(57)【要約】【課題】  光学系が単純で、かつ装置が小型である電気泳動用素子及電気泳動装置を提供する。【解決手段】  入力導波路１３と、入力導波路１３に接続された入力側スラブ導波路１６と、入力側スラブ導波路１６に接続された複数のアレイ導波路１８と、アレイ導波路１８が接続された出力側スラブ導波路１７と、出力側スラブ導波路１７に接続された出力導波路１５からなるアレイ導波路型回折格子を形成し、入力側スラブ導波路１６と上記アレイ導波路１８との境界に沿って、被分析物質を注入する溝２１を形成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路と、該入力導波路に接続された入力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路と、該出力側スラブ導波路に接続された出力導波路とを備えるアレイ導波路型回折格子を形成し、上記入力側スラブ導波路と上記アレイ導波路との境界に沿って、被分析物質を注入する溝を形成したことを特徴とする電気泳動用素子。
【請求項２】
上記溝の両端に電圧印加用の電極を設けた請求項１記載の電気泳動用素子。
【請求項３】
入力導波路と、該入力導波路に接続された入力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路と、該出力側スラブ導波路に接続された出力導波路とを備えるアレイ導波路型回折格子を形成し、上記入力側スラブ導波路と上記アレイ導波路との境界に沿って、被分析物質を注入する溝を形成し、上記溝の両端に電極を形成し、入力導波路に光を入力する光源を接続し、出力導波路に光を検出する光検出器を接続したことを特徴とする電気泳動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛋白質やＤＮＡ等を分離分析するための、基板上に分析流路を設けた電気泳動用素子とそれを含む電気泳動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、試料分子の分析の高速化、装置の小型化が期待できるものとして、２枚の石英ガラス板を接合して形成された電気泳動用石英マイクロチップが提案、製品化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４に示すように、電気泳動用素子４０は、２枚の石英ガラス基板４１，４２が接合されて形成される石英マイクロチップである。下側の石英ガラス基板４１には、被分析物質を電気泳動させるための電気泳動溝４３が形成され、上側のガラス基板４２には、電気泳動溝４３の両端に対応する位置に泳動液の注入及び、電極を挿通するための貫通穴を設けた陽極側電極槽４４及び陰極側電極槽４５が形成される。
【０００４】
図５に示すように、電気泳動装置５０は、上記電気泳動用素子４０と紫外線励起用光源５１、光検出器５２、陽極側電極５３及び陰極側電極５４とを備える。電気泳動用素子４０は、紫外線励起用光源５１と光検出器５２との間に配置され、紫外線励起用光源５１からの光が電気泳動溝４３を通過するように配置される。陽極側電極５３及び陰極側電極５４は、それぞれ陽極側電極槽４４及び陰極側電極槽４５の貫通穴を通って高電圧電源に接続される。
【０００５】
電気泳動溝４３内は泳動液と試料分子とで満たされており、陽極側及び陰極側電極５３，５４間に高電圧を印加すると、試料分子は電気泳動溝４３内を泳動する。それと共に、紫外線励起用光源５１から出射した紫外線は、電気泳動溝４３を透過して光検出器５２で検出される。光検出器５２では吸光度の位置分布を測定し、その位置分布、即ち試料分子の移動度から蛋白質やＤＮＡ等の分析を行う。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３１０６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の電気泳動装置５０は、紫外線励起光源５１や光検出器５２等の光学系を備えると、複雑化、大型化してしまうといった問題がある。