(57)【要約】電気泳動セルは基板２を有し、この基板２の上面に溝３が形成されている。基板２は、該基板２内を透視することができるように透明な材料で形成されている。溝３は、多数の支柱４からなる分離マトリックス５を含んでいる。基板２の上面と溝３とは、透明なカバー６で覆われている。さらに、電気泳動セル１には、２つの試料注入口７と、２つの電極８とが設けられている。各電極８は、それぞれ、対応する試料注入口７を通して溝３内に挿入されている。両電極８は、リード線９を介して直流電源１０に接続されている。この電気泳動セル１によれば、電気泳動分析に用いられるアガロースゲルやポリアクリルアミドゲル、あるいは従来の人工的な分離マトリックスにおける欠点を克服することができる。
2004008132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体試料中の生体分子を分離又は検出する生体分子分離セルであって、
表面に溝が形成された基板と、
上記溝の一部の領域に配置され、支柱間の間隙の最も狭い部分が０．１〜５μｍである複数の支柱からなる分離マトリックスと、
上記基板の表面と上記溝とを覆い、かつ上記支柱の上面と密着するカバーと、
溝内を満たす緩衝液と、
緩衝液に直接接触して該緩衝液に電圧を印加する少なくとも２つの電極とを備えていて、
上記基板と上記分離マトリックスとが、高分子材料で形成されている生体分子分離セル。
【請求項２】
電気泳動により生体分子を分離するようになっている請求項１に記載の生体分子分離セル。
【請求項３】
上記支柱の横断面の形状が円、長円、多角形、又は角部を丸めもしくは切り取った多角形である請求項２に記載の生体分子分離セル。
【請求項４】
上記基板及び上記分離マトリックスのうちの少なくとも一部が、エラストマ又はプラスチックで形成されている請求項２に記載の生体分子分離セル。
【請求項５】
上記エラストマがシリコーンゴムである請求項４に記載の生体分子分離セル。
【請求項６】
上記プラスチックが、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂又はポリカーボネート系樹脂である請求項４に記載の生体分子分離セル。
【請求項７】
上記溝が、２０〜１０００ミクロンの幅を有し、１〜５０μｍの深さを有し、かつ０．１〜５０ｍｍの長さを有する請求項２に記載の生体分子分離セル。
【請求項８】
上記支柱の配置密度が１０００個／ｍｍ２以上である請求項２に記載の生体分子分離セル。
【請求項９】
上記溝に生体分子試料を注入するための試料注入口が上記カバーに設けられ、上記分離マトリックスが、上記試料注入口近傍に、その他の領域よりも支柱の配置密度が低い領域又は支柱が存在しない領域を有する請求項２に記載の生体分子分離セル。
【請求項１０】
表面に溝が形成された基板と、上記溝の一部の領域に配置された複数の支柱からなる分離マトリックスとを備えた、液体試料中の生体分子を分離又は検出する生体分子分離セルの製造方法であって、
シリコン基板、ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、上記溝及び上記支柱に対応するネガパターンを備えた鋳型を形成する工程と、
上記鋳型に、液状のエラストマもしくはプラスチック、又はエラストマもしくはプラスチックの原料となるモノマもしくはプレポリマを流し込んで固化させる工程と、
固化物を鋳型から分離して、上記基板と上記分離マトリックスとを備えた生体分子分離セルを得る工程とを含んでいる生体分子分離セルの製造方法。
【請求項１１】
表面に溝が形成された基板と、上記溝の一部の領域に配置された複数の支柱からなる分離マトリックスとを備えた、液体試料中の生体分子を分離又は検出する生体分子分離セルの製造方法であって、
シリコン基板、ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、上記溝及び上記支柱に対応するネガパターンを備えた型を形成する工程と、
ガラス転移温度以上に加熱したプラスチックを上記型に押し付けた後、温度を低下させて硬化させる工程と、
硬化物を型から分離して、上記基板と上記分離マトリックスとを備えた生体分子分離セルを得る工程とを含んでいる生体分子分離セルの製造方法。
【請求項１２】
表面に溝が形成された基板と、
上記溝の一部の領域に配置され、支柱間の間隙の最も狭い部分が０．１〜５μｍである複数の支柱からなる分離マトリックスと、
上記基板の表面と上記溝とを覆い、かつ上記支柱の上面と密着するカバーと、
溝内を満たす緩衝液と、
緩衝液に直接接触して該緩衝液に電圧を印加する少なくとも２つの電極とを備えていて、
上記基板と上記分離マトリックスとが高分子材料で形成され、
上記溝内に供給されたＤＮＡを含む液体試料から、該ＤＮＡの特性及び構造に基づいて、該ＤＮＡを分取又は分画するようになっているＤＮＡ分取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、電気泳動セル等の生体分子分離セル及びその製造方法、並びに、該電気泳動セルを用いたＤＮＡ分取装置に関するものである。
【背景技術】  生体試料から抽出されたＤＮＡや、蛋白質及びその断片などの生体分子は、医療検査や、医療診断や、生物検査に必須の要素である。これらの生体分子を生化学的に分析したり、その分子構造を調べることにより、病気の診断や、微生物の検出や、遺伝子の判定などが行われる。これらの生体分子は、分子量の大きい高分子であることが特徴である。これらの最も一般的な分析方法としては、電気泳動法が用いられる。電気泳動法では、生体分子は、分子の大きさ（分子量）や電荷の差異により、電圧が印加された分離マトリックスの中で分離される。電気泳動法としては、分離マトリックスにアガロースゲル（寒天ゲル）やポリアクリルアミドゲルを用いる手法が確立されている。この手法では、ＤＮＡや蛋白質が、アガロースゲルやポリアクリルアミドゲルの分子鎖の網目の中を通り抜けながら分離される。これらのゲルの網目の穴は、５〜２００ｎｍであろうと推定される。しかし、これらのゲルは、ミクロ構造が不均一であり、かつ形態が不安定である。このため、その取り扱いがむずかしく、次のような問題がある。
（ゲルの問題点）
▲１▼形態が不安定であるので、保存性が悪く、取扱い性が悪い。
▲２▼常に水分の包含が必要である。
▲３▼分離速度が小さい。
▲４▼μｇレベルの比較的多量の試料が必要である。
▲５▼再利用することができない。
▲６▼高感度な光学検出を行うことができない。
▲７▼小型化が困難である。
これらの問題を解決するため、近年、半導体リソグラフィ技術を用いた電気泳動用のハードゲルが提案されている。具体的には、例えば、シリコン基板やガラス基板の上に、障害物として人工的なミクロ構造物を形成し、これをゲルの網目の代替物として用いるようにしたものや、光学的に透明なプラスチックを微細加工成型して形成した人工分離マトリックスなどが提案されている。
前者の例としては、１９９２年に刊行されたネイチャー誌（Ｎａｔｕｒｅ）、第３５８巻、第６００〜６０２頁に掲載されているフォルクムス（Ｖｏｌｋｍｕｔｈ）らによる報文や、２００１年に刊行された分析化学誌（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、第７３巻、第６０５３〜６０５６頁に掲載されているバカジン（Ｂａｋａｊｉｎ）らによる報文に開示されたハードゲルがあげられる。これらの報文の中で、著者は、５０〜２００キロベースペア（キロ塩基対）の長さを有するＤＮＡの分析をターゲットとした、２酸化珪素やガラスからなる微細人工障害物を有する分離マトリックスを提案している。この分離マトリックスは、規則正しく配置された直径が数μｍの支柱からなる。試料のＤＮＡは、向きと角度とを交互に変えた電界を印加することにより、分離マトリックスの中で、その大きさに応じて分離され、試料の出口に設置された蛍光顕微鏡により観察ないし検出される。
