JP4458525B2

JP4458525B2 - 電気泳動装置

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Publication number: JP4458525B2
Application number: JP2004190974A
Authority: JP
Inventors: 航一小野
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: US20050284765A1; JP2006010607A; US7338584B2

Description

本発明は、試料を高速且つ高精度に分析するために用いられる電気泳動装置に関するものである。

従来から、生体中のタンパク質、核酸等の分析や、食品、薬品等に含まれる極微量物質の分析等に電気泳動装置が使用されている（特許文献１参照）。

このような電気泳動装置は、図１１に示すように、ガラスやプラスチックの基板１０２，１０３内に、微小流路断面（例えば、１００μｍ（幅寸法）×数十μｍ（深さ寸法）程度の微小流路断面積）の分析流路１１０と導入流路１１１を直交するように形成してある。そして、この図１１に示す電気泳動装置１０１は、導入流路１１１や分析流路１１０内に泳動バッファを充填し、導入流路１１１の一端側から分析対象となる試料を導入流路１１１内に導入する。次に、図１２（ａ）に示すように、試料１１３を泳動バッファ１１４が充填された導入流路１１１の一端側から導入流路１１１と分析流路１１０の交差部１０８を越える部分まで電気泳動させ、試料１１３を導入流路１１１内において展開する（図１２（ａ）参照）。次に、導入流路１１１と分析流路１１０との交差部１０８に位置する極微量な試料１１３ａを、導入流路１１１内の他の試料１１３から分離して、分析流路１１０で電気泳動させるようになっている。その結果、複数種の成分からなる極微量な試料１１３ａは、その各成分の分子量等の差異によって電気泳動速度が異なり、分析流路１１０内において複数のバンド（物質群）に分離する。そして、分析流路１１０に分析用光学系から光が照射されると、試料１１３ａの蛍光標識から蛍光が発せられるので、その蛍光発光を検知手段（例えば、受光素子）で検知して、試料１１３ａの分析が行われる。

特開平１１−３２６２７４号公報

しかしながら、上述の従来例のように、導入流路１１１と分析流路１１０がほぼ直交するように形成されていると、図１２（ｂ）に示すように、交差部１０８の微量な試料１１３ａを切り取って分析流路１１０内で電気泳動させると、分析流路１１０の壁面よりの部分が長く尾１１５を引くように変形し、隣合うバンド同士が重なって、試料１１３ａの成分（バンド）の分離性能が悪くなる場合があった。

そこで、本発明は、分析流路を電気泳動する極微量な試料の変形を可能な限り抑え、試料の成分の分離性能を向上することができる電気泳動装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、試料を一端側から他端側へ向けて流動させる導入流路と、前記導入流路に直交するように交差して、この交差部の前記試料を導入流路側から分離して電気泳動させる分析流路と、を備えた電気泳動装置に関するものである。そして、この電気泳動装置において、前記導入流路と前記分析流路の前記交差部のコーナー部分であって、前記分析流路の前記交差部よりも電気泳動方向上流側のコーナー部分と電気泳動方向下流側のコーナー部分のうちの前記電気泳動方向上流側のコーナー部分が、面取りされたことを特徴としている。

交差部の極微量な試料が導入流路内の試料から分離され、その分離された試料が分析流路を電気泳動させられる際に、その電気泳動される試料が尾を引きにくくなり、形が崩れにくいため、試料成分の分離性能が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。
［参考例］
図１は、本発明の参考例に係る電気泳動装置１を示すものである。この図１に示すように、本参考例の電気泳動装置１は、矩形形状の薄板である第１部材２の裏側の面２ａ側に矩形形状の薄板である第２部材３を重ね合わせてなるものであり、第１部材２と第２部材３との重ね合わせ面を密着させた状態で、その第１部材２と第２部材３とを固定するようになっている。なお、第１部材２と第２部材３の固定は、材料そのものの密着性を利用して貼り合わせる場合、接着剤で接着固定する場合、クリップ又はネジ等の固定部材を利用して固定する場合のいずれでもよく、第１部材２と第２部材３の材料等に応じて最良の固定態様が適宜選択される。また、第１部材２と第２部材３は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート），ＰＣ（ポリカーボネート）や紫外線硬化樹脂等の各種樹脂材料、ガラス、セラミック等が適宜選択使用される。また、第１部材２と第２部材３は、図１に示す態様においては薄板を例示したが、これに限られず、単純な立方体であるブロック状体でもよく、複数の立方体や薄板等の組み合わせからなる複雑な形状のブロック状体でもよいが、両部材（２，３）の重ね合わせられる面２ａ，３ａを密着性の良い平面とすることが好ましい。

