特許 7628181 キャピラリ電気泳動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-30

(45)【発行日】2025-02-07

(54)【発明の名称】キャピラリ電気泳動装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20250131BHJP

【ＦＩ】

G01N21/64 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023531263

(86)(22)【出願日】2021-06-30

(86)【国際出願番号】 JP2021024859

(87)【国際公開番号】W WO2023276078

(87)【国際公開日】2023-01-05

【審査請求日】2023-11-17

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大澤 賢太郎

(72)【発明者】

【氏名】穴沢 隆

【審査官】吉田 将志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－２６４２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００１４６９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１５２３０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１７６１３０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／６４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源と、
複数のキャピラリと、
光検出部と、
一方の端面が前記キャピラリのいずれかに関連して配置され、他方の端面が前記光検出部に接続された複数の検出用光ファイバと、
を有し、
前記光検出部は前記検出用光ファイバの中心部の光を選択的に検出する
ことを特徴とするキャピラリ電気泳動装置。

【請求項2】

前記光検出部は、少なくとも光検出器と選択的遮光素子とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項3】

前記光検出部は、少なくとも光検出器と接続用光ファイバとを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項4】

前記光検出部は、少なくとも撮像素子と信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、前記撮像素子で検出された光のうち前記検出用光ファイバの中心部の光を選択的に処理する
ことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項5】

前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記選択的遮光素子の位置に結像する結像光学系をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項6】

前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記接続用光ファイバの入射端に結像する結像光学系をさらに備える
ことを特徴とする請求項３に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項7】

前記接続用光ファイバのコア径は、前記検出用光ファイバのコア径よりも小さい
ことを特徴とする請求項３に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項8】

前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記撮像素子に結像する結像光学系をさらに備える
ことを特徴とする請求項４に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項9】

前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端において、中心から半径ｒ以下の領域の光のみを選択的に検出し、
ただしｒは以下の式によって与えられ、

【数1】

ここで、ＮＡは前記検出用光ファイバの開口数であり、
ｃは前記検出用光ファイバのコア径であり、
ｐは前記複数のキャピラリ間の間隔であり、
Ｄ_ｏｕｔは前記キャピラリの外径であり、
ｄは前記キャピラリの表面から対応する前記検出用光ファイバの光入射端までの距離である、
ことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【請求項10】

前記光検出部は、選択的に検出する前記検出用光ファイバの領域の面積および形状の少なくとも一方を変更可能である
ことを特徴とする請求項１に記載のキャピラリ電気泳動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、キャピラリ電気泳動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

バイオ医薬は糖鎖で修飾された抗体分子ががんや希少難病等の特定標的に対して効果を発現するという低分子医薬品にない優れた作用をもっている。低分子薬が化学反応によって合成されるのに対し、バイオ医薬品は細胞の生体機能を利用して生成されるためわずかな培養条件の変化によって生産物の分子構造は影響を受ける。代表的なバイオ医薬品である免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）は複雑な構造を持つ分子量１５万程度の大きな分子で、構造の不均一性を防ぐことはほぼ不可能である。従って、バイオ医薬品において製剤の安全性・有効性を確認するための品質検査技術はより一層重要な役割を果たす。

【0003】

目的物質の構造が複雑であるためバイオ医薬品の検査項目は多岐にわたるが、検査対象物に含まれる主要成分が目的物質であることを確認する確認試験や、不純物の含量を評価する純度試験などにはキャピラリ電気泳動が用いられる。キャピラリ電気泳動装置では、キャピラリに抗体を例とするサンプルを注入して電気泳動することで、サンプルは分子量や電荷量に応じて分離され、キャピラリ終端付近に設けられた検出部にて検出される。検出方式としては，紫外線（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ;ＵＶ）吸収，自家蛍光（Ｎａｔｉｖｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ;ＮＦ），レーザー誘起蛍光（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ;ＬＩＦ）などの光学方式が広く用いられる。

