(57)【要約】交流機を介して電源に接続し同時には２つの回路の一方だけが電力を受ける、２つの同一のクランピング回路により形成されるパルス電界ゲル電気泳動（ＰＦＧＥ）のＣＨＥＦ装置室の電極内の電圧をクランプする回路。各クランピング回路は直列に接続して電圧分割器を形成する複数の抵抗器とダイオードとで形成する。２個の抵抗器の結合部に形成されるノードに電圧リピータを接続する。各電圧リピータは同じ電位の極性が与えられる１対の電極に接続する。電極に与えられる電圧パターンの小さな誤差を訂正するためにダイオードを用いる。この回路は、電気泳動中に室内で導電率が変化しても各電極の電位を保持する。これにより、各印加回路はＣＨＥＦ装置のＰＦＧＥ室内に同じ値で方向が異なる均一電界を生成する。この回路は種々の数と配置と間隔の電極を持つ室に極性を与えることができる。
2004529368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源を必要とするパルス電界ゲル電気泳動のＣＨＥＦ装置室の電極内の電圧をクランプする回路であって、別の回路は２つの正出力と２つの負出力とを持つ電界切替え回路または交流機であり、電気泳動室は緩衝液で満たされまた外形の閉じた正多角形のｍ個の辺上に辺当たりｋ個の電極を置いた電極配列を持ち、回路は前記交流機に接続する２つの同一の回路で形成され、同時には１つのクランピング回路だけが電気エネルギを受けることができる、電圧をクランプする回路。
【請求項２】
前記交流機の負出力の１つをダイオードを介してＬ1辺上の前記ｋ個の電極全てに接続し、前記交流機の負出力に対応する正出力をダイオードを介してＬ(m/2)+1辺上の前記ｋ個の電極全てに接続し、またｎがｋ（ｍ−２）／２に等しいとき、前記交流機の正出力と負出力との間にｎ＋１個の抵抗器Ｒiと可変数のダイオードで形成する電圧分割器の両端を接続する、第１のクランピング回路を有する、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項３】
前記正多角形のＬ1辺上の各電極はダイオードのアノードに接続し、これらのダイオードのカソード同士は結合されて第２のダイオードのアノードに接続し、この第２のダイオードのカソードは前記交流機の負出力に接続する、請求項１および２記載の電圧をクランプする回路。
【請求項４】
前記正多角形のＬ(m/2)+1辺上の各電極はダイオードのカソードに接続し、これらのダイオードのアノード同士は結合されて第２のダイオードのカソードに接続し、この第２のダイオードのアノードは前記交流機の正出力に接続する、請求項１および２記載の電圧をクランプする回路。
【請求項５】
ｉが１とｎ／２の間の自然数であるとき、前記電圧分割器のＲi抵抗器とＲi+1抵抗器の間に形成される各ＮiノードはＰＮＰ型またはＮＰＮ型トランジスタを有する電圧リピータの入力に接続し、各電圧リピータの出力はＰi個の電極対の１つに接続する、請求項１および２記載の電圧をクランプする回路。
【請求項６】
ｉが１とｎ／２との間の自然数であるとき、ＰＮＰ型トランジスタを含む前記電圧リピータの入力はＮi個のノードに接続し、その出力はＰi個の電極対に接続する、請求項１、２、５記載の電圧をクランプする回路。
【請求項７】
ｉが１とｎ／２との間の自然数であるとき、前記ＰＮＰ型トランジスタはエミッタ・フォロアとして形成され、そのベースは前記電極分割器のＮiノードに接続し、そのコレクタは前記交流機の負出力に接続し、そのエミッタは２個のダイオードのカソードに接続し、前記２個のダイオードの各アノードはＰi電極対の電極に接続する、請求項１、２、５、６記載の電圧をクランプする回路。
【請求項８】
ｉが［（ｎ／２）＋１］とｎとの間の自然数であるとき、ＮＰＮトランジスタを含む前記電極リピータの入力は前記Ｎiノードに接続し、その出力は前記Ｐi電極対に接続する、請求項１、２、５記載の電圧をクランプする回路。
【請求項９】
ｉが［（ｎ／２）＋１］とｎとの間の自然数であるとき、前記ＮＰＮ型トランジスタはエミッタ・フォロアとして形成され、そのベースは前記電極分割器のＮiノードに接続し、そのコレクタは前記交流機の正出力に接続し、そのエミッタは２個のダイオードのアノードに接続し、前記２個のダイオードの各カソードはＰi電極対の電極に接続する、請求項１、２、５、８記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１０】
最大１０個のダイオードを前記電圧分割器のＲi個の抵抗器のそれぞれに直列に接続することができる、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１１】
ｍが４と５０との間の偶数の自然数、ｋが１と１０との間の自然数であるとき、外形の閉じた正多角形のｍ個の辺上に辺当たりｋ個の電極を置いた電極配列を持つ電気泳動室を必要とする、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１２】
第２の印加回路は前記電圧リピータのダイオードを介して第１の印加回路に接続する、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気泳動に用いられる電気設備に関するものであって、特に、与える方向が交番する均一電界を生成するための外形クランプ電位の生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気泳動
電気泳動は電界内の差動移行により分子を分離する技術である。分子をゲル内に置き、電界を与えて強制的に移行させると分離することができる。負に帯電した分子は陽極に向かって移行し、正に帯電した分子は陰極に向かって移行する。これにより、分子は大きさに従ってゲル内で帯状に分離する。電界を生成するには、普通、直流電源に接続した２枚の並列電極を設ける。
【０００３】
