JP2004184202A - 液体吐出装置における液体の背圧制御方法、液体吐出装置、マイクロアレイ製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出装置において、安定した吐出を得るために、吐出する液体の背圧を効率よく制御することが可能な背圧制御方法、並びに、吐出を行うカートリッジの小型化、低コスト化が可能で、かつ安定した吐出が得られる液体吐出装置、並びにその液体吐出装置を用いて、多種類のマイクロアレイを効率よく作製することができるマイクロアレイの製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】吐出する液体を入れた液体貯留部４と、液滴を吐出するノズル５０を有する吐出ヘッド部５とを備えた複数のカートリッジ３を、密閉可能なケース２に設けられた開口部２６に前記吐出ヘッド部５をシール材２７によりシールして装着し、前記液体貯留部４の液体注入口４０を開口させた状態として、密閉された前記ケース２内の圧力を制御する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてマイクロアレイの作製のための液体吐出装置、マイクロアレイの製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遺伝子研究機関、医療、薬品開発の研究機関等においては、ＤＮＡ解析や免疫学的解析等のために、スライドガラスのような基板上に、数千〜数万種類のＤＮＡ（デオキシリボ核酸）やＲＮＡ（リボ核酸）、タンパク質などの生体分子溶液をマトリックス状にスポットしたマイクロアレイ（バイオチップ）が用いられる。このようなマイクロアレイを作製する方法としては、接触ピン法、マイクロピペット法、インクジェット法などが知られている。そのうち、特に最近ではインクジェット法が注目を浴びている。これは、インクジェット法が、極少量の液滴を目的の位置に高精度に打つことができること、吐出ヘッドが基板に接触しないこと、基板材料にガラスや合成樹脂、金属、フィルム等任意の材料が使用できること、動作音が低いこと、低コストであることなどの特徴を有しているからである。
インクジェット法は、インクジェットヘッドのアクチュエータ部を、例えば圧電体により変位させることにより、ダイヤフラムのポンプ作用でノズル先端から液滴を吐出させる方法である。
【０００３】
このようなインクジェット法を用いたものとして、例えば特許文献１がある。この方法は、ピペット本体に、ピペット本体の外部から試料を注入する試料注入口と、注入された試料を導入しかつ一時貯留し得るキャビティと、貯留された試料をノズル部の貫通孔を経由して外部に吐出する試料吐出口とを形成してなるとともに、ピペット本体のキャビティ形成位置に対応した部位の外面上に圧電／電歪素子を設けてなり、圧電／電歪素子の駆動によりキャビティ内の体積を変化させ、キャビティ内に貯留された試料の一定量を試料吐出口から吐出させるマイクロピペットを用いるものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１９６０１０号公報（特許請求の範囲、段落［００４０］〜［００４５］、図１、図９、図１０）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術においては、キャビティ内の液体の背圧を制御してないため、キャビティ内の液体が少なくなるに伴って吐出圧力が変化するので、吐出が不安定になるという問題がある。また、背圧を一定に保ちノズル開口からの液漏れを防ぐためにスポンジ等のフォームを液体貯留部に入れる方法もあるが、液体貯留部が大きくなり小型化が困難になるとともに、コスト高となる問題がある。
【０００６】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、液体吐出装置において、安定した吐出を得るために、吐出する液体の背圧を効率よく制御することが可能な背圧制御方法、並びに、吐出を行うカートリッジの小型化、低コスト化が可能で、かつ安定した吐出が得られる液体吐出装置、並びにその液体吐出装置を用いて、多種類のマイクロアレイを効率よく作製することができるマイクロアレイの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液体吐出装置における液体の背圧制御方法は、吐出する液体を入れた液体貯留部と、液滴を吐出するノズルを有する吐出ヘッド部とを備えた複数のカートリッジを、密閉可能なケースに設けられた開口部に前記吐出ヘッド部をシールして装着し、前記液体貯留部の液体注入口を開口させた状態として、密閉された前記ケース内を減圧することを特徴とする。
【０００８】
本発明の背圧制御方法は、密閉されたケース内に装着された複数のカートリッジ内の液体の背圧を該ケース内を減圧することにより一括して制御することができる。したがって、個々にカートリッジ内の液体の背圧を制御する手段を設けなくてもよいので、カートリッジの小型化、低コスト化が可能である。
なお、ケースの減圧作用は吐出時に行えばよく、安定した吐出が得られる。
【０００９】
本発明の背圧制御方法では、複数のカートリッジに代えて、単一のカートリッジを使用することができる。多種類のマイクロアレイを作製する場合においては、それぞれ異なる種類の生体分子溶液の注入を容易にするために、カートリッジを独立に形成された複数の液体貯留部を有する単一のカートリッジの構成とすることが都合がよいものである。
したがって、単一のカートリッジを使用する場合、本発明の液体吐出装置における背圧制御方法は、吐出する液体を入れた複数の液体貯留部と、液滴を吐出する複数のノズルを有する単一の吐出ヘッド部とを備えた単一のカートリッジを、密閉可能なケースに設けられた開口部に前記吐出ヘッド部をシールして装着し、前記液体貯留部の液体注入口を開口させた状態として、密閉された前記ケース内を減圧するものである。
