JP2002509023A - 所定容量の液体を分配する装置 - Google Patents

所定容量の液体を分配する装置

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JP2002509023A JP2000539934A JP2000539934A JP2002509023A JP 2002509023 A JP2002509023 A JP 2002509023A JP 2000539934 A JP2000539934 A JP 2000539934A JP 2000539934 A JP2000539934 A JP 2000539934A JP 2002509023 A JP2002509023 A JP 2002509023A
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ロバート コーレス，アンソニー
エドワード アンドリュー シャウ，ジョン
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Abstract

(57)【要約】 所定容量の液体（１８）を分配する装置は、液体の貯蔵器（１２）と、液体（１８）が貯蔵器から運ばれる出口（１６）が設けられた通路（１３）と、ガスのパルスを発生する手段とを具備している。前記装置はガスの流れが所定容量の液体を出口から射出させるように配置されている。出口は通路に相互に対面する一対の開口を具備し、液体がガスの流れのないとき表面張力によって開口の間に保持される。ガスの流れは使用時前記開口の一方に向けられる。前記装置は１nlから２μｌの範囲の液体試薬の容量を分配するのに用いられる。装置は液体の汚染をなくし、分配ヘッド構造が装置を低コストの使い捨てユニットとなるようにする。本装置は現存する装置よりも液体の粘性に対し感度が低い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は所定容量の液体を分配する装置に関し、前記液体の供給源又は貯蔵器
と、前記液体を供給源又は貯蔵器から出口に運搬するための出口が設けられた通
路と、ガスのパルスを発生させる手段とを具備し、使用時前記ガスのパルスが所
定容量の液体を前記出口から射出させるように構成され配置されている、所定量
の液体を分配する装置に関する。本発明は特に、これに限るものでないが、生化
学的試薬を分配する装置に関する。生化学的試薬を分配する調合器は小容量の液
体、普通には０．１nlから１００μｌの範囲の液体を分配するための非接触手段
を設けることがある。インク噴射印刷技術に基づく調合器が最も一般的に０．５
nlから１０nlの範囲の容量を分配するのに適用される。
【０００２】 試薬の正確で迅速な分配は高処理能力の用途において非常に重要である。試薬
と複合薬品を含む合成物のための溶液との自動分配のためと化学的及び生化学的
試験のためとに用いることのある調合器は以後試薬調合器と称される。
【０００３】 試薬調合器は「分析化学第６９巻第４号、１９９７年２月、第５４３頁」に発
表された「結合ライブラリー合成のためのインク−ジェット薬品微小調合器の特
徴」という表題の記事に記載されている。この調合器は複雑であり、試薬を分配
する加圧ガスの分配を制御するため３つの異なる型のソレノイド弁を必要として
いる。
【０００４】 もう１つの装置が国際特許出願ＷＯ９７１５３９４号に発表されている。この
装置は穴が頂部の大きな開口と底部の小さな開口とを有しこの穴を通って液体が
液体の頂面に圧力パルスが加えられた時に射出される、多数穴のプレートからな
っている。
【０００５】 本発明の第１の形態によれば請求項１から１０に記載された装置が提供される
。本発明の第２の形態によれば請求項１１から１５に記載された液体処理装置が
提供される。
【０００６】 公知の調合器は現在及び将来の要求を満たすのに十分に小さい量の液体を分配
することについて困難性を有している。さらにまた、生化学的用途において分配
されなければならない液体は粘性が著しく変化しまた熱、圧力及び／又は液体剪
断力に対して敏感であり、このため通常のインク−ジェット分配技術の利用が極
めて困難となる。
【０００７】 異種の試薬液による分配機構の相互汚染は化学的及び生物的合成物の分配と試
験との使用において他の問題となる。液体処理構成要素が安価でありまたそのた
め使い捨て可能であり高価な信頼性のない洗浄処理の必要性を減少させるように
すべきである。公知のインク−ジェット機構に基づく装置は分配された液体に接
触する比較的複雑な構成要素を必要とし、また一般に使い捨て可能な構成要素と
して処理するには高価すぎる。
【０００８】 本発明は、再生できる液体の点滴が収集場所に接触せずに反覆して発生されま
た点滴射出力が別の空気又はガスの流れ制御装置によって得られる１つ又は複数
