JP3695631B2

JP3695631B2 - 電気泳動装置

Info

Publication number: JP3695631B2
Application number: JP14940099A
Authority: JP
Inventors: 健雄田名網
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000338087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオ分野で使用される電気泳動装置に関し、特に電気泳動の高速化および高分解能化のための改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気泳動法は、安価で簡単な装置を使って遺伝子構造解析やアミノ酸などの蛋白質の構造分析を行うことができる方法としてよく知られ、バイオ分野で多用されている。
【０００３】
電気泳動法には、ポリアクリルアミドを使ったディスク電気泳動法をはじめとして、ＳＤＳ（ドデシル硫酸ナトリウム）ポリアクリルアミドゲル電気泳動法、等電点電気泳動法、核酸のゲル電気泳動法、他分子との相互作用の影響を利用した電気泳動法、２次元電気泳動法、キャピラリー電気泳動法などがある。
【０００４】
図９は従来の泳動計測装置の一例を示す構成図であり、この泳動計測装置は大別して電気泳動装置部１０と信号処理装置部２０から構成されている。
電気泳動装置部１０は、電気泳動を行う泳動部１１と、泳動部１１に電圧を印加するための第1電極１２および第2電極１３と、泳動部１１および各電極１２，１３を保持する支持板１４と、前記電極に電圧を加える電気泳動用電源装置１５と、蛍光物質を励起するための光を発生する光源１６と、光源１６からの光を導く光ファイバ１７と、蛍光物質から発生した蛍光を集光し、光学フィルタにより特定波長の光を選択的に通した後、これを電気信号に変換する光検出器１８から構成されている。
【０００５】
信号処理装置部２０では、光検出器１８からの電気信号を受けて、適宜の処理、例えば、デジタルデータへのデータ変換、加算平均処理等の前処理などを施すことができるようになっている。この信号処理装置部２０の出力は図示しないデータ処理装置に送られ、解析処理により試料の分析が行われる。
【０００６】
このような装置において、泳動部１１にゲルを注入し、このゲルの上部から蛍光物質で標識したＤＮＡ断片の試料を注入し、続いて電源装置１５により第１電極１２および第２電極１３に電圧を印加すると、電気泳動が始まる。試料の各レーンには試料に含まれる分子が分子量ごとに集まり、それぞれバンドを作る。分子量の軽い分子ほど泳動速度が速いため同一時間内に泳動される距離は大きい。
【０００７】
これらのバンドの検出は、光源１６からの光（例えば、レーザ光）でゲルを照射してゲル中でバンドに集まっている標識の蛍光物質に蛍光を発生させ、この蛍光を光検出器１８で検出する。
【０００８】
すなわち、レーザ光が照射されると、図１０に示すように光路３１上に存在するゲルの蛍光物質が励起されて、蛍光を発する。この蛍光を、レーンごとに所定の検出位置で電気泳動方向に時間の経過と共に検出する。これにより、各レーンのバンド３２が光路３１上の位置を通過する時に蛍光が検出されることになり、１つのレーンにおける蛍光強度のパターン信号が得られる。
図示しないデータ処理装置は、このパターン信号から、例えば、ＤＮＡの各塩基配列を解析することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電気泳動装置では、次のような課題があった。
▲１▼測定に時間がかかる。
▲２▼分離能が十分ではない。多種の分離には多数のレーンが必要である。２次元が限界であるため３次元以上の相互関連情報は得られない。
▲３▼設置面積が大きい。泳動部の面積は、例えば、５０ｃｍ×５０ｃｍ、あるいは５ｃｍ×５ｃｍ等といずれも大きい。
▲４▼特に２次元は位置の再現性が悪い。別レーンにマーカを入れてこれを参照すればよいが、マーカを入れると面積が増大する。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、泳動部がコンパクトであり、しかも高精度な泳動パターンが得られ、更に相互関連した多くの情報を短時間で得ることができる電気泳動装置を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の発明では、
蛍光色素で標識した試料を泳動部で電気泳動し、発光する蛍光パターンを読み取るように構成した電気泳動装置であって、
多種の蛋白またはＤＮＡ等の標的物質に対してそれぞれ異なる蛍光色素を結合させた複数の試料を前記泳動部の平板状のゲルの同一レーンに流し、試料の厚さ方向に電圧、ｐＨ、密度、濃度などの物理的勾配を設けて電気泳動を行う電気泳動装置部と、
前記泳動部の試料を励起光で走査し、励起光の照射により発光した前記試料の蛍光パターンを検出するように構成してなる走査型または非走査型の共焦点型顕微鏡あるいは２光子励起型顕微鏡を具備し、試料の３次元位置と濃度を検出できるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、レーンの数が減って泳動部がコンパクトになると共に、電圧勾配の不均一やゲルの不均一を防止でき高精度の測定が可能となる。また、多色の蛍光パターンの同時検出や、検出時間の短縮化が可能であり、さらに、試料の厚さ方向に、電圧や pH 、密度などの物理的勾配を設けて電気泳動を行って同時に３次元の泳動パターンを検出することができる。
【００１５】
この場合、請求項２のように、ゲルの平面方向の２軸およびこの２軸に対して直角な厚み方向にそれぞれ異なる物理的勾配を設けて３軸方向に同時に泳動を行うことにより、高速でかつ３軸の影響の相互関係を測定できる。
【００１６】
また、請求項３のように、ゲルの同一レーンに試料とマーカを混入させることにより、ゲル濃度、温度差、電圧の分布などと他の条件が同じとなるため、高精度でコンパクトな測定が可能となる。
【００１７】
更に、請求項４のように共焦点顕微鏡の開口部を各試料の位置に一致させるかまたは試料の位置の内側に位置するように配置すると、試料のふちの影響のない高Ｓ／Ｎの測定を実現することができる。
【００１８】
また、請求項５のように開口部の光源側に集光手段を備えれば、光源の有効利用を図ることができる。
【００１９】
