JP2003520127A - 多孔質の脆い基板への液滴の分配 - Google Patents

多孔質の脆い基板への液滴の分配

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Abstract

(57)【要約】 微小量の液滴２６を吸引し且つ基板のウェーハの多孔質部分に射出する装置は、ガラス毛細管６２に取り付けられた圧電変換器６０を採用するマイクロディスペンサ１６と、装置液体２０の圧力を制御すると共に、液体を移送する間にマイクロディスペンサ１６を洗浄すべく移送液体２４を充填し且つマイクロディスペンサ１６内に吸引する手段と、装置液体の圧力を測定し且つ相応する電気信号を発生させる圧力センサ１４とを備えている。液滴は、全体として、１０乃至１００μｍの範囲にあり、孔は全体としてその上に置かれた液滴の直径よりも１０乃至１０，０００倍小さい。形成される箇所は均一であり、液滴の直径よりも僅かだけ大きい。液滴は液滴の直径よりも長い距離から射出され、これにより、ウェーハを損傷させる可能性のあるディスペンサとの接触を防止する。装置は反応部分への液滴の分配を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は、少量の液体を吸引し且つ分配することに関する。特に、本発明は、
少量の液体を自動的に吸引し且つ多孔質の脆い基板に分配することに関する。
【０００２】 生化学の技術の進歩により、脆く薄いウェーハ上全体に配置された各々が小さ
い化学的／生物学的サンプルを保持することができる何百個もの極小の反応部分
が開発されて来た。ウェーハは、多孔質であり、狭小な孔がウェーハ内に且つ表
面に対して略直角に伸びている。サンプルを、選択された反応箇所に置くために
は、ディスペンサの先端をウェーハと近接する位置にしなければならない。ディ
スペンサの先端をウェーハの表面近くに配置することは、その先端が反応媒質の
表面に接触する危険を生じる。反応媒質は、概して脆いので、少しでも接触する
と、ウェーハが破断し且つそのウェーハ上に置かれた全てのサンプルが使用不能
になってしまう。その接触によってウェーハが破断しなかった場合でも、ディス
ペンサの先端は、容器の被覆を磨耗させ又はその識別標識を損なう可能性がある
。また、ウェーハとの接触は、液体を表面上で拡散させることになる。このため
、ディスペンサの先端を反応部分と近接する位置にすることを必要とせずに、生
物学的及び／又は化学的物質を保持する少量の液体を脆いウェーハ上の正確な位
置に分配する装置及び方法が必要とされている。
【０００３】 液体をウェーハ上にて分配する従来の方法の別の不利益な点は、ディスペンサ
先端の端部における液滴がウェーハの表面に接触する位置に配置されることであ
る。サンプルをウェーハ上の正確な位置に置くためには、反応部分の表面上でデ
ィスペンサの先端に液滴を形成する。液滴と反応部分との接触によって液滴は分
配先端から分離する。このように、ディスペンサ先端及びウェーハ表面における
表面張力の作用は分配される液体の量に影響を与えることがあるから、サンプル
液体の液滴の移送を制御することは難しい。その結果、反応媒質の特定の位置に
少量の液体を正確に置く方法及び装置が必要とされる。また、液滴の大きさが正
確に制御されず、また液体と基板の性質の関数でない場合、液体を分配する手段
を有することも必要である。
【０００４】 本発明の一つの目的は、液滴をウェーハの表面と接触させずに、マイクロリッ
トル以下程度の量の液体を吸引し且つウェーハの反応部分に分配する装置及び方
法を提供することである。本発明の別の目的は、基板に分配された液体の量を正
確に確認するための装置及び方法を提供することである。
【０００５】 本発明の更に別の目的は、液滴の直径よりも１０乃至１，０００倍小さい孔寸
法を有する反応部分に射出することにより、ナノリットル以下位の液滴を分配す
る装置及び方法を提供することである。
【０００６】 本発明の更に別の目的は、ミクロン以下位の寸法の孔を有する多孔質の基板上
にミクロン寸法の液滴を正確に置く装置及び方法を提供することである。 本発明の更に別の目的は、液滴の直径よりも１０乃至１０，０００倍小さい孔
寸法を有する多孔質の基板上に直径１００ミクロン以下の液滴を射出する装置及
び方法を提供することである。液滴により基板上に形成された部分の寸法は、液
滴の直径よりも僅かだけ大きい。
【０００７】 本発明の更なる目的は、移送液体の性質（例えば、粘度又は親水性）に関係な
く、マイクロ量の液体を吸引し且つ多孔質の反応部分に分配する装置及び方法を
提供することである。
【０００８】 本発明の別の目的は、化学的に又は生物学的に活性な物質を含むマイクロ量の
液体を吸引し且つウェーハの多孔質の反応部分に射出する装置を提供することで
ある。
【０００９】 本発明の更に別の目的は、単一の１００ミクロン又はより小さい液滴をウェー
ハの多孔質の反応部分に置く状態をリアルタイムで監視することを可能とするこ
とである。
【００１０】 本発明の更に別の目的は、複数の液滴を薄いウェーハの多孔質の反応部分に射
出することである。 本発明の更に別の目的は、少なくとも一つの小さい液滴を多孔質の反応部分に
射出し且つ分配された液体の量をリアルタイムに測定することである。
【００１１】 本発明の他の目的及び有利な点は、本出願を研究することにより当該技術分野
の当業者に明らかになるであろう。 （発明の概要） 本発明の一つの特徴によれば、液滴の寸法よりも約１０乃至１０，０００倍小
さい孔を有する多孔質の反応部分上に１乃至１００ミクロンの範囲の液滴が正確
に置かれる。管の先端からウェーハの表面までの距離は液滴の直径よりも長い場
合、これらの液滴は、圧電要素を使用して管から射出されることで分配される。
従って、液滴は、射出される前に、ウェーハの表面に接触することはない。この
ため、液体及びウェーハの表面の性質が射出される液体の寸法に影響を与えるこ
とはない。射出された液滴は、ウェーハの狭小な孔に浸透するから、射出された
液滴の直径と略等しい直径の部分を形成する。
【００１２】 本発明の一つの特徴において、ナノリットル以下位の液滴を吸引し且つ多孔質
の反応部分に射出すると共に、液滴の射出に起因する圧力変化を検出する装置及
び方法が提供される。圧縮可能な液体、例えば、空気のようなガスの既知の量は
、分配された移送液体の量に相関する装置の圧力の小さい変化を測定することを
容易にする。
【００１３】 本発明の別の特徴によれば、ナノリットル以下位の液滴を吸引し且つ多孔質の
吸引部分に射出することと、移送液体の液滴の射出に起因する圧力変化を検出す
ることと、ミリ秒の間隔にて単一の液滴が分配されたことを示す電気信号を発生
させることとを備える装置及び方法が提供される。装置内の液体から圧縮可能な
全ての流体（ガス）を除去することにより、本発明によりピコリットル寸法の液
滴の射出を検出することができる。分配された液滴は、全体として、約５乃至約
５００ピコリットルの範囲にあり、１００乃至約５００ピコリットルの範囲にあ
ることもしばしばである。ウェーハの孔はミクロン以下位の範囲にある。
【００１４】 本発明の更に別の特徴によれば、ナノリットル以下位の液滴が薄いウェーハの
多孔筒部分に射出され、その液滴の量がリアルタイムにて測定される。ディスペ
ンサの内部容積内の液体が液体リザーバに接続されるとき、液滴を分配したなら
ば（約５乃至約５００ピコリットル、好ましくは約１００乃至約５００ピコリッ
トル）、移送液体の一時的な圧力変化を示す電気信号を検出することができる。
実質的に全ての圧縮可能な流体（ガス）が分配導管（狭小な通路を通って液体リ
ザーバと連通する）外に保たれる限り、本発明の装置の圧力センサは、約５乃至
約５００ピコリットル、好ましくは約１００乃至約５００ピコリットルの範囲の
