JP2002236128A - 多重エジェクタシステム用の検査方法 - Google Patents

多重エジェクタシステム用の検査方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 多重エジェクタシステムに含まれるバイオ流
体吐出エジェクタが正常に動作するか否かを正確に検査
する方法がなかった。 【解決手段】 多重エジェクタシステムに含まれる液滴
吐出ユニットの検査方法であって、流体を吐出させた試
験基板をスキャニングして、特定の液滴吐出ユニットに
対応する真空ユニットが流体を放出したかどうかを検出
することによってと、多重エジェクタシステムの液滴吐
出ユニットが正常に動作しているか否か検査する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生物学的分析物を
作成するように配列された複数のバイオ流体エジェクタ
を実現する多重エジェクタシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】生物学、遺伝学、薬理学及び医学に対す
る試験のような多くの科学的試験は、試験が実行される
バイオ流体液滴のシーケンス又はアレイを用いる。いく
つかの試験では、数千ものバイオ流体の液滴が、様々な
特殊なバイオ流体を含んでいる単一の基板上に滴下され
る。例えば、遺伝的欠陥や他の生化学的異常に対する現
在の生物学的試験では、数千の個々のバイオ流体がガラ
ス基板上の異なった位置に配置される。その後、別のバ
イオ流体が同じ位置に滴下されて、相互作用が得られ
る。この作成された生物学的分析物が、次に、物理的特
性の変化を観察するためにレーザでスキャンされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この場合、液滴吐出装
置が汚染源でないこと、又は、バイオ流体間の相互汚染
を発生させないことが重要である。生物学的分析の液滴
吐出における別の考慮すべき事項は、そのような実験で
使用されるバイオ流体のコストが高いことである。この
ため、生物学的分析を行うために必要なバイオ流体の体
積を最小にすることが望ましい。生物学的分析を行うた
めに使用される現在の装置は、汚染及び相互汚染を避け
るように、バイオ流体の液滴を正確に滴下する能力に欠
けている。現在の装置はまた、望ましい体積以上のバイ
オ流体を使用し、また生物学的分析を行うために時間が
かかる工程を使用している。
【０００４】従って、汚染及び相互汚染を避け、液滴吐
出プロセスの中で少量のバイオ流体しか使用せず、また
生物学的分析の液滴吐出を極めて効率的にかつ経済的に
する高いスループットを実現できるバイオ流体を吐出す
る多重エジェクタシステムの開発が望まれていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】バイオ流体のアレイをプ
リントする多重エジェクタシステムには、プレートの表
面から外側に伸びる複数のピンのセットを有するプレー
トが含まれる。プリント配線基板の表面から伸びる電源
接続ピン及びグラウンド帰還接続ピンの対を有するプリ
ント配線基板が含まれる。複数のバイオ流体液滴吐出ユ
ニットが設けられ、これらのユニットには位置合わせ溝
及びトランスジューサが含まれる。それぞれの複数のバ
イオ流体液滴吐出ユニットは、ピンと位置合わせ溝とを
嵌合することによって、対応するピンのセットの１つに
取り付けられる。電源接続ピンは、それぞれのトランス
ジューサに接続されて動作状態となり、またグラウンド
帰還接続ピンは液滴吐出ユニットのボディ部と接続され
て動作状態となる。液滴吐出ユニットには、基板上に吐
出される種々のバイオ流体が含まれる。バイオ流体を含
んでいる液滴吐出ユニットの確認は、１つの実施形態で
は、光学スキャナを使用することによって行うことがで
きる。規定の位置で液滴を検出することによって、適切
な形状のスポットが基板上に存在し、正確な位置にある
ことが検証される。
【０００６】
【発明の実施の形態】図１は、一つの音響型の液滴吐出
機構１４の中に挿入された単一の試薬カートリッジ１２
を含んだ、液滴吐出ユニット１０の断面図を示す。トラ
ンスジューサ１６には、電源１８によってエネルギーが
供給される。このトランスジューサ１６は、基板２０の
表面に設けてある。基板２０は、１つの実施形態では、
ガラスから作られる。基板２０の反対側の表面上には、
フレネルレンズなどの集束レンズ構造体がパターン化さ
れるか又は配置されている。フレネルレンズの代わり
に、別のタイプの集束構造体も使用することができるこ
とは理解されよう。
【０００７】音響結合層は、音響結合流体２４とするこ
とができ、フレネルレンズ２２と試薬カートリッジ１２
との間に配置される。音響結合流体２４は、音響減衰が
小さいものから選択される。この用途に対して好ましい
音響特性を有する音響結合流体の１つは水である。別の
実施形態では、音響結合流体２４は、薄いグリースの層
とすることができる。グリース結合は、泡が閉じ込めら
れる可能性をできるだけ少なくするために、結合面が比
較的平坦な場合には有用である。
【０００８】基板２０の上部には、チャンバ３０の内側
を規定する壁２６、２８がある。チャンバ３０の中に
は、試薬カートリッジ１２が配置されている。チャンバ
１２の側壁３１は、その外面に膨らんだシール３２を含
む。シール３２はカートリッジ１２をチャンバ３０の中
に固定し、音響結合流体２４をシール３２の下側に保持
する。正確な深さのストッパ３４は、カートリッジ１２
を所望の挿入位置に保持する。薄膜３６はカートリッジ
１２の下面３７に形成され、フレネルレンズ２２のほぼ
上に位置決めされる。膜３６は音響的に薄い膜である。
ここで、音響的に薄いと言うことは、膜の厚さがその入
射音響エネルギーの５０％以上をカートリッジ１２内の
バイオ流体３８に通過させるに十分なほど薄いことを意
味する。
【０００９】動作に当たっては、トランスジューサ１６
を付勢すると音波が放射され、この音波は基板２０を通