他方、後者の例としては、ヤガー（Ｙａｇｅｒ）らにかかる特表平１１−５０８０４２公報に開示された、プラスチックを用いた人工分離マトリックスがあげられる。この人工分離マトリックスは、次の点で、シリコン基板やガラス基板をベースとする分離マトリックスと異なる。
（相違点）
▲１▼有機ポリマを分離マトリックス材料として用いる。
▲２▼人工的なミクロ構造物の配列間距離は１００ｎｍ以下であり、好ましくは１０〜３０ｎｍである。
▲３▼微細加工された鋳型中でポリマを重合させて分離マトリックスを製造する。
しかしながら、これらの従来技術には、次のような問題ないしは課題がある。すなわち、シリコンやガラスを電気泳動用の分離マトリックスに用いたものでは、次のような問題がある。
（問題点）
▲１▼シリコンやガラスは加工性が悪く、高価で大量生産に向かない。
▲２▼支柱の直径や隙間は数μｍ以上であるが、この値はアガロースゲルやポリアクリルアミドゲルの網目に比べて１００倍ほど大きく、小さなＤＮＡの分析には不適である。
他方、プラスチックを用いた人工分離マトリックスでは、次のような問題がある。
（問題点）
▲１▼分離マトリックスを製造する際の、ナノメータ（ｎｍ）〜マイクロメータ（μｍ）のレベルでのプラスチック成型加工技術が未確立である。
▲２▼支柱の隙間間隔が１００ｎｍ以下と狭く、水和したＤＮＡ分子が詰まりやすく、円滑な分離が困難である。
▲３▼微細加工した鋳型を用いる製造技術では、プラスチックの剥離工程や微細パターンの転写工程が、現時点では机上の論の域を出ず、実用化されていない。
【発明の開示】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、例えば電気泳動分析に用いられるアガロースゲルやポリアクリルアミドゲル、あるいは従来の人工的な分離マトリックスにおける前記の欠点を克服することができる分離マトリックス、ないしは電気泳動セル等の生体分子分離セルと、その製造方法とを提供することを目的とする。さらには、かかる生体分子分離セルの応用技術を提供することも目的とする。
本発明にかかる生体分子分離セルは、例えば、電気泳動により、液体試料中の生体分子を分離又は検出する。生体分子分離セルは、表面に溝（流路）が形成された基板と、分離マトリックスと、カバーと、溝内を満たす緩衝液と、少なくとも２つの電極とを備えている。分離マトリックスは、溝の一部の領域に配置され、支柱間の間隙の最も狭い部分が０．１〜５μｍである複数の支柱からなる。カバーは、基板の表面と溝とを覆い、かつ支柱の上面と密着する。電極は、緩衝液に直接接触し、この緩衝液に電圧を印加する。基板と分離マトリックスとは、高分子材料で形成されている。
この生体分子分離セルでは、人工的なマイクロ障害物による分離マトリックスを、例えば電気泳動用のゲルの代替物として用いている。このため、分離マトリックスを小型化・軽量化することができ、乾燥状態で保存することができる。つまり、試料が少量であっても、ＤＮＡ等の生体分子を、迅速かつ高感度で分離又は検出することができる。
この生体分子分離セルでは、分離すべき生体分子の大きさや性質に応じて、最適な構造を選択することができる。すなわち、設計の自由度が大きい。このため支柱の横断面は、例えば、円、長円、多角形、又は、角部を丸めもしくは切り取った多角形など、種々の形状とすることができる。
基板及び分離マトリックスの一部又は全部は、例えば、コストが安く量産が容易な高分子材料であるエラストマ、プラスチック等で形成されるのが好ましい。エラストマとしては、例えば、一般的な材料であり、かつ価格が安く成形性が良好なシリコーンゴムを用いるのが好ましい。また、プラスチックとしては、例えば、一般的な材料であり、かつ価格が安く成形性が良好なアクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等を用いるのが好ましい。
溝の幅は２０〜１０００ミクロンに設定され、溝の深さは１〜５０μｍに設定され、また溝の長さは０．１〜５０ｍｍに設定されるのが好ましい。このようにすれば、ＤＮＡなどの生体分子が、均一かつ円滑に電気泳動する。このため、高感度な検出が可能な電気泳動セルを実現することができる。
支柱の配置密度は、１０００個／ｍｍ２以上であるのが好ましい。本発明では、例えば、ＤＮＡが支柱のサブミクロンオーダーの間隙を通りぬける際に、ＤＮＡの泳動速度に影響を与えるといったことを基本原理としているので、間隙の数が分離能に大きく影響する。そして、支柱の配置密度が１０００個／ｍｍ２以上であれば、１００００００塩基対以下のＤＮＡの分離が可能である。
溝に生体分子試料を注入するための試料注入口がカバーに設けられている場合は、分離マトリックスが、試料注入口近傍に、その他の領域よりも支柱の配置密度が低い領域又は支柱が存在しない領域を有するのが好ましい。例えば、ＤＮＡは、支柱の上部の隙間から溝内には進入しにくいが、このようにすれば、ＤＮＡの注入が容易となる。
本発明にかかる上記生体分子分離セルの１つの製造方法では、まず、シリコン基板、ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、溝及び支柱に対応するネガパターンを備えた鋳型を形成する。次に、この鋳型に、液状のエラストマもしくはプラスチック、又は、エラストマもしくはプラスチックの原料となるモノマもしくはプレポリマを流し込んで固化させる。この後、固化物を鋳型から分離して、基板と分離マトリックスとを備えた生体分子分離セルを得る。この製造方法によれば、鋳型の微細構造を忠実に転写することができ、電気泳動セルの量産が可能となる。
本発明にかかる上記生体分子分離セルのもう１つの製造方法では、まず、シリコン基板、ガラス基板又は高分子基板に微細加工を施して、溝及び支柱に対応するネガパターンを備えたプレス型を形成する。次に、ガラス転移温度以上に加熱したプラスチックをプレス型に押し付けた後、温度を低下させて硬化させる。この後、硬化物をプレス型から分離して、基板と分離マトリックスとを備えた生体分子分離セルを得る。この製造方法によれば、鋳型の微細構造を忠実かつ高速に転写することができるので、電気泳動セルの量産が可能となる。
本発明にかかるＤＮＡ分取装置は、電気泳動により液体試料中の生体分子を分離する本発明にかかる生体分子セルを利用して、溝内に供給されたＤＮＡを含む液体試料から、該ＤＮＡの特性及び構造に基づいて、該ＤＮＡを分取（分離）又は分画する。このように、本発明にかかる電気泳動セルを、ＤＮＡの分析や医療検査に用いることにより、従来は操作性が悪く、分析に長時間を要していた遺伝子検査を、迅速に高感度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】  本発明は、後記の詳細な説明及び添付の図面により、より十分に理解されるであろう。なお、添付の図面において、共通する構成要素には同一の参照番号が付されている。
図１は、高分子材料で形成された分離マトリックスを備えた、本発明にかかる電気泳動セルの全体的な斜視図（透視図）である。
図２は、図１に示す電気泳動セルないし分離マトリックスの一部を拡大して示す斜視図である。
図３は、図１に示す電気泳動セルの立面断面図である。
図４Ａ〜図４Ｅは、種々の支柱の形状及び配置形態を示す立体的な模式図である。
図５Ａ〜図５Ｅは、分離マトリックスの上面図であり、種々の支柱の配置形態を示している。
図６Ａ〜図６Ｃは、それぞれ、試料注入口及び分離マトリックスの構造を示す１つの斜視図と２つの立面断面図とである。