【0004】

キャピラリ電気泳動装置の例は、特許文献１に開示される。

【0005】

ＬＩＦ計測はその中で最も高感度な検出方式であり、ＵＶ吸収やＮＦでは検出困難な抗体医薬の糖鎖などの検出や、ＤＮＡなどの核酸の検出に古くから用いられている。ＬＩＦ計測では光源としてレーザーが用いられ、レーザーの指向性とキャピラリのレンズ効果を利用することで複数のキャピラリに対して一括でレーザーを照射することが可能である。これにより、一度に複数のサンプルを分析することができるため、ハイスループットな分析が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１６－１３３３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＬＩＦ計測では一度に複数のキャピラリを分析することが可能であるが、複数のキャピラリから発生する蛍光を検出するためには、複数のレンズや複数のキャピラリに対応できるだけの大きなレンズを配置する必要があり、装置が大型化しやすい。そこで発明者らは、それぞれのキャピラリにファイバを近接して配置することで蛍光を回収する光学系を考案した。そのような光学系では、レンズをキャピラリ近傍に配置せずに蛍光を検出することができ、かつキャピラリと検出器の間の位置関係の制約が無くなり設計の自由度が向上するため、装置小型化することができる。

【0008】

しかしながら、このような検出光学系においては、特定のキャピラリから発生した蛍光が隣接するキャピラリに対応するファイバに入射することで、大きなクロストークが発生するという課題が発生する。

【0009】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型でかつ低クロストークなキャピラリ電気泳動装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るキャピラリ電気泳動装置の一例は、
光源と、
複数のキャピラリと、
光検出部と、
一方の端面が前記キャピラリのいずれかに関連して配置され、他方の端面が前記光検出部に接続された複数の検出用光ファイバと、
を有し、
前記光検出部は前記検出用光ファイバの中心部の光を選択的に検出する
ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、従来よりも小型でかつクロストークの小さなキャピラリ電気泳動装置を提供することができる。また、場合によってはさらに、従来よりも安価なキャピラリ電気泳動装置を提供することができる。

【0012】

上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例１に係るキャピラリ電気泳動装置の構成例を示す摸式図。

【図2】図１のキャピラリ電気泳動装置の成分検出部の構成例を説明する摸式図。

【図3】クロストークの発生機構を説明する模式図。

【図4】検出用光ファイバの光出射端における光強度分布の例。

【図5】実施例１における信号強度とクロストークのシミュレーション結果の一例。

【図6】光ファイバの伝搬効率および光出射端における光強度分布の入射角依存性に関するシミュレーション結果。

【図7】光ファイバに入射した光線の光路を説明する図。

【図8】光ファイバの伝搬効率の入射角依存性の計算結果。

【図9】光ファイバを伝搬する光線の光路図の模式図。

【図10】光ファイバ伝搬後に光強度分布がゼロとなる領域の半径の計算結果。

【図11】本発明の実施例２に係るキャピラリ電気泳動装置の成分検出部の構成例を説明する摸式図。

【図12】本発明の実施例３に係るキャピラリ電気泳動装置の成分検出部の構成例を説明する摸式図。

【図13】本発明の実施例４に係るキャピラリ電気泳動装置の成分検出部の構成例を説明する摸式図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

【0015】

［実施例１］
＜基本構成＞
（電気泳動装置全体の説明）
図１は、本実施例に係るキャピラリ電気泳動装置１の構成例を示す模式図である。電気泳動媒体容器２と複数のサンプル容器３にはそれぞれ電気泳動媒体とサンプルが格納されている。計測の前にキャピラリアレイ１１に含まれる複数のキャピラリ５がこれらの容器に接続され、電気的手段や圧力などにより電気泳動媒体とサンプルが順に複数のキャピラリ５に注入される。複数の注入側電極槽４と排出側電極槽７にはバッファー液が満たされており、電気泳動時にはキャピラリ５と電極９が浸されている。

【0016】

高圧電源８により電圧が印加されると、サンプル内の分子が電気泳動により分子量や電荷量などの性質に応じて分離されながらキャピラリ５を注入側から排出側に向かって移動する。移動した各分子は成分検出部６に到達すると、光学的手段によって検出される。図示はしていないが、キャピラリ電気泳動装置１はその他に圧力調整部、制御部、信号処理部、表示部、記録部などを有する。

【0017】

（成分検出部の説明）
図２は電気泳動装置１の成分検出部６の構成例である。光源１０１から出射された励起光は複数のキャピラリ１０２に対して、キャピラリアレイ１０３の配列方向に沿って照射される。これにより、単一の光源１０１を用いて複数のキャピラリ１０２に対して励起光を一括照射することが可能である。

