JP4384160B2

JP4384160B2 - キャピラリアレイ及び電気泳動装置

Info

Publication number: JP4384160B2
Application number: JP2006280868A
Authority: JP
Inventors: 貴康古川; 信彦佐藤; 省三葛西; 征一鵜飼; 基博山崎; 宏幸田中; 裕貴野中; 慶夫小野寺; 紀之下田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2007052034A

Description

本発明はＤＮＡ，蛋白質など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し、特にキャピラリアレイに関するものである。

従来のキャピラリアレイ電気泳動装置は、特開２００１−３２４４７３などに記載されている。ここでは、外径が約０.３５mm，内径が約０.０５mm，長さが約３００mm〜９００mmの石英チューブの表面に０.０１５mm 程度のポリイミド被覆したキャピラリを１６本有し、一端に試料を注入するためのロードヘッダと、他端に緩衝液を注入するキャピラリヘッドと、その近傍にキャピラリを平らに整列保持し蛍光を検出する検出部を備えたキャピラリアレイが開示されている。また、φ１程度の穴が２行８列に形成された数枚のセパレータを、ロードヘッダと検出部の間に備えることで、キャピラリを整列保持している。

特開２００１−３２４４７３

本発明の目的は、電気泳動装置へのキャピラリアレイの実装を容易に行うことである。

また、キャピラリアレイの取り扱い時におけるキャピラリの破損を防止することである。

また、本発明の別の目的は、キャピラリアレイの生産性を向上させることである。

本発明は、ロードヘッダ，キャピラリヘッド、及び検出部等のキャピラリに敷設された部材を着脱可能に保持するフレームを備えたキャピラリアレイ、該キャピラリアレイを実装できる電気泳動装置、及びこれらを用いる実装方法である。これにより、前記敷設部材とキャピラリを一体として取り扱うことができるため、キャピラリアレイを容易に電気泳動装置に実装することができる。また、ロードヘッダを電気泳動装置に連結する際にキャピラリを取り扱う必要がないため、キャピラリの破損を回避できる。

また、本発明は、ロードヘッダ，キャピラリヘッド、及び検出部等のキャピラリに敷設された部材をフレームで保持するキャピラリアレイである。これにより、フレームに固定された敷設部材に大きな力が加わってもキャピラリ自体はそれほど負荷を受けないため、ガラス細管等の繊細な材料からなるキャピラリの破損を防止できる。特に、フレームが柔軟性のある材質から成る場合、キャピラリを介して前記敷設部材に加わる力がフレームから逃げるため、キャピラリと敷設部材の接続箇所近辺での破損等を防止できる。

また、本発明は、キャピラリを固着せずに固定するセパレータを所定位置に保持するフレームを備えたキャピラリアレイである。これにより、電気泳動時とほぼ同じ形態でキャピラリを保持でき、また、キャピラリヘッドや検出部等を電気泳動装置に取り付ける際に、キャピラリの移動がセパレータにより制限されないため、キャピラリアレイを電気泳動装置に容易に実装することができる。また、キャピラリ自体に大きな力が加わっても、セパレータとの接触部分で破損することがない。

また、本発明は、ロードヘッダ，キャピラリヘッド、及び検出部等のキャピラリに敷設された部材を一つずつ取り扱い、キャピラリアレイを電気泳動装置に実装する方法である。ユーザが２つの敷設部材を同時に取り扱う場合、キャピラリを引っ張る方向にそれぞれ力を加えてしまい、キャピラリに大きな負荷を与える危険性があるが、この実装方法はそのような危険性を排除できる。

尚、本発明にかかるフレームは実施例記載のものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で、棒状，板状、及びこれらの複合体等に、自由に設計変更することができる。