単一の液滴の分配を検出することができる。かかる液滴の射出に起因する圧力変
化は、圧力変化を検出するには十分に長いが、次の液滴を射出する前にそのサイ
クルを完了させるには十分に短い時間にて生ずる。
【００１５】 本発明の他の特徴は、本明細書を検討することにより当業者に明らかになるで
あろう。 （一例としての実施の形態の説明） 本発明は、親出願第０９／０５６，２３３号に記載された吸引及び分配装置の
適用例に関するものである。
【００１６】 （本発明にて使用されるウェーハの説明） 本明細書で使用する「ウェーハ」という語は、その表面の少なくとも一つに多
孔質部分を有する任意の物品を含むものとする。本発明に関連して使用するのに
適したウェーハは、ウェーハ上に置かれた液滴の寸法よりも実質的に小さい孔寸
法を有する部分を備えている。概して、この部分の孔寸法は、その上に置かれる
液滴の直径よりも約１０乃至約１０，０００倍小さい。液滴が１０乃至１００μ
ｍの範囲内にあるならば、孔寸法は、ミクロン又はミクロン以下の範囲とする必
要がある。本発明にて使用するのに適したウェーハは、特定の画定された反応部
分を有し、また、その表面が部分的に又は全体的に多孔質であるウェーハを含む
。かかるウェーハは、薄膜、スライド、マイクロ機械加工したシリコン、多孔質
ゲル及びポリマーを含む。全体として、反応部分の孔寸法は、約０．１乃至約１
０μｍ、好ましくは、約０．２５乃至１μｍの範囲にある。本発明にて使用する
のに適したウェーハの一例は、ホワットマン・カンパニーズ（Ｗｈａｔｍａｎ
Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ）が販売するアナポア（Ａｎａｐｏｒｅ）薄膜である。本発
明にて使用するのに適したその他のウェーハは、イリノイ州、ドナーズグローブ
のパッカード・インスツルメンツ・カンパニー（Ｐａｃｋａｒｄ Ｉｎｓｔｒｕ
ｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）が製造するヒドロゲルチップを含む。かかる多孔質
ウェーハの一例は、米国特許第５，８４３，７６７号に記載されている。この米
国特許第５，８４３，７６７号の実施例５には、多孔質ウェーハ上に液滴を置く
装置が記載されているが、これらの発明者達は、上記の問題点、また、その問題
点を解決するため本明細書に開示した方法を何ら認識していない。
【００１７】 （第一の吸引及び分配装置の説明） 本発明の第一の吸引及び分配装置に従って製造された装置は、例えば、空気（
「空隙」）のようなガスの如き圧縮可能な流体の既知の量により分離された装置
液体及び移送液体を含んでいる。この空隙は、装置液体における圧力の僅かな変
化を測定することを容易にする。この圧力変化は、分配された、移送液体の量に
比例する。一つの好ましい装置液体は、脱イオン水である。毛管力の結果として
、微量分配範囲内の液滴が分配される毎に、移送液体はマイクロディスペンサ内
のそれ以前の位置に戻る。空隙の特定容積は、分配された移送液体の量に比例し
て増大する。その結果、高感度の圧電抵抗圧力センサにて測定した装置液体管内
の圧力が降下する。圧力センサは、回路を制御する電気信号を伝送する。この電
気信号は、分配された移送液体の量を示すデジタル形態に変換される。本発明の
有利な点は、移送液体の粘度に対する非敏感性である。装置液体の圧力変化は、
分配された液体の粘度に依存せずに、分配された微量な量に相応する。
【００１８】 本発明の第一の吸引及び分配装置は、ステッピングモーター、圧電抵抗圧力セ
ンサ、ガラス毛細管に接続された圧電変換器を利用する、電気式に制御されたマ
イクロディスペンサとを有する微量液体処理装置を提供する。このマイクロディ
スペンサは、液滴を小さいノズルから強制的に射出することによりナノリットル
（「ｎｌ」）以下位の液滴を迅速に且つ正確に分配することができ、この過程は
、「ドロップ−オン−デマンド」として既知である。具体的には、本発明のディ
スペンサは、約５乃至約５００ピコリットル、好ましくは、約１００乃至約５０
０ピコリットルの範囲の液滴を分配する。
【００１９】 自動化した液体処理装置の機能を提供するためには、全ての好ましい実施の形
態におけるマイクロディスペンサは、３軸ロボット装置に取り付けられ、この３
軸ロボット装置は、所望の液体移送方法を実施するために必要とされる特定の位
置にマイクロディスペンサを配置するために使用される。
【００２０】 先ず、図１を参照すると、第一の微小量液体処理装置１０が図示されており、
この装置は、容積式可変容量ポンプ１２と、圧力センサ１４と、マイクロディス
ペンサ１６とを備えている。管１８は、容積式可変容量ポンプ１２を圧力センサ
１４に接続し、圧力センサ１４をマイクロディスペンサ１６に接続している。容
積式可変容量ポンプ１２は、装置液体２０を圧力センサ１４及びマイクロディス
ペンサ１６を介して移動させる。装置１０に装置液体２０が装填された後、既知
の容積の空隙２２が提供される。ある量の移送液体２４が以下に説明する仕方に
てマイクロディスペンサ１６に吸引される。移送液体２４は、対象とする一つ以
上の生物学的に又は化学的に活性な物質を保持することができる。好ましくは、
マイクロディスペンサ１６は、極めて再現可能である、ナノリットル以下位の寸
法の個々の液滴２６を押し出す（又は、同意語として「射出する」）。移送液体
２４の押し出された液滴２６は、全体として、液滴当たり約５乃至約５００ピコ
リットル、好ましくは、約１００乃至約５００ピコリットルであるようにする。
例えば、合計９ナノリットルの移送液体２４を押し出そうとするならば、マイク
ロディスペンサ１６は、その各々が０．４５ナノリットルの量を有する２０個の
液滴２６を押し出すように指示される。液滴２６の寸法は、マイクロディスペン
サ１６に付与される電気信号の大きさ及び時間を変化させることにより、変更す
ることができる。液滴の寸法に影響を与えるその他のファクタは、マイクロディ
スペンサの底部におけるノズル開口部の寸法、マイクロディスペンサの入口の圧
力、移送液体の特定の性質を含む。
【００２１】 次に、図１及び図２を参照すると、一つの好ましい実施の形態において、容積
式可変容量ポンプ１２は、カリフォルニア州、サニーベールのカブロ・サイアン
ティフィック・インスツルメンツ・インコーポレーテッド（Ｃａｖｒｏ Ｓｃｉ
ｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）が製造するＸＬ３０００
モジュラー・デジタル・ポンプである。この容積式可変容量ポンプ１２は、ステ
ッピングモーター２８と、ステッピングモーター２９と、注射器３０とを備えて
いる。注射器３０は、ホウケイ酸ガラス管３２と、一連の歯車及びベルト（図示
せず）を介してステッピングモーター２８に機械的に接続されたプランジャ３４
とを備えている。ステッピングモーター２８の動作によってプランジャ３４はガ
ラス管３２内の所定の多数の個別的なステップによって上方又は下方に駆動され
る。プランジャ３４は、ガラス管３２に対して液密のシールを形成する。一つの
好ましい実施の形態において、注射器３０は、プランジャ３４が１回のフルスト
ロークにて分配することができる装置液体２０の量である２５０マイクロリット
ルという有用な容量を有する。選んだ作動モードに依存して、ステッピングモー
ター２８は、プランジャ３４が１回行程する毎に、３，０００又は１２，０００
の個別のステップを行なうことができる。一つの好ましい実施の形態において、
ステッピングモーター２８は、プランジャ３４の１回のフルストロークにて、１
２，０００のステップを行なうように命令され、そのステップの各々は、約２０
．８３ナノリットルの装置液体２０を排出する。一つの好ましい実施の形態にお