の収集場所に液体を迅速に分配する簡単な構造を提供することができる。この構
造は作動要素を空気又はガスの流れに対して制限することができるようにし、分
配された液体と接触せずまた汚染の生じることがないようにする。この簡単な構
造は低コストの製造ができるようにする。
【０００９】 点滴作動機構が分配される液体に接触し又はこの液体の中に浸漬される通常の
インク−ジェット印刷機構の性能はこの液体の粘性により著しく影響される。本
発明は作動機構が液体に直接接触せず又は液体により影響されず、種々の液体の
粘性に対処できるよう大幅に調節できる手段を提供する。液体のスラグが薄い平
面のシートのオリフィスの間に閉じ込められるこの簡単な幾何学形状は液体の粘
性に強く依存しない射出力を生じる。
【００１０】 試薬分配装置における故障の共通の原因は試薬が分配される浅い穴（典型的に
はトレイ上に一列に配置される）の底部からの化学溶剤のはね飛ばしである。こ
の結果液体は近接した穴の中に流出する。これは公知の調合器の実施を制限して
きた。
【００１１】 本発明は、生化学において普通の溶液及び液体の粘性の範囲で例えば１nlから
１μｌの範囲に選択された液体容量を分配するよう構成することができ、良好な
容量制御と適当な反覆速度とを有する装置を提供する。
【００１２】 本発明は添付図面を参照して実例を示すことにより、以下にさらに詳細に記載
される。
【００１３】 図面を参照すると、調合器１０は少なくとも１つの貯蔵器１２を具備している
。貯蔵器１２には分配ヘッド１４に通じる液体流路又は通路１３が連結されてい
る。分配ヘッド１４には、この実施例では少なくとも一対のオリフィス又は開口
１６によって区画形成された出口が設けられる。オリフィスの対１６は試薬１８
の選択的な分配を可能にする。オリフィスの対１６への試薬１８の分配は流体力
学的及び／又は毛細管の力によって駆動される流路１３に沿った流れによって行
われる。オリフィスは分配ヘッド１４を区画形成する近接した平面シート２０ａ
と２０ｂに区画形成される。液体は毛細管の力（すなわち表面張力）によって分
配ヘッド１４に対を形成するオリフィス１６の間に閉じ込められる。オリフィス
１６の間の空間を充たし液体をこの空間にガス圧力パルスにより射出されるまで
閉じ込める条件は通路とオリフィスの寸法と静水圧力と調合器を構成するのに用
いられる材料の湿潤性とを制御することにより設定される。図１，２，５及び６
に示されるように、貯蔵器の充填高さがオリフィス１６から液体を追い出すよう
にする流体力学的圧力を発生する場合には、図１のシート２０ａと２０ｂの外側
表面として材料を選択しそれによりこの材料が液体によって優先的に湿潤されな
いようにすることが必要である。調合器を形成するシートは異なった湿潤特性が
得られるよう積層体として形成され又は被覆される。図５と６において内側表面
２３は液体によって優先的に湿潤され、一方外側表面２４は液体によって優先的
に湿潤されないようにする。シートにより区画形成された構造を充填する液体の
流体力学的圧力はオリフィス１６の泡圧力以下に設定される。試薬１８が、圧力
源（図示しない）によりオリフィス１６の平面に実質的に直角の、したがってま
た試薬供給方向に直角の矢印Ａの方向に供給されるガスのパルスにより、オリフ
ィスの一方を通って射出される。試薬１８は微細繊度プレート２２の形式とする
ことのできる複数の穴２１の中に分配される。プレート２２の穴（凹み）はその
内面に塗布されてはね飛ばしを減少させる微細織成の仕上げ塗りを有している。
プレート２２の隣接穴の間の間隔は近接する分配ヘッド１４の間の間隔と同じで
ある。分配された試薬１８は、シート２０の局部領域に作用し液体をオリフィス
１６に向って推進させる流体力学及び毛細管の力によって推進される流れにより
補充される。
【００１４】 分配ヘッド１４から射出するためすでに保持されている試薬の容量は対を形成
するオリフィスの重合部分と射出方向のオリフィスの分離とによって、決定され
る。ガスパルスの中間経路における試薬１８の容量が分配される。ガスパルスの
持続時間が充填されるべき２つのオリフィスの間の空間に要する時間と比べて短
かったならば、各ガスパルスによって分配される試薬の容量は良好に規定され再
現される。微細穴プレート２２（図２に詳細に示されている）の穴２１への試薬
１８の分配は、ガスパルスの発生と調合器１０に対する微細穴プレートの位置決
め及び変位とを同時に制御することにより達成される。
【００１５】 オリフィスに近接した液体がガスの流れに引込まれなかったならば、分配作用
が本質的に液体から規定されたほぼ円筒形の容量を射出する。各パルスに分配さ
れる試薬が良好に規定され再現可能となる条件は、まずガスパルスの持続時間を
上記したオリフィスの対１６を再充填するための時間に比べて短くなるようにし
次にオリフィスの対により区画形成された開口への液体の流れを部分的に妨げる
