JP6890195B2

JP6890195B2 - キャピラリ電気泳動装置および恒温槽

Info

Publication number: JP6890195B2
Application number: JP2020065491A
Authority: JP
Inventors: 航佐藤; 基博山崎
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2020-04-01
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2020101570A

Description

本発明は、核酸やタンパク質等を分離分析するキャピラリ電気泳動装置における恒温槽に関する。

キャピラリに高分子ゲルやポリマー溶液などの電気泳動媒体を充填し、キャピラリ両端に高電圧を印加することで電気泳動を行うキャピラリ電気泳動装置において、特許文献１には、「恒温装置は、本体フレームとドアフレームを有し、本体フレーム内には温度制御部材が装着されている。」、「キャピラリは、本体フレームの温度制御部材とドアフレームのキャピラリアレイ押さえ用スポンジの間に挟まれて保持されているため、常に一定の温度に保持される。」と記載されている。

特開２００７−３２２３６７号公報

特許文献１にはキャピラリが温度制御部材に接触することで、キャピラリの自己発熱を効率的に放熱する恒温装置が記載されている。しかし、特許文献１に記載された恒温装置では、恒温装置に固定されている検出部の周囲において、局所的に恒温装置温度が低下するため、温度制御部材の温度分布が不均一となってしまう。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、キャピラリの長さ方向の温度を一定に保つことで、分析性能の高いキャピラリ電気泳動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のキャピラリ電気泳動装置は、熱源、第１の熱伝導部材、及び試料検出用の検出窓を有し、キャピラリを所定の温度に保つ恒温槽と、
前記第１の熱伝導部材との間に前記キャピラリを挟み込む第２の熱伝導部材を有し、前記キャピラリを保持するキャピラリホルダと、
キャピラリ内を電気泳動する試料を検出する検出部と、を備えた、キャピラリ電気泳動装置であって、
前記熱源は、第一の発熱抵抗線と前記第一の発熱抵抗線よりも幅の狭い第二の発熱抵抗線とが直列に接続された発熱抵抗線を有し、
前記第二の発熱抵抗線は、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部に配置され、
前記第一の発熱抵抗線は前記第二の発熱抵抗線よりも疎に配置されることを特徴とする。

本発明に係るキャピラリ電気泳動装置は、キャピラリの長さ方向の温度を均一に保つことができるため、キャピラリ電気泳動装置の分離性能を安定化させることができ、分析性能を向上させることができる。

キャピラリ電気泳動装置の恒温槽の分解図。恒温槽の斜視図。恒温槽の断面図。キャピラリホルダの平面図。キャピラリホルダの断面図。ヒータの平面図。本発明を適用していない恒温槽におけるキャピラリ径方向の温度差を説明する図。キャピラリ径方向の温度差を説明する図。恒温槽の概略図。恒温槽の断面図。恒温槽の概略図。恒温槽の断面図。キャピラリ電気泳動装置の斜視図。

図９に、本実施形態のキャピラリ電気泳動装置の装置構成図を示す。本装置は、装置下部にあるオートサンプラーユニット１５０と、装置上部にある照射検出／恒温槽ユニット１６０の、二つのユニットに大きく分けることが出来る。

オートサンプラーユニット１５０には、サンプラーベース８０の上にＹ軸駆動体８５が搭載されている。また、Ｙ軸駆動体８５にはＺ軸駆動体９０が搭載されている。Ｚ軸駆動体９０の上にはサンプルトレイ１００が搭載され、サンプルトレイ１００の上に、泳動媒体容器２０、陽極側緩衝液容器３０、陰極側緩衝液容器４０、サンプル容器５０をセットすることができる。サンプル容器５０は、サンプルトレイ１００上に搭載されたＸ軸駆動体９５の上にセットされ、Ｘ軸に駆動することが出来る。Ｚ軸駆動体９０には送液機構６２も搭載される。この送液機構６２は泳動媒体容器２０の下方に配置されている。

照射検出／恒温槽ユニット１６０には、恒温槽１が備えられ、内部を一定の温度に保つことが出来る。恒温槽１の後方には照射検出ユニット３が搭載され、電気泳動時の検出を行うことが出来る。恒温槽１の中に、キャピラリ６をセットし、恒温槽１にてキャピラリ６を恒温に保ちながら電気泳動を行い、照射検出ユニット３にて検出を行う。また、恒温槽１には、電気泳動のための高電圧印加時にＧＮＤに落とすための電極１１５も搭載されてある。

