JP6799759B2 - 電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、タンパク質等の試料の分析に用いられる電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法に関する。

電気泳動は、ＤＮＡやタンパク質等の試料を分離、解析する手法として利用される。電気泳動は、試料の有する分子量や等電点の違いを利用して、試料を分離する方法である。例えば、等電点電気泳動は、試料の有する等電点の違いを利用して、試料を分離する。

電気泳動装置は、電位を印加する電極と電極間に設けられる電気泳動支持体とで構成される。従来の電気泳動支持体は、ガラス不織布やポリアクリルアミドゲル等で形成される。

なお、本開示の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。

特開２００４−３６１３９３号公報 特開２００５−８４０４７号公報

電気泳動に用いられる電気泳動支持体は、所定の等電点を有する。電気泳動支持体の等電点を調整する方法としては、いくつかの方法が知られている。しかしながら、従来の方法は、電気泳動支持体の等電点を再現性良く調整することが難しいという課題があった。

本開示は、上記課題を解決するものであり、電気泳動支持体の等電点を、安定して再現性良く調整できる電気泳動支持体を提供することを目的とする。

本開示の電気泳動支持体は、試料の電気泳動に用いられる電気泳動支持体であって、試料を含む溶液が流れる複数の空隙を内部に有する担体と、空隙に面する担体の表面にドープされるアクセプター型またはドナー型の固定イオンとを備える。

本開示の電気泳動装置は、試料の電気泳動を行う電気泳動装置であって、容器と、容器に設けられる一対の第一の電極と、一対の第一の電極の間に配置される第一の電気泳動支持体とを備える。第一の電気泳動支持体は、試料を含む溶液が流れる複数の空隙を内部に有する担体と、空隙に面する担体の表面にドープされるアクセプター型またはドナー型の固定イオンとを有する。

本開示の電気泳動支持体の製造方法は、試料の電気泳動に用いられる電気泳動支持体の製造方法であって、内部に試料を含む溶液が流れる複数の空隙を有する担体に対して、空隙に面する担体の表面にアクセプター型またはドナー型の固定イオンをドープする。

本開示の電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法は、電気泳動支持体の等電点を、安定して再現性良く調整することができる。

実施の形態１における電気泳動装置を模式的に示す上面図 実施の形態１における電気泳動装置を模式的に示す断面図 実施の形態１における電気泳動支持体を模式的に示す断面図 実施の形態１における電気泳動支持体の別の例を模式的に示す断面図 実施の形態１における電気泳動支持体のさらに別の例を模式的に示す断面図 図５に示す電気泳動支持体の一部を模式的に示す拡大図 実施の形態１の第１変形例における電気泳動装置を模式的に示す上面図 第１変形例における電気泳動支持体の別の例を模式的に示す上面図 実施の形態２における電気泳動装置を模式的に示す上面図 実施の形態２における電気泳動装置を模式的に示す断面図 実施の形態２における電気泳動支持体の検出画像を模式的に示すイメージ図

本開示の説明に先立ち、従来の電気泳動支持体を用いた電気泳動装置の課題について、以下で説明する。

電気泳動は、試料を含む分析液に一対の電極を挿入し、電圧を印加したとき、試料が有する荷電粒子が移動する現象である。試料は、電気泳動支持体が有する空隙内を移動する。このとき、試料は、試料の有する分子量に応じて、空隙内を異なる速度で移動する。そのため、複数の試料は、電圧印加時間における移動距離の違いにより分離される。また、試料は、試料が有する電荷量に応じて、空隙内を等電位となる位置まで移動する。これにより、試料は、等電点の違いにより分離される。

電気泳動において、電気泳動支持体の等電点の制御は重要である。電気泳動支持体の等電点は、例えば、材料の水素イオン指数（ｐＨ）に依存する。電気泳動支持体のｐＨは、試料の移動に影響する。例えば、タンパク質の電気泳動において、電気泳動支持体のｐＨは、タンパク質の移動速度等に影響する。したがって、電気泳動を精度よく行うためには、電気泳動支持体のｐＨを再現性よく制御することが求められる。

また、等電点電気泳動には、ｐＨ勾配を有する電気泳動支持体が用いられる。電気泳動支持体にｐＨ勾配を形成する方法は、電気泳動時に両性担体を加えて電圧を印加する方法がある。しかしながら、従来の電気泳動支持体は、電気泳動支持体のｐＨ勾配が不安定で再現性が低いという課題がある。また、電気泳動支持体にｐＨ勾配を形成する別の方法として、ポリアクリルアミドゲル内に酸性や塩基性のアクリルアミド誘導体を配置し、ゲル内に予めｐＨ勾配を形成する方法がある。しかしながら、ゲルの作製が複雑で生産性が低いという問題がある。

さらに、ゲルを用いた電気泳動支持体は、ゲル状態およびゲルの空隙構造を維持するために、一定の水分を維持する必要がある。そのため、ゲルを用いた電気泳動支持体の保管には、保湿パッケージを用いる必要がある。また、ゲルを用いた電気泳動支持体の小型化は、乾燥の観点から困難である。