【００１０】
ここで、マイクロアレイとは、ガラス等の基板上に、数千〜数万種類のＤＮＡやＲＮＡ、タンパク質などのプローブサンプルが配列されたものである。ＤＮＡマイクロアレイ（ＤＮＡチップともいう）がその代表的な例である。また、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ：デオキシリボ核酸（遺伝物質））とは、塩基、糖（デオキシリボーズ）及びリン酸が結合したもの（ヌクレオチド）がさらに結合し、最終的には二重らせん形となったものである。ここで、塩基はアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、チミン（Ｔ）の４種類がある。また、ＤＮＡマイクロアレイは、ＤＮＡの相補性を利用し、検査、解析に利用するものである。
ＲＮＡ（ｒｉｂｏｎｕｃｌｅｃ ａｃｉｄ：リボ核酸）は、リボヌクレオチドが重合した核酸で、リボソームＲＮＡ、伝令ＲＮＡ、転移ＲＮＡなどがあり、核のみでなく細胞全体に分布している。塩基はアデニン（Ａ）、グアニン（Ｇ）、シトシン（Ｃ）、ウラシル（Ｕ）の４種類である。また、１本鎖構造である。
タンパク質は、生物細胞に不可欠の主要成分として、２０種のＬ−アミノ酸がペプチド結合することで合成される高分子ポリペプチドの総称であり、様々な分子量、構造、機能をもった生体高分子である。
【００１１】
吐出時におけるケースの減圧の程度は、大気圧に対して−０．０５〜−３ｋＰａの圧力にすることが好ましい。この範囲内の減圧であれば、安定した吐出が得られる。特に、減圧下限値（−３ｋＰａ）を超えると、液滴の重量変化が大きくなり、不安定な吐出状態となりやすい。
【００１２】
本発明の液体吐出装置は、密閉可能なケースと、該ケース内に着脱自在に装着される単一または複数のカートリッジとを備え、
前記カートリッジは、それぞれ、吐出する液体の注入口を有する液体貯留部と、液滴を吐出するノズルを有する吐出ヘッド部とを備えた構成である。
したがって、前記密閉可能なケースに、例えば吸引手段を接続すれば、ケース内部を減圧することができ、しかもすべてのカートリッジ内の液体の背圧を一括して制御することができる。したがって、個別のカートリッジ背圧制御手段は不要となるので、カートリッジの小型化、低コスト化が可能である。
また、液体貯留部にフォームやゴムタンク等を用いないため、生体高分子とのコンパティビリティが高いものとなる。
また、独立のカートリッジであるため、交換が容易で、クロスコンタミネーションが生じない。
【００１３】
前述のように、本発明は単一のカートリッジも使用可能である。この場合、本発明の液体吐出装置は、密閉可能なケースと、該ケース内に着脱自在に装着される単一または複数のカートリッジとを備え、
前記カートリッジは、吐出する液体の注入口を有する複数の液体貯留部と、液滴を吐出する複数のノズルを有する単一の吐出ヘッド部とを備えた構成とする。なお、単一のカートリッジを複数装着することもできる。
前記カートリッジは、独立した複数の液体貯留部を備えているので、従来の自動分注装置等を使用して容易に生体分子溶液の注入を行うことができる。カートリッジの交換も一度に別種類の生体分子溶液のものに交換することができる。
【００１４】
本発明の液体吐出装置を例えばマイクロアレイの作製に使用する場合、前記ケースが、所定の方向に移動するキャリッジと一体に構成されたキャリッジケースとしてもよい。つまり、キャリッジと一体型のキャリッジケースとするものである。あるいは、キャリッジと着脱自在な分離型の構成としてもよい。
前者の一体型の場合は、カートリッジ単位で着脱、交換が可能で、後者の分離型の場合は、ケース単位で着脱、交換が可能である。いずれを採用するかはコストバランスによる。
【００１５】
本発明の液体吐出装置においては、前記ケースの底面に前記カートリッジの吐出ヘッド部が嵌合する開口部を設け、該吐出ヘッド部の嵌合時、該開口部の気密がシール材により保持される構成となっている。
このように構成することによって、カートリッジの着脱口である開口部の気密性が保持される。シール材は、開口部もしくは吐出ヘッド部のどちらか一方に設ければよい。
【００１６】
ケースの密閉とカートリッジの着脱を容易にするため、前記ケースは、ケース本体と、該ケース本体にシール材を介して開閉自在に結合された蓋と、該蓋を速脱着式にロックするロック手段とを備えた構成とする。
ロック手段は、例えばバックル方式のようにワンタッチで速脱着が可能な構成とすることが好ましい。このようなロック手段とすることにより、マクロアレイの作製において比較的頻繁に行われるカートリッジの交換を容易に行うことができる。なお、蓋はシール材を介してケース本体に密着されるので、ケースの密閉は保たれる。
【００１７】
本発明の液体吐出装置は、前記ケースの内部圧力が圧力調整手段により減圧および／または加圧調整される構成となっていることが好ましい。
吐出時には、ケース内を前記のように減圧すればよく、吐出前にあっては、加圧あるいは減圧と加圧の両方を用いて、以下に述べる各種の準備作業ないしメンテナンスを行うことができる。例えば、
（１）前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により大気圧よりも高く調整することによって前記液体貯留部内の液体を前記ノズルに充填すること。
（２）前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により大気圧よりも高く調整することによって前記吐出ヘッド部内に滞留する気泡および残留物を排出すること。
（３）前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により制御することによって、前記ノズルから洗浄用液体を吸引および排出し、前記カートリッジ内部を洗浄すること。