いて、利用される装置液体２０は脱イオン水である。
【００２２】 デジタル式にコード化した命令によって容積式可変容量ポンプ１２内のステッ
ピングモーター２８は、個別の量の液体をマイクロディスペンサ１６内に吸引し
、液体を移送する間にマイクロディスペンサ１６を洗浄し且つ微量液体処理装置
１０の作動のため装置液体２０内の圧力を制御する。この容積式可変容量ポンプ
１２は、装置１０を装置液体２０で満たし且つより多量の液体をマイクロディス
ペンサ１６を通じて分配し、特定の装置液体を稀釈することを許容する。この容
積式可変容量ポンプ１２はまた、移送液体２４に、直接作用する。このように、
所望であるならば、微量液体処理装置１０の全体を通じて装置液体２０として移
送液体２４を使用することができる。
【００２３】 微量液体処理装置１０を充填するために、制御論理装置４２は、最初に、電線
５６を通じて３軸ロボット装置５８に指令してロボット装置５８上に保持された
洗浄ステーションの上方にマイクロディスペンサ１６を配置する。一つの好まし
い実施の形態において、微量液体処理装置１０は、パッカード・インスツルメン
ツ・カンパニーが製造するマルチプローブＣＲ１０１００を有し且つ３軸ロボッ
ト装置に取り付けられている。容積式可変容量ポンプ１２は、装置液体リザーバ
４０を注射器３０に接続する弁３８を備えている。初期化制御信号は、制御論理
装置４２によって電気ケーブル３６を通じて容積式可変容量ポンプ１２に伝送さ
れる。これにより、弁３８は回転し（ステッピングモーター２９により）、注射
器３０を装置液体リザーバ４０に接続する。この制御信号により、ステッピング
モーター２８はプランジャ３４をホウケイ酸ガラス管３２内のその最上方位置（
図２の位置１）まで移動させる。制御論理装置４２からの次の命令により、ステ
ッピングモーター２８はプランジャ３４を管３２内のその最下方の位置（図２の
位置２）まで移動させ且つ装置液体２０を装置のリザーバ４０から吸引する。制
御論理装置４２からの別の命令は、弁３８を再度回転させ、注射器３０を管１８
に接続する一方、管１８は、圧力センサ１４に接続されるように命令する。一つ
の好ましい実施の形態において、微量液体処理装置１０内で採用される管１８は
、ニュージャージ州、ラリタンのゼウス・インダストリアル・プロダクツ・イン
ク（Ｚｅｕｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ,Ｉｎｃ．）により製
造された自然色テフロン（登録商標）管であり、その内径は１．４９９ｍｍ（０
．０５９インチ）、外径は２．４８９ｍｍ（０．０９８インチ）である。容積式
可変容量ポンプ１２に対する制御論理装置４２からの次の命令によって、装置３
０内の装置液体２０は、圧力センサ１４に向けて微量液体処理装置１０内へと押
し出される。微量液体処理装置１０は、典型的に、約４ミリリットルの装置液体
を満たすことを必要とするから、上述した一連のステップは、微量処理装置１０
を完全に満たすには約１６回繰り返さなければならない。
【００２４】 制御論理装置４２は、圧力センサ１４から電線４６を通じて信号を受け取る。
信号は、Ａ／Ｄ（アナログ対デジタル）コンバーター４４によりアナログ形態か
らデジタル形態に変換され且つ処理及び分析のための制御論理装置４２により使
用される。一つの好ましい実施の形態において、Ａ／Ｄコンバーターは、テキサ
ス州、オースティンのナショナル・インスツルメンツ・コーポレーション（Ｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が製造する
ＰＣ−ＬＰＭ−１６多機能Ｉ／Ｏ基板である。本明細書に記載した液体移送過程
の色々な点にて、制御論理装置４２は、圧力変換器１４から信号を受け取り且つ
命令信号を容積式可変容量ポンプ１２、マイクロディスペンサ電子回路５１及び
３軸ロボット装置５８に送る。制御論理装置４２内には、本明細書に記載したよ
うに、特定の液体の移送のためプロトコルのためのハードウエア（ロボット装置
５８、容積式可変容量ポンプ１２、マイクロディスペンサ電子回路５１）を配列
させる符号化したアルゴリズムが存在する。また、制御論理装置４２内には、符
号化したアルゴリズムが存在し、このアルゴリズムは、測定した圧力信号を処理
して、マイクロディスペンサを確認し且つ定量化し、微量液体処理装置の状態を
診断し且つ任意の選んだ移送液体２４に対するマイクロディスペンサの較正を自
動的に行なう。
【００２５】 圧力センサ１４は、微量液体処理装置１０の充填、容積式可変容量ポンプ１２
による移送液体２４の吸引、マイクロディスペンサ１６による液滴２６の分配及
び容積式可変容量ポンプ１２によるマイクロディスペンサ１６の洗浄に伴って生
ずる圧力変動を検出する。一つの好ましい実施の形態において、圧力センサ１４
は、イリノイ州、フリーポートのハネウェル・インコーポレーテッド（Ｈｏｎｅ
ｙｗｅｌｌ,Ｉｎｃ．）の一事業部である、マイクロスイッチ・インコーポレー
テッド（Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ，Ｉｎｃ．）が製造する圧電抵抗圧力センサ部
品番号２６ＰＣＤＦＧ６Ｇである。図１のブロック圏内で圧力センサ１４と共に
含まれているのは、圧力センサからのアナログ信号を増幅する電気回路である。
圧力センサ１４は、圧力を電気信号に変換し、これらの電気信号は、Ａ／Ｄコン
バーター４４に送られ且つ制御論理装置４２により使用される。例えば、微量液
体処理装置１０が充填されたとき、圧力センサ１４は、電気信号を送り、この電
気信号は、制御論理装置４２により分析され、マイクロディスペンサ１６内の部
分的又は完全な閉塞を示すかどうか測定する。
【００２６】 ひとたび微量液体処理装置１０が充填されると、制御論理装置４２は、電線５
６を通して信号を送り、これらの信号は、ロボット装置５８に対しマイクロディ
スペンサ１６を移送液体２４上で空気中に位置決めするように命令する。制御論
理装置４２は、ステッピングモーター２８に対しプランジャ３４を下方に動かし
、例えば、５０マイクロリットルのような個別的量の空気（空隙）をマイクロデ
ィスペンサ１６内に吸引する。次に、制御論理装置４２は、ロボット装置５８に
対し移送液体２４（図示せず）の表面に接触する迄、マイクロディスペンサ１６
を下方に動かすように命令する。マイクロディスペンサ１６が移送液体２４の表
面に接触することは、静電容量型液体レベル感知装置により決定される（米国特
許第５，３６５，７８３号）。マイクロディスペンサは、電線５５により液体レ
ベルセンサー電子回路５４に接続されている。液体レベルセンサー電子回路５４
がマイクロディスペンサ１６が移送液体２４の表面に接触したことを検出すると
、信号が電線５３を通じてロボット装置５８に送られ、下方への動きを停止させ
る。
【００２７】 制御論理装置４２は、ポンプ１２に対しプランジャ３４を下方に動かして移送
液体２４をマイクロディスペンサ１６内に吸引するように命令する。移送液体が
マイクロディスペンサ内に具合良く吸引されることを保証するため、圧力信号は
制御論理装置によって監視される。マイクロディスペンサの部分的又は完全な閉
塞による圧力の急激な降下のような問題点が検出されると、制御論理装置４２は
、ポンプ１２に対し停止動作の命令を送る。次に、制御論理装置４２は、符号化
した回復アルゴリズムによって進行する。圧力センサ１４を汚す虞れなく、移送
液体２４を圧力センサ１４まで微量液体処理装置１０内に吸引することができる
ことを認識すべきである。移送液体２４の容積を増すために付加的な管を追加す
ることができる。ひとたび移送液体２４がマイクロディスペンサ１６内に吸引さ
れたならば、制御論理装置４２は、ロボット装置５８に対しマイクロディスペン
