JP2005077170A - マイクロアレイ製造装置及びマイクロアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロアレイを安定した品質で製造することを可能とする技術を提供すること。
【解決手段】 基板(100)上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイを製造するマイクロアレイ製造装置であって、生体分子溶液を基板(100)に向けて吐出する吐出手段(3)と、吐出手段と基板との相対位置を制御する位置制御手段(2,4,5,6)と、基板上に形成される生体分子溶液の液滴を撮像する撮像手段(7,8)と、撮像手段から出力される画像に対して所定の画像処理を行い、液滴の状態を検出する画像処理手段(6)と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たんぱく質や核酸等を含む生体分子溶液の液滴を基板上に複数配置してなるマイクロアレイを製造するための装置及び製造方法に関する。

蛋白質や核酸、あるいはＤＮＡなどに関する解析を行う際には、基板上に蛋白質等の生体分子を含む生体分子溶液を基板上に多数配置した解析用チップ（マイクロアレイ）が用いられる。このようなマイクロアレイの製造技術としては、接触ピンを用いて生体分子溶液を基板上にスポッティングする方法があり、例えば特開２０００−２８７６７０号公報（特許文献１）などの文献に開示されている。また、液滴吐出ヘッド（いわゆるインクジェットヘッド）を用いて基板上に生体分子溶液をスポッティングする方法もあり、例えば特開２００２−２３８５４３号公報（特許文献２）などの文献に開示されている。

特開２０００−２８７６７０号公報 特開２００２−２３８５４３号公報

多品種のマイクロアレイを安定した品質で製造する際には、様々な材料からなる基板、基板の表面状態、更には非常に多くの種類の生体分子溶液（試料溶液）に対応して、適宜、製造条件や製造環境などをコントロールしなければならない。

上述した特許文献２では、吐出装置により吐出される液体を光学的に検知することにより吐出状態の良否を判断し、必要に応じて復帰動作を行う技術が開示されている。しかし、この従来技術は、製造されるマイクロアレイ自体についてその状態を直接的に把握するものではない。このため、マイクロアレイ自体の状態を把握し、その結果を製造プロセスにフィードバックして、マイクロアレイの品質の安定化を図ることを可能とする技術が望まれていた。

そこで、本発明は、マイクロアレイを安定した品質で製造することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の態様の本発明は、基板上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイを製造するマイクロアレイ製造装置であって、生体分子溶液を基板に向けて吐出する吐出手段と、この吐出手段と基板との相対位置を制御する位置制御手段と、基板上に形成される生体分子溶液の液滴を撮像する撮像手段と、この撮像手段から出力される画像に対して所定の画像処理を行い、液滴の状態を検出する画像処理手段と、を備える

液滴の状態とは、当該液滴を外部から観察することによって把握可能な数値その他のものを言い、詳細は後述するが、例えば液滴と基板との接触角、液滴の径などが含まれる。画像処理によって液滴の状態を検出することにより、当初の予定通りに基板上に液滴が形成されているかを容易かつ的確に把握することが可能となる。これにより、マイクロアレイの製造時の条件設定の変更や、製造環境（例えば、室温、湿度など）の調整等を的確に行うことができるようになり、マイクロアレイを安定した品質で製造することが可能となる。特に、画像処理を採用することにより、液滴の状態把握を非接触で行うことが可能なる利点がある。また、画像処理はコンピュータを利用して比較的に短時間で行うことが可能であり、液滴の状態の把握を速やかに行うことができる。

ここで、本明細書において「マイクロアレイ」とは、ガラス等からなる基板上に多数の種類の生体分子溶液の液滴が配置されるものをいう。生体分子溶液とは、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、たんぱく質など含む溶液であり、プローブ溶液と呼ばれる場合もある。