過してフレネルレンズ２２に伝搬する。このレンズは、
集束された音響エネルギー波３９を発生する。この音響
エネルギー波３９は、音響結合流体２４及び膜３６を通
過し、バイオ流体３８のバイオ流体のメニスカス４０面
の頂点に達する。集束されたエネルギーをメニスカス４
０に与えると表面で破裂が起こり、その結果、カートリ
ッジ１２から基板４６にバイオ流体の液滴が吐出され
る。吐出されたバイオ流体の液滴は、直径が約15μmま
で小さく出来る。しかしながら、この寸法上の制約は使
用する物理的構成部品に基づいており、音響型液滴吐出
ユニットによって吐出される液滴は、物理的構成部品に
対する設計変更に従ってより大きく又はより小さくする
ことができる。
【００１０】バイオ流体の液滴が吐出される表面は、全
体的に開放とするか又はアパーチャ用プレート又は蓋４
４で覆われるかのいずれかである。この蓋４４には適当
な寸法のアパーチャ４５があり、この寸法は、液滴吐出
との何らかの干渉を避けるために、吐出される液滴の寸
法よりも大きい。アパーチャ４５は、アパーチャ４５全
域に加わるメニスカス４０の表面張力がバイオ流体３８
にかかる重力を十分に超えるような寸法にする必要があ
る。この設計により、試薬カートリッジ１２がアパーチ
ャ４５と下向きに回転する場合、バイオ流体３８がカー
トリッジ１２から落下しないようにできる。アパーチャ
を下向き構造とすることで、ペーパ、ガラス、プラスチ
ック又は他の適当な材料から成る基板４６から落下する
可能性がある材料からバイオ流体３８が清潔に保たれる
利点がある。
【００１１】前述した設計によって、試薬カートリッジ
１２内のバイオ流体３８が隔離されるため、それが液滴
吐出機構１４、又は空気によって運ばれた汚染又は吐出
装置が以前使用したバイオ流体による汚染などの他の潜
在的な汚染物と接触することが防止される。試薬カート
リッジ１２は、音響結合流体２４から薄膜３６によって
分離される。カートリッジ全体は、ポリエチレン又はポ
リプロピレンなどの生物学的に不活性な材料から射出成
形される。カートリッジ１２は、薄膜３６及び音響結合
流体２４を含む結合界面によって、音響型液滴エミッタ
機構１４と動作的にリンクされている。
【００１２】本発明の具体的な設計例では、トランスジ
ューサ及びレンズの直径は約300ミクロンであり、薄膜
３６の厚さは3ミクロンである。この具体的な実施形態
では、焦点距離が約300ミクロンで動作周波数が音響型
液滴吐出機構１４で周知の約150MHzという設計上の制約
のために、メニスカスの位置を理想的な表面レベルから
±5ミクロン以内に維持する必要がある。
【００１３】電源１８は、制御により可変である。電源
１８の出力を変化させることによって、トランスジュー
サ１６が発生するエネルギーを調整し、これにより今度
は、吐出されるバイオ液滴４２の体積を変えることがで
きる。
【００１４】溝付きホールである位置合わせ溝４８、５
０は、音響型の液滴吐出ユニット１０を形成する同じリ
ソグラフィプロセスの中で形成される。これらの位置合
わせ部材は、この説明の以下のセクションの中で記述す
るが、個々の液滴吐出ユニット１０を多重エジェクタシ
ステムの中に挿入する場合に使用される。位置合わせ溝
４８の後の第３の位置合わせ部材は図示されていない。
【００１５】図２及び図３に、単式音響型液滴吐出ユニ
ット６０が示されている。この図面では、吐出用リザー
バ６２及びメインリザーバ６４が、リザーバ結合部６６
により流体連通して配置されている。メインリザーバ６
４及び吐出用リザーバ６２が空の初期充填動作において
は、毛管現象がメインリザーバ６４から吐出用リザーバ
６２へバイオ流体を引き込むことの役に立つ。しかしな
がら、いったんユニットが呼び水されてアパーチャ４５
の底部まで充填されると、液滴が吐出されるにつれて、
メニスカス４０の表面張力の復元が使用され、バイオ流
体がメインリザーバ６４から吐出用リザーバ６２に吸引
される。アパーチャ４５において十分な表面張力を与え
るために、充填ポート６８の競合する表面張力を避ける
ように、アパーチャ４５を充填ポート６８よりもはるか
に小さくすることが重要である。また、アパーチャ４５
の表面張力は、構造体の高さに対する重力よりも大きく
なければならない。これらの力を適当に平衡させること
により、アパーチャの表面張力はバイオ流体を吐出用リ
ザーバ６２内に吸引することができ、メインリザーバ６
４が空になるまで吐出用リザーバ６２を満杯に保つこと
ができる。
【００１６】図２及び図３では、トランスジューサ１６
が基板７０の下面に動作可能状態で接続されており、フ
レネルレンズ２２が薄膜７２の上面に一体化して形成さ
れるため、これらの構成要素は単一のユニット６０の一
部として形成される。この実施形態では、図１の音響結
合層２４は、本発明の単一コンポーネントの使い捨ての
性質のために必要ではない。吐出用リザーバ６２では、
バイオ流体３８はフレネルレンズ２２と直接に接触す
る。メインリザーバ６４は、充填ポート６８から満たさ
れる。位置合わせ溝４８、５０、５２が、図２では示さ
れている。
【００１７】図４及び図５を参照すると、単式の使い捨
て圧電型液滴吐出ユニット８０の側面図及び平面図が示
されている。吐出用リザーバ８２は、リザーバ結合部８
６によってメインリザーバ８４に接続されている。バイ
オ流体が、充填ポート８８を経由してメインリザーバ８
４に供給される。圧電アクチュエータ９０が、吐出用リ
ザーバ８２の下面９２に動作可能状態で接続されてい
る。吐出用リザーバ８２を規定する上面は、中に吐出ノ
ズル９４を形成している。電源９６が、圧電アクチュエ
ータ９０に接続されている。位置合わせ溝９８、１０
０、１０２は、吐出ノズル９４を形成する同じプロセス
の中で形成される。
【００１８】動作に当たっては、圧電アクチュエータ９
０は、電源９６によって始動され、下面９２と共に、印
加電圧に応答してたわみ力を発生する単体構造体を構成
する。たわみ力が加えられると、単体構造体が吐出用リ
ザーバ８２の内側に移動して、吐出用リザーバ８２の体