サ１６を、例えば、マイクロ滴定プレート又はウェーハのような選んだ目標の上
方に再位置決めするように命令する。
【００２８】 一つの好ましい実施の形態においては、マイクロディスペンサ１６は、ドイツ
のノルディステットのマイクロドロップ社（Ｍｉｃｒｏｄｒｏｐ ＧｍｂＨ）が
製造するＭＤ−Ｋ−１３０マイクロディスペンサヘッドである。
【００２９】 図３に図示するように、マイクロディスペンサ１６は、ガラス毛細管６２に接
続された圧電セラミック管６０である。圧電セラミック管は、圧電セラミック管
を収縮させるアナログ電圧パルスを受け取るべく内側電極６６及び外側電極６８
を有している。ひとたびガラス管６２が移送液体２４で充填されたならば、制御
論理装置４２は、マイクロディスペンサ電子回路５１に対し電線５２によりアナ
ログ電圧パルスを圧電セラミック管６０に送るよう命令する。一つの好ましい実
施の形態においては、マイクロディスペンサ電子回路５１は、マイクロドロップ
社が製造するＭＤ−Ｅ−２０１駆動電子回路である。マイクロディスペンサ電子
回路５１は、アナログ電圧パルスの大きさ及び時間、並びにパルスがマイクロデ
ィスペンサ１６に送られるときの周波数を制御する。電圧パルスの各々は、圧電
変換器６０を収縮させる一方、この収縮は、ガラス毛細管６２を変形させる。ガ
ラス毛細管６２の変形は、移送液体２４の一つの高速度液滴２６が射出される場
合、移送液体２４を通ってマイクロディスペンサノズル６３に伝播する圧力波を
発生させる。これらの液滴２６の寸法は極めて再現可能であるように示してある
。移送液体２４の高速度は、移送液体２４の表面張力及び粘度に起因する問題点
を最少にし又は解消し、これにより、極めて少量（例えば、５ピコリットル）の
液滴２６をノズルから押し出すことを許容する。液滴２６をノズルから追い出す
ためマイクロディスペンサ１６を使用することは、「タッチオフ」と称する液体
の移送技術にて招来する問題点を回避する。タッチオフ技術において、液滴２６
は、ノズルの端部に保持され、また、その液滴が依然としてマイクロディスペン
サ１６から垂れ下がる間に、その液滴２６を目標の表面と接触させることにより
、目標の表面に置かれる。かかる接触過程は、マイクロディスペンサ１６及び目
標表面の表面張力、粘度及び湿らせる性質の結果として許容し得ない容積の変化
を生じ易い。本発明は、液滴２６が数メートル／秒の速度にてマイクロディスペ
ンサ１６から追い出されるため、接触過程の問題点を回避する。所望のトータル
の量は、押し出されるべき液滴２６の数を特定することにより、本発明によって
分配される。秒当たり数千個の液滴２６をマイクロディスペンサ１６から射出す
ることができるため、所望の微量の移送液体２４を迅速に分配することが可能と
なる。
【００３０】 一つの好ましい実施の形態においては、圧電変換器６０とノズル６３との間に
配置されたガラス毛細管６２の下方部分は、典型的に、白金又は金である導電性
金属にてメッキされる。この材料を使用することは、マイクロディスペンサ１６
と液体レベルセンサー電子回路５４との間に導電路を提供することになる。一つ
の好ましい実施の形態においては、ガラス毛細管６２は、７３ｍｍの全長を有し
、ノズル６３は、７５μｍの内径を有している。
【００３１】 微量な移送液体２４を分配するため、アナログ電圧パルスがマイクロディスペ
ンサ１６に送られ、これにより、液滴２６を射出する。移送液体２４に作用する
毛管力は、マイクロディスペンサ１６から射出された移送液体２４の体積を管１
８からの液体によって置き換える。しかし、移送液体−空隙装置液体コラムは、
容積式可変容量ポンプ１２の閉塞端にて終わるため、空隙２２が膨張するとき、
装置液体２０の管圧力もこれに相応して降下する。このことは、親特許出願第０
９／０５６，２３３号の図４に図示されている。この圧力降下の程度は、空隙２
２の寸法及び分配された液体の量の関数である。
【００３２】 容積の空隙２２が既知である場合、圧力センサ１４により検出された圧力変化
は分配量に比例する。このため、圧力センサ１４により測定された圧力変化から
、制御論理装置は分配された移送液体の量を決定する。本発明の一つの好ましい
実施の形態において、移送液体の性質に依存して、圧力降下は、大気圧力を約３
．０乃至４．０ｋＰＡ（約３０乃至４０ミリバール）以上、下回らないことが好
ましい。分配した移送液体２４の量が３．０乃至４．０ｋＰＡ（３０乃至４０ミ
リバール）以上の圧力降下を生じさせるのに十分であるならば、マイクロディス
ペンサ１６における圧力差（すなわち、ノズル６３に作用する大気圧力と毛管の
入口６５の圧力との差）は、移送液体２４を管１８内に強制的に入れるのに十分
である。このことは更なる分配を妨げることになる。ポンプ１２に対しプランジ
ャ３４を前進させて圧力降下を補償するように命令することが必要となる前に分
配できる移送液体２４の最大量がある。この最大量は、所望の分配量及び空隙２
２の寸法によって決まる。これと逆に、大気圧を３．０乃至４．０ｋＰＡ（３０
乃至４０ミリバール）下回る圧力降下を生じさせるべく所望の分配容積に基づい
て空隙２２の寸法を選ぶことができる。また、マイクロディスペンサ１６が分配
している間に、プランジャ３４を前進させ、これにより、マイクロディスペンサ
１６が連続的に作動可能であるようにするように装置液体２０の供給管の構成を
変更することも本発明の範囲に属することである。
【００３３】 所望の量の輸送液体２４が分配されたことを確認するためには、装置液体２０
の圧力変化を使用する。分配された輸送液体２４の量の第二の確認は、ポンプ１
２に対し注射器プランジャ３４を位置１に向けて上方に前進させるように命令す
る間に、装置液体２０の供給管の圧力を監視する制御論理４２によって行われる
。注射器プランジャ３４は、装置液体２０の供給管の圧力が初期（分配前）の値
に戻る迄、前進させる。制御論理４２は、排除された量を追跡するため、プラン
ジャ３４は動き（ステッピングモーター２８のステップ当たり２０．８３ナノリ
ットル）、分配された量の第二の確認が行われ、これにより、装置の堅牢さを増
す。第二の分配の確認後、装置液体２０の供給管の圧力は、多数の分配順序が特
定されるならば、次の分配動作のための正確な値となる。
【００３４】 ひとたび輸送液体２４の分配が完了したならば、制御論理４２によってロボッ
ト装置５８はマイクロディスペンサ１６を洗浄ステーションの上方に配置される
。次に、制御論理４２は、ポンプ１２及びロボット装置５８を洗浄プロトコルに
よって命令し、これによって、マイクロディスペンサ１６内に残った全ての輸送
液体２４を処分する。このプロトコルの結果、ガラス毛細管６２の内面及び輸送
液体２４に曝されたノズル６３の外面が洗浄されることにもなる。洗浄液体は、
装置液体２０又はロボット装置５８のデッキ上に配置された任意の他の液体の何
れかとすることができる。この洗浄プロトコルは、異なる分配段階の間に使用さ
れた異なる輸送液体２４の相互汚染を最少にし得る設計とされている。この目的
のため、マイクロディスペンサ１６の洗浄を容易にすべく変換器６０の高周波の
パルス洗浄動作を使用することも可能である。これは、制御論理４２を使用して
、マイクロディスペンサ電子回路５１に対し命令し、約１乃至約２０Ｋｈｚの範
囲の周波数（マイクロディスペンサ１６の好ましい共鳴周波数は約１２キロヘル
ツであると考えられる）の電気パルスをマイクロディスペンサに送るようにする
ことで実現される。マイクロディスペンサの共鳴周波数は、マイクロディスペン
サ１６−輸送液体２４の装置の共鳴周波数と一致する。上記の周波数にて圧電変
換器６０にパルス発振させることでガラス毛細管６２の内面は激しく振動する。
圧電変換器６０が上述した周波数にて作動されている間に、マイクロディスペン
サ１６を洗浄するため、装置液体２０又は特殊な洗浄及び／又は中性化液体を使