図７Ａ〜図７Ｇは、分離マトリックスを製作するための鋳型の作製方法と、この鋳型を用いた電気泳動セルの製作方法とを示す図である。
図８は、電気泳動セル用の蛍光顕微鏡及びその付属機器の構成ないしレイアウトを示す模式図である。
図９は、電気泳動セル内におけるＤＮＡの塩基数と電気泳動速度との関係を示すグラフである。
図１０は、支柱の間隙におけるＤＮＡの動きを示す図である。
図１１は、本発明にかかる電気泳動セルを用いた１つのＤＮＡ分取装置の概略構成を示す模式図である。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明にかかる電気泳動セルを用いたもう１つのＤＮＡ分取装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。ただし、各図において、共通する部材、すなわち構成及び機能が実質的に同一である部材には共通の参照番号を付し、重複する説明は、原則として省略する。
（電気泳動セルの概要）
まず、本発明にかかる電気泳動セルの概要を説明する。図１は、本発明にかかる電気泳動セルの基本形の全体構造を示している。図２はこの電気泳動セルの一部を拡大して示し、図３はこの電気泳動セルの立面断面を示している。
図１〜図３に示すように、電気泳動セル１は基板２を有し、この基板２の上面に溝３が形成されている。基板２は、必ずしも透明である必要はないが、基板２内を透視することができるので、透明であるのが好ましい。溝３は、多数の支柱４（ピラー）からなる分離マトリックス５を含んでいる。基板２の上面と溝３とは、透明なカバー６で覆われている。さらに、電気泳動セル１には、２つの試料注入口７と、２つの電極８（正極及び負極）とが設けられている。各電極８は、それぞれ、対応する試料注入口７を通して溝３内に挿入されている。つまり、試料注入口７は、電極挿入穴を兼ねている。また、両電極８は、リード線９を介して直流電源１０に接続されている。
電気泳動セル１において、分離マトリックス５を構成している各支柱４は、幾何学的な断面を有している。各支柱の上面は、カバー６の下面と密着している。そして、分離マトリックス５を含んでいる溝３には、電気泳動用の緩衝液が満たされ、したがって各支柱４の間隙には緩衝液が存在している。溝３内に挿入された各電極８は、溝３内の緩衝液に直接接触している。緩衝液中に生体分子が存在する場合、両電極８間に電圧が印加されると、該生体分子は帯電しているので、その帯電の態様に応じていずれか一方の電極８に向かって移動する。例えば、生体分子がＤＮＡ（デオキシリボ核酸）であれば、緩衝液の中で負に帯電しているので、溝３の延びる方向（両電極８を結ぶ方向）に沿って、正極である電極８（図１では、左側の電極）に向かって移動する。
基板２の形状や厚さはｍとくには限定されず、用途や目的に応じて所望の形状とすることができる。ただし、成形が容易であり、かつ強度が高いので、基板２は板状であるのが好ましい。基板２の材料がエラストマである場合、該基板２の厚さは、カバー６との密着性を確保するため、３ｍｍ以上であるのが好ましい。分離マトリックス５を含む溝３は、基板２の表面に複数ないし多数設けられてもよい。ＤＮＡ等の生体分子の流路となる溝３は、試料の注入や、他のＤＮＡ等の生体分子あるいは試薬との混合を容易にするため、交差していてもよい。また、溝３（流路）中に、円形や多角形などの形状の部分を形成して、溝３の液体に対する抵抗や液体の移動速度を制御し、ミクロレベルでの流体的な調整を行ってもよい。
（溝の構成）
以下、溝３の具体的な構成ないし機能を説明する。図１〜図３に示す例では、溝３は、基板２の長手方向に延びる直線状の形状を有している。しかし、溝３の形状は、これに限定されるものではなく、例えばＵ字形、Ｓ字形又は円形であってもよい。ただし、この場合、溝３の湾曲部では、電界の分布が溝３に対して並行ではなくなるので、溝３の形状を工夫して電界補正や検出補正を行うことが必要である。
本発明にかかる電気泳動セル１は小型化が容易であるが、溝３の幅は１μｍ以上であるのが好ましく、２０μｍ以上であるのがより好ましい。溝３の幅が１μｍより狭い場合は、検出感度が低下し、生体分子の検出に高倍率の光学機器が必要となり、検出コストが高くなるからである。また、溝３の幅は１０００μｍ以下であるのが好ましく、３００μｍ以下であるのがより好ましい。溝３の幅が１０００μｍを超えると、電気泳動の均一性が損なわれるとともに、本発明の効果が小さくなるからである。しかし、本発明を、複数組の電極８を備えた２次元的な広がりを持つ分離マトリックス５、例えばパルスフィールド電気泳動の分離マトリックス５に適用する場合は、溝３の幅は１０００μｍを超えてもよい。
溝３の深さは１μｍ以上であるのが好ましい。溝３の深さがこれより浅いと、本発明の効果が小さくなり、かつ検出感度が低下するからである。また、溝３の深さは５００μｍ以下であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのがより好ましい。溝３の深さが５００μｍを超えると、ＤＮＡ等の生体分子の上下方向の拡散が生じ、本発明の効果が小さくなるとともに、生体分子の検出時に光学的焦点を合わせにくくなり、検出感度が低下するおそれがあるからである。
溝３の長さ及び分離マトリックス５の長さは、任意に設定することができる。具体的には、例えば、分離すべき生体分子のターゲットや、各ターゲットに必要とされる分離能に応じて、０．１〜５０ｍｍの範囲で決定することができる。しかし、これらの長さの上限は、後で説明する鋳型となるシリコンウエハの大きさにより制限されることがある。
（電極の構成）
以下、電極８の具体的な構成ないし機能を説明する。この電気泳動セル１では、電極８は、直径０．２ｍｍの白金線であり、電源１０のリード線９に半田付けにより接続されている。しかし、電極８は、末端が溝３内の緩衝液と接触することができれば、線状、板状、膜状（蒸着膜）のいずれの形状であってもよく、また大きさや厚さも、任意に設定することができる。電極８の材料は、５００Ｖの電圧を印加することができ、数十ｍＡの電流を流すことができ、かつ電気分解や材料の溶出が起こらなければ、どのようなものであってもよい。かかる材料としては、例えば、白金、金、カーボン、電導性高分子などがあげられる。
この電気泳動セル１では、白金線からなる電極８は、その大部分はカバー６の上面に配置され、その先端近傍部は、カバー６に設けられた試料注入口７を通して溝３内に挿入されている。しかし、電極８は、カバー６に直接接着又は蒸着されてもよい。また、外部の支持体から試料注入口７を通して、あるいは基板２の中を通して配線されてもよい。なお、電極８の先端近傍部を、試料注入口７を通すのではなく、カバー６に別途形成された電極挿入用穴を通して溝３内に挿入してもよい。
この電気泳動セル１では、電極８には、０．１〜５００Ｖ／ｃｍの範囲の直流電圧が印加される。しかし、パルス電圧が印加されてもよい。また、複数組の電極８が設けられている場合は、周期的に電流の方向が変わってもよい。
この電気泳動セル１において、溝３内の流路と、分離マトリックス５を構成する各支柱４の間隙とを満たしている電気泳動用の緩衝液としては、分離すべき生体分子がＤＮＡの場合は、ＴＢＥ緩衝液（８９ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ｂｏｒａｔｅ、２ｍＭ  ＥＤＴＡ）又はＴＡＥ緩衝液（４０ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ａｃｅｔａｔｅ、１ｍＭ  ＥＤＴＡ）が用いられる。緩衝液のｐＨは８前後である。また、分離すべき生体分子が蛋白質の場合は、該蛋白質の種類に応じて、その電気泳動に最適な緩衝液が用いられる。
（支柱の構成）
