JP3506652B2

JP3506652B2 - キャピラリアレイ電気泳動装置

Info

Publication number: JP3506652B2
Application number: JP2000084682A
Authority: JP
Inventors: 征一鵜飼; 友成盛岡; 康司清水; 敏昭喜多; 清司塚田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-22
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: JP2001264293A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＤＮＡ、蛋白質等の
試料を分離分析するキャピラリアレイ電気泳動装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開平０９−０９６６２３号公報に記載
されたキャピラリアレイ電気泳動装置は、複数本のキャ
ピラリを平面状に配列したキャピラリアレイとレーザ光
源等から成る励起光学系、及び信号光である蛍光を検出
する受光光学系から構成される。この例は、蛍光試料の
入ったキャピラリに側面からレーザを照射し、キャピラ
リのレンズ作用によってレーザを集光させることによ
り、すべてのキャピラリにレーザを照射し、各キャピラ
リからの蛍光を受光光学系によって検出するものであ
る。

【０００３】米国特許５７９０７２７（Ａｕｇ．４，１
９９８）は、レーザの照射方向と垂直方向に出る試料か
らの蛍光を光ファイバで受光する装置である。この例で
は光ファイバからなる光抽出器を蛍光検出方向に取り付
けることにより、キャピラリ表面からの反射光を光抽出
器に入射させないようにし、背景光の低減を試みてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平０９−０９６６
２３号公報の方式では、レーザの照射による試料からの
蛍光の一部はキャピラリ表面で反射されるため、これが
背景光増加の要因となり、検出精度の低下を招いてい
た。

【０００５】また、米国特許５７９０７２７（Ａｕｇ．
４，１９９８）の方式は、キャピラリアレイは消耗品で
あるのに対し、光ファイバからなる蛍光検出器は装置備
品であるため、キャピラリアレイを交換する度に、キャ
ピラリ中心軸と、検出側の光ファイバの中心軸とを位置
合わせする必要があり、ユーザにとっては使い勝手の良
いものではなかった。

【０００６】本発明の目的は、背景光の低減によりＳＮ
比を向上させ、検出精度の高いキャピラリアレイ電気泳
動装置を提供するとともに、本装置へのキャピラリの取
り付け及び励起光学系の導入を簡単化し、使い勝手のよ
いキャピラリアレイ電気泳動装置を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】キャピラリアレイ用の保
持基板に信号光（蛍光）が通過する開口部（窓）を形成
し、キャピラリ表面からの反射光を遮るための遮光領域
を各キャピラリ間に設け、窓とキャピラリとの位置合わ
せを容易にするためキャピラリ位置決め用のＶ溝を形成
し、さらに基板側面には入射レーザ用の切欠き部を設け
たものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図を参
照して詳細に説明する。

【０００９】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態であるウィンド・ユニットの説明図である。
大別してキャピラリ１（本実施例では１６本）、ウィン
ド基板２、ガラス基板３から構成される。図２は図１に
示すウィンド基板２を裏から見た説明図、図３は断面図
であり（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、図１のレーザ照射部
A−A'と非照射部B−B'に対応している。まず構成につい
て説明する。

【００１０】図１に示すように、ウィンド基板２は、光
が通過する貫通窓６をキャピラリ１の配列間隔と同じピ
ッチで形成し、それぞれの貫通窓６にはキャピラリ１の
位置決め用としてＶ溝８を形成する。これら貫通窓６は
遮光領域７により各キャピラリごとに仕切られている。
さらにウィンド基板２の側面には励起用のレーザ入射を
容易にするため切欠き部１２を設けている。キャピラリ
１は、ウィンド基板２のＶ溝８に収まるように配列し、
その反対側からガラス基板３により、キャピラリを挟み
込むように接着剤により固定する。キャピラリ１は溶融
石英管９と被覆（ポリイミド樹脂）１０から成る。貫通
窓６に対応した領域は、励起レーザ光及び蛍光を妨げな
いようにポリイミド樹脂１０を除去している。ガラス基
板３はこの領域での反射光を抑えるため、すりガラス面
１１とした。