さらに、光検出器５１も吸光度の位置分布を測定するには光検出素子を多数アレイ化した検出器が必要であり、コストが掛かるといった問題もある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光学系が単純で、かつ装置が小型である電気泳動用素子及びそれを含む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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、入力導波路と、該入力導波路に接続された入力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路と、該出力側スラブ導波路に接続された出力導波路とを備えるアレイ導波路型回折格子を形成し、上記入力側スラブ導波路と上記アレイ導波路との境界に沿って、被分析物質を注入する溝を形成した電気泳動用素子である。
【００１０】
請求項２の発明は、上記溝の両端に電圧印加用の電極を設けた電気泳動用素子である。
【００１１】
請求項３の発明は、入力導波路と、該入力導波路に接続された入力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路に接続された複数のアレイ導波路と、該アレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路と、該出力側スラブ導波路に接続された出力導波路とを備えるアレイ導波路型回折格子を形成し、上記入力側スラブ導波路と上記アレイ導波路との境界に沿って、被分析物質を注入する溝を形成し、上記溝の両端に電極を形成し、入力導波路に光を入力する光源を接続し、出力導波路に光を検出する光検出器を接続した電気泳動装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光学系が単純で、かつ装置を小型にできるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１４】
図１は本発明に係る電気泳動装置の好適な実施の形態を示した平面図である。
【００１５】
電気泳動装置２０は電気泳動用素子１０と、光源２５や検出器２７等の光学系とを備えたものである。
【００１６】
電気泳動用素子１０は、石英基板１１端面の一側（図中左側）上に形成された入力ポート１２から延出された１本の入力導波路１３、基板端面の他側（図中右側）上に形成された出力ポート１４から延出形成された１本の出力導波路１５、入力導波路１３に接続された入力側スラブ導波路１６、出力導波路１５に接続された出力側スラブ導波路１７、入力側スラブ導波路１６と出力側スラブ導波路１７とに接続された多数のアレイ導波路１８（１８ａ，１８ｂ…１８ｎ）とで構成される入出力１×１のアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）を備える。
【００１７】
本実施の形態の電気泳動用素子１０の特徴は、入力側スラブ導波路１６とアレイ導波路１８との境界に、その境界に沿って電気泳動溝２１を形成したことにある。電気泳動溝２１は、泳動液と試料分子とを含む被分析物質が注入され、試料分子を電気泳動させるための溝である。電気泳動溝２１の壁２１ａは垂直に形成され、かつ、入力側スラブ導波路１６とアレイ導波路１８との境界に沿って、即ち入力導波路１３と入力側スラブ導波路１６との接続点を焦点２３とする放射状に形成されている。よって、入力側スラブ導波路１６を伝搬する光が垂直に溝２１に入射される。また、壁２１ａに対向する壁（アレイ導波路１８側の壁）２１ｂも垂直かつ放射状に形成されている。よって、溝２１を透過する光の伝搬距離を等しくすることができる。
【００１８】
電気泳動溝２１の両端には、溝２１に注入された被分析物質に電圧を印加するための電極２４，２４が設けられている。
【００１９】
電気泳動用素子１０の上面には、蓋を設けるのが好ましく、その蓋は石英基板を用いるのがよい。蓋には、電極２４，２４を挿通し、被分析物質を溝２１に注入するための挿通孔を形成するのがよい。
【００２０】
本実施の形態の電気泳動装置２０は、電気泳動用素子１０の入力ポート１２に、光源２５が光ファイバや光導波路等の光伝送路２６を介して接続され、出力ポート１４に、電気泳動用素子１０の伝搬光を測定する検出器２７が光伝送路２６を介して接続されて構成される。検出器２７には、検出されたデータを計算する演算装置２９が接続される。検出器２７は、集光された光を検出するシングル型のものである。光源２５は、光の波長が紫外から近赤外の範囲内で出射できるものであればいずれのものを用いてもよい。
