの中でも、ＵＶ吸収計測は最も幅広く用いられている検出方式である。ＵＶ吸収計測によく用いられる波長は、芳香族アミノ酸の側鎖に吸収されやすい２８０ｎｍやペプチド結合に吸収されやすい１９０ｎｍ～２２０ｎｍなどである。光源としては重水素ランプが一般的に用いられ、バンドパスフィルタを用いて特定の波長だけを切り出して使用する。一般的なキャピラリ電気泳動装置のＵＶ吸収計測部は、光源の発光面を、レンズを用いてキャピラリの位置に結像させることで光をキャピラリに照射し、キャピラリを透過した光を検出する構成となっている。検出感度（検出可能な最小の試料濃度）は光源の発光強度分布、光源の安定性、結像倍率、キャピラリの内径、検出器のノイズなどのパラメータによって決まる。現在市場に流通しているキャピラリ電気泳動装置の感度は、ＩｇＧにおいて０．５μｇ／ｍＬ程度である。
　そのようなキャピラリ電気泳動装置に関して、例えば、特許文献１に所定のシステムが示されている。このシステムは、ハウジングと、前記ハウジング内に配置されたカートリッジリテーナであって、キャピラリを有するキャピラリカートリッジを受けるように構成されているカートリッジリテーナと、前記ハウジング内に配置された検出アセンブリであって、少なくとも１つの放射体と、第１検出器および第２検出器を含んでいる。そして、このシステムは、前記第１検出器が、前記少なくとも１つの放射体に関連する第１出力を検出する第１形態と、前記第２検出器が、前記少なくとも１つの放射体に関連する第２出力を検出する第２形態との間で遷移するように構成されている検出アセンブリを含んでいる。また、このシステムは、前記ハウジング内に移動可能に配置された試薬トレイホルダであって、前記キャピラリカートリッジのキャピラリを試薬体積と流体連通させるように、前記カートリッジリテーナに対して移動するように構成されている試薬トレイホルダを含んでいる。
特表２０１９－５０４９８９号公報
　特許文献１に示されているシステムをはじめとして、現在市場に流通しているキャピラリ電気泳動装置は、キャピラリの本数が１本であるため、１度に計測できる試料は１つである。１つの試料の計測には長い時間（典型的には３０分程度）を要するため、スループットが低いことが問題となっている。バイオ医薬品の開発はスクリーニング、構造最適化、精製工程最適化などのプロセスを経てなされるが、これらのプロセスでは条件の異なる多くの試料（バイオ医薬品の候補）を計測する必要がある。また、一般的には再現性の確認のために１つの条件について３回以上の計測が行われる。このことから、スループットの低さによって開発期間が長期化するという問題が生じるため、製薬分野においては検査装置のスループット向上が強く求められている。バイオ医薬品の開発期間を短縮することは、早期に患者にバイオ医薬品を届けることにつながるため、利益だけでなく社会的意義の観点においても重要である。また、開発段階だけでなく、製造過程や製品出荷前の品質検査においてもキャピラリ電気泳動装置の高スループット化に対するニーズは大きい。
　本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、高スループットなキャピラリ電気泳動装置を提供することを課題とする。
　前記課題を解決した本発明に係るキャピラリ電気泳動装置は、測定対象の試料が導入されて電気的に分離される複数のキャピラリと、前記複数のキャピラリで電気的に分離された前記試料を分析するための光を発生させる光源と、前記キャピラリを透過した光を検出する検出器と、を備えている。このキャピラリ電気泳動装置は、前記光源と前記複数のキャピラリとの間に光結合光学系および複数の第一の光ファイバを有するとともに、前記複数のキャピラリと前記検出器との間に複数の第二の光ファイバを有している。このキャピラリ電気泳動装置において、前記光結合光学系は、前記光源からの光を前記複数の第一の光ファイバに結合させる。このキャピラリ電気泳動装置において、前記複数の第一の光ファイバのそれぞれは、一方の端面が前記光結合光学系に接続され、他方の端面が対応する前記キャピラリに正対するように近接して配置される。また、このキャピラリ電気泳動装置において、前記複数の第二の光ファイバのそれぞれは、一方の端面が対応する前記キャピラリに正対するように近接して配置され、他方の端面が前記検出器に接続されている。
　本発明によれば、高スループットなキャピラリ電気泳動装置を提供できる。
　前記した以外の課題、構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
第一実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置の構成例を示す摸式図である。 第一実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置の検出部の構成例を示す摸式図である。 バンドルの光入射側端面における第一の光ファイバの配置例（光ファイバ７本）を示す摸式図である。 バンドルの光入射側端面における第一の光ファイバの配置例（光ファイバ８本）を示す摸式図である。 バンドルの光入射側端面における第一の光ファイバの配置例（光ファイバ１９本）を示す摸式図である。 第一の光ファイバを位置決めアレイ基板に固定した場合の構成例を示す模式平面図である。 図４Ａのｉｖｂ－ｉｖｂ断面図である。 光ファイバへの結合光量およびその安定性の位置依存性に関するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図中、横軸はバンドルの中心からの距離ｒ［μｍ］を示し、縦軸は結合光量を示す。 光ファイバへの結合光量およびその安定性の位置依存性に関するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図中、横軸はバンドルの中心からの距離ｒ［μｍ］を示し、縦軸は結合光量を示す。 ビーム径と第一の光ファイバの配置例とを説明する模式図である。 照射用光ファイバ（第一の光ファイバ）から出射した光がキャピラリを透過して検出用光ファイバ（第二の光ファイバ）に到達する様子を示したｙｚ断面模式図である。 第一の光ファイバから出射した光がキャピラリを透過して第二の光ファイバに到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。 第一の光ファイバから出射した光がキャピラリを透過して第二の光ファイバに到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。 第一の光ファイバから出射した光がキャピラリを透過して第二の光ファイバに到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。 第一の光ファイバから出射した光がキャピラリを透過して第二の光ファイバに到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。 光線追跡シミュレーションを用いて検出用光ファイバのコア径と信号光量の関係を計算した結果の一例を示すグラフである。図中、横軸は検出用光ファイバのコア径ｃ１［μｍ］を示し、縦軸は信号光量を示す。 図９の結果に基づいて計算した飽和レベルの９５％以上の信号光を検出可能な第二の光ファイバの最小コア径ｃ９５％をｃｘ，ｃｙとともにｄ１，ｄ２に対してプロットした結果を示すグラフである。図中、横軸はｄ１，ｄ２［μｍ］を示し、縦軸は検出用光ファイバのコア径ｃ１［μｍ］を示す。 ｄ１，ｄ２＝１５０μｍとした場合における迷光率［％］の検出用光ファイバのコア径に対する依存性をシミュレーションした結果を示すグラフである。図中、横軸は検出用光ファイバのコア径ｃ１［μｍ］を示し、縦軸は迷光率［％］を示す。 ｄ１，ｄ２（ｄ１＝ｄ２）に対して、検出用光ファイバのコア径ｃ１を十分大きくした場合に得られる信号光量（最大信号光量）をプロットした結果を示すグラフである。図中、横軸はｄ１，ｄ２［μｍ］を示し、縦軸は最大信号光量を示す。 １本キャピラリに対するＵＶ吸収光学系の典型例を示す模式図である。 第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置における検出部の別の態様を示す模式図である。 第三実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置の構成例を示す模式図である。 第三実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置の蛍光計測用の検出部の構成例を示す模式図である。 第四実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置における検出部の別の態様を示す模式図である。
［第一実施形態］
　以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置について詳細に説明する。
（キャピラリ電気泳動装置）
　図１は、第一実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１の構成例を示す摸式図である。図２は、第一実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１の検出部６の構成例を示す摸式図である。