本発明により、キャピラリアレイを電気泳動装置に実装する作業が容易となる。また、キャピラリアレイ取り扱い時におけるキャピラリの破損を回避できる。また、キャピラリアレイの生産性を高めることができる。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴を、図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本実施例にかかる電気泳動装置の原理を示す概略図である。９６本のキャピラリを配列して、アレイが構成されている。電気泳動装置は、外径が０.１５mm，内径が
０.０５mm の石英パイプから成り、外被はポリイミドによる樹脂コーティングが施されている９６本のキャピラリと、蛍光標識された１０〜数１０μｌのＤＮＡサンプルを入れた試料容器２を沢山組込んだサンプルトレイ３から電気泳動によりキャピラリにＤＮＡを取り込むロードヘッダ４と、ロードヘッダのサンプル番号順にキャピラリを配列固定する検出部５と、検出部にレーザ光源６からミラー７やビームスプリッタ８，集光レンズ９で励起光を照射する励起光学系、および、信号光である蛍光１０を検出する検出レンズ系１１とＣＣＤカメラ１２を備える。本実施例では、電気泳動するＤＮＡや蛋白質の入ったキャピラリアレイの両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全てのキャピラリに励起光を照射し、各キャピラリからの蛍光を検出光学系によって検出する。ロードヘッダと反対側には、複数本のキャピラリを束ねて接着し、緩衝液１３が入った緩衝液容器１４に耐圧気密で取り付けるキャピラリヘッド１７がある。ロードヘッダに設けられた電極２０と緩衝液容器の間には、高電圧電源１５から
１５ｋＶ前後の高電圧印加され、緩衝液容器からキャピラリ内に入れた緩衝液により試料容器中の試料が電気泳動されて試料を分離する。つまり、キャピラリの全域に充填されたゲル内をＤＮＡ試料が通過する際の試料の大小（長短とも表現される）による通過抵抗の差異により、試料は小さい順に早く検出部に到達する。検出部ではキャピラリにレーザを照射し、蛍光マーキングされたＤＮＡ試料からのアデニン，グアニン，シトシン，チミンの４種類のヌクレオシド塩基に相当する蛍光をＣＣＤカメラで検出している。光信号は
９６本のキャピラリを光学フラット平面に高さ数ミクロンの精度で並べ、平板とし両サイドから励起光で串刺しにして得られる。

キャピラリ１を電気泳動装置本体に容易に着脱するための、図１は、本実施例にかかるキャピラリアレイを詳細に描写した図である。キャピラリアレイは、数ヶ月間、または、数１００回の電気泳動により分離能が低下すると廃棄処分される消耗品であるキャピラリ１を含む交換部品である。本実施例では、９６本のキャピラリ１，ロードヘッダ４，セパレータ１６，検出部５，キャピラリヘッド１７、及びセパレータ等を保持するキャピラリフレーム２２から成り、キャピラリフレーム２２にはキャピラリアレイの種類を区別するためのボス２４が設けられている。

キャピラリ１は、直径約０.１５mm の石英パイプを使用している。９６本のキャピラリ１を、ロードヘッダ４では中空電極２０を介して８行１２列のマトリクス状に配置し、検出部５では並列配置し、そして、キャピラリヘッド１７では束ねて保持している。そして、検出部５とロードヘッダ４の間では、ばらばらの状態でセパレータにより１本ずつ保持されている。また、検出部５とキャピラリヘッド１７の間では熱圧着シート３２によりテープ状に整束され、キャピラリの剛性を向上させている。

また、キャピラリ１の立体的形状は“つ”の字状に曲がっており、これをロードヘッダからキャピラリヘッドの順に詳細説明すると、ロードヘッダ４では鉛直方向に配置され、その後、キャピラリ間隔をほぼ均等に狭めつつ、キャピラリヘッドから離れるように曲がり、一定距離伸びた後に先のカーブとは逆の緩やかなカーブを描いて反対方向を向き、また一定距離伸びた後に時計回りに約９０度捩れ、検出部により並列に配置され、最後にロードヘッダにより一つに収束される。これにより、キャピラリアレイをコンパクトにまとめることができ、電気泳動装置本体の恒温槽をコンパクトにすることができるため、恒温槽内の温度制御が容易になる。また、キャピラリ長さが異なっても検出部とロードヘッダの位置関係を一定に保ちつことができるため、キャピラリの長さが異なる複数種類のキャピラリアレイを電気泳動装置に使用できる。キャピラリフレーム２２は、キャピラリ１が描く経路の近傍に配置され、ロードヘッダ４に強固に嵌合結合しているため、ロードヘッダ４と一体として取り扱うことが出来る。また、キャピラリフレーム２２は、検出部５とキャピラリヘッド１７を着脱可能に保持し、セパレータ１６をバー２３を介して固定できる。