上記のように、キャピラリ６は恒温槽１に固定される。泳動媒体容器２０、陽極側緩衝液容器３０、陰極側緩衝液容器４０、サンプル容器５０は、オートサンプラーユニット１５０にてＹ軸及びＺ軸に駆動することができ、サンプル容器５０、さらにＸ軸に駆動することが出来る。固定されたキャピラリ６に、泳動媒体容器２０、陽極側緩衝液容器３０、陰極側緩衝液容器４０、及びサンプル容器５０を、オートサンプラーユニット１５０の動きにより、切り替えながら接続することが出来る。

図１は、キャピラリ電気泳動装置における恒温槽１の構成図である。恒温槽１はケース本体部２ａとキャピラリ６を保持するキャピラリホルダ５とケース蓋部２ｂを備えている。ここで、キャピラリ６およびキャピラリ検出部５６は本来見えない面に配置されているが、説明のため図１では破線で図示した。ケース本体部２ａには、照射検出ユニット３、温調部４が配置されている。ここで、照射検出ユニット３はキャピラリ６にレーザやＬＥＤなどの光源（図示せず）から光を照射し、キャピラリ６から発する蛍光などを検出する。そのため、温調部４には検出窓４１が設けられる。

また、温調部４には、温調部４の温度を測定するための温度センサ４２を配置し、温調部４の表面温度を測定し、所望の温度となるように温調部４の出力が調整される。キャピラリホルダ５にはキャピラリ６が固定されており、キャピラリホルダ５の下端では、キャピラリ６の両端部が電極ホルダ５７とキャピラリヘッド５８によって固定され、キャピラリ６の陰極端５１と陽極端５２が突出している。

キャピラリ電気泳動装置では、陰極端５１を試料溶液（図示せず）に接触させ、陽極端５２をバッファ溶液（図示せず）に接触させ、両端に高電圧を印加することで電気泳動を行う。キャピラリホルダ５がケース蓋部２ｂとケース本体部２ａに挟まれ、温調部４に押し付けられる構造となっている。ケース本体部２ａの下部には、ケース本体部２ａから外部に露出した陰極端５１と陽極端５２が、試料溶液あるいはバッファ溶液と接液できるように、開口部２１が設けられている。

図２Ａはケース蓋部２ｂによってキャピラリホルダ５をケース本体部２ａに固定した際の斜視図であり、図２Ｂは図２Ａにおけるキャピラリ６を含む恒温槽１のＡ−Ａ’断面の断面図である。

図２Ａに示す恒温槽１では、本体部２ａに対して、キャピラリホルダ５を、ケース蓋部２ｂによって温調部４に押し付けて固定する。この構造において、温調部４およびキャピラリホルダ５の構造は見えなくなるが、ここでは模式的にキャピラリ６およびキャピラリ検出部５６の配置を破線で示した。また、本実施形態ではキャピラリ６を４本配置した例を示したが、キャピラリ本数は限定されるものではない。

図２Ｂに示すように、ケース本体部２ａに設けられている温調部４は断熱層４３、ヒータ層４４、熱拡散板４５、第１の熱伝導シート４６で構成される。

キャピラリホルダ５は支持基板５３と支持基板５３に固定された可撓性を有する第２の熱伝導シート５４と、第２の熱伝導シート５４表面に配置される直径（ｄ）のキャピラリ６から構成される。支持基板５３は高さ（ｈ１）の凹部５５を備える。この時、支持基板５３に形成した凹部５５の高さ（ｈ１）はキャピラリ６の直径（ｄ）より小さくする（ｈ１＜ｄ）。第２の熱伝導シート５４は可撓性を有するため、支持基板５３の凹部５５に沿って変形する。また、キャピラリ６は支持基板５３に形成した凹部５５に沿って配置する。