【0018】

成分検出部６は、複数の検出用光ファイバ１０４を備える。検出用光ファイバ１０４はそれぞれ、キャピラリ１０２の１つに対応する。各検出用光ファイバ１０４の一方の端面は、対応するキャピラリ１０２に関連して配置され、たとえば対応するキャピラリ１０２の近傍に配置される。「近傍」の具体的範囲は、図５に関連して後述する事項等を考慮して当業者が適宜決定可能であり、たとえば図５に示す範囲（ただし０より大きい。例として０．１ｍｍ以下、０．２ｍｍ以下、０．３ｍｍ以下、０．４ｍｍ以下または０．５ｍｍ以下）とすることができる。各検出用光ファイバ１０４の他方の端面は、光検出部１０８に接続される。

【0019】

キャピラリ１０２の中のサンプルに励起光が照射されると、サンプルから蛍光（自家蛍光あるいは蛍光色素からの蛍光）が発生し、その一部が各々のキャピラリ１０２に対応して設けられた検出用光ファイバ１０４に結合する。蛍光は検出用光ファイバ１０４を伝搬して、ピンホール１０５、ロングパスフィルタ１０６、光検出器１０７を備える光検出部１０８に導かれる。

【0020】

蛍光が検出用光ファイバ１０４から空間に出射する際、それぞれの検出用光ファイバ１０４の出射端に設けられたピンホール１０５によって、検出用光ファイバ１０４の周辺部の蛍光は遮光され、中心部近傍の蛍光だけが空間に出射される。その後、蛍光はロングパスフィルタ１０６を透過したのち、光検出器１０７によって検出される。

【0021】

このように、ピンホール１０５は選択的遮光素子として機能し、これによって、光検出部１０８は、検出用光ファイバ１０４の中心部の光を選択的に検出する。ここで、「検出用光ファイバ１０４の中心部」とは、たとえば検出用光ファイバの中心軸に直交する断面において中心軸を含む領域を意味し、具体例としては中心軸を中心とする円盤領域を意味する。円盤領域の半径は、図５に関連して後述する事項等を考慮して当業者が適宜決定可能である。

【0022】

ロングパスフィルタ１０６は、キャピラリ１０２によって散乱されて検出用光ファイバ１０４に結合した励起光が検出されることを防ぐために設置されている。

【0023】

ピンホール１０５は、特定のキャピラリ１０２から発生した蛍光が、対応する検出用光ファイバ１０４以外の検出用光ファイバ１０４に結合することで生じる、キャピラリ間のクロストークを抑制する役割を果たしている。

【0024】

図２の吹き出しに示すように、ピンホール１０５の開口（すなわち、選択的に検出する検出用光ファイバ１０４の領域）について、面積および形状の少なくとも一方は変更可能であってもよい。たとえば図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）のように開口寸法または形状が異なる複数のピンホールを切り替えて使用してもよく、１つのピンホールが（ａ）（ｂ）（ｃ）のように変形して開口寸法または形状を変更できるように構成されていてもよい。このような構成により、後述するように、信号成分の損失抑制とクロストーク遮断とのバランスを調整することができる。なお、このように選択的に検出する検出用光ファイバ１０４の領域を変更することは、後述の他の実施例においても可能である。

【0025】

図３はクロストークの発生機構の例を説明する図である。キャピラリ２０１から発生した蛍光は対応する検出用光ファイバ２０３に入射（実線矢印）して信号成分として検出される。一方で、隣接するキャピラリ２０２に対応する検出用光ファイバ２０４にも直接的あるいはキャピラリ２０２を反射して間接的に入射し（破線矢印）、クロストーク成分として検出される。図に示されているように、クロストーク成分は信号成分と比べてファイバに高い入射角で入射する傾向がある。

【0026】

図４はキャピラリ２０１の内部で発生した蛍光が検出用光ファイバ２０３，２０４に結合し、伝搬したのちのファイバ出射端における強度分布の光線追跡シミュレーション結果である。シミュレーション条件は、キャピラリ内径が５０μｍ、キャピラリ外径が１５０μｍ、キャピラリ間距離が５００μｍ、キャピラリ表面から対応する検出用光ファイバの入射端までの距離が３００μｍとした。検出用光ファイバ２０３，２０４はマルチモードで、コア径が４００μｍ、クラッド径が４２０μｍ、開口数が０．５、長さが１００ｍｍである。また、キャピラリ２０１内の蛍光発光領域は直径５０μｍ、高さ５０μｍの円柱状とした。