積を変化させる。これにより、バイオ流体が吐出用リザ
ーバ８２からノズル９４を通って、バイオ流体の液滴と
して吐出される。ノズル９４の寸法は、吐出される液滴
の寸法に対する制御要因である。
【００１９】バイオ流体の液滴が吐出用リザーバ８２か
ら吐出されると、吐出用リザーバ内の表面張力によっ
て、メインリザーバ８４内にあるバイオ流体がリザーバ
結合部８６を通って吐出用リザーバ８２の中に吸引さ
れ、これにより、バイオ流体が補充される。前述した説
明と同様に、充填ポート８８の寸法及び構造体の高さに
対する重力を考慮することにより、十分な表面張力が得
られる。具体例としては、メインリザーバ８４の内部寸
法は、長さが1 cmで高さが2.5 mmとなる。全体的な圧電
型液滴吐出ユニット８０の幅は、図５に示すように5 mm
にできる。複数のバイオ流体を吐出する場合に、この寸
法が小さいことにより、システム構成内に極めて多くの
エジェクタを集合させることができる。
【００２０】図４から理解できるように、圧電アクチュ
エータ９０に接続された下面９２は、全体の圧電型液滴
液滴吐出ユニット８０の中に一体である。この構成で
は、ユニット８０のバイオ流体を消耗すると、ユニット
８０全体を廃棄する。
【００２１】図６及び図７に、使い捨て部分及び再利用
部分を有する複式圧電型液滴吐出ユニット１１０の側面
図及び平面図を示す。使い捨て部分には、吐出用ノズル
１１４を中に一体化している試薬カートリッジ１１２、
及びリザーバ結合部１２０を介してメインリザーバ１１
８に接続される吐出用リザーバ１１６が含まれる。メイ
ンリザーバ１１８からリザーバ結合部１２０経由による
吐出用リザーバ１１６へのバイオ流体の送りは、毛管現
象によって行われる。充填ポート１２２も含まれる。ユ
ニット１１０の再利用部分には、電源１２６によって給
電される圧電アクチュエータ１２４がある。圧電アクチ
ュエータ１２４は、再利用フレーム１２８に含まれる。
【００２２】ポリエチレン、ポリイミド又は他の薄いプ
ラスチックなどの弾力性の薄膜１３２は、吐出用リザー
バ１１６の一部である共に、再利用フレーム１２８の上
面のダイアフラム１３０に接着されている。ダイアフラ
ム１３０はステンレススチールとすることができる。バ
イオ流体の液滴を吐出ノズル１１４から吐出するため
に、ダイアフラム１３０が単体構造体の一部として動作
して、吐出用リザーバ１１６内で必要な体積変化を作り
出すように、圧電アクチュエータ１２４に接合、又は、
他の方法で接合される。カートリッジ１１２の弾力性の
膜１３２は、再利用フレーム１２８内の体積変化を使い
捨て部分に伝えるように動作する。位置合わせ溝１３
４、１３６、１３８は、吐出ノズル１１４を形成するた
めに使用するプロセスと同じプロセスの間に形成され
る。一体的に形成される結果、ユニット１１０を多重エ
ジェクタシステムの中に極めて正確に配置することがで
きる。
【００２３】開示されたバイオ流体液滴吐出ユニットに
は、メインリザーバ及び吐出用リザーバ内の少量のバイ
オ流体を使用して機能する。例えば、メインリザーバは
１例では、満杯の場合、50から150マイクロリットルの
バイオ流体を含み、一方吐出用リザーバは、満杯の場
合、5から25マイクロリットルのバイオ流体を含む。こ
のため、説明されたエジェクタユニットが、極めて少量
のバイオ流体を用いて動作できことが分かる。バイオ流
体液滴はそれ自体、ピコリットルの範囲である。使用さ
れるバイオ流体の多くは高価であるため、少量で動作す
ることはエジェクタユニットについての重要な特徴とな
る。また、極めて少量のバイオ流体しか必要でないた
め、使い捨てのエジェクタユニットを使用することが魅
力的な選択肢になる。
【００２４】以上で説明したユニットは高い効率で動作
し、バイオ流体の残留はほとんど生じないことがわか
る。これはユニット自体の動作上の特徴と、ユニットを
動作させるために少量のバイオ流体しか必要としない事
実との両方による。特に、もともと使用されるバイオ流
体が少量であるため、システム内に残留があるとして
も、動作上の高い効率が達成される。１つの好ましい実
施形態では、通常の動作のもとで８０％以上のバイオ流
体を使用することができる。
【００２５】前述の説明では、メインリザーバには50〜
150マイクロリットル、吐出用リザーバには5〜25マイク
ロリットルあると述べたが、これらの量は使用される液
滴の寸法、実施される吐出量、使用されるバイオ流体の
タイプ、並びに他のパラメータにより変わることがあ
る。
【００２６】メインリザーバと吐出用リザーバとのバイ
オ流体の量の比率は2:1から10:1が好ましい範囲であ
る。この範囲に設定すると、前記開示された実施形態で
は、適した表面張力によって、望ましいわずかな量を使
用しながら、バイオ流体を吸引を実現できる。しかしな
がら、バイオ流体の費用及びエジェクタの使用目的を含
む要因に基づいて、より大きな比率も選択することがで
きる。
【００２７】図８は、本発明に基づいて使用することが
できるプライマー接続体１４０を示す。図８に示すよう
に、このプライマー接続体１４０はノズル９４、１１４
の上に配置される。ノズル９４、１１４は、吐出用リザ
ーバ６２、８２、１１６からバイオ流体を排出するよう
に構成されている。動作に当たっては、プライマー接続
体１４０は、吐出ノズル９４、１１４の上を移動するロ
ボットのように動作する装置である。プライマー接続体
１４０には、真空ユニット１４４に接続される永久ノズ
ル１４２が含まれる。この永久ノズル１４２の周りに
は、エラストマ又は他の好適な接続材料から作られた使
い捨てチューブ１４６が装着される。真空ノズル１４２
は、いったん吐出ノズル９４、１１４の上に来ると、下
側に移動して、使い捨てチューブ１４６をノズル９４、
１１４と緩やかに接触させる。真空引き動作によって、
吐出用リザーバ６２、８２、１１６から空気が吸引され
る。液体検出センサ１４８は、バイオ流体が、吐出用リ
ザーバ内の空気が確実に取り除かれたことを示すよう
に、使い捨てチューブ１４６内のレベルに到達したこと
を検出する。この呼び水動作によって、適切な初期液滴