上述した画像処理手段は、液滴と基板との接触角を計測する接触角計測手段を含むことが好ましい。これにより、液滴と基板との界面状態（ぬれ性等）を把握できる。

また、画像処理手段は、液滴の径、液滴の高さ又は液滴の面積の少なくとも１つを計測する液滴サイズ計測手段を含むことが好ましい。これにより、基板上での液滴の広がり具合などを把握できる。

また、画像処理手段は、液滴の体積又は前記液滴の重量を計測する液滴量計測手段を含むことが好ましい。これにより、本来予定した液滴の量と実際の量との差異を把握し、生体分子溶液の吐出量をコントロールできる。また、吐出手段の吐出不良を検出することもできる。

また、画像処理手段は、液滴の蒸発速度を計測する蒸発速度計測手段を含むことが好ましい。これにより、マイクロアレイの製造環境（室温、湿度など）を把握することができる。

また、画像処理手段による検出結果に応じて、吐出手段の吐出時の条件設定及び／又は位置制御手段による位置制御時の条件設定を行う条件設定手段を更に備えることが好ましい。

これにより、液滴の状態に応じて随時、マイクロアレイの製造時の条件が変更されるので、製造されるマイクロアレイの品質の更なる向上を図ることができる。

特に、条件設定手段は、画像処理手段による検出結果に応じて、基板上に配置されるべき液滴の相互間の間隔を決定し、当該決定した間隔で液滴のそれぞれが配置されるように吐出手段及び／又は位置制御手段に対する条件設定を行うことが好ましい。

これにより、液滴の相互汚染を回避し、良好な品質のマイクロアレイを製造することができる。

第２の態様の本発明は、基板上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイの製造方法であって、基板と、当該基板に向けて生体分子溶液を吐出する吐出手段との相対位置を位置制御手段により制御する位置制御工程と、吐出手段によって基板に向けて生体分子溶液を吐出する吐出工程と、基板上に形成される生体分子溶液の液滴を撮像する撮像工程と、この撮像工程において撮像される画像に対して所定の画像処理を行い、液滴の状態を検出する画像処理工程と、を含む。

かかる製造方法によれば、マイクロアレイの製造時の条件設定の変更や、製造環境の調整等を的確に行うことができるようになり、マイクロアレイを安定した品質で製造することが可能となる。特に、画像処理を採用することにより、液滴の状態把握を非接触で行うことが可能なる利点がある。また、画像処理はコンピュータを利用して比較的に短時間で行うことが可能であり、液滴の状態の把握を速やかに行うことができる。

上述した画像処理工程は、液滴と基板との接触角を計測する接触角計測工程を含むことが好ましい。また、画像処理工程は、液滴の径、液滴の高さ又は液滴の面積の少なくとも１つを計測する液滴サイズ計測工程を含むことが好ましい。また、画像処理工程は、液滴の体積又は前記液滴の重量を計測する液滴量計測工程を含むことが好ましい。また、画像処理工程は、液滴の蒸発速度を計測する蒸発速度計測工程を含むことが好ましい。

また、画像処理工程における液滴の状態の検出結果に応じて、吐出手段の吐出時の条件設定及び／又は位置制御手段による位置制御時の条件設定を行う条件設定工程を更に含むことが好ましい。

特に、上述した条件設定工程は、画像処理工程における検出結果に応じて、基板上に配置されるべき液滴の相互間の間隔を決定し、当該決定した間隔で液滴のそれぞれが配置されるように吐出手段及び／又は位置制御手段に対する条件設定を行う工程を含むことが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した一実施形態のマイクロアレイ製造装置の構成について説明する図（斜視図）である。図１に示すマイクロアレイ製造装置は、基板１００上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイを製造するためのものであり、テーブル１、Ｙ方向駆動軸２、液滴吐出ユニット３、Ｘ方向駆動軸４、駆動部５、制御用コンピュータ６、２つのＣＣＤカメラ７、８を含んで構成されている。

テーブル１は、マイクロアレイを構成する基板１００を載置するためのものである。このテーブル１は、複数の基板１００を載置可能となっており、例えば真空吸着によって各基板１００を固定可能に構成されている。

