JP2004251818A

JP2004251818A - 分注量制御方法

Info

Publication number: JP2004251818A
Application number: JP2003044003A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Osawa; 秀隆大澤; Norihisa Sagawa; 典久佐川; Kenji Yamada; 健二山田
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】所望の分注量を分注（吐出）する際に、シリンジの体積変化を制御するだけでは所望の分注量を分注したかどうかという確実性には欠け、確認はできないという課題がある。
【解決手段】先端に孔を有するピペットから微量の試料を液滴化して分注する分注ヘッドと、分注ヘッドから飛翔した液滴の体積を非接触で検出する液滴体積センサと、分注ヘッドを駆動制御し、且つ液滴体積センサの出力信号から液滴の体積を計算する体積演算部を有したコントローラを備えた分注装置に於いて、分注ヘッドでピペットの孔から液滴を吐出する工程と、液滴体積センサで飛翔中の液滴の体積を演算する工程と、この工程で得られた体積情報をフィードバックして所望の分注量を制御する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に微量の試料やサンプル等の分注作業時に、分注量を確認しながら高精度に分注する分注量制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分注量の制御方法は、シリンジの体積変化を制御する手法が一般的であり、その分注量は数十μＬ以上の容量が殆どである。この程度の分注量を検出する方法として、光学系を用いて吐出中の試料の投影像から分注量を測定する手法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００３】
また、水が滴下するサイズである１０μＬ程度の試料の体積を測定する方法として、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）のような受光素子群を用いて、投影像から体積を測定する手法が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
上述したような体積測定装置を用いて、特許文献２に記載されているように、分注量が正常であったか否かを判定する手法が提案されている。
【０００５】
また、最近では分注量の微量化に伴い分注精度の要求も高く、インクジェット技術を応用して液滴を微量に吐出する手法が提案されているが、ノズル先端に液滴が付着してしまい、注入されないなどの問題がある。
【特許文献１】
特開平５−２０２５号公報
【特許文献２】
特開平５−２２３８３０号公報
【特許文献３】
特開昭５８−１６５０１５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来技術では、所望の分注量を分注（吐出）する際に、シリンジの体積変化を制御するだけでは所望の分注量を分注したかどうかという確実性には欠け、確認はできないという問題がある。また、体積測定装置を用いて分注量を測定し、その分注量が正常であったか否かを判定する手法は、結果的に判定する方法であって、分注量そのものを高精度に制御するものではない。
【０００７】
本発明の目的は、特に分注量が数十μＬ以下の分注作業に於いて、分注量を測定しながら、所望の分注量を高精度で確実に分注できる分注量制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、先端に孔を有するピペットから微量の試料を液滴化して分注する分注ヘッドと、分注ヘッドから飛翔した液滴の体積を非接触で検出する液滴体積センサと、分注ヘッドを駆動制御し、且つ液滴体積センサの出力信号から液滴の体積を計算する体積演算部を有したコントローラを備えた分注装置に於いて、分注ヘッドでピペットの孔から液滴を吐出する工程と、液滴体積センサで飛翔中の液滴の体積を演算する工程と、該工程で得られた体積情報をフィードバックして所望の分注量を制御する工程と、により達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の分注量制御方法を実現するための分注装置１０であり、分注装置１０を側面から見た一部断面図である。図１に示す分注装置１０の構成について以下説明する。先端に直径５００μｍ程の孔を有したピペット１はピペット把持部６によりネジ６ａで固定されている。ピペット把持部６は圧入方式によりピペット１を固定しても良い。ピペット１の内壁面に接して進退するピストン２はピストン把持部５によりネジ５ａで固定されている。ピストン把持部５は圧入方式によりピストン２を固定しても良いし、チャック機構によりピストン２頭部を把持しても良い。圧電アクチュエータ１１の一端はピストン把持部５と接着され、圧電アクチュエータ１１の他端はリニアステッピングモータ３のシャフト４と接着されている。圧電アクチュエータ１１の固定方法としてはネジなどを用いても良い。リニアステッピングモータ３のシャフト４は直線運動し、直動するシャフト４により、ピストン２と圧電アクチュエータ１１は上下に動作する。リニアステッピングモータ３とピペット把持部６及びヒンジ１３はベース７に固定されている。ヒンジ１３には液滴８ａの体積を非接触で検出する液滴体積センサ１２が固定され、リング状の中空形をした液滴体積センサ１２はピペット１の孔の下方に配置している。