【００２１】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２２】
先ず、電気泳動溝２１に試料分子が存在しない場合の伝搬光の特性について説明する。
【００２３】
光源２５より出射され、入力ポート１２から入力された光は入力側スラブ導波路１６内を拡がって伝搬する。このとき、図２（ａ）に示すように、入力側スラブ導波路１６において、光を伝搬する方向に対して垂直方向（図中Ａ−Ａ線）を横軸とし、伝搬光の光強度を縦軸とした光強度位置分布３１はガウス型分布を示す。
【００２４】
入力側スラブ導波路１６を伝搬した光は電気泳動溝２１を透過して各アレイ導波路１８ａ，１８ｂ…１８ｎ…に入射する。このとき、アレイ導波路１８の伝搬光の位置強度分布３２は、図中Ｂ−Ｂ線断面において、図２（ｂ）に示すようになる。各アレイ導波路１８ａ，１８ｂ…１８ｎ…を伝搬する光は、中央付近のアレイ導波路１８ｎでは光強度が大きく、端側のアレイ導波路１８ａ、１８ｂでは光強度が弱くなっている。即ち、アレイ導波路１８における光強度分布３２の包絡線３２ｂが図２（ａ）に示した位置強度分布３１と同様なガウス型分布を示す。
【００２５】
アレイ導波路１８を伝搬した光は、出力側スラブ導波路１７に伝搬し、出力側スラブ導波路１７で出力導波路１５に集光され、出力導波路１５を伝搬し、出力ポート１４から出力され、検出器２７で測定される。
【００２６】
図２（ｃ）に示すように、検出器２７で測定可能な出力ポート（Ｃ点）１４での光強度位置分布３３もガウス型分布となる。ここで、Ｃ点での光強度位置分布３３とは、Ｃ点で測定された光強度波長分布を演算装置２９で逆フーリエ変換したものである。Ｃ点で測定される光は、各アレイ導波路１８を伝搬した光が集光された光であるため、アレイ導波路１８での位置強度分布３２を直接測定するのは困難である。しかし、各アレイ導波路１８の導波路長はそれぞれ一定の長さずつ異なっており、各アレイ導波路１８を伝搬する光は、出力側スラブ導波路１７に入射される際に各伝搬光間で位相差が現れる。よって、出力側スラブ導波路１７で干渉して出力導波路１５に集光される際に、波長に応じて光強度が異なる。測定される光は、光強度が波長分布を有した光であり、アレイ導波路１８の光路長差によって設計される特定波長を中心とした離散フーリエ変換スペクトルであり、それを逆フーリエ変換することで各アレイ導波路１８における伝搬光の光強度位置分布３３に変換したスペクトルが得られる。
【００２７】
次に、電気泳動溝２１に試料分子が存在するとき、即ち、電気泳動による試料分子の分析方法について説明する。
【００２８】
まず、電気泳動溝２１内の作用について説明する。
【００２９】
電気泳動溝２１内は、試料分子の入った緩衝液（泳動液）で満たされており、溝２１の両端に設けられた電極２４，２４間に高電圧が印加されている。分析対象である試料分子は、電気泳動に応じた速度で移動する。電気泳動に応じた速度とは、電極２４，２４間に印加される電圧等の条件と、試料分子の有する電荷に依存する移動速度である。試料分子の種類毎に分子の移動速度（移動度）が異なることで、試料分子は種類毎に分離される。本実施の形態の電気泳動用素子１０は、電気泳動溝２１の内壁２１ａ，２１ｂが石英等で形成されているので、内壁表面の負電荷が原因して電気浸透流が常に負極側に流れている。そのため、正電極側に試料分子を混入させたとき、試料分子は、その移動速度は異なるが荷電の正負に関わりなく負極側に移動する。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、入力側スラブ導波路１６を伝搬する光の位置強度分布３４は、電気泳動溝２１に伝搬する以前であるので、図２（ａ）に示した光強度分布３１と同様に、試料分子によって吸光されていないガウス型分布を示す。
【００３１】
入力側スラブ導波路１６を伝搬した光は電気泳動溝２１を透過して各アレイ導波路１８ａ，１８ｂ…１８ｎに入射される。
【００３２】
試料分子に入力側スラブ導波路１６より伝搬した光が照射されると、試料分子によって光が散乱し、或いは吸収され、光強度が弱まる。つまり、溝２１内で試料分子が存在する位置に接続されたアレイ導波路１８を伝搬する光は減衰されている。