更に、請求項６のように、厚さ方向の濃度分布は、ゲルの片面のみに高濃度溶液を接触させるかまたは遠心分離または多層の積層により厚み方向に密度差をつけることにより実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳しく説明する。図１は本発明に係る電気泳動装置の一実施例を示す要部構成図である。図において、１００は共焦点顕微鏡部、２００は薄い平板状のゲルを有する平板状の電気泳動装置である。
【００２１】
共焦点顕微鏡部（共焦点光スキャナとも呼ぶ）１００は、泳動部２０１の担体を光走査し、担体から発光した蛍光の泳動パターンを読み取ることができるものであり、以下のような構成になっている。
【００２２】
光源１０１からの励起光（例えば、波長λ１の青色のレーザ光）はレンズ１０２により平行光となり、ダイクロイックミラー１０３で反射した後、レンズ１０４を介してスリットアレイ１０５のスリット上に集光され、続いてスリットを通過した光は対物レンズ１０６により絞られ泳動部２０１の担体上に入射する。泳動部の蛍光物質はこの光により励起され蛍光を発する。
【００２３】
この蛍光は、再び対物レンズ１０６、スリットアレイ１０５、レンズ１０４と逆戻りし、ダイクロイックミラー１０３を透過して次のダイクロイックミラー１０７に入射する。
なお、ダイクロイックミラー１０３は波長λ１（例えば、青色）の光を反射し、波長λ１より長い波長の光を透過する。また、ダイクロイックミラー１０７は波長λ２（例えば、緑色）の光を反射し、波長λ３（例えば、赤色）の光を透過する。波長λ１，λ２，λ３は図２のような関係にある。
【００２４】
ダイクロイックミラー１０７を反射した波長λ２の光はレンズ１０８を介して受光器１０９に集光し、ダイクロイックミラー１０７を透過した波長λ３の光はレンズ１１０を介して受光器１１１に集光する。
スリットアレイ１０５を移動させて光源からの光が泳動部２０１の表面を光走査するように制御すれば、各受光器１０９，１１１には泳動部２０１で発生した蛍光泳動パターンが結像する。
【００２５】
この場合、受光器１０９上には泳動パターン中で緑色に発光したパターンのみが結像し、受光器１１１には泳動パターン中で赤色に発光したパターンのみが結像する。受光器１０９，１１１は結像画像を電気信号に変換して出力する。
【００２６】
電気泳動装置部２００には、泳動部２０１と、泳動部２０１で電気泳動を行うための電圧を供給する電源２０２を備えている。
【００２７】
このように共焦点スキャナを用いて泳動部２０１で発生した多色の蛍光泳動パターンを高精度で容易に測定することができる。
【００２８】
ところで、電気泳動では分子量の絶対値は得られない。そのため、通常は図３に示すように参照用のマーカ分子を隣りのレーンに流すが、この方式では、場所をとり、また全レーンにわたり電圧を均一に印加し難いなどが原因で、測定誤差が生じるという問題がある。
【００２９】
本発明では、図４に示すように同一レーンに試料と共に参照用のマーカ分子（以下単にマーカという）も混入して流す。ただし、各マーカと試料には異なる蛍光波長を持つ色素を結合しておく。このような物質を電気泳動させて、共焦点スキャナで光走査することにより同時に複数種の蛍光泳動パターンを検出することができる。
【００３０】
図５は本発明の他の実施例である。２次元電気泳動は一般によく知られているが、これに対して図５は厚み方向（Ｚ軸方向）に更に１次元加えた３次元電気泳動の例である。
【００３１】
この場合、例えば、Ｘ軸方向（縦方向）、Ｙ軸方向（横方向）、Ｚ軸方向（厚み方向）に対し次のような電圧勾配やｐＨ勾配のかけ方がある。
１）Ｘ軸方向に高電圧、Ｙ軸方向にｐＨ勾配、Ｚ軸方向に低電圧をそれぞれ与える。
２）Ｘ軸方向に電圧、Ｙ軸方向にｐＨ勾配を与え、Ｚ軸方向はゲル濃度を変えた多層ゲルとする。
３）Ｘ軸方向に電圧、Ｙ軸方向にｐＨ勾配を与え、Ｚ軸方向には電圧勾配をかけアフィニティー電気泳動を行う。
【００３２】
この場合、泳動部２０１の光走査面が光軸方向（Ｚ軸方向）に上下できるように、例えば共焦点スキャナ１００の対物レンズ１０６を上下移動可能に構成しておく。そしてＺ軸方向の光走査面を制御しながら、ＸＹ軸方向の蛍光泳動パターンを多色検出することにより、容易に３次元の情報を得ることができる。
【００３３】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００３４】
例えば、図５の実施例において、例えば図６に示すようにＸＺのみをレーンとして使えば、通常の２次元電気泳動よりコンパクトとなる。
また、厚み方向（Ｚ軸方向）の濃度分布は、片面のみ高濃度溶液を接触させたり、あるいは遠心分離により密度差を厚み方向につけることによって実現することができる。あるいはまた濃度の異なるゲルを多層に積層する方式で実現することもできる。
【００３５】
また、図７に示すように厚み方向に試料とマーカを分離して入れると、他の条件は図６と同じでコンパクトな測定ができる。この場合、共焦点方式で厚み方向を分離して測定できるため、蛍光色は同一でもよい。
更にまた、図８に示すように、電気泳動を非走査型共焦点顕微鏡で測定するときは、共焦点の開口部６１が試料の位置６２と一致あるいはその一部を測定するように設置すれば、試料のふちの影響のない高Ｓ／Ｎの測定が実現できる。
【００３６】
なお、光源としては単一光子型または２光子型のいずれの光源を用いても差し支えず、同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
１）コンパクトで高精度の多色電気泳動を容易に実現することができる。
２）３次元の電気泳動が実現でき、装置がコンパクトであり、しかも相互関連を持った多くの情報を短時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多色電気泳動装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】励起光および蛍光の各波長分布を示す説明図である。
【図３】試料とマーカの配置についての説明図である。
【図４】試料、マーカを同一レーンに注入する場合の説明図である。
【図５】３次元泳動を行う場合の泳動部の説明図である。
【図６】１つの軸方向を切り離す場合の説明図である。
【図７】試料の厚み方向にマーカを並べた場合の説明図である。
【図８】試料の位置と開口部の関係を示す説明図である。
【図９】従来の電気泳動装置の一例を示す構成図である。
【図１０】泳動パターンの説明図である。
【符号の説明】
１００共焦点顕微鏡部
１０１光源
１０２，１０４，１０８，１１０レンズ
１０３，１０７ダイクロイックミラー
１０５スリットアレイ
１０６対物レンズ
１０９，１１１受光器
２００電気泳動装置部
２０１泳動部
２０２電源