以下、支柱４の具体的な構成ないし機能を説明する。この電気泳動セル１では、図２から明らかなとおり、分離マトリックス５を構成している各支柱４の上面ないし横断面（支柱の中心軸線と垂直な面で切断した断面）の形状（以下、単に「断面形状」という。）は円形である。しかし、支柱４の断面形状は円形である必要はなく、任意の形状とすることができる。
例えば、図４Ａ〜図４Ｅに示すように、支柱４の断面形状は、角部を丸めた長方形（図４Ａ）、楕円形（図４Ｂ）、正方形ないしひし形（図４Ｃ）、六角形（図４Ｄ）、長方形（図４Ｅ）であってもよい。あるいは、その他の多角形又は角部を切り落とした多角形であってもよい。さらに、ＤＮＡ等の生体分子の流れがスムーズであれば、断面形状は、星形や、突起を有する幾何学形状であってもよく、また定まった形のないものであってもよい。各支柱４の断面形状はすべて同じである必要はなく、前記の各形状が混在していてもよい。例えば、支柱４の断面形状を、試料注入口７付近では楕円形とし、それ以外の部位では六角形としてもよい。
各支柱４の断面積は、支柱４の溝幅方向の寸法が溝３の幅より小さい限り、任意に設定することができる。ただし、ＤＮＡ等の生体分子の上下方向の流れを均一にする必要がある場合は、支柱４の断面積は上下方向（支柱軸線方向）に均一であるのが好ましい。また、生体分子を溝３の深さ方向に分離させる場合、支柱４は、上下のいずれかに向かって細くなるテーパ状であってもよい。成形が可能であれば、支柱４は、立体的な幾何学形状のもの、例えば、複数の球体が連続して支柱を構成するといった形状のものであってもよい。
（支柱の配置）
以下、支柱４の具体的な配置形態を説明する。この電気泳動セル１では、図１及び図２から明らかなとおり、支柱４は、溝幅方向に互いに等間隔で離間する複数の支柱４が、溝長手方向に等間隔で並んだ配置形態で配列されている。しかし、支柱４の配置形態は、このようなものである必要はなく、任意のものとすることができる。分離マトリックス５としての機能を発揮させるため、支柱４は溝３の所定の領域に配置されるが、その配置形態ないし配列形態は、ＤＮＡ等の生体分子がスムーズに流れる限り、規則性があっても、なくてもよい。しかし、支柱４の配置形態が規則性をもたない場合、均一な試料の流れを生じさせるには、支柱４をランダムに配置する必要がある。
図５Ａ〜図５Ｅに、溝３内における支柱４の配置形態（基板２の上面図）の５つの具体例を示す。図５Ａに示す配置形態は、生体分子を平面視で２次元的に移動させることができる２次元配列パターンである。この配置形態では、長方形の溝３の周りに、４つの試料注入口７と２組（４つ）の電極８とが配置されている。図５Ｂに示す配置形態は、溝３の長手方向に支柱４の配置密度ないし支柱４間の隙間が段階的に変化する配列パターンである。図５Ｃに示す配置形態は、溝３内に支柱４が１列に並んで配置された配列パターンである。図５Ｄに示す配置形態は、溝３内に支柱４が１列に並んで配置されるとともに、溝３の壁面が支柱として機能するように形成された配列パターンである。すなわち、分離マトリックス５は、独立した支柱４と溝３の壁面の一部である支柱４’とで構成されている。図４Ｅに示す配置形態は、溝３内に複数列の支柱４が配置された配列パターンであり、溝３の長手方向の一端に２つの試料注入口７が接続されている。
前述したとおり、パルスフィールド電気泳動の分離マトリックスに本発明を適用する場合は、例えば図５Ａに示すような、複数の試料注入口７と複数組の電極８とを備えた２次元配列パターンの分離マトリックス５が必要である。溝３内への試料の注入を円滑化するために、試料注入口７に近いところでは、支柱４の配置密度を低くしてもよい（図５Ｂ参照）。また、ＤＮＡ等の生体分子の濃縮領域を設けたり、生体分子を選択的に分離するためのゲートを設けてもよい。さらには、支柱４間の隙間に、１次元的又は２次元的な勾配をつけてもよい。
支柱４は、他の複数の支柱４に接触するように配置してもよく、あるいはその配列方向に連続して接触するように配置してもよい。なお、支柱４が溝３の側面に接触していてもよい。また、溝３の壁面を、支柱４に対応する形状でもって溝内に繰り返し突出させ、この突出部を支柱として利用してもよい。なお、最も単純な場合、分離マトリックス５は、溝３の一方の壁面の突出部のみ、又は両方の壁面の突出部のみで構成される。この場合、電気泳動セル１は、独立した支柱構造をもたない単純な流路デバイスとなる。
（試料注入口）
以下、試料注入口７の具体的な構成及び機能を説明する。生体分子を含む試料を溝３に注入するための試料注入口７は、１つだけ設けても、また複数ないし多数設けてもよい。試料注入口７を複数設けた場合、電気泳動セル１は、生体分子を分離する機能に加えて、複数の生体分子を混合する機能も発揮する（図５Ｅ参照）。
また、図６Ａに示すように、ＤＮＡ等の生体分子を含む試料を溝３内に注入しやくするため、試料注入口７が配置された部位では、溝３内に支柱４を配置しない領域を設け、あるいは支柱４の配置密度を低くした領域を設けるのが好ましい。
図６Ｂに示すように、試料注入口７が配置された部位に支柱４が他の部位と同様の配置密度で設けられている場合、試料は分離マトリックス５の上に導入された後、矢印Ｐ１で示すように曲線的に流れて分離マトリックス５内に入る。この場合、試料の流れに対する抵抗が大きいので、試料を円滑に溝３内に注入することは困難である。
他方、図６Ｃに示すように、試料注入口７が配置された部位に支柱４が設けられていない場合、試料は、支柱４が存在しない空間部に導入された後、矢印Ｐ２で示すように直線的に流れて支柱４の側方から分離マトリックス５内に入る。この場合、試料の流れに対する抵抗が小さいので、試料を円滑に溝３内に注入することができる。
（生体分子の分離原理）
以下、電気泳動セル１における生体分子の分離原理を説明する。支柱４の間隔は、生体分子の分離にとって最も重要な要素である。なお、以下では、便宜上、支柱間の間隙の最も狭い部分を「支柱ギャップ」と呼び、支柱ギャップの大きさないし距離を「ギャップ距離」と呼ぶ。ギャップ距離は、分離されるべき生体分子が通り抜けるのに十分な大きさでなければならない。かつ、ギャップ距離は、生体分子の通過に対する障害物として機能し、さらに分子の大きさ、例えば分子の慣性半径で定義されるパラメータに依存して、生体分子の通過速度に影響を及ぼすことができるものでなければならない。本発明にかかる分離マトリックス５におけるＤＮＡ等の生体分子の大きさ（分子量）に基づく分離原理は、アガロースゲルやポリアクリルアミドゲルにおけるそれと同様である。したがって、本発明にかかる電気泳動セル１は、電気泳動におけるゲルの網目の役割を、複数の支柱４からなる分離マトリックス５に代替させるものであるといえる。
一般に、緩衝液中のＤＮＡは、ランダムコイル状態の線状ポリマであり、これらの変位長さは平均二乗末端間距離として表わすことができる。例えば、高分子溶液論で著名なポール  Ｊ．フローリ（Ｐａｕｌ  Ｊ．Ｆｌｏｒｙ）によれば、ＤＮＡの変位長さＲは、次の式１で定義される。
Ｒ＝０．３×（塩基数）１／２［ｎｍ］……………………………式１
式１によれば、ＤＮＡの大きさ（変位長さ又は慣性半径）は、塩基数の１／２乗に比例して増加する。電気泳動におけるアガロースゲルやポリアクリルアミドゲルの網目の役割は、通過するＤＮＡに対して障害物となることである。したがって、ＤＮＡの大きさと分離マトリックス５のギャップ距離とが同程度のオーダになれば、支柱ギャップを通過するＤＮＡの分子鎖の運動がギャップ距離による影響を受け、支柱ギャップがエントロピ障壁の役割を果たすものと考えられる。すなわち、ＤＮＡが、その大きさよりも狭い支柱ギャップを通り抜けるときは、ＤＮＡが熱力学的にエントロピが低い状態（変形した形）のコンフォメーションをとらざるを得ない。これが、ＤＮＡの分子量に依存して、ＤＮＡの電気泳動速度に差異が生じる原理である。