【００１１】次に遮光領域７の効果ついて説明する。実
験に用いたキャピラリ１は外径０．３６ｍｍのサイズで
ある。測定試料はウレア溶液を用いた。ここで、ウレア
溶液とは電気泳動させる時に用いる緩衝液の代用であ
り、両者の屈折率はほぼ等しい。図１１は波長５８４ｎ
ｍ（水のＯＨ伸縮振動による蛍光）の蛍光強度特性を示
す。横軸は平面状に配列されたキャピラリ１の配列番
号、すなわち配列位置であり、縦軸は最大蛍光強度で規
格化した相対蛍光強度を示す。（ａ）図は、ウィンド基
板２を設けていない従来の蛍光発光特性で、背景光強度
はキャピラリ蛍光強度の約２０％であり、キャピラリ間
には雑音もある。一方、（ｂ）図は、ウィンド基板２を
設けた時の特性で、遮光領域７を設けたことにより、キ
ャピラリ表面の反射光が遮られるために、背景光強度は
約１０％にまで低減させることができた。さらに、キャ
ピラリ間の雑音も抑制させることができた。これにより
ＳＮ比が向上し、蛍光強度のより小さな信号を検出する
ことが可能となり高精度測定が実現できる。

【００１２】次に、レーザ入射窓１２の効果について説
明する。レーザ入射窓は図２に示すように、ウィンド基
板２の側面にキャピラリ配列溝８と直交方向に形成す
る。図３(a)はレーザ入射部の断面、(b)図は非入射部の
断面である。比較のため、入射窓１２を設けない例を図
４に示した。入射窓１２が無い場合、キャピラリに到達
させるためのレーザ３３の入射角は厳しく制限される
が、レーザ入射窓１２を設けることにより入射角θの許
容度が広がる。これにより組立て性、生産性が大幅に向
上する利点がある。

【００１３】なお、図１に示すように、キャピラリ１は
ウィンド基板２において貫通窓６を形成した領域のポリ
イミド樹脂１０が除去されているが、ポリイミド樹脂１
０の除去する領域はこれに限るものではない。また、キ
ャピラリ１の被覆材としてはポリイミド樹脂１０に限る
必要はなく、ポリイミド樹脂１０と同等の電気絶縁性、
およびその他諸特性をもつ部材を用いてもよい。

【００１４】（第２の実施形態）図５、６はレーザ入射
窓１２を設け、これに光ファイバ１００を挿入する方式
である。入射窓のサイズを光ファイバの径に合わせて設
計することにより、精密に位置合わせすることができ
る。この実施例は、隔たった場所からレーザ光を入射さ
せる方式に比べ、簡単で確実にレーザ光を入射できる利
点がある。

【００１５】次に、図７を用いてウィンド基板２の加工
方法を示す。ここでは、基板材料として単結晶シリコン
基板を用いた。まず、シリコン基板２に熱酸化膜２０１
を形成し（）、レジスト塗布してから露光・現像を行
い、ＨＦ溶液で酸化膜エッチングする（）。次にＫＯ
Ｈなどのアルカリ溶液により異方性エッチングをし（
〜）、最後に酸化膜２０１を除去する（）。単結晶
シリコン及び異方性エッチングを用いたのは、μｍ単位
の加工精度を持つので、キャピラリの配列や貫通窓６、
レーザ入射窓１２あるいは遮光領域７の寸法をプロセス
条件を設定するだけで簡単に規定できるからである。ま
た、このエッチング技術を用いることにより、安価で量
産することが可能である。ここで、エッチングマスク材
は熱酸化膜２０１に限ったものではなく、窒化シリコン
膜などでも良い。

【００１６】（第３の実施形態）キャピラリアレイ・ユ
ニットの構成を図８に示す。キャピラリ１、ウィンド・
ユニット２９、緩衝液注入口３０、保護カバー付き電極
板３１、導電性蛍光試料注入口３２などから構成され、
ウィンド・ユニット２９として、（第１の実施形態）に
示したウィンド・ユニットを用いる。実用上、キャピラ
リは数回〜十数回の使用で交換され、消耗品として扱わ
れるので、この様にユニット化することにより、装置へ
の付替えを簡単にできるメリットがある。またユーザの
取付けミスなども未然に防止できる効果がある。

【００１７】（第４の実施形態）図９は、本発明の第４
の実施形態であるキャピラリアレイ電気泳動装置の説明
図を示す。キャピラリアレイ電気泳動装置は、第３の実
施形態に示したキャピラリアレイ・ユニット、緩衝液容
器１７、蛍光試料容器１８、高電圧電源１９、レーザ光
源２０、ミラー２１、ビームスプリッター２２、集光レ
ンズ２３、第１レンズ２４、光学フィルター及び像分割
プリズム２５、第２レンズ２６、ＣＣＤカメラ２７、演
算処理装置２８などにより構成される。レーザ光源２０
により発生するレーザ３３はビームスプリッター２２に
より２分割され、ミラー２１により進行方向が変更され
る。集光レンズ２３によりレーザ３３は集光され、キャ
ピラリ１に照射する。キャピラリ１の内部は蛍光標識さ
れた試料（蛍光試料３４）で満たされており、レーザ３
３を試料３４に照射することにより、出力として蛍光３
５が発生する。この蛍光を第１レンズ２４により平行光
にし、光学フィルタ及び像分割プリズム２５により像分
割をした後、第２レンズ２６によりＣＣＤカメラ２７に
結像させる。画像データとして取り込まれた信号（蛍
光）を処理演算装置２８で解析する。