以下では、本開示の実施の形態に係る電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

（実施の形態１）
本開示の一態様に係る電気泳動装置および電気泳動支持体について、図１から図３を参照して説明する。

図１は、電気泳動装置２０の上面図である。図２は、図１に示す電気泳動装置２０における２−２断面の断面図である。

電気泳動装置２０は、容器１と、電気泳動支持体７と、電極３とを有する。

電気泳動装置２０は、溶液に含まれる試料を等電点や分子量の違いを利用して分離する。試料は、例えば、タンパク質やＤＮＡ等の生体試料である。

容器１は、上面に凹部４を有する。凹部４には、電気泳動を行う際、緩衝液等の液体が充填される。そのため、凹部４を形成する容器１の側壁１１１は、液体がこぼれないように設けられる。容器１の材料は、高分子等の樹脂、シリコン、又は、金属等である。容器１は、材料に応じて射出成型又は切削加工等により形成される。容器１の材料は、電気泳動に影響しない材料であることが好ましい。容器１の凹部４には、電気泳動支持体７および電極３が設けられる。

なお、少量の溶液を扱う場合は、容器１の上面に、試料および緩衝液等を表面張力により保持することができる。そのため、容器１は、凹部４を有さなくてもよい。

電気泳動支持体７は、基材１１と、基材１１に設けられる担体１２とを有する。担体１２は、担体の端部に試料が注入される注入部１５を有する。担体１２は、内部に複数の空隙を有する。注入される試料は、電気泳動において担体１２の内部の空隙を移動する。担体１２の材料は、例えば、金属酸化物である。

電気泳動支持体７は、基材１１上に設けられた担体１２に、イオンをドープすることにより製造される。

内部に空隙を有する担体１２は、ドープされたイオンを有する。イオンは、担体１２の表面に露出している。イオンは、アクセプター型またはドナー型の固定イオンである。つまり、担体１２は、担体１２の内部の空隙に面する担体１２の表面にドープされたアクセプター型またはドナー型の固定イオンを有する。

担体１２は、ドープされるイオンにより、所定の等電点を有する。したがって、ドープされるイオンの注入量または種類を調整することにより、担体１２の等電点を、容易に調整することができる。

なお、表面は、表面および表面近傍を含む。表面近傍は、例えば、担体の表面から５μｍの深さの領域である。

担体１２にドープされるイオンは、例えば、酸素イオン（Ｏ^２−）、水素イオン（Ｈ⁺）、塩素イオン（Ｃｌ⁻）、カルシウムイオン（Ｃａ^２+）またはナトリウムイオン（Ｎａ⁺）である。ドープされるイオンは、１種類のみでもよい。また、ドープされるイオンは、複数のイオンを組み合わせてもよい。複数のイオンの組み合せは、ドナー型のイオンとアクセプタ型のイオンの組み合わせでもよい。

イオンは、イオン注入法により担体１２に注入される。イオンの注入量は、例えば、５×１０^１０ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−２〜１×１０^１５ａｔｏｍｓ・ｃｍ^−２である。また、イオン注入時の加速電圧は、例えば、１０ｋｅＶである。ただし、イオンの注入量およびイオンの加速電圧は、担体１２の材料や厚み等に応じて、適宜決定される値である。

担体１２は、イオン注入の後、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ、急速熱アニーリング）処理される。ＲＴＡ処理は、例えば、９００℃〜１１００℃の温度で３０秒間行う。ＲＴＡ処理を行うことにより、担体１２にドープされたイオンは活性化される。ドープされたイオンを活性化させることにより、担体１２は、注入されるイオンの種類や注入量に応じた電荷を有する。そのため、電気泳動支持体７の担体１２は、等電点を安定して制御することができる。

また、不純物注入とＲＴＡ処理は、金属酸化物材料内の欠陥の補完を可能とし、デバイス特性の安定化効果を得ることができる。なお、担体１２の表面へのアクセプター型またはドナー型の固定イオンの配置方法は、イオン注入法に限られない。例えば、不純物の固層拡散法などの方法を用いて、固定イオンを担体１２の表面に固定してもよい。

以下、電気泳動支持体７の担体１２について、具体的に説明する。

図３は、電気泳動支持体７の一例である電気泳動支持体７Ａを模式的に示す断面図である。

電気泳動支持体７Ａは、基材１１と、基材１１上に設けられる担体１２Ａとを有する。

担体１２Ａは、ナノワイヤ１２１Ａの集合体である。ナノワイヤ１２１Ａは、例えば、結晶構造を有する突起物である。ナノワイヤ１２１Ａは、基材１１に対して、略垂直に形成されている。また、複数のナノワイヤ１２１Ａは、所定の間隔Ｌ_Aを空けて基材１１の上に設けられている。担体１２Ａの空隙１２２Ａは、複数のナノワイヤ１２１Ａの間の空間である。試料は、空隙１２２Ａを移動する。

なお、ナノワイヤ１２１Ａは、基材１１に対して所定の角度で傾いていてもよい。

ナノワイヤ１２１Ａは、例えば、液相成長法または気相成長法により形成される。具体的には、ナノワイヤ１２１Ａは、ＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｏｌｉｄ）法などを用いて形成することができる。

ＶＬＳ法は、約２００℃〜約１３００℃の温度における金属触媒存在下において、所望の金属原料と酸素ガスを供給することにより、金属触媒直下の結晶成長を発現させる方法である。この方法を用いることにより、単結晶のナノワイヤ１２１Ａを形成することができる。