　図１に示すように、キャピラリ電気泳動装置１は、測定対象の試料が導入されて電気的に分離される複数のキャピラリ１１０を備えている。この複数のキャピラリ１１０は任意の箇所から一つにまとめられてキャピラリアレイ１１となる。また、キャピラリ電気泳動装置１は、複数のキャピラリ１１０で電気的に分離された試料を分析するための光を発生させる光源１０１（図２参照）を備えている。さらに、キャピラリ電気泳動装置１は、キャピラリ１１０を透過した光を検出する検出器１１２（図２参照）を備えている。光源１０１および検出器１１２は、検出部６を構成する構成要素であり、これらについては後ほど説明する。
　そして、キャピラリ電気泳動装置１は、図２に示すように、光源１０１と複数のキャピラリ１１０との間に光結合光学系１１３および複数の照射用光ファイバ（請求の範囲の「第一の光ファイバ」）１０９を有する。また、キャピラリ電気泳動装置１は、複数のキャピラリ１１０と検出器１１２との間に複数の検出用光ファイバ（請求の範囲の「第二の光ファイバ」）１１１を有している。なお、光結合光学系１１３については後ほど説明する。
　複数の照射用光ファイバ１０９のそれぞれは、一方の端面１０９ａが光結合光学系１１３に接続され、他方の端面１０９ｂが対応するキャピラリ１１０に近接して配置されている。
　複数の検出用光ファイバ１１１のそれぞれは、一方の端面１１１ａが対応するキャピラリ１１０に近接して配置され、他方の端面１１１ｂが検出器１１２に接続されている。
　すなわち、本実施形態では、他方の端面１０９ｂがキャピラリ１１０の側面に正対するように、かつ、一方の端面１１１ａがキャピラリ１１０の側面に正対するように、かつ、他方の端面１０９ｂと一方の端面１１１ａがキャピラリ１１０を挟んで対向するように配置されている。なお、正対とは、例えば、他方の端面１０９ｂから出射された光の光軸の中心がキャピラリ１１０の軸心を通過するようにとの趣旨である。
　また、図１に示すように、キャピラリ電気泳動装置１は、電気泳動媒体が収容された電気泳動媒体容器２と、測定対象の試料が収容された複数の試料容器３と、を備えている。キャピラリ電気泳動装置１は、計測の前にキャピラリアレイ１１に含まれる複数のキャピラリ１１０がこれらの容器に接続され、電気的手段や圧力などにより電気泳動媒体と試料とを順次注入する。
　キャピラリ電気泳動装置１は、複数の注入側電極槽４と、１つの排出側電極槽７とを備えている。複数の注入側電極槽４と、１つの排出側電極槽７とにはそれぞれバッファー液が満たされており、電気泳動時にはキャピラリ１１０と電極９とが浸される。そして、高圧電源８が電圧を印加すると、試料内の分子が電気泳動により分子量や電荷量などの性質に応じて分離されながらキャピラリ１１０を注入側から排出側に向かって移動する。移動した各分子は検出部６に到達すると、光学的手段によって検出される。図示はしていないが、キャピラリ電気泳動装置１はその他に圧力調整部、制御部、信号処理部、表示部、記録部などを有する。
（検出部）
　図２に示すように、キャピラリ電気泳動装置１の検出部６は、光結合光学系１１３と複数の検出器１１２とを有している。光結合光学系１１３は、光源１０１からの光を複数の照射用光ファイバ１０９に結合させる。光結合光学系１１３は、例えば、結像光学系１１４と少なくとも１枚のレンズ１０５とから形成されている。本実施形態における結像光学系１１４は、例えば、レンズ１０２およびレンズ１０４で形成されている。結像光学系１１４は、レンズ１０２とレンズ１０４との間にバンドパスフィルタ１０３を有していてもよい。すなわち、光結合光学系１１３は、具体的な構成例として、レンズ１０２、バンドパスフィルタ１０３、レンズ１０４およびレンズ１０５で形成することが挙げられる。
　検出部６は、前記した具体的な構成例に係る光結合光学系１１３を有する場合、光源１０１から出射した光がレンズ１０２によってコリメート光に変換された後、バンドパスフィルタ１０３によって特定の波長のみが取り出される。バンドパスフィルタ１０３の透過波長は、タンパク質のＵＶ吸収計測を行う場合には２８０ｎｍや２２０ｎｍなどに設定することができる。バンドパスフィルタ１０３の透過波長は、ＮＦ計測を行う場合には２８０ｎｍなどに設定することができる。バンドパスフィルタ１０３の透過波長は、ＬＩＦ計測を行う場合には使用する蛍光色素の励起波長に設定することができる。光源１０１の発光スペクトルが目的の波長成分のみを有する場合にはバンドパスフィルタ１０３は省略することができる。光源１０１としては、例えば、ハロゲンランプ、重水素ランプなどのランプ光源、ＬＥＤ光源、レーザー光源などを用いることができる。以下では、ＵＶ吸収計測を行う場合に関して説明する。
　バンドパスフィルタ１０３を透過した光は、レンズ１０４とレンズ１０５とによって複数の照射用光ファイバ１０９を束ねた光ファイババンドル（バンドル１０６）に結合される。これにより、光はバンドル１０６に含まれる照射用光ファイバ１０９の本数分に分割される。なお、本実施形態においては、図１に示すように、前記した複数の照射用光ファイバ１０９のなかのうち少なくとも１本の光ファイバは、一方の端面１０９ａが光結合光学系１１３に接続され、他方の端面１０７ａが参照光用の検出器１０８に接続されていることが好ましい。つまり、本実施形態においては、前記した複数の照射用光ファイバ１０９のなかのうち少なくとも１本を参照光用光ファイバ１０７として用いることが好ましい。参照光用光ファイバ１０７や参照光用の検出器１０８については後述する。
　このように、バンドル１０６を用いて光を分割する方法は、ビームスプリッタ、ファイバースプリッタ、導波路、回折格子などを用いた方法と比べて簡素かつ安価な構成で実現できるので、装置の小型化・低コスト化に寄与する。また、前記した構成の光結合光学系１１３とバンドル１０６によって光を分割するため、分割によって光のエネルギー密度（単位面積当たりの光のエネルギー）の低下が生じない。そのため、キャピラリ１１０に光を照射する位置における光のエネルギー密度を高く保つことができる、つまり、検出感度を高くできるという利点がある。
　図３Ａから図３Ｃは、バンドル１０６の光入射側端面（一方の端面１０９ａ）における照射用光ファイバ１０９の配置例（それぞれ、照射用光ファイバ１０９の本数が７本、８本、１９本の場合）を示す模式図である。なお、照射用光ファイバ１０９は、一般的な光ファイバと同じく、中心部のコア１０９ｃと、その周囲を覆うクラッド１０９ｄとの二層構造となっている。コア１０９ｃは、クラッド１０９ｄと比較して屈折率が高く設計されており、光は、全反射という現象によりコア１０９ｃ内に閉じこめられた状態で伝搬する。検出用光ファイバ１１１、参照光用光ファイバ１０７および後述する接続用光ファイバ４０１も同様の構成を有する。
　図３Ａや図３Ｃに示すように、光のエネルギー利用効率を可能な限り高くするため、バンドル１０６の照射用光ファイバ１０９は、最密充填配置が望ましい。最密充填配置が不可能な照射用光ファイバ１０９の本数の場合または光ファイバの配置の制御が困難な場合も、光のエネルギー利用効率を可能な限り高くすることが望ましい。そのような場合は、例えば、図３Ｂに示すように、バンドル１０６の中心１０６ａから最外周の照射用光ファイバ１０９の中心１０９ｅまでの距離が可能な限り小さくなるように配置することが望ましい。なお、このような構成のバンドル１０６は、バンドル１０６に含まれる複数の照射用光ファイバ１０９のコア１０９ｃ部分の最小包含円の直径を実効コア径ＥＣＤとすることができる。
（ケーラー照明）
　図２に示す光結合光学系１１３のレンズ１０２、１０４、１０５は、ケーラー照明を構成している。そのため、光結合光学系１１３のレンズ１０２、１０４、１０５は、光源１０１の空間的な発光強度分布を均一化してバンドル１０６に（複数の照射用光ファイバ１０９に）光を結合することができる。レンズ１０２とレンズ１０４とは、結像光学系１１４（より詳しくは等倍結像光学系）となっている。従って、光結合光学系１１３は、結像光学系１１４と少なくとも１枚のレンズ１０５とからなっているということができる。
　光源１０１の発光面は、等倍結像光学系を構成するレンズ１０２およびレンズ１０４により所定の位置に結像する。レンズ１０５は、レンズ１０２およびレンズ１０４による光源１０１の発光面の結像位置と、レンズ１０５の光入射側の焦点位置または合成焦点位置が一致するようにして配置される。このような構成とすることで、検出部６は、バンドル１０６への結合光量の光ファイバ間のばらつきが抑制され、全ての照射用光ファイバ１０９にほぼ同じ光量を結合させることができる。そのため、検出部６は、全てのキャピラリ１１０に対する計測条件を均一化することができる。また、前記したように、検出部６は、ケーラー照明により光源１０１の空間的な発光強度分布を均一化してバンドル１０６に結合させる。そのため、検出部６は、バンドル１０６の一方の端面１０９ａの位置における外乱等による部品位置の変動に伴う結合光量のふらつきを抑制し、検出感度の低下を防ぐことができる。
　他の構成として、レンズ１０５を用いずにレンズ１０２とレンズ１０４による光源１０１の発光面の結像位置から所定の量だけ光軸方向にずらした位置にバンドル１０６の光入射側端面を配置することができる。この場合、バンドル１０６の光入射側端面における光の空間的な広がりは、結像位置にバンドル１０６の光入射側端面を配置した場合に比べて大きくなる。これにより、ある程度の照射用光ファイバ１０９への結合光量の均一化、および外乱等による部品位置の変動に伴う結合光量のふらつき抑制が可能である。
　また、光源１０１の空間的な発光強度分布が比較的均一な場合や、外乱等による部品位置の変動の影響が小さい場合には、レンズ１０５を用いずにレンズ１０２とレンズ１０４による光源１０１の発光面の結像位置に、バンドル１０６の光入射側端面を配置することが望ましい。この場合には、より少ない部品点数で同等の感度とスループットが得られる。