ここで、ケース蓋部２ｂによって、キャピラリホルダ５をケース本体部２ａに固定することで、支持基板５３に固定された第２の熱伝導シート５４が温調部４の表面である第１の熱伝導シート４６に接触する。また、支持基板５３の凹部５５に配置したキャピラリ６は第１の熱伝導シート４６と、支持基板５３の凹部５５に沿って変形した第２の熱伝導シート５４と接触する。

第１の熱伝導シート４６および第２の熱伝導シート５４はヒータ層４４の熱をキャピラリ６に伝えると同時に、キャピラリ６で生じた熱を受け取り、キャピラリ６の過度な温度上昇を抑制する役割を有する。そのため、熱伝導シートは熱伝導性があり、かつ絶縁性が求められ、たとえば、熱伝導性ゴムのような素材を用いて形成される。

キャピラリホルダ５の構造を、図３Ａ、図３Ｂを用いて詳細に説明する。図３Ａはキャピラリホルダ５に配置されるキャピラリ６の位置を示す平面図であり、図３Ｂはキャピラリホルダ５における断面図（図３ＡのＢ−Ｂ’断面）を示す。キャピラリホルダ５は支持基板５３に可撓性を有する第２の熱伝導シート５４を固定し、第２の熱伝導シート５４上にキャピラリ６を配置することで形成される。第２の熱伝導シート５４は可撓性を有するため、支持基板５３の表面形状に合わせて変形できる。また、キャピラリ６の端部は電極ホルダ５７に固定され、キャピラリ６は第２の熱伝導シート５４で形成される凹部５５に沿って配置される。また、キャピラリ６は、キャピラリホルダ５に設けられたキャピラリ検出部５６に固定され、もう一方の端部はキャピラリヘッド５８へ接続される。キャピラリ検出部５６は温調部４の検出窓４１に固定される。

支持基板５３はキャピラリ６を第１の熱伝導シート４６に押し付けるが、ケース蓋部２ｂは、温調の機能が無く、温調部４の放熱経路となるため、熱伝導率が低いことが望ましく、たとえば樹脂材料で形成するとよい。また、支持基板５３とケース蓋部２ｂの間に断熱層を設けてもよい。また、支持基板５３に設けた凹部５５は複数のキャピラリ６に対して１つの凹部５５とする必要はなく、キャピラリ１本ごとに凹部５５を形成してもよい。

図４は温調部４のヒータ層４４をシート状ヒータ７０とした場合の発熱抵抗線のパターンを示す。シート状ヒータ７０はベース部材４９と発熱抵抗線４８ａ、４８ｂから形成される。ベース部材４９はたとえばポリイミドフィルム、シリコーンゴム、セラミックなどが用いられる。本実施形態では、ベース部材４９にヒータ端子４７を設け、ヒータ端子４７に対して第１の発熱抵抗線４８ａと第２の発熱抵抗線４８ｂを直列で接続する。第１の発熱抵抗線４８ａは第２の発熱抵抗線４８ｂより幅の広い発熱抵抗線とする。

ここで、電極ホルダ５７の固定部に第２の発熱抵抗線４８ｂを密に配置した第１の高発熱量領域６０と、検出窓４１の周囲を第２の発熱抵抗線４８ｂとし、密に配置することで発熱量を高めた第２の高発熱量領域６１を設ける。それ以外の領域は第１の発熱抵抗線４８ａとし、疎に配置することで発熱量を小さくした。すなわち、ヒータ層４４は面内の発熱量を大きい領域と小さい領域の少なくとも２つに分けて形成した。

ただし、配線の太さ、あるいは疎密によってのみ発熱量を調整する必要はなく、たとえば、領域ごとにヒータを分割し、個別に温度制御を行ってもよい。また、ヒータの発熱量は２段階に限らず、温調構造の放熱条件に合わせて３段階以上に分割してもよい。

また、温調部４を形成する熱拡散板４５はヒータの発熱を第１の熱伝導シート４６に均一に広げることが求められているため、熱伝導率の高い金属材料であることが好ましく、たとえばアルミニウムや銅で形成することができる。