Ｙ方向駆動軸２は、テーブル１を図示のＹ方向に沿って自在に移動させるためのものである。このＹ方向駆動軸２は、駆動部５に含まれる駆動モータ（図示せず）と接続されており、当該駆動モータによる駆動力を得てテーブル１を移動させる。

液滴吐出ユニット３は、制御用コンピュータ６から供給される駆動信号に基づいて、生体分子溶液を基板１００に向けて吐出するものであり、溶液を吐出するノズル面がテーブル１に向かうように、Ｘ方向駆動軸４に組み付けられている。この液滴吐出ユニット３は、溶液を吐出するヘッドチップとして、例えば静電駆動方式により駆動されるインクジェットヘッドが採用されている。静電駆動方式のインクジェットヘッドは、比較的に構造が簡単で、溶液の吐出量が安定しており、熱を用いないので溶液中の生体分子の変質を回避し、活性を維持することが可能となる。また、装置の小型化、低消費電力化を実現することができる。

なお、ヘッドチップとしては、圧電素子を用いたピエゾ方式のインクジェットヘッドを用いてもよい。この場合は、静電駆動方式と同様に、熱を用いない利点と、印加する電圧を可変として生体分子溶液の吐出量を調整しやすいという利点を有する。勿論、インクジェット方式であれば、この他、加熱して流路に圧力を発生させる方式や、音響レンズによる方式等、何れの方式のものも採用することが可能である。

Ｘ方向駆動軸４は、液滴吐出ユニット３を図示のＸ方向に沿って自在に移動させるためのものである。このＸ方向駆動軸４は、駆動部５に含まれる駆動モータ（図示せず）と接続されており、当該駆動モータによる駆動力を得て液滴吐出ユニット３を移動させる。

駆動部５は、Ｙ方向駆動軸４、Ｘ方向駆動軸５をそれぞれを駆動するモータやその他の駆動機構を含んで構成される。これらのモータ等が制御用コンピュータ６から供給される駆動信号に基づいて動作することにより、基板１００が載置されたテーブル１と液滴吐出ユニット３との相対位置が制御される。

制御用コンピュータ６は、駆動部５の筐体内に設置されており、液滴吐出ユニット３の動作（生体分子溶液の吐出タイミング、吐出回数等）を制御すると共に、駆動部５の動作を制御する。この制御用コンピュータ６は、ＣＣＤカメラ７、８から出力される画像に対して所定の画像処理を行い、基板１００上の液滴の状態を検出する画像処理手段としての機能も担っており、その詳細については後述する。

ＣＣＤカメラ７は、基板１００上に形成される生体分子溶液の液滴を上側から撮像し、画像を得るためのものである。同様に、ＣＣＤカメラ８は、基板１００上に形成される生体分子溶液の液滴を横側から撮像し、画像を得るためのものである。これらのＣＣＤカメラ７、８のそれぞれにより撮像される画像は制御用コンピュータ６に出力される。

図２は、制御用コンピュータ６の詳細構成を説明する機能ブロック図である。図２に示すように制御用コンピュータ６は、画像処理部３０、制御条件設定部３１、駆動制御部３２を含んで構成されている。

画像処理部３０は、ＣＣＤカメラ７、８によりそれぞれ撮像される液滴の画像に対して所定の画像処理を行って液滴の状態を検出するものであり、接触角計測部４０、液滴サイズ計測部４１、液適量計測部４２、蒸発速度計測部４３を含む。ここで、液滴の状態とは、液滴を外部から観察することによって把握可能な数値その他のものを言い、その詳細については後述する。

接触角計測部４０は、基板１００上に配置される液滴と当該基板１００との接触角を計測する。この接触角を計測することにより、基板１００の表面状態（ぬれ性）を知ることができる。ここで、本実施形態の接触角計測部４０により計測される接触角について説明する。

