JP4086065B2

JP4086065B2 - キャピラリアレイを用いた電気泳動装置及びそれに用いられるサンプルプレートアセンブリ

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Publication number: JP4086065B2
Application number: JP2005289502A
Authority: JP
Inventors: 周平山本; 裕己山下; 正敏北川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2020-05-15
Also published as: JP2006058312A

Description

本発明は、複数のキャピラリを用いてＤＮＡ，蛋白質などの試料を分離・分析する電気泳動装置及びそれに用いられるサンプルプレートアセンブリに関する。

複数のキャピラリを組み合わせてアレイを構成し、各キャピラリに電気泳動媒体と分析又は分離すべき試料を供給，移動させて、対象となる試料を分離・分析などに利用する技術はよく知られている。蛍光物質で標識されたＤＮＡ，蛋白質などの試料をキャピラリに供給する。このような技術は、米国特許第５３６６６０８，同５５２９６７９，同
５５１６４０９，同５７３０８５０，同５７９０７２７，同５５８２７０５，同5439578，同５２７４２４０などに記載されている。分離，分析のスループットの観点からすると、平板ゲルを用いた電気泳動法よりもマルチキャピラリを用いた方が、多くの利点がある。

キャピラリアレイ電気泳動装置の基本構成は、キャピラリアレイ，レーザ光源等からなる励起光学系，蛍光を検出する受光光学系及び電気泳動させるための電圧印加部等より構成される。キャピラリアレイは、キャピラリを平面状に配列した構造で、キャピラリの配列面と平行方向から、蛍光体で標識された試料（蛍光試料）が満たされたキャピラリにレーザを照射し、キャピラリのレンズ作用によってレーザを集光させることにより、すべてのキャピラリ内の蛍光試料にレーザを照射する。レーザが照射させられた蛍光試料は蛍光を発光する。本発明の対象はレーザの照射方向とほぼ垂直方向に発光する蛍光試料からの蛍光を受光光学系で検出することにより、試料測定を行う装置である。

米国特許第５３６６６０８米国特許第５５２９６７９米国特許第５５１６４０９米国特許第５７３０８５０米国特許第５７９０７２７米国特許第５５８２７０５米国特許第５４３９５７８米国特許第５２７４２４０

マルチキャピラリアレイを用いて、少なくとも試料のキャピラリへ供給を自動的に行うために、サンプリング装置が用いられる。本発明は、多数の試料を連続的にキャピラリに供給して、試料の分離・分析を行うことができる電気泳動装置及びこの装置に用いられるサンプルプレートアセンブリを提供する事を目的とする。また、変形してしまったサンプルプレートを矯正することも目的とする。

本発明は、複数本のキャピラリから構成され、蛍光試料をキャピラリ内に取り込むためのキャピラリの端部が配列しているキャピラリアレイを備え、当該キャピラリアレイにより蛍光標識された試料をキャピラリ内において電気泳動によって分離し、光照射によって蛍光を発生させこれを検出して試料を分析する電気泳動装置であって、蛍光試料を保持できる複数のウェルを有するサンプルプレートを含むサンプルプレートアセンブリとを保持し、少なくとも上下方向に可動であり、上方に移動したときに前記キャピラリの端部を前記ウェル中の試料に浸漬させるオートサンプラを備え、前記サンプルプレートアセンブリが、前記サンプルプレートを載置するアダプタと、変形したサンプルプレートを矯正できるセプタホルダとを含み、前記サンプルプレートアセンブリが、前記アダプタ，前記サンプルプレート及び前記セプタホルダを重ねた層構造となっているキャピラリアレイ電気泳動装置に関する。

また、本発明は、複数本のキャピラリから構成され、蛍光試料をキャピラリ内に取り込むためのキャピラリの端部が配列しているキャピラリアレイを備え、当該キャピラリアレイにより蛍光標識された試料をキャピラリ内において電気泳動によって分離し、光照射によって蛍光を発生させこれを検出して試料を分析する電気泳動装置であって、蛍光試料を保持できる複数のウェルを有するサンプルプレートを含むサンプルプレートアセンブリとを保持し、少なくとも上下方向に可動であり、上方に移動したときに前記キャピラリの端部を前記ウェル中の試料に浸漬させるオートサンプラを備え、前記サンプルプレートアセンブリが、前記サンプルプレートを載置するアダプタと、前記サンプルプレートを前記アダプタに固定できるセプタホルダとを含み、前記サンプルプレートアセンブリが、前記アダプタ，前記サンプルプレート及び前記セプタホルダを重ねた層構造となっているキャピラリアレイ電気泳動装置に関する。

本発明によれば、多数の試料をキャピラリに自動的に供給することができる。

本発明の電気泳動装置を図１ないし図４によって説明する。図１において、電気泳動装置は架台１０１にぺルチエ素子などを備え、温度制御ができる恒温槽１０２，検出部104，キャピラリアレイのキャピラリに電気泳動媒体を供給するゲルポンプ１０３を備える。恒温槽の空間にはキャピラリアレイを設置できるようになっている本発明のサンプルプレートアセンブリはトレイ１０５に取り付けられる。

