JP3661320B2 - マイクロチップ電気泳動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極微量のタンパク質や核酸などを高速、かつ高分解能に分析する装置に関し、更に詳しくは、一対の透明板状部材を備え、少なくとも一方の板状部材の表面に液が流れる溝が形成され、他方の板状部剤にはその溝に対応する位置に貫通穴が設けられ、これら板状部材が前記溝を内側にして張り会わされてその溝により互いに交差する分離流路と試料導入流路が形成されているマイクロチップを用い、分離流路に泳動液を満たし、試料導入流路から分離流路に試料を導入し、分離流路の両端間に泳動電圧を印加して試料を分離流路で電気泳動分離させるマイクロチップ電気泳動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極微量のタンパク質や核酸などを分析する場合には、従来から電気泳動装置が用いられており、その代表的なものとしてキャピラリ電気泳動装置がある。キャピラリ電気泳動装置は、内径が５０μｍ程度又はそれ以下のガラスキャピラリー内に泳動バッファを充填し、一端側に試料を導入した後、両端間に高電圧を印加して分析対象物をキャピラリー内で展開させるものである。キャピラリー内は容積に対して表面積が大きい、すなわち冷却効率が高いことから、高電圧の印加が可能となり、ＤＮＡなどの極微量試料を高速、かつ高分解能にて分析することができる。
【０００３】
キャピラリーはその外形が数１０μｍ〜１００μｍ程度と細く破損しやすいため、ユーザーが行なうべきキャピラリー交換時の取扱いが容易でない問題を有する。そのため、D. J. Harrison et al./ Anal. Chim. Acta 283 (1993) 361-366に示されているように、２枚の基板を接合して形成されたキャピラリー電気泳動チップ（マイクロチップという）が提案されている。そのマイクロチップの例を図１に示す。一対の透明ガラス基板５１，５２からなり、一方の基板５２の表面にエッチングにより互いに交差する泳動用キャピラリー溝５４，５５を形成し、他方の基板５１にはその溝５４，５５の端に対応する位置に貫通穴５３を設けたものである。
【０００４】
このマイクロチップを使用するときは、両基板５１，５２を（Ｃ）に示すように重ね、いずれかの貫通孔５３から泳動液を溝５４，５５中に注入する。その後、短い方の溝５４の一方の端の貫通孔５３に試料を注入しその溝５４の両端の貫通孔５３，５３間に電極を差し込んで所定時間だけ高電圧を印加する。これにより、試料は溝５４中に分散される。
【０００５】
次に、長い方の溝５５の両端の貫通孔５３，５３に電極を差し込み、泳動電圧を印加する。これにより、両溝５４，５５の交差部分５６に存在する試料が溝５５内を電気泳動する。溝５５の適当な位置に紫外可視分光光度計、蛍光光度計、電気化学検出器等の検出器を配置しておくことにより、分離成分の検出を行なう。
このようなマイクロチップを用いた電気泳動は、高速動作が可能、極微量分析が可能、小型などの特徴を持つことが知られており、その装置化技術が進歩すれば、これまでにないユニ−クな分析装置となる可能性を秘めている。
【０００６】
これまでのマイクロチップを用いた技術では、分析前に必要不可欠な泳動液用の貫通孔５３から流路５４，５５への泳動液の充填、及び試料注入用の貫通孔５３への試料の注入は全て手操作によっている。泳動液用の貫通穴は泳動液のリザ−バの役割を果たし、試料を注入する貫通穴は試料容器に相当する。分析前の操作として、泳動液をどれか一つの貫通穴５３からシリンジなどで手で送液し、試料は試料導入用の溝５４の一端の貫通穴５３から別のシリンジで注入している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
泳動液の充填や試料注入の操作は、煩雑であるだけでなく、泳動液や試料の注入も含めた全体の分析時間を長くする結果となり、秒単位で分離が可能というマイクロチップ電気泳動の特徴を活かすことにならない。