図３は、接触角について説明するための図であり、基板上に形成された液滴の側面図を示す。本実施形態では、図３に示すように基板１００上に液滴１０１が形成されているとき、基板１００の上面（固液界面）と液滴１０１の端部での接線とのなす角θaを接触角とする。この接触角θaは、例えば、液滴１０１の表面に対応する輪郭と基板１００の表面とを画像処理によって抽出することにより計測できる。具体的には、まず液滴１０１の輪郭を抽出し、この抽出された輪郭の一端を始点として接線を求め、その後当該接線と基板１００の表面とのなす角を算出する。これにより接触角θaが計測される。

なお、液滴１０１の頂点と端部とを結ぶ線と基板１００の上面とのなす角（測定角）θbを計測し、これに基づいて接触角θaを求めてもよい。この場合、測定角θbは接触角θaの約１／２の関係にあることが知られており、当該関係に基づいて接触角が計測される。この方法と、上記の方法とを併用してもよい。

また、図３に示す接触角θaと、固体表面張力γ_ＳＶ、固液界面張力γ_ＳＬ、液体表面張力γ_ＬＶの間には、γ_ＳＶ＝γ_ＬＶｃｏｓθa＋γ_ＳＬ、の関係が成り立つ。この式を変形し、固体表面張力γ_ＳＬを求めるようにしてもよい。これにより、ぬれ性をより定量的に評価することが可能となる。

液滴サイズ計測部４１は、液滴のサイズ（大きさ）を表す数値、具体的には液滴の径、液滴の高さ及び液滴の面積を計測する。なお、これらのパラメータは少なくとも１つ計測されればよいが、本実施形態では全て計測される。

図４は、液滴の径、高さ、面積のそれぞれについて説明する図である。図４（ａ）は液滴の側面図、図４（ｂ）は液滴の上面図をそれぞれ示す。図４（ａ）に示すように、液滴１０１の高さｈは、ＣＣＤカメラ８によって液滴１０１を側面から撮像して得られた画像に対して画像処理を行い、液滴１０１の頂点と基板１００の上面とを抽出することにより計測される。また、図４（ｂ）に示すように、液滴１０１の径ｒは、ＣＣＤカメラ７によって液滴を上面から撮像して得られた画像に対して画像処理を行い、液滴１０１の輪郭を抽出することによって計測される。

また、液滴１０１の面積については以下のように計測される。図４（ａ）に示すように、液滴１０１を側面から撮像して得られた画像に対して画像処理を行い、液滴１０１の輪郭と基板１００の表面とにより囲まれる領域（図中、模様が付された領域）を検出することにより、液滴１０１の垂直方向の断面に対応する面積が計測される。同様に、図４（ｂ）に示すように、液滴１０１を上面から撮像して得られた画像に対して画像処理を行い、液滴１０１の輪郭により囲まれる領域（図中、模様が付された領域）を検出することにより、液滴１０１の水平方向の断面に対応する面積が計測される。

液適量計測部４２は、液滴の量を表す数値、具体的には液滴の体積及び液滴の重量（質量）を計測する。なお、これらのパラメータは少なくとも１つ計測されればよいが、本実施形態では全て計測される。液滴の体積については、例えば上述した液滴の径ｒと高さｈとを組み合わせて概算的に求めることができる。あるいは、液滴の面積から求めてもよい。また、液滴の重量については、予め生体分子溶液の単位体積当たりの重さを液滴量計測部４２に設定しておき、この値を液滴の体積の算出結果と乗算することにより求めることができる。

蒸発速度計測部４３は、基板１００上に滴下された液滴が蒸発している過程における速度（蒸発速度）を計測する。この蒸発速度については、例えば所定の時間間隔をあけて撮像された２又はそれ以上の画像に基づいて、時間経過に伴う液滴の重量の減少量を求めることにより得られる。或いは、液滴の高さや面積の減少量に基づいて蒸発速度を求めてもよい。