用する。高周波数のパルス発振にて洗浄することは、マイクロディスペンサ１６
に粘着する物質を脱落させ且つ除去するのにより効率的である。例えば、多くの
試験の場合に、かかる洗浄は、かかるパルス発振無しで洗浄する場合と比べてマ
イクロディスペンサ１６内の残留物質の減少の点にて２００乃至５００％の改良
となることが明らかにされている（汚染物質に依存して）。
【００３５】 また、マイクロディスペンサのノズルの詰まりを防止し、最少にし又は緩和す
るため、マイクロディスペンサ１６のパルス発振が使用される。例えば、輸送液
体がマイクロディスペンサ１６内に吸引されるとき、その流体は、ガラス毛細管
６２の比較的狭小なノズル６３を通らなければならない。輸送液体２４内の物質
は、ノズル６３の表面と接触して、物質がノズル６３に付着するのを許容する。
生物化学的適用例において、輸送液体２４に付着した、一つの広く使用されてい
る物質はポリスチレンの球状体である。これらの球状体は、典型的に、１μｍ乃
至３０μｍ以上となり、また、磁気フェライト、抗体又はその他の材料にて被覆
することができるが、被覆しなくてもよい。ノズル６３の直径に比してポリスチ
レン球状体の比較的大きい寸法は、その時として粘着性被覆と組み合わさって、
球状体をノズル６３に粘着させる。マイクロディスペンサ１６が装填される間（
すなわち、輸送液体２４がマイクロディスペンサ１６内に吸引される間）、圧電
変換器６０が高周波数にて励起されるならば、詰まりは防止され又は最少となる
。このため、マイクロディスペンサ１６の高周波のパルス発振は、輸送液体２４
内の材料によるノズル６３の詰まりを防止し又は最少にする。
【００３６】 溶融し又は懸濁した材料を保持する輸送液体２４がノズル６３を通る任意の時
点にて詰まる可能性が生ずる。上述したように、詰まりは、輸送液体２４をマイ
クロディスペンサ１６内に吸引する間の問題のみならず、輸送液体をマイクロデ
ィスペンサ１６の高周波パルス発振により分配するときにも問題となる。圧電変
換器による液滴の分配は、ノズル６３に粘着する材料の蓄積量を少なくし、幾つ
かの場合、詰まりを防止する。実質的な詰まりが生じる場合でも、圧電変換器６
０によるマイクロディスペンサ１６の高周波発振は、ノズル６３から詰まる材料
を実質的に除去することになる。この洗浄方法の重要な利点は、代替的な洗浄方
法と関係した遅れを伴なうことなく、装置の連続的な作動が可能となる点である
。要するに、装置の不作動時間が短くなり、微量液体処理装置１０をより効率的
にする点である。
【００３７】 本発明の上記の説明において、マイクロディスペンサ１６の制御は、マイクロ
ディスペンサ電子回路５１からの電気パルスを介して行われ、それら各パルスの
結果、輸送液体２４の液滴２６が射出されることになる。圧力センサ１４の信号
をリアルタイムで監視し且つ所望の圧力変化に達する迄、電気パルスをマイクロ
ディスペンサ１６に送り続けることにより、マイクロディスペンサ１６を制御す
ることも本発明の範囲に属することである。この作動モードにおいて、Ａ／Ｄコ
ンバーター４４を保持するＰＣ−ＬＰＭ−１６多機能Ｉ／Ｏ基板に対し、電気信
号をマイクロディスペンサ電子回路５１に送るように制御論理４２によって命令
が為される。多機能Ｉ／Ｏ基板によって送られる各パルスの結果、マイクロディ
スペンサ電子回路５１によりマイクロディスペンサ１６の一つの電気パルスが送
られ、輸送液体２４の一つの液滴２６を射出する。制御論理４２は、分配が行わ
れる間、圧力センサ１４を監視する。ひとたび所望の圧力変化が実現されたなら
ば、制御論理４２は、多機能Ｉ／Ｏ基板に対し電気パルスの送信を中止するよう
に命令する。
【００３８】 マイクロディスペンサ１６の「誤発射」が制御論理４２により検出されたなら
ば、この作動モードか採用される。 また、異なる性質の輸送液体２４に対し射出された液滴２６の寸法を自動的に
決定することも微量液体処理装置１０に対する本発明の範囲内のことである。上
述したように、射出された液滴２６の寸法は、輸送液体２４の性質によって影響
を受ける。このため、ユーザがユーザの必要条件を満足させ得るように、合計輸
送量を特定するだけでよいように、射出された液滴２６の寸法を自動的に決定し
得ることも望ましい。符号化した自動の較正アルゴリズムにおいて、ひとたび装
置１０を充填したならば、空隙２２及び輸送液体２４は、吸引され、制御論理４
２は、マイクロディスペンサ電子回路５１に命令して、例えば、１０００個のよ
うな特定の数の電気パルスをマイクロディスペンサ１６に送る。圧力センサ１４
の信号内で生じる圧力降下は、分配された輸送液体２４の量を決定すべく制御論
理４２によって使用される。この制御論理は、プランジャ３４の動きにより排除
された量を追跡することにより分配された液体の量を確認する。その後、装置は
、液体の供給管の圧力を分配前の値に回復する。
【００３９】 図１に図示した微量液体処理装置１０は、単一のマイクロディスペンサ１６、
圧力センサ１４及びポンプ１２を示す。多数（例えば、４、８、９６個）のマイ
クロディスペンサ１６、圧力センサ１４及びポンプ１２を有する微量液体処理装
置の実施の形態を含むことも本発明の範囲に属するものである。また、多数のマ
イクロディスペンサ１６、圧力センサ１４、弁３８及び一つ又は２つ以上のポン
プ１２を有する微量液体処理装置の実施の形態を含むことも本発明の範囲に属す
るものである。
【００４０】 （第二の吸引及び分配装置の説明） 図７において、別の吸引及び分配装置２１０が図示されている。採用されるマ
イクロディスペンサの数が８以上であるときに好ましいこの実施の形態は、また
、上述の目的を達成する。この第二の装置は、容積式可変容量ポンプ（以下に説
明するように弁を有する）、ステッピングモーター、圧電圧力センサが装置液体
圧力を供給し且つ制御するため圧力制御装置によって置き換えられている点を除
いて、図１に図示した第一の装置と同様である。この実施の形態はまた、液体の
流れを検出し且つマイクロディスペンサの各々に接続された接続管内に存在する
装置液体の圧力を検出する複数の流れセンサをも採用している。本実施形態はま
た、（ソレノイド又は微細加工した弁のような）複数の弁をも採用し、その弁の
各々は、各マイクロディスペンサを圧力制御装置内の装置リザーバに接続してい
る。この装置において、装置液体２０を全てのマイクロディスペンサ２１２に供
給し、これにより、第一の装置にて利用される別個のポンプ及び圧力センサを不
要にするため、装置液体リザーバ２１４が使用される。第一及び第二の実施の形
態は、本明細書に記載した点を除く構造及び作用の点では同一であることを認識
すべきである。採用されるマイクロディスペンサの正確な数はユーザの分配条件
の関数である。
【００４１】 第二の実施の形態に関して、装置液体リザーバ２１４は、典型的に、脱イオン
水又はジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）である装置液体２０をキャップ（別個
に図示せず）を保持する吸入管２１６を通じて受け取る。吸入管２１６のキャッ
プは、キャップを外したとき密封した装置液体リザーバ２１４が装置液体２０を
受け取ることを許容し得るように取り外し、また、キャップを取り付けたとき装
置液体リザーバ２１４を遮断状態に密封し、装置液体リザーバ２１４を所望の圧
力に保ち得るようにする。装置液体リザーバ２１４内の圧力は、圧力制御管２２
０を使用して圧力制御装置２１８により維持される。該圧力制御装置２１８は、
装置液体リザーバ２１４内の圧力を正確に上昇又は降下することのできる電子制
御式のポンプを備えている。装置液体リザーバ２１４に取り付けられた圧力セン
サ２２２は、装置液体リザーバ２１４内の圧力を感知し且つその圧力を示す電気