上述した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）キャピラリ６の長さ方向の温度ばらつきを小さくする
キャピラリ６において、恒温槽１の外部に設けられた電極ホルダ５７とキャピラリヘッド５８付近はケース本体部２ａに開口部２１を設けているため放熱量が大きく、開口部２１近くの温調部４の温度が低下する。また、同様に検出窓４１はヒータ背面に検出装置３が配置され、ヒータを配置することができず、また検出装置３が放熱経路となってしまうため、ヒータ面の温度が局所的に低下する。本実施形態におけるヒータ層４４では、ケース本体部２ａに設けた開口部２１、および検出窓４１付近の発熱量が大きいため、温調部４における開口部２１と検出窓４１近くに第１の高発熱量領域６０と第２の高発熱量領域６１を備えたことで温度低下を抑制し、第１の熱伝導シート４６表面の温度ばらつきが小さくなり、キャピラリ６の長さ方向における温度ばらつきを小さく抑えることができる。
（２）キャピラリ６の径方向の温度ばらつきを小さくする
キャピラリホルダ５の支持基板５３に設けた凹部５５に沿ってキャピラリ６が配置されているため、第２の熱伝導シート５４が温調部４に設けられた第１の熱伝導シート４６と密着し、第２の熱伝導シート５４と第１の熱伝導シート４６の温度差が小さくなる。キャピラリ６は第１の熱伝導シート４６と第２の熱伝導シート５４に挟まれているため、温度差が小さくなることで、キャピラリ６の径方向の温度差が小さくなる。

図５は支持基板５３に凹部５５を設けない恒温槽における、ケース本体部２ａからケース蓋部２ｂまでの温度分布を示し、図６は本実施形態に係る恒温槽１におけるキャピラリ６の径方向の温度分布を示す。

図５に示すように、支持基板５３に凹部５５を設けず、第１の熱伝導シート４６の温度をＴｈとなるように制御した場合、第２の熱伝導シート５４の温度Ｔｃは第１の熱伝導シート４６と接触していないため、第２の熱伝導シート５４の温度Ｔｃは第１の熱伝導シート４６の温度Ｔｈより低くなり（Ｔｈ＞Ｔｃ）、キャピラリ６の径方向にＴｈ−Ｔｃの温度差が生じる。また、ケース蓋部２ｂの温度をＴｃａｓｅ１、ケース本体部２ａの温度をＴｃａｓｅ２とした。

図６は本実施形態における温度分布を示す。支持基板５３に凹部５５を設けている場合、凹部５５以外の領域では第２の熱伝導シート５４は第１の熱伝導シート４６と接触しているため、第２の熱伝導シート５４の温度（Ｔｃ’）は図５に示した第２の熱伝導シート５４の温度（Ｔｃ）より高くなる（Ｔｃ’＞Ｔｃ）。そのため、第１の熱伝導シート４６と第２の熱伝導シート５４に生じる温度差（Ｔｈ−Ｔｃ’）は小さくなる。そのため、両方の熱伝導シートに接触するキャピラリ６の両接触点における温度差を小さく抑制できる
（｛Ｔｈ−Ｔｃ｝＞｛Ｔｈ−Ｔｃ’｝）
このように、ヒータ層４４の検出窓４１とケース本体部２ａに設けた開口部２２の発熱量を高めた構造をとり、支持基板５３に凹部５５を設けることで、キャピラリ６の長さ方向と径方向の温度ばらつきを小さくすることができ、キャピラリ電気泳動におけるサンプルの分離性能低下を抑制することができる。

本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、支持基板５に設ける凹部の高さを３段階とした構造の例である。

すでに説明した同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については説明を省略する。

図７、８は第２の実施形態に係る恒温槽およびその断面図を示す。図７Ａは恒温槽の概略斜視図を示し、図７Ｂはキャピラリ長さ方向のＣ−Ｃ’断面図を示し、図８Ａは図７ＢのＤ−Ｄ’断面、図８Ｂは図７ＢのＥ−Ｅ’断面を示す。

第２の実施形態に係る恒温槽１は、支持基板５３に形成する凹部の高さを２段階に分けた構造である。

図７Ｂに示すように、支持基板５３は第１の凹部１０１と第２の凹部１０２を有する。第１の凹部１０１では、キャピラリ６は第２の熱伝導シート５４と第１の熱伝導シート４６に接触する。一方、第２の凹部１０２では、キャピラリ６は第２の熱伝導シート５４と接触しない。ここで、図８Ａは第１の凹部１０１の断面、図８Ｂは第２の凹部１０２の断面を示す。図８Ａに示すように、キャピラリ６は第１の凹部１０１に配置される第２の熱伝導シート５４と第一の熱伝導シートに接触させるため、第１の凹部１０１の高さ（ｈ２）はキャピラリの直径（ｄ）より小さい（ｈ２＜ｄ）。