ＤＮＡ分子は中性またはアルカリ性の緩衝剤に溶解させると負に帯電する。電界を与えるとＤＮＡ分子は細長くなり、その電荷／質量比は分子の大きさに無関係になる。かかる理由から、またＤＮＡ分子は蛇に似た動きでゲルの細孔を通って移行する（すなわち、爬行する）ので、２００００塩基対より大きな分子は、分子ふるいにかけても、一定電界で電気泳動により分離することはできないとされている。
【０００４】
パルス電界ゲル電気泳動
パルス電界ゲル電気泳動（ＰＦＧＥ）は１９８４年にSchwartzとCantorにより考案され（Cell, 37, pp 67-75, 1984; 米国特許第４，４７３，４５２号、１９８４年９月２５日）、電気泳動により分離することが可能なＤＮＡ分子の範囲が広くなった。筆者はゲルの分離に関して、選択された幅の電気パルスを与え、与える方向を周期的に交番させることにより、２００００塩基対より大きな未処理のＤＮＡ分子をアガロース・ゲル内で帯パターンに分離させることができた。電界を与える方向を変えることによりＤＮＡ分子の移行の向きは変わるが、この向きを変える継続時間は分子の大きさに依存する。この帯パターンは「電気泳動パターン」、「分子カリオタイプ」、「電気泳動カリオタイプ」などと呼ばれている。
【０００５】
全てのパルス電界ゲル電気泳動装置は次のものを含む。
１．  付属品を含む電気泳動室、
２．  所望の強さとパルス幅で電界を交番させる適当な電子回路、
３．  電極に極性を与える方法。
【０００６】
例えば、SchwartzとCantorが記述した装置（Cell, 37, pp 67-75, 1984; 米国特許第４，４７３，４５２号、１９８４年９月２５日）や、CarleとOlsonが記述した装置（Carle G.F.,Olson M.V. Nucleic. Acid Res., 12, pp 5647-5664, 1984）などの初期のＰＦＧＥ装置ではゲル内の電界の強さが均一でないので、このゲル内のＤＮＡ分子の軌道と移行速度はゲル内における位置に依存する。
【０００７】
ＰＦＧＥ内の均一電界の生成
理論的には、或る間隔離して並列に置いた２枚の無限電極は均一電界を生成する。しかし、かかる電気泳動室の設計は実際的でない。有限電極を用いて分離ゲルで均一の強さの電界を得る方法が、Chuにより次のように提案されている（Chu G., Vollrath D., Davis R.W. Science, 234, pp 1582-1985, 1986）。
【０００８】
1．  閉じた外形として正多角形（正方形、長方形、６辺形）を選択し、その辺上に電極の配列を置いて多角形の内部に均一の強さの電界を生成する。
２．  正多角形の一辺を仮想デカルト平面のＸ軸（ｙ＝０）と一致させる。
３．  ｙ＝０  に置いた電極に０ボルトの電位を与える。
４．  Ｘ軸から  ｙ＝Ａ  の距離にある、正多角形の対向辺に置いた電極にＶ0ボルトの電位を与える。
５．  正多角形の他の辺上にＸ軸からｙiの距離に置いた残りの電極に電位Ｖ(yi)を与える。ただし、Ｖ(yi)＝Ｖ0＊ｙi／Ａ
６．  これにより、正多角形内に生成される電位は、互いに距離Ａだけ離れた２個の無限で並列の電極が生成する電位と同じである。
７．  ２対の対向辺に置いた電極の極性を電気的に交換すると、合成電界の力線の間に或る角度が形成される。この角度をＰＦＧＥ「向き変え角」と呼ぶ。
８．  ２つの異なる辺の対の電極の間の極性を電気的に交換して得られる向き変え角は、４角形では９０°、６辺形では６０°または１２０°である。
【０００９】
現在のＰＦＧＥ装置では６辺形配列の電極構成が用いられている。この装置を外形クランプ均一電界(Contour Clamped Homogeneous Electric Field)すなわちＣＨＥＦと呼び、１９８６年にChuにより導入された（Chu G. Science 234, pp 1582-1585, December 16th, 1986）。
現在のＣＨＥＦ装置の欠点の１つは、閉じた外形の電極が前に述べた正多角形に限定されることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＣＨＥＦ装置の電極内の電圧をクランプしてゲル内に均一の強さの電界を得る方法
これまで主として３つの方法が提案されているが、複雑で電子構成要素が多い。
１．  簡単な電圧分割器（Chu G., Vollrath D., Davis R.W. Science, 234, pp 1582-1585, 1986）。
２．  プッシュプル構成内のトランジスタ対に関連する電圧分割器（Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990）。
３．  ＣＨＥＦ装置の各電極に与える電圧の制御を改善するための演算増幅器の使用（Clark S.M., Lai E., Birren B.W., Hood L. Science 241, pp 1203-1205, 1988）。
【００１１】
ＰＦＧＥ装置内の簡単な電圧分割器
ＣＨＥＦ電極内の電位をクランプする方法の１つは直列に接続する抵抗器のネットワークを用いることである。このネットワークはゼロとＶ0の間の電圧分割器を形成する。電圧分割器の２個の直列抵抗器の間の結合点をノードと呼び、各ノードに６辺形の１個の電極を接続する。
【００１２】
ｙ＝０  と  ｙ＝Ａ（すなわち、６辺形の２つの対向辺）に置いた電極を電位０とＶ0とにそれぞれ接続する。他に２つの電極グループがあり、６辺形の２つの連続する辺の電極が各グループを形成する。これらの各電極は、この電極に与える電位を定義する電圧分割器のノードにそれぞれ接続する。与える電位は前のパラグラフで述べたようにして計算する。このため、６辺形の２つの異なる辺上にあるが低い方の電位の電極（ｙ＝０）から同じ距離ｙiにある２個の電極は同じ電圧値  Ｖ(yi)＝Ｖ0＊ｙi／Ａ  を持たなければならない。
【００１３】
電界を与える方向を変えるため（これはＰＦＧＥで絶対必要である）、他の２つの異なる電極グループに電位差を与える。このためにはリレーとダイオードとを用いて、ゼロボルトとＶ0ボルトの極性を与えるべき電極を、電界切替え装置を介して電源の出力に接続する。