信号を導電体２２６を通じて装置の制御装置２２４に伝送する。装置の制御装置
２２４は、色々な電気信号の監視、制御ソフトウェアコードの実行、及び微量液
体処理装置２１０の制御を可能にするデジタル信号プロセッサ基板及びその他の
電子装置（図示せず）を含んでいる。該装置は装置液体２０の圧力を調節し、こ
れに相応して、導電体を介して輸送液体２４の圧力を調節する。圧力逃し弁２３
０が装置液体リザーバ２１４に取り付けられている。該圧力逃し弁２３０は、圧
力が所定の安全な閾値に達したとき装置液体リザーバ２１４から圧力を解放する
。一つの実施の形態において、該圧力逃し弁２３０は、また、線２３２により圧
力逃し弁２３０に接続された装置の制御装置２２４によって作動させることもで
きる。
【００４２】 作動中、装置の制御装置２２４は、周囲の大気圧力に対して装置のリザーバ２
１４内の３つの異なる圧力レベルの一つを保つように圧力制御装置２１８に命令
する。これら３つの圧力レベルの各々は、微量液体処理装置２１０の異なる作動
段階に相応する。これら３つの異なる圧力レベルは、正圧力、高負圧力、及び低
い負の圧力を含む。分配する前に、マイクロディスペンサを洗浄するために正の
圧力が使用される。また、上述した方法でマイクロディスペンサ２１２の高周波
数パルシングを採用する。マイクロディスペンサ２１２が比較的清浄になった後
、輸送液体２４をマイクロディスペンサ２１２内に吸引するため、高い負の圧力
レベル（周囲の大気圧よりも約２０ｋＰａ（約２００ミリバール）低い）が使用
される。ひとたび輸送液体２４がマイクロディスペンサ２１２内に吸引されたな
らば、低い負の圧力レベル（約−１．５ｋＰａ（約−１５ミリバール）のゲージ
圧力）を使用してマイクロディスペンサ２１２内の輸送液体２４に圧力を戻し、
液滴が分配されるとき、それ以上マイクロディスペンサ２１２から出て行く輸送
液体２４が無いようにする。
【００４３】 装置のリザーバ２１４内の装置液体２０は、図７に図示するように、複数の部
分２３６に分かれる分配管２３４を通じてマイクロディスペンサ２１２に接続さ
れ、一つの部分２３６はマイクロディスペンサ２１２の各々に接続される。ソレ
ノイド弁２４２及び流れセンサ２４４が分配管部分２３６の各々に取り付けられ
ている。装置の制御装置２３４は、弁２４２を制御すべく電気的接続部２４６を
通じて電気信号を送る。マイクロディスペンサの各々に吸引される液体の量を決
定すべく分配管部分２３６の各々には流れセンサ２４４が取り付けられる。該流
れセンサ２４４はマイクロディスペンサ２１２の各々に入り又はそのマイクロデ
ィスペンサから出る装置液体２０の流れを検出する。流れセンサ２４４の各々は
導電体２４８を通じて装置の制御装置２２４に接続される。導電体２４８は流れ
センサ２４４の各々から電気信号を伝送し、液体の流れ流量のみならず、流れセ
ンサの各々の圧力をも表示する。流れセンサ２４４は微細加工により製造される
。このセンサは小型で且つ微量液体処理装置２１０内に容易に嵌め込むことがで
きるので、このことは有益である。流れセンサ２４４の一例は、Ｍ・ボイラット
（Ｍ．Ｂｏｉｌｌａｔ）らによる、その内容を参考として引用し本明細書に含め
た、ＩＥＥＥ会議録、ＭＥＭＳ１９９５、出版番号０−７８０３−２５０３−６
の「流れの調節及び供給装置用の圧力差液体流れセンサ（Ａ Ｄｉｆｆｅｒｅｎ
ｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｅｑｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｏｒ
Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｏｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）
」という名称の論文に記載されている。
【００４４】 マイクロディスペンサ２１２に物理的に接続された分配管２３４は３軸ロボッ
ト２３８に取り付けられる。第一の好ましい実施の形態におけるように、マイク
ロディスペンサは異なる微量液滴プレート、ウェル又はウェーハの上方の位置に
再配置される。所望の数の液滴が分配された後、ロボット２３８はマイクロディ
スペンサ２１２を更なる分配のため次の組のウェル又はウェーハまで移動させる
。分配ヘッドは静止型とすることができ、供給源及び目的容器を配置するためロ
ボット装置を使用することができる。
【００４５】 約１００乃至約５００ピコリットルの量の範囲にて輸送液体の個々の液滴を噴
射することは、圧力検出器を備える本発明の装置を使用して検出可能であること
が判明した。かかる液滴の分配を検出するためには、輸送及び装置液体は実質的
に空気のような圧縮可能なガスが不存在でなけばならない。本明細書で使用する
ように、「圧縮可能なガスが実質的に不存在」という語は、圧縮可能なガス（存
在するならば）のレベルが装置から噴射された液体の液滴を検出することを許容
するのに十分に低いことを意味する。装置内の圧縮可能なガスの量が増すに伴な
い、特定の圧縮可能なガスのレベルにて、装置が輸送液体の液滴な分配を検出す
ることができなくなる迄、液滴の分配を検出する能力は低下することが分かった
。
【００４６】 本発明の一つの実施の形態に従い、弁（図８の２４２）に対する輸送液体を保
持する分配ノズルからの量は圧縮可能なガスが実質的に存在せず且つ完全に取り
囲まれている。本発明のこの好ましい実施の形態において、流体の圧力が約−４
．５ｋＰａ（約−４５ミリバール）の計測器圧力に低下するまで閉じた容積から
液滴を噴射することができる。約−４．５ｋＰａ（約−４５ミリバール）の圧力
計圧力にて、真空圧は液滴の噴射を妨げる。
【００４７】 本発明の別の実施の形態によれば、分配ノズルから装置液体のリザーバまでの
容積は圧縮可能な流体（ガス）が実質的に存在しない。液滴を分配したとき、こ
の実施の形態の装置は、かかる液滴が分配されることに起因する装置液体の圧力
変化を検出することができることが分かった。この圧力変化は一時的なものであ
る。輸送液体がノズルに隣接する容積内に流れて、噴射された液滴の量を効果的
に置換すると、圧力は液滴の分配前のレベルまで上昇する。約１００乃至約５０
０ピコリットルの寸法範囲内の液滴を分配するためには、圧力が当初のレベルに
達するのに必要な時間は約５乃至約１０ミリ秒の範囲とすることができる。この
時間は、ノズルに隣接する容積とリザーバとの間に配置されたオリフィスの寸法
の選択及び確保により制御することができる。装置液体に対して高い溶解度係数
を有する流体（ガス）にて装置から空気を抜き取ることは装置液体によって充填
した後、装置内の残留する圧縮可能な流体（ガス）を大幅に減少させることが分
かった。装置がひとたび充填されたならば、圧縮可能な流体（例えば、空気）を
装置外に保つことは、装置液体のガスを抜き、装置液体リザーバを不活性ガスに
て加圧し、低透過性管を利用し、更に、装置液体供給管内のガスを抜くことによ
り容易となる。気泡の除去を容易にするため、Ｒ・ゼンガール（Ｒ．Ｚｅｎｇｅ
ｒｌｅ）らによる、ＩＥＥＥ会議録、ＭＥＭＳ１９９５、出版番号０−７８０３
−２５０３−６の「微量液体装置の二酸化炭素の充填（Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘ
ｉｄｅ Ｐｒｉｍｉｎｇ Ｏｆ Ｍｉｃｒｏ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ）
」という名称の論文に記載されたように二酸化炭素パージング法を採用すること
ができる。
【００４８】 単一の液滴を分配する装置の機能の一例は、特許出願第０９／０５６，２３３
号に記載され且つ図８乃至図１１に図示されている。 本発明の別の特徴によれば、ディスペンサ内に吸引する必要がある輸送液体の