（４）前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により減圧することによって、前記カートリッジ内に収容された液体中の溶存気体を脱気すること。
（５）前記ケース内に乾燥用空気を送入することによって、洗浄後の前記カートリッジ内部を乾燥させること。
（６）前記ケース内の温度および湿度を温湿度調整手段により調整すること。
前記（２）、（４）の操作により、不吐出の原因となる気泡や、ノズルの目詰まりの原因となる固形成分、異物等の残留物を排除することができる。また、（１）の操作により、液体の充填（プライミング）を行うことができる。
また、クロスコンタミネーションを防止するためには、（３）、（５）の操作によって、カートリッジ内を洗浄し、その後、カートリッジ内部を乾燥させる。（６）の操作は圧力調整手段に温湿度調整部を付加することで可能である。
以上の各操作は、すべてのカートリッジに対して一括して行うことができる。なお、独立の複数の液体貯留部をもつ単一のカートリッジの場合も同様である。
【００１８】
また、本発明の液体吐出装置は、前記カートリッジの液体貯留部の全容量が、前記ケースの容積の０．０３倍以下とするものである。
密閉可能なケースであれば、このように液体貯留部とケースの容積比を設定することにより、吐出に伴ってケース内部が減圧していくので、ケース内部圧力を圧力調整手段等でアクティブに制御しなくてもよい。
【００１９】
また、前記吐出ヘッド部は静電駆動方式の構成とするのが好ましい。静電駆動方式によれば、極微小の液滴を非接触で正確に吐出することができるとともに、全ノズルからの同時吐出を容易に行うことができる。
また、前記ケースは、前記カートリッジの装着時、該カートリッジと電気的に接続する構成となっていることがこのましい。これにより、カートリッジの交換が容易になる。
【００２０】
本発明のマイクロアレイ製造方法は、請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置を用いてマイクロアレイを製造することを特徴とする。
前述したように、本発明の液体吐出装置を使用することにより、多数のカートリッジ（単一カートリッジの場合は多数の液体貯留部）内の液体の背圧を一括して制御できるので、微小な液滴を安定して吐出させることができ、高密度かつ低コストのマイクロアレイの製造が可能である。
【００２１】
前記のように、マイクロアレイを効率的に製造するため、本発明のマイクロアレイ製造装置は、基台と、前記基台上において、直交する方向に相対的に移動するキャリッジおよびテーブルと、前記テーブル上にセットされた一または複数のマイクロアレイ作製用基板とを備え、請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置の密閉可能なケースを前記キャリッジと一体に構成するか、または、
基台と、前記基台上において、直交する方向に相対的に移動するキャリッジおよびテーブルと、前記テーブル上にセットされた一または複数のマイクロアレイ作製用基板とを備え、請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置の密閉可能なケースを前記キャリッジと着脱自在な分離型の構成としたものである。
さらに、前記ケースの内部圧力を調整する圧力調整手段を備えた構成とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による液体吐出装置の構成図で、一部を断面図で示している。図２、図３は液体吐出装置の正面図と側面図である。また、図４は液体吐出装置におけるケース本体の平面図である。
この液体吐出装置１は、密閉可能なケース２と、ケース２内に着脱自在に装着される複数のカートリッジ３とを備えている。カートリッジ３はケース２内の底面にＭ行×Ｎ列で配置されている。まず最初に、カートリッジ３について説明し、その次にケース２について構成を説明する。
【００２３】
（１）カートリッジの構成
図５はカートリッジの斜視図、図６、図７はカートリッジの下面図と断面図である。
カートリッジ３は、吐出する液体（例えば、生体分子溶液）１０を貯留する液体貯留部（リザーバとも呼ばれる）４と、液体１０を吐出する一または複数のノズル５０を有する吐出ヘッド部５とが一体的に構成された構造となっている。
液体貯留部４はガラス、プラスチック等からなり、上部には液体１０の注入口４０が開口した状態で設けられている。また、液体貯留部４の下部には流路４１が形成され、この流路４１は、後述する吐出ヘッド部４の流路に連通するように接続される。
【００２４】
（２）吐出ヘッド部
カートリッジ３の先端部（下端部）には、例えば静電駆動方式の吐出ヘッド部５が設けられている。この吐出ヘッド部５は、図７に示すように、３枚の基板５１、５２、５３を相互に接合した構造となっている。図７において、左側の基板５１はガラス基板、中間の基板５２はＳｉ基板、右側の基板５３はガラス基板をそれぞれ用いている。中間のＳｉ基板５２には、予めエッチングにより前記ノズル５０、吐出室５４、および流路５５が形成されている。吐出室５４の底部（図７では側壁部）が振動板５６となっている。この振動板５６に所定の空隙でもって対面するアクチュエータ電極５７が一方の例えばガラス基板５３に形成されている。アクチュエータ電極５７は、例えば、酸化錫を不純物としてドープした酸化インジウム膜、すなわちＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム酸化第１錫）膜で電極を形成している。ただし、電極５７はこれに限定されるものではない。また、アクチュエータ電極５７は、Ｓｉ基板の振動板５６との間に所定の空隙を確保するために、ガラス基板５３に設けられた凹部５８内に形成することが好ましい。
他方の例えばガラス基板５１は、中間のＳｉ基板５２と接合され、吐出流路の蓋基板として用いられる。これら３枚の基板５１、５２、５３は陽極接合または接着により互いに接合されている。
【００２５】