（参照光）
　前記したように、バンドル１０６に含まれる光ファイバのうち少なくとも１本は参照光用光ファイバ１０７として用いることが好ましい。参照光用光ファイバ１０７の光出射側端面（他方の端面１０７ａ）は、参照光用の検出器１０８に直接接続されている。参照光用光ファイバ１０７を伝搬した光は検出器１０８で検出され、光の強度をモニタすることにより、光源１０１の発光強度のふらつきに起因した検出感度の低下を信号処理により抑制できる。検出器１０８については後述する。
（光ファイバとキャピラリの近接配置）
　バンドル１０６に含まれる参照光用光ファイバ１０７以外の複数の照射用光ファイバ１０９の光出射側端面（他方の端面１０９ｂ）は、キャピラリ１１０の長さ方向に対して垂直な方向に配置されている。つまり、当該複数の照射用光ファイバ１０９の他方の端面１０９ｂは、一直線に配列されてなる複数のキャピラリ１１０の配列平面に対して平行な方向となるよう配置されている。すなわち、照射用光ファイバ１０９の他方の端面１０９ｂから出射された光がキャピラリ１１０に向けて垂直に入射するよう配置されている。また、当該複数の照射用光ファイバ１０９の他方の端面１０９ｂは、一定間隔で直線状に整列し、かつキャピラリ１１０に近接して配置されている。さらに、複数の照射用光ファイバ１０９の配列ピッチと、複数のキャピラリ１１０の配列ピッチとは一致している。つまり、複数のキャピラリ１１０のそれぞれと複数の照射用光ファイバ１０９のそれぞれとを対応させて配置している。
　以上の配置とすることで、それぞれのキャピラリ１１０における試料が注入される端面１１０ａ（図１参照）から、キャピラリ１１０中の光が照射される部位までの長さを簡素な構成で揃えることができる。より好適には、複数のキャピラリ１１０はいずれも試料を注入する端面１１０ａから、照射用光ファイバ１０９におけるキャピラリ１１０と近接して配置されている端面までの長さが等しくなるように配置することである。このようにすると、キャピラリ電気泳動装置１は、複数の試料を同一の条件で計測できる。
　また、以上の配置とすることで、それぞれの照射用光ファイバ１０９の他方の端面１０９ｂの位置と、対応するキャピラリ１１０の中心位置とを精度良く合わせることができる。なお、近接配置を行う照射用光ファイバ１０９の光出射側端面（他方の端面１０９ｂ）とキャピラリ１１０との間の距離については後述する。
　それぞれの照射用光ファイバ１０９を伝搬した光は、レンズを介さずに対応するキャピラリ１１０のそれぞれに直接照射される。なお、キャピラリ１１０は、ポリイミド被覆が施されたガラス製の細管である。各キャピラリ１１０は、光が照射される位置の近傍のポリイミド被覆をあらかじめ除去しておき、ガラスが露出されるようにしておく。
　キャピラリ１１０を透過した光はそれぞれ、光入射側端面（一方の端面１１１ａ）がキャピラリ１１０に近接して配置された、対応する検出用光ファイバ１１１に結合する。検出用光ファイバ１１１に結合した光は、検出用光ファイバ１１１を伝搬して検出器１１２に導かれる。
　なお、検出器１１２および前記した検出器１０８はともに、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ、光電子増倍管、回折格子を含む分光器などを用いることができる。これらの分光器は、複数の検出用光ファイバ１１１のそれぞれに対応して一つずつ設けることができる。また、検出器１１２については、例えば、複数の検出用光ファイバ１１１からの出射光を一括で分光可能な分光器を使用することもできる。つまり、検出器１１２は複数の検出用光ファイバ１１１からの出射光を検出用光ファイバ１１１ごとに区別して検出できればよく、その個数は限定されない。検出器１１２は、設けられた全ての検出用光ファイバ１１１の出射光を個別に検出できるのであれば１つでもよいし、２つ以上でもよい。また、検出器１１２は、検出用光ファイバ１１１に対応させて一つずつ設けてもよい（図２は、検出器１１２を検出用光ファイバ１１１に対応させて一つずつ設けた様子を図示している）。ＣＣＤカメラは、１つで複数の検出用光ファイバ１１１からの出射光を一括で分光することができる。
　前記したように、照射用光ファイバ１０９の光出射側端面（他方の端面１０９ｂ）は、キャピラリ１１０の長さ方向に対して垂直、かつ一直線に配列されてなる複数のキャピラリ１１０の配列平面に対して平行な方向となるよう配置されている。そして、検出用光ファイバ１１１の一方の端面１１１ａは、キャピラリ１１０の長さ方向に対して垂直、かつ一直線に配列されてなる複数のキャピラリ１１０の配列平面に対して平行な方向に配置されている。さらに、検出用光ファイバ１１１の一方の端面１１１ａは、一定間隔で直線状に整列し、かつキャピラリ１１０に近接して配置されている。また、複数の検出用光ファイバ１１１の配列ピッチと、複数のキャピラリ１１０の配列ピッチとは一致している。すなわち、照射用光ファイバ１０９は、照射用光ファイバ１０９の他方の端面１０９ｂから出射された光がキャピラリ１１０に垂直に入射し、キャピラリ１１０を透過してそのまま検出用光ファイバ１１１の他方の端面１１１ｂに入射するよう配置されている。
　このように、照射用光ファイバ１０９の光出射側端面（他方の端面１０９ｂ）とキャピラリ１１０との間、および検出用光ファイバ１１１の光入射側端面（一方の端面１１１ａ）とキャピラリ１１０との間にレンズを設置せず、キャピラリ１１０への光の照射とキャピラリ１１０の透過光の検出を光ファイバのみで行うことで、小型で簡素な構成でＵＶ吸収計測を実現できる。それだけでなく、レンズを用いない構成とすることはコスト低減の効果が大きい。ＵＶ吸収計測を行う場合には紫外光に対する透過率が高い光学部品を用いる必要があるが、紫外光の透過率が高い材質は高価であるため、そのような材質を用いたレンズの製造はコストを要する。また、そのようなレンズを一定間隔でアレイ化することはさらに大きなコストを要する。従って、本実施形態のように、レンズを用いない装置構成とすると、製造コストを大幅に低減できる。さらに、レンズまたはレンズアレイを特定の位置に設置する必要がなくなるので、そのために要する製造コストも削減できる。なお、近接配置を行う検出用光ファイバ１１１の光入射側端面（一方の端面１１１ａ）とキャピラリ１１０との間の距離については後述する。
　ここで、図４Ａは、照射用光ファイバ１０９を位置決めアレイ基板１１５に固定した場合の構成例を示す模式平面図である。図４Ｂは、図４Ａのｉｖｂ－ｉｖｂ断面図である。
　照射用光ファイバ１０９、検出用光ファイバ１１１およびキャピラリ１１０のうちの少なくとも１つは、例えば、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、複数の溝部１１５ａを有する位置決めアレイ基板１１５の前記溝部１１５ａによって１本ずつ位置決めされていることが好ましい。また、この位置決めアレイ基板１１５を複数有する場合は前記溝部１１５ａの位置が互いに一致していることが好ましい。照射用光ファイバ１０９、検出用光ファイバ１１１およびキャピラリ１１０は、位置決めアレイ基板１１５によって位置決めされることにより、高い位置精度で実装でき、位置ずれによって生じる検出感度の低下を抑制できる。位置決めアレイ基板１１５の溝部１１５ａは、現在の加工技術で数μｍ以下の高い精度で作製することができるので、前記したように高い位置精度で光ファイバやキャピラリ１１０の位置決めを行うことができる。位置決めアレイ基板１１５の溝部１１５ａの断面形状はＶ字型、球面型、台形型などとすることができる。
　前述したように、照射用光ファイバ１０９の光出射側端面、キャピラリ１１０および検出用光ファイバ１１１の光入射側端面の配列ピッチは互いに等しいことが好ましい。これらの配列ピッチは、小さくし過ぎると照射用光ファイバ１０９から出射した光が対応する検出用光ファイバ１１１以外の検出用光ファイバ１１１に入射し、感度が低下する。このような検出感度の低下を防ぎ、高い検出感度を得るためには、配列ピッチｐｉは下記式（１）を満たす値に設定することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、式（１）において、ｃ０は照射用光ファイバ１０９のコア径である。ｃ１は検出用光ファイバ１１１のコア径である。ｄ１は照射用光ファイバ１０９の端面１０９ｂとキャピラリ１１０との間の距離である。ｄ２は検出用光ファイバ１１１の端面１１１ａとキャピラリ１１０との間の距離である。Ｒｏｕｔはキャピラリ１１０の外径である。ＮＡは照射用光ファイバ１０９の開口数である。一例として、例えば、ｃ０＝１０５μｍ、ｃ１＝２００μｍ、ｄ１＝ｄ２＝１５０μｍ、Ｒｏｕｔ＝１５０μｍ、ＮＡ＝０．２５のとき、配列ピッチｐｉは少なくとも約２６９μｍ以上とすることが望ましい。一方で、配列ピッチｐｉを大きくし過ぎると装置が大型化してしまうため、配列ピッチｐｉは式（１）の範囲内で小さくすることが好ましい。
（効果など）
　前述したように、本実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１は、光源１０１からの光を複数の照射用光ファイバ１０９のバンドル１０６に結合させることで光を複数に分割する。また、キャピラリ電気泳動装置１は、それぞれの照射用光ファイバ１０９の一方の端面１０９ｂを対応するキャピラリ１１０に近接して配置することでそれぞれの照射用光ファイバ１０９から出射された光を直接それぞれの対応するキャピラリ１１０に照射する。そして、キャピラリ電気泳動装置１は、それぞれのキャピラリ１１０を透過したそれぞれの光を対応する検出用光ファイバ１１１に直接結合させ、検出器１１２に導くこととしている。このような構成としているので、キャピラリ電気泳動装置１は、複数の試料を複数のキャピラリ１１０でそれぞれ同時に電気泳動して検出できる。従って、キャピラリ電気泳動装置１は、従来のキャピラリ電気泳動装置よりも高いスループットが得られる。