【００１４】
しかし、一連の抵抗器を用いて電圧をクランプするのは不便である。抵抗器のネットワークと緩衝剤とが接触すると、後者はネットワークの抵抗器に並列に接続する新たな抵抗器として作用する。抵抗器から電極へまたその逆に流れる電流は各電極の電位を変えて電界の均一性に影響を与える。電圧の変化は緩衝液に流入または流出する電流の量に依存し、電流量は緩衝液の濃度、温度、量、ｐＨにとりわけ依存する。この変化は緩衝剤の導電率に、したがって純粋の抵抗回路と交換する電流の大きさに、無作為に影響を与える（Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990）。電圧パターンのかかる無作為の変化は制御不可能なので、各実験で得られる電気泳動パターンの結果と再現性に別の形の影響を与える。
【００１５】
一連の抵抗器を流れる電流が緩衝剤で循環する電流よりはるかに大きい場合はかかる変化は減少する（Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990）。しかし、この解決策は電力が不必要に浪費されるので、より高価な高電力の構成要素（特に抵抗器）を用いらざるを得ないという欠点を有する。
【００１６】
プッシュプル構成内のトランジスタ対に関連する電圧分割器
抵抗器を用いた電圧分割器について上に説明した問題を解決するため、半導体構成要素で製作した電流源を用いることが提案された（（Maule J., Green D.K. Anal. Biochem. 191, pp 390-395, 1990）。かかる電流源は、分割器の一連の抵抗器の対応するノードと各電極とを分離する。各ノードとその対応する電極との間に「プッシュプル」と呼ぶ構成の１対のトランジスタを置く。これは各電極に電流を流入させまた流出させて、緩衝液の導電率の変化に影響されずに分割器のノードの電圧を電極内で再現する。この装置は、ＰＦＧＥで電界を与える２つの方向に該当する極性を電極に与えることはできるが、いくつかの限界を有する。
【００１７】
１．  同じ電圧値  Ｖ(yi)＝Ｖ0＊ｙi／Ａ  で極性を与えるべき電極の対は異なるノードから電位を得るので、全ての必要な電極対の電圧が必ずしも等しくならない。
２．  高い方の電位の電極に近い電極は、接続するプッシュプルのＮＰＮ型トランジスタから電流を受ける。他方で、低い方の電位の電極に近い電極は、接続するプッシュプルのＰＮＰ型トランジスタに電流を与える。異なる極性のトランジスタが同時に活動化するので電圧のパターンに誤差を生じる。
３．  電界を与える２つの方向の中の１つの方向の電位パターンを決める抵抗器と、他の方向の電位パターンを決める抵抗器とは同じである。そのため、各電界で電位パターンを独立に調整することができない。２つの方向の一方になんらかの変化を与えようとすると、他の方向にも必ず影響を与える。
【００１８】
４．  この回路はプッシュプル構成内に、ＣＨＥＦ室の電極と同じ数のトランジスタ対を有する。プッシュプル構成内のトランジスタ対は並列に接続する。トランジスタが壊れると、壊れた対がどれかを決定するのは困難である。
５．  プッシュプル構成内のトランジスタ対の中で、一方のトランジスタは常に活動状態にあり、他方のトランジスタは非活動状態にある。これは、いつでも半分のトランジスタが非活動状態にあることを意味する。しかしかかるトランジスタを回路から除くことはできない。なぜなら、電界が逆方向に与えられると、いくつかの対の活動状態のトランジスタが変わるからである。したがって、プッシュプル構成内のトランジスタ対に接続する電圧分割器ネットワークは効率がわるい。なぜなら、各電界で非活動状態のトランジスタの総数がトランジスタの全数に比べて多過ぎるからである。
６．  全てのトランジスタ対は電流を制限する構成要素なしに電源に接続する。トランジスタが１個でも故障すると、電源の正出力と負出力とが短絡する。したがってこの回路は安全でない。
【００１９】
ＣＨＥＦ装置の各電極に与える電圧の制御を改善するための演算増幅器の使用
他の一層複雑な装置は、室の６辺形配列の各電極に与える電位を個々に制御するために演算増幅器を用いる（米国特許第５，０８４，１５７号）。かかる装置は電界を与える２つの方向の間の角度を変えることはできるが、構造でも動作でも、装置の電子回路はますます複雑になる。また、電位を制御する構成要素と電力構成要素とを適切に絶縁することができない。ディジタル変換が必要であるが、そのために複雑さが増し、設備のコストが高くなる。
【００２０】
他方で、Riveron and cols.（キューバ特許、出願番号第２０００−３０６号）は、ＰＦＧＥ内に再現可能な帯パターンを確実に得るには電気泳動室内の電界の強さを均一にすることが必要であることを示した。彼らは、与えた電界を均一にすることができるのは、閉じた外形内の電極に正しい極性を与えるための装置を有することの他に、緩衝剤とゲルの電気抵抗を均一にした場合だけであると結論した。電気抵抗は次のように表される。
Ｒ＝（１／σ）＊（ｄ／Ａ）
ただし、σは電解液の導電率、ｄは逆極性の電極の間の距離、Ａは電流が流れる断面積である。
【００２１】
全室内の電気抵抗を均一にするには、緩衝剤表面に乱流が存在しないことと、電流が流れる断面積を部分的にまたは全面的に変えるような変形もメニスカスもゲル内にないことが必要であると考えられる。
したがって、電極に極性を与えるための非常に複雑な電子回路を有していても、ＰＦＧＥ装置が緩衝剤の電気抵抗を均一にできない場合は確実な帯パターンと再現可能な実験を保証することはできない。室が小さい場合はこの状態は一層厳しくなる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
（発明の詳細な説明）
本発明が提案する回路を適切に説明するには基準システムを定義する必要がある。
基準システム