（支柱ギャップ）
以下、支柱ギャップないしギャップ距離についてさらに詳しく説明する。前記の原理から推察されるように、ギャップ距離がＤＮＡの大きさと同程度であれば、ＤＮＡの移動に対して支柱ギャップが障害物となり、ＤＮＡの分子量に依存した分離を達成することができる。通常、電気泳動によるオリゴヌクレオチドの分離やＤＮＡの１０〜１０００塩基の配列決定に用いられる、アガロースやポリアクリルアミドのゲルの網目の大きさは１０〜１００ｎｍである（例えば、２０００年に刊行された「蛋白質・核酸・酵素誌」、第４５巻、第１号、第７６〜８４頁に記載された馬場嘉信氏による報文参照）。したがって、１０００塩基以下のＤＮＡ断片を分離する場合は、ギャップ距離は１００ｎｍ以下であることが必須であるといえる（例えば、特表平１１−５０８０４２号公報参照）。
他方、本発明にかかる分離マトリックス５では、最適なギャップ距離は０．１〜５μｍとされる。以下、この理由を説明する。表１は、塩基数が異なる３つのＤＮＡについて、ギャップ距離とＤＮＡの移動性との関連を調べた結果を示している。表１によれば、Ｔ４ＤＮＡ（１６６ｋｂｐ）及びλＤＮＡ（４８．５ｋｂｐ）は、ギャップ距離が０．１μｍ以下の場合、支柱ギャップを通過しにくいことがわかる。これは、ＤＮＡに水和した水分子の影響により、ＤＮＡの慣性半径が、実際のＤＮＡの大きさよりも大きくなっているためであると考えられる。
2004008132.tif 000003
すなわち、アガロースゲルなどの網目の物理的な大きさは１０〜１００ｎｍである。しかし、実際には、糖鎖分子やポリアクリルアミド分子鎖の影響、あるいはＤＮＡに水和した水分子の影響が加わっている。アガロースやポリアクリルアミドの場合、これらの水分子は、ＤＮＡや、分離マトリックスである網目と相互作用を及ぼし合い、これによりＤＮＡの分離が円滑に行われる。これらの分子鎖は弾力性があるため、ＤＮＡなどの水和水の効果を利用し、あるいは水分子の影響をうまく吸収しているものと推察される。これらの水和水の分子レベルでの大きさは、現時点では殆どわかっていないが、１００ｎｍレベルの隙間では、水和水の影響でＤＮＡが浸入しにくいものと考えられる。逆浸透圧法や高圧液体クロマトグラフィなどにより、人工的に隙間に物理的な力（圧力など）を加えれば、水の透過は可能である。しかし、この場合、分離すべきＤＮＡ等の生体分子が破壊されるおそれがある。
他方、本発明にかかる分離マトリックス５では、ギャップ距離の上限値は５μｍとされる。以下、この理由を説明する。表２は、Ｔ４ＤＮＡとλＤＮＡとについて、ギャップ距離とＤＮＡの移動速度との関連性を調べた結果を示している。表２によれば、ギャップ距離が５μｍを超えると、移動速度差が確実には得られないことがわかる。そこで、ギャップ距離の上限値は５μｍとされる。
2004008132.tif 000004
（支柱の配置密度）
以下、支柱４の配置密度を説明する。分離マトリックス５における支柱４の配置密度は、基本的には任意に設定することができる。ただし、本発明にかかる分離マトリックス５は、ＤＮＡの通過速度が支柱ギャップによって影響されるといった原理に基づいているので、ＤＮＡの分離能は、ＤＮＡが通過する支柱ギャップの数に比例して向上する。本願発明者による実験によれば、５０〜１００Ｖ／ｃｍの条件での５０〜２００ｋｂｐ（キロ塩基対）のＤＮＡの電気泳動による移動速度は、平均５０μｍ／秒であった。そして、１秒間に通過する支柱４（直径１５μｍの円柱）は約３個であり、支柱ギャップの数は６個であった。このとき、１０００塩基対あたり約０．１μｍの移動距離の差（塩基対が短いほど速く移動する）が観察された。溝３中の分離マトリックス５の長さを５ｍｍとすれば、このＤＮＡは約１００秒で分離マトリックス５を通過し、５ｍｍ先の検出ポイントで、１０００塩基対あたり約１０μｍの移動距離の差をもたらすことになる。検出系の光学分解能を５μｍとすれば、この移動距離の差は、十分検出可能である。
この場合、ＤＮＡは、その移動距離１ｍｍあたり６０個の支柱４と約１２０個の支柱ギャップとを通過する。電界の向きと垂直な支柱ギャップにはＤＮＡが泳動しないものと仮定すれば、支柱ギャップの数は支柱４の数のほぼ２倍となる。したがって、支柱４の配置密度は約４０００個／ｍｍ２となり、支柱ギャップの配置密度は約１４０００個／ｍｍ２となる。このＤＮＡよりも短いＤＮＡは、より早く泳動するので、支柱４の配置密度又は支柱ギャップの配置密度は、それぞれ、４０００個／ｍｍ２又は１４０００個／ｍｍ２よりも高くなければならない。表３に、上記実験を、Ｔ４ＤＮＡとλＤＮＡを用いて、さらに種々の支柱４の配置密度で繰り返し行い、支柱４の配置密度とＤＮＡの移動速度差との関連性を求めた結果を示す。表３によれば、分離マトリックス５の支柱４の配置密度は、１０００個／ｍｍ２以上であることが必要であることがわかる。
2004008132.tif 000005
（基板及び分離マトリックスの材質）
以下、基板２及び分離マトリックス５の材料について説明する。基板２及び分離マトリックス５の材料は、安価でありかつ量産しやすい高分子材料であれば、とくには制約はない。ただし、これらの材料は、光学的な検出が容易であることから、透明であるのが望ましい。したがって、やわらかい材料としては例えばエラストマを用いることができ、硬い材料としては例えばプラスチックを用いることができる。エラストマである最も一般的な透明素材としては、シリコンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、フッ素系ゴム、スチレン系透明ゴムなどの透明合成ゴムと、これらのブレンドゴムとがあげられる。また、性能としては、次の条件を満たせばよい。
密度：〜１ｇ／ｍｌ
給水率：０．１％以下
全光線透過率：８５％以上
成形収縮率：１％以下
曲げ弾性率：３００Ｍｐａ以上
硬化手法はどのようなものでもよいが、成形性の観点から、化学開始剤や架橋剤により硬化を開始させる手法、あるいは熱硬化や光などのエネルギー線で硬化させる手法が好ましい。
他方、プラスチック材料は、励起光や蛍光を透過させるものであるのが好ましい。このような材料としては、例えば、ポリスチレン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、塩素含有ポリマ、ポリエーテル系樹脂、ポリエステル系樹脂などをあげることができる。これらの樹脂は、単独、共重合、ブレンド、プレポリマのいずれの形態でもよい。成形の点では熱可塑性樹脂が好ましいが、熱硬化性又はエネルギ線硬化性の架橋重合体でもよい。また、基板２と溝３と分離マトリックス５とは同時に同一材料で成形するのが望ましい。ただし、接着が十分であれば、別々の材料を張り合わせたり、はめ込んでもよい。この場合、基板２の材料としては、例えば、セラミックス、ガラス、シリコン、ポリマーアロイなどを用いることができる。
（カバーの材料）
以下、カバー６の材料について説明する。カバー６の材料は、励起光及び蛍光を十分に透過させることができ、カバー６の下面が基板２、溝３及び分離マトリックス５（支柱４）の上面と十分に密着して液漏れを生じさせず、かつＤＮＡ等の生体分子を吸着しないものであれば、とくには制約されない。例えば、ガラス、プラスチック、エラストマなどを用いることができる。カバー６の表面は親水性であるのが好ましいが、疎水性であってもよい。カバー６の厚さは、任意に設定することができる。ただし、高倍率の検出系の光学焦点を考慮すれば、カバー６の厚さは２ｍｍ以下であるのが好ましい。
（材料の表面処理）