　また、キャピラリ電気泳動装置１は、ケーラー照明でバンドル１０６に光を結合する場合、それぞれの照射用光ファイバ１０９への光の結合光量のふらつきを抑制し、光のエネルギー密度を低下させることなく光を均一かつ複数に分割できる。
　また、キャピラリ電気泳動装置１は、参照光用光ファイバ１０７を用いた場合、参照光の強度をモニタして発光強度のふらつきに起因した検出感度の低下を信号処理により抑制できる。
　さらに、キャピラリ電気泳動装置１は、キャピラリ１１０への光の照射とキャピラリ１１０の透過光の検出を光ファイバのみで行うので、小型かつ安価な構成とすることができる。
（さらなる詳細な説明）
　以下に、本実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１の構造や効果に関して、数式やシミュレーション結果に基づいてさらに詳細に説明する。
　まず、本実施形態におけるケーラー照明の効果について説明する。
　照射用光ファイバ１０９のバンドル１０６を用いて光を分割し、ＵＶ吸収計測を行う場合に重要となるのは、それぞれの照射用光ファイバ１０９への結合光量の均一性と安定性である。図５Ａおよび図５Ｂは、光ファイバへの結合光量およびその安定性の位置依存性に関するシミュレーション結果の一例を示すグラフである。図５Ａでは、均一性の検証のために、レンズ１０５を設けずにレンズ１０２とレンズ１０４とから成る結像光学系を用いた場合と、レンズ１０２、１０４、１０５から成るケーラー照明を用いた場合とについてのシミュレーション結果を示している。図５Ａは、前記両方の場合について、バンドル１０６に結合する光量が、バンドル１０６の中心からの距離ｒに対してどのように依存しているかを示している。
　シミュレーションは、光源１０１の発光強度空間分布が半値全幅約０．３５ｍｍのガウシアンを仮定した。シミュレーションの条件は、バンドパスフィルタ１０３の透過波長が２２０ｎｍ、レンズ１０２およびレンズ１０４はともに焦点距離が５０ｍｍで外径が２０ｍｍφ、レンズ１０５は焦点距離が２．７１ｍｍで外径が３ｍｍφ、光ファイバはコア径が１０５μｍでＮＡが０．２５とし、シミュレーションソフト（Ｚｅｍａｘ　ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ１７．５）を用いて光線追跡に基づいて実施した。
　図５Ａに示すように、結像光学系を用いた場合、光源１０１の発光強度空間分布が反映され、結合光量は距離ｒに対してガウシアン型の依存性を示す。そのため、結像光学系を用いた場合の結合光量は、バンドル１０６において中心に近い光ファイバほど大きく、周辺の光ファイバほど小さくなる。このように、この場合は、バンドル１０６における結合光量の位置依存性が高いため、キャピラリ１１０ごとに照射される光量が異なる。
　一方、ケーラー照明を用いた場合には、バンドル１０６の中心から±約４００μｍの領域（距離ｒ）であれば、光ファイバへの結合光量はほぼ一定の値を取る。従って、この領域内に光ファイバを複数配置した場合、全ての光ファイバに対してほぼ同じ光量の光を結合させることができる。このように、この場合は、全てのキャピラリ１１０に対してほぼ同じ光量の光が照射されるため、同一の条件で複数の異なる試料の同時計測が行える。なお、結合光量が一定となる領域（バンドル１０６の中心からの距離ｒ）は、レンズ１０４とレンズ１０５との焦点距離の比を変えることで自由に設定できる。
　結合光量の安定性に関しては、外乱等による光学部品の位置の変位の影響を考慮する必要がある。例えば、光ファイバの光入射側端面の位置が変動すると、それに伴って光ファイバへの結合光量がふらつく。光ファイバの位置（ｘ，ｙ，ｚ）における当該光ファイバへの結合光量をＩ、光ファイバの変位量を（Δｘ，Δｙ，Δｚ）とすると、光ファイバの変位に伴う結合光量のふらつきΔＩの大きさは近似的に以下の式（２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　式（２）から、光ファイバの結合光量の空間微分∇Ｉが大きければ大きいほど結合光量のふらつきΔＩが大きくなることが分かる。図５Ｂは、図５Ａの結果に基づいて計算した、光ファイバの光入射側端面の位置がｒ方向へΔｒだけ変動した際に生じる結合光量のふらつきの大きさの絶対値を示している。今回のシミュレーションでは位置の変動の大きさΔｒを０．１μｍとした。その結果、図５Ｂに示すように、結像光学系を用いた場合には、ｒ＝０μｍ以外の領域において結合光量のふらつきΔＩが大きくなっていることが分かる。これは、対応する領域において結合光量の距離ｒに対する微分が大きくなっていることを反映しており、これによって当該領域に配置された光ファイバに対応する検出感度は低下する。これに対し、ケーラー照明を用いた場合には、光強度分布を均一化する効果により、ｒ＝約－３６０μｍ～３６０μｍの範囲において結合光量のふらつきが抑制されていることが分かる。従って、この領域内に光ファイバを配置することで光ファイバへの結合光量のふらつきが抑制され、検出感度の低下を防ぐことができる。
（照射用光ファイバのコア径）
　次に、本実施形態における照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ０に関して説明する。照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ０は主に分解能、スループット、検出感度の３つの性能の観点で決定される。
　分解能は、電気泳動時にキャピラリ１１０を流れる異なる種類の分子を分離して検出する能力であり、キャピラリ１１０に対する光の照射領域の長さ方向の幅ΔＬが小さいほど高くなる。このΔＬは、簡単のために照射用光ファイバ１０９から出射した光がキャピラリ１１０の内部に到達するまでの光の空間的な広がりおよびキャピラリ１１０での光の屈折を無視すると、近似的に以下の式（３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　スループットは、同時に光を照射可能なキャピラリ１１０の本数、すなわちバンドル１０６に含まれる照射用光ファイバ１０９の本数が多いほど高くなる。照射用光ファイバ１０９の本数Ｎは、バンドル１０６の光入射側端面における光の断面積に対する光ファイバの断面積の比に概ね比例するため、近似的に以下の式（４）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、式（４）において、Ｄはバンドル１０６の光入射側端面における光のビーム径、ｃ０’（＞ｃ０）は照射用光ファイバ１０９のクラッド径である。クラッド径ｃ０’は、例えば、コア径ｃ０が１０５μｍの場合は１２５μｍ程度、コア径が２００μｍの場合は２２０μｍ程度が一般的であり、コア径よりも１～２割程度大きな値となる。従って、αを１．１から１．２の間の定数とすると、ｃ０’＝αｃ０と表すことができるので、式（４）はコア径ｃ０を用いて以下の式（５）と書き換えることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　検出感度は、キャピラリ１１０の内部（試料が通過する部分）に照射される光量Ｐが大きいほど高くなる。光量Ｐは、バンドル１０６に入射する光の総光量をＰ０として、ケーラー照明により光の強度分布が均一化されていることを考慮し、簡単のために照射用光ファイバ１０９から出射した光がキャピラリ１１０の内部に到達するまでの光の空間的な広がりおよびキャピラリ１１０での光の屈折を無視すると、近似的に以下の式（６）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、式（６）において、Ｒｉｎはキャピラリ１１０の内径であり典型的には５０μｍ程度である。光量Ｐの表式が条件によって異なるのは、ｃ０≦Ｒｉｎの場合には照射用光ファイバ１０９から出射した光の全てがキャピラリ１１０の内部に照射されるのに対して、ｃ０＞Ｒｉｎの場合はその一部がキャピラリ１１０の内部に照射されるためである。ここでは説明の簡略化のために光の広がりや屈折を無視する近似に基づいた数式を用いたが、これらの効果を考慮した場合にもコア径ｃ０と性能の定性的な関係は変わらない。
　式（３）、（５）、（６）から分かるように、スループット・分解能と検出感度とはトレードオフの関係にあり、コア径ｃ０を小さくするとスループットと分解能は向上するが検出感度は低下する。従って、コア径ｃ０は目標とする装置の仕様に合わせて決める必要がある。本発明者らは実際にＵＶ吸収計測の実験を行うことで、従来のキャピラリ電気泳動装置と同等の検出感度が達成可能であることを見出した。なお、当該ＵＶ吸収計測の実験は、市販の重水素ランプを用いて、例えば、ビーム径Ｄを６００μｍ、照射用光ファイバ１０９のクラッド径ｃ０’を１２５μｍ、コア径ｃ０を１０５μｍとすることで行った。このときの光の照射領域の幅ΔＬは１０５μｍとなった。これは従来のキャピラリ本数が１本のキャピラリ電気泳動装置での値（２００～８００μｍ）以下である。このことから、本実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１は、従来のキャピラリ電気泳動装置よりも高い分解能を有することが分かる。なお、図６は、ビーム径Ｄと照射用光ファイバ１０９の配置例とを説明する模式図である。図６に示すように、ビーム径Ｄが６００μｍのビーム領域の中にはクラッド径ｃ０’が１２５μｍ（コア径ｃ０が１０５μｍ）の照射用光ファイバ１０９を１４本配置できる。従って、この場合、本実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１は、従来のキャピラリ電気泳動装置の１４倍のスループットが得られる。