（ＣＨＥＦ装置のＰＦＧＥ室の）外形の閉じた電極として、正多角形のｍ個の辺上に置いた複数の電極のグループを考える。ただし、ｍは偶数である。この基準システム（図１）ではＬ1辺を随意に定義して、デカルト平面のＸ軸上に置く。対向辺（Ｌ(m/2)+1と呼ぶ）はＸ軸から距離Ａのところにある。これにより、正多角形の残りの辺はＬ1辺とＬ(m/2)+1辺の両側に対称的に分布する。Ｌ1辺とＬ(m/2)+1辺の左側にある正多角形の辺をＣ辺と呼び、右側にある辺をＤ辺と呼ぶ。
【００２３】
各辺上にｋ個の電極を置く。ただし、ｋは１と１０との間の自然数である。Ｘ軸上にある座標  ｙ0＝０  のＬ1辺上にｋ個の電極を置く。またＸ軸から距離Ａのところにある座標  ｙn+1＝Ａ  の辺Ｌ(m/2)+1上にもｋ個の電極を置く。
【００２４】
Ｃ辺とＤ辺にある全ての電極をＥ1C，Ｅ2C，．．，ＥnCとＥ1D，Ｅ2D，．．．，ＥnDと呼ぶ。ただし、ｎは  ｋ*（ｍ−２）／２  である。電極は、Ｃ辺とＤ辺について、Ｌ1辺から始まってＬ(m/2)+1辺に達するまで、電極Ｅ1C，Ｅ2C，．．，ＥnCと電極Ｅ1D，Ｅ2D，．．．，ＥnDのように名づける。２個の電極ＥiCとＥiDとはＸ軸から同じ距離ｙiにある。ただし、iは１とｎとの間の自然数である。（［Ｅ1C−Ｅ1D］，［Ｅ2C−Ｅ2D］，．．．，［ＥnC−ＥnD］）をＰi個の電極対と呼ぶ。
【００２５】
閉じた外形の電極内で電界を均一にする本発明の回路
回路を説明するため、まず前に説明した基準システムを用いて均一電界を作る方法について述べる。電気泳動中は、電源から得られる０ボルトとＶ0ボルトの所定の電圧で全ての電極を以下のように付勢すると仮定する。
１．  Ｌ1辺上に置いたｋ電極に０ボルトを与える。
２．  対向するＬ(m/2)+1辺上に置いたｋ個の電極にＶ0ボルトを与える。
【００２６】
しかし、Ｌ1辺とＬ(m/2)+1辺上に置いた電極に電位差を与えたとき、ＰＦＧＥ室内の電界の強さは室の全ての場所で均一ではない。これは、Ｐi個の電極対内に、距離ｙiに比例しない電圧が現れることを意味する。したがって、電気泳動室内全体の電界が均一になるような電圧値を残りの電極に与えなければならない。すなわち、Ｐi個の電極対に電圧  Ｖi＝Ｖ0＊ｙi／Ａ  を与える。
【００２７】
これにより、閉じた外形の電極は決定された印加の方向に均一電界を生成するように極性が与えられる。同じ考え方が、大きさは同じだが力線の方向が他方の均一電界を生成するのにも適用できる。必要なのは、正多角形の他方の辺をＬ1と定義することだけである。
【００２８】
本発明は、ＰＦＧＥの両電界を２つの同一のクランピング回路で付勢することが可能であることを示す。かかるクランピング回路を、電界を交番させる既存の回路（すなわち交流機）の正出力と負出力との間に同時にはクランプ回路の１つだけが電気エネルギを得るようにして接続する。
【００２９】
これらの各回路は電極内に、ＣＨＥＦ装置室内の１つの印加方向に均一の強さの電界を生成する電圧を与える。電界を与える２方向の一方での回路接続は次の方法で行う。
１．  交流機の負出力の１つをＬ1辺（Ｘ軸上に置いた辺）上にあるｋ個の全ての電極にダイオードを介して接続する。交流機のこの負出力に対応する正出力をＬ(m/2)+1辺上にあるｋ個の電極（すなわち、Ｘ軸から距離Ａのところに置いた辺上にある電極）にダイオードを介して接続する。
２．  交流機の負出力とＬ1辺のｋ個の電極との間を、ダイオードを介して次のようにして接続する。
ａ）  正多角形のＬ1辺の各電極をダイオードのアノードに接続する。
ｂ）  かかるダイオード（電極毎に１つ）の全てのカソード同士を結合して第２のダイオードのアノードに接続する。
ｃ）  この第２のダイオードのカソードを交流機の負出力に接続する。
【００３０】
３．  交流機の正出力とＬ(m/2)+1辺のｋ個の電極との間を、ダイオードを介して次のようにして接続する。
ａ）  正多角形のＬ(m/2)+1辺の各電極をダイオードのカソードに接続する。
ｂ）  かかるダイオード（電極毎に１つ）の全てのアノード同士を結合して第２のダイオードのカソードに接続する。
ｃ）  この第２のダイオードのアノードを交流機の正出力に接続する。
４．  ｎ＋１個の抵抗器Ｒiと可変数のダイオードとで形成する電圧分割器の両端を、やはり交流機の負出力と正出力とに接続する。これにより、全電圧（Ｖ0−０）は、Ｘ軸から各Ｐi電極対（ＥiC−ＥiD）までの距離ｙiに比例する値に分割される。
５．  電圧分割器のＲi抵抗器とＲi+1抵抗器との間に形成される各Ｎiノードを電圧リピータの入力に接続する。各電圧リピータの出力はＰi個の電極対の１つに接続する。電圧リピータは２つの機能を有する。１つはＮiノードからの入力の電圧をその出力（Ｐi電極対）に再現することである。もう１つの機能は、ＰＦＧＥ中に緩衝剤の導電率の変化に抗してこの電圧を一定に保持することである。
【００３１】
電圧リピータには２種類ある。
１．  ｉが［（ｎ／２）＋１］とｎの間の自然数のときに分割器のＮiノードとＰi電極対との間に接続する電圧リピータ。この電圧リピータは次の回路構成要素で形成する。すなわち、
１個のＮＰＮ型トランジスタで、そのベースは電圧分割器のＮiノードに接続し、そのコレクタは交流機の正出力に接続し、そのエミッタは２個のダイオードのアノードに接続し、各ダイオードのカソードは前に述べたＰi電極対の電極に接続する。
２．  ｉが１とｎ／２との間の自然数のときに分割器のＮiノードとＰi電極対との間に接続する電圧リピータ。この電圧リピータは次の回路構成要素で形成する。すなわち、
１個のＰＮＰ型トランジスタで、そのベースは電圧分割器のＮiノードに接続し、そのコレクタは交流機の負出力に接続し、そのエミッタは２個のダイオードのカソードに接続し、各ダイオードのアノードは前に述べたＰi電極対の電極に接続する。
【００３２】
各Ｒi抵抗器の値は、各Ｐi電極対の電圧が正多角形のＬ1辺上に置いた電極からの距離に比例するように選ぶ。
他の回路はこれと同一であるが、Ｅi個の電極に接続する方法が異なる。生成される電界の力線の間の望ましい角度に従って、多角形の別の辺をＬ1辺と再定義し、基準システムを必要な角度回転して、新しいＬ1辺がＸ軸にあるようにする。Ｃ辺とＤ辺、Ｅi個の電極、Ｐi個の電極対をＬ1辺から始まって再定義する。