ナノワイヤ１２１Ａの高さＨ_Ａは、例えば、１．０μｍ以上、５０μｍ以下である。また、ナノワイヤ１２１Ａの径Ｄ_Ａは、例えば、０．１μｍ以上、１．０μｍである。ここで、ナノワイヤ１２１Ａの径Ｄは、ナノワイヤ１２１Ａの平均の太さである。また、複数のナノワイヤ１２１Ａの間の距離Ｌ_Ａ、つまり空隙１２２Ａの大きさは、例えば、０．１μｍ以上、１０μｍ以下である。

ナノワイヤ１２１Ａは、基材１１から伸びるように形成される。ナノワイヤ１２１Ａの基材１１側の一方の端部の径Ｄ_Ａ１は、ナノワイヤ１２１Ａの他方の端部の径Ｄ_Ａ２よりも大きい。

なお、製造過程における温度や圧力等などの条件を制御することにより、ナノワイヤ１２１Ａの高さＨ_Ａや径Ｄなどは、制御することができる。また、空隙１２２Ａの大きさは、ナノワイヤ１２１Ａの径Ｄや密度を制御することにより、容易に調整することができる。

ナノワイヤ１２１Ａは、例えば、金属酸化物等で形成される。

金属酸化物は、例えば、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２などである。なお、金属酸化物は、液体中において材料に依存した等電点を有する。

例えば、ＳｉＯ_２で構成されるナノワイヤ１２１Ａは、ｐＨ２付近の等電点を有する。ＺｎＯで構成されるナノワイヤ１２１Ａは、ｐＨ９〜１０付近の等電点を有する。一種類の金属酸化物のみで構成されるナノワイヤ１２１Ａで担体１２Ａを形成する場合、担体１２Ａの等電点は、金属酸化物の等電点と等しくなる。また、ナノワイヤ１２１Ａは、複数の金属酸化物で構成されていてもよい。なお、担体１２Ａを形成する複数のナノワイヤ１２１Ａは、等電点の異なる複数の金属酸化物で形成されてもよい。異なる等電点を有する複数のナノワイヤ１２１Ａを混合して担体１２Ａを形成することにより、担体１２Ａの有する等電点を細かく調整することができる。

ナノワイヤ１２１Ａの空隙に面する表面には、ドープされたイオンが設けられる。イオンをドープすることにより、ナノワイヤ１２１Ａは、イオンの注入量および種類に応じた等電点を有する。したがって、電気泳動支持体７Ａの担体１２Ａを所定の等電点に制御することができる。

なお、ナノワイヤ１２１Ａは、材料や成形方法等により等電点にばらつきが生じる場合がある。このとき、ナノワイヤ１２１Ａにイオンをドープすることにより、ナノワイヤ１２１Ａの等電点のバラつきを抑えることができる。

図４は、電気泳動支持体７の別の例である電気泳動支持体７Ｂを模式的に示す断面図である。

電気泳動支持体７Ｂは、基材１１と、基材１１に設けられる担体１２Ｂとを有する。

担体１２Ｂは、柱状構造体１２１Ｂの集合体である。柱状構造体１２１Ｂは、例えば、四角柱である。柱状構造体１２１Ｂは、基材１１に対して、略垂直に形成されている。

複数の柱状構造体１２１Ｂは、所定の間隔Ｌ_Ｂを空けて基材１１の上に設けられている。担体１２Ｂの空隙１２２Ｂは、複数の柱状構造体１２１Ｂの間の空間である。試料は、空隙１２２Ｂを移動する。

なお、柱状構造体１２１Ｂは、基材１１に対して所定の角度で傾いていてもよい。

柱状構造体１２１Ｂは、例えば、基板をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）製造技術で加工することで形成される。具体的には、柱状構造体１２１Ｂは、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）手法等を用いて形成することができる。ＤＲＩＥ手法を用いることにより、柱状構造体１２１Ｂの径Ｄ_Ｂのばらつきを抑えることができる。これにより、柱状構造体１２１Ｂを精度良く形成することができる。

基板は、例えば、シリコン等の半導体材料である。また、基板は、酸化物半導体でもよい。酸化物半導体は、例えば、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２ＴｉＯ_３、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、などである。エッチングにより柱状構造体１２１Ｂを形成する場合、基材１１および柱状構造体１２１Ｂは、基板と同じ材料で形成される。

柱状構造体１２１Ｂは、液体中において材料に依存した等電点を有する。

柱状構造体１２１Ｂの高さＨ_Ｂは、例えば、１０μｍから２００μｍである。また、柱状構造体１２１Ｂの径Ｄ_Ｂは、例えば、２０μｍである。また、複数の柱状構造体１２１Ｂの間の距離Ｌ_Ｂ、つまり空隙１２２Ｂの大きさは、例えば、１μｍ以上、４０μｍ以下である。ただし、柱状構造体１２１Ｂのサイズは、これらに限定されるものではない。

柱状構造体１２１Ｂの基材１１側の一方の端部の径は、柱状構造体１２１Ｂの他方の端部の径と等しいことが好ましい。これにより、担体１２Ｂの空隙１２２Ｂの大きさを、一定値とすることができる。

なお、製造プロセスの条件を変えることにより、柱状構造体１２１Ｂの高さＨ_Ｂや径Ｄ_Ｂなどは、制御することができる。また、空隙１２２Ｂの大きさは、柱状構造体１２１Ｂの径Ｄ_Ｂや密度を制御することにより、容易に調整することができる。