吐出動作が可能になる。
【００２８】液滴吐出機構の用途は、多数の異なったバ
イオ流体の液滴を含む生物学的分析物を作成することで
ある。今説明したタイプの多数の液滴吐出ユニットを採
用する生物学的液滴吐出システムを以下で説明する。こ
のシステムは、ＤＮＡや蛋白質などの様々な生物学的材
料のアレイを作成することができる。
【００２９】図９は、高密度の生物学的分析の液滴吐出
を可能にする、多重エジェクタシステム（ＭＥＳ）１５
０を示す。この実施形態のＭＥＳ１５０は、各行が１０
０個の液滴吐出ユニットを含む、アレイを１０行有して
いる。本実施形態では、液滴吐出ユニット１５２が第１
の行の第１のエジェクタである。液滴吐出ユニット１５
３は第１の行の１００番目のエジェクタであり、液滴吐
出ユニット１５４は１０番目の行の第１のエジェクタで
あり、また液滴吐出ユニット１５６は１０番目の行の１
００番目のエジェクタである。便宜上、このアレイの１
０００個の液滴吐出ユニットから選択された液滴吐出ユ
ニットだけを示している。別の数の液滴吐出ユニットを
有する多重エジェクタシステムも、本願の概念を用いて
得ることができることが分かる。
【００３０】ＭＥＳ１５０の構成には、円錐チップ状ピ
ン１６０、１６２及び１６４のセットを中に機械加工さ
れたプレート１５８が含まれる。これらのピンはプレー
ト内に正確に製造されて、図１〜図７の位置合わせ溝
（４８〜５２、９８〜１０２、及び１３４〜１３８）に
選択的に取り付けられる。ピン１６０〜１６４を使用す
ることにより、圧電型液滴吐出ユニットのノズル又は音
響型液滴吐出ユニットのアパーチャの適切な位置合わせ
を確実に行うことができる。液滴吐出ユニット１５２〜
１５６は、圧電型又は音響型の液滴吐出ユニットのいず
れかを示していることは理解されよう。
【００３１】プレート１５８は、スチール又は他の適当
な材料から作ることができる。プレート１５８の上面に
は、プリント配線基板１６６が置かれる。電源接続ピン
１６８及びグラウンド帰還接続ピン１７０が、プリント
配線基板１６６の表面から伸びている。これらの接続ピ
ン１６８及び１７０は、一端で液滴吐出ユニット１５４
に接続し、第２の端部でプリント配線基板１６６と接続
する。その上、電源接続ピン１６８はさらに、プリント
配線基板１６６上に配置された電気配線１７２に接続さ
れ、この電気配線１７２は、コントローラすなわちドラ
イバチップ１７４に接続される。ドライバチップ１７４
は、電気配線１７２及び電源接続ピン１６８を介して液
滴吐出ユニット１５４に電力を選択的に供給する。以後
さらに詳細に説明するが、このように選択的に電力を印
加することにより、液滴吐出ユニット１５４を動作させ
る。
【００３２】図のように、液滴吐出ユニット１５４が圧
電型液滴吐出ユニットであるか又は音響型液滴吐出ユニ
ットであるかによって、ノズル又はアパーチャ１７６の
いずれかが含まれる。生物学的分析をプリントするため
に使用されるバイオ流体を入れるための充填ポート１７
８を設ける。各種のバイオ流体を、多重エジェクタシス
テム１５０の異なったエジェクタの中に入れることがで
きる。ピン１６０〜１６４の配置及び位置合わせ溝の配
置を適切に行うことにより、システム１５０の個々の液
滴エジェクタユニットの全体的な配置は、１０００個の
それぞれの理想的な位置に対して確実に行うことができ
る。
【００３３】図１０を参照すると、多重エジェクタシス
テム１５０の単式液滴吐出ユニット１５４の側面図が示
されている。プレート１５８には、前述したピン１６０
及び１６２が含まれている。ピン１６４は、ピン１６０
の背後に配置されているため、この図では見ることがで
きない。プレート１５８の上には、スルーホール１８０
及び１８２を有するプリント配線基板１６６がある。ピ
ン１６４用のさらなるスルーホールも設けてある。この
図で明確に示しているように、接続ピン１６８及び１７
０がプリント配線基板１６６の表面から伸びて、液滴吐
出ユニット１５４の適当な場所に接続している。例え
ば、ドライバチップ１７４から電力を受ける接続ピン１
６８は、圧電型又は音響型の液滴吐出ユニットのいずれ
かのトランスジューサと接続して使用可能となる。電力
を送ることにより、液滴吐出ユニットを起動して、バイ
オ液滴１８４を吐出させる。グラウンド帰還接続ピン１
７０を使用することによって、グラウンド接触が行われ
る。両方の接続ピン１６８及び１７０は、バネ仕掛け機
構であるバネ付ピンとすることができる。このため、液
滴吐出ユニット１５４がピン１６０、１６２、１６４上
に置かれて、ピン１６０〜１６４が対応する位置合わせ
ホールを通過するように下側に押されると、接続ピン１
６８、１７０と液滴吐出ユニット１５４との間でスプリ
ング結合が行われて、前述した電気的接触が可能とな
る。
【００３４】バイオ液滴１８４の重力及び粘性の抗力の
影響力に対抗するために、定位電圧１８８を基板１８６
の後側に配置することができる。これらにより、基板へ
の真っ直ぐな経路から外れるように液滴を動かすことが
できる。定位電圧１８８を使用すると強力な吸引力が提
供されるため、バイオ液滴１８４を基板１８６上に命中
させる精度が増加される。液滴間の相互汚染又は一度発
現させた生物学的分析物の測定ミスを引き起こす可能性
があるため、わずかな液滴の見当合わせのミスを防ぐこ
とは重要である。
【００３５】図１１は、別の多重エジェクタシステム１
９０から選択された液滴吐出ユニット１５４の側面図で
ある。この実施形態では、プリント配線基板１９２はＭ
ＥＳ１９０の一番下側にある構成部品である。電源接続
ピン１９４及びグラウンド帰還接続ピン１９６は、プレ
ート２０２の開口部１９８及び２００を貫通している。
このとき、開口部１９８及び２００をピン１９４及び１
９６から電気的に絶縁する必要がある。前述した説明と
同様に、プレート２０２には、プレートの表面から伸び
るピン２０４及び２０６の複数のセットが付いている。
図９で示したような、セットの中の第３のピンも、図示
はしてないが図１１には設けてある。この後、液滴吐出