固体構造を設けることによって、達成される。これはこの固体構造２５が別体の
構成要素の多孔体とされ又はオリフィスが区画形成される平面材料から形成され
る図６に示されている。この固体構造２５は一般に１０nlより大きい点滴をつく
り出すよう形成された調合器にとって必要とされるにすぎない。
【００１６】 図１に示されるオリフィス１６は細かい網又は格子（図示しない）にとって代
えることができる。この網又は格子は射出ガスパルスが加えられるまで低い表面
エネルギーの液体が支持されるようにする。本発明のこの形態はしたがって低い
表面エネルギーを有する液体が分配されるようにする。
【００１７】 本発明では毛細管作用、重力及び外部圧力の組合せが液体を貯蔵器からオリフ
ィスの対に供給する。オリフィスの対を区画形成する平面に本質的に直角な（本
質的にはオリフィスの対の共通軸線に沿う）オリフィスの対を区画形成する平面
に本質的に直角の短時間作用の力を加える手段が表面張力に打ち勝ち割り切れる
数の液体を射出する。この割り切れる数の容量はオリフィスの平面寸法と共通の
軸線に沿ったオリフィスの間の間隔と液体表面の凹面を区画形成する表面張力と
によって本質的に決定される。
【００１８】 本発明による調合器は、液体射出場所を提供する導管を横切って形成され相互
に対面する１つ又は複数の重なるオリフィス対を有する通路又は導管を形成する
ことによって構成することができる。この導管は、シートと液体射出場所を得る
よう配設されたシートを貫通して形成された１つ又はそれ以上の重なるオリフィ
ス対との間に液体の流れが分配されるようにするに十分なシートの組の間に空間
をおいて、平面シート材料の間に形成される。これらオリフィスは、整列された
別々のシートに形成され又は導管を構成した後にシートを貫通して形成される。
これらシートの間の空間はスペーサ要素、液体の案内、及び多孔性材料を収容す
ることができる。
【００１９】 本装置の作用の基礎となっている物理的な原理から逸脱しない他の構造が可能
であることが理解される。例えば、導管又は通路が、円形毛細管のような毛細管
チューブに形成され、そこにオリフィスがチューブ壁を通して穴あけされ又は機
械的、化学的、光学的又は他の機械加工手段によって導入される。この場合、そ
の効果が特定寸法に関する幾何学的計算によって得られる簡単な同一平面の幾何
形状の場合に比べて分配される容量に変動が生じるようになる。
【００２０】 調合器を介しての分配液体のオリフィス対への供給と対を形成するオリフィス
の間の空間の充填は毛細管作用のみによってもしくは静水圧力によって又は毛細
管の力と静水の力との組合せによって行われる。静水の力は上昇された液体貯蔵
器もしくはポンプのような液体に力を加える他の装置又は加圧されたガス圧力貯
蔵器への連結によって発生される。液体は毛細管の力がオリフィスの対の一側に
加えられるガス圧力パルスによって得られる射出衝撃により打ち負かされるまで
、毛細管の力によって、対を形成するオリフィスの間に保持される。
【００２１】 貯蔵器の液体の液面がオリフィスの対より下側となる場合のように、液体貯蔵
器が分配ヘッドに接続されそれにより静水圧力が液体をオリフィスの対に押し通
さなくなった場合は、毛細管作用が必要となり液体を調合器を通って吸引し対を
形成するオリフィスの間の空間に流出させる。オリフィス対への導管の内側の表
面の少なくとも一部分とオリフィスの内側表面とは分配液体によって優先的に湿
潤される材料で形成される。優先的に湿潤されるとは材料の上の液体の点滴の内
部の接触角が９０度より小さいことを意味する。オリフィスの寸法と毛細管供給
に一致する貯蔵器の液面からの毛細管供給の垂直高さとの上限は、多くの標準テ
キストに見出される毛細管定数又は上昇に関する表現を用いて、液体密度、表面
張力、接触角及び寸法から容易に得られる。
【００２２】 液体を分配ヘッドを通って推進し対を形成するオリフィスの間の空間を充たす
のに十分な静水圧力が得られた場合、オリフィスの周りの少なくとも外側表面に
分配液体により優先的に湿潤されない材料を設けることが必要となる。調合器が
シート材料から形成されまたシートの間の寸法とシートの間に容易に湿潤される
材料の存在に依存する場合は、これらシートは一部が又は全体が分配液体によっ
て優先的に湿潤されない材料で形成される。優先的に湿潤されないことにより、
液体の点滴と材料の表面との間に形成される接触角が９０度より大きいことが理
解されるであろう。分配液体が水溶液である場合はシート材料又はオリフィス対
の少なくとも周りのシート材料の外側被膜としてＰＴＦＥ又は同様の合成物のよ
うな低いエネルギーの表面材料を用いるのが好ましい。オリフィスの寸法の限界
と対を形成するオリフィスの間の液体の毛細管の力による保持に一致する静水圧
力の限界とは、多くの標準テキストに見出される泡圧力に関する表現を用いて、