【0027】

信号成分に対応する、検出用光ファイバ２０３の出射端での光強度はファイバ中心に局在する傾向があるのに対し、クロストーク成分である検出用光ファイバ２０４の出射端の光強度はファイバ周辺部に局在する傾向があることが分かる。これは、ファイバに低い角度で入射した光はファイバ中心に、高い角度で入射した光はファイバ周辺に局在するというマルチモードファイバの性質を反映している。本実施例は、ファイバの当該性質を利用し、ピンホール１０５によって検出用光ファイバ１０４の中心部からの光を選択的に検出することで、クロストークを抑制することを可能にしている。

【0028】

図５は本実施例のクロストーク抑制効果をシミュレーションにより評価した結果である。参照例として検出用光ファイバのコア径ｃが４００μｍの場合および２００μｍの場合、ならびに本実施例の一具体的構成としてコア径４００μｍのファイバの出射端に穴径ＰＨが２００μｍのピンホールを設置した場合の信号強度およびクロストークの、キャピラリ／ファイバ間距離に対する依存性を示した。

【0029】

その他のシミュレーション条件は、図４の場合と同じである。コア径ｃは大きいほど信号強度は大きくなる一方で、クロストークも大きくなる。

【0030】

キャピラリ／ファイバ間距離は小さいほど信号強度が大きく、かつクロストークが小さいため、可能な限り小さくすることが望ましい。しかし、小さくしすぎるとファイバとキャピラリが接触してしまい、破損するリスクが大きくなる。そのため、実際にはファイバとキャピラリは数百ミクロン以上は離して設置すると好適である。

【0031】

例えばキャピラリ・ファイバ間距離を２００μｍ以上とすると、コア径４００μｍの場合には約２．２％以上の大きなクロストークが生じる。コア径を２００μｍにすると、コア径４００μｍの場合よりも信号強度は低下するがクロストークはそれ以上に小さくなり、ファイバ・キャピラリ間距離が０．３ｍｍ以下ではクロストーク０．５％以下となる。

【0032】

一方で、本実施例の一具体的構成であるコア径４００μｍのファイバの出射端に２００μｍピンホールを設置する場合、ファイバ・キャピラリ間距離が２００μｍ以上においては、コア径２００μｍの場合よりも信号強度が大きく、かつクロストークが同等かそれ以下となっている。この結果は、キャピラリ・ファイバ間距離がある程度離れた条件においては、単にコア径の小さなファイバを使用するよりも、本実施例のようにコア径の大きなファイバの出射端にピンホールを設ける方が、信号強度の観点でもクロストークの観点でも有利になることがあることを意味している。

【0033】

コア径４００μｍの参照例と比べると、コア径４００μｍの出射端に２００μｍピンホールを設けた本実施例では、信号強度が約半分に低下する一方で、クロストークが４．１３％から０．１６％の約１／２６に抑制されている。これは、ピンホールが信号成分よりもクロストーク成分をより多く遮光していることの効果である。

【0034】

ファイバのコア径と開口数を最適化することでもクロストークを抑制することは可能であるが、多くの場合入手可能なファイバのコア径および開口数は限定されており、最適化の自由度は極めて低い。一方で、ピンホールの穴径は自由に設定することが可能であるため、本実施例の最適化の自由度は高い。

【0035】

次に、本実施例の動作原理および適切な遮光領域の広さに関して、シミュレーションや数式に基づいて詳細に説明する。図６（a）はファイバの光伝搬効率（入射した光がファイバ出射端まで到達する割合）の光入射角依存性のシミュレーション結果である。

【0036】

シミュレーションは、ファイバはマルチモードとし、コア径２００μｍ、クラッド径２２０μｍ、開口数０．５、長さ１００ｍｍの条件で実施した。光伝搬効率は、入射角がファイバの開口数に相当する３０度まではほぼ１であり、３０度を超えると急速に減少する。これは入射角３０度を超えるとファイバ内での全反射条件を満たさない成分が増加するためである。