（検出用光ファイバのコア径）
　次に、本実施形態における検出用光ファイバ１１１のコア径に関して説明する。検出用光ファイバ１１１のコア径は主に検出感度とクロストークの観点で決定される。検出感度の観点で言えば、キャピラリ１１０の内部を透過した光（以下、信号光と称する）の大部分を検出可能な程度に大きな値とすることが好ましい。照射用光ファイバ１０９から出射した光は検出用光ファイバ１１１に到達するまでに光軸と垂直な方向に広がる。そのため、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１は、照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ０よりも大きく設定することが好ましい。このようにすると、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１を照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ１と同一にする場合よりも多くのキャピラリ透過光を検出でき、検出感度が向上する。一方で、検出用光ファイバ１１１のコア径を必要以上に大きな値にすると、ノイズの元となるキャピラリ１１０の内部以外を透過した光（以下、迷光と称する）を検出して逆に検出感度が低下する可能性がある。それだけでなく、隣接する他のキャピラリ１１０の内部を透過した光（以下、クロストーク光と称する）を検出し、クロストークが発生するリスクも高まる。
　図７Ａは、照射用光ファイバ１０９から出射した光がキャピラリ１１０を透過して検出用光ファイバ１１１に到達する様子を示したｙｚ断面模式図である。図７Ｂは、照射用光ファイバ１０９から出射した光がキャピラリ１１０を透過して検出用光ファイバ１１１に到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。ここで、図７Ａおよび図７Ｂ中のｙ方向はキャピラリ１１０の長さ方向、ｚ方向は光の出射方向、ｘ方向はｙｚ平面に垂直な方向である。
　図７Ａに示すように、キャピラリ１１０の中心でのｙｚ断面においては、照射用光ファイバ１０９から出射した光は全てキャピラリ１１０の内部を通過する。従って、ｙｚ断面上においては、全ての信号光を検出するためには検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｙを、照射用光ファイバ１０９から出射した全ての光が結合するように定めればよい。この場合の検出用光ファイバ１１１のｙ方向のコア径ｃｙは、図７Ａより、キャピラリ１１０での光の屈折を無視すると以下の式（７）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、θは図７Ａに示した照射用光ファイバ１０９からの光の発散角である。ＮＡ＝ｓｉｎθの関係を用いると、ｔａｎθ＝ＮＡ／√（１－ＮＡ２）と表せるため、式（７）はＮＡを用いて式（８）と書き換えることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　一方で、図７Ｂに示すように、キャピラリ１１０の中心でのｘｚ断面においては、照射用光ファイバ１０９から出射した光は必ずしも全てキャピラリ１１０の内部を通過しない。以下では、ｘｚ断面において全ての信号光を検出するために必要な最小の検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｘを、条件ごとに分けて求める。キャピラリ１１０の中心位置を原点として、ｘｚ平面において傾きがｔａｎθであり、キャピラリ１１０の内部に接する直線（原点中心で直径Ｒinの円の接線）の方程式をｘ＝ｆ（ｚ）とすると、ｆ（ｚ）は以下の式（９）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　ｆ（ｚ）の照射用光ファイバ１０９の光出射側端面における値（式（１０））と±ｃ０／２の大小関係によって検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｘの表式は異なる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　図８Ａから図８Ｃはいずれも、それぞれの図中に示す条件で照射用光ファイバ１０９から出射した光がキャピラリ１１０を透過して検出用光ファイバ１１１に到達する様子を示したｘｚ断面模式図である。
　図８Ａに示した２ｆ（－（ｄ１＋Ｒｏｕｔ／２））＞ｃ０の場合には、照射用光ファイバ１０９から出射した全ての光はキャピラリ１１０の内部（内径内）を通過する。そのため、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｘはキャピラリ１１０での光の屈折を無視すると以下の式（１１）のように検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｙと同じ式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　図８Ｂに示した－ｃ０≦２ｆ（－（ｄ１＋Ｒｏｕｔ／２））≦ｃ０の場合には、キャピラリ１１０での光の屈折を無視すると、ｃｘはｆ（ｚ）の検出用光ファイバ１１１の光入射側端面における値ｆ（ｄ２＋Ｒｏｕｔ／２）を用いて以下の式（１２）のように求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　図８Ｃに示した２ｆ（－（ｄ１＋Ｒｏｕｔ／２））＜－ｃ０の場合には、キャピラリ１１０での光の屈折を無視すると、ｃｘは図中に示した直線ｘ＝ｇ（ｚ）（座標（ｘ，ｚ）＝（－ｃ０／２，－（ｄ１＋Ｒｏｕｔ／２））を通り、キャピラリ１１０の内部に接する直線のうち傾きの大きい方）の検出用光ファイバ１１１の光入射側端面における値ｇ（ｄ２＋Ｒｏｕｔ／２）を用いてｃｘ＝２ｇ（ｄ２＋Ｒｏｕｔ／２）と表すことができる。傾きをｍとするとｇ（ｚ）は以下の式（１３）と表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　式（１３）にｚ＝ｄ２＋Ｒｏｕｔ／２を代入すると、ｃｘは以下の式（１４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　傾きｍは、直線ｘ＝ｇ（ｚ）が以下の式（１５）で表されるキャピラリ１１０の内径部分を表す円の接線である条件から定まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　ｇ（ｚ）が式（１３）で表される円の接線であるためには、式（１３）と式（１５）のｘｚ平面における交点が１つでなくてはならない。すなわち、式（１３）で与えられるｘ＝ｇ（ｚ）を式（１４）に代入して得られるｚに関する２次方程式の判別式が０でなくてはならない。この条件は以下の式（１６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　式（１６）をｍについて解くことで、ｍに関する表式を得ることができる。式（１６）を満たすｍに関する表式は２つ得られるが、図８Ｃに示したｇ（ｚ）はこれら２つの式のうち常により大きな値を与える方であり、以下の式（１７）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　以上の結果をまとめると、全ての信号光を検出するために必要な最小の検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｘは以下の式（１８）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　上述のように、全ての信号光を検出するために必要な最小の検出用光ファイバ１１１のコア径ｃｘおよびコア径ｃｙはｘｚ断面とｙｚ断面とで異なる。従って、検出用光ファイバ１１１のコア形状は理想的には楕円が好ましいが、コア形状が楕円の光ファイバは一般には流通していないため実際にはそのような光ファイバの適用は困難である。ｃｙ＞ｃｘであるため、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１をｃｙに設定することで全ての信号光を検出可能である。しかし、その場合には迷光やクロストーク光が検出されることで信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下する可能性が高まる。そのため、本実施形態においては、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１がｃｘ＜ｃ１＜ｃｙを満たすようにすることが好ましい。このようにすると、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１を照射用光ファイバ１０９と同一とする場合よりもキャピラリ１１０を透過した光を多く検出できるので、検出感度が向上する。また、それとともに、キャピラリ１１０の内部以外を透過した不要な光の検出量を小さくできるので、検出感度が向上する。