柱状構造体１２１Ｂの空隙に面する表面には、ドープされたイオンが設けられる。イオンをドープすることにより、柱状構造体１２１Ｂは、イオンの注入量および種類に応じた等電点を有する。したがって、電気泳動支持体７Ｂの担体１２Ｂを所定の等電点に制御することができる。

なお、柱状構造体１２１Ｂは、材料や成形方法等により等電点にばらつきが生じる場合がある。このとき、柱状構造体１２１Ｂにイオンをドープすることにより、柱状構造体１２１Ｂの等電点のバラつきを抑えることができる。

図５は、電気泳動支持体７の別の例である電気泳動支持体７Ｃを模式的に示す断面図である。

電気泳動支持体７Ｃは、基材１１と、基材１１に設けられる担体１２Ｃとを有する。

図６は、担体１２Ｃの一部を拡大して示した断面図である。

担体１２Ｃは、繊維１２１Ｃの集合体である。繊維１２１Ｃは、アモルファス構造を有する。アモルファス構造の繊維１２１Ｃは、柔軟性を有する。複数の繊維１２１Ｃは、互いに不規則に絡み合っている。担体１２Ｃの空隙１２２Ｃは、複数の繊維１２１Ｃの間の空間である。空隙１２２Ｃは、一定の大きさではなく、所定の範囲の中でランダムな大きさを有する。試料は、空隙１２２Ｃを移動する。

繊維１２１Ｃは、曲がりくねっていても、分岐していてもよい。これにより、繊維１２１Ｃはより複雑に絡み合う。

また、絡み合う複数の繊維１２１Ｃの接触部は、接合していてもよい。繊維の接合は、例えば、樹脂等の接着剤による接着や繊維自身の熱溶着を用いることができる。

繊維１２１Ｃは、ＶＳＤ（Ｖａｐｏｒｉｚｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成される。製造過程における温度や圧力等を制御することにより、繊維１２１Ｃを形成することができる。

繊維１２１Ｃは、例えば、金属酸化物等で形成される。

金属酸化物は、例えば、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２などである。なお、金属酸化物は、液体中において材料に依存した等電点を有する。

繊維１２１Ｃの径Ｄ_Ｃは、例えば、０．１μｍ以上、１．０μｍ以下である。ここで、繊維１２１Ｃの径Ｄ_Ｃは、ナノワイヤ１２１Ａの平均の太さである。また、複数の繊維１２１Ｃの間の距離Ｌ_Ｃ、つまり空隙１２２Ａの大きさは、例えば、０．１μｍ以上、１０μｍ以下である。

繊維１２１Ｃの空隙に面する表面には、ドープされたイオンが設けられる。イオンをドープすることにより、繊維１２１Ｃは、イオンの注入量および種類に応じた等電点を有する。したがって、電気泳動支持体７Ｃの担体１２Ｃを所定の等電点に制御することができる。

なお、繊維１２１Ｃは、材料や成形方法等により、等電点にばらつきが生じる場合がある。このとき、繊維１２１Ｃにイオンをドープすることにより、繊維１２１Ｃの等電点のバラつきを抑えることができる。

なお、また、繊維１２１Ｃは、まっすぐに伸びていてもよい。

ナノワイヤ１２１Ａ、柱状構造体１２１Ｂ、または、繊維１２１Ｃの製造方法は、上記の方法に限られない。これらは、その他の好適な方法を用いて形成されてもよい。

図２に示す電気泳動支持体７において、基材１１は、容器１が有する凹部４の底面であってもよい。また、担体１２だけで形状を保持できる場合は、基材１１を備える必要はない。

電極３は、電気泳動支持体７の両端に設けられる。つまり、電気泳動支持体７の一方の端部に陽極３Ａが設けられる。また、電気泳動支持体７の他方の端部に陰極３Ｂが設けられる。電極３の材料は、例えば、金、白金、銅、炭素、又はこれらの複合体等の導電材料が用いられる。電極３の間の距離は、例えば、１０ｍｍ〜５０ｍｍである。電極３には、図１に示す電源装置５が接続される。

電源装置５は、陽極３Ａと陰極３Ｂとの間に印加する電圧や印加時間を制御する。

以下、電気泳動装置２０の動作について説明する。

電気泳動支持体７が配置された容器１内に緩衝液を注入する。緩衝液は、ＰＢＳ（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｉｎｅ）等が用いられる。次に、試料を電気泳動支持体７の注入部１５に注入する。その後、電源装置５により、電極３の間に所定の電圧を印加する。例えば、電極３の間に５０Ｖの電圧を１０分間印加する。その後、１時間半かけて３００Ｖまで電圧値を上昇させる。さらにその後、電極３の間に３００Ｖの電圧を３時間半印加する。電圧を印加することで、電極３の間に電場が形成される。これにより、試料は、電気泳動支持体７の中を移動する。このとき、試料の移動距離及び移動速度は、試料の分子量や等電点の違いにより異なる。そのため、泳動後の電気泳動支持体７の内部において、試料は、分離される。なお、試料を入れる前に、電気泳動装置２０の定常化処理を行ってもよい。