【００３３】
ここで、電気泳動溝２１中の試料分子が位置分布を持って存在したとすると、図３（ｄ）に示すように、図３（ｂ）の光強度分布３５の包絡線３５ｂは光強度分布３４に被分析物質の吸光度の位置分布３７を乗じた分布となる。
【００３４】
各アレイ導波路１８を伝搬した光は、出力側スラブ導波路１７に入射して各光が干渉し、出力導波路１５に集光されて出力ポート１４より検出される。図３（ｃ）に示す位置強度分布３６は、図２（ｃ）で説明したように、出力ポート１４で測定された光強度の波長分布を演算装置２９で逆フーリエ変換することで光強度位置分布に変換したものである。また、Ｃ点における光の波長分布は、Ａ−Ａ線における光強度分布のフーリエ変換像と被分析物質の吸光度の位置分布のフーリエ変換像との畳み込み像である。光強度位置分布３６と、電気泳動用素子１０への入射させる光の位置光強度分布３４とから、図３（ｄ）に示した試料分子による吸光度の位置分布３７が求められ、光強度が減衰されている位置には、試料分子が存在したことが特定できる。
【００３５】
この吸光度の分布、即ち試料分子の移動度と、予め作成された移動度と試料分子の種類等の相関関係から、試料分子の種類や濃度を測定することができる。
【００３６】
本実施の形態の電気泳動装置２０には、光導波路や光ファイバの測定用に用いられる慣用の光学系を用いればよく、特殊な光学系を用いる必要はない。光源２５や検出器２７を、入出力ポート１２，１４に光ファイバ２６、２６を介して直接に接続することで、レンズやミラー、プリズム等を組み合わせて形成される空間光学系を設ける必要がないため、装置の単純化及び小型化が可能となる。
【００３７】
さらに、本実施の形態では、ＡＷＧを形成して電気泳動用素子１０を形成しているが、入出力ポート１２，１４に接続する入出力光ファイバ２６，２６は各々１本ずつであり、光スイッチやアレイ状の光検出素子を用いる必要がなく、そのため、装置の小型化が可能となる。また、入出力導波路１４，１６の数は各々一本に限らず、複数本形成してもよい。
【００３８】
さらに、電気泳動溝中に試料分子を含まない場合の分光特性（光強度位置分布３３）と試料分子を含む場合の分光特性（光強度位置分布３６）を比較することで、電気泳動用素子の構造等に起因する分光特性を補正することができ、より正確に試料分子の吸光度の位置分布を測定することが可能である。
【００３９】
また、本実施の形態の電気泳動用素子１０は石英ガラスで形成したが、例えば、有機ポリマー等、光導波路が形成可能な材料で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本実施の形態の電気泳動用素子を含む電気泳動装置を示す平面図である。
【図２】電気泳動溝に試料分子が存在しないときにおいて、（ａ）は図１のＡ−Ａ線における伝搬光の光強度位置分布を示す図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における伝搬光の光強度位置分布を示す図であり、（ｃ）は図１のＣ点で測定される光強度波長分布から変換した光強度位置分布を示す図である。
【図３】電気泳動溝に試料分子が存在するときにおいて、（ａ）は図１のＡ−Ａ線における伝搬光の光強度位置分布を示す図であり、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における伝搬光の光強度位置分布を示す図であり、（Ｃ）は図１のＣ点で測定される光強度波長分布から変換した光強度位置分布を示す図であり、（ｄ）は試料分子による吸光度と入射光の光強度位置分布との関係を示す図である。
【図４】従来の電気泳動用素子を示す斜視図である。
【図５】従来の電気泳動装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  電気泳動用素子
１３  入力導波路
１５  出力導波路
１６  入力側スラブ導波路
１７  出力側スラブ導波路
１８  アレイ導波路
２０  電気泳動装置
２１  電気泳動溝
２４  電極
２５  光源
２７  検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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