図２に恒温槽の背面を示した。恒温槽の背面にはペルチエ放熱フィン２０４，ペルチエ放熱ファン２０５が備えてあり、恒温槽内の温度を適正に制御する手段を備えている。

図３に示すように、キャピラリアレイ３０１は恒温槽３１１に取り付けられ、その試料供給側３０２はキャピラリアレイホルダ３１２を介して、バッファ槽３０３に浸される。試料供給側３０２は電極を備えている。

キャピラリアレイのゲル供給側３０５はゲルポンプシステム３０４に接続され、リザーバ３１２からゲルがシリンジ３１０によって供給される。もう一方の電極がリザーバ312に取り付けられる。キャピラリアレイ内で電気泳動により分離された蛍光標識試料から発生する蛍光の検出部３０８が、恒温槽の空間の外側に配置される。

本発明のキャピラリアレイを使用する電気泳動装置の全体動作を図４を用いて説明する。本発明のキャピラリアレイは、複数のキャピラリ３０１の一端が束ねられ、緩衝液を注入する緩衝液容器にセットされる緩衝液注入口と、前記複数のキャピラリの一部の被覆が除去される。その除去された部分が平面状に配列され、前記複数のキャピラリの少なくとも一部が平面状に配列された部分は保持基板により保持されている。前記保持基板には各キャピラリに対応する部分に検出光が通過する窓が設けられる。前記保持基板には前記検出光が通過する窓を仕切る遮光領域が設けられている光検出部を有する。

図４において、前記複数のキャピラリの他端には、蛍光試料をキャピラリアレイに取込むための蛍光標識された試料の導入部４３２が構成され、前記蛍光試料導入部先端の各キャピラリの近傍に、電気泳動させるに必要な電圧を印加するための電極（図示しない）が設けられる。電気泳動の為の電圧は電源４１９からキャピラリアレイホルダ４３０に設けた電極と電気泳動媒体を供給するリザーバ４３６の間に印加される。

図４に示すように、キャピラリアレイ電気泳動装置は、試料測定部４１６，緩衝液容器４１７，蛍光試料容器４１８，高電圧電源４１９，レーザ光源４２０，ミラー４２１，ビームスプリッター４２２，集光レンズ４２３，第１レンズ４２４，光学フィルター及び像分割プリズム４２５，第２レンズ４２６，ＣＣＤカメラ４２７，演算処理装置４２８などにより構成される。試料測定部４１６は、キャピラリ，光検出部４２９，緩衝液注入口
４３０，導電性蛍光試料注入口４３２などから構成されている。

次に動作原理について説明する。図４に示すように、レーザ光源４２０により発生するレーザ４３３はビームスプリッター４２２により２分割され、ミラー４２１により進行方向が変更される。集光レンズ４２３によりレーザ４３３は集光され、キャピラリが配列する平面と平行方向から、キャピラリを照射する。キャピラリの内部は蛍光標識された試料(蛍光試料４３４)で満たされており、レーザ４３３を蛍光試料４３４に照射することにより、蛍光試料４３４が蛍光４３５を発光する。蛍光４３５の検出は、キャピラリが配列する平面とほぼ垂直方向に発光する蛍光４３５を、第１レンズ４２４により平行光にし、光学フィルタ及び像分割プリズム４２５により像分割をした後、第２レンズ４２６により
ＣＣＤカメラ４２７に結像し、ＣＣＤカメラ４２７により検出することにより行う。検出した測定データは処理演算装置４２８により処理する。

図４においては、レーザ４３３は光検出部４２９の両側から照射しているが、片側のみ照射させる構成でもよい。受光光学系は、図４に示す構成に限るものではない。また、キャピラリの構成本数は１６本に限るものではなく、緩衝液注入口４３０や導電性蛍光試料注入口４３２の構成なども図４に示す構成に限られない。

キャピラリアレイ電気泳動装置の操作手順を説明する。緩衝液容器４１７に入っている緩衝液４３６を、緩衝液注入口４３０からキャピラリ内に注入する。次に蛍光試料４３４で満たされた蛍光試料容器４１８に導電性蛍光試料注入口４３２を入れ、キャピラリ内に蛍光試料４３４を注入する。その後、導電性蛍光試料注入口４３２を緩衝液の入った緩衝液容器（図では省略）に入れ、緩衝液注入口４３０と蛍光試料注入口４３２との間に高電圧電源４１９により高電圧を印加することにより、電気泳動を生じさせる。電気泳動の移動速度は分子の電荷の大きさに比例し、分子の大きさに逆比例するので、蛍光試料４３４は分離される。高電圧を長時間印加し続けることにより電気泳動を長時間生じさせ、この時に発光する蛍光４３５を連続的に測定する。

試料導入部４３２はステンレス管にキャピラリを挿入した構造となっている。それぞれのステンレスチューブは、保護カバー付き電極板に半田付けされ、接続部４３１に電圧を与えることにより全ステンレスチューブに電圧が導かれる。以上のようにキャピラリアレイ自体に必要な、緩衝液容器４３６に装着される緩衝液注入口４３０，レーザを照射し蛍光物質を検出する光検出部４２９，蛍光試料４３４を導入し電気泳動に必要な電圧を印加するための試料導入部４３２の全ての機能を備えているため、キャピラリアレイを交換する際に非常に操作性良く交換できる。