Claims

蛍光色素で標識した試料を泳動部で電気泳動し、発光する蛍光パターンを読み取るように構成した電気泳動装置であって、
多種の蛋白またはＤＮＡ等の標的物質に対してそれぞれ異なる蛍光色素を結合させた複数の試料を前記泳動部の平板状のゲルの同一レーンに流し、ゲルの平面方向の２軸およびこの２軸に対して直角な厚み方向に、電圧、ｐＨ、密度、濃度などの物理的勾配を設けて電気泳動を行う平板状の電気泳動装置部と、
前記泳動部の試料を励起光で走査し、励起光の照射により発光した前記試料の蛍光パターンを検出するように構成してなる走査型または非走査型の共焦点型顕微鏡あるいは２光子励起型顕微鏡を具備し、試料の３次元位置と濃度を検出できるようにしたことを特徴とする電気泳動装置。
前記電気泳動装置部は、ゲルの平面方向の２軸およびこの２軸に対して直角な厚み方向にそれぞれ異なる物理的勾配を設け、３軸を同時に試料分離するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電気泳動装置。
前記電気泳動装置部は、ゲルの同一レーンに試料とマーカを混入させたことを特徴とする請求項１に記載の電気泳動装置。
前記非走査型の共焦点型顕微鏡は、開口部が各試料の位置と一致または各試料の位置の内側に来るように配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気泳動装置。
前記共焦点型顕微鏡は、共焦点用開口部の光源側に集光手段を持つことを特徴とする請求項４に記載の電気泳動装置。
前記厚み方向の濃度分布は、ゲルの片面のみに高濃度溶液を接触させるかまたは遠心分離または多層の積層により厚み方向に密度差をつけることにより実現したことを特徴とする請求項１に記載の電気泳動装置。