この電気泳動装置１の第１部材２は、図１及び図２に示すように、その第２部材３との重ね合わせ面（面２ａ）に、微小溝４が形成されている。この第１部材２の微小溝４は、直線状に延びる分析溝５と、この分析溝５に交差する導入溝６と、からなっている。そして、分析溝５の両端及び導入溝６の両端には、第１部材２を表裏（面２ａ及びその反対側の面２ｂ）に貫通するように、平面形状が円形の貫通穴７ａ〜７ｄがそれぞれ形成されている。なお、分析溝５及び導入溝６は、例えば、溝幅が１００μｍ程度で、溝深さが数十μｍ程度の寸法の微小溝形状になっている。

導入溝６は、分析溝５の長手方向に対して対称となるように、分析溝５と交差している。そして、この導入溝６は、交差部８よりも試料の電気泳動方向（図１（ａ）及び図２（ａ）の矢印Ｄ方向）下流側の分析溝５に鋭角で交差するようになっている。なお、本実施の形態において、導入溝６と分析溝５との交差角度θが４５度になるように、導入溝６と分析溝５とが形成されている。

第１部材２の微小溝４が形成された面２ａには第２部材３が重ね合わせられ、図１に示すように、第１部材２の分析溝５及び導入溝６の開口部及び貫通穴７ａ〜７ｄの一端が第２部材３で塞がれて、分析溝５が分析流路１０になり、導入溝６が導入流路１１になり、貫通穴７ａ〜７ｄがリザーバ１２ａ〜１２ｄとなっている。

第２部材３は、上述のように第１部材２の微小溝４の開口部及び各貫通穴７ａ〜７ｄの一端を塞ぐための部材であり、蓋部材として機能するものである。この第２部材３は、第１部材２の面２ａに重ね合わせられる面３ａが、第１部材２の面２ａに密接する平面になっている。これにより、第１部材２と第２部材３との重ね合わせ面において、分析流路１０，導入流路１１及び各リザーバ１２ａ〜１２ｄに注入された試料の密封性能が確保され、分析流路１０，導入流路１１及びリザーバ１２ａ〜１２ｄからの試料の漏出を確実に防止できる。なお、第２部材３の面３ａは、上述した蓋部材としての機能を発揮し得る限りにおいて、少なくとも、第１部材２の微小溝４及び各貫通穴７ａ〜７ｄを取り囲む領域が、第１部材２の面２ａに密接する平面になっていればよい。

このように構成された電気泳動装置１は、図１に示す状態において、まず、各リザーバ１２ａ〜１２ｄから泳動バッファを注入し、導入流路１１及び分析流路１０にその泳動バッファを充填する。次に、導入流路１１の一端のリザーバ（例えば、リザーバ１２ａ）から分析用の試料を注入する。そして、例えば、この試料が負に帯電している場合には、導入流路１１の一端のリザーバ１２ａ内を接地すると共に、分析流路１０の両端のリザーバ１２ｃ，１２ｄ内を接地し、導入流路１１の他端のリザーバ１２ｂ内に電圧（例えば、１００Ｖ）を印加する。その結果、導入流路１１の一端のリザーバ１２ａから導入流路１１内に注入した試料１３は、泳動バッファ１４が充填された導入流路１１内を電気泳動して、交差部８を越えた導入流路１１の他端側まで展開する（図３（ａ）参照）。

次に、分析流路１０の一端（電気泳動方向（図１のＤ方向）の上流端）のリザーバ１２ｃ内を接地し、分析流路１０の他端（電気泳動方向（図１のＤ方向）の下流端）のリザーバ１２ｄ内に電圧（例えば、１５０Ｖ）を印加する。また、導入流路１１の両端のリザーバ１２ａ，１２ｂ内にそれぞれリザーバ１２ｄへの印加電圧よりも低い電圧（例えば、５０Ｖ）を印加する。

その結果、導入流路１１と分析流路１０の交差部８に位置している極微量の試料１３ａは、導入流路１１内の他の試料１３から分離されて、分析流路１０内を交差部８から他端側（図３（ｂ）の矢印Ｄ方向先端側）に向かって電気泳動する（図３（ｂ）参照）。