なお、蛍光試料導入部４３２の先端は接着剤で封止し、試料などのキャリーオーバーが生じないようにする。接着剤の種類はエポキシ系接着剤を使用し十分硬化させ、電気泳動に影響を及ぼさないようにする。試料導入部４３２のキャピラリの挿入部及び蛍光試料導入部４３２とカバーとの隙間は、接着剤で封止する。試料や緩衝液などの水分がステンレス管カバー内に浸入し電気絶縁の低下を防止する。

試料の測定後、キャピラリアレイを一旦装置から外し保管する際は、緩衝液４３６が乾燥しないよう乾燥防止の容器カバー（図示せず）を取り付けられるようにする。容器カバーは試料導入部４３２の乾燥防止カバーである。その中に純水を入れて容器カバーを試料導入部４３２に取り付ける。容器カバーにはＯリングが装着されており、乾燥を防止できる。緩衝液注入口４３０の乾燥防止キャップ（図示せず）を設けることも有効である。やはり純水を少し注入した状態でキャップを緩衝液注入口４３０にかぶせる。キャップは、緩衝液注入口４３０の外径より５〜１５％細い内径とすることにより、乾燥を防止する。キャップの材質は、シリコンゴム製がよく、これは緩衝液，電気泳動などに影響が生じない。これらカバーとキャップはキャピラリアレイを顧客先に出荷する際の先端保護，汚染防止の役割もある。

以上説明したキャピラリアレイにおいて使用しているキャピラリは、内径５０±１０
μｍ，外径３４０±２０μの溶融石英チューブである。溶融石英チューブはそれ自体だと非常に折損し易いので、キャピラリの表面に１５±５μｍ厚さのポリイミド被覆をつける。キャピラリの内径は蛍光試料４３４の微量化を考慮すると細い方が良いが、蛍光試料
４３４と溶融石英の屈折率差による凹レンズ効果を考えると内径が細すぎても測定しづらい。溶融石英管内径は５０〜１００μｍが適切である。また、外径は上記屈折率差による影響を抑えるためには、細い方が良いが、細くなると静電気により組立てしづらくなるため、溶融石英管外径は２５０〜３５０μｍが適切である。キャピラリの被覆材としてはポリイミド樹脂に限る必要はなく、ポリイミド樹脂と同等の電気絶縁性、およびその他諸特性をもつ部材を用いてもよい。

本発明のオートサンプラに用いるサンプルプレートアセンブリは、プレートアダプタ，プレート，セプタ、及びセプタホルダを重ねた４層構造となっている。本発明の電気泳動装置のトレイにこのユニットを載置する。分析者の負担を軽減するために、分析する試料は市販のマイクロタイタープレートに入れて分析を行う。マイクロタイタープレートは各社から市販されている。これらのプレートには、それぞれに対応したアダプタがあり、どのタイプのプレートを使用しても、オートサンプラに取付け可能となっている。これらのプレートは、１つのプレートに入れることのできるサンプル数で、２種類に分類することができる。

その１つは、プレートにサンプルを導入、保持しておくためのウェルが８×１２＝９６穴ある。他の１つは、プレートに、１６×２４＝３８４穴ある。以下で記述するサンプルプレートとは、これらのプレートを指し、前者のサンプルプレートを９６サンプルプレート、後者を３８４サンプルプレートと呼ぶ。本発明の電気泳動装置では、上記のサンプルプレートを２セット同時に搭載することができるので、最大３８４×２＝７６８サンプルを連続分析することが可能である。

図５はサンプルプレートであり、この場合、前記９６サンプルプレートをオートサンプラに２枚セットする際の様子を模式的に分解して示した。サンプルプレート３は、プレートアダプタ４，セプタ２，セプタホルダ１と組み合わせた状態（以下、サンプルプレートアセンブリと呼ぶ。図６参照）にし、オートサンプラのトレイ５にセットする。プレートアダプタ４は、サンプルプレート２をオートサンプラのトレイ５上にセットするための土台である。

セプタ２は、サンプルの蒸発防止の機能と、キャピラリ先端に付着したサンプル等を拭い取る機能を兼ねている。本発明の電気泳動装置では、標準配列解析時の１日当たりの分析数を９６サンプルに設定しており、９６穴サンプルプレートを１度に２枚搭載できる本装置では、２日間無人で自動運転することになる。このため、試料やバッファ等の蒸発は重要な問題となる。サンプルプレート３の上にセプタ２をはめ込むことによって、試料等の蒸発を防止している。

また、電気泳動を行うためのキャピラリアレイの先端部は、試料分析中、目的に応じて、試料，バッファ液，水の中に浸される。キャピラリ中の試料を電気泳動するためのゲルは電気泳動毎に交換するが、その際は、キャピラリ先端から排出されるゲルを受けるため、廃液槽（水）に浸される。その後、キャピラリに試料を導入するため、キャピラリアレイ先端に備えられた電極部とともにその終端を試料内に挿入して高電圧を印加し、試料を各キャピラリ内に導入する。また、電気泳動を行う際は、高電圧印加時の放電を防止し、試料を電気泳動するためのバッファ槽へキャピラリアレイ先端を浸す。これら廃液槽，試料，バッファ槽間をサンプルプレートアセンブリが移動する場合は、キャピラリ先端に付着した試料やバッファ液が他の溶液へ混入しないよう、１回または複数回、洗浄のため洗浄槽（水）に浸す。セプタ２はシリコンゴム製で、サンプルプレート３の各ウェルに先端が入り込むよう突起が構成されており、その先端にキャピラリ先端が通過するための切り込みが入っている。オートサンプラが移動する際は、必ずキャピラリがオートサンプラに接触しない高さまで一度下がるため、その度にこの切り込みによってキャピラリ先端に付着した水，試料，バッファが拭い取られ、他の試料等への混入を最小限に押さえることができる。