このように構成された吐出ヘッド部５を前記液体貯留部４と接着により接合することによって、吐出ヘッド部５の流路５５と液体貯留部４の流路４１とを接続し、カートリッジ３が構成される。そしてさらに、前記アクチュエータ電極５７とＳｉ基板５２に駆動回路６を配線することにより、静電駆動方式の吐出ヘッド部５が構成される。図６において、６１、６２は液体貯留部４の下面に設けられた接点で、６３は配線部である。
【００２６】
ここで、前記のように構成された吐出ヘッド部５の動作を簡単に説明する。静電駆動方式においては、アクチュエータ電極５７を正に帯電させ、振動板５６を負に帯電させると、振動板５６が電極５７側へ引き寄せられ、吐出室５４の容積が増加する。この状態で駆動回路６によりアクチュエータ電極５７への電荷の供給を止めると、振動板５６は元に戻るため、そのときの圧力により容積変化の差分に相当する一定量の液滴がノズル５０より吐出される。
なお、ここでは、液滴吐出駆動方法を静電気を利用した静電駆動方式で説明したが、圧電体を用いる圧電駆動方式としてもよい。
【００２７】
（３）ケースの構成
ケース２は、図１〜図４に示すように、箱形のケース本体２０と、ケース本体２０にヒンジ２１で開閉自在に結合された蓋２２と、ケース本体２０の上面または蓋２２の下面の周辺部（シール面）に設けられたシール材２３と、蓋２２を速脱着式にロックするロック手段２４と、ケース２の内部圧力を所定の負圧または正圧にするための圧力調整手段（図８参照）に接続される接続パイプ２５とを備えている。
また、前記カートリッジ３を着脱自在に装着するため、図４に示すように、ケース本体２０の底面には吐出ヘッド部５が嵌合する開口部２６がカートリッジ３の数だけ設けられている。また、ケース２内の気密性を保つために、開口部２６の周辺部には例えばパッキンからなるシール材２７が接着等で貼り付けられている。シール材２７は例えばＯリングを用い、これをカートリッジ３の吐出ヘッド部５の外周に設けた溝内に嵌め込む方法でもシールすることができる。
また、各開口部２６の近傍にはカートリッジ３の装着時、吐出ヘッド部５の接点６１、６２と接触し電気的接続をする電極２８、２９が設けられている。
【００２８】
（４）ケースの蓋のロック機構
ケース２の蓋２２のロック機構についてはいろいろな形態が考えられる。基本的には簡単な速脱着方式が望ましい。その一例をバックル方式の止め具（ロック手段）２４で示す。この止め具２４は、図２、図３に示すように、方形状の掛け金２４１を枢着したレバー２４２をケース本体２０に軸支し、掛け金２４１の先端部を蓋２２に突設したフック２４３に引っ掛けてレバー２４２を引き倒すことによりロックされる構造となっている。すなわち、掛け金２４１のレバー２４２との軸結合部２４５はレバー２４２の回転中心である軸支部２４４より半径ｒだけ偏心した（離れた）位置に枢着されており、かつロック状態のときには軸結合部２４５が軸支部２４４よりも若干ケース表面側に近づく位置にて停止するようにしている。そのため、ケース本体２０の表面に当接するストッパー２４６がレバー２４２に設けられている。したがって、このロック位置からレバー２４２を引き起こせば、掛け金２４１を簡単にフック２４３から外すことができ、蓋２２を開けることができる。蓋２２を閉じるときには掛け金２４１をフック２４３に引っ掛け、レバー２４３をストッパー２４６がケース本体２０の表面に当接するまで引き倒す。これによって蓋２２とケース本体２１との間に設けられたシール材２３を締め付け、ロックされる。したがって、ケース２を簡単に密閉することができる。また、蓋２２の開閉も容易であるので、カートリッジ３の着脱、交換が容易となる。なお、シール材２３はパッキンで示してあるが、前記のようにＯリングを用いてシール面の溝に張り巡らしてもよい。
【００２９】
（５）ケースの圧力調整手段
（ｉ）減圧の場合
前記止め具２４により蓋２２をロックし、ケース２を密閉状態とする。この密閉状態のケース２に前記接続パイプ２５を介して、例えば図８（ａ）に示すような負圧調整手段７を接続する。負圧調整手段７は吸引ポンプ７１と圧力コントローラ７２とから構成されており、ケース２は例えば伸縮自在なチューブ７３により圧力コントローラ７２を介して吸引ポンプ７１に接続されている。また、圧力コントローラ７２は電磁弁７４、制御回路７５、および圧力センサ７６から構成されている。したがって、吸引ポンプ７１により密閉状態のケース２内部の空気を吸引することにより、ケース２の内部圧力が制御回路７５で予め設定された圧力（負圧設定値）になるようにケース２内部を減圧することができる。この減圧は各カートリッジ３の液体注入口４０を通じて液体貯留部４内の液体１０に作用する。したがって、ケース２内部に装着された全部のカートリッジ３に対して液体貯留部４内の液体１０の背圧を一括して制御することができる。よって、吐出時においてケース内部の適正な減圧制御を行うことにより、安定した吐出を行わせることができる。また、従来のように液体貯留部４にスポンジ等のフォームやゴムタンク等を用いる必要がないため、カートリッジ３の小型化、低コスト化が可能である。
【００３０】
（ｉｉ）加圧の場合
逆に、ケース２内部を加圧する場合は、例えば図８（ｂ）に示すような正圧調整手段８に密閉状態のケース２を接続して加圧する。正圧調整手段８はコンプレッサー８１と圧力コントローラ８２とからなり、ケース２とコンプレッサー８１とは圧力コントローラ８２を介して伸縮自在なチューブ８３で接続されている。圧力コントローラ８２は、電磁弁８４、制御回路８５、および圧力センサ８６から構成されている。したがって、コンプレッサ８１により密閉状態のケース２内部を加圧することにより、ケース２の内部圧力が制御回路８５で予め設定された圧力（正圧設定値）になるようにケース２内部を加圧することができる。これによって、吐出前にあっては、ケース内部の適正な加圧制御を行うことにより、全部のカートリッジ３に対して一括して、例えば、各吐出ヘッド部５のノズル５０内に滞留する固形成分や異物、あるいは吐出室５４内に残留する気泡等を排出したり、あるいは液体貯留部４内の液体１０をノズル先端まで完全に充填することができる。また、洗浄液を用いて前記減圧と加圧を交互に加えることにより、ノズル５０から洗浄液を吸引および排出することができ、これによりカートリッジ３内部を洗浄することができる。