静水圧力、表面張力、接触角及び寸法から容易に得られる。
【００２３】 毛細管作用のみで液体を調合器とオリフィス対の間の空間とに推進させる場合
には分配液体により優先的に湿潤されないオリフィスに近接した外側表面を有す
ることは必要でないが、このようにすることはオリフィスの間の表面を横切って
液体が侵入する可能性が軽減されるので有利である。
【００２４】 本発明の調合器の要素は液体貯蔵器又は他の液体供給源に取外し自在に連結さ
れるよう構成され、また別々に清掃可能であり又は使い捨てとすることができる
。
【００２５】 本発明の調合器の要素はガスパルス発生装置に取外し自在に連結されるように
構成することができる。
【００２６】 本発明により形成された調合器は従来技術の装置に優る多数の利点を有してい
る。オリフィスの開口の大きさを変えることにより及び／又は毛細管の充たされ
たオリフィス（又は複数のオリフィス）の間の間隙及び／又は試薬が分配される
容器（又は穴）を変えることにより、射出される試薬の容量は変えることができ
る。非常に小さな網目を用い低い表面エネルギーの液体を支持することにより、
広範囲の試薬が分配される。分配される試薬の容量は好ましくは１nl又はそれよ
り大きく、また好ましくは容量は２μｌより小さい。
【００２７】 オリフィスの寸法と調合器を通る重なったオリフィス対の間の距離はほぼ液体
分配容量を規定する。オリフィスの寸法の上限は表面張力の効力が液体を空気又
はガスの噴流によって供給される衝撃により射出されるまでオリフィス対の間に
保持しなければならないという要求によって設定される。実際にはこれが各オリ
フィスの直径を１mm又はそれ以下に限定する。オリフィスの形状は大概ほぼ円形
とされるが楕円、正方形、矩形、六角形及び三角形のような他の形状も用いるこ
とができる。対を形成する重なったオリフィスは実質的に同じ寸法を有するがそ
れぞれの寸法は毛細管作用が液体をオリフィスの間に保持する限り相違すること
ができる。対を形成するオリフィスの寸法が相違する場合は、分配される容量は
主として、ガスの衝撃が十分に短い限りより小さなオリフィスにより制御される
ようにする。各オリフィスが円形である場合に用いられる実例の寸法とオリフィ
ス対の間に分配するため規定される大体の容量とは表１に示されている。 表 １ ───────────────────────── オリフィス直径 オリフィス距離 大体の容量 mm mm nl ───────────────────────── １ １ ７５０ ───────────────────────── ０．２ ０．５ ７５ ───────────────────────── ０．１ ０．１ ７．５ ───────────────────────── ０．０５ ０．０５ ２ ───────────────────────── ０．０５ ０．０５ １ ─────────────────────────
【００２８】 試薬が分配される穴は好ましくは試薬のはね飛ばしの問題を克服するよう微細
織成の内側表面を有し、それにより液体の点滴が破壊され穴の内部のわき道にま
き散らされるようにする。
【００２９】 １つの貯蔵器が複数のオリフィス対に液体を供給してもよい。この複数のオリ
フィスの各々は同時に又は異なる時間に、すなわち順次に射出ガスパルスを受け
るようにすることができる。
【００３０】 オリフィス対は、特に同じ試薬を収容する複数の貯蔵器が連続使用を助けるた
めに用いられる場合に１つ又は複数の貯蔵器に連結される。異なった液体を収容
する多数の貯蔵器が対応の液体が分配前に又は分配中に接触するようになる又は
混合されることが望まれる場合に用いられる。異なった貯蔵器からの通路がオリ
フィスに近接して接合されるように配設される。
【００３１】 本発明の装置は液体を任意の方向に射出するように配置することができる。射
出された液体を受け入れる容器は液体を吸収又は保持する材料で形成され又は構
成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 分配ヘッドと貯蔵器とを示す調合器の３次元の部分断面図である。
【図２】 穴が形成されたトレイと共に多重−調合器を示す全体の概略図である。
【図３】 貯蔵器に連結された調合器の平面図である。
【図４】 毛細管作用のみで分配液体を分配ヘッドに供給する、貯蔵器に連結された調合
器の断面図である。
【図５】 静水圧力が分配液体を分配ヘッドに供給する貯蔵器に連結された調合器の断面
図である。
【図６】 図５に示されたようなしかし流れに対する部分的な障壁が出口の周りの通路の