これら廃液槽，試料，バッファ槽間をサンプルプレートアセンブリが移動する場合は、キャピラリ先端に付着した試料やバッファ液が他の溶液へ混入しないよう、１回または複数回、洗浄のため洗浄槽（水）に浸す。セプタ３はシリコンゴム製で、サンプルプレート２の各ウェルに先端が入り込むよう突起が構成されており、その先端にキャピラリ先端が通過するための切り込みが入っている。オートサンプラが移動する際は、必ずキャピラリがオートサンプラに接触しない高さまで一度下がるため、その度にこの切り込みによってキャピラリ先端に付着した水，試料，バッファが拭い取られ、他の試料等への混入を最小限に押さえることができる。

セプタホルダは、上記サンプルプレートとセプタをアダプタに固定するためのホルダである。

次にセプタホルダ構造（位置合せガイド）について説明する。

前記、セプタホルダ１，セプタ２，サンプルプレート３，プレートアダプタ４を組み合わせた状態が図６の状態である。このサンプルプレートアセンブリから、セプタホルダ１のみを取り外した図が図７である。セプタホルダは、セプタ２およびサンプルプレート３をプレートアダプタ４に固定するためのパーツである。また、セプタホルダは、サンプルプレートが試料の前処理であるＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）と呼ばれる熱処理にも使用され、条件によってはこの熱処理によって変形することもあるため、変形してしまったサンプルプレートを矯正して、アダプタに正しく固定する役割も兼ねている。

このセプタホルダ１は、分析者の手間を省くよう、図７に示すように左右に２個ずつあるツメ１０をアダプタ４のフランジ９に引っかけるだけの簡単な構造となっている。そのため場合によっては、セプタホルダ１がプレートアダプタ４の長手方向にずれてはめ込まれる恐れがある。仮にセプタホルダ１がプレートアダプタ４に誤って固定されると、セプタホルダのキャピラリが通過する穴がサンプルプレートのウェルと一致しなくなり、キャピラリを破損してしまう。これを防ぐため、セプタホルダ側の４個所のツメ１０の部分にはそれぞれ突起６があり、これがアダプタ側のガイド７に合ってないと、つめ１０がフランジ９にかからず、セプタホルダがプレートアダプタに取り付かない構造になっている。これにより分析者は、特に意識することなくセプタホルダ１をプレートアダプタ４に取り付けることができ、また誤った位置で固定するといった問題も発生しない。

本発明によるオートサンプラはアダプタで異なるプレート（高さ）に対応することができる。本発明の電気泳動装置で使用されるサンプルプレートの内、同じ９６個のウェルを持つサンプルプレートでも、複数類のものが市販されており、各社によってその形状，寸法，ウェルの深さ等が異なる。例えば、本発明の電気泳動装置の最小試料量を１０μｌに設定すると、ウェルの底から試料液面までの高さは、市販の９６サンプルプレートの場合で約２.５mm 程度のものがあり、キャピラリに試料を確実に導入するためには、ウェルの底から約１mmの高さまでキャピラリを挿入しなければならない。しかし、ウェルの底の高さは、サンプルプレートによって大きく異なっているため、これらを区別なしに使用すれば、キャピラリ先端がウェルの底に接触，破損してしまうか、キャピラリが試料まで届かず、試料がキャピラリに導入できないと言った問題が生じる。

そこで、各社のサンプルプレートのウェルの底の高さや中心軸の位置を補正するため、各サンプルプレートにはそれぞれに対応したプレートアダプタを用意し、それらを組み合わせて使用することで、９６個のウェルを持つサンプルプレートであればどれでもウェルの中心軸および底の高さがオートサンプラのトレイ５に対して、常に同じ位置になるようになっている。これによりオートサンプラは、そこに搭載されたサンプルプレートアセンブリのウェル数（９６もしくは３８４）のみを識別し、それにより制御方法を使い分けさえすれば、どのタイプの９６サンプルプレートが搭載されていても、常に同じ制御方法でオートサンプラを移動させることが可能となる。

また、各社の９６ウェルサンプルプレートの形状は一見区別しにくいが、間違ったプレートアダプタには取り付けられないよう、また間違った方向に取り付けることがないよう、各プレートアダプタには工夫がなされている。例えば、図５に示すサンプルプレート３の場合、サンプルプレートの４隅の内の一つの角が切り落とされた構造になってる。この切り落としは、各社のサンプルプレートによってその方向または大きさが異なっており、プレートアダプタ４もまたそれに対応した形状となっているため、サンプルプレートを間違ったプレートアダプタに取り付けたり、間違った方向に取り付けることはない。

本発明のオートサンプラは、９６／３８４に同一構造で対応できる。９６ウェルサンプルプレートのプレートアダプタと３８４ウェルサンプルプレートのプレートアダプタは、図５のトレイ５に対して、どちらでも２セット取り付けられるようになっており、分析者の目的に応じて、自由に組み合わせて取り付けることができる。