ユニット１５４が、前述した方法と同様に、ピン２０
４、２０６及び接続ピン１９４、１９６と結合して配置
される。
【００３６】前述した説明では、図１０及び図１１のピ
ン２０４、２０６は上に液滴エジェクタ１５４を載せる
円錐形ピンとしてきたが、別の実施形態では、これらの
ピンは単に液滴エジェクタを通過させて、液滴エジェク
タが所定のストッパに当たるまで下に動くように設計す
ることができる。これらのストッパは、ピン自体から又
は点線で示すストッパ２０７又は２０８のようにプレー
トから伸びるように配置される。ストッパ２０７及び２
０８は、液滴エジェクタの適切な位置合わせができるよ
うに位置決めされる。この実施形態を採用すると、ピン
２０４、２０６の長さをさらに短くすることができる。
液滴エジェクタを貫通するピンの部分が液滴を吐出させ
る面内に伸びないように、ピンを短くする。図１０に示
した実施形態では、ストッパはプリント配線基板１６
６、１９２に設けることもできる。
【００３７】図１０及び図１１に示した装置のさらに別
の実施形態も考えられる。図１０では１６８、１７０
で、図１１では１９４、１９６で示した２つの接続ピン
すなわちバネ付ピンが電源及びグラウンド帰還を与える
ように示されているが、単一のバネ付ピンを使用するこ
ともできる。単一のバネ付ピンを使用する実施形態で
は、図１０及び図１１の電源ピン１６８又は１９４はそ
のまま使用される。しかしながら、図１０及び図１１の
帰還すなわちグラウンド接触バネ付ピン１７０及び１９
６は、位置合わせ用開口部と相互接続したピン２０４、
２０６で代用して電気的に接地することに取って代える
ことができる。
【００３８】多重エジェクタシステム１５０、１９０
は、単式液滴吐出ユニットに最適であると考えることが
できる。これらの液滴吐出ユニットがバイオ流体を使い
尽くした場合、それらをピンから取り除いて、新しい吐
出ユニットと取り替えることができる。液滴吐出ユニッ
トは、上側に圧力を加えて外すことができるスナップ嵌
め合い接続などの多くの周知の構造を採ることにより、
ピンから取り除くことができる。
【００３９】図１２を参照すると、さらに別の多重エジ
ェクタシステム２１０の平面図が示されている。この実
施形態では、個々の液滴吐出ユニットを取り付ける代わ
りに、サブアレイ２１４のような液滴吐出用サブアレイ
を使用する。具体的に言うと、サブアレイ２１４は、例
えば、液滴吐出ユニットのリソグラフィ形成プロセスに
よって、単一基板上に構成される。サブアレイ２１４を
使用すると、プレート２２０上のピン２１６〜２２０の
セットをより少なくすることができる。しかしながら、
電源接続ピン、グラウンド帰還接続ピン及び電気配線は
少なくすることはできない。さらに、サブアレイ２１４
を使用すると、液滴吐出ユニットの取扱いが一層容易に
なる。個々のエジェクタユニットの寸法が小さいため
に、これらを個々のユニットとして取り扱うと、大きな
サブアレイを使用する場合とは対照的に、システムの複
雑性が増加する。その上、サブアレイを形成すると同時
に高精度の位置合わせをすることができるので、サブア
レイを使用することにより、一層正確な位置合わせが可
能となる。
【００４０】液滴エジェクタの位置決めをさらに改善す
るために、図１０〜図１２に関連して説明したような接
続ピンは、ある程度の柔軟性をピン構造体の中に持たせ
るように設計される。この柔軟性はいったんピンに接続
された液滴エジェクタに対して、さらに微細な位置合わ
せを行う場合に有用である。プレート及びそこから伸び
るピン並びに液滴エジェクタ上の接続ホールの製造が高
精度で行われる一方で、スプリング又は柔軟性を持たせ
るようにピンが設計されることで、さらなる位置合わせ
精度を得ることができる。このようなピンによって、エ
ジェクタが正確に吐出位置に整列するように、液滴エジ
ェクタが水平方向のＸ及びＹ面内で動くことができるよ
うになる。別の実施形態では、液滴エジェクタユニット
内に形成されるスルーホールをスプリング又は柔軟性の
円周材を用いて製造することで、ピンと確実に接続する
と共に、Ｘ、Ｙの水平方向の面内で柔軟に動くことがで
きるようになる。
【００４１】さらに、液滴エジェクタの位置合わせ溝
は、Ｖ溝又はエジェクタをより正確に位置合わせするた
めにピンを動かすことができる別の設計によって形成す
ることもできる。そのような位置合わせ用の素子及び処
理は、位置合わせの分野では周知である。
【００４２】さらに、前述した実施形態では、液滴エジ
ェクタユニットを保持するピンのセットは３つのピンを
使用しているが、他の配列のピンのセットも可能であ
る。例えば、場合によっては、２ピン、４ピン又は他の
ピンセットの配列が最適になる。
【００４３】図１０及び図１１は、圧電型液滴吐出機構
及び音響型液滴吐出機構の両方について、単式液滴吐出
ユニットを使用する多重エジェクタシステムを示した。
図１３〜図１６には、複式圧電型液滴吐出機構及び複式
音響型液滴吐出機構についての、多重エジェクタシステ
ム構成の側面図が示されている。
【００４４】図１３は、多重エジェクタシステム２３
０、及び、このシステムの１つの液滴吐出ユニット２３
２の側面図を示す。液滴吐出ユニット２３２は、ピン２
３４及び２３６に結合されている。前述した実施例や以
下に述べる全ての実施例と同様に、図面では見えない
が、例えばピン２３４の背後に、別のピンもある。この
システム２３０では、電源接続ピン２３８及びグラウン
ド帰還接続ピン２４０が、プリント配線基板２４２から
伸びている。電源接続ピン２３８はトランスジューサ２
４４と接続して動作可能となり、電力がコントローラす
なわちドライバチップから電源ピン２３８に電気配線を
経由して供給されると、トランスジューサ２４４が起動
されて液滴を吐出ノズル２５０から吐出させる。
【００４５】図１３の液滴吐出ユニットのバイオ流体が
使い尽くされると、流体を含むユニットの部分のみが取
り除かれる。前述したように、トランスジューサの部分
はシステム内に残される。図１４は、流体を含むユニッ
トの部分が除かれたことを示している。バイオ流体保持