【００３３】
これまでの考察から、各回路のＰi個の電極対は異なると考えられる。このためにダイオードが必要であり、電極対を電圧リピータのトランジスタのエミッタに直接接続することはできない。電極対の２個の電極をダイオードにより結合することができるので、その電圧リピータが活動状態のときに両電極は同じ電位を有することができる。なぜなら、その方向に電界が与えられるからである。電界を他の方向に設定すると、昔のＰi個の電極対を結合するダイオードは直列のままだが極性は逆である。これにより、この時点で異なる電位の電極を結合する昔の電極対の間の回路分岐の少なくとも1個のダイオードは逆極性が与えられる。回路分岐は非常に高い電気抵抗を有し、その分岐の電極は電気的に絶縁される。
【００３４】
緩衝剤の導電率の変化が分割器の各Ｎiノードの電位に与える影響は、電圧がそのノード電圧に等しくなるまでその電極に電流を流入または流出させることにより減少する。「エミッタ・フォロア」構成内のトランジスタが電流源として用いられる。負出力に近い方にある電極対は常に緩衝剤から電流を流出させなければならない。なぜなら、その電位は対応する基準ノードの電位より高くなる傾向があるからである。このため、この電流を電源の負出力の方に出すＰＮＰ型トランジスタを用いる。正出力に近い方にある電極対は常に緩衝剤に電流を流入させなければならない。なぜなら、その電位は対応するノードの電位より低くなる傾向があるからである。このため、電流を電源の正出力から取るＮＰＮ型トランジスタを用いる。このようにして、基準ノードの電位は余り影響を受けない。
【００３５】
電気泳動中に緩衝剤の温度、濃度、ｐＨ、高さなどは変化する。かかる外乱は電極の電圧パターンを変えようとする。かかる影響を打ち消すのに必要な電流もトランジスタが管理する。
各電極対の電位はその基準電位に近いが、少し異なる。その差は電極対に関連するトランジスタのベース・エミッタとダイオードの電圧降下に起因する。この電圧降下はシリコン半導体構成要素のＰＮ接合の特性であり、約０．７ボルトに近い。
【００３６】
分割器の中心でトランジスタとダイオードの極性の変化が起こると電圧パターンに誤差を生じる。この誤差は、電圧分割器の中心抵抗器に直列にダイオードを挿入することにより補償することができる。これにより基準ノードの電位は、各対のトランジスタとダイオード内の電圧降下の影響に対して大きさは同じだが逆方向に修正される。
【００３７】
最後に、Ｌ1辺とＬ(m/2)+1辺上にあって交流機の負出力と正出力とに接続する電極に極性を与えるダイオードに直列にダイオードを挿入する必要がある。これは、交流機の出力と各電極との間の経路内の電圧降下（正方向に極性を与えられたＰＮ接合により起こる）の数を均質化するのに必要である。かかる経路はＣ辺とＤ辺にある電極において２つのＰＮ接合を有する。
したがって本発明が提案する回路は、別の適当な電子回路を介して電源に接続して所望の強さとパルス幅で電界を交番させる２つの同一の部分から成る。
【００３８】
実施例
以下に回路の例を示すが、これは単なる例であって、決して本発明の範囲を制限するものではない。
【実施例１】
【００３９】
例１：  １８個の電極を持つ６辺形の室の電極に極性を与える回路
電極の配列
図２に、各辺当たり３個の電極を持つ正６辺形上に置いた電極のグループ１０１から１１８を示す。電界を１つの方向（Ａと呼ぶ）に与えるときは、電極１０１、１０２、１０３（Ａ＋グループと呼ぶ）に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極１１０、１１１、１１２（Ａ−グループと呼ぶ）には０ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する（表Ｉ）。同じ対の各電極には、各対からＡ−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【００４０】
電界を別の方向（Ｂと呼ぶ）に与えるときは、電極１１３，１１４，１１５（Ｂ＋グループと呼ぶ）に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極１０４，１０５，１０６（Ｂ−グループと呼ぶ）には０ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する（表Ｉ）。同じ対の各電極には、各対からＢ−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【００４１】
この特定の電極配列では、２個の連続する電極の間の距離「ｄｉｓｔ」は同じである。しかし、電極対１１８-１０４とＡ＋グループの電極との間の距離は半分、すなわち、ｄｉｓｔ／２である。１１３−１０９、１１６−１１２、１０３−１０７の対とＡ−、Ｂ＋、Ｂ−グループの電極とに関してもそれぞれ同じである。
【００４２】
【表１】
2004529368.tif 000003
各行は、図１と同様な電極配置を持つ室内でＡとＢの２つの印加方向に均一電界を生成するために同じ電圧の極性を与えなければならない電極の番号を示す。
【００４３】
辺当たり３個の電極を持つこのＣＨＥＦ室内に基準電位を生成するには直列に接続する７個の抵抗器２０１と２０２が必要である（図３）。抵抗器２０１の値は同じであり、抵抗器２０２はその半分の値を有する。抵抗器２０１および２０２のはしごは、スイッチまたは交流機を介して電源の正（＋）出力と負（−）出力との間に接続する。この電圧分割器はノード２０３および２０４に現れる基準電位を生成する。
【００４４】
電圧リピータ２０５および２０６は基準ノード２０３および２０４から電圧を取り、Ａ方向とＢ方向に該当する極性を電極に与える。
電圧リピータ２０５および２０６の詳細を図４に示す。ＮＰＮ型トランジスタ３０１のベースはノード２０３に接続する。トランジスタ３０１のコレクタはスイッチを介して正出力（＋）に接続する。トランジスタ３０１のエミッタは２個のダイオード３０２のアノードに接続する。ダイオード３０２のカソードは、その電位がその特定のノード２０３に対応する電極に接続する。