この際、その分離された極微量の試料１３ａは、分析流路１０の電気泳動方向下流側の部分１０ａと導入流路６との交差角度θが約４５度と鋭角であり、この鋭角に交差する部分が尖っているという形状効果により、交差部８の極微量の試料１３ａが導入流路１１内の他の試料１３から分離されやすくなる。その結果、分析流路１０内を電気泳動する極微量の試料１３ａは、図３（ｂ）に示すように、分析流路１０内において尾１５を引く量が少なくなる。これに対し、図１１に示すように、導入流路１１１と分析流路１１０がほぼ直交するように交差する従来の電気泳動装置１０１は、導入流路１１１と分析流路１１０との交差部１０８の極微量の試料１１３ａが分析流路１１０を電気泳動する際に大きく尾１１５を引くことになる（図１２（ｂ）参照）。このように、本参考例の電気泳動装置１と従来の電気泳動装置１０１とを比較した場合には、分析流路１０，１１０を電気泳動する極微量の試料１３ａ，１１３ａの形状が大きく異なることになる（図３（ｂ）及び図１２（ｂ）参照）。

また、本参考例の電気泳動装置１は、分析流路１０内において負に帯電している極微量の試料１３を電気泳動させるため、例えば、導入流路１１の両端に５０Ｖを印加し、分析流路１０の電気泳動方向上流側部分１０ｂの端部を接地する一方、分析流路１０の電気泳動方向下流側部分１０ａの端部に１５０Ｖの電圧を印加した場合に（図１参照）、図８（ａ）に示すように、分析流路１０の電気泳動方向下流側の部分１０ａの交差部８側端部における等電位面１８が分析流路１０に対してほぼ直交するような形状となり、交差部８の試料１３ａが尾１５を引きにくい状態で分析流路１０に分離・導入される（図３（ｂ）参照）。

したがって、本参考例における電気泳動装置１は、上述した分析流路１０と導入流路１１とが鋭角に交差するという形状効果と、等電位面１８が分析流路１０の電気泳動方向下流側部分１０ａに対してほぼ直交することによる効果とが相俟って、交差部８に位置している極微量の試料１３ａが導入流路１１内の他の試料１３から尾１５を引きにくい状態で確実に分離されることになる（図３（ｂ）参照）。一方、本参考例に示すように構成しない従来例の場合、すなわち、分析流路１１０と導入流路１１１とが直交する場合には、図９に示すように、分析流路１１０の電気泳動方向下流側の部分１１０ａの交差部１０８側端部における等電位面１１８が大きく湾曲した形状になっており、交差部１０８の試料１１３が尾１１５を引きやすい状態で分析流路１１０に分離・導入される（図１２（ｂ）参照）。

以上のようにして、交差部８から分離されて分析流路１０内を電気泳動する極微量の試料１３ａは、分子量等の相違により、その電気泳動速度に差が生じ、各成分ごとに分離して複数のバンドが生じることになるが、試料１３ａが尾１５を引く量が少なくなる分だけ、各バンドごとの分離性能が向上し、分析流路１０内の隣合うバンドのうちの先行するバンドの尾が後行するバンドに重なり難くなり、従来例よりも高速（ハイスループット）且つ正確な試料分析が可能になる。

図１０は、このような試料の分析結果を示すものである。この図１０において、（ａ）は、図１１において例示した従来例の電気泳動装置を使用した場合の試料分析結果を示すものであり、（ｂ）は、図１に示した本参考例に係る電気泳動装置１を使用した場合の試料分析結果を示すものである。なお、図１０の横軸が時間軸（単位は秒）であり、縦軸が蛍光分析における蛍光強度（但し、任意に定めた基準値を１００とした場合における当該基準値の比較値）である。

この図１０に示すように、従来の電気泳動装置１０１は、分析流路１１０内において試料が尾を引きやすく、隣合うバンド同士が重なりあって、各バンドがそれぞれ明確に分離・独立されていない（図１０（ａ）参照）。これに対し、本参考例に係る電気泳動装置１は、図１０（ｂ）に示すように、分析流路１０内において試料が尾を引きにくく、隣合うバンド同士が重なり合うことがなく、各バンドがそれぞれ明確に分離・独立されている。このように、本参考例の電気泳動装置１は、従来の電気泳動装置１０１に比較し、試料を高精度に分析することができる。