なお、前記負圧調整手段７および正圧調整手段８は、ポンプ、空気ファンなど正逆の圧力発生源と回路の切替弁を用いて減圧および加圧の兼用タイプに構成することが好ましい。
【００３１】
実施の形態２．
前記のように構成された液体吐出装置１を用いてマイクロアレイを作製するには、液体吐出装置１とガラスあるいはプラスチック等からなるマイクロアレイ作製用基板を直交するＸ、Ｙ方向に相対的に走査移動することによって作製する。その一例を図９に示す。
図９は本発明のマイクロアレイ製造装置の概要を示す斜視図である。
このマイクロアレイ製造装置１００は、基台１１０上において、水平面内でＸ方向に移動するキャリッジを前記液体吐出装置１のケース２にて一体に構成したキャリッジケース（あるいはカートリッジホルダ）１２０としたものである。キャリッジケース１２０の構成については、前記ケース２の構成と全く同じであるので、主な構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
【００３２】
キャリッジケース１２０の移動方向Ｘと直角のＹ方向に相対的に移動するテーブル１３０上には、スライドガラスや樹脂製等からなるマイクロアレイ作製用基板１４０が一または複数枚セット（載置）される。さらに、Ｘ軸（キャリッジケース）およびＹ軸（テーブル）の駆動制御手段１５０が設けられており、またＸ軸ダクト１０１上には減圧および加圧兼用タイプの圧力調整ユニット１６０が設置され、伸縮自在なチューブ１６１でキャリッジケース１２０と接続されている。また、液体吐出装置１の吐出制御手段（図示せず）は一般的にＰＣ（パーソナルコンピュータ）と専用回路にて構成されている。
【００３３】
キャリッジケース１２０のケース本体２０の底面には、前述したように複数のカートリッジ３が着脱自在に装着される。各カートリッジ３の液体貯留部４には吐出する液体１０として、例えばＤＮＡ断片を含むそれぞれ異なる種類の生体分子溶液が入れられている。カートリッジ３は、装着時、吐出ヘッド部５がキャリッジケース１２０底面に設けられた開口部２６に密接に嵌合し、シール材２７により開口部２６からの空気洩れを防止するとともに、吐出ヘッド部５の接点６１、６２と開口部２６近傍に設けられたキャリッジケース１２０内の電極２８、２９とがそれぞれ接触して電気的接続を果たす。各電極２８、２９はキャリッジケース１２０の側面に設けられたコネクタ１０５を介して前記吐出制御手段に接続されている。また、カートリッジ３は、図１０に示すように、吐出ヘッド部５の先端面すなわちノズル開口面５９がキャリッジケース１２０の下面とほぼ一致するように装着される。したがって、液滴の吐出距離はキャリッジケース１２０の下面とテーブル１３０上のマイクロアレイ作製用基板１４０の表面間の空隙間隔Ｇで設定することができる。
【００３４】
所要数のカートリッジ３が搭載されたキャリッジケース１２０はＸ軸駆動機構によってＸ方向に走査される。Ｘ軸駆動機構は図示していないが、公知のタイミングベルト機構やボールネジ機構等を用い、これにキャリッジケース１２０を結合してパルスモータを駆動することで実施できる。図９では、このようなＸ軸駆動機構が側面に長穴１０３を設けたＸ軸ダクト１０１内に内蔵されているものである。
テーブル１３０はＹ軸駆動機構によってＹ方向に走査される。このＹ軸駆動機構は前記Ｘ軸駆動機構と同様の構成であり、側面に長穴１０４を設けたＹ軸ダクト１０２内に内蔵されている。
なお、テーブル１３０上にはマイクロアレイ作製用の基板１４０が１枚または複数枚セット（載置）される。また、テーブル１３０は固定式としてもよい。この場合は、キャリッジケース１２０を直交するＸ、Ｙ両方向に走査可能な構成とする。
【００３５】
前記のように構成されたマイクロアレイ製造装置１００において、全てのカートリッジ３をキャリッジケース１２０に搭載した後では、キャリッジケース１２０の蓋２２を閉じ、ロック手段としての止め具２４により蓋２２をロックする。蓋２２とケース本体２０のシール面はシール材２３によりシールされる。これにより、キャリッジケース１２０は密閉状態に保持される。
その後、キャリッジケース１２０の接続パイプ２５にチューブ１６１で接続された圧力調整ユニット１６０を作動し、キャリッジケース１２０の内部圧力が所定の負圧または正圧になるよう圧力を調整する。
【００３６】
（１）吐出時
ノズル５０より液滴を吐出する際には、圧力調整ユニット１６０によりキャリッジケース１２０の内部圧力を負圧に調整して吐出を行う。負圧の圧力は、各カートリッジ３の液体注入口４０を通じて液体貯留部４内の液体１０の背圧として作用する。またこのとき、キャリッジケース１２０の内部圧力は、大気圧よりも低い圧力、好ましくは図１１に示すように、−０．０５ｋＰａ〜−３ｋＰａの範囲の圧力に調整される。この負圧設定値は図８（ａ）の制御回路７５で設定されている。
図１１は背圧と吐出重量（ノズル５０から吐出される液滴の重量をいう）との関係を示すグラフである。横軸に背圧を、縦軸に液滴重量変化をとって示してある。大気圧のときは横軸の背圧が「０」の位置としている。また、縦軸の液滴重量変化（％）は、大気圧吐出時の液滴重量に対するその負圧吐出時の液滴重量の減少割合をあらわす。例えば、背圧−３ｋＰａのとき、液滴重量変化が２０％というのは、大気圧吐出時の液滴重量の８０％の液滴重量であることを意味している。−３ｋＰａ以内であれば吐出重量は減少するが、安定した吐出が可能である。また、大気圧に対し、０．０５ｋＰａ以上の減圧にすることにより、メニスカスがこわれた時に起こるノズルからの液漏れを防ぐことができる。しかも、キャリッジケース１２０内の全てのカートリッジ３の背圧を一括して制御することができる。