キャピラリアレイは電気泳動装置の恒温槽内に実装されるため、キャピラリフレーム
２２は、耐電圧２０ＫＶ，耐熱７０度以上のプラスチック材料で射出成形されている。ここで、上記諸特性を満たせばいかなる材料・加工法を用いても良い。

また、キャピラリフレームが柔らかいことも重要である。キャピラリフレームが堅い場合、キャピラリアレイを取り扱っている際に何かにぶつかると、キャピラリ１の先端や途中に設けられた部品の荷重が細線のキャピラリ１に掛かってしまい折損する可能性がある。そこで、キャピラリフレーム２２に柔軟性を持たせることで、様々な外力が加わった場合でもその力を吸収できるため、キャピラリ１の破損を防止できる。

図４は、多数のキャピラリ１を整列配置するためのセパレータ１６とバー２３の関係を示す斜視図である。セパレータ１６は、キャピラリフレーム２２のバー２３を介してキャピラリフレーム２２に保持され、ロードヘッダから検出部近傍までキャピラリ同士が接触しないように、キャピラリ１を一本ずつ固着せずに固定し、マトリクス状に配置している。セパレータ１６とバー２３の組の数は、検出部５中心からロードヘッダ４の電極２０先端までのキャピラリ１の長さにより異なり、たとえば、２２０mm，３６０mm，５００mmなどがあり順に０個，３個，５個としている。

また、前記空気の流れを妨げることのないよう薄板で成型され、電気泳動装置の恒温槽内の空気の流れに平行に配置されている。

ここで、セパレータの詳細図を図４に示す。

セパレータ１６は、キャピラリ１をガイドする８行×１２列（９６ケ）の千鳥格子状に配列されたφ１mm程度の孔を有している。９６本のキャピラリ１は、このφ１mm程度の孔に一本ずつ貫通することで、固着されずに固定されている。このためキャピラリ１をセパレータ面の法線方向に動かすことができるため、検出部及びキャピラリヘッドを装置へ取り付ける際のキャピラリ１の動きがセパレータにより制限されないため、装着作業を容易に行うことができる。また、キャピラリ１に大きな力が加わっても、その力を逃がすことができるため、セパレータとの接触部分で破損することがない。キャピラリアレイを製作するためには、各セパレレータに９６本のキャピラリ１を貫通させる必要があるが、本キャピラリアレイではセパレータを積層して１枚の平板として取り扱うことにより、組み立て方式を簡略して、生産性を向上させている。具体的には、セパレータには、複数のセパレータを積層した時に前記孔を合わせるための位置決め孔が２つ設けれれている。また、セパレータには、バー２３と組み合わせるためのひし形の穴が設けられている。このひし形の穴は、平板を交互に山折・谷折にした構造になっており穴としての機能を持たせているため、セパレータは、この穴の折り目を伸ばすと平板にできる。

数枚のセパレータを位置決め孔を基準として積層し、１枚の板状体にすると、各セパレータの９６個のキャピラリ貫通孔の位置合わせを行うことができる。これにより、多数のセパレータに多数本のキャピラリを同時に貫通させることが可能となるためキャピラリアレイの生産性が向上する。

また、バー２３にはセパレータ１６のひし形の穴の一辺にほぼ等しい正方形の角柱部があり、ひし形の穴にバー２３を差込み、ひし形が正方形になった時の反力を利用して保持力を発生させている。バー２３には円柱部と角柱部に段差を設け、バー２３の軸方向の位置決めをし、バー２３の回転方向は角柱により位置決めを行っている。バー先端は円錐状になっており、セパレータ１６を容易に挿入でき、組立ての作業性を向上させている。