そこで、本発明はマイクロチップ電気泳動の操作を自動化して容易にすることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロチップ電気泳動装置では、マイクロチップへの泳動液の充填と試料注入を自動化するために、マイクロチップを移動させる移動機構と、試料を供給するニードルがマイクロチップの試料注入孔の移動軌跡上で上下に移動して試料注入孔に試料を注入する試料注入機構と、泳動液を供給する泳動液供給口がマイクロチップの泳動液注入孔の移動軌跡上で上下に移動して泳動液注入孔に泳動液を注入する泳動液注入機構と、試料注入孔を試料注入機構のニードル直下の位置、泳動液注入孔を泳動液注入機構の泳動液供給口直下の位置、及び分離流路上の検出点を検出部の位置にそれぞれ位置決めするように移動機構によるマイクロチップの移動の制御、並びに試料注入機構と泳動液注入機構の動作の制御を行なう制御部とを備えている。
【０００９】
流路に泳動液が充填されていないドライの状態で、マイクロチップが移動機構に装着され、動作が開始されると、移動機構によりマイクロチップの試料注入孔と泳動液注入孔がそれぞれ試料供給用ニードル直下と泳動液供給口直下に位置決めされる。試料供給用ニードルと泳動液供給口がマイクロチップへ降下し、泳動液の充填と試料注入が行なわれる。
【００１０】
その後、試料供給用ニードルと泳動液供給口がともに上昇し、マイクロチップは移動機構により移動させられて検出点が検出部の位置に位置決めされ、分析が行なわれる。
分析終了後、マイクロチップはさらに移動機構により移動させられて、未使用の流路を用いて、同様に泳動液の充填、試料注入、分析が繰り返される。
【００１１】
【実施例】
図２に、一実施例で使用するマイクロチップを示す。マイクロチップ１は図１に示されたものと同様に、一対の透明ガラス基板の一方の表面にエッチングにより互いに交差するキャピラリー溝２−１，３−１の組と、２−２，３−２の組を形成し、他方の基板にはそれらの溝の端に対応する位置に貫通穴Ｂ１，Ｄ１，Ｓ１，Ｗ１，Ｂ２，Ｄ２，Ｓ２，Ｗ２を設けたものである。キャピラリー溝２−１は分離流路でその両端に泳動液リザーバＢ１，Ｄ１がそれぞれ配置され、キャピラリー溝３−１は試料導入流路でその一端に試料注入口Ｓ１、他端に試料廃液溜めＷ１が配置されている。この２つの流路２−１と３−１の組を１組目の流路セットとし、それらの流路２−１と３−１の交差部分の体積の試料が分析される。同様にキャピラリー溝２−２は分離流路でその両端に泳動液リザーバＢ２，Ｄ２がそれぞれ配置され、キャピラリー溝３−２は試料導入流路でその一端に試料注入口Ｓ２、他端に試料廃液溜めＷ２が配置されている。この２つの流路２−２と３−２の組を２組目の流路セットとし、それらの流路２−２と３−２の交差部分の体積の試料が分析される。
【００１２】
このマイクロチップ１では２組の流路の組が形成されており、各組の試料注入口Ｓ１とＳ２、泳動液リザーバＤ１とＤ２、検出点Ｍ１とＭ２はそれぞれ同じ直線上に配置されており、それらの直線は互いに平行である。それらの直線の方向をＹ方向とする。マイクロチップ１は、後述の移動機構によりその直線方向（Ｙ方向）に移動させられる。
【００１３】
図３（Ａ)，(Ｂ）は各貫通穴Ｂ１，Ｄ１，Ｓ１，Ｗ１，Ｂ２，Ｄ２，Ｓ２，Ｗ２に電圧を印加するための電極パターン４を示したものである。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ’線位置での断面図である。各貫通穴につながる電極パターン４は１ヶ所のコネクタ部５に集約され、コネクタ部５から電源装置に接続することにより操作性を向上させている。電極パターン４はマイクロチップ1の表面に蒸着などの方法により形成したものである。
【００１４】
図３の例では、同じ機能をもつリザーバどうしが導通しているため、同じ機能をもつリザーバには同時に電圧が印加される。そのため、１つの流路セットに試料を注入した後、その流路セットの泳動を行ない、その後に次の流路セットに試料を注入するというように、同じマイクロチップの流路セットであっても試料注入をまとめて行なっておくことはできない。
【００１５】
一方、図４は流路セットごとに別の電極が設けられた例である。この例では、各流路セットで独立した端子が使われるので、マイクロチップの両方の流路セットに試料を注入しておき、順次に電圧を印加して泳動を行なうことができる。
１つのマイクロチップに設ける流路セットの数は２つに限らない。図５（Ａ）のように１組であってもよく、（Ｂ）のように３組以上であってもよい。
【００１６】
図６と図７により一実施例を示す。
１０はマイクロチップローディング用トレイであり、マイクロチップ１を装着して固定することができる。トレイ１０はＹ方向に移動できるように支持されている。トレイ１０の側部にはギア１０ａが形成され、そのギア１０ａが、モータ１１により回転が駆動されるギア１０ｂと噛み合っていることにより、トレイ１０がＹ方向に移動する。トレイ１０の移動によりマイクロチップ１の試料注入口Ｓ１とＳ２が試料注入用ニードル１２が降下する位置Ｉに、泳動液リザーバＢ１とＢ２が泳動液加圧送液用ロッド１３が降下する位置Ｐに、検出点Ｍ１とＭ２が検出部の位置にそれぞれ位置決めされる。