【００３７】
マイクロアレイは、キャリッジケース１２０をＸ方向に主走査し、マイクロアレイ作製用基板１４０をセットしたテーブル１３０をＹ方向に副走査することによって作製することができる。
また、背圧制御（調整）のもとでは、極少量（数ピコリットル）のオーダーで液滴を吐出することができるので、高密度のマイクロアレイを作製することができる。しかも、液体貯留部４にフォームやゴムタンク等を用いないため生体高分子とのコンパティビリティーが高い。また、カートリッジ３の小型化、低コスト化が可能で、極少量の液体の吐出ができるため、マイクロアレイの製造コストの低減が可能である。
また、カートリッジ３はそれぞれ独立のものであるため、交換が容易で、クロスコンタミネーションがない。
【００３８】
（２）吐出前の準備作業およびメンテナンス
吐出前にあっては、下記のような準備作業（処理）およびメンテナンスが適宜実施される。これらの処理は、通常、キャリッジケース１２０のホームポジションにおいて実施される。
（ｉ）液体の充填
液体の充填（プライミング）とは、カートリッジ３の液体貯留部４内に注入された液体１０をノズル５０の先端まで完全に満たした状態に充填することをいう。このプライミング処理の際には、圧力調整ユニット１６０により密閉状態のキャリッジケース１２０内部を加圧する。これによって、全てのカートリッジ３に対して液体貯留部４内の液体１０を一括して加圧し、各ノズル５０の先端まで液体１０を充填することができる。また、加圧の程度は、生体分子溶液の粘度や吐出ヘッド部５内の流体抵抗等にもよるが、大気圧よりも少し高い圧力に設定して行う。ノズル５０からの生体分子溶液の排出量があまり多くならないように留意する。また、ノズル５０内に滞留する固形成分や異物等の残留物も排出することができる。これらの残留物や気泡の存在はノズルの目詰まりや不吐出の原因となるので、吐出が不安定になったときに、上記の方法で除去される。
【００３９】
（ｉｉ）洗浄
各カートリッジ３のノズル５０は時々洗浄する必要がある。洗浄処理は、洗浄用液体を用いて行う。洗浄用液体としては、例えば、蒸留水、エタノール、合成洗剤もしくは殺菌剤入りの洗浄液などが用いられる。洗浄に際しては、これらの洗浄用液体を入れた受け皿（図示せず）をキャリッジケース１２０のホームポジションにて昇降可能に設ける。この受け皿の洗浄用液体内に各カートリッジ３のノズル先端面（すなわち、キャリッジケース１２０の底面全体）が浸漬するように受け皿を上昇させた後、圧力調整ユニット１６０により減圧と加圧を交互にキャリッジケース１２０に与える。これによって、洗浄用液体は各ノズル５０から吸い込まれ、また逆に排出される。このように洗浄用液体の吸引と排出を繰り返すことにより全てのカートリッジ３を一括して洗浄することができる。
【００４０】
（ｉｉｉ）乾燥
洗浄後は、各カートリッジ３を乾燥する。この処理では乾燥用空気を圧力調整ユニット１６０によりキャリッジケース１２０内に送り込む。乾燥用空気は各ノズル５０から外部へ排出されるので、全てのカートリッジ３を一括して乾燥することができる。
（ｉｖ）温度・湿度管理
圧力調整ユニット１６０は、例えば図８（ｂ）に示した回路にさらに温度センサ、湿度センサを追加することにより温度・湿度調整部（図示せず）を有する構成とすることができる。このような温度・湿度調整部により、キャリッジケース１２０内の温度・湿度の一括管理が可能なので、生体分子溶液の劣化が生じない。普通、常温・常湿に調整される。
（ｖ）溶存気体の脱気
生体分子溶液をカートリッジ３に注入する際、液体中に溶存気体（一般には、空気）が含まれることがある。溶存気体が存在すると、気泡発生による吐出不良の原因となるので脱気する必要がある。気泡は前述したプライミングの際に除去することができるが、キャリッジケース１２０内を減圧することによって気泡の発生を抑制することができる。この脱気処理は、圧力調整ユニット１６０を用いて、通常、キャリッジケース１２０内を１０ｋＰａ程度に減圧下することにより、液体１０中の溶存気体（空気以外の気体も含む）を脱気することができる。
【００４１】
実施の形態３．
図１２はキャリッジとケースの分離可能な構成を示す断面図、図１３はキャリッジの斜視図である。
この実施形態では、第２の実施形態で示した一体型のキャリッジケース１２０と異なり、キャリッジ１２１とケース２を分離型に構成したものである。
キャリッジ１２１は、例えば方形状の枠体により構成されている。この支持フレーム１２２の中に密閉可能なケース２を入れて保持する。そのため、ケース本体２０の下面に、支持フレーム１２２の底面と係合する段付き部１２３を設けている。段付き部１２３は支持フレーム１２２の上端と係合するようにケース本体２０の側面に設けてもよい。また、支持フレーム１２２にはケース本体２０に取り付けられるコネクタ１０５の取付位置によってはコネクタ１０５を逃がすための切欠き凹部１２４が設けられることもある。
なお、ケース２を支持フレーム１２２に搭載したとき、支持フレーム１２２の下端とケース２の下面を必ずしも面一にする必要はないが、ケース２の下面が引っ込み気味よりも突出気味のほうが好ましい。図１３において、１２５は前記Ｘ軸機構との連結部である。
【００４２】
この実施形態によれば、ケース２をケースごとキャリッジ１２１から取り外すことができるので、任意の配列を有するケース２と簡単に取り替えることができる。したがって、マイクロアレイの配列の自由度が高い。また、カートリッジ
の形態、個数の相違等、あるいはケース２の配線不具合が発生した場合などにも迅速に対応することができる。
【００４３】
実施の形態４．
図１４はマルチリザーバ型の単一カートリッジの例を示す上面図、図１５はその断面図である。
この実施形態に示す単一のカートリッジ３０は、複数の液体貯留部４を有する第１の基板３１と、第１の基板３１との間で独立の流路３３を形成する第２の基板３２とを接合し、第２の基板３２の下面中央部にヘッドチップからなる吐出ヘッド部５を接合したものである。液体貯留部４から流路３３を経由してノズル５０に至る吐出径路はすべて独立に構成されている。