また、検出部５に最も近いセパレータ１６はその行列が他のものに対して９０度弱回転させて配置されており、キャピラリ１が検出部で一列に配列される様導いている。

図５は、キャピラリフレーム２２と検出部５，キャピラリヘッド１７を保持する関係を示す斜視図である。

キャピラリアレイの保管時または装置実装前の状態における検出部５の配置位置は、電気泳動装置本体に検出部５を取り付ける作業の際にセパレータに保持されたキャピラリが乱れにくい位置、つまり装置実装状態の配置位置と近似した位置である。実装前と後でキャピラリ１の立体的形状の大部分に変化がないため、実装前に、輸送等で乱れたキャピラリの立体的形状の大部分を手直できる。これにより、装置実装後の作業を低減でき、コンパクトな恒温槽内に配置されたキャピラリを手直しする作業が激減するため、キャピラリの折損を回避できる。

保管時において、検出部５は、カバー２７とベース２６により保護され、ベース２６を介してキャピラリフレームに保持されている。また、先端にあるキャピラリヘッド１７は保護キャップ２８に差し込まれており、それをキャピラリフレーム２２が保持している。

これにより、ロードヘッダ４にキャピラリフレーム２２が固定され、各部品がキャピラリフレーム２２に保持されている。つまり、キャピラリ１に固定された敷設部材であるロードヘッダ４，検出部５及びキャピラリヘッド１７等が、複数の敷設部材の相対的位置関係を保持するフレームによりその相対的位置関係が固定されるため、ロードヘッダ４を持つだけでキャピラリアレイ全体を取り扱うことができる。従って、敷設部材に負荷がかかっても、キャピラリ１に大きなテンションが加わらないため、キャピラリ折損を回避できる。特に、ロードヘッダ４にキャピラリ１がマトリクス状に固着配列され、複数のキャピラリ１を該固着地点から等距離の位置で検出部５により整列配置している場合に両者を引っ張ると、マトリクスの外側、とりわけ４隅に固着されたキャピラリ１に大きな張力が加わり破損する危険性があるが、本実施例ではその危険性を回避できる。また、キャピラリアレイを片手で取り扱うことが可能となるため、一方の手で装置側の扉の開閉などの作業が行える。このため、取付時及び保管時の、取り扱い性及び作業性が飛躍的に向上する。

また、図１に示すように、ロードヘッダ４に電極保護キャップ２５を、キャピラリヘッド１７にキャピラリヘッド保護キャップ２８をそれぞれ設け、検出部５の保護のためのベース２６とカバー２７を設けた状態で、キャピラリアレイ自身は転倒せずに保管できる。特に、キャピラリ１の試料注入端を電極保護キャップ２５で囲い、電極保護キャップ２５内に緩衝液を充たして、キャピラリアレイを安定に設置できるため、緩衝液によりキャピラリ１の試料注入端を濡らして、試料注入端の劣化を防止しながらキャピラリアレイを長期保管することができる。

図６（ａ）は、キャピラリアレイの実装作業の斜視図であり、図６（ｂ）は、実装作業のフローを示す。以下、これらを参照に、キャピラリアレイの脱着作業を示す。

実装作業に先立ち、キャピラリアレイは柔軟性のあるキャピラリフレームに各部品が保持され、キャピラリ１はセパレータ１６により緩やかに保持されている。このため、ロードヘッダ４を持つことによりキャピラリ１に付された部材を一として扱うことができ、また、この作業時にキャピラリ１に大きなテンションが加わる危険性を回避できる。

まず、初めに恒温槽の扉をあけ、ロードヘッダ４の両側前方を持ち電極保護キャップ
２５を取り外す。そして、装置の恒温槽２９にあるガイド３０にロードヘッダ４の両サイドの溝をあわせて挿入し、ロードヘッダ４を恒温槽２９に固定し、キャピラリアレイを電気泳動装置本体に実装する。このとき、セパレータ１６を保持しているバー２３（０〜５個ある）も本体の穴をガイドとし挿入される。ここで、ロードヘッダ側面前部を持ち装置へ挿入するため、キャピラリに何らテンションをかけずに装置に実装することができる。また、恒温槽内は温度を一定に保つため装置奥より手前方向に空気を循環させているが、キャピラリフレーム２２はキャピラリ１よりも風下側に配置されるようにロードヘッダ４に固定されているため、温度制御への影響が低減できる。また、キャピラリフレームはその断面形状がほぼ同じ棒状部材であり熱伝導率が均一であるため、温度制御への影響をさらに低減できる。