【００１８】なお、図９においては、レーザ３３はウィ
ンド・ユニット２９の両側から照射しているが、片側の
み照射させる構成でもよく、キャピラリアレイ・ユニッ
トのキャピラリ１の本数は１６本に限るものではない。

【００１９】次にキャピラリアレイ電気泳動装置の動作
原理を説明する。緩衝液容器１７に入っている緩衝液３
６を、キャピラリアレイ・ユニットの注入口３０からキ
ャピラリ１内に注入する。次に蛍光試料３４で満たされ
た試料容器１８に導電性の試料注入口３２を入れ、キャ
ピラリ１内に蛍光試料３４を注入する。その後、試料注
入口３２を緩衝液の入った容器（図では省略）に入れ、
注入口３０と電極部３１との間に電圧１９を印加するこ
とにより、電気泳動を生じさせる。電気泳動の移動速度
は分子の電荷量に比例し、分子の大きさに逆比例するの
で蛍光試料３４は分離される。高電圧を印加し続けて、
この時に発光する蛍光３５を連続的に測定する。

【００２０】ウィンド・ユニットに遮光領域７を設けた
ことにより、キャピラリ１の表面で反射される反射光が
遮られるため、背景光を低減させることができ、ＳＮ比
を向上させることができる。さらにウィンド・ユニット
２９の側面にレーザ入射窓１２を設けたことにより許容
入射角が大きくなり、光学系（２０〜２３）の配置裕度
が広がるメリットがある。

【００２１】（第５の実施形態）図１０は、本発明の第
５の実施形態であるキャピラリアレイ電気泳動装置の説
明図である。入射光の光学系として光ファイバ１００及
び光分岐器１０１を用いている。本実施形態はウィンド
・ユニット２９の両側面の入射窓１２に光ファイバ１０
０を挿入したものであり、光学系が簡単になる。特に入
射光とキャピラリとのアライメント（位置合わせ）が確
実にできるメリットがある。

【００２２】

【発明の効果】キャピラリアレイ電気泳動装置におい
て、キャピラリアレイ用の保持基板に各キャピラリ毎に
遮光領域をもつ発光用の窓と、励起レーザ光入射用の窓
を形成したことにより、背景光を低減しＳＮ比を向上さ
せることができる。さらにレーザ光の入射を容易にし光
学系の配置に裕度を持たせ、組立を簡単にする効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるウィンド・ユニ
ットを示す図である。

【図２】図１のウィンド基板の説明図である。

【図３】図２の概略断面図であり、（ａ）はレーザ照射
部、（ｂ）はレーザ非照射部である。

【図４】ウィンド基板にレーザ入射部の無い場合の概略
断面図である。

【図５】図１の別のウィンド基板の説明図である。

【図６】ウィンド基板のレーザ入射部を光ファイバ固定
溝として用いた第２の実施形態を示す図である。

【図７】ウィンド基板材としてシリコンを用いた場合の
製造工程例を示す図である。

【図８】ウィンド・ユニットとキャピラリ、電極を含む
キャピラリアレイ・ユニット（実施形態３）の例を示す
図である。

【図９】キャピラリアレイ電気泳動装置（実施形態４）
の説明図である。

【図１０】キャピラリアレイ電気泳動装置（実施形態
５）の説明図である。

【図１１】本発明の第１の実施形態での蛍光測定結果の
説明図である。

【符号の説明】

１…キャピラリ、２…ウィンド基板、３…ガラス基板、
４…レーザ照射部、５…レーザ非照射部、６…貫通窓、
７…遮光枠、８…Ｖ溝、９…溶融石英管、１０…ポリイ
ミド樹脂、１１…すりガラス面、１２…照射用窓、１７
…緩衝液溶器、１８…蛍光試料容器、１９…高電圧電
源、２０…レーザ光源、２１…ミラー、２２…ビームス
プリッター、２３…集光レンズ、２４…第１レンズ、２
５…光学フィルタ及び像分割プリズム、２６…第２レン
ズ、２７…ＣＣＤカメラ、２８…処理演算装置、２９…
ウィンド・ユニット、３０…緩衝液注入口、３１…保護
カバー付き電極板、３２…導電性蛍光試料注入口、３３
…レーザ、３４…蛍光試料、３５…蛍光、３６…緩衝
液、１００…光ファイバ、１０１…光分波器、２０１…
シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜、２０２…エッチ
ング溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水康司茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者喜多敏昭茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者塚田清司茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (56)参考文献特開平９−96623（ＪＰ，Ａ) 特開平９−105738（ＪＰ，Ａ) 特開平７−306181（ＪＰ，Ａ) 特開平７−306180（ＪＰ，Ａ) 特開平４−232840（ＪＰ，Ａ) 特開2000−97908（ＪＰ，Ａ) 実開平５−79469（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5790727（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/447 G01N 21/64