【００４５】
ＰＮＰ型トランジスタ３０３のベースはノード２０４に接続する。トランジスタ３０３のコレクタはスイッチを介して負出力（−）に接続する。トランジスタ３０３のエミッタは２個のダイオード３０４のカソードに接続し、ダイオード３０４のアノードは、その電位がその特定のノード２０４に対応する電極に接続する。
【００４６】
表１は、ＮＰＮ型トランジスタ（電圧リピータ２０４）とＰＮＰ型トランジスタ（電圧リピータ２０５）により極性を与えられる電極を示す。
Ａ＋グループとＢ＋グループの電極（図５）はアノード同士を接続したダイオード４０１のカソードに接続する。ダイオード４０１のアノードは別のダイオード４０２のカソードに接続する。ダイオード４０２のアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。
【００４７】
Ａ−グループとＢ−グループの電極はカソード同士を接続したダイオード４０３のアノードに接続する。ダイオード４０３のカソードは別のダイオード４０４のアノードに接続する。ダイオード４０４のカソードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。ダイオード４０２および４０４により、Ａ＋，Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−グループの電極に極性を与える分岐は配列の残りの電極と同じ電圧降下（ＰＮ接合により生じる）を持つことができる。
ダイオード２０７（図３）はトランジスタとダイオードの極性変化により生じる電圧パターンの誤差を補償する。
【００４８】
表ＩＩは、理論電圧とＣＨＥＦ室の電極内での測定電圧とを示す。電極は図２と同様に６辺形状の辺上に置いた。対向辺の間の距離は１１．６ｃｍであった。２０℃のとき、２２５ｍｌの緩衝液ＴＢＥ０．５ｘ（ＴＢＥ１ｘ：トリス(Tris）８９ｍＭ、ホウ酸８９ｍＭ、ＥＤＴＡ２ｍＭ、ｐＨ８．４）で室を満たした。電圧は前に説明した回路と同様の回路で生成した。用いた抵抗器は４７０．０オームで、抵抗器２０２の値を半分にするために２個のトランジスタを並列に置いた。ＭＪＥ３４０およびＭＪＥ３５０トランジスタと１Ｎ４００７ダイオードとを用いた。エネルギは「マクロドライブＩ」電源から取り、Ａ方向とＢ方向の正（＋）出力と負（−）出力との間が一定電圧１２０．０ボルトになるように調整した。
【表２】
2004529368.tif 000004
図２に従う電極番号は太文字で示す。
【００４９】
理論電圧は、シリコン半導体構成要素の各ＰＮ接合（ダイオードとトランジスタのベース・エミッタとの）の代表的な電圧降下が０．７ボルトであることを考慮して計算した。計算では、トランジスタはベース電流がゼロの理想的な構成要素として考えた。
【実施例２】
【００５０】
例２．  均一に分布していない３６個の電極を持つ６辺形の室の点電極に極性を与える回路
図６は、各辺当たり６個の電極を持つ正６辺形上に置いた点電極のグループ５０１から５３６を示す。電界を１つの方向（Ａと呼ぶ）に与えるときは、電極５０１から５０６（Ａ＋グループと呼ぶ）に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極５１９から５２４（Ａ−グループと呼ぶ）には０ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する（表ＩＩＩ）。同じ対の各電極には、各対からＡ−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
【００５１】
電界を別の方向（Ｂと呼ぶ）に与えるときは、電極５２５−５３０（Ｂ＋グループと呼ぶ）に電源の正出力の電位に近い最大電位の極性を与える。電極５０７−５１２（Ｂ−グループと呼ぶ）には０ボルトに近い最小電位の極性を与える。残りの電極は対に編成する（表ＩＩＩ）。同じ対の各電極には、各対からＢ−グループの電極までの距離に比例する同じ電圧の極性を与える。
この場合、２個の連続する電極の間の距離は同じではない。例えば、電極５０１と５０２との間の距離は、電極５０２と５０３との間の距離とは異なる。
【００５２】
辺当たり６個の電極を持つこのＣＨＥＦ室内の基準電位を生成するには直列に接続する１３個の抵抗器６０１，６０２，６０３が必要である（図７）。抵抗器６０１，６０２，６０３の抵抗値は、Ａ方向とＢ方向毎に各電極の電位が各電極とＡ−およびＢ−グループの電極との間の距離にそれぞれ比例するように選択しなければならない。この場合、抵抗器６０１は３４８オーム、抵抗器６０２は４７０オーム、抵抗器６０３は２３５オームである。抵抗器６０１，６０２，６０３の連鎖はスイッチを介して電源の正（＋）電位と負（−）電位とに接続する。この電圧分割器はノード６０４および６０５に現れる基準電位を生成する。電圧リピータ６０６および６０７は基準ノード６０４および６０５から電圧を取り、Ａ方向とＢ方向に該当する極性を電極に与える。電圧リピータ６０６および６０７は電圧リピータ２０５および２０６（図３）と同じものである。ダイオード６０８を抵抗器に直列に挿入し、電圧リピータ６０６および６０７内の活動状態のトランジスタの極性変化により生じる電圧パターンの誤差を訂正する。
【００５３】
Ａ＋，Ａ−，Ｂ＋，Ｂ−グループの電極に極性を与えるために、例１に示したものと同様の回路にダイオードを用いる（図８）。この場合は、Ａ＋およびＡ−グループの電極に極性を与えるのに６個のダイオード７０１および７０３を用いる。なぜなら、この特定の電極配列は各辺当たり６個のダイオードを持つからである。ダイオード７０２および７０４の機能は例１の場合と同様で、全ての電極の電位は同数の電圧降下により影響される。
【００５４】
【表３】
2004529368.tif 000005