次に、キャピラリヘッド１７と嵌合しているキャピラリヘッド保護キャップ２８をキャピラリフレーム２２から取り外し、その後に、キャピラリヘッド保護キャップ２８をキャピラリヘッド１７から取り外す。また、検出部５は、カバー２７を外した後、ベース２６のツマミをつまんでキャピラリフレームから取り外す。そして、キャピラリヘッド１７，検出部５の順に装置に固定する。キャピラリヘッド１７及び検出部５は、これら部材の装置側連結場所の近傍に配置されるようにキャピラリフレーム２２により保持されているため、キャピラリヘッド１７及び検出部５を装置に連結する際の移動距離が小さくてすみ、連結作業の際にキャピラリ１に無理なテンションを加える危険性が小さい。

最後に、恒温槽の扉を閉めることにより、実装作業が完了する。尚、装置から取り外す場合はこの逆の手順を行う。

この実装方法では、キャピラリアレイを電気泳動装置に実装する際に、セパレータ１６を装置本体に取り付けるわずらわしい作業が無く、所定の立体的形状の９６本のキャピラリ１を恒温槽内に極めて容易に配置することができる。また、キャピラリ１に設けられた２以上の部材を両手で扱う場合、作業者がそれらを引っ張る方向に、つまり、前述の部材それぞれを反対方向に動かしキャピラリ１を破損する可能性があるが、本実施例では、ロードヘッダ，キャピラリヘッド、及び検出部を一つずつ取り扱うため、前述の部材それぞれに反対方向の力を作業者がそれぞれ加える危険性が回避できる。このため、未熟練の人でも簡単に装置への実装が可能となる。

また、図６（ａ）に示す様に、キャピラリフレーム２２は、キャピラリアレイの種類を区別するための構造であるボス２４を備えている。ボス２４は、外形φ８mm×ｔ１.５mm程度の大きさであり、キャピラリアレイの種類によりその形状が異なる。装置は、電気泳動時の高電圧による影響のない位置にセンサを備えており、それに対応した位置にボス
２４が設けられている。そして、キャピラリアレイ実装時に装置側のセンサをボス２４が押すことにより、キャピラリアレイの区別を行うことができる。尚、装置側センサは押しボタンスイッチであるが、この限りではない。

以上により、装置に容易に実装でき、取り扱い時におけるキャピラリ１の破損を防止でき、さらに製作の容易なキャピラリアレイを得ることができる。

実施例２は、セパレータ１６が金属製のキャピラリフレームにより着脱可能に保持され、実装時にキャピラリフレームをキャピラリアレイから取り外すことを特徴とするキャピラリアレイであり、その他は実施例１と同様である。図７(ａ)及び図７（ｂ）はセパレータを受け渡しする場合のセパレータとバーの関係の斜視図を示す。また、図８（ａ）キャピラリアレイの実装作業の斜視図であり、図８（ｂ）は実装作業のフローを示す。以下、実施例１との相違個所について、図７（ａ），図７（ｂ），図８（ａ）、及び図８（ｂ）を参照して説明する。

本実施例のキャピラリアレイでは、キャピラリフレーム２２がステンレス線材から構成されており、セパレータ１６，検出部５，キャピラリヘッド１７を弾性を利用して着脱可能に保持することができる。また、ステンレス線材は樹脂に比べ高弾性であり大きく折り曲げることができるため、キャピラリフレーム２２に保持された検出部，キャピラリヘッド、及びセパレータ等の部材の着脱作業の際、フレームの形状をこれら部材の着脱が容易な形に一時的に曲げることができ、着脱作業を容易に行うことができる。

本実施例のキャピラリアレイは、実装時に、フレームに保持されたセパレータを装置に移し変え、その後、キャピラリフレーム２２をキャピラリアレイから取り外す必要がある。この時のセパレータの受け渡し作業を中心に、実装作業について説明する。

キャピラリアレイのロードヘッダを恒温槽に配置し、検出部とキャピラリヘッドを装置に連結するまでは、実施例１と同じ手順で作業を行う。

金属製キャピラリフレームのバーは実施例１のバーに比べ短いが、これは保管時及び取り付け時にセパレータを保持できれば十分で、実装時に保持する必要がないためである。また、装置にはセパレータを保持するためのバーを設けられている。