部分２５２が、ピン２３４及び２３６から外されてい
る。トランスジューサ２４４は、電源接続ピン２３８と
接触したままである。このため、電源接続ピン２３８と
トランスジューサ素子２４４との間の接続は半永久的で
ある。
【００４６】図１５及び図１６を参照すると、複式音響
型液滴吐出機構を使用する多重エジェクタシステム２６
０の構成が示されている。図１５では、液滴吐出ユニッ
ト２６２はプレート２６８の適当なピン２６４、２６
６、並びにプリント配線基板２７４の電源接続ピン２７
０及びグラウンド帰還接続ピン２７２と接続され動作可
能となる。試薬カートリッジ２７６内に保持されたバイ
オ流体が使い尽くされると、試薬カートリッジ２７６は
除かれる。図１６はこの状態を示している。試薬カート
リッジ２７６を除いた場合、トランスジューサ／レンズ
装置２７７を含む液滴吐出ユニット２６２の残りの部分
は、接続ピン２７０及び２７２との接続を持続する。
【００４７】図１３〜図１６では、初めのバイオ流体の
カートリッジを外した後で、代わりのバイオ流体のカー
トリッジをシステムの中に挿入することができる。これ
らの代わりのバイオ流体のカートリッジの挿入は、ロボ
ットを使って行うことができる。前述したシステムは、
図１２のサブアレイを用いて実行することができる。さ
らに、図１０〜図１２に関連して説明した別の実施形態
は、図１３〜図１６の装置に等しく適用できる。
【００４８】前述したように、本発明は、小さな面積の
中に多数の液滴吐出ユニットを有する多重エジェクタシ
ステムである。吐出される液滴は、生物学的分析に使用
されるバイオ流体である。吐出された液滴が適切に形成
され、適切に配置され、また意図された吐出位置に一致
することが、本発明の使用目的に対して重要である。特
定の生物学的分析に使用される多数の異なったバイオ流
体があるため、目指すバイオ流体が目標とする液滴エジ
ェクタの中に配置される保証があることが重要である。
ＭＥＳにバイオ流体が適切に充填されていることを確認
する１つの方法は、各液滴吐出ユニットのバイオ流体の
チャンバ内に蛍光マーカーを設置することである。蛍光
マーカは特定の液滴吐出ユニットに固有であるため、適
切な流体が意図した位置の適切な液滴吐出ユニットから
吐出されていることを確認することができる。
【００４９】図１７には、液滴吐出ユニット２８６の充
填ポート２８４を介してバイオ流体２８２を供給するた
めのロボット充填システム２８０が示されている。ロボ
ットシステム２８０は、図面では単純化されている。例
えば、システム２８０には、液滴吐出ユニット２８６に
バイオ流体及びマーカを分配する別個の分配ヘッドが含
まれる。多くの異なった物質を液滴吐出ユニットに分配
することができるシステム２８０は、この技術分野では
周知である。充填動作は、液滴吐出と同じ位置又はこの
位置から離れた位置で行うことができる。具体的には、
液滴吐出ユニット２８６は充填され、次に、多重エジェ
クタシステムの位置に送られる。到着すると、液滴吐出
ユニット２８６はここでシステムの中に設置される。あ
るいは、液滴吐出ユニット２８６は多重エジェクタシス
テムの設置されたままで充填される。
【００５０】本願で提供する品質管理方法及び品質管理
工程は、バイオ流体が実際に液滴エジェクタの中に充填
されたことを確認するための試験を行う。
【００５１】この品質管理を行う１つの実施形態は、液
滴吐出動作の前に行われる。特に、いくつかの実施形態
では、初期準備動作が行われることに注意されたい。こ
の考えは、例えば、本願の図８の中に示されていた。真
空システム１４４は、真空にしてバイオ流体を液滴吐出
ユニットから吸引する。この動作の間に、吐出チャンバ
内に含まれたある量のバイオ流体が、図８の使い捨て使
い捨てチューブ１４６の少なくとも一部の中に吸引され
る。このため、永久ノズル１４２及び／又は使い捨てチ
ューブ１４６は、初期準備動作の間に吐出された少量の
流体を保持する。自動的に制御された初期準備装置が、
図１８の基板３０２上に移動され、真空装置を逆転させ
ることにより、ノズル１４２及び／又はチュービング１
４６内の材料が基板３０２上に吐出される。このよう
に、初期準備用液滴３００が基板３０２上に形成され
る。各液滴吐出ユニットに対して別々の永久ノズル１４
２及び使い捨てチューブ１４６を用いることが必要であ
る。
【００５２】つぎに、周知のスプリング動作によって、
基板３０２を液滴の有無を検出する光学スキャナシステ
ム３０４に通過させる。コントローラ３０６は、例え
ば、液滴の位置をノズルとマッチングさせる相関テーブ
ルを持っている。これにより、特定の液滴吐出ユニット
が対応付けられる。液滴が適当な位置で検出されない場
合は、液滴吐出ユニットが正しくバイオ流体を搭載して
いないか又は適切に初期準備されていないことを示して
いる。
【００５３】別の実施形態では、基板３０２上の液滴
は、初期準備機構を使用することによって得ることはで
きないが、初期準備動作が行われた後に得られる。この
実施形態では、試験サンプルが、生物学的分析の初期準
備の前に作成及びスキャンされる。動作前試験は、液滴
吐出ユニットが充填されて、用意されているかどうかを
検出するだけではなく、複数の液滴吐出ユニットのそれ
ぞれが動作可能な状態にあることを検出する。特に、個
々の液滴吐出ユニットのプリントヘッドが動作していな
い場合、液滴はスポットを置くべき基板上には検出され
ない。このことは、液滴吐出ユニットが正しく搭載され
ていないか、又は正しく用意されていないことを示して
いる。いずれの場合でも、検出された液滴吐出ユニット
をより詳細に調査する必要がある。このため、この動作
前試験は、バイオ流体の搭載を検証することだけでな
く、適切な吐出動作が行われていることを検証するため
に使用することができる。前述した実施形態では、全て
の液滴エジェクタに対して、バイオ流体の適切な配置及
び液滴エジェクタの動作が確認試験される。別の実施形
態では、各液滴吐出ユニットよりも少ない数が試験され
る。このシナリオでは、サンプリング動作を行って、シ