試料を分離した後、電気泳動支持体７を染色することにより、分離された試料の位置を検出する。電気泳動支持体７の染色は、例えば、銀染色等が用いられる。また、電気泳動を行う前に、蛍光色素を用いて、試料を染色してもよい。この場合、電気泳動を行った後の電気泳動支持体７に対して励起光を照射し、蛍光を観察することにより、分離された試料の位置を検出できる。

また、別の方法として、試料の検出は、電気泳動支持体７に紫外線又は近赤外線等の光を照射し、照射した光の透過光又は反射光を検出する方法を用いてもよい。タンパク質やＤＮＡ等の試料は、特定の波長の光を吸収する性質を有する。そのため、電気泳動支持体７に照射した光を検出する場合、試料が位置する場所においては、他の場所に比べて検出される光の強度が弱くなる。したがって、試料の位置を検出することができる。

（第１変形例）
図７を参照して、実施の形態１の本変形例における電気泳動装置３０を説明する。

図７は、本変形例にかかる電気泳動装置３０の上面図である。

本変形例に開示する電気泳動装置３０は、電気泳動支持体３５の担体３４において、等電点の異なる複数の領域を有する。以下の説明においては、実施の形態１との差異点を中心に説明する。共通する事項については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

電気泳動装置３０は、凹部４を有する容器１と、凹部４に配置される電気泳動支持体３５と、電極３とを有する。

電気泳動支持体３５は、第一の領域３１Ａと、第二の領域３２Ａと、第三の領域３３Ａとを有する。ここで、第一の領域３１Ａに位置する担体３４を、第一の担体３１とする。第二の領域３２Ａに位置する担体３４を、第二の担体３２とする。第三の領域３３Ａに位置する担体３４を、第三の担体３３とする。

第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３は、それぞれの内部に空隙を有する。第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａは、それぞれ異なる等電点を有する。

第一の担体３１には、第一のイオンがドープされている。つまり、第一のイオンは、第一の担体３１の表面に配置されている。第二の担体３２には、第二のイオンがドープされている。つまり、第二のイオンは、第二の担体３２の表面に配置されている。第三の担体３３には、第三のイオンがドープされている。つまり、第三のイオンは、第三の担体３３の表面に配置されている。

第一のイオン、第二のイオンおよび第三のイオンは、同じイオンであっても、異なるイオンであってもよい。

第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３は、同じ材料であっても、異なる材料であってもよい。担体３４は、個々に形成された第一の担体３１と第二の担体３２と第三の担体３３とを接合したものであってもよい。また、担体３４は、第一の担体３１と第二の担体３２と第三の担体３３とが一体として形成されてもよい。

例えば、第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３の材料が同じ場合、ドープするイオンの種類および量のいずれか一方または両方をそれぞれの担体ごとに調整することにより、第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａの各等電点を異ならせることができる。

同一材料からなる単一の担体３４に対して、第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａごとにイオンの注入量を変える方法としては、担体３４の表面にメタルマスクを配置して、イオン注入を行う方法がある。メタルマスクの開口度は、第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａのイオン注入量に応じて制御される。開口度の異なるメタルマスクを用いて、イオン注入を行うことにより、単一の担体３４に対して、第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａごとにイオン注入量を変えることができる。これにより、第一の領域３１Ａ、第二の領域３２Ａおよび第三の領域３３Ａごとに異なる等電点を有する電気泳動支持体３５を作製することができる。

第一の担体３１の有する等電点は、第二の担体３２の有する等電点より小さい。さらに、第二の担体３２の有する等電点は、第三の担体３３の有する等電点より小さい。このように、第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３は、電気泳動支持体３５において、陽極３Ａ側から陰極３Ｂ側に向かって、等電点が昇順に並ぶように配置されている。

具体的には、電気泳動支持体３５において、例えば、ｐＨ２の等電点を有する第一の担体３１、ｐＨ７の等電点を有する第二の担体３２、及び、ｐＨ９の等電点を有する第三の担体３３が、この順で並んでいる。このように、電気泳動支持体３５は、ｐＨ勾配を有する。

なお、電気泳動支持体３５に含まれる複数の領域３４Ａをさらに増やしてもよい。等電点の異なる領域３４Ａを増やすことにより、電気泳動支持体３５のｐＨ勾配をより細かく調整することができる。例えば、ｐＨ２からｐＨ１２まで、ｐＨ１刻みで担体３４を配置してもよい。領域３４Ａにおいて、それぞれの担体３４には、所定の等電点を有するようにイオンがドープされる。

ｐＨ勾配を有する電気泳動支持体は、例えば、等電点電気泳動に用いることができる。

図８は、本変形例における電気泳動支持体３５の別の例を模式的に示す上面図である。

電気泳動支持体３５１において、第一の担体３１および第二の担体３２は、所定の間隔Ｓ_１の隙間３１２を空けて基材１１上に配置される。第二の担体３２および第三の担体３３は、所定の間隔Ｓ2の隙間３２３を空けて基材１１に配置されている。間隔Ｓ_１と、間隔Ｓ_２は同じ大きさである。所定の間隔Ｓ_１、Ｓ_２は、第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３の空隙の大きさよりも小さい。