第１および第２の基板３１、３２はガラスまたはプラスチックからなり、両基板は例えば熱溶着により接合されている。
吐出ヘッド部５は小型のヘッドチップとして構成されており、その構造は図７とほぼ同様である。このヘッドチップ（吐出ヘッド部５）は接着により第２の基板３２の下面に接合されている。
【００４４】
このように構成された単一のカートリッジ３０を前述したキャリッジ１２１と一体型のキャリッジケース１２０または分離型のケース２に搭載するには、それらのキャリッジケース１２０またはケース２の底面に一つの開口部２６を設けて、その開口部２６にヘッドチップからなる吐出ヘッド部５を密接に嵌合する。開口部２６の周辺部には前述したとおりシール材２７および電極２８、２９が設けられている。
【００４５】
この実施形態によれば、吐出ヘッド部５の２列のノズル５０全部から同時に吐出させることができるので、多種類のプローブサンプルをもつマイクロアレイを短時間に作製することができる。また、キャリッジケース１２０またはケース２の吐出時の減圧作用は前述したとおりであるので、微少量の液滴を安定して吐出することができる。また、吐出前の準備処理およびメンテナンスについても前述の通りに行うことができる。なお、この単一のカートリッジ３０をキャリッジケース１２０またはケース２と着脱するには、第１の基板３１に適当な摘みを設けて着脱すればよい。
【００４６】
実施の形態５．
この実施形態は、個々に独立したカートリッジ３（図１参照）あるいは単一のカートリッジ３０（図１４参照）を密閉したケースまたはキャリッジケースに収容するものである。例えば、図１６に示すように、個々に独立したカートリッジ３を複数、密閉可能なケース２Ａに収容する。この場合、ケース２Ａは図１、図９、図１２等で示したケース２あるいはキャリッジケース１２０から圧力調整手段に接続する接続パイプ２５を省いた形態のものでよい。
そして、ケース２Ａの容積Ｖ１と、全カートリッジ３の液体貯留部４の総容量Ｖ２との比率を、次のように設定する。
Ｖ２／Ｖ１≦３／１００
ケース２Ａは密閉されているので、各カートリッジ３の吐出動作に伴って液体貯留部４内の液体が減少していくため、ケース２Ａの内部は減圧されていくことになる。
したがって、本実施形態によれば、前述のようにケースの内部圧力を圧力調整手段（圧力調整ユニット１６０）によってアクティブに制御しなくても、安定した吐出が得られる。
【００４７】
本発明における液体吐出装置およびカートリッジは、マイクロアレイの作製に限られるものでないことはいうまでもない。したがって、通常のインクジェットヘッドとしても利用することができる。また、液滴の吐出方向も下向きに限定されるものではなく、横向きのいわゆるエッジタイプとして構成することもできる。さらに、色の異なるインクや発光材料を含む溶液を液体貯留部４に入れることにより、カラーフィルタや電界発光基板の製造にも好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による液体吐出装置の断面図。
【図２】液体吐出装置の正面図。
【図３】液体吐出装置の側面図。
【図４】液体吐出装置におけるケース本体の平面図。
【図５】カートリッジの斜視図。
【図６】カートリッジの下面図。
【図７】カートリッジの断面図。
【図８】圧力調整手段の構成図。
【図９】本発明のマイクロアレイ製造装置の概要を示す斜視図。
【図１０】カートリッジを搭載したキャリッジケースの断面図。
【図１１】背圧と吐出重量の関係を示すグラフ。
【図１２】キャリッジとケースの分離可能な構成を示す断面図。
【図１３】キャリッジの斜視図。
【図１４】マルチリザーバ型の単一カートリッジの例を示す上面図。
【図１５】単一カートリッジの断面図。
【図１６】密閉ケースを使用する場合の構成図。
【符号の説明】
１ 液体吐出装置、２ ケース、２Ａ ケース、３ カートリッジ、４ 液体貯留部、５ 吐出ヘッド部、６ 駆動回路、７ 負圧調整手段、８ 正圧調整手段、１０ 液体、２０ ケース本体、２１ ヒンジ、２２ 蓋、２３ シール材、２４ ロック手段、２５ 接続パイプ、２６ 開口部、２７ シール材、２８ 電極、２９ 電極、３０ カートリッジ、３１ 第１の基板、３２ 第２の基板、３３ 流路、４０ 液体注入口、４１ 流路、５０ ノズル、５１ ガラス基板、５２ Ｓｉ基板、５３ ガラス基板、５４ 吐出室、５５ 流路、５６ 振動板、５７ アクチュエータ電極、５８ 凹部、５９ ノズル開口面、６１ 接点、６２ 接点、６３ 配線部、７１ 吸引ポンプ、７２ 圧力コントローラ、７３ チューブ、７４ 電磁弁、７５ 制御回路、７６ 圧力センサ、８１ コンプレッサー、８２ 圧力コントローラ、８３ チューブ、８４ 電磁弁、８５制御回路、８６ 圧力センサ、１００ マイクロアレイ製造装置、１０１ Ｘ軸ダクト、１０２ Ｙ軸ダクト、１０３ 長穴、１０４ 長穴、１０５ コネクタ、１１０ 基台、１２０ キャリッジケース、１２１ キャリッジ、１２２ 支持フレーム、１２３ 段付き部、１２４ 切欠き凹部、１２５ 連結部、１３０ テーブル、１４０ マイクロアレイ作製用基板、１５０ 駆動制御手段、１６０ 圧力調整ユニット、１６１ チューブ、２４１ 掛け金、２４２ レバー、２４３ フック、２４４ 軸支部、２４５ 軸結合部、２４６ ストッパー

Claims (23)

1. 吐出する液体を入れた液体貯留部と、液滴を吐出するノズルを有する吐出ヘッド部とを備えた一つまたは複数のカートリッジを、密閉可能なケースに設けられた開口部に前記吐出ヘッド部をシールして装着し、前記液体貯留部の液体注入口を開口させた状態として、密閉された前記ケース内の圧力を制御することを特徴とする液体吐出装置における液体の背圧制御方法。