【0037】

図６（ｂ）は入射角ごとのファイバ出射端における光強度分布である。入射角３０度まではコア内でおおむね均一な強度分布となっているのに対して、入射角３０度を超えると光が周辺部分に局在することが分かる。すなわち、ファイバの開口数に相当する角度よりも大きな角度で入射した光の強度は、ファイバ周辺に局在する傾向がある。

【0038】

以下ではこのような性質が生じる原理について図を用いて説明する。図７に示すようにファイバ入射端の中心を原点とした座標系を考える。ｚ軸はファイバの中心軸である。ｘ軸およびｙ軸はファイバの径方向において互いに直交する軸である。

【0039】

ファイバに対して入射角θ_ｉｎで入射する光線について考える。入射光線の単位方向ベクトルｋ_ｉｎおよびファイバ表面で屈折した直後の光線の単位方向ベクトルｋ_ｃｏｒｅをそれぞれ以下の式で表す。

【数1】

【数2】

このとき、θ_ｉｎとθ_ｃｏｒｅはスネルの法則より以下の関係を満たす。

【数3】

ここで、ｎ_ｃｏｒｅはファイバのコアの屈折率である。入射光線のファイバ入射端における光線入射位置のｘ座標を、－１＜ｕ＜１を満たす実数ｕとファイバのコア径ｃを用いてｕｃ／２で表す。このとき、当該入射光線のコア／クラッド界面への入射位置における、コア／クラッド界面の法線ベクトルｎは以下の式で表される。

【数4】

コア／クラッド界面に対する光線の入射角αは、以下の式によって決定される。

【数5】

コア／クラッド界面において光線が全反射するための条件は、

【数6】

である。式３と式５を用いると、式６は

【数7】

と表すことができる。さらに、ファイバの開口数ＮＡは

【数8】

で与えられることを用いると、最終的に当該光線の全反射条件は以下の式で表される。

【数9】

式９は、光線の入射ｘ位置がファイバ周辺部に近い（ｕの絶対値が大きい）ほど、全反射条件を満たす光線の角度範囲が広いことを表している。

【0040】

ｕ＝０の位置に入射した光線が全反射条件を満たすための入射角の上限θ_ｃ０（ファイバのＮＡに相当する入射角）は以下の式で定義される。

【数10】

θ_ｃ０以下の角度で入射した光線は入射ｘ位置に依らずに全反射条件を満たすが、θ_ｃ０以上の角度で入射した光線は、中心よりもある一定量離れた位置に入射する場合に全反射条件を満たす。式８をuに関して解くと、以下の式が得られる。

【数11】

ここで、

【数12】

である。θ_ｃ０以上の角度で入射した光線は、ファイバへの入射ｘ位置の絶対値がｕ_ｃｃ／２以上の場合にのみ全反射条件を満たす。入射角θ_ｃ０以上の光線のファイバの伝搬効率Ｐは、全反射条件を満たすファイバの入射位置の面積によって決まり、以下の式で与えられる。

【数13】

式１３の積分を実行することで以下の式が得られる。

【数14】

式１２を式１４に代入し、入射角θ_ｃ０以下ではすべての光線が全反射条件を満たすことを考慮すると、入射角θ_ｉｎに対する伝搬効率Ｐは以下の式で表すことができる。

【数15】

【0041】

図８は図６に示した光線追跡シミュレーションの結果と、式１３で表される伝搬効率を比較したものである。両者は定性的に一致しており、上述したファイバの伝搬効率の入射角依存性に関する理論が妥当であることが分かる。

【0042】

図９はファイバ内で伝搬する光線の軌跡をファイバ入射端側から見た模式図であり、図９（ａ）は光線のファイバへの入射ｘ位置が中心（ｕ＝０）の場合を示し、図９（ｂ）はは光線のファイバへの入射ｘ位置が周辺（ｕ＞０）の場合を示す。図９（ａ）のように中心に入射した光線は同じ位置を繰り返し反射し、毎回ファイバ中心部を通過する。それに対して、図９（ｂ）のようにファイバ周辺部に入射した光線はコア／クラッド界面への入射角が大きくなるため、ファイバ中心部を通過することなく、ファイバ周辺部のみを伝搬する。