各行は、ＡとＢの２つの印加方向に均一電界を生成するために同じ電位の極性を与えなければならない電極の番号と電圧とを示す。第１列は各電極対に対応する理論電位を示す。図６に従う電極番号は太活字で示す。理論電圧は例１と同じ考え方で計算した。
【００５５】
表ＩＩＩは、理論電圧とＣＨＥＦ室の電極内で測定した電圧とを示す。電極は図６のような６辺形の辺上に置いた。対向辺の間の距離は１１．６ｃｍであった。２０℃のとき、２２５ｍｌの緩衝液ＴＢＥ０．５ｘ（ＴＢＥ１ｘ：トリス８９ｍＭ、ホウ酸８９ｍＭ、ＥＤＴＡ２ｍＭ、ｐＨ８．４）で室を満たした。電圧は前に説明した回路と同様の回路で生成した。エネルギは「マクロドライブＩ」電源から得た。その出力は、Ａ方向とＢ方向の正（＋）出力と負（−）出力との間が一定電圧１２０．２ボルトになるように調整した。
【００５６】
上に示した例は、本発明の単なる例であってその範囲を制限するものではない。種々の大きさ、形、数、分布の電極を持つ室の電極に、ここに示した回路と同様の回路で極性を与えることができる。これは、回路構成要素（トランジスタ、ダイオード、抵抗器の数と抵抗器の抵抗値）を変えるだけで行うことが可能で、本発明の範囲に含まれる。
【００５７】
（提案の利点）
１）  種々の形、大きさ，数，分布の電極を持つＣＨＥＦ型の室の電極に正しい極性を与える。
２）  回路は従来技術の電圧クランピング装置より簡単であるが、電極内に生成される電圧パターンの精度は従来技術の装置により生成されるものと同等以上である。
３）  用いる電源の正出力と負出力との短絡は起こり得ない。
４）  同じ理論的等電位線内にある電極対を等しく極性化することができる。
５）  電界を２方向に生成する回路は独立である。
６）  用いるトランジスタの数は従来技術の装置より少なくとも３倍少ない。
７）  回路は低コストで、修理や保全が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の回路により極性を与えることが可能なＣＨＥＦ装置のＰＦＧＥ室内の電極の分布を説明するのに用いる基準システムを示す図。電極はｍ辺の正多角形上に置かれる。ただし、ｍは４と５０ｔの間の偶数である。ｋ個の電極を多角形の各辺上に置く。ただし、ｋは１と１０との間の自然数である。多角形の一辺（Ｌ1と呼ぶ）をデカルト平面のＸ軸と一致させる。多角形の対向辺（Ｌ(m/2)+1と呼ぶ）はＸ軸から  ｙ＝Ａ  の距離にある。Ｌ1辺とＬ(m/2)+1辺の左側はＣ辺、右側はＤ辺である。
【図２】６辺形のＣＨＥＦ室に含まれる１８個の電極の分布の略図。シンボルＡ＋およびＡ−は、電界をその方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する（交流機回路を介して）電極を示す。シンボルＢ＋およびＢ−は、電界をＢ方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する（交流機回路を介して）電極を示す。
【図３】電源出力に接続する（交流機回路を介して）ダイオードと抵抗器とで形成する電圧分割器を示す図。この回路は１８個の電極を持つ６辺形のＣＨＥＦ室の電極の一部に極性を与える電圧を生成する。電圧リピータは抵抗器の間に形成されるノードに接続する。
【図４】電圧リピータを示す図。トランジスタのベースは電圧分割器のノードに接続し、エミッタは２個のダイオードに接続し、ダイオードは同じ電位の極性を与えるべき１対の電極に接続する。上側に示すのはＮＰＮトランジスタを持つ電圧リピータで、ＮＰＮトランジスタのコレクタは電源の正出力に接続する（交流機回路を介して）。下側に示すのはＰＮＰトランジスタを持つ電圧リピータで、ＰＮＰトランジスタのコレクタは電源の負出力に接続する（交流機回路を介して）。
【図５】左側は１８個の電極を持つ６辺形モデルのＣＨＥＦ室内のＡ＋またはＢ＋グループの電極に極性を与える回路を示す図。上部のダイオードのアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。右側は１８個の電極を持つ６辺形モデルのＣＨＥＦ室内のＡ−またはＢ−グループの電極に極性を与える回路を示す図。下部のダイオードのカソードはスイッチを介して電源の負出力に接続する。
【図６】６辺形のＣＨＥＦ室に含まれる３６個の電極の分布の略図。シンボルＡ＋およびＡ−は、電界をその方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する（交流機回路を介して）電極を示す。シンボルＢ＋およびＢ−は、電界をＢ方向に作る電源の正出力と負出力とに接続する（交流機回路を介して）電極を示す。
【図７】電源出力に接続する（交流機回路を介して）ダイオードと抵抗器とで形成する電圧分割器を示す図。この回路は３６個の電極を持つ６辺形のＣＨＥＦ室の電極の一部に極性を与える電圧を生成する。電圧リピータは抵抗器の間に形成されるノードに接続する。
【図８】上側は３６個の電極を持つ６辺形モデルのＣＨＥＦ室内のＡ＋またはＢ＋グループの電極に極性を与える回路を示す図。回路の上部のダイオードのアノードはスイッチを介して電源の正出力に接続する。下側は３６個の電極を持つ６辺形モデルのＣＨＥＦ室内のＡ−またはＢ−グループの電極に極性を与える回路を示す図。回路の下部のダイオードのカソードはスイッチを介して電源の負出力に接続する。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年6月11日(2003.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源を必要とし、強さは同じであるが方向が異なる２つの均一電界内でパルス電界ゲル電気泳動のＣＨＥＦ装置室の電極内の電圧をクランプする回路であって、別の回路は２つの正出力と２つの負出力とを持つ電界切替え回路または交流機であり、電気泳動室は緩衝液で満たされまた外形の閉じた正多角形のｍ個の辺上に辺当たりｋ個の電極を置いた電極配列を持ち、またｎがｋ＊（ｍ−２）／２に等しく、ｉが１とｎとの間の自然数であるとき、Ｌ1辺を随意に選択してデカルト平面のＸ軸に一致させ、Ｌ(m/2+1)辺はＬ1辺に平行であり、Ｃ辺およびＤ辺と呼ぶ他の辺はＬ1辺とＬ(m/2+1)辺のそれぞれ左側と右側にあり、（ＥiC−ＥiD）電極は多角形の各側に等しい間隔を持ち、したがって、Ｌ1辺から同じ距離にある電極で形成されるｎ個の（ＥiC−ＥiD）電極対Ｐiが存在し、この回路は、