ステムが動作しているかどうかを決定する。このサンプ
リングは、動作確認に各液滴吐出ユニットをチェックす
るのではなく統計的な基準を使用している点で、前述し
た実施形態より正確ではない。この運用の利点は、試験
速度が増加することである。
【００５４】図１９は、多重エジェクタシステム内の液
滴吐出ユニット３１２のような液滴吐出の適切な動作を
検出するための別の実施形態を示している。具体的に
は、レーザビーム３１５が液滴吐出ユニット３１２によ
って吐出されたバイオ液滴３１６を横切るように、レー
ザ３１４が配置されている。レーザビーム検出器３１７
が、レーザ３１４から入る信号を検出するように配置さ
れている。このシステムは、液滴吐出ユニット３１２か
ら飛行する液滴に対するレーザ散乱動作を利用してい
る。検出器３１７からの検出結果は、コントローラ３１
８に送られる。このコントローラ３１８は、液滴吐出ユ
ニットが適切に動作しているかどうかを確定するために
どの液滴吐出ユニットを試験するかを決定する。この図
は単一の液滴吐出ユニットを示しているが、複数のレー
ザ３１４及び検出器３１７のシステムを導入して、複数
の液滴吐出ユニットを同時に検証することもできる。各
液滴吐出ユニットを試験するために、多重エジェクタシ
ステムを移動させ、又は、レーザ３１４及び検出器３１
７の組合わせを多重エジェクタシステムの全体にわたっ
て移動させることもできる。検出機構の変形例は、当業
者には周知であろう。
【００５５】以上説明したように、多重エジェクタシス
テムは、１００から１０００以上の範囲にわたる複数の
液滴吐出ユニットを極めて小さくコンパクトな面積の中
で動作させることが目的であり、適切な動作についての
検証は、液滴の位置決めの品質及び精度を向上させる重
要な利点である。このため、場合によっては、２つ以上
の実施形態が一つのシステムに用いられる。これによ
り、バイオ流体が適切に液滴吐出ユニットの中に充填さ
れたこと、初期準備動作が適切に行われたこと、また液
滴吐出ユニットが実際に正しく動作していることの確実
性が向上する。
【００５６】概略検査、すなわち初期準備試験の実施形
態では、実施形態の中で開示された光学スキャナ３０４
は、液滴の位置及び組成の特異性はプライオリティが高
く場合に、バイオ流体の存在のみを検出する試験に用い
ることができる。他方、より精巧なスキャニング動作を
初期準備後の液滴に対して行うことで、液滴の存在だけ
でなく、それらの位置、組成及び寸法についてのより詳
細な検証を確実できる。
【００５７】図２０を参照すると、本発明の動作可能シ
ステム３２０が示されている。このシステム３２０に
は、バイオ流体の液滴を受けることができる基板ロール
３２２が含まれる。この基板は、周知の基板運用機構に
よって、多重エジェクタシステム３２４を通過するよう
に移動される。この多重エジェクタシステム３２４に
は、移動する基板上の所定の位置にバイオ流体の液滴を
滴下するように配列された、複数の液滴吐出ユニットが
含まれる。１つの実施形態では、全ての液滴吐出ユニッ
トが、通過する基板上に絶えず液滴を吐出する。液滴が
確実に適切に配置されるように、基板の速度がコントロ
ールされて、生物学的分析物３２６を作成する。次に、
生物学的分析物３２６は、光学スキャナシステム３２８
を通過する。この構成では、生物学的分析物３２６内の
各液滴が試験されて、適切な吐出動作が確認される。こ
のため、前述した実施形態では、多重エジェクタシステ
ムの試験は生物学的分析の液滴吐出の前に行われたが、
この実施形態では、作成された各生物学的分析物のそれ
ぞれ又はいくつかのサブセットが試験される。作成され
た生物学的分析物は、連続ロール３２２上に保持される
か、又は、シートに別々に切り離される。
【００５８】滴下された基板上のバイオ流体についての
実際の試験は、液滴間の何らかの相互作用を発見するこ
とが目的である。このため、システム３２０は、単一の
スペースに２つ以上の液滴を吐出することができる。ま
たは、点線で示したさらに別の多重吐出システム３３０
をシステム３２０の中に備えて、第２の液滴のセットを
提供することができる。さらに別の光学スキャナシステ
ム３３２をこの場合も備えて、第２の液滴が適切に吐出
されているかどうかを検出できる。２つ以上の多重エジ
ェクタシステムに対して単一の光学スキャナシステムし
か備えていない場合、最後の液滴が吐出された後に検出
が行われる。
【００５９】音響型液滴吐出ユニット及び圧電型液滴吐
出ユニットについての実施形態を述べているが、本発明
は、他の液滴吐出機構及び汚染を避けることが有益なバ
イオ流体以外の流体に対しても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 音響型液滴吐出機構内に挿入された試薬カー
トリッジの断面図である。
【図２】 別の実施形態の単式音響型液滴吐出機構の平
面図である。
【図３】 別の実施形態の単式音響型液滴吐出機構の側
面図である。
【図４】 単式圧電型液滴吐出機構を示す図である。
【図５】 単式圧電型液滴吐出機構を示す図である。
【図６】 複式圧電型液滴吐出機構を示す図である。
【図７】 複式圧電型液滴吐出機構を示す図である。
【図８】 単式及び複式圧電型液滴吐出機構に使用され
る使い捨て式プライマー接続体を示す図である。
【図９】 多重エジェクタシステムを示す図である。
【図１０】 単式のエジェクタ機構を有する多重エジェ
クタシステムの側面図である。
【図１１】 単式のエジェクタ機構を有する多重エジェ
クタシステムの別の実施形態を示す図である。
【図１２】 エジェクタのサブアレイで構成される多重
エジェクタシステムの正面図である。
【図１３】 複式圧電型液滴エジェクタが設置された多
重エジェクタシステムを示す図である。
【図１４】 複式圧電型液滴エジェクタが取り外された
多重エジェクタシステムを示す図である。
【図１５】 複式音響型液滴吐出エジェクタが設置され
た多重エジェクタシステムを示す図である。
【図１６】 複式音響型液滴吐出エジェクタが設置され
た多重エジェクタシステムを示す図である。