【0043】

以上の結果より、ファイバのＮＡに相当する角度（θ_ｃ０）以上でファイバに入射する光線は、ファイバ周辺部に入射する場合にのみ全反射条件を満足し、ファイバ周辺部に入射した光線は、ファイバ周辺部に局在することが分かる。結果としてファイバのＮＡ以上の角度でファイバに入射した光線は、ファイバを伝搬したのちにファイバの周辺部に局在する。

【0044】

次に、本実施例におけるピンホール径について説明する。図６に示したシミュレーション結果から、入射角がθ_ｃ０以上の場合のファイバ出射端の光強度分布において、光強度がゼロとなる中心領域の半径を入射角ごとに求めた。図１０は、ファイバ出射端において強度分布がゼロとなる領域の半径をファイバコアの半径ｃ／２で規格化した値ｖ_ｃと、式１１で表されるｕ_ｃの入射角依存性を比較した結果である。両者は概ね一致していることが分かる。

【0045】

これより、θ_ｃ０以上で入射した光は、ファイバ出射端において概ね半径ｃｕ_ｃ／２以上の領域に局在すると言える。従って、排除すべきクロストーク成分のファイバへの入射角をφ（＞θ_ｃ０）としたとき、ピンホールの半径ｒ_ｐを

【数16】

と設定することで、当該クロストーク成分を排除することが可能となる。

【0046】

クロストークには、図３に破線で示したように隣接するファイバに直接入射する成分（以下、直接成分と称する）と、隣接するキャピラリに反射したのちに隣接するファイバに入射する成分の２つが存在する。後者の成分は反射時に強度が減衰するため、直接成分が存在する場合、直接成分が支配的となる。図３に示した直接成分のファイバへの最小入射角φ_ｍｉｎは近似的に下記の式で表される。

【数17】

ここで、図３に示したようにｐはキャピラリ間の間隔（キャピラリ中心間の距離）、ｄはキャピラリの表面からファイバの光入射端までの距離、Ｄ_ｏｕｔはキャピラリの外径である。また、簡単のため蛍光はキャピラリの中心から発生するものとした。

【0047】

例えばｐ＝５００μｍ、ｄ＝３００μｍ、Ｄ_ｏｕｔ＝１５０μｍ、ｃ＝４００μｍの場合（図５のｃ＝４００μｍの参照例のシミュレーション条件）、φ_ｍｉｎ≒５３度であり、この入射角に対応するピンホール半径ｒ_ｐは、式１６において等号の場合を想定すると約１５６μｍとなる。すなわち、ピンホール半径を約１５６μｍに設定することで、信号成分の損失を最小に抑えつつ、原理的にはクロストークの直接成分を全て遮断することが可能になる。

【0048】

［実施例２］（結像光学系を設ける）
図１１は、本実施例によるキャピラリ電気泳動装置１における成分検出部６の構成例を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、光検出部１０８にレンズ３０１、３０２を備える結像光学系３０３がさらに設けられている点において実施例１と異なる。

【0049】

実施例１と同様に、光源１０１から出射された励起光は複数のキャピラリ１０２に対して、キャピラリアレイ１０３の配列方向に沿って照射され、キャピラリ１０２の中のサンプルから発生した蛍光の一部が各々のキャピラリ１０２に対応して設けられた検出用光ファイバ１０４に結合する。蛍光は検出用光ファイバ１０４を伝搬したのち空間に出射され、レンズ３０１によって平行光に変換され、ロングパスフィルタ１０６を通過したのちにレンズ３０２によってピンホール１０５の位置に集光される。ピンホール１０５は検出用光ファイバ１０４の出射端の周辺部から出射された光を遮断し、結果として検出用光ファイバ１０４の出射端の中心部から出射された光が光検出器１０７によって検出される。

【0050】

このように、本実施例に係る光検出部１０８は、検出用光ファイバ１０４の光出射端から出射された光をピンホール１０５の位置に結像する結像光学系３０３を備える。

【0051】

本実施例においては、結像光学系３０３を設けることで検出用光ファイバ１０４から出射された光が平行光に変換されるため、ロングパスフィルタ１０６に対して光をほぼ垂直に入射することができ、ロングパスフィルタ１０６へ光の入射角が垂直からずれることで生じる性能低下（たとえば励起光に対する透過率の増加や蛍光に対する透過率の減少）を抑制することができる。