第一の担体３１、第二の担体３２および第三の担体３３は、例えば、一辺が２．５ｍｍである。このとき、間隔Ｓ_１および間隔Ｓ_２は、例えば、１ｍｍである。

第一の担体の等電点と第二の担体の等電点との間の等電点を有する試料は、第一の担体３１と第二の担体３２の間の隙間まで移動して止まる。同様に、第二の担体の等電点と第三の担体の等電点との間の等電点を有する試料は、第二の担体３２と第三の担体３３の間の隙間まで移動して止まる。

このように、電気泳動支持体３５１は、第一の担体３１と第二の担体３２との間の隙間３１２、および、第二の担体３２と第三の担体３３との間の隙間３２３を用いて、より詳細な電気泳動を行うことができる。

以上のように、電気泳動支持体７、３５は、等電点を安定して再現性良く調整することができる。また、電気泳動支持体７、３５は、ゲルを用いない構成である。そのため、電気泳動支持体７、３５の保管に、保湿パッケージ等を用いる必要がない。また、電気泳動支持体７、３５は、容易に小型化することができる。

さらに、電気泳動支持体７にイオンを注入することにより、等電点の安定した電気泳動支持体７、３５を低コストで実現することができる。

（実施の形態２）
図９および図１０を参照して、本実施の形態における電気泳動装置４０を説明する。

図９は、本実施の形態にかかる電気泳動装置４０の上面図である。図１０は、図９における電気泳動装置４０の１０−１０断面における断面図である。

本実施の形態に係る電気泳動装置４０は、２次元電気泳動に用いられる。実施の形態１の第１変形例に開示した電気泳動装置３０および電気泳動支持体３５は、２次元電気泳動の１次元目の等電点電気泳動に用いることができる。以下の説明においては、実施の形態１との差異点を中心に説明する。共通する事項については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

電気泳動装置４０は、凹部４を有する容器１と、電気泳動支持体４４と、電極３、４３と、電源装置５、４５と、検出装置４２とを有する。電気泳動支持体４４は、１次元目の電気泳動支持体３５および２次元目の電気泳動支持体４１を備える。

１次元目の電気泳動は、等電点電気泳動である。１次元目の電気泳動支持体３５は、第１変形例の電気泳動支持体３５が用いられる。図９において、１次元目の電気泳動支持体３５は、等電点が異なる６つの領域により形成されたｐＨ勾配を有する。

さらに、１次元目の電気泳動支持体３５の側面には、２次元目の電気泳動支持体４１が一体として接合されている。２次元目の電気泳動の方向（Ｙ方向）は、１次元目の電気泳動の方向（Ｘ方向）と直交する。

電気泳動支持体４１は、電気泳動支持体３５との側面に隔壁４６を介して接合されている。このように、電気泳動支持体３５と電気泳動支持体４１とは、間接的に接触するように配置されている。なお、電気泳動支持体３５と電気泳動支持体４１とは、直接接触するように容器１内に配置されていてもよい。

２次元目の電気泳動において、試料は、試料の分子量の違いを利用して分離される。２次元目の電気泳動支持体４１は、実施の形態１に開示した担体１２を備える電気泳動支持体７、または、ゲルを備える電気泳動支持体である。担体１２を備える電気泳動支持体７を用いる場合、電気泳動支持体４１は、１つの担体１２で構成されることが望ましい。ゲルを備える電気泳動支持体は、アガロースゲル又はポリアクリルアミドゲル等で構成される。

以下、２次元電気泳動の動作を説明する。

一次元目の電気泳動支持体３５は、緩衝液を保持している。緩衝液は、ＰＢＳ等が用いられる。緩衝液は、電極３に接触する。このとき、緩衝液は、２次元目の電気泳動支持体４１側に漏れないことが好ましい。なお、緩衝液は、予め電気泳動支持体３５に充填されていても、電気泳動を行う前に充填されてもよい。

次に、試料を１次元目の電気泳動支持体３５の注入部にスポットする。その後、電源装置５により、電極３の間に所定の電圧を印加する。例えば、電極３の間に５０Ｖの電圧を１分間印加する。その後、１時間半かけて３００Ｖまで電圧値を上昇させる。さらにその後、電極３の間に３００Ｖの電圧を３時間半印加する。電圧を印加することにより、電極３の間に電場が形成される。このとき、試料は、試料が有する電荷がゼロになる等電点まで電気泳動支持体３５の中を移動する。そのため、泳動後の電気泳動支持体３５の内部において、試料は、試料の等電点に応じて分離される。なお、試料を入れる前に、電気泳動装置４０の定常化処理を行ってもよい。

その後、１次元目の電気泳動で等電点により分離された試料に対して、２次元目の電気泳動を行う。電源装置４５により、所定の電圧を電極４３の間に印加する。例えば、電極４３の間に３００Ｖの電圧を３時間印加する。これにより、試料は、Ｙ方向に２次元目の電気泳動支持体４１の中を移動する。２次元目の電気泳動において、試料は、試料の分子量の違いで分離される。