【図１７】 バイオ流体を供給するロボット充填手段を
示す図である。
【図１８】 本発明による初期準備試験を示す図であ
る。
【図１９】 液滴エジェクタの動作確認用のレーザ散乱
検出器を説明する図である。
【図２０】 本発明を用いたシステムを説明する図であ
る。
【符号の説明】
１４ 音響型液滴吐出機構、１２，１１２，２７６ 試
薬カートリッジ、１０，１５２，１５３，１５４，１５
６，２３２，２６２，２８６，３１２ 液滴吐出ユニッ
ト、１６，２４４ トランスジューサ、１８，９６，１
２６ 電源、２０ 基板、２４ 音響結合層、２２ フ
レネルレンズ、３０ チャンバ、２６，２８ 壁、３１
側壁、３２ シール、３４ ストッパ、３６，７２
薄膜、３７ 下面、３８，２８２ バイオ流体、３９
音響エネルギー波、４０ メニスカス、４６，１８６，
３０２ 基板、４４ 蓋、４５ アパーチャ、４２，１
８４，３１６ バイオ液滴、４８，５０，５２，９８，
１００，１０２，１３４，１３６，１３８ 位置合わせ
溝、６０ 単式音響型液滴吐出ユニット、６２，８２，
１１６ 吐出用リザーバ、６４，８４，１１８ メイン
リザーバ、６６，８６，１２０ リザーバ結合部、６
８，８８，１２２，１７８，２８４ 充填ポート、８０
圧電型液滴吐出ユニット、９０，１２４ 圧電アクチ
ュエータ、９２下面、９４，１１４，２５０ 吐出用ノ
ズル、１１０ 複式圧電型液滴吐出ユニット、１２８
再利用フレーム、１３０ ダイアフラム、１３２ 弾力
性の膜、１４０ プライマー接続体、１４２ 永久ノズ
ル、１４４ 真空ユニット、１４６ 使い捨てチュー
ブ、１４８ 液面検出センサ、１５０，１９０，２１
０，２３０，２６０，３２４，３３０ 多重エジェクタ
システム（ＭＥＳ）、１５８，２０２，２２０，２６８
プレート、１６０，１６２，１６４ 円錐チップ状ピ
ン、１６６，１９２，２４２，２７４ プリント配線基
板、１６８，１９４，２３８，２７０ 電源接続ピン、
１７０，１９６，２４０，２７２ グラウンド帰還接続
ピン、１７２ 電気配線、１７４ ドライバチップ、１
７６ ノズル又はアパーチャ、１８０，１８２ スルー
ホール、１８８ 定位電位、１９８，２００ 開口部、
２０４，２０６，２１６，２１８，２２０，２３４，２
３６，２６４，２６６ ピン、２０７，２０８ ストッ
パ、２１４ サブアレイ、２５２バイオ流体保持部分、
２７７ トンラスジューサ及びレンズ部分、２８０ ロ
ボット充填システム、３００ 初期準備用液滴、３０
４，３２８，３３２ 光学スキャナシステム、３０６，
３１８ コントローラ、３１４ レーザ、３１５レーザ
ビーム、３１７ レーザビーム検出器、３２０ 動作可
能システム、３２２ 基板ロール、３２６ 生物学的分
析物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャン ノーランディ カナダ オンタリオ州 ミッシソーガ ソ ーミル バレー ドライブ 3480 (72)発明者 ディビッド エイ ホリン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 ロス アルトス グレイ ドライブ 1675 (72)発明者 バブル ビー バディミオグル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 マウ ンテン ビュー オークツリー ドライブ 323 Ｆターム(参考） 2G052 AA28 AD26 CA11 DA05 HA12 HC02 HC03 HC07 2G058 CA01 CC02 EA01 EB12 ED32 GE01 GE04

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多重エジェクタシステムに含まれる液滴
    吐出ユニットの検査方法であって、 弾力性のチューブが周りを取り巻いている永久ノズルを
    有する真空ユニットを備えた初期準備システムを、多重
    エジェクタシステムの液滴吐出ユニットに接触させるス
    テップと、 液滴吐出ユニット内に存在する流体を、少なくとも１つ
    の永久ノズル及び弾力性のチューブの中に吸引させる吸
    引動作を実施するステップと、 初期準備システムの多重エジェクタシステムとの接触を
    外すステップと、 初期準備システムを試験基板上に移動させるステップ
    と、 吸引動作を逆転させて、永久ノズル又はチューブ内の流
    体を試験基板上に吐出させるステップと、 試験基板をスキャニングして、特定の液滴吐出ユニット
    に対応する真空ユニットが流体を放出したかどうかを検
    出するステップと、 スキャニングから、多重エジェクタシステムの液滴吐出
    ユニットが流体で充填されているかどうかを確定するス
    テップと、 を備えることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の液滴吐出ユニットの検
    査方法であって、 多重エジェクタシステムの各バイオ流体の液滴吐出ユニ
    ットを検査することを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 多重エジェクタシステムの適切な動作の
    検査方法であって、 液滴吐出ユニットを試験基板の上に配置するステップ
    と、 多重エジェクタシステムを試験モードで動作させて、液
    滴を試験基板上の所定の位置に放出させるステップと、 試験基板をスキャナを使用することによりスキャニング
    して、前記所定の位置に流体の液滴が含まれているか否
    かを確定するステップと、 スキャニングから、多重エジェクタシステムの各液滴吐
    出ユニットが液滴を放出したか否かを、前記所定の位置
    と液定吐出ユニットの位置に関連付けることによって確
    定するステップと、 を備えることを特徴とする方法。
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