本発明の電気泳動装置は、９６プレートと３８４プレートの自動識別ができる。図５に示すようにトレイ５には、１つのサンプルプレートアセンブリに対して２個、計４個のホトインタラプタ１３が備えられている。これに対し、図７に示すようにプレートアダプタ４の裏側（トレイ側）には遮光板８と切り欠き（１）１１があり、プレートアダプタをトレイに取り付けた際には、この遮光板８が２個のホトインタラプタ１３の内、一方のホトインタラプタの光を遮る。

この遮光板８と切り欠き（１）１１の位置関係は、９６ウェルサンプルプレートのプレートアダプタと３８４ウェルサンプルプレートのプレートアダプタで逆になっているため、プレートアダプタをトレイに取り付けた際、前記２個のホトインタラプタの信号を比較することによって、そのプレートアダプタが９６ウェルサンプルプレートのものなのか、３８４ウェルサンプルプレートのものなのかを自動で識別することが可能である。また、プレートアダプタは、図７に示す切り欠き（２）１２によってトレイには１方向にしか取り付かない構造となっているため、仮に誤った方向に無理に取り付けた場合、遮光板８はどちらのホトインタラプタの光も遮らないため、９６ウェルプレートを３８４ウェルプレートの識別を誤ることはない。この機能により、分析者は使用しているサンプルプレートの種類を気にすることなく、オートサンプラにセットし分析を開始することができるため、分析者の手間を省くとともに、不必要な間違いを引き起こす恐れもない。

本発明のオートサンプラには、放電防止対策を含んだ構造のストリッパプレートが設けられる。図８はキャピラリアレイ１６がバッファ槽へ挿入されている様子を模式的に示したものである。キャピラリアレイがサンプルプレートアセンブリやバッファ槽等へ挿入されている状態からキャピラリアレイを抜くためにオートサンプラを下へ移動させると、セプタと１６本のキャピラリとの間に発生する摩擦力によって、サンプルプレートアセンブリやバッファ槽上に取り付けられているセプタがキャピラリアレイから抜けきれず、そのままオートサンプラがＸＹ方向へ移動を始めるといった問題が発生する。

そのため、本装置にはオートサンプラの上方にあってキャピラリアレイが取り付けられているオーブンユニットに図８に示すストリッパプレート１４が取り付けられている。ストリッパプレート１４にはバネが取り付けられており、定常状態のストリッパプレート
１４は、その下面がキャピラリアレイ先端と同じ高さに位置するよう調整されている。

ここで、キャピラリアレイがサンプルプレートやバッファ槽等へ挿入されると、オートサンプラの上方向の移動によってストリッパプレート１４は持ち上げられるため、ストリッパプレート１４は、前記摩擦力よりも大きいバネの力によってサンプルプレートアセンブリやバッファ槽を下に押し下げる。これにより、オートサンプラが下方へ移動を始めても、ストリッパプレートが常にサンプルプレートアセンブリやバッファ槽を下へ押し下げているので、セプタ等がキャピラリアレイに取り残されることもない。

また、このストリッパプレートの下面、つまりサンプルプレートアセンブリやバッファ槽へ接触する面は、ストリッパプレート１４の下面とセプタ３の接触面を少なくするために図８に示した断面図のように、平ではなく凸凹構造をとっている。仮にストリッパプレート下面が平な場合、セプタ表面に水等の液体が付着していると、ストリッパプレート下面にはその液体が広がり、元々プラスティック製で絶縁体であるストリッパプレートの表面からその液体を伝わって、キャピラリアレイに印加された高電圧がストリッパプレート近傍に位置する装置筐体へ放電してしまう恐れがある。しかし、ストリッパプレート下面が図１２下図のように凸凹構造になっていれば、セプタ表面に液体が付着していても、ストリッパプレートが液体を引き伸ばす効果も低減され、また装置筐体までの縁面距離も大きくなるため、キャピラリアレイから装置筐体への放電を防ぐことができる。

本発明の電気泳動装置のオートサンプラは、電源がＯＦＦになっても落下しないが、手で押し下げられる構造になっている。試料分析中、キャピラリ中のゲルが乾燥していると、試料の導入、電気泳動に支障が生じる。しかし、乾燥の恐れがあるキャピラリ先端部は、分析中のほとんどの時間、試料やバッファ液等の液体中に浸されている。オートサンプラが各間を移動している時、キャピラリ先端は外気に露出されるが、その時間は数秒と非常に短いため、基本的に分析中にキャピラリ中のゲルが乾燥することはない。

さらに分析終了後や装置のエラーを検知して測定中止する場合もキャピラリ先端はバッファ液の中に浸された状態で待機するため、次回分析までの間にキャピラリ先端部のゲルが乾燥することもない。

オートサンプラの基本的な駆動は、ステッピングモータとボールねじを組み合わせた駆動方式を採用しており、装置に電源が投入されている間は、ステッピングモータは常に励磁状態となっているため、分析終了後もキャピラリがバッファ槽へ挿入された状態（オートサンプラが上方へ上がった状態）を維持することができる。しかし、次回分析時までの時間が長く装置の電源を切っておきたい場合や、分析者が何らかの理由で分析中に装置の電源を遮断する場合もあることから、装置の電源が入っていない状態（ステッピングモータが励磁されていない状態）でもオートサンプラが電源遮断前の位置（Ｚ軸方向の高さ）を保持している必要がある。