【0052】

また、結像光学系３０３の結像倍率を１以上とする、すなわち検出用光ファイバ１０４の出射端から出射された光をピンホール位置に拡大結像することで、要求されるピンホール１０５の穴径の製造精度、あるいは位置精度を緩和することができる。

【0053】

［実施例３］（接続用光ファイバを使用）
図１２は、本実施例によるキャピラリ電気泳動装置１における成分検出部６の構成例を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、光検出部１０８がファイバコネクタ４０１、接続用光ファイバ４０２、ロングパスフィルタ１０６、光検出器１０７を備える点において実施例１と異なる。

【0054】

実施例１と同様に、光源１０１から出射された励起光は複数のキャピラリ１０２に対して、キャピラリアレイ１０３の配列方向に沿って照射され、キャピラリ１０２の中のサンプルから発生した蛍光の一部が各々のキャピラリ１０２に対応して設けられた検出用光ファイバ１０４に結合する。蛍光は検出用光ファイバ１０４を伝搬したのち、ファイバコネクタ４０１を介して検出用光ファイバ１０４に接続された接続用光ファイバ４０２に結合する。

【0055】

接続用光ファイバ４０２のコア径は、検出用光ファイバ１０４のコア径よりも小さく設定されており、検出用光ファイバ１０４の出射端における中心近傍の光のみが接続用光ファイバ４０２に結合し、伝搬したのち光検出器１０７に導かれる。すなわち、接続用光ファイバ４０２は実施例１におけるピンホール１０５と同じ役割を果たしている。ここで、検出用光ファイバ１０４と接続用光ファイバ４０２の中心軸は、汎用部品であるファイバコネクタ４０１によって互いに一致するように位置決めされる。これにより、本実施例においては、実施例１で必要となる検出用光ファイバ１０４とピンホール１０５の中心軸合わせが不要となり、より容易に実施例１と同等の性能を達成することが可能となる。

【0056】

実施例２の結像光学系３０３（図１１）と、実施例３の接続用光ファイバ４０２（図１２）とを組み合わせてもよい。たとえば、図１２において、ファイバコネクタ４０１に代えて結像光学系３０３を用いてもよい。この場合、結像光学系３０３は、検出用光ファイバ１０４の光出射端から出射された光を接続用光ファイバ４０２の入射端に結像する。

【0057】

このような組み合わせにおいて、結像光学系３０３の結像倍率を１以上とする、すなわち拡大結像することで、接続用光ファイバ４０２のコア径の自由度が高まる。たとえば、接続用光ファイバ４０２のコア径を検出用光ファイバ１０４のコア径と等しく、またはこれよりも大きく設定することができる。

【0058】

［実施例４］（撮像素子を使用）
図１３は、本実施例によるキャピラリ電気泳動装置１における成分検出部６の構成例を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、光検出部１０８が、結像光学系３０３（マイクロレンズアレイ５０１，５０２を備える）、ロングパスフィルタ１０６、撮像素子５０３、信号処理部５０４を備える点において実施例１と異なる。

【0059】

実施例１と同様に、光源１０１から出射された励起光は複数のキャピラリ１０２に対して、キャピラリアレイ１０３の配列方向に沿って照射され、キャピラリ１０２の中のサンプルから発生した蛍光の一部が各々のキャピラリ１０２に対応して設けられた検出用光ファイバ１０４に結合する。結像光学系３０３は、すべての検出用光ファイバ１０４の出射端から出射された光を撮像素子５０３に（より厳密には、たとえばその受光部に）結像する役割を果たしており、これにより検出用光ファイバ１０４から出射された蛍光の２次元光強度分布が撮像素子５０３によって検出され、信号処理部５０４に転送される。

【0060】

信号処理部５０４は、撮像素子５０３で検出された光のうち、検出用光ファイバ１０４の中心部の光を選択的に処理する。たとえば、中心部の光の強度だけを信号として取得して加算し、他の光の強度を無視する。すなわち、本実施例においては、信号処理部５０４が実施例１におけるピンホール１０５の役割を果たしている。

【0061】

本実施例においては、ピンホールや接続用光ファイバを設けることなく、信号処理のみでクロストークの抑制が可能である。また、検出領域の大きさは信号処理部５０４によって自由に設定可能であるため、用途に応じて信号強度とクロストークの大小関係を最適化することが容易である。