以下、基板２、分離マトリックス５及びカバー６の材料の表面処理について説明する。基板２の表面は、疎水性であり、水との接触角度が４５度以上であるのが望ましい。他方、溝３の表面、分離マトリックス５（支柱４）の表面、及びカバー６の溝３を覆う部分の表面は、緩衝液が接触するのが容易となり、かつ毛細管現象で緩衝液が支柱４の隙間を自発的に満たすのが容易となるよう、親水性であるのが好ましい。したがって、これらの表面に親水化処理を施すのが好ましい。親水化はどのような方法で行ってもよい。具体的には、例えば、プラズマ処理、プラズマ重合、コロナ放電、コーティングポリマ等の親水性化学物質のコーティング、物理的な微細構造による親水化処理などを用いることができる。
コーティングポリマとしては、例えばポリヒドロキシメチルメタクリレート、ポリアクリルアミド、セルロース系ポリマなどがあげられる。ここで、注意すべきことは、これらのコーティングポリマが電気泳動中に溶け出さないように架橋処理をする必要があるということである。また、電気浸透流や電気泳動をイオン性物質の種類や濃度で制御することが可能であるので、緩衝液にイオン性物質などを加えることにより、同様の効果を奏することができる。
溝３の表面、分離マトリックス５（支柱４）の表面、及びカバー６の溝３を覆う部分の表面は、基板２の表面と同様に疎水性であっても、電気泳動セル１を使用することは可能である。一般に、代表的なエラストマやプラスチックは、表面処理をしなければ疎水性である。これらをそのまま使えば、毛細管現象で緩衝液を、溝３内あるいは分離マトリックス５内（支柱４の隙間）に満たすことはできない。したがって、この場合、緩衝液の中に電気泳動セル１を浸漬して脱気処理を行う必要がある。しかし、一旦、このようにして溝３内あるいは分離マトリックス５内に緩衝液を満たせば、この後本発明の効果を十分に発揮することができる。なお、電気泳動セル１が全体として疎水性であれば、例えばエラストマとプラスチックとを用いる場合、これらの密着性が高まる。さらに、生体分子の非特異的吸着が減少し、電気泳動セル１が汚れにくくなるといった効果も得られる。
（電気泳動セルの製造方法）
以下、電気泳動セル１の具体的な製造方法を説明する。電気泳動セル１は、およそ次のような手順で製造される。電気泳動セル１の材料はいずれも高分子材料であるが、これらの高分子材料は成形により加工される。高分子材料の成形方法としては、圧縮成形法、射出成形法、押出し成形法、吹込み成形法、鋳造成形法、うす物成形法などが知られているが、ナノメータ〜サブミクロンのレベルの微細構造を成形することができれば、どのような方法を用いてもよい。この実施の形態では、次の２つの方法が用いられる。すなわち、１つは、微細加工したシリコン（Ｓｉ）を鋳型として、エラストマをキャスティングして微細構造を転写するといった方法である。もう１つは、微細加工したシリコンの成形型に、ガラス転移温度以上に加熱した熱可塑性ポリマを押し付けて微細構造を転写するといった方法である。
鋳型の材料としては、例えば、ガラス、シリコン、セラミック、金属、プラスチックなどが考えられるが、ナノメータ〜サブミクロンのレベルのネガパターンを微細加工することができれば、どのようなものでもよい。鋳型を製作する方法としては、マスクを作製してドライエッチングで加工するといった方法や、レジストをそのままリソグラフィにより微細加工するといった方法を用いることができる。ただ、この実施の形態では、剥離性を向上させるため、シリコンのエッチング技術を用いている。この方法は、ネガパターンの微細構造表面を滑らかにすることができ、これにより剥離性や微細構造の転写能をより高めることができる。
（鋳型の製作）
以下、図７Ａ〜図７Ｇを参照しつつ、鋳型を製作する方法と、該鋳型を用いて、分離マトリックス５を含む溝３を備えた基板２（以下、「デバイス」という。）を製作する方法とを、より具体的に説明する。
まず、図７Ａに示すように、シリコンウエハ１１を準備する。続いて、図７Ｂに示すように、シリコンウエハ１１の上面に感光性有機膜１２を塗布する。次に、図７Ｃに示すように、感光性有機膜１２を伴ったシリコンウエハ１１の上に、光を通す領域１４ａと光を通さない領域１４ｂとが所定のパターンで形成されたマスク１４を配置する。そして、マスク１４を介して感光性有機膜１２の所定の領域に光１３を照射し、現像液を用いて現像する。例えば感光性有機膜１２として、感光した部分が溶解するいわゆるポジ型感光性有機膜を用いた場合は、光を通す領域１４ａに対応する部位では感光性有機膜１２が除去され、穴部１５が形成される。
次に、図７Ｄに示すように、シリコンウエハ１１にエッチングを施す。エッチング手法としては、既存技術である誘導電磁結合プラズマ反応性プラズマエッチングを用いる。反応ガスとしては、フロロカーボンを主体としたガスを用いる。このエッチングにより、感光性有機膜１２に形成された穴部１５に対応する部位、すなわち感光性有機膜１２で覆われていない部位ではシリコンウエハ１１がエッチングされ、凹部１６が形成される。この後、感光性有機膜１２をアセトンなどの有機溶媒を用いて溶解させる。これにより、図７Ｅに示すように、シリコンからなる鋳型１７が得られる。
そして、この鋳型１７を用いてデバイスを製作する。具体的には、まず、図７Ｆに示すように、シリコンからなる鋳型１７に、シリコーンラバー溶融液１８を塗布する。なお、鋳型１７の表面には、予めシランカップリング剤を塗布するなどして、疎水性を保つ処理を施しておく。この疎水性を保つ処理により、後記の剥離工程における、シリコーンラバーと鋳型１７との離型性を向上させることができる。
シリコーンラバー溶解液１８を室温で固化させた後、固化物を鋳型１７から剥離する。これにより、シリコーンラバーからなるデバイス（シリコーンラバー構造体）、すなわち分離マトリックス５を含む溝３を備えた基板２が得られる。さらに、図７Ｇに示すように、デバイスに、所定の位置に試料注入口（貫通穴）を備えたカバー６を配置する。なお、カバー６としては、ガラス基板やプラスチック基板を用いることができる。そして、カバー６をデバイスに圧着することにより、カバー６とシリコーンラバーからなるデバイスとが密着した電気泳動セル１が完成する。シリコーンラバーは粘着性を有するので、カバー６をデバイスに圧着するだけで、ガラス基板やプラスチック基板からなるカバー６とデバイスとをシールすることができ、液漏れの問題は生じない。
このように、非常に簡便な手法で、鋳型１７ないし電気泳動セル１を製造することができる。また、シリコンからなる鋳型１７は、繰り返して使用することができるので、電気泳動セル１の生産性や生産コストを改善することができる。
上記デバイス、すなわち分離マトリックス５を含む溝３を備えた基板２は、上記の製造方法と異なる手法で製造してもよい。例えば、シリコンからなるプレス型に熱をかけながら、プラスチック板をプレス型に押し付けて加圧成形すれば、プラスチックからなるデバイスを得ることができる。この後、デバイスにカバー６を取り付ければ、電気泳動セル１が完成する。このようにプラスチックを用いたデバイスないし電気泳動セル１では、シリコーンラバーを用いた場合に比べてその強度が改善される。
また、シリコンからなる鋳型１７に代えて、厚膜の感光性有機膜からなる鋳型を用いてもよい。この場合、例えば厚膜の感光性有機膜を光照射によりパターニングし、パターニングされた感光性有機膜をそのまま鋳型として用いればよい。この手法によれば、図７Ｄに示すシリコンウエハ１１のエッチング工程を省くことができるので、生産性をさらに向上させることができる。
（ＰＤＭＳチップの製造方法）
以下、代表的なシリコーンラバーであるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）をデバイスの材料として用いて、実際に電気泳動セル１を製造した過程ないし結果を説明する。この製造方法では、シリコンウエハからなるネガパターンの鋳型は、微細加工技術により形成された。この鋳型は、分離マトリックスを含む溝に対応する型面を有している。この鋳型を、直径９０ｃｍのプラスチックシャーレ内に配置し、その上部からＰＤＭＳを注入した。ＰＤＭＳは、東レ・ダウコーニング社から購入したもの（商標名「ＳＹＬＧＡＲＤ」）を用いた。