また、図８Ｂに示すように、キャピラリ６を第２の凹部１０２に配置される第２の熱伝導シート５４と接触させないため、第２の凹部１０２の高さ（ｈ３）はキャピラリの直径（ｄ）より大きい（ｈ３＞ｄ）。

支持基板５３に備える凹部の高さは２段階に限定するものではなく、ケース蓋部２ｂをケース本体部２ａに押し付ける際の変形を考慮し、凹部の高さを３段階以上とし、キャピラリ６が第１の熱伝導シート４６に一様に接触し、第２の熱伝導シート５４との接触面積が小さくなるように調整してもよい。

上述した本実施の形態によれば、キャピラリホルダ５に設けた第２の熱伝導シート５４とキャピラリ６の接触面積を低減することで、第１の熱伝導シート４６よりも温度の低い第２の熱伝導シート５４によるキャピラリの温度低下の影響を小さく抑えることができる。そのため、キャピラリ６は温度を調節している第１の熱伝導シート４６の温度に近づき、キャピラリ径方向の温度ばらつきを抑制することができる。

１恒温槽
２ａケース本体部
２ｂケース蓋部
３検出装置
４温調部
５キャピラリホルダ
６キャピラリ
２０泳動媒体容器
２１開口部
３０陽極側緩衝液容器
４０陰極側緩衝液容器
４１検出窓
４２温度センサ
４３断熱層
４４ヒータ層
４５熱拡散層
４６第１の熱伝導シート
４７ヒータ端子
４８ａ第１の発熱抵抗線
４８ｂ第２の発熱抵抗線
５０サンプル容器
５１陰極端
５２陽極端
５３支持基板
５４第２の熱伝導シート
５５凹部
５６キャピラリ検出部
５７電極ホルダ
５８キャピラリヘッド
６０第１の高発熱量領域
６２送液機構
６１第２の高発熱量領域
７０シート状ヒータ
８０サンプラーベース
８５Ｙ軸駆動体
９０Ｚ軸駆動体
９５Ｘ軸駆動体
１００サンプルトレイ
１０１第１の凹部
１０２第２の凹部
１１５電極
１５０オートサンプラーユニット
１６０照射検出／恒温槽ユニット

Claims

熱源、第１の熱伝導部材、及び試料検出用の検出窓を有し、キャピラリを所定の温度に保つ恒温槽と、
前記第１の熱伝導部材との間に前記キャピラリを挟み込む第２の熱伝導部材を有し、前記キャピラリを保持するキャピラリホルダと、
前記キャピラリ内を電気泳動する試料を検出する検出部と、を備えた、キャピラリ電気泳動装置であって、
前記熱源は、第一の発熱抵抗線と前記第一の発熱抵抗線よりも幅の狭い第二の発熱抵抗線とが直列に接続された発熱抵抗線を有し、
前記第二の発熱抵抗線は、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部に配置され、
前記第一の発熱抵抗線は前記第二の発熱抵抗線よりも疎に配置されることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
請求項１において、
前記第一の発熱抵抗線は、前記検出窓の周囲、又は、前記キャピラリの端部から離れるにつれて段階的に線幅が広くなることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
請求項１において、
前記第一の発熱抵抗線は、前記検出窓の周囲、又は、前記キャピラリの端部から離れるにつれて段階的に疎に配置されることを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
キャピラリ電気泳動装置に用いられる恒温槽であって、
熱源、熱伝導部材、及び試料検出用の検出窓を有し、検出対象である試料の電気泳動に用いられるキャピラリを収容し、
前記熱源は、第一の発熱抵抗線と前記第一の発熱抵抗線よりも幅の狭い第二の発熱抵抗線とが直列に接続された発熱抵抗線を有し、
前記第二の発熱抵抗線は、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部に配置され、
前記第一の発熱抵抗線は前記第二の発熱抵抗線よりも疎に配置されることを特徴とする恒温槽。