なお、２次元目の電気泳動支持体４１は、１次元目の電気泳動支持体３５が保持する緩衝液とは異なる緩衝液を保持している。２次元目の電気泳動支持体４１が保持する緩衝液は、ＳＤＳ（Ｓｏｄｉｕｍ Ｄｏｄｅｃｙｌ Ｓｕｌｆａｔｅ）を含むＰＢＳである。１次元目の電気泳動支持体３５と２次元目の電気泳動支持体４１との間には、隔壁４６が設けられている。隔壁４６は、電気泳動支持体３５と電気泳動支持体４１とを分離する。隔壁４６は、１次元目の電気泳動が完了した後、除去される。これにより、２次元目の電気泳動支持体４１が有する緩衝液は、１次元目の電気泳動中に電気泳動支持体３５側に漏れることがない。そのため、電気泳動装置４０は、１次元目の電気泳動を精度良く行うことができる。

２次元目の電気泳動により試料を分離した後、電気泳動支持体４１を染色する。これにより、分離された試料の位置を検出することができる。電気泳動支持体４１の染色は、例えば、銀染色等が用いられる。また、電気泳動を行う前に、蛍光色素を用いて、試料を染色してもよい。この場合、電気泳動を行った後の電気泳動支持体４１に対して励起光を照射し、蛍光を観察することにより、試料の位置を検出できる。

また、別の方法として、試料の検出は、電気泳動支持体４１に紫外線又は近赤外線等の光を照射し、照射した光の透過光又は反射光を検出する方法を用いてもよい。タンパク質やＤＮＡ等の試料は、特定の波長の光を吸収する性質がある。そのため、電気泳動支持体４１に照射した光を検出する場合、試料が位置する場所においては、他の場所に比べて検出される光の強度が弱くなる。そのため、試料の位置を検出することができる。

図１１は、試料分離後の染色した２次元目の電気泳動支持体４１の検出画像５０である。

検出画像５０は、Ｘ方向において、検出箇所５１は６列である。このことは、１次元目の電気泳動により、試料が６つの等電点に分離されたことを示す。また、それぞれの列において、Ｙ軸方向に検出箇所５１が分布している。このことは、１次元目の電気泳動により各等電点で分離された試料が、２次元目の電気泳動により試料の分子量の違いで分離されたことを示す。

以上のように、試料は、試料の等電点及び分子量により分離されている。分子量マーカー等を用いることにより、検出された試料を特定することができる。また、予め特定の試料の２次元電気泳動の結果が基準画像として存在する場合は、検出画像５０を基準画像と比較することにより、分析した試料を特定してもよい。

なお、検出画像５０を取得する方法としては、２次元目の電気泳動中の試料を検出してもよい。例えば、図９および図１０に示すように、２次元目の電気泳動支持体４１の検出領域４７の上部に検出装置４２を設ける。検出装置４２は、紫外線等の光を照射する照射装置４８と光を受光する受光装置４９とを含む。検出装置４２の検出領域４７は、２次元目の電気泳動支持体４１の長さ方向（Ｙ軸方向）の一部の領域であって、かつ、幅方向（Ｘ軸方向）の全領域である。検出装置４２は、２次元目の電気泳動支持体４１との相対的な位置関係が変化しないよう電気泳動装置４０等に固定される。

検出装置４２は、電気泳動中の電気泳動支持体４１の試料を、検出領域４７に照射される光を用いて、電気泳動パターンを再構築することにより検出する。

照射装置４８が照射した光は、電気泳動支持体４１で反射される。反射された光は、受光装置４９において受光される。検出装置４２は、受光した光の強度を時系列のデータとして取得する。電気泳動支持体４１内に、試料が含まれる場合、照射される光は、試料により吸収される。そのため、受光される反射光の強度が小さくなる。

取得したデータを、グラフにプロットすることにより、図１１に示すような検出画像５０を生成することができる。ここで、グラフの縦軸は時間を示す。横軸は、検出領域４７の幅方向における位置を示す。また、検出箇所５１の大きさは、光の強度の情報を示す。検出箇所５１の大きさは、例えば、光の強度の逆数である。

なお、検出領域４７に照射した光の透過光を用いて検出する場合、照射装置４８と受光装置４９とは、検出領域４７に対して対称な位置に設けられる。

このように、電気泳動中において、分離された試料の検出画像５０を取得することにより、試料の検出時間を短縮することができる。なお、受光される光の情報は、光の強度に限られない。例えば、光の情報は、光の周波数等であってもよい。

なお、上述した担体１２は、例えば、樹脂や金属等で形成された骨格の表面に金属酸化物がコーティングされた構造であってもよい。

また、担体１２の等電点を制御するために、ドープしたイオンを用いたが、担体１２の等電点をドープしたイオンを用いることなく、担体１２の材料特性により、担体１２の等電点を制御することもできる。

以上、一つまたは複数の態様に電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本開示の電気泳動支持体、電気泳動装置および電気泳動支持体の製造方法は、タンパク質やＤＮＡ等の試料の分離に有用である。

１ 容器
１１１ 側壁
３，４３ 電極
３Ａ 陽極
３Ｂ 陰極
４ 凹部
５，４５ 電源装置
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，３５，３５１，４１，４４ 電気泳動支持体
１１ 基材
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 担体
１２１Ａ ナノワイヤ
１２２Ａ，１２２Ｂ，１２２Ｃ 空隙
１２１Ｂ 柱状構造体
１２１Ｃ 繊維
１５ 注入部
２０，３０，４０ 電気泳動装置
３１ 第一の担体
３１Ａ 第一の領域
３２ 第二の担体
３２Ａ 第二の領域
３３ 第三の担体
３３Ａ 第三の領域
３４ 担体
３４Ａ 領域
３１２，３２３ 隙間
４２ 検出装置
４６ 隔壁
４７ 検出領域
４８ 照射装置
４９ 受光装置
５０ 検出画像
５１ 検出箇所