シリコンウエハ（シリコン基板）には、あらかじめシランカップリング剤で表面処理を行った。シリコンウエハの表面に、アセトニトリルに４％のジメチルジクロロシランを溶解させた溶液を塗布した後、該シリコンウエハに、１００℃で３０分間、乾燥処理を施した。１００ｍｌのビーカに約４０ｍｌのＰＤＭＳを入れ、さらに４ｍｌのキャタリストを加えてよく混合した後、このビーカをデシケータに入れて、３０分間、真空ポンプで脱気した。
この後、シリコンウエハが入ったプラスチックシャーレに、２０ｍｌの脱気したＰＤＭＳを入れ、このプラスチックシャーレをデシケータに入れて、３０分間、真空ポンプで脱気した。分離マトリックスを含む溝から気泡を十分に追い出した後、デシケータに空気を入れて、プラスチックシャーレを取り出した。そして、脱気済みのＰＤＭＳを、シリコンウエハの上に、約５〜７ｍｍの厚さで積層（重層）した。ＰＤＭＳが積層されたプラスチックシャーレを、４０度の恒温ボックスに入れてＰＤＭＳを重合させた。４８時間以上経過した後、プラスチックシャーレを取り出した。そして、必要とする分離マトリックスの部分の周りに、カッターで切り込みを入れ、重合したＰＤＭＳを、シリコンウエハからなる鋳型からゆっくり剥離して、ＰＤＭＳチップを得た。
ＰＤＭＳチップ（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）に、カバーとして同一寸法（幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）のポリスチレン板をかぶせた。密着性が悪い場合は、ＰＤＭＳチップの溝側表面に、酸素プラズマ処理（酸素圧力１．０ｋＰａ、励起電力１００ｗ、処理時間５分）や紫外線処理（２０ｗ紫外線ランプ、処理時間２０分、距離１０ｃｍ）を施して、密着性を高めればよい。カバーには、直径１ｍｍの試料注入口（穴）を、溝に沿って２つ形成した。そして、白金線（直径０．２ｍｍ）からなる電極を、先端近傍部が試料注入口を通って溝内の緩衝液に直接触れるように配線した（図１参照）。なお、白金蒸着により電極を形成した場合も、白金線を用いた場合と同様の効果を奏するのはもちろんである。
ＤＮＡの電気泳動用の緩衝液としては、ＴＢＥ緩衝液（８９ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ｂｏｒａｔｅ、２ｍＭ  ＥＤＴＡ）を用いた。ＰＤＭＳチップに酸素プラズマ処理を施した場合、ＰＤＭＳチップ表面は親水性となるので、緩衝液は分離マトリックスの支柱の間隙に、毛管現象により侵入する。このような親水化処理を行わない場合は、一方の試料注入口から溝内に緩衝液を供給しつつ、他方の試料注入口を注射器で吸引し、緩衝液を分離マトリックスに充填すればよい。あるいは、緩衝液の中にＰＤＭＳチップを浸漬し、真空デシケータの中で減圧して、緩衝液を分離マトリックスに充填すればよい。後者の場合、カバーは脱気後にＰＤＭＳチップに慎重にかぶせる必要がある。
（電気泳動の実施）
以下、本発明にかかる電気泳動セルを用いて実際に電気泳動を行った過程及び結果を説明する。生体分子試料としてＤＮＡ試料を用いた。ＤＮＡ試料としては、λＤＮＡと、Ｔ４ファージＤＮＡと、λＤＮＡを制限酵素Ｘｂｏ−Ｉで約半分に切断した１／２λＤＮＡとを用いた。これらのＤＮＡの塩基数は、それぞれ、４８５００、１６６０００、２４０００であった。これらのＤＮＡをＴＢＥ緩衝液１μｌあたり０．０５μｇ含み、かつ蛍光染色試料としてＹＯＰＲＯ−Ｉ（モレキュラープローブ社製）、サイバーグリーン（宝酒造社製）又はサイバーゴールド（宝酒造社製）を１μＭ含むＤＮＡ混合液を試料として用いた。この試料を、１回の電気泳動あたり１μＬ使用した。そして、カバーに形成された２つの試料注入口のいずれか一方に試料を注入して電気泳動を行った。電気泳動用の電源は、０〜１０００Ｖ、１Ａ定格のＡＴＴＯクロスパワー１０００を用いた。この電源で、白金線からなる電極の両端に５０〜１００Ｖ／ｃｍの電圧を印加した。電流は１０ｍＡ以下であった。ＤＮＡは、ＴＢＥ緩衝液中で負に帯電しているので、正極である電極に向かって泳動する。溝の長さが１ｃｍの場合、電気泳動時間を２〜５分間とした。
（電気泳動の観察）
以下、電気泳動の観察手法の一例を説明する。図８は、ＤＮＡの電気泳動を観察し、又は記録するための電気泳動評価装置の概略構成を示している。
図８に示すように、この電気泳動評価装置は、蛍光顕微鏡２０を備えている。この蛍光顕微鏡２０には、サンプル２１（電気泳動セル）を載せるサンプル台２２と、励起側フィルタ（図示せず）を備えた光源２３と、ダイクロイックミラー２４と、ＤＮＡを観察するための観察窓２５と、光路を切り替える切り替えミラー２６と、光を電気信号に変換する光電子増倍管２７と、ビデオカメラ２８（高感度ＣＣＤカメラ）とが設けられている。また、この電気泳動評価装置は、画像を記録するＶＴＲ２９（ビデオ・テープ・レコーダ）と、パーソナルコンピュータ３０と、ディスプレイ３１とを備えている。
蛍光顕微鏡２０においては、光源２３から放射され、励起側フィルタにより波長が４２０〜４９０ｎｍに調整された光Ｌ１は、ダイクロイックミラー２４によって反射された後、サンプル２１に照射される。その結果、サンプル内のＤＮＡは蛍光を放射する。この蛍光は、吸収フィルタ（図示せず）によって波長が５２０ｎｍの光Ｌ２に調整される。この光Ｌ２は、ダイクロイックミラー２４によって、観察窓２５に向かう光Ｌ３と、光電子増倍管２７又はビデオカメラ２８に向かう光Ｌ４とに分割される。
かくして、観察窓２５を覗くことにより、蛍光を発しているＤＮＡ分子が、電気泳動により分離マトリックス内（支柱の隙間）を通過する様子を観察することができる。光Ｌ４は、切り替えミラー２６で光路を切り替えることにより、光電子増倍管２７又はビデオカメラ２８に入力される。光電子増倍管２７は、この光Ｌ４を電気信号に変換して、外部機器に出力する。高感度ＣＣＤカメラであるビデオカメラ２８は、ＤＮＡ分子が電気泳動により分離マトリックス内を通過する様子を撮影し、得られた画像をＶＴＲ２９に送る。ＶＴＲ２９はこの画像を記録する。ＶＴＲ２９に記録されている画像は、パーソナルコンピュータ３０を用いて解析することができ、またディスプレイ３１に表示することができる。
（塩基数と移動速度との関係）
以下、ＤＮＡの塩基数と、電気泳動によるＤＮＡの移動速度（電気泳動速度）との関係を説明する。
図９は、次の条件における、ＤＮＡの塩基数とＤＮＡの移動速度との関係を示している。
溝の幅：２００μｍ
溝の深さ：１０μｍ
分離マトリックスの長さ：１０ｍｍ
支柱の形状：円柱、
支柱の直径：１５μｍ
支柱の隙間：約１μｍ
支柱の配置密度：４０００個／ｍｍ２
電圧：５０Ｖ／ｃｍ
緩衝液：ＴＢＥ緩衝液
ＤＮＡ濃度：５０ｎｇ／μｌ
染色剤：サイバーグリーン１ｍＭ
図９から明らかなとおり、電気泳動によるＤＮＡの移動速度は、ＤＮＡの塩基数に依存して顕著に変化している。したがって、人工的な支柱と隙間とからなる本発明にかかる分離マトリックスは、アガロースゲルやポリアクリルアミドゲルの網目と同様の効果を奏し、これらのゲルに代替することができることが分かる。
（ＤＮＡの移動モデル）
図１０は、円柱形の支柱４と、支柱４の隙間を通り抜けるＤＮＡの運動モデルとを示している。図１０に示すように、障害物である支柱４の隙間が、この隙間を通過するＤＮＡの運動に対して、エントロピ障壁の役割を果たしていると考えられる。すなわち、球状のＤＮＡ分子は、支柱４の間隙を通過する際、一時的に、熱力学的に低エントロピのコンフォメーションをとり、変形して間隙を通り抜ける。これが、電気泳動によるＤＮＡの移動速度に影響していると考えられる。