一方、電源遮断後にキャピラリを装置から取り外したい場合は、キャピラリがバッファ液に浸された位置のままではキャピラリを取り外すのは困難なため、キャピラリアレイが取り外せる高さまでオートサンプラを手動で押し下げなければならない。また、オートサンプラに異常が発生し正常に動作しなくなった場合には、装置の電源を遮断して手動でオートサンプラを動かす必要が生じることも考えられる。これらの理由から、オートサンプラは装置の電源を遮断した後、つまりステッピングモータが励磁されていない状態でも、常に同じ位置を保持し、かつ必要があれば分析者自身や保守点検者自身の手によってオートサンプラを移動させられる必要がある。

図９は、ボールねじとステッピングモータを用いた駆動方式を示す模式図である。ＸＹ軸は水平軸であるためステッピングモータが無励磁の状態でも外力が加えられない限りオートサンプラは動かないため、ここでは落下の可能性がある垂直軸のＺ軸を例に挙げた。ボールねじ１７の軸径をＤ_B［ｍ］、ボールねじ１７のピッチをＰ_B［ｍ］、テーブルおよびテーブルに取り付けられるワークの総重量をＷ［Ｎ］、予圧ナットの内部摩擦係数を
μ₀とすると、テーブル２０が下方に落ちようとする力Ｆ_a［Ｎ］は、

で表され、テーブルにかかる総摩擦力Ｆ［Ｎ］は、

で表される。したがって、ステッピングモータが無励磁でもテーブル２０およびワークが下方へ落ちない条件は、

となる。ここで、本来テーブルを落とさないように働く力として、ステッピングモータのディテントトルク(無励磁の静止トルク)等があるが、これらはここで問題にしている力に対して非常に小さく、（３）式の大小関係にはほとんど寄与しないため省略した。本オートサンプラは、｜Ｆ_a｜≒４.６［Ｎ］,｜Ｆ｜≒１１.４［Ｎ］と（３）式を満足しているため、ステッピングモータが無励磁の時でもオートサンプラは落下しない。また、｜Ｆ｜−｜Ｆ_a｜≒７［Ｎ］以上の力でオートサンプラを上から押せば、容易にオートサンプラを押し下げることが可能である。（１）式および（２）式で表される力の大小関係は、ボールねじのピッチＰ_B およびボールねじの軸径Ｄ_Bの関係で決まる。ボールねじの軸径Ｐ_Bはオートサンプラの構成、必要強度等の問題から予め決まってしまい変更し難いが、ボールねじのピッチＰ_B の場合、オートサンプラの駆動速度やステッピングモータの運転条件を上手く調整すれば、その選択には比較的裕度があり、容易に（３）式を実現できる。

本発明のオートサンプラは、組立時に位置ガイド（基準面）を利用する。サンプルプレートアセンブリのキャピラリ挿入口径が最小となるのは、３８４ウェルのサンプルプレートを使用した場合で、その時のセプタホルダの内径が２.３mm である。キャピラリの外径が電極を含めて０.７１mm であることから、１本のキャピラリがセプタホルダの内壁に接触することなくウェル内に挿入されるためには、ＸＹ平面内においてキャピラリの中心軸とウェルの中心軸との距離が約0.8mm以下である必要がある。

さらに最大７８６サンプルを連続測定する本装置では、最大４８箇所の試料位置にオートサンプラは移動するため、オートサンプラのＸ軸とＹ軸の直行がずれていると、ある試料位置では問題なくウェル内にキャピラリが挿入されていても、他の試料位置ではキャピラリがセプタホルダに接触するといった問題が生じる。

このような点から、オートサンプラの組立時には、高いＸＹＺ軸の直行度が要求されるため、なるべく組立時の手間を減少させるために、ＸＹＺ軸の直行度に関わるパーツにはすべて基準面を設けている。組立時にはこの基準面同士を合致させながら組み合わせるだけで良い。これにより組立やその後の調整の手間を大幅に低減することができ、さらに保守時の部品交換等も容易に行うことができる。

本発明の電気泳動装置では、オートサンプラ及びオーブンユニットのそれぞれに位置決めピンを設けているので、ユニットの交換時に相対位置が自動的に再現するシステムになっている。

すでにオートサンプラのＸＹＺ軸の直行度について述べたが、１６本のキャピラリで構成されるキャピラリアレイを使用する本装置で要求される位置精度はさらに複雑である。キャピラリアレイの試料導入部は２×８の格子状にキャピラリが配列しているため、仮に前述のオートサンプラのＸＹＺ軸が精度良く直行していても、そのＸＹＺ軸と、格子状に配列したキャピラリの格子軸が平行でなければ、１６本すべてのキャピラリが問題なくウェル内に挿入されるとは限らない。

キャピラリアレイの試料導入側はオーブンユニットに取り付けるが、キャピラリアレイがオーブンユニットに対して、常に正しく取り付けられていれば、キャピラリアレイとオートサンプラの位置関係は、オーブンユニットとオートサンプラの位置関係で決まる。オーブンユニットとオートサンプラの位置関係は、両者を装置筐体に組み込む際、それぞれの相対位置関係を調整すれば良いが、それだけでは、一度どちらか一方のユニットを修理や点検のため装置筐体から取り外せば両者の位置関係は崩れてしまい、元の位置関係を再現させるためには、再度調整が必要となってしまう。

