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1. (WO2018180327) キャピラリ電気泳動装置および恒温槽
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明 細 書

発明の名称 キャピラリ電気泳動装置および恒温槽

技術分野

0001  

背景技術

0002  

先行技術文献

特許文献

0003  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0004   0005  

課題を解決するための手段

0006  

発明の効果

0007  

図面の簡単な説明

0008  

発明を実施するための形態

0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039  

符号の説明

0040  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

図面

1   2A   2B   3A   3B   4   5   6   7A   7B   8A   8B   9  

明 細 書

発明の名称 : キャピラリ電気泳動装置および恒温槽

技術分野

[0001]
 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。

背景技術

[0002]
 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。

先行技術文献

特許文献

[0003]
特許文献1 : 特開2007-322367号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0004]
 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。
[0005]
 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。

課題を解決するための手段

[0006]
 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、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部の少なくとも一方の発熱量が、それ以外の箇所の発熱量よりも高いことを特徴とする。

発明の効果

[0007]
 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。

図面の簡単な説明

[0008]
[図1] キャピラリ電気泳動装置の恒温槽の分解図。
[図2A] 恒温槽の斜視図。
[図2B] 恒温槽の断面図。
[図3A] キャピラリホルダの平面図。
[図3B] キャピラリホルダの断面図。
[図4] ヒータの平面図。
[図5] 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。
[図6] キャピラリ径方向の温度差を説明する図。
[図7A] 恒温槽の概略斜視図。
[図7B] 恒温槽の断面図。
[図8A] 恒温槽の断面図。
[図8B] 恒温槽の断面図。
[図9] キャピラリ電気泳動装置の斜視図。

発明を実施するための形態

[0009]
 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。
[0010]
 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に搭載されたX軸駆動体95の上にセットされ、X軸に沿って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。
[0011]
 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。
[0012]
 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軸に沿って駆動することができ、サンプル容器50は、さらにX軸に沿って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。
[0013]
 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から発せられ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。
[0014]
 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。
[0015]
 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。
[0016]
 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。
[0017]
 図2Aに示す恒温槽1では、ケース本体部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4本に限定されるものではない。
[0018]
 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。
[0019]
 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に沿って配置される。
[0020]
 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。
[0021]
 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。
[0022]
 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。
[0023]
 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、キャピラリ一本ごとに凹部55を形成してもよい。
[0024]
 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と第1の発熱抵抗線48a、第2の発熱抵抗線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。
[0025]
 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。
[0026]
 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。
[0027]
 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。
[0028]
 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はヒータ背面に照射検出ユニット3が配置され、ヒータを配置することができず、また照射検出ユニット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。
[0029]
 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。
[0030]
 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。
[0031]
 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21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の低下を抑制することができる。
[0032]
 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53に設ける凹部の高さを2段階とした構造の例である。
[0033]
 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。
[0034]
 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。
[0035]
 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。
[0036]
 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1の熱伝導シート46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)。
[0037]
 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)。
[0038]
 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。
[0039]
 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。

符号の説明

[0040]
 1…恒温槽、 2a…ケース本体部、 2b…ケース蓋部、 3…照射検出ユニット、 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…熱拡散板、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、49…ベース部材、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、61…第2の高発熱量領域、62…送液機構、70…シート状ヒータ、80…サンプラーベース、85…Y軸駆動体、90…Z軸駆動体、95…X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

請求の範囲

[請求項1]
 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、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部の少なくとも一方の発熱量が、それ以外の箇所の発熱量よりも高いことを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。
[請求項2]
 請求項1において、
 前記熱源の発熱量は、前記検出窓の周囲から離れるにつれて低くなるように設定されているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項3]
 請求項1において、
 前記熱源の発熱量は、前記キャピラリの端部から離れるにつれて低くなるように設定されているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項4]
 請求項1において、
 前記熱源は、シート状のヒータであり、直列に接続された発熱抵抗線を有し、キャピラリホルダにおける、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部の少なくとも一方の発熱抵抗線の幅が、それ以外の箇所の発熱抵抗線の幅よりも狭いキャピラリ電気泳動装置。
[請求項5]
 請求項1において、
 前記熱源は、シート状のヒータであり、直列に接続された発熱抵抗線を有し、キャピラリホルダにおける、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部の少なくとも一方の発熱抵抗線が、それ以外の箇所の発熱抵抗線よりも密に配置されているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項6]
 請求項1において、
 前記キャピラリホルダには、前記キャピラリが保持される箇所に沿って設けられた凹部を有しているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項7]
 請求項6において、
 前記凹部は、前記キャピラリ毎に設けられているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項8]
 請求項6において、
 前記凹部の高さは、前記キャピラリの外径よりも小さいキャピラリ電気泳動装置。
[請求項9]
 請求項6において、
 前記凹部は、前記キャピラリに沿って前記キャピラリの外径よりも小さい箇所と、大きい箇所の少なくとも2つの異なる高さを有するキャピラリ電気泳動装置。
[請求項10]
 請求項1において、
 第2の熱伝導部材は、可撓性を有するキャピラリ電気泳動装置。
[請求項11]
 請求項1において、
 前記第1の熱伝導部材と前記熱源との間には、熱拡散板が設けられているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項12]
 請求項1において、
 前記キャピラリの端部は、陰極側の端部であるキャピラリ電気泳動装置。
[請求項13]
 請求項1において、
 前記キャピラリは、その両端が前記キャピラリホルダから突出しており、一端はキャピラリホルダに固定され、他端は電極ホルダに固定されているキャピラリ電気泳動装置。
[請求項14]
 キャピラリ電気泳動装置に用いる恒温槽であって、
 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るキャピラリを収容し、
 前記熱源は、前記検出窓の周囲、及び、前記キャピラリの端部の少なくとも一方の発熱量が、それ以外の箇所の発熱量よりも高いことを特徴とする恒温槽。

図面

[ 図 1]

[ 図 2A]

[ 図 2B]

[ 図 3A]

[ 図 3B]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7A]

[ 図 7B]

[ 図 8A]

[ 図 8B]

[ 図 9]