なお、本参考例に係る電気泳動装置１は、分析流路１０内の検知位置に到達した試料に対して検知手段の発光デバイスから光を照射し、試料の蛍光標識から発せられる蛍光を検知手段の受光デバイスで受光して検知することにより行う試料分析はもちろんのこと、その他の試料分析方法（例えば、試料を磁気検知することによる試料分析方法、紫外線等の光の吸収による分析、又は電気化学的な分析等）にも適用することができる。

また、本参考例の第１部材２は、図２に示すように、直線状に形成された分析溝５の両側に、それぞれ導入溝６の上流側部分６ａと下流側部分６ｂとが対称形状となるように形成されており、分析溝５のうちの交差部８よりも電気泳動方向下流側の部分５ａと導入溝６ａ，６ｂとが鋭角θで交差するようになっているが、これに限定されるものではない。例えば、図４乃至図５に示すように、導入溝６の上流側部分６ａと下流側部分６ｂのうちのいずれか一方のみが分析溝５の電気泳動方向下流側の部分５ａと鋭角θに交差するように構成してもよい。このように構成しても、図１乃至図３に示す電気泳動装置１とほぼ同様の作用・効果を得ることが可能であり、図１１乃至図１２で示した従来例に比較して、交差部８に位置している極微量の試料１３ａが尾１５を引きにくい状態で分離されて分析流路１０内を流動することになる（図３（ｂ）参照）
また、本参考例の第１部材２及び第２部材３は、光透過性の良好な材料が使用されるが、これに限られず、試料の分析方法によっては遮光性材料を使用して形成するようにしてもよい。また、両部材（２，３）のいずれか一方のみを光透過性に優れた材料で形成し、両部材（２，３）のいずれか他方のみを遮光性材料で形成するようにしてもよい。さらに、両部材（２，３）の一部のみを光透過性に優れた材料で形成するようにしてもよい。

また、本参考例において、導入溝６と分析溝５との交差角度θが４５度になるように、導入溝６と分析溝５とが形成されているが、交差角度θはこれに限られず、試料の特性等に応じて、適宜最適の角度（９０°＞θ）が採用される。
［第１実施形態］
図６乃至図７は、本発明の第１実施形態に係る電気泳動装置１の第１部材２を示す図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る第１部材２は、直線状の導入溝６と直線状の分析溝５がほぼ直交に交差するように形成されている。そして、この第１部材２は、分析溝５の交差部８よりも試料電気泳動方向上流側の部分５ｂであって、導入溝６と分析溝５との交差部８のコーナー部分が、曲面状に面取り（Ｒ面取り１６）されるか（図６参照）、又は直線状に斜めに面取り（Ｃ面取り１７）されている（図７参照）。なお、第１部材２の交差部８のコーナー部分におけるＲ面取り寸法及びＣ面取り寸法は、ほぼ１００μｍ程度であり、成形上生じるダレ（コーナー部分の丸み）の寸法５μｍに比較して２０倍程度の大きさである。但し、このＲ面取り寸法又はＣ面取り寸法は、分析溝５や導入溝６の形状寸法に応じて適宜最適な寸法が決定されるものであり、上述した例示寸法に何等限定されるものではない。

このように構成された本実施の形態によれば、図６又は図７の第１部材２に第２部材３を重ね合わせて電気泳動装置１を構成し、分析流路１０内において、負に帯電している極微量の試料１３を電気泳動させるため、例えば、導入流路１１の両端に５０Ｖを印加し、分析流路１０の電気泳動方向上流側部分１０ｂの端部を接地する一方、分析流路１０の電気泳動方向下流側部分１０ａの端部に１５０Ｖの電圧を印加した場合に（図１参照）、図８（ｂ）に示すように、分析流路１０の電気泳動方向下流側の部分１０ａの交差部８側端部における等電位面１８が分析流路１０に対してほぼ直交するような形状となり、交差部８の試料１３ａが尾１５を引きにくい状態で分析流路１０に分離・導入される（図３（ｂ）参照）。一方、本実施の形態に示すように構成しない場合、すなわち、交差部１０８のコーナー部にＲ面取りやＣ面取りをしない場合には、図９に示すように、分析流路１１０の電気泳動方向下流側の部分１１０ａの交差部１０８側端部における等電位面１１８が大きく湾曲した形状になっており、交差部１０８の試料１１３が尾１１５を引きやすい状態で分析流路１１０に分離・導入される（図１２（ｂ）参照）。