そこで、装置筐体にそれぞれのユニットに対する位置決めピンを２本ずつ設け、両ユニットにはその位置決めピンを差し込むためのガイドを設けておく。この位置決めピンは、装置筐体内で予めその位置関係を調整しておき、一度調整してしまえば、再度調整し直す必要はない。これにより、両ユニットのどちらか一方、または両者を装置筐体から取り外しても、次に取り付ける際には、装置筐体に取り付けられている位置決めピンに沿って取り付ければ、両ユニットの位置関係は無調整で再現する。

本発明の電気泳動装置におけるキャリブレーション用装置構造／治具（ターゲット／ルーラetc.）に付いて説明する。

オートサンプラの制御を行っているオートサンプラ制御部は、オートサンプラを移動させてキャピラリアレイをサンプルプレートやバッファ槽等へ挿入するための装置間共通の位置情報（ＸＹＺ座標）を予め記憶している。しかし、実際の装置において、オートサンプラとキャピラリアレイとの相対距離は装置間で微妙に異なるため、前記制御部は、前記位置情報を装置毎に記憶しているキャリブレーション値（ずれ量）を元に補正計算し、その補正後座標を用いてオートサンプラを駆動させる。本装置は、前記キャリブレーション値を求めるためのキャリブレーション機能を有しており、キャリブレーション値は装置毎に装置付属の制御ＰＣ内に記憶され、書き換えも可能である。

このオートサンプラのキャリブレーションでは、オートサンプラのトレイ５上に設けられた円錐台状のターゲット２１をＸＹ方向の基準位置に、またトレイに取り付けられたバッファ槽の液面を示すライン２２をＺ方向の基準位置として、それらの位置とキャピラリ先端が一致する位置までオートサンプラを移動させ、その時のオートサンプラのＸＹＺ座標をキャリブレーション値として記憶する。これらの基準位置の座標は予めオートサンプラ制御部に記憶されており、同様に記憶されているサンプルプレートの各ウェルやバッファ槽等の位置座標は、この座標を基準としている。したがって、オートサンプラのキャリブレーションによって求められたキャリブレーション値と予め前記制御部に記憶されたキャリブレーションのための基準位置の座標との差を求めることで、サンプルプレートの各ウェル等の座標を補正することが可能となる。

以下では、このキャリブレーション機能について詳述する。図１０は、ＸＹ方向のキャリブレーションを示しており、図１１はＺ方向のキャリブレーションを示している。ＸＹ方向のキャリブレーションでは、トレイ５上のターゲットＸＹ２１にキャピラリ先端が一致する位置までオートサンプラを移動させ、ＸＹ方向のキャリブレーション値を決定する。使用するキャピラリは、２×８に配列したキャピラリアレイの内、装置正面から見て前列、右端から４番目のキャピラリを使用する。原理上、どのキャピラリを使用してもキャリブレーションは行えるが、操作者の見易さを考慮して、前記キャピラリを選択している。

また、Ｚ方向のキャリブレーションでは、図１１に示すようにバッファ槽に印刷されたターゲットＺ２２（バッファ液の液量を指定してるライン）を基準位置に利用し、このライン上端とキャピラリ先端が一致する位置までオートサンプラを移動させる。図１１では、トレイ５を省略しているが、図中のバッファ槽をトレイ５の前方左側の位置に取り付けて、キャリブレーションを行う。このように、ＸＹ方向とＺ方向の基準位置を同一点ではなく分割することで、ＸＹ方向のキャリブレーションの際に、キャピラリ先端をＸＹ方向のターゲット２０に接触させてしまうといった問題を解消している。

このようにしてオートサンプラのキャリブレーションを行い、前述のようにキャピラリアレイとオートサンプラの方向性が正しく調整されていれば、キャピラリアレイはオートサンプラのトレイ上のすべての位置へ正しく移動する。しかし、これは１６本のキャピラリアレイが正しく２×８の行列上に配列していることを前提としている。つまり、オートサンプラのキャリブレーションは、１６本のキャピラリの内の１本を代表してキャリブレーションを行っているため、他の１５本はその１本に対して正しく配列していなければならない。しかし、キャピラリアレイの取扱上、分析者が誤ってキャピラリを曲げてしまう可能性も考えられ、そのような場合、１６本すべてのキャピラリが正常にサンプルプレートのウェル内に挿入されるかどうかは分からなくなる。

分析者が誤って曲げてしまったキャピラリアレイをそのまま使用できるかどうか、または曲がったキャピラリを分析者自身の手で元の状態に戻したキャピラリアレイを使用できるかどうかをチェックする機能が必要となる。そこで、本装置はこのようなチェックを行うための機能として、アレイチェック機能を有している。これは、配列をチェックしたいキャピラリアレイを装置に取り付け、必要に応じてオートサンプラのキャリブレーションを行った後、図１２に示すようにバッファ槽上に配列をチェックするためのアレイターゲット２３を取り付け、オートサンプラをキャピラリアレイの真下にバッファ槽が来る位置へ移動させる（図１２では、図１１同様、トレイを省略している）。