　図９は、シミュレーションソフト（Ｚｅｍａｘ　ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ１７．５）を用いて光線追跡シミュレーションを行い、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１と信号光量との関係を計算した結果の一例を示すグラフである。シミュレーションは、図２に示す光学系において、レンズ１０５を用いないで行った。つまり、当該シミュレーションは、レンズ１０２とレンズ１０４による光源１０１の発光面の結像位置にバンドル１０６の光入射側端面を配置してバンドル１０６の中心に配置された照射用光ファイバ１０９に光を結合させ、対応するキャピラリ１１０に照射される光に関して実施した。
　シミュレーションの条件は、光源１０１の発光強度空間分布が半値全幅約０．３５ｍｍのガウシアン、光源１０１からの光の発散角が±２０度、バンドパスフィルタ１０３の透過波長が２２０ｎｍ、レンズ１０２およびレンズ１０４の焦点距離がともに２１．５ｍｍ、レンズ１０２およびレンズ１０４の有効径がともに１０ｍｍ、キャピラリ１１０の屈折率が１．４５８、キャピラリ１１０内部の屈折率が１．３３、ｃ０＝１０５μｍ、Ｒｉｎ＝５０μｍ、Ｒｏｕｔ＝１５０μｍ、ＮＡ＝０．２５である。このシミュレーションをｄ１，ｄ２＝０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍの場合について行った。なお、ｃ０、Ｒｉｎ、Ｒｏｕｔ、ＮＡ、ｄ１、ｄ２はそれぞれ前記したものと同義である。
　図９の縦軸は、光源１０１から出射される波長２２０ｎｍの光の総光量を１としたときの値である。図９に示すように、ｄ１，ｄ２がいずれの場合であっても、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１の増大とともに信号光量が増大するが、ある値以上で飽和することが分かる。
　図１０は、図９の結果に基づいて計算した飽和レベルの９５％以上の信号光を検出可能な検出用光ファイバ１１１の最小コア径ｃ９５％を、ｃｘ，ｃｙとともにｄ１，ｄ２に対してプロットした結果を示すグラフである。図中、検出用光ファイバ１１１の最小コア径ｃ９５％を「▲」で示している。ここで、ｃｘは－ｃ０≦２ｆ（－（ｄ１＋Ｒｏｕｔ／２））≦ｃ０の場合に相当する値が用いられている。
　図１０に示すように、信号光の大部分（９５％以上）を検出可能な検出用光ファイバ１１１の最小コア径ｃ９５％は、ｃｘからｃｙの間に存在していることが分かる。例えば、ｄ１，ｄ２＝１５０μｍとし、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１を照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ０と同じ１０５μｍに設定した場合の信号光量は、約０．００４（図９）となる。これは、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１を十分大きな値に設定したときの信号光量の飽和レベル０．０１２の約３３％である。これに対し、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１をｃｘ（≒１６６μｍ）からｃｙ（≒３３７μｍ）の間に設定した場合の信号光量は約０．００９６から約０．０１２となる（図９）。これは飽和レベルの約７５％から９９．９％である。このように、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１をｃｘからｃｙの間に設定する（ｃｘ＜ｃ１＜ｃｙ）ことで、照射用光ファイバ１０９のコア径ｃ０と同じにする場合よりも多くの信号光を検出できる。
　図１１は、ｄ１，ｄ２＝１５０μｍとした場合における迷光率［％］の検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１に対する依存性を、シミュレーションソフト（Ｚｅｍａｘ　ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ１７．５）を用いて計算した結果を示すグラフである。なお、本明細書において、迷光率とは、検出用光ファイバ１１１に結合する総光量に対する迷光量の割合をいう。図１１に示すように、コア径ｃ１が２００μｍ程度まではコア径ｃ１の増加に伴い迷光率はほぼ単調に減少し、さらに２２５μｍ辺りまではわずかに減少するが、２２５μｍ以上では増加に転じていることが分かる。これは、直径２２５μｍ以内の円形領域においては信号光のエネルギー密度が迷光のエネルギー密度よりも大きく、直径２２５μｍ以上の領域においてはその大小関係が逆転していることを意味している。従って、ｄ１，ｄ２＝１５０μｍの場合、かつ検出器１１２のノイズよりも光強度のノイズが支配的な場合には、迷光率が大きくなるとＳＮＲが低下するため２２５μｍが最適な検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１となる。また、図１１中、点線で図示したように、迷光率の観点で最適なコア径ｃ１もｃｘとｃｙの間に存在している（ｃｘ＜ｃ１＜ｃｙ）ことが分かる。
　以上の結果から、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１をｃｘからｃｙの間に設定することで、照射用光ファイバ１０９と同じコア径に設定した場合よりもより多くの信号光を検出できる。また、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１をｃｘからｃｙの間に設定することで、ｃｙ以上のコア径に設定した場合よりも迷光率やクロストークを小さくすることができるため、高い検出感度が得られる。
　図１２は、ｄ１，ｄ２（ｄ１＝ｄ２）に対して、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１を十分大きくした場合に得られる信号光量（最大信号光量）をプロットした結果を示すグラフである。ｄ１，ｄ２は小さいほど最大信号光量が大きくなるため性能の観点からはｄ１，ｄ２は可能な限り小さくすることが望ましい。しかし、部品同士の接触による部品の破損や性能低下を避けるため、実際には数十～数百μｍ程度に設定するのが適切である。
（所定の感度を得るための好適な条件）
　次に、本実施形態において所定の感度を得るための好適な信号光量を定義し、その信号光量を得るのに好適な条件について説明する。信号光量の基準値を定めるために、図１３に示した１本のキャピラリ１３１に対するＵＶ吸収光学系１３０の典型例について考える。光源である重水素ランプ１３２の発光面が、２枚のレンズＬ１，Ｌ２から成る結像光学系Ｌ３によってキャピラリ１３１の位置に結像される。なお、レンズＬ２とキャピラリ１３１との間、かつキャピラリ１３１近傍にはスリット１３３が配置されており、スリット１３３を透過した一部の光がキャピラリ１３１に照射される。このとき、２枚のレンズＬ１，Ｌ２の間に設けられたバンドパスフィルタ１３４によって計測に用いる波長成分のみが切り出される。キャピラリ１３１を透過した光の一部が光ファイババンドル１３５に結合し、検出器であるフォトダイオード１３６で検出される。スリット１３３はキャピラリ１３１の内部以外に光が照射されるのを可能な限り防ぐ役割と、キャピラリ１３１の長さ方向に対する光の照射領域幅を制限して分解能を規定する役割とを果たしている。
　このＵＶ吸収光学系１３０においては、結像光学系の倍率を低くしてキャピラリ１３１へ照射される光のスポットサイズを小さくするほどキャピラリ１３１の内部を透過する光量は大きくなる。しかし、最終的に検出される光ファイババンドル１３５への結合光量は光ファイバの開口数ＮＡｆにより上限が決まっている。そのため、レンズＬ２の開口数はＮＡｆ程度であれば十分であり、それ以上に大きな値にしたとしても検出光量はほとんど増加しない。このことから、開口数ＮＡｆ程度の同一のレンズを使用して等倍結像とすることが照射光量を最大化する最も安価で簡素な構成であると言える。従って、本実施形態においては、図１３に示すＵＶ吸収光学系１３０において等倍結像時に得られる信号光量を、所定の感度を達成するために必要な信号光量の基準値Ｐｃと定義することとした。
　典型的な条件を仮定し、シミュレーションソフト（Ｚｅｍａｘ　ＯｐｔｉｃＳｔｕｄｉｏ１７．５）を用いて光線追跡シミュレーションを行い、図１３に示すＵＶ吸収光学系１３０において得られる信号光量を評価した。その結果、得られる信号光量は、光源である重水素ランプ１３２から出射される計測波長成分の総光量の約１％となった。なお、シミュレーションの条件として、光ファイババンドル１３５はコア径３２０μｍの光ファイバが直径１ｍｍの範囲内に７本配置されているものを仮定した。そのため、スリット１３３のキャピラリ１３１の長さ方向の幅は２００μｍ、スリット１３３のキャピラリ１３１の長さ方向と垂直な方向の幅は１００μｍに設定した。光源（重水素ランプ１３２）、レンズＬ１，Ｌ２、バンドパスフィルタ１３４に関する条件は、図９の結果を得る際の条件と同一である。シミュレーションと実機との差異や光源の総発光量の製品ごとのばらつきに起因する誤差が２割程度存在すると仮定して、基準値Ｐｃは０．８％とした。この基準値Ｐｃは、典型的な１本キャピラリのＵＶ吸収光学系１３０において得られる信号光量の典型的な値と解釈することができる。