中に設けられている調合器の断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コーレス，アンソニー ロバート イギリス国，アッシュ ジーユー12 ６イ ージー，パウンド ファーム レーン，シ リングス (72)発明者 シャウ，ジョン エドワード アンドリュ ー イギリス国，ミドルセックス ユービー７ ７エーエル，ウエスト ドレイトン，コ ルン アベニュ 45 (72)発明者 シバルド，アラステアー イギリス国，バークシャー エスエル６ １エックスエル，メイデンヘッド，ホース ガーズ ドライブ 18 Ｆターム(参考） 4G057 AB11 AB31 AB37

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定容量の液体（１８）を分配する装置であって、液体の供
    給源又は貯蔵器（１２）と、液体が供給源又は貯蔵器から運ばれる出口（１６）
    が設けられた通路（１３）と、ガスのパルスを発生する手段とを具備し、使用時
    前記ガスのパルスが所定容量の液体を前記出口から射出させるように構成され配
    置されている装置において、前記出口が、相互に対面する前記通路の一対の開口
    を具備し、前記液体が前記ガスのパルスのないとき表面張力によって前記開口の
    間に保持され、前記ガスのパルスが前記開口の一方に向けられ前記所定容量の液
    体を使用時他方の開口から分配又は射出するようにしていることを特徴とする所
    定容量の液体を分配する装置。
  2. 【請求項２】 液体が射出される方向が、通路に沿った供給源又は貯蔵器か
    ら出口への液体の流れの方向に対し実質的に直角である請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 少なくとも一方の開口に多孔性の膜又は網が設けられている
    請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 貯蔵器と通路がガスのパルスを発生する手段に解放可能に固
    定されている請求項１から３のうちの１項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 出口が相互に対面する２つ又はそれ以上の対の開口を具備し
    ている請求項１から４のうちの１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 通路が間にスペーサ手段を有する一対の基体によって区画形
    成されている請求項１から５のうちの１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 通路が毛細管を具備し、開口が、穴あけ、研削、腐食、穴ぐ
    り、フライス削り、レーザー融除、スパーク腐食及び化学的食刻からなる方法の
    群の１つ又は複数によって毛細管に形成されている請求項１から５のうちの１項
    に記載の装置。
  8. 【請求項８】 通路が供給源又は貯蔵器に解放可能に固定されている請求項
    １から７のうちの１項に記載の装置。
  9. 【請求項９】 通路の内側表面（２３）が分配される液体により優先的に湿
    潤される材料からなり、液体が毛細管作用のみにより出口に供給される請求項１
    から８のうちの１項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 通路の外側表面（２４）の少なくとも開口が形成される部
    分が分配される液体により優先的に湿潤されない材料からなり、液体が流体力学
    的圧力もしくは毛細管力又はその両方により通路に沿い出口に向って付勢される
    ようにしている請求項１から９のうちの１項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１から１０のうちの１項に記載の装置と該装置から
    分配又は射出される液体を受入れる容器（２１）とを具備している液体処理装置
    。
  12. 【請求項１２】 前記容器が使用時液体がはね飛ぶのを阻止するような表面
    を有している請求項１１に記載の液体処理装置。
  13. 【請求項１３】 容器が液体を吸収又は保持する媒体を含み又は媒体からな
    る請求項１１に記載の液体処理装置。
  14. 【請求項１４】 容器が複数の穴又は液体収集場所を有する基体を具備し、
    前記穴又は場所の出口に対する位置が調節可能で選択された穴又は場所と出口と
    が共働し出口から分配又は射出された液体が出口と整合した穴又は場所に流入で
    きるようにしている請求項１１から１３のうちの１項に記載の液体処理装置。
  15. 【請求項１５】 液体分配装置が複数の出口を含み、各出口が前記複数の穴
    又は液体収集場所の１つ又は複数に整合可能である請求項１４に記載の液体処理
    装置。
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