支柱２４は、アレイターゲット２３がキャピラリアレイの真下に移動した際、キャピラリ先端部に位置するストリッパプレート１４（図示していない）を持ち上げ、キャピラリアレイ先端部の確認を容易にする役割を果たしている。アレイターゲットには１６個の穴が設けられており、それらの位置関係はキャピラリアレイの配列間隔と一致している。穴の径はφ２.０となっており、これは通常使用するサンプルプレートアセンブリの最小内径よりも小さいため、アレイターゲット２３の各穴の外円より内側にキャピラリ先端が位置していれば、そのキャピラリアレイをオートサンプラの移動によって損傷することなく、サンプルプレートのウェル内に挿入することができる。この機能により、分析者は容易にキャピラリアレイの配列をチェックすることが可能である。

本発明の電気泳動装置の外観を示す斜視図で、恒温槽の扉を開けた状態を示す。なお、図１にはキャピラリアレイが装着されていない。図１における恒温槽の背面構造を示す斜視図である。本発明におけるキャピラリユニットの恒温槽とポンプユニット等との関係を示す概略図である。本発明の電気泳動装置の全体構成を説明する概略図である。本発明のオートサンプラ及びトレイの構成を示す分解斜視図である。本発明によるオートサンプラの組み立て状態を示す斜視図である。セプタホルダとセプタ，サンプルプレート及びプレートアダプタとの組み立て構造を説明する斜視図である。オーブンに取り付けられているストリッパプレート，キャピラリアレイホルダ及びバッファ槽との関係を示す斜視図である。オートサンプラの駆動機構を説明する概略断面図である。ＸＹ方向のキャリブレーション機能を説明する斜視図である。Ｚ方向のキャリブレーション機能を説明する斜視図である。キャピラリアレイのキャピラリの配列をチエックする機能を説明する斜視図である。

符号の説明

１…セプタホルダ、２…サンプルプレート、３…セプタ、４…プレートアダプタ、５…トレイ、６…突起、７…ガイド、８…遮光板、９…フランジ、１０…ツメ、１１…切り欠き（１）、１２…切り欠き（２）、１３…ホトインタラプタ、１４…ストリッパプレート、１５…バッファ槽、１６…キャピラリアレイ、１７…ボールねじ、１８…ステッピングモータ、１９…リニアガイド、２０…テーブル、２１…ターゲットＸＹ、２２…ターゲットＺ、２３…アレイターゲット、２４…支柱。

Claims

複数本のキャピラリから構成され、蛍光試料をキャピラリ内に取り込むためのキャピラリの端部が配列しているキャピラリアレイを備え、
当該キャピラリアレイにより蛍光標識された試料をキャピラリ内において電気泳動によって分離し、光照射によって蛍光を発生させこれを検出して試料を分析する電気泳動装置であって、
蛍光試料を保持できる複数のウェルを有するサンプルプレートを含むサンプルプレートアセンブリとを保持し、少なくとも上下方向に可動であり、上方に移動したときに前記キャピラリの端部を前記ウェル中の試料に浸漬させるオートサンプラを備え、
前記サンプルプレートアセンブリが、前記サンプルプレートを載置するアダプタと、変形したサンプルプレートを矯正できるセプタホルダとを含み、前記サンプルプレートアセンブリが、前記アダプタ，前記サンプルプレート及び前記セプタホルダを重ねた層構造となっているキャピラリアレイ電気泳動装置。
複数本のキャピラリから構成され、蛍光試料をキャピラリ内に取り込むためのキャピラリの端部が配列しているキャピラリアレイを備え、
当該キャピラリアレイにより蛍光標識された試料をキャピラリ内において電気泳動によって分離し、光照射によって蛍光を発生させこれを検出して試料を分析する電気泳動装置であって、
蛍光試料を保持できる複数のウェルを有するサンプルプレートを含むサンプルプレートアセンブリとを保持し、少なくとも上下方向に可動であり、上方に移動したときに前記キャピラリの端部を前記ウェル中の試料に浸漬させるオートサンプラを備え、
前記サンプルプレートアセンブリが、前記サンプルプレートを載置するアダプタと、前記サンプルプレートを前記アダプタに固定できるセプタホルダとを含み、前記サンプルプレートアセンブリが、前記アダプタ，前記サンプルプレート及び前記セプタホルダを重ねた層構造となっているキャピラリアレイ電気泳動装置。
請求項１又は請求項２記載のキャピラリアレイ電気泳動装置であって、該アダプタが、形状，寸法及び／又はウェルの深さが異なる複数種類のサンプルプレートに対してそれぞれ用意され、サンプルプレートのウェルの中心軸又は底の高さを、オートサンプラに対して所定位置となるように補正するキャピラリアレイ電気泳動装置。
請求項１又は請求項２記載のキャピラリアレイ電気泳動装置であって、前記オートサンプラが前記サンプルプレートアセンブリの形状を検知して当該サンプルプレートアセンブリに含まれる前記サンプルプレートの種類を識別するセンサを有するキャピラリアレイ電気泳動装置。
請求項１又は請求項２記載のキャピラリアレイ電気泳動装置であって、前記オートサンプラが前記サンプルプレートアセンブリの形状を検知して当該サンプルプレートアセンブリに含まれる前記サンプルプレートのウェル数を識別するセンサを有するキャピラリアレイ電気泳動装置。