【００１０】
上述したように構成された分注装置１０のコントローラ２０は、ステップモータドライバ２２、圧電ドライバ２３、体積演算部２４、及びこれらを制御する制御部２１から構成される。制御部２１からステップモータドライバ２２へパルス列信号を送ることにより、ピストン２を進退方向に速度制御及び位置制御できるようになっている。また、圧電ドライバ２３は、例えば制御部２１から出力される０ＶからＤＣ５Ｖのアナログ電圧信号を０ＶからＤＣ１５０Ｖに増幅する高速増幅器であり、圧電ドライバ２３から出力される電圧に応じて圧電アクチュエータ１１は微小変位する。この微小変位量は例えば５０μｍ程度であり、ピストン２を高速に変位させることにより、試料８に圧力を加えて孔から押し出そうと動作するため、結果的に、孔から数十ｎリットル程度の液滴８ａが吐出される。この液滴８ａが中空の液滴体積センサ１２を通って容器９に注入される時、液滴体積センサ１２の出力信号から液滴８ａの体積を体積演算部２４にて演算測定する。
【００１１】
以下、液滴８ａの体積を測定する方法について図４、図５、図６、図７を用いて説明する。図４は、液滴体積センサ１２と体積演算部２４のブロック回路を示すものであり、液滴体積センサ１２は２対の発光及び受光素子から構成される。第１の発光素子３０ａから発した光は第１の受光素子３０ｂだけに当たるように形成されており、同様に第２の発光素子３１ａから発した光は第２の受光素子３１ｂだけに当たるようになっている。上記２つの光は液滴８ａが通過する方向に距離ｈ隔てた位置になるように、２対の発光及び受光素子を配置している。
１対の発光及び受光素子を示す図５を用いて、発光側と受光側について説明する。発光素子３０ａ及び３１ａは、例えば発光ＬＥＤや半導体レーザー等のデバイス４０から発した光をレンズ４１で平行光線にして、遮蔽板４２で極細長い光線を形成する。受光素子３０ｂ及び３１ｂは遮蔽板４３を備えたフォトダイオードなどであり、液滴８ａの投影像を受光する。図６は受光側から見た光線４５と液滴８ａを示す図である。図６に示すように、形成された光線４５は縦方向に薄く、横方向に長くしてある。その理由は、液滴８ａの水平方向の断面像を極めて細かく撮像するためと、液滴８ａが必ずしも光線４５の中心を通らないため、細長くしてある。
【００１２】
次に、図４に示す体積演算部２４のブロック回路図について説明する。液滴体積センサ１２から出力された液滴８ａの断面像の電圧信号は増幅器３２及び３３を経て増幅され、Ａ／Ｄ変換機３４及び３５でアナログ信号からデジタル値に変換され、メモリ３６及び３７に記憶させる。そのサンプリング周期は所定の周波数ｆ、例えば１０ＭＨｚがクロック３９から出力され、同時にメモリ３６及び３７のアドレスカウンタ（図示せず）をインクリメントして、液滴８ａの投影像をメモリ３６及び３７に逐次記憶して行く。前述した液滴８ａの投影像を記憶するタイミングは、圧電ドライバ２３を駆動する時であり、上位の制御部２１から信号（図示せず）を受ける。この時、予めプログラムが記憶されたＲＯＭ３８ａを備えたＣＰＵ３８は、ポートＰ１端子からＬｏレベルの信号からＨｉレベルの信号を出力する。クロック３９から発振されている周波数は、３ステイト出力素子３９ａから出力され、メモリ３６及び３７への投影像の記憶動作を開始する。液滴８ａが液滴体積センサ１２を通過する所定の時間が経つと、ＣＰＵ３８はポートＰ１端子からＬｏレベルの信号を出力して投影像の記憶動作を終了する。
【００１３】
投影像の記憶動作が終了すると、メモリ３６及び３７に図７に示すようなデータが記憶され、ＣＰＵ３８はこれらのデータから液滴８ａの体積計算を実行する。先ず、液滴８ａの飛翔速度ｖを求める。飛翔速度ｖは２つの光線間の距離ｈとそこの通過時間ｔから、
ｖ＝ｈ／ｔ
となる。通過時間ｔは、サンプリング周期（１／ｆ）秒が固定周期なので、２つのメモリ３６及び３７の投影像データが変化し始める間隔から得られる。液滴８ａの投影像から１サンプリング時の体積を微小円柱Ｖ_ｉとみなすと、断面積と高さの積であるから、
微小円柱の高さ＝ｖ（１／ｆ）
微小円柱の断面積＝π（半径）^２＝π（ｙ_ｉ・α）^２
より、
Ｖ_ｉ＝π（ｙ_ｉ・α）^２×ｖ（１／ｆ）
ここで、ｙ_ｉは投影像データの影の量であり、補正係数αを掛けることで微小円柱Ｖ_ｉの半径とみなしている。補正係数αは既知の物体例えば円柱を投影させて実験的に得ることができる。
【００１４】
液滴８ａの体積Ｖは、１サンプリング時の微小円柱Ｖ_ｉを求めて、投影像データの凹み部分全てのデータ数ｎ個を積和することにより得られる（式１）。
【００１５】
【式１】