量を最少にするため幾つかの方法が開発されている。単一の液滴の噴射を監視す
るとができる本発明の装置において、分配チャンバは、液滴を噴射し得るよう圧
縮可能な流体（ガス）が不存在でなければならない。このことは、ノズル（図３
の６３）から圧電変換器（図３の６０）の頂部までのチャンバの液体で充填する
ことを必要とする。この容積は分配すべき輸送液体の量と比較して大きいことが
しばしばである。
【００４９】 一つの方法によれば、装置液体及び輸送液体は図１に図示すように空隙によっ
て互いに分離されていない。それに代えて、これら２つの液体は輸送液体及び装
置液体の何れか又は双方と混合できない液体によって分離されている。
【００５０】 別の方法によれば、輸送液体の必要な吸引量を最少にするため、輸送液体を最
初に吸引する前に装置液体を使用してディスペンサを充填する。輸送液体が吸引
されると、装置液体は輸送液体を装置液体にて稀釈することなく、輸送液体の量
の大部分を分配することを許容するには十分に遅く、境界面にて輸送液体と混合
することが判明した。
【００５１】 別個の装置液体を使用することを必要としない実施の形態において、装置液体
及び輸送液体の双方として機能し得るよう単一の液体を使用することができる。 本発明の更に別の特徴によれば、ディスペンサ（図７のディスペンサ２１２の
ような）内の圧力は装置液体リザーバ（図７の２１４）の圧力の降下の結果とし
て降下する。弁（図７の２４２）は閉じられ、次に、少量の輸送液体をディスペ
ンサ内に吸引するため分配装置のノズルを輸送液体中に浸漬させることができる
。例えば、ディスペンサ内の計器圧力が−３ｋＰａ（−３０ミリバール）に達す
ると、ノズルを輸送液体中に沈めると、計器圧力は−１．５ｋＰａ（−１５ミリ
バール）まで上昇させるのに十分な量の液体を吸引することができる。負の計器
圧力がノズルの表面張力を上回らない限り、ディスペンサは空気を吸引しないこ
とを認識すべきである。ジメチルスルホキシドを使用する好ましい実施の形態の
装置において、４．５ｋＰａ（４５ミリバール）の計器圧力はノズル内に空気を
吸引することはない。
【００５２】 上述した装置は、マイクロディスペンサのオリフィスが液体内に入り且つ吸引
されたとき自動的に検出することができる。 圧力利用の液体の検出機能は、図１及び図７に図示した実施の形態に関して開
発されたものである。この機能は一つ以上のマイクロディスペンサを液体に浸漬
させ又は液体から吸引されるとき検出するために使用することができる。この測
定は、マイクロディスペンサを液体中に浸漬させ又は液体から引き出すときに生
ずる圧力変化を利用して行われる。この圧力変化は圧力変換器（図１の１４）又
は流れセンサ（図７の２４４）を監視することで測定される。この試験は、装置
のマイクロディスペンサの各々に対し独立的に行われる。
【００５３】 液体の測定方法は３つの別個の段階に分けることができる。 １．予遅延（Ｐｒｅｄｅｌａｙ） 「液体レベル感知」命令を受け取ると、アルゴリズムはユーザが特定した予遅
延を行うことを許容する。この遅延時間はソフトウェアが空気／液体の遷移の圧
力変化を探知し始める前に外部の事象（すなわち、吸引源までのヘッドの移動）
を完了することを許容する。特定の外部事象はこれら事象が圧力変化を発生させ
るならば、偽の正を生じる可能性がある。この機能は装置が任意の偽の圧力変化
を識別することを許容する。
【００５４】 予遅延がゼロの場合、ソフトウェアは「液体レベルの感知」命令を受け取ると
直ちに圧力の監視を開始する。これは、また、マイクロディスペンサが静止して
おり、ロボット装置が供給源すなわち吸引容器を移動させる場合、装置内で適用
することができる。 ２．基準値の確立 ひとたび予遅延時間が満了したならば、多数の測定値の平均値から基準圧力値
が確立される。次に、この基準圧力値は空気液体の遷移を表示するのに十分な相
違を有するかどうかを決定すべくその後の圧力測定値と比較する。 ３．液体の検出 確立された基準圧力値を現在の圧力値と比較するため最後の段階が利用される
。この現在の圧力値は丸めた平均値である。このことは、一つの偽の点があって
も不正確な液体の検出イベントとはならないことを保証する。この段階の間、圧
力は定期的に測定される。次に、最も古い圧力値を除去し、最新の圧力値を加え
、新たな平均値を計算する。次に、この平均値をそれ以前の段にて確立された基
準値と比較する。これら値の差はユーザ特定の閾値を介して評価する。その差の
程度が閾値以上であるならば、次に、アルゴリズムは液体の検出事象が行われた
と決定し、制御論理に対し液体の検出状態を設定する。ディスペンサの各々に対
し同一の試験が独立的に行われる。
【００５５】 このアルゴリズムは、ユーザの特定した検出時間が満了する迄液体の検出イベ
ントに関し装置の監視を続行する。この時間の間、特定の大きさの圧力遷移が生
じないならば、ソフトウェアはその特定のディスペンサに対し空気−液体の遷移
が全く生じなかったことを制御論理に通知する。
【００５６】 ミリバールの単位によるユーザの特定した閾値は、液体の検出過程をより精緻
のものにするために使用される。真の空気−液体の遷移が生じても、識別されな
いならば、次に、閾値を減少させ、これにより、検出感度を向上させることがで
きる。不規則的な圧力変動の結果として偽の液体−検出の決定が為されるならば
、閾値を増加させ、これにより、検出感度を低下させることができる。圧力閾値
が該圧力閾値と関係した正又は負の値を有するならば、マイクロディスペンサを
液体に浸漬させ又は液体から引き抜くべきとき、ユーザが液体の検出機能を作動
させることを許容する。
【００５７】 （多孔質部分への液滴の分配） 液体を吸引し且つ小さい液滴をウェーハの多孔質部分に正確に分配し、液滴の
直径よりも僅かだけ大きい均一な箇所を形成することが可能であることが判明し
た。液滴は約５乃至約５００ピコリットルの範囲とすることができる。適用例に
依存して、単一の液滴又は複数の液滴を単一の部分に分配することができる。ウ
ェーハは明確に規定された多孔質部分を含むことができ又はその表面の全体を多
孔質とすることができる。その部分の孔は、液滴の直径よりも小さく、好ましく
は、液滴の直径よりも約１０乃至約１０，０００倍小さいようにする必要がある
。液滴は分配される液滴の直径よりも長い距離だけ反応部分から分離した出口か
ら射出する。液滴は分配される前にウェーハの表面に接触しないため、液体及び
ウェーハの表面の組み合わせた性質は、液滴の寸法に影響を与えない。多孔質の
部分と接触すると、液滴は、同液滴の直径よりも僅かだけ大きい（全体として、
約２０％以上小さい）スポットを形成する。液滴はウェーハの特定の部分に正確
に分配することができ、これら液滴は均一で且つ液滴の直径と略等しい寸法であ
るため、その部分はウェーハの上で均一に隔てることができる。
【００５８】 液滴を多孔質の基板上に置く過程は、図４乃至図６に全体として図示されてい
る。図４には、複数の反応部分を提供する多孔質の基板上の箇所のパターンが示
してある。明確に画定された箇所は、置いた液体を相互に汚染させることなく、
単位面積に対して多くの反応部分を使用することを許容する。実際の結果は図８
及び図９に図示され且つ以下の実施例１、２にて説明する。
【００５９】 図５には、マイクロディスペンサの先端から多孔質の基板まで追い出される単
一の液滴が図示されている。この狭小な孔は表面のプレートに対し直角に伸びて
、液滴を拡散させずに吸収することができる。典型的に、マイクロディスペンサ
の先端とウェーハとの間の距離は約０．５乃至２ｍｍである。
【００６０】 図６には、多孔質の基板内への液滴の吸収状態が図示されている。 ナノリットル以下位の範囲の単一の均一な液滴の分散状態をリアルタイムで検