【0062】

以上説明するように、本発明に係る様々な実施例について、以下の説明が当てはまる。
本発明の一例は、
光源と、
複数のキャピラリと、
光検出部と、
一方の端面が前記キャピラリのいずれかに関連して配置され、他方の端面が前記光検出部に接続された複数の検出用光ファイバと、
を有し、
前記光検出部は前記検出用光ファイバの中心部の光を選択的に検出する
ことを特徴とするキャピラリ電気泳動装置である。

【0063】

このような構成とすることにより、クロストークを抑制することができる。

【0064】

一例として、前記光検出部は、少なくとも光検出器と選択的遮光素子とを備えてもよい。

【0065】

このような構成とすることで、安価かつ簡素な構成でクロストークを抑制することができる。

【0066】

一例として、前記光検出部は、少なくとも光検出器と接続用光ファイバとを備えてもよい。

【0067】

このような構成とすることで、安定的に構成でクロストークを抑制することができる。

【0068】

一例として、前記光検出部は、少なくとも撮像素子と信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記撮像素子で検出された光のうち前記検出用光ファイバの中心部の光を選択的に処理してもよい。

【0069】

このような構成とすることで、遮光用部品を用いることなく信号処理部のみでクロストークを抑制することができる。

【0070】

一例として、前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記選択的遮光素子の位置に結像する結像光学系をさらに備えてもよい。

【0071】

このような構成とすることで、光学フィルタ等の部品の配置が容易になるとともに、結像倍率を適切に設定することで選択的遮光素子の位置ずれに対するロバスト性を向上させることができる。

【0072】

一例として、前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記接続用光ファイバの入射端に結像する結像光学系をさらに備えてもよい。

【0073】

このような構成とすることで、光学フィルタ等の部品の配置が容易になるとともに、結像倍率を適切に設定することで接続用光ファイバの位置ずれに対するロバスト性を向上させることができる。

【0074】

一例として、前記接続用光ファイバのコア径は、前記検出用光ファイバのコア径よりも小さく構成されてもよい。

【0075】

このような構成とすることで、ピンホールが不要となる。

【0076】

一例として、前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端から出射された光を前記撮像素子に結像する結像光学系をさらに備えてもよい。

【0077】

このような構成とすることで、光学フィルタ等の部品の配置が容易になるとともに、結像倍率を適切に設定することでより、信号処理によるクロストーク抑制効果を向上させることができる。

【0078】

一例として、前記光検出部は、前記検出用光ファイバの光出射端において、中心から半径ｒ以下の領域の光のみを選択的に検出し、
ただしｒは以下の式によって与えられ、

【数18】

ここで、ＮＡは前記検出用光ファイバの開口数であり、
ｃは前記検出用光ファイバのコア径であり、
ｐは前記複数のキャピラリ間の間隔であり、
Ｄ_ｏｕｔは前記キャピラリの外径であり、
ｄは前記キャピラリの表面から対応する前記検出用光ファイバの光入射端までの距離である、
ように構成されてもよい。

【0079】

このような構成とすることで、信号成分の損失を最小限に抑えつつ、クロストークを抑制することが可能である。

【0080】

一例として、前記光検出部は、選択的に検出する前記検出用光ファイバの領域の面積および形状の少なくとも一方を変更可能であってもよい。

【0081】

このような構成とすることで、検出感度とクロストークをアプリケーションに応じて適切に調整することが可能になる。

【符号の説明】

【0082】

１：キャピラリ電気泳動装置
２：電気泳動媒体容器
３：サンプル容器
４：注入側電極槽
５：キャピラリ
６：成分検出部
７：排出側電極槽
８：高圧電源
９：電極
１１：キャピラリアレイ
１０１：光源
１０２：キャピラリ
１０３：キャピラリアレイ
１０４：検出用光ファイバ
１０５：ピンホール（選択的遮光素子）
１０６：ロングパスフィルタ
１０７：光検出器
１０８：光検出部
２０１，２０２：キャピラリ
２０３，２０４：検出用光ファイバ
３０１，３０２：レンズ
３０３：結像光学系
４０１：ファイバコネクタ
４０２：接続用光ファイバ
５０１：マイクロレンズアレイ
５０３：撮像素子
５０４：信号処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】