【００１７】
泳動液供給口をもつロッド１３はその先端にマイクロチップ１の表面と接触して気密性を保つためのシール部材１４を備えている。ニードル１２とロッド１３は１つのブロック１５に固定され、そのブロック１５はＸ方向に移動するＸマウント１６と、上下方向に移動するＺマウント１７のアームによって、Ｘ方向の水平移動と垂直方向の上下移動可能に支持されている。
【００１８】
ロッド１３とブロック１５の間には、先端のシール部材１４を適度の圧力でマイクロチップ１の表面に押しつけるためのバネ１８が設けられており、ニードル１２とブロック１５の間には、ニードル１２の先端をマイクロチップ１の試料注入口Ｓ１，Ｓ２の底部に接触させるための弱いバネ１９が設けられている。
【００１９】
ロッド１３の基端部はバルブ２１を介して泳動液を吸入しているシリンジ２０に接続されている。バルブ２１が開かれ、シリンジ２０が押し込まれることによりロッド１３の先端から泳動液が吐出される。ロッド１３、シール部材１４、バルブ２１及びシリンジ２０により泳動液注入機構を構成している。
ニードル１２の基端部はシリンジ２０に接続されており、そのシリンジ２０により試料を吸入し、吐出できるようになっている。
【００２０】
トレイ１０の側方には洗浄瓶２３とサンプルトレイ２４に配置された試料容器２５が配置されており、洗浄瓶２３にはロッド１３とニードル１２がそれぞれ移動してきて浸されて洗浄され、試料容器２５にはニードル１２が移動してきて浸されて試料吸引がなされる。試料容器２５には標準試料又は分析試料が収容され、ニードルには１μｌ程度の試料が吸引される。
【００２１】
モータＭ１、Ｘマウント１６、Ｚマウント１７、シリンジ２０，２２、及びバルブ２１の動作は駆動回路２６によりなされ、その駆動回路２６は制御部に該当するＣＰＵにより制御されている。
なお、図６ではニードル１２とロッド１３の組が２組あるように描かれているが、実際には１組のみが備えられており、図は移動した状態を表わしたものである。
【００２２】
次に、この実施例の動作について説明する。
トレイ１０にドライ状態のマイクロチップ１を装着し、動作を開始させると、モータＭ１によりトレイ１０がＹ方向に移動させられ、マイクロチップ１の試料注入口Ｓ１と泳動液リザーバＢ１がそれぞれロッド１３が降下する位置Ｐとニードル１２が降下する位置Ｉに位置決めされる。一方、ニードル１２が試料容器２５から試料を吸入した後、ニードル１２とロッド１３がそれぞれＩ，Ｐの位置に移動する。ニードル１２とロッド１３はマイクロチップ１上に降下して、ロッド１３はバネ１８により先端のシール部材がマイクロチップ１の表面に押しつけられ、ニードル１２の先端はバネ１９により試料注入口Ｓ１の底部に接触させられる。その状態でシリンジ２０により泳動液が送液され、マイクロチップ１の分離流路２−１と試料導入流路３−１が泳動液で満たされた後、シリンジ２２から試料がニードル１２により試料注入口Ｓ１に注入される。
【００２３】
その後、Ｚマウント１７によりニードル１２とロッド１３が上昇させられ、マイクロチップ１を固定したトレイ１０が再度Ｙ方向に移動し、流路の検出点Ｍ１を検出部の位置に合わせにいく。
分析は従来どおり、試料注入口Ｓ１と試料廃液溜めＷ１に電圧を所定時間印加し、次いで泳動液リザーバＢ１とＤ１に電圧を切り換えることで、両流路２−１と３−１の交差部分のサンプルが分離流路２−１方向にプラグ状で導入され、分離されて検出される。
【００２４】
ニードル１２とロッド１３は洗浄瓶２３の方向に移動し、まずニードル１２が洗浄瓶２３で洗浄された後、ロッド１３が洗浄瓶２３に、ニードル１２が試料容器２５にそれぞれ挿入され、ロッド１３の洗浄とニードル１２への次の試料の吸入がなされる。
【００２５】
モータＭ１によりトレイ１０が再度Ｙ方向に移動させられ、マイクロチップ１の試料注入口Ｓ２と泳動液リザーバＢ２がそれぞれロッド１３が降下する位置Ｐとニードル１２が降下する位置Ｉに位置決めされ、１組目の流路セットへの泳動液の充填、試料注入、分析と同様にして、２組目の流路セットへの泳動液の充填、試料注入、分析が行なわれる。
【００２６】