出し、定量化し且つ確認することができる。本発明の装置は、液体の表面を自動
的に感知し、移送すべき液体を吸引し、次に、少量の液体を高精度、高速度で且
つ極めて正確に分配することができる。本発明の装置は詰まりを防止し又は解消
するため高周波数にてパルス発振させる。移送液体と装置液体との間の混和不能
な液体を使用して分配に必要な移送液体の量を少なくすることができる。
【００６１】 （例） 以下の例は本発明を更に示すものであり、何らかの意味で本発明の範囲を限定
することを意図するものではない。
【００６２】 例１ バイオチップアレイヤー（Ｂｉｏ Ｃｈｉｐ Ａｒｒａｙｅｒ）（登録商標名
）という商標名で販売されている、本出願に記載したディスペンサの商業的型式
のものは、ホワットマン・インターナショナル・リミテッド（Ｗｈａｔｍａｎ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｔｄ．）が販売するアナポア薄膜上に液滴を置
くために使用した。バイオチップアレイヤーにより射出された液滴は約８５ミク
ロンであり、蛍光材料を含むものとした。
【００６３】 図９に図示するように、２７個の液滴を置いた。液滴の蛍光を比較し、その結
果は図１０に示してある。 図９に示すように、２７個の液滴の箇所は互いに均一であるようにした。図１
０に図示するように、その箇所から放出された蛍光は全体として均一であった。
蛍光信号は２７箇所の最初の２箇所でのみ著しく明るかった。
【００６４】 実施例２ アナポア薄膜上に複数の液滴を置くためにバイオチップアレイヤー（登録商標
名）を使用した。この液滴は蛍光材料を含み、約８５ミクロンの寸法とした。ア
ナポア薄膜に形成される箇所は１００Ｘ及び２００Ｘの倍率で図８に示してある
。図８に示すように、これら箇所は直径約１０７ミクロンであり、均一な寸法で
あった。
【００６５】 本発明は、一つ又は２つ以上の特別な実施の形態に関して説明したが、当該技
術分野の当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数の変更が具体化可
能であることが認識されよう。これら実施の形態及びその明らかな変更例の各々
は、特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲に属するものと考えられる
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一の実施の形態を示す、微量の液体を吸引し且つ薄いプレートの反
応部分上に分配する装置のブロック図である。
【図２】 本発明の一つの面を示す容積式可変容量ポンプの概略図である。
【図３】 圧電変換器を含む、マイクロディスペンサの側面図である。
【図４】 液滴が分配された多孔質ウェーハの平面図である。
【図５】 本発明に従ってウェーハの反応部分に射出される単一の液滴を示す、部分断面
図とした側面図である。
【図６】 ウェーハの多孔質の反応部分に浸透する液体の断面図である。
【図７】 本発明の第二の実施の形態を示す、微量な液体を吸引し且つ分配する装置のブ
ロック図である。
【図８】 本発明に従って多孔質の基板上に置いた複数の液滴を示す図である。
【図９】 本発明に従って、アナポア薄膜上に置いた液滴を示す図である。
【図１０】 図９に図示するように、アナポア薄膜上に置いた液滴からの蛍光信号のグラフ
である。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 移送液体の液滴を吸引し且つウェーハの一つの部位に射出す
    る装置において、 前記部位の少なくとも一つを保持するウェーハであって、前記部位の各々が多
    孔質であり且つ液滴の直径よりも約１０乃至約１０，０００倍小さい孔を有する
    前記ウェーハと、 装置液体を保持する囲ったスペースと、 該囲ったスペースと連通する分配管であって、出口を有し、該出口が前記部位
    に面し、該出口が前記液滴の直径よりも長い距離だけ前記部分から分離された前
    記分配管と、 前記移送液体を前記管内に吸引すべく装置液体を前記管内に供給し且つ該管か
    ら吸引する手段と、 前記移送液体の液滴を前記部分に射出し得るように前記管の容積を収縮させる
    収縮手段とを備え、前記管及び該収縮手段が、約５乃至約５００ピコリットルの
    範囲の液滴を発生させ得るようにされた、装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の装置において、前記ウェーハの表面の全体が多孔
    質である、装置。
  3. 【請求項３】 請求項１の装置において、ウェーハが多孔質の薄膜である、
    装置。
  4. 【請求項４】 請求項１の装置において、移送液体が生物学的又は化学的反
    応剤を含む、装置。
  5. 【請求項５】 請求項１の装置において、前記管及び前記収縮手段が、直径
    約１０乃至約１００ミクロンの液滴を発生させ得るようにされた、装置。
  6. 【請求項６】 請求項１の装置において、前記収縮手段が圧電要素を備える
    、装置。
  7. 【請求項７】 請求項１の装置において、ウェーハがアナポア薄膜である、
    装置。
  8. 【請求項８】 請求項１の装置において、前記出口と前記部分との間の距離
    が約０．５乃至２ｍｍの範囲にある、装置。
  9. 【請求項９】 請求項１の装置において、前記装置液体が水から成る、装置
    。
  10. 【請求項１０】 移送液体の液滴を吸引し且つ装置液体を保持する囲ったス
    ペースと連通する管の出口から多孔質の部分まで該液滴を射出する方法において
    、 （ａ）取り囲んだスペースからの装置液体にて管を充填するステップと、 （ｂ）管の出口を移送液体に浸漬させるステップと、 （ｃ）前記管が前記移送液体に浸漬されている間に、前記移送液体を前記管内
    に吸引すべく装置液体を前記管から吸引するステップと、 （ｄ）前記液滴の直径よりも長い距離から前記多孔質の部分に前記出口から移
    送液体の液滴を射出し得るように管を収縮させるステップとを備え、前記液滴が
    約５乃至約５００ピコリットルの範囲の容積を有し、前記部分の孔が前記液滴の
    直径よりも約１０乃至約１０，０００倍小さい、方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１０の方法において、多孔質の部分が多孔質の薄膜
    上に存在する、方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１０の方法において、多孔質の部分がアナポア薄膜
    上にある、方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１０の方法において、液滴の直径が約１０乃至約１
    ００ミクロンの範囲にある、方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１０の方法において、管を収縮させることが圧電要
    素により行われる、方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１０の方法において、複数の液滴を同一の部分に射
    出すべくステップ（ｄ）を繰り返すことを更に備える、方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１０の方法において、前記ウェーハの別の部分に面
    するように管を移動させ且つステップ（ｄ）を少なくとも１回繰り返すステップ
    を更に備える、方法。
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