　本実施形態において信号光量が基準値Ｐｃである０．８％よりも大きくするために好適な条件の例について説明する。図９の結果から、最も信号光量が大きくなるｄ１，ｄ２＝０μｍの場合に信号光量が０．８％以上となる検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１は約６０μｍ以上であることが分かる。そのため、検出用光ファイバ１１１のコア径ｃ１は少なくとも６０μｍ以上とすることが好ましいと言える。また、図１２に示した結果から、信号光量が０．８％以上となるためにはｄ１，ｄ２はそれぞれ約３００μｍ以下であることが好ましいと言える。これらの条件を満たすように構成することで、所定の感度をより確実に達成できる。
［第二実施形態］
　ここまで本実施形態について代表的にＵＶ吸収計測を行う場合について説明した。本実施形態は、例えば、フォトダイオードなどの検出器１１２の前に励起波長成分を遮断して蛍光波長を透過するロングパスフィルタなどを挿入することで、ＮＦ計測やＬＩＦ計測にも適用できる。以下に、第二実施形態として、ＵＶ吸収計測とＬＩＦ計測とを同一の装置で行うことのできるキャピラリ電気泳動装置１について説明する。
　図１４は、第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１における検出部６の別の態様を示す模式図である。なお、図１４に関しては、図２に示した構成要素と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。図１４に示すように、第二実施形態は、蛍光計測（ＮＦやＬＩＦ）のための第二の光源（光源２０１）、レンズ２０２および着脱可能なロングパスフィルタ２０３が、キャピラリ１１０に近接して設けられている点で第一実施形態と異なる。レンズ２０２は、例えば、コリメートレンズであり、光源２０１からの励起光をコリメート光に変換して複数のキャピラリ１１０に対して照射する光照射部としての役割を果たす。
　図１４に示すように、第二実施形態における検出部６では、レンズ２０２による複数のキャピラリ１１０への光の照射方向は、複数の照射用光ファイバ１０９によるキャピラリ１１０への光の照射方向およびキャピラリ１１０の長さ方向の両方に対して垂直となるように設定されている。また、レンズ２０２による複数のキャピラリ１１０への光の照射は、キャピラリ１１０の内部を通るように設定されている。
　このような構成としているので、第二実施形態における検出部６では、光源２０１から出射した励起光がレンズ２０２によってコリメート光に変換される。そして、このコリメート光がキャピラリアレイ１１に対してキャピラリ１１０の配列方向に向かって入射する。これによって、単一の光源２０１を用いて複数のキャピラリ１１０に対して励起光を一括照射することができる。キャピラリ１１０内を移動する試料に励起光が照射されると、試料から蛍光（自家蛍光または蛍光色素からの蛍光）が発生する。そして、発生した蛍光の一部が検出用光ファイバ１１１に結合する。検出用光ファイバ１１１を伝搬した蛍光はロングパスフィルタ２０３を透過して検出器１１２によって検出される。ロングパスフィルタ２０３は、キャピラリ１１０によって散乱されて検出用光ファイバ１１１に結合した励起光を遮断する役割を果たす。また、ロングパスフィルタ２０３は着脱可能となっており、ＵＶ吸収計測を行う場合には外し、蛍光計測を行う場合には設置される。
　前述したように、第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１においては説明を省略したが、第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１は第一実施形態と同様に動作して光源１０１に基づくＵＶ吸収計測を行う。そして、第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１はそれと同時にＬＩＦ計測を行う。
　このとき、第二実施形態においては、第一実施形態の光源１０１を励起光源として用いる場合と比べると、キャピラリ１１０を透過した励起光が検出用光ファイバ１１１に直接入射しない。そのため、第二実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１は、検出用光ファイバ１１１へ結合する励起光量を抑制できる。これにより、より高い感度で蛍光計測を行うことができる。
［第三実施形態］
　図１５は、第三実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１の構成例を示す模式図である。なお、図１５に関しては、図１に示した構成要素と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。図１５に示すように、第三実施形態は、試料の電気泳動上、ＵＶ吸収計測用の検出部６の下流に、蛍光計測用の検出部１２をさらに有している点で第一実施形態と異なる。なお、検出部６の構成は図２に示した通りである。以下、検出部１２の構成について説明する。
　図１６は、第三実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１の蛍光計測用の検出部１２の構成例を示す模式図である。
　図１６に示すように、第三実施形態における蛍光計測用の検出部１２では、レンズ２０２による複数のキャピラリ１１０への光の照射方向は、複数の照射用光ファイバ１０９（図１６には図示なし）によるキャピラリ１１０への光の照射方向およびキャピラリ１１０の長さ方向の両方に対して垂直となるように設定されている。また、レンズ２０２による複数のキャピラリ１１０への光の照射は、キャピラリ１１０の内部を通るように設定されている。
　このような構成としているので、図１６に示すように、検出部１２は、第二実施形態と同様、光源２０１から出射された励起光がレンズ２０２によってコリメート光に変換される。そして、このコリメート光がキャピラリアレイ１１に対してキャピラリ１１０の配列方向に向かって入射する。キャピラリ１１０の中の試料から発生した蛍光はレンズアレイ３０１によってコリメート光に変換される。そして、このコリメート光はロングパスフィルタ３０２を透過してレンズアレイ３０３によって集光され、検出器であるフォトダイオードアレイ３０４によって検出される。
　第三実施形態においては、蛍光をフォトダイオードアレイ３０４へ導く手段としてレンズアレイ３０１およびレンズアレイ３０３を用いている。レンズは光ファイバと比べて開口数を大きくすることが容易である。そのため、第三実施形態においては第二実施形態と比べてより多くの蛍光を検出することができ、高い検出感度が得られる。
　また、第三実施形態では、図１５に示しているように、キャピラリアレイ１１の異なる部分にＵＶ吸収計測用の検出部６と蛍光計測用の検出部１２とを設けている。このようにすることで、これらの検出部６、１２においてキャピラリアレイ１１の配列ピッチｐｉをそれぞれの計測モードに対して個別に最適化することができる。
　また、これらの検出部６、１２においてキャピラリアレイ１１の配列ピッチｐｉをそれぞれの計測モードで等しくすることができる。このようにすると、検出部６と検出部１２との間で配列ピッチｐｉを調節するための区間が不要になるので、検出部６と検出部１２との距離を縮小することができる。従って、両計測モードの電気泳動条件（例えば、電気泳動距離）を近づけることができる。また、装置のサイズを縮小することができる。
［第四実施形態］
　図１７は、第四実施形態に係るキャピラリ電気泳動装置１における検出部６の別の態様を示す模式図である。なお、図１７に関しては、図２に示した構成要素と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。図１７に示すように、第四実施形態は、結像光学系１１４にレンズ１０５が設けられておらず、代わりに接続用光ファイバ４０１（請求の範囲の「第三の光ファイバ」）と、光ファイバアダプタ４０２と、が設けられている点で第一実施形態と異なる。ここで、光ファイバアダプタ４０２は、接続用光ファイバ４０１と照射用光ファイバ１０９とを直接接続するための部材であり、レンズのように光の伝搬経路上に介在物として介するものではない。すなわち、光ファイバアダプタ４０２は、伝搬する光に対して何ら影響を与えない。光ファイバアダプタ４０２が接続用光ファイバ４０１と照射用光ファイバ１０９とを接続することによって、接続用光ファイバ４０１を伝搬する光は照射用光ファイバ１０９に直接伝搬（直接接続）される。
　接続用光ファイバ４０１の入射側端面（一方の端面４０１ａ）は、結像光学系１１４による光源１０１の発光面の結像位置に配置されている。言い換えると、一方の端面４０１ａは接続用光ファイバ４０１への結合光量が最大となる位置に配置されている。一方、接続用光ファイバ４０１の出射側端面（他方の端面４０１ｂ）は光ファイバアダプタ４０２によってバンドル１０６の光入射側端面（一方の端面１０９ａ）に直接接続されている。これにより、光源１０１からの光は接続用光ファイバ４０１へ結合し、接続用光ファイバ４０１を伝搬したのちバンドル１０６に結合し、バンドル１０６に含まれる照射用光ファイバ１０９の本数分に分割される。
　このような構成においては、接続用光ファイバ４０１への結合光量の一方の端面４０１ａの位置に対する微分係数がゼロになるため、一方の端面４０１ａの位置の変動によって生じる結合光量のふらつきを小さくすることができる。これは、図５Ｂに示したように、第一実施形態においてケーラー照明を用いない場合（結像光学系を用いた場合）であってもバンドルの中心（ｒ＝０μｍ）に配置された照射用光ファイバ１０９への結合光量のふらつきは小さいことと同じ理由である。