・  ２つの同一のクランピング回路で形成され、各回路は２つの可能な電界方向の一方に独立に設定され、
・  各電界方向で、Ｌ1辺とＬ(m/2+1)辺上に置いた電極を前記交流機の負出力と正出力とに接続する手段を備え、
・  各クランピング回路内に電圧基準を生成して各Ｐi対の（ＥiC−ＥiD）電極に極性を与える手段を備え、
・  各Ｐi電極対の２個の（ＥiC−ＥiD）電極を前記電圧基準の同じノードに永久に接続して、１つの電界方向ではこれらの２個の（ＥiC−ＥiD）電極に同じ電位の極性を与えるが他の電界方向では前記２個の（ＥiC−ＥiD）電極を電気的に絶縁する手段を備え、
・  緩衝液の導電率の変化に抗して各Ｐi対の（ＥiC−ＥiD）電極の電位を安定させる手段を備えるが、かかる手段はそれぞれ２個の電圧を駆動しまた１個のトランジスタを有し、
・  電圧パターンの誤差を補償する手段を備え、
・  前記２つの独立の回路を同じ電極の配列に永久に接続する手段を備える、
電圧をクランプする回路。
【請求項２】
各クランピング回路は同時には１つのクランピング回路だけが電気エネルギを受けるように前記交流機に接続する、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項３】
両回路は外形の閉じた正多角形の辺上にある同じ電極のネットワークに接続するが、第１のクランピング回路を接続するためにＬ1辺として選択された辺は第２のクランピング回路を接続するために選択されたＬ1辺とは異なる、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項４】
前記Ｌ1辺とＬ(m/2+1)辺上に置いた電極に極性を与える前記手段はダイオードである、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項５】
前記Ｌ1辺上にある各電極はダイオードのアノードに接続し、これらのダイオードのカソード同士は結合されて第２のダイオードのアノードに接続し、この第２のダイオードのカソードは前記交流機の負出力の１つに接続する、請求項１および４記載の電圧をクランプする回路。
【請求項６】
前記Ｌ(m/2)+1辺上にある各電極はダイオードのカソードに接続し、これらのダイオードのアノード同士は結合されて第２のダイオードのカソードに接続し、この第２のダイオードのアノードは前記交流機の正出力の１つに接続する、請求項１および４記載の電圧をクランプする回路。
【請求項７】
ｎがｋ＊（ｍ−２）／２に等しいとき、電圧基準を生成する前記手段は前記交流機の正出力と負出力とに接続するｎ＋１個の抵抗器Ｒiと可変数のダイオードとで形成する、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項８】
前記トランジスタはエミッタ・フォロア構成であり、そのベースは前記電圧基準のノードの１つに接続し、そのエミッタは１対のダイオードを介して各Ｐi電極対に接続し、トランジスタは、ｉが１とｎ／２との間の自然数のときはＰＮＰ型でそのコレクタは前記交流機の負出力の１つに接続し、ｉが［（ｎ/２）＋１］とｎとの間の自然数のときはＰＮＰ型でそのコレクタは前記交流機の正出力の１つに接続する、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項９】
各Ｐi電極対の２個の（ＥiC−ＥiD）電極を、電圧リピータを介して前記電圧基準の同じノードに永久に接続する前記手段はダイオードの対である、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１０】
ｉが１とｎ／２との間の自然数であるとき、各対のダイオードのカソードは前記電圧リピータの出力に接続し、そのそれぞれのアノードはＰi電極対の２個の電極に接続する、請求項１と９記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１１】
ｉが［（ｎ/２）＋１］とｎとの間の自然数であるとき、各対のダイオードのアノードは前記電圧リピータの出力に接続し、そのそれぞれのカソードはＰi電極対の２個の電極に接続する、請求項１と９記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１２】
前記電圧パターン内の誤差を補償する前記手段は前記電圧基準の抵抗器に直列に置いたダイオードであり、このために最大１０個のダイオードを用いることができる、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１３】
前記電圧パターン内の誤差を補償する前記手段は前記Ｌ1辺の電極に接続するダイオードのカソードと前記交流機の負出力の１つとの間に接続する第２のダイオードであり、前記手段はまた前記Ｌ(m/2+1)辺の電極に接続するダイオードのアノードと前記交流機の正出力の１つとの間に接続する第２のダイオードでもある、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１４】
前記２つの独立の回路を同じ電極の配列に永久に接続する前記手段は前記電極に接続するダイオードである、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【請求項１５】
ｍが４と５０との間の偶数の自然数、ｋが１と１０との間の自然数であるとき、外形の閉じた正多角形のｍ個の辺上に辺当たりｋ個の電極を置いた電極配列を持つ電気泳動室を必要とする、請求項１記載の電圧をクランプする回路。
【国際調査報告】
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