ロードヘッダを装置に配置した際、セパレータは、装置のセパレータ保持バーに隣接配置され、キャピラリフレームのバーと装置のバーが一直線状に並ぶ。つまり、キャピラリフレームのバーの先に装置側のバーが存在するため、セパレータを１つ１つ摘まんで装置側にスライドさせることで、セパレータを装置側のバーに容易に移すことができる。そして、全てのセパレータを移し終えた後にキャピラリフレームをロードヘッダから取り外し、恒温槽のフタを閉じることで、取り付け作業は終了する。

装置から取り外す場合はこの逆の手順である。

尚、装置側にバーの代わりとして、セパレータのひし形部材と嵌合結合できる角穴状の窪部を設け、ロードヘッダを装置に配置することにより、該窪部にセパレータのひし形部材が挿入して嵌合結合する構成としても、セパレータを装置に容易に取り付けることができる。

本実施例では、キャピラリフレーム２２と装置間のセパレータ１６の受渡作業が生じるものの、キャピラリアレイ取り扱い時のキャピラリの破損を防止し、また、キャピラリアレイの装置への実装作業を容易に行うことができる。さらに、キャピラリアレイの生産性が向する。

実施例１のキャピラリアレイの斜視図である。実施例１の電気泳動装置の原理を示す概略図。実施例１のセパレータとバーの関係を示す斜視図。実施例１のセパレータの詳細を示す斜視図。実施例１のキャピラリフレームと検出部，キャピラリヘッドの関係を示す斜視図。実施例１の電気泳動装置とキャピラリアレイの関係を示す斜視図。実施例１の実装作業フロー図。実施例２の実装作業時のセパレータの状態を示す斜視図。実施例２の実装作業時のセパレータの状態を示す斜視図。実施例２の電気泳動装置とキャピラリアレイの関係を示す斜視図。実施例２の実装作業フロー図。

符号の説明

１…キャピラリ、２…試料容器、３…サンプルトレイ、４…ロードヘッダ、５…検出部、６…レーザ光源、７…ミラー、８…ビームスプリッタ、９…集光レンズ、１０…蛍光、１１…検出レンズ系、１２…ＣＣＤカメラ、１３…緩衝液、１４…緩衝液容器、１５…高電圧電源、１６…セパレータ、１７…キャピラリヘッド、２０…電極、２１…信号処理演算装置、２２…キャピラリフレーム、２３…バー、２４…ボス、２５…電極保護キャップ、２６…ベース、２７…カバー、２８…キャピラリヘッド保護キャップ、２９…恒温槽、３０…ガイド、３１…センサ、３２…熱圧着シート。

Claims

以下の構成を含むキャピラリアレイ；
試料を分離できるポリマーが充填される複数のキャピラリ；
前記複数のキャピラリの一端を保持し、電気泳動装置に接続できるキャピラリヘッド；
前記複数のキャピラリの他端を所定の位置に保持し、電気泳動装置に接続できるロードヘッダ；
前記複数のキャピラリの少なくとも一部を保持する検出部；
前記複数のキャピラリを１本ずつ保持するセパレータ；
前記ロードヘッダ，前記キャピラリヘッド，前記検出部、及び前記セパレータを保持できる柔軟性のあるフレームであり、前記ロードヘッダ，前記キャピラリヘッド，前記検出部、及び前記セパレータを保持した状態で電気泳動装置に実装するためのフレーム。
請求項１記載のキャピラリアレイであって、
セパレータにより、キャピラリが捩れていることを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項１記載のキャピラリアレイであって、
セパレータにより、キャピラリが約９０度捩れていることを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項１記載のキャピラリアレイであって、
セパレータが、キャピラリを固着せずに固定することを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項１記載のキャピラリアレイであって、
セパレータが、フレームから着脱できることを特徴とするキャピラリアレイ。
請求項１記載のキャピラリアレイであって、
ロードヘッダ，キャピラリヘッド、及び検出部が、フレームから着脱できることを特徴とするキャピラリアレイ。