　さらに、他方の端面４０１ｂと一方の端面１０９ａは光ファイバアダプタ４０２によって一体化しているため、両者の相対的な位置関係はほとんど変化することがない。したがって、第四実施形態においては部品位置の変動によるバンドル１０６に含まれる照射用光ファイバ１０９への結合光量のふらつきを抑制し、検出感度の低下を防ぐことができる。
　なお、接続用光ファイバ４０１のコア径は、照射用光ファイバ１０９から成るバンドル１０６のコア径よりも相対的に大きいことが望ましい。このように相対的に大きなコア径をもつ１本の接続用光ファイバ４０１と相対的に小さなコア径を持つ照射用光ファイバ１０９から成るバンドル１０６を直接接続することで光を分割する方法は、ビームスプリッタ、ファイバースプリッタ、導波路、回折格子などを用いた方法と比べて簡素かつ安価な構成で実現できるので、装置の小型化・低コスト化に寄与する。また、分割によって光のエネルギー密度（単位面積当たりの光のエネルギー）の低下が生じないため、キャピラリ１１０に光を照射する位置における光のエネルギー密度を高く保つことができ、検出感度を高くできるという利点がある。
　接続用光ファイバ４０１のコア径は、図３Ａから図３Ｃに示したバンドル１０６の実効コア径ＥＣＤ（バンドル１０６に含まれる複数の照射用光ファイバ１０９のコア１０９ｃ部分の最小包含円の直径）よりも大きくすることが望ましい。これにより、複数の照射用光ファイバ１０９に均等に光を分割することができ、検出部６は、全てのキャピラリ１１０に対する計測条件を均一化することができる。
　以上、本発明に係るキャピラリ電気泳動装置について実施形態により詳細に説明したが、本発明の主旨はこれに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１　　　キャピラリ電気泳動装置
　２　　　電気泳動媒体容器
　３　　　試料容器
　４　　　注入側電極槽
　６、１２　検出部
　７　　　排出側電極槽
　８　　　高圧電源
　９　　　電極
　１１　　キャピラリアレイ
　１０１　光源
　１０２、１０４、１０５　レンズ
　１０３　バンドパスフィルタ
　１０６　バンドル（光ファイババンドル）
　１０６ａ　中心
　１０７　参照光用光ファイバ
　１０７ａ　端面
　１０８、１１２　検出器
　１０９　照射用光ファイバ（第一の光ファイバ）
　１０９ａ、１０９ｂ　端面
　１０９ｃ　コア
　１０９ｄ　クラッド
　１０９ｅ　中心
　１１０　キャピラリ
　１１０ａ　端面
　１１１　検出用光ファイバ（第二の光ファイバ）
　１１１ａ、１１１ｂ　端面
　１１３　光結合光学系
　１１４　結像光学系
　１１５　位置決めアレイ基板
　１１５ａ　溝部
　２０１　光源
　２０２　レンズ
　２０３　ロングパスフィルタ
　３０１、３０３　レンズアレイ
　３０２　ロングパスフィルタ
　３０４　フォトダイオードアレイ
　４０１　接続用光ファイバ（第三の光ファイバ）
　Ｄ　　　ビーム径
　Ｌ　　　距離（複数の照射用光ファイバ（第一の光ファイバ）のバンドルの最小包含円の中心から最外周の光ファイバの中心までの距離）
　Ｌ３　　　結像光学系
　Ｌ１、Ｌ２　レンズ
　ｃ０’　　クラッド径
　ｃ０　　コア径（照射用光ファイバ（第一の光ファイバ））
　ｃ１　　コア径（検出用光ファイバ（第二の光ファイバ））
　ｃ９５％　最小コア径
　ｃｙ、ｃｘ　コア径
　ｐｉ　　配列ピッチ
　ｒ　　　距離（バンドルの中心からの距離）

Claims (13)

  1. 　測定対象の試料が導入されて電気的に分離される複数のキャピラリと、
    　前記複数のキャピラリで電気的に分離された前記試料を分析するための光を発生させる光源と、
    　前記キャピラリを透過した光を検出する検出器と、を備え、
    　前記光源と前記複数のキャピラリとの間に光結合光学系および複数の第一の光ファイバを有するとともに、前記複数のキャピラリと前記検出器との間に複数の第二の光ファイバを有し、
    　前記光結合光学系は、前記光源からの光を前記複数の第一の光ファイバに結合させ、
    　前記複数の第一の光ファイバのそれぞれは、一方の端面が前記光結合光学系に接続され、他方の端面が対応する前記キャピラリに正対するように近接して配置され、
    　前記複数の第二の光ファイバのそれぞれは、一方の端面が対応する前記キャピラリに正対するように近接して配置され、他方の端面が前記検出器に接続されていることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
  2. 　前記第二の光ファイバのコア径は、前記第一の光ファイバのコア径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  3. 　前記第二の光ファイバのコア径ｃ1が下記式（１）を満たすことを特徴する請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
      （ただし、式（１）において、ｃｘおよびｃｙは、前記第一の光ファイバのコア径をｃ０、前記第一の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離をｄ１、前記第二の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離をｄ２、前記第一の光ファイバの開口数をＮＡ、前記キャピラリの内径をＲｉｎ、前記キャピラリの外径をＲｏｕｔとしたとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
    であり、ｍは、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
    である。）
  4. 　前記光結合光学系は、前記光源の空間的な光強度分布を均一化して前記複数の第一の光ファイバに結合させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  5. 　前記光結合光学系は、結像光学系と少なくとも１枚のレンズとから成り、前記少なくとも１枚のレンズの焦点位置または合成焦点位置は、前記結像光学系による前記光源の発光面の結像位置と一致することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  6. 　前記光結合光学系は、結像光学系と第三の光ファイバとから成り、前記第三の光ファイバの一方の端面は前記結像光学系による前記光源の発光面の結像位置に配置され、他方の端面が前記複数の第一の光ファイバに直接接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  7. 　前記複数の第一の光ファイバの一方の端面は、１つに束ねられることでバンドルを形成しており、前記第三の光ファイバのコア径は、前記バンドルに含まれる複数の光ファイバのコアの最小包含円の直径よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  8. 　前記複数の第一の光ファイバのなかの光ファイバのうち少なくとも１本の光ファイバは、一方の端面が前記光結合光学系に接続され、他方の端面が参照光用の検出器に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  9. 　前記複数の第一の光ファイバは、前記複数のキャピラリのそれぞれに対応して近接して配置されている端面が、下記式（２）を満たす配列ピッチｐｉで設けられていることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     （ただし、式（２）において、ｃ０は前記第一の光ファイバのコア径、ｃ１は前記第二の光ファイバのコア径、ｄ１は前記第一の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離、ｄ２は前記第二の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離、Ｒｏｕｔは前記キャピラリの外径、ＮＡは前記第一の光ファイバの開口数である。）
  10. 　前記複数のキャピラリ、前記複数の第一の光ファイバおよび前記複数の第二の光ファイバのうちの少なくとも１つが、複数の溝部を有する位置決めアレイ基板の前記溝部によって１本ずつ位置決めされているとともに、前記位置決めアレイ基板を複数有する場合は前記溝部の位置が互いに一致していることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  11. 　第二の光源と、前記第二の光源からの光を前記複数のキャピラリに対して照射する光照射部と、をさらに有し、前記光照射部による前記複数のキャピラリへの光の照射方向は、前記複数の第一の光ファイバによる前記キャピラリへの光の照射方向および前記キャピラリの長さ方向の両方に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  12. 　前記第二の光ファイバのコア径が６０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
  13. 　前記第一の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離をｄ１、前記第二の光ファイバの端面と前記キャピラリとの間の距離をｄ２としたとき、ｄ１≦３００μｍ、ｄ２≦３００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。
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