Claims (20)

1. 試料の電気泳動に用いられる電気泳動支持体であって、
   前記試料を含む溶液が流れる複数の空隙を内部に有する担体と、
   前記空隙に面する前記担体の表面にドープされるアクセプター型またはドナー型の固定イオンの少なくとも一方と、を備える、
   電気泳動支持体。
2. 前記担体は、複数のナノワイヤの集合体であり、
   前記空隙は、前記複数のナノワイヤの間に設けられ、
   前記固定イオンは、前記空隙に面する前記ナノワイヤの前記表面に設けられる、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
3. 前記担体は、複数の柱状構造体の集合体であり、
   前記空隙は、前記複数の柱状構造体の間に設けられ、
   前記固定イオンは、前記空隙に面する前記柱状構造体の前記表面に設けられる、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
4. 前記担体は、複数の繊維が絡まり合って形成された繊維状構造体であり、
   前記固定イオンは、前記繊維状構造体を形成する前記複数の繊維の前記表面であって、前記空隙に面する前記表面に設けられる、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
5. 前記担体は、金属酸化物からなる、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
6. 前記担体は、等電点の異なる第一の担体と第二の担体とを有し、
   前記第一の担体にドープされる前記固定イオンの量は、前記第二の担体にドープされる前記固定イオンの量と異なる、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
7. 前記担体は、等電点の異なる第一の担体と第二の担体とを有し、
   前記第一の担体は、前記第一の担体の前記表面にドープされる第一の固定イオンを有し、
   前記第二の担体は、前記第二の担体の前記表面にドープされる第二の固定イオンを有し、
   前記第一の固定イオンは、前記第二の固定イオンと異なる種類である、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
8. 前記担体は、第一の担体と第二の担体と第三の担体とを有し、
   前記第一の担体の等電点は、前記第二の担体の等電点より小さく、
   前記第二の担体の等電点は、前記第三の担体の等電点より小さく、
   前記第一の担体と前記第二の担体と前記第三の担体とは、この順に配置されている、
   請求項１に記載の電気泳動支持体。
9. 前記第一の担体と前記第二の担体の間、および、前記第二の担体と前記第三の担体の間には、それぞれ所定の間隔の隙間が設けられる、
   請求項８に記載の電気泳動支持体。
10. 試料の電気泳動を行う電気泳動装置であって、
    容器と、
    前記容器に設けられる一対の第一の電極と、
    前記一対の前記第一の電極の間に配置される第一の電気泳動支持体と、を備え、
    前記第一の電気泳動支持体は、
    前記試料を含む溶液が流れる複数の空隙を内部に有する担体と、
    前記空隙に面する前記担体の表面にドープされるアクセプター型またはドナー型の固定イオンの少なくとも一方と、を有する、
    電気泳動装置。
11. 前記担体は、金属酸化物からなる、
    請求項１０に記載の電気泳動装置。
12. 前記担体は、ドープされた前記固定イオンにより等電点の異なる複数の領域を有し、
    前記複数の領域は、前記第一の電気泳動支持体の一端から他端に向かって、前記等電点の大きさが昇順に並ぶように設けられる、
    請求項１０に記載の電気泳動装置。
13. 前記担体は、前記複数の領域のそれぞれの間に所定の間隔の隙間を有する、
    請求項１２に記載の電気泳動装置。
14. 前記容器に設けられる一対の第二の電極と、
    前記一対の第二の電極の間に配置される第二の電気泳動支持体と、をさらに備え、
    前記第二の電気泳動支持体は、前記第一の電気泳動支持体の側面に一体として接合される、
    請求項１０〜１３の何れか１項に記載の電気泳動装置。
15. 前記第二の電気泳動支持体と前記第一の電気泳動支持体との間に設けられる隔壁と、をさらに備える、
    請求項１４に記載の電気泳動装置。
16. 前記第二の電気泳動支持体の検出領域に照射された光を受光する検出装置と、をさらに備え、
    前記検出装置は、前記第二の電気泳動支持体を移動している試料を、前記光を用いて電気泳動パターンを再構築することにより検出する、
    請求項１４または１５に記載の電気泳動装置。
17. 試料の電気泳動に用いられる電気泳動支持体の製造方法であって、
    内部に前記試料を含む溶液が流れる複数の空隙を有する担体に対して、前記空隙に面する前記担体の表面にアクセプター型またはドナー型の固定イオンの少なくとも一方をドープする、
    電気泳動支持体の製造方法。
18. 前記担体は、金属酸化物からなる、
    請求項１７に記載の電気泳動支持体の製造方法。
19. 前記固定イオンをドープした前記担体に対して、さらに急速熱アニーリング処理を行う、
    請求項１８に記載の電気泳動支持体の製造方法。
20. 前記担体は、第一の領域と第二の領域とを有し、
    前記担体の前記第一の領域と前記第二の領域とに対して、前記固定イオンの量または種類を変えて前記固定イオンをドープし、前記第一の領域が有する等電点と前記第二の領域が有する等電点とを異ならせる、
    請求項１８または１９に記載の電気泳動支持体の製造方法。

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