【００１６】
液滴８ａの体積測定の演算精度を上げる方法として、２つのメモリ３６及び３７に記憶した投影像データから、それぞれ体積を演算して平均しても良い。また、液滴体積センサ１２の２つの光線は平行でも良いが、好ましくは、光線を直交させて異なる角度から投影し、それぞれ体積を演算して平均する方法が良い。
図２及び図３に示す本発明の分注量制御方法を表すフローチャートを用いて、以下説明する。上記説明した分注装置１０を用いて、先ずピペット１に試料８を吸引する工程について図２を参照しながら説明する。
【００１７】
工程２００の吸引開始時は、リニアステッピングモータ３のシャフト４を駆動してピストン２を最下端まで下げる。次に、図示していないワイヤー等で液滴体積センサ１２を引っ張り、ピペット１の下方の空間を空けるセンサ退避の工程２１０を実行する。続いて、ピペット１の先端を親となる試料８に浸し、リニアステッピングモータ３を駆動してピストン２を引き上げて所定の分注量をピペット１内に吸引する工程２２０を実行する。吸引終了後、親試料８からピペット１の先端が離れた後に、退避させていた液滴体積センサ１２をピペット１の孔の下方にセットする工程２３０を実行する。以上で、吸引動作を終了する（工程２４０）。
次に、分注する容器９の上空に分注装置１０を移動させ、液滴８ａの体積を測定しながら分注量を制御する方法について図３を参照しながら説明する。
【００１８】
分注開始（工程２５０）が指示されると、制御部２１は圧電アクチュエータ１１を高速に微小変位させて、ピペット１の先端の孔から液滴８ａを飛翔させる（工程２６０）。飛翔中の液滴８ａの体積は、体積演算部２４にて前述した手法で得られる（工程２７０）。ピペット１先端の孔部の液面は、液滴８ａが吐出された量だけピペット１内部に入り込むため、工程２８０ではリニアステッピングモータ３を駆動してピストン２を送り込む。その移動量はピペット１の内径が既知であるため、吐出された液滴８ａの体積から得られる。工程２９０では吐出した液滴８ａの積和を求める。その吐出した分注量、つまり積和の量が、所望の分注量であるか否かを判断し（工程３００）、未だ達していなければ、工程２６０から繰り返し実行する。所望の分注量に達すると、分注作業を終了する（工程３１０）。
【００１９】
また、コントローラ２０では、個々の分注量を記憶したり、上位のコンピュータなどへ分注量を通信したりすることができ、貴重な検体等の分注量のデータ管理を行うことができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、先端に孔を有するピペットから微量の試料を液滴化して分注する分注ヘッドと、分注ヘッドから飛翔した液滴の体積を非接触で検出する液滴体積センサと、分注ヘッドを駆動制御し、且つ液滴体積センサの出力信号から液滴の体積を計算する体積演算部を有したコントローラを備えた分注装置に於いて、分注ヘッドでピペットの孔から液滴を吐出する工程と、液滴体積センサで飛翔中の液滴の体積を演算する工程と、この工程で得られた体積情報をフィードバックして所望の分注量を制御する工程とにより、高精度で確実な分注量制御方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分注量制御方法に係る一実施例の分注装置を側面から見た一部断面図。
【図２】本発明の分注量制御方法の一実施例を表すフローチャート。
【図３】本発明の分注量制御方法の一実施例を表すフローチャート。
【図４】本発明の分注量制御方法に係る一実施例の体積演算部のブロック回路図。
【図５】本発明の分注量制御方法に係る一実施例の液滴体積センサの光学系を表す側面図。
【図６】本発明の分注量制御方法に係る一実施例の液滴体積センサの光線を表す断面図。
【図７】本発明の分注量制御方法に係る一実施例の液滴の投影像をメモリに記憶させたイメージ図。
【符号の説明】
１はピペット、２はピストン、３はリニアステッピングモータ、４はシャフト、８は試料、８ａは液滴、１０は分注装置、１１は圧電アクチュエータ、１２は液滴体積センサ、２０はコントローラ、２４は体積演算部、２６０は液滴を吐出する工程、２７０は液滴の体積を演算する工程、３００は体積情報をフィードバックして所望の分注量を制御する工程である。

Claims

先端に孔を有するピペットから微量の試料を液滴化して分注する分注ヘッドと、該分注ヘッドから飛翔した液滴の体積を非接触で検出する液滴体積センサと、前記分注ヘッドを駆動制御し、且つ前記液滴体積センサの出力信号から液滴の体積を計算する体積演算部を有したコントローラと、を備えた分注装置に於いて、前記分注ヘッドで前記ピペットの孔から液滴を吐出する工程と、前記液滴体積センサで飛翔中の液滴の体積を演算する工程と、該工程で得られた体積情報をフィードバックして所望の分注量を制御する工程と、を有することを特徴とする分注量制御方法。
先端に孔を有するピペットから微量の試料を液滴化して分注する分注ヘッドと、該分注ヘッドから飛翔した液滴の体積を非接触で検出する液滴体積センサと、前記分注ヘッドを駆動制御し、且つ前記液滴体積センサの出力信号から液滴の体積を計算する体積演算部を有したコントローラと、を備えた分注装置に於いて、前記ピペットの先端の孔から試料を吸引する時は、前記液滴体積センサを退避する工程を有することを特徴とする分注量制御方法。