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のキャピラリを保持し、信号光が通過
する開口部にはキャピラリ間の信号光を遮る遮光領域が
設けられ、かつ励起光導入用の切欠き部が設けられたウ
ィンド基板を備えることを特徴とするキャピラリアレイ
電気泳動装置のウィンド・ユニット。
【請求項２】請求項１記載のウィンド基板は、キャピラ
リ位置決め用のＶ溝が設けられていることを特徴とする
キャピラリアレイ電気泳動装置のウィンド・ユニット。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のウィンド・
ユニットにおいて、ウィンド基板と対向して別基板を設
け、前記複数のキャピラリをウィンド基板と前記別基板
によって挟持したことを特徴とするキャピラリアレイ電
気泳動装置のウィンド・ユニット。
【請求項４】請求項１または３記載のウィンド・ユニッ
トと、前記キャピラリの一方の端に接続された試料注入
口と、異なる一方の端に接続された緩衝液注入口とを備
えたことを特徴とするキャピラリアレイ・ユニット。
【請求項５】請求項４記載のキャピラリアレイ・ユニッ
トと、励起光学系と、キャピラリ内を満たした試料から
発生する信号光を検出する受光光学系とを備え、ビーム
状の励起光を前記ウィンド基板の外部から請求項１記載
のウィンド基板切欠き部を通過して入射させることを特
徴とするキャピラリアレイ電気泳動装置。
【請求項６】請求項１記載のウィンド基板の前記切欠き
部に光ファイバを固定または支持し、この光ファイバに
よって励起光をキャピラリに照射することを特徴とする
キャピラリアレイ電気泳動装置。
【請求項７】複数のキャピラリと、キャピラリの励起光を照射する励起光学系と、キャピラリ内の試料から発生する信号光を検出する受光
光学系と、複数のキャピラリを保持し、信号光が通過する開口部を
備え、該開口部にはキャピラリ間の信号光を遮る遮光領
域を有し、かつ励起光導入用の入射窓を有するウィンド
・ユニットと、キャピラリの一方の端に接続された試料注入口と、試料注入口と異なる一方の端に接続された緩衝液注入口
とを備えることを特徴とする電気泳動装置。
【請求項８】請求項７記載の電気泳動装置であって、前
記ウィンド・ユニットが、キャピラリ位置決め用のＶ溝
を備えることを特徴とする電気泳動装置。
【請求項９】請求項７記載の電気泳動装置であって、前
記ウィンド・ユニットが、ウィンド基板と、該ウィンド
基板に対向した別基板を有し、前記複数のキャピラリを
該ウィンド基板と別基板により挟持することを特徴とす
る電気泳動装置。
【請求項１０】請求項７記載の電気泳動装置であって、
前記ウィンド・ユニットが、光ファイバを固定または支
持する励起光導入用の前記入射窓を備え、該光ファイバ
によって励起光をキャピラリに照射することを特徴とす
る電気泳動装置。
【請求項１１】複数のキャピラリと、複数のキャピラリを保持し、信号光が通過する開口部を
備え、該開口部にはキャピラリ間の信号間を遮る遮光領
域を有し、かつ励起光導入用の入射窓を有するウィンド
・ユニットと、キャピラリの一方の端に接続された試料注入口と、試料注入口と異なる一方の端に接続された緩衝液注入口
を備えることを特徴とするキャピラリアレイ・ユニッ
ト。
【請求項１２】請求項１１記載のキャピラリアレイ・ユ
ニットであって、前記ウィンド・ユニットが、キャピラ
リ位置決め用のＶ溝を備えることを特徴とするキャピラ
リアレイ・ユニット。
【請求項１３】請求項１１記載のキャピラリアレイ・ユ
ニットであって、前記ウィンド・ユニットが、ウィンド
基板と、該ウィンド基板に対向した別基板を有し、複数
のキャピラリを該ウィンド基板と該別基板により挟持す
ることを特徴とするキャピラリアレイ・ユニット。
【請求項１４】請求項１１記載のキャピラリアレイ・ユ
ニットであって、前記ウィンド・ユニットが、キャピラ
リに励起光を照射する光ファイバを固定または支持する
励起光導入用の入射窓を備えることを特徴とするキャピ
ラリアレイ・ユニット。