以上のような構成の電気泳動装置１は、交差部８から分離されて分析流路１０内を電気泳動する極微量の試料１３ａは、分子量等の相違により、その電気泳動速度に差が生じ、各成分ごとに分離して複数のバンドが生じることになるが、試料１３ａが尾１５を引く量が少なくなる分だけ、各バンドごとの分離性能が向上し、分析流路１０内の隣合うバンドのうちの先行するバンドの尾が後行するバンドに重なり難くなり、従来例よりも高速（ハイスループット）且つ正確な試料分析が可能になる。

なお、上述の参考例及び第１実施形態は、第１部材２側に導入溝６及び分析溝５を形成する態様を例示したが、これに限られず、第２部材３側に導入溝６及び分析溝５を形成するようにし、貫通穴７ａ〜７ｄのみを第１部材２側に形成するようにしてもよい。

また、上述の参考例に係る電気泳動装置１において、第１部材２の分析溝５の交差部８よりも試料電気泳動方向上流側の部分５ｂであって、導入溝６と分析溝５との交差部８のコーナー部分を、曲面状に面取りするか（図６参照）、又は直線状に斜めに面取りするようにしてもよい（図７参照）。

本発明の参考例に係る電気泳動装置を示す図であり、（ａ）が電気泳動装置の平面図、（ｂ）が電気泳動装置の側面図、（ｃ）が（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図である。図１の電気泳動装置を構成する第１部材を示す図であり、（ａ）が第１部材の重ね合わせ面（図１（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿って第２部材を分離した面）を示す平面図、（ｂ）が第１部材の側面図、（ｃ）が（ａ）のＣ−Ｃ線に沿って切断して示す断面図である。図１の矢印Ｆで示す部分を一部切り欠いて示す拡大説明図であり、（ａ）が試料を導入流路内に展開した状態を示す図、（ｂ）が交差部の試料を分析流路内に分離して電気泳動させる状態を示す図である。第１部材の第１変形例を示す平面図である。第１部材の第２変形例を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る電気泳動装置の第１部材を示す平面図である。図６に示す第１部材の変形例を示す平面図である。試料を分析流路内において電気泳動させる場合に生じる等電位面を模式的に示す図であり、（ａ）が図１乃至図３に示す参考例の第１部材を使用した場合の等電位面を模式的に示す図であって、（ｂ）が図６に示す第１部材を使用した場合の等電位面を模式的に示す図である。従来の電気泳動装置において、交差部の試料を分析流路内で電気泳動させる場合に生じる等電位面を模式的に示す図である。試料の分析結果を示す図であり、（ａ）が従来の電気泳動装置による試料分析結果を示す図、（ｂ）が本発明の参考例に係る電気泳動装置による試料分析結果を示す図である。従来の電気泳動装置を示す図であり、（ａ）が電気泳動装置の平面図、（ｂ）が電気泳動装置の側面図、（ｃ）が（ａ）のＧ−Ｇ線に沿って切断して示す断面図である。図１１の矢印Ｈで示す部分を一部切り欠いて示す拡大説明図であり、（ａ）が試料を導入流路内に展開した状態を示す図、（ｂ）が交差部の試料を分析流路内に分離して電気泳動させる状態を示す図である。

符号の説明

１……電気泳動装置、８……交差部、１０……分析流路、１０ａ……電気泳動方向下流側の部分、１０ｂ……電気泳動方向上流側の部分、１１……導入流路、１３……試料、１６……面取り（Ｒ面取り）、１７……面取り（Ｃ面取り）

Claims

試料を一端側から他端側へ向けて流動させる導入流路と、
前記導入流路に直交するように交差して、この交差部の前記試料を導入流路側から分離して電気泳動させる分析流路と、
を備えた電気泳動装置において、
前記導入流路と前記分析流路の前記交差部のコーナー部分であって、前記分析流路の前記交差部よりも電気泳動方向上流側のコーナー部分と電気泳動方向下流側のコーナー部分のうちの前記電気泳動方向上流側のコーナー部分が、面取りされたことを特徴とする電気泳動装置。