本発明は、他の局面として次のものを含んでいる。マイクロチップは互いに交差する分離流路と試料導入流路の組を少なくとも２組備えており、かつそれらの組の泳動液注入孔、試料導入流路の試料注入孔、及び検出点が互いに平行な線上に位置するように配置されたものである。
さらに、実際の分析では標準試料と実試料の最低２回は分析する必要があるため、試料導入路と分離流路を１組のみ備えたマイクロチップでは、分析途中で流路をいったん洗浄する必要があり、マニュアル操作では更に時間を要する結果となる。
【００２７】
そこで、マイクロチップに２組以上の流路セットが設けられている場合には、１組目の流路セットで標準試料を分析し、他の流路セットで未知試料を分析するように使用することができるなど、同一のマイクロチップで複数の試料を順次連続して分析することが可能になる。マイクロチップの流路に泳動液が充填され、試料が注入された後は、分析に要する時間は極めて短かいため、標準試料と未知試料を１枚のマイクロチップの別々の流路で分析する場合でも、全体としての分析時間は短かくてすむ。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、マイクロチップを移動させる機構、マイクロチップの流路に泳動液を自動的に供給する機構、及びマイクロチップの流路に試料を自動的に注入する機構を備えたので、マイクロチップを用いた電気泳動操作を容易に行なうことができるようになる。
また、マイクロチップを分離流路に対して直交する方向に移動させることにより、検出点の位置決め機構を兼ねることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマイクロチップを示す図であり、（Ａ）と（Ｂ）はマイクロチップを構成する透明板状部材を示す平面図、（Ｃ）は正面図である。
【図２】一実施例で使用するマイクロチップを示す平面図である。
【図３】図２のマイクロチップの各貫通穴に電圧を印加する電極パターンの一例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ)は（Ａ）のＡ−Ａ’線位置での断面図である。
【図４】図２のマイクロチップの各貫通穴に電圧を印加する電極パターンの他の例を示す平面図である。
【図５】（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ各貫通穴に電圧を印加する電極を備えたマイクロチップの他の例を示す平面図である。
【図６】一実施例を示す斜視図である。
【図７】同実施例の制御系を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ マイクロチップ
２−１，２−２ 分離流路
３−１，３−２ 試料導入流路
４ 電極パターン
５ コネクタ部
１０ マイクロチップローディング用トレイ
１２ 試料注入用ニードル
１３ 泳動液加圧送液用ロッド
１６ Ｘマウント
１７ Ｚマウント
２０，２２ シリンジ
２６ 駆動回路
Ｂ１，Ｂ２ 泳動液リザーバ
Ｓ１，Ｓ２ 試料注入口

Claims (1)

1. 一対の透明板状部材を備え、少なくとも一方の板状部材の表面に液が流れる溝が形成され、他方の板状部材にはその溝に対応する位置に貫通穴が設けられ、これら板状部材が前記溝を内側にして張り合わされてその溝により互いに交差する分離流路と試料導入流路が形成されているマイクロチップを用い、分離流路と試料導入流路に泳動液を満たし、試料導入流路から分離流路に試料を導入し、分離流路の両端間に泳動電圧を印加して試料を分離流路で電気泳動分離させるマイクロチップ電気泳動装置において、
   前記マイクロチップを移動させる移動機構と、
   試料を供給するニードルが前記貫通穴の１つである試料注入孔の移動軌跡上で上下に移動して試料注入孔に試料を注入する試料注入機構と、
   泳動液を供給する泳動液供給口が前記貫通穴の他の１つである泳動液注入孔の移動軌跡上で上下に移動して泳動液注入孔に泳動液を注入する泳動液注入機構と、
   前記試料注入孔を試料注入機構の前記ニードル直下の位置、前記泳動液注入孔を泳動液注入機構の泳動液供給口直下の位置、及び前記分離流路上の検出点を検出部の位置にそれぞれ位置決めするように前記移動機構によるマイクロチップの移動の制御、並びに前記試料注入機構と前記泳動液注入機構の動作の制御を行なう制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロチップ電気泳動装置。

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