（本発明にかかる電気泳動セルの応用例）
以上、本発明にかかる基本的な電気泳動セルについて、その形状、材質、製造方法、ＤＮＡの分離の原理、ＤＮＡの運動モデル等を詳細に説明したが、以下では、このような基本的な電気泳動セルを応用したＤＮＡ分取装置（生体試料分取装置）を説明する。
（ＤＮＡ分取装置１：応用例１）
図１１は、本発明にかかる電気泳動セルを応用した１つのＤＮＡ分取装置を示している。図１１に示すように、このＤＮＡ分取装置では、分離マトリックス５が、支柱の配置密度ないし支柱の間隙（ピラー間隙）が異なる５つのピラーエリアＡ〜Ｅに区分されている。ここで、ピラーエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは、この順に、支柱の配置密度が大きくなっている（支柱の間隙が小さくなる）。そして、このＤＮＡ分取装置は、陰極を伴った１つの試料注入口３３と、それぞれピラーエリアＡ〜Ｅに設けられ陽極を伴った５つの試料回収口３４ａ〜３４ｅとを備えている。
かくして、このＤＮＡ分取装置では、例えば、分子量の異なるＤＮＡを含むサンプルを試料注入口３３に供給すれば、分子量が大きいＤＮＡは、支柱の配置密度が大きいピラーエリア（ピラーエリアＥ側）を通過しにくいので、支柱の配置密度が小さいピラーエリア（ピラーエリアＡ側）に多く集まり、このピラーエリアの試料回収口から回収される。したがって、ピラーエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに存在するＤＮＡ、ないし試料回収口３４ａ〜３４ｅで回収されるＤＮＡは、後者ほど分子量が小さくなる。よって、サンプル中のＤＮＡを、分子量に応じて５種類に分取（分画）することができる。
（ＤＮＡ分取装置２：応用例２）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明にかかる電気泳動セルを応用したもう１つのＤＮＡ分取装置を示している。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、このＤＮＡ分取装置では、分離マトリックス５は、平面視で、縦方向（Ｘ１−Ｘ２方向）及び横方向（Ｙ１−Ｙ２方向）について２次元的に互いに離間して配置された多数の角柱状の支柱４で構成されている。また、このＤＮＡ分取装置は、陰極を伴った１つの試料注入口３５と、それぞれ陽極を伴った６つの試料回収口３６ａ〜３６ｆとを備えている。
この分離マトリックス５では、ある支柱４と、Ｘ２側でこの支柱４とＸ１−Ｘ２方向に隣り合うの２つの支柱４との間に形成されＹ１−Ｙ２方向に伸びる間隙において、Ｙ１側に位置する間隙３８は広く、Ｙ２側に位置する間隙３９は狭くなっている。他方、Ｙ１−Ｙ２方向に隣り合う支柱４間でＸ１−Ｘ２方向に伸びる間隙４０は、すべて広くなっている。なお、Ｘ１−Ｘ２方向に伸びる間隙４０のＸ２側の端部と、Ｙ１−Ｙ２方向に伸びる両間隙３８、３９との接続部には、略矩形の空間部４１が形成されている。
かくして、このＤＮＡ分取装置では、例えば、分子量の異なるＤＮＡを含むサンプルを試料注入口３５に供給すれば、分子量が大きいＤＮＡは、狭い間隙３９を通過することができないので、例えばＲ１で示すように、Ｙ１−Ｙ２方向（横方向）に関しては、Ｙ１方向には移動せず、Ｙ２方向にのみ移動してゆく。これに対して、分子量が小さいＤＮＡは、Ｙ１方向及びＹ２方向のどちらへでも移動することができる。しかし、前記のとおり、分子量が大きいＤＮＡがほとんどＹ２方向に移動するので、その影響により、分子量は小さいＤＮＡは、例えばＲ２で示すように、Ｙ１方向に移動する傾向が強くなる。したがって、分離マトリックス５内において、試料回収口３６ａ〜３６ｆで回収されるＤＮＡは、後者ほど分子量が小さくなる。よって、サンプル中のＤＮＡを、分子量に応じて６種類に分取（分画）することができる。
（医療診断への応用）
本発明にかかる電気泳動セルないしＤＮＡ分取装置（生体試料分取装置）は、医療診断あるいは遺伝子多型検出に応用することができる。例えば、ヒトの遺伝子には、個体ごとに塩基配列にわずかな違い（遺伝子多型）が存在する。そして、その違いは、遺伝子制御領域やイントロン領域、あるいは蛋白質などをコードしている領域にあるといわれている。遺伝子制御領域やイントロン領域の違いは、遺伝子の発現量が個体によって異なることを示している。また、蛋白質などをコードしている領域は、酵素の活性が個体によって異なることを示している。個体差は遺伝子多型の組合せで決まるともいわれている。例えば、薬の代謝には個体差があり、これが薬の薬効や副作用に深く関連している。すなわち、これらの薬効や副作用には、個体が持つ薬代謝遺伝子群の遺伝子多型が大きく影響している。
遺伝子多型には種々のものがあるが、現在、最も数が多く、大量解析が容易であるといわれているのは、１塩基多型（ＳＮＰｓ：ｓｉｎｇｌｅ  ｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ  ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍｓ）である。ＳＮＰｓは個体間で１遺伝子暗号（１塩基）が他の塩基に置き換わっている部分で、ヒトのゲノムの中には３００〜１０００万個あると予想されている。そのため、薬代謝遺伝子群の遺伝子多型情報は、医薬品の開発、薬物の有効利用、副作用防止等に役立つであろうと期待されている。
ＳＮＰｓ解析手法としては、現在，制限酵素法、ＳＳＣＰ（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄ  ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍｓ）解析法、直接シーケンシング法、電気化学検出法などが知られている。この中で電気泳動により分析を行うものは、制限酵素法、ＳＳＣＰ解析法、直接シーケンシング法である。これらの迅速な分離や検出に、本発明にかかる分離マトリックスを利用した電気泳動セルを応用することができる。本発明にかかる電気泳動セルを用いることにより、少量のサンプルで迅速にＳＮＰｓを検出することができる。この中でも、ＳＳＣＰ法は、ＰＣＲ技術を利用して増幅し、立体構造の変化を電気泳動で検出するので、本発明に好適である。
本明細書では、ＤＮＡや生体分子をターゲットにしているが、ターゲットは生体分子に限られるわけではない。環境化学物質や高分子化合物の分離や検出にも応用することができる。さらに、最近話題にのぼっている化学マイクロデバイスやＬａｂ  ｏｎ  ａｃｈｉｐなどのマイクロ流路における分離や検出にも、この分離マトリックス及びその製造方法が役立つものと予想される。
以上、本発明は、その特定の実施の形態に関連して説明されてきたが、このほか多数の変形例及び修正例が可能であるということは当業者にとっては自明なことであろう。それゆえ、本発明は、このような実施の形態によって限定されるものではなく、添付の請求の範囲によって限定されるべきものである。
【産業上の利用の可能性】
以上のように、本発明にかかる電気泳動セル等の生体分子分離セル及びその製造方法、並びに、ＤＮＡ分取装置ないし生体試料分取装置は、とくにＤＮＡ等の生体分子の検出又は分取に有用であり、医療検査装置ないし診断装置として用いるのに適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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