2. 吐出する液体を入れた複数の液体貯留部と、液滴を吐出する複数のノズルを有する単一の吐出ヘッド部とを備えた単一または複数のカートリッジを、密閉可能なケースに設けられた開口部に前記吐出ヘッド部をシールして装着し、前記液体貯留部の液体注入口を開口させた状態として、密閉された前記ケース内の圧力を制御することを特徴とする液体吐出装置における液体の背圧制御方法。
3. 吐出時に、前記ケースの内部圧力を大気圧よりも低い−０．０５〜−３ｋＰａの圧力にすることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出装置における液体の背圧制御方法。
4. 密閉可能なケースと、該ケース内に着脱自在に装着される単一または複数のカートリッジとを備え、
   前記カートリッジは、それぞれ、吐出する液体の注入口を有する液体貯留部と、液滴を吐出するノズルを有する吐出ヘッド部とを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
5. 密閉可能なケースと、該ケース内に着脱自在に装着される単一または複数のカートリッジとを備え、
   前記カートリッジは、吐出する液体の注入口を有する複数の液体貯留部と、液滴を吐出する複数のノズルを有する単一の吐出ヘッド部とを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
6. 前記ケースが所定の方向に移動するキャリッジと一体に構成されたキャリッジケースであることを特徴とする請求項４または５記載の液体吐出装置。
7. 前記ケースが所定の方向に移動するキャリッジと着脱自在な分離型の構成となっていることを特徴とする請求項４または５記載の液体吐出装置。
8. 前記ケースの底面に前記カートリッジの吐出ヘッド部が嵌合する開口部を設け、該吐出ヘッド部の嵌合時、該開口部の気密がシール材により保持される構成となっていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の液体吐出装置。
9. 前記ケースは、ケース本体と、該ケース本体にシール材を介して開閉自在に結合された蓋と、該蓋を速脱着式にロックするロック手段とを備えたことを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の液体吐出装置。
10. 前記ケースの内部圧力が圧力調整手段により減圧および／または加圧調整される構成となっていることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の液体吐出装置。
11. 吐出前に、前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により大気圧よりも高く調整することによって前記液体貯留部内の液体を前記ノズルに充填することを特徴とする請求項１０記載の液体吐出装置。
12. 吐出前に、前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により大気圧よりも高く調整することによって前記吐出ヘッド部内に滞留する気泡および残留物を排出することを特徴とする請求項１０記載の液体吐出装置。
13. 吐出前に、前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により制御することによって、前記ノズルから洗浄用液体を吸引および排出し、前記カートリッジ内部を洗浄することを特徴とする請求項１０記載の液体吐出装置。
14. 吐出前に、前記ケースの内部圧力を前記圧力調整手段により減圧することによって、前記カートリッジ内に収容された液体中の溶存気体を脱気することを特徴とする請求項１０記載の液体吐出装置。
15. 吐出前に、前記ケース内に乾燥用空気を送入することによって、洗浄後の前記カートリッジ内部を乾燥させることを特徴とする請求項１３記載の液体吐出装置。
16. 前記ケース内の温度および湿度を温湿度調整手段により調整することを特徴とする請求項４乃至１５のいずれかに記載の液体吐出装置。
17. 前記カートリッジの液体貯留部の全容量が、前記ケースの容積の０．０３倍以下であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の液体吐出装置。
18. 前記吐出ヘッド部は静電駆動方式の構成となっていることを特徴とする請求項４乃至１７のいずれかに記載の液体吐出装置。
19. 前記ケースは、前記カートリッジの装着時、該カートリッジと電気的に接続する構成となっていることを特徴とする請求項４乃至１８のいずれかに記載の液体吐出装置。
20. 請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置を用いてマイクロアレイを製造することを特徴とするマイクロアレイ製造方法。
21. 基台と、前記基台上において、直交する方向に相対的に移動するキャリッジおよびテーブルと、前記テーブル上にセットされた一または複数のマイクロアレイ作製用基板とを備え、請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置の密閉可能なケースを前記キャリッジと一体に構成したことを特徴とするマイクロアレイ製造装置。
22. 基台と、前記基台上において、直交する方向に相対的に移動するキャリッジおよびテーブルと、前記テーブル上にセットされた一または複数のマイクロアレイ作製用基板とを備え、請求項４乃至１９のいずれかに記載の液体吐出装置の密閉可能なケースを前記キャリッジと着脱自在な分離型の構成としたことを特徴とするマイクロアレイ製造装置。
23. 前記ケースの内部圧力を調整する圧力調整手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２１または２２記載のマイクロアレイ製造装置。

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