制御条件設定部３１は、画像処理部３０による液滴の状態の検出結果に応じて、液滴吐出ユニット３による溶液の吐出時の条件設定（条件変更）を行うと共に、駆動部５による位置制御時の条件設定（条件変更）を行う。この制御条件設定部３１により設定される動作条件に基づいて、駆動制御部３２により、液滴吐出ユニット３及び駆動部５のそれぞれの動作を制御するための制御信号が生成され、各部へ出力される。

より具体的には、制御条件設定部３１は、主として液滴の接触角の検出結果に応じて、基板１００上に配置されるべき液滴の相互間の間隔を決定し、当該決定した間隔で液滴のそれぞれが配置されるように、液滴吐出ユニット３、駆動部５のそれぞれに対する動作時の条件設定を行う。例えば、接触角が小さい値である場合にはぬれ性がよく、換言すれば液滴が広がりやすいので、その場合の基板１００と生体分子溶液との組み合わせにおいては液滴の相互間の間隔を広めに設定し、逆に接触角が大きい値である場合にはぬれ性が悪く、換言すれば液滴が広がりにくいので、その場合には液滴の相互間の間隔を狭く設定する、というような条件設定が行われる。このように、接触角の計測結果に基づいて基板１００上における液滴同士の相互汚染の可能性を予測し、適宜条件設定を変更することによって、相互汚染を回避することが可能となる。

また、制御条件設定部３１は、液滴の蒸発速度の検出結果に応じて、生体分子溶液の吐出量を増加或いは減少させるように、液滴吐出ユニット３に対する条件設定を行う。また、制御条件設定部３１は、液滴のサイズや量などの検出結果に応じて、生体分子溶液の吐出状態を監視し、必要に応じて、液滴吐出ユニット３の各ノズルごとの吐出量を調整するための条件設定を行う。更に、制御条件設定部３１は、液滴のサイズや量などの検出結果に応じて、ノズルの詰まり等の原因により生体分子溶液の吐出が適切になされていないと判断した場合には、ノズルの復帰動作を行うように、液滴吐出ユニット３に対する条件設定を行う。

上述した液滴吐出ユニット３が吐出手段に、テーブル１、Ｙ方向駆動軸２、Ｘ方向駆動軸４、駆動部５、駆動制御部３２が位置制御手段に、ＣＣＤカメラ７、８が撮像手段に、画像処理部３０が画像処理手段に、接触角計測部４０が接触角計測手段に、液滴サイズ計測部４１が液滴サイズ計測手段に、液滴量計測部４２が液滴量計測手段に、蒸発速度計測部４３が蒸発速度計測手段に、制御条件設定部３１が条件設定手段にそれぞれ対応している。

本実施形態のマイクロアレイ製造装置はこのような構成を有しており、次にその動作手順（マイクロアレイの製造方法）について説明する。

図５は、マイクロアレイ製造装置の動作手順を説明するフローチャートである。まず、ステージ１上に載置された基板１００と、液滴吐出ユニット３との相対位置が制御され（ステップＳ１００）、基板１００上の所定位置に向けて液滴吐出ユニット３によって生体分子溶液が吐出される（ステップＳ１０１）。

次に、各ＣＣＤカメラ７、８によって、基板１００上の生体分子溶液の液滴が撮像され（ステップＳ１０２）、得られる画像が制御用コンピュータ６内の画像処理部３０に取り込まれる。

次に、画像処理部３０は、各ＣＣＤカメラ７、８によって撮像される画像に対して所定の画像処理を行い、基板１００上の液滴の状態を検出する。具体的には、以下の各ステップＳ１０３〜Ｓ１０６を行う。なお各ステップは、相互に入れ換え可能であり、並行して行ってもよい。

接触角計測部４０は、画像処理によって液滴の接触角を計測する（ステップＳ１０３）。液滴の接触角の具体的な計測方法については上述した通りである。

液滴サイズ計測部４１は、画像処理によって液滴のサイズ、すなわち液滴の径、高さ及び面積を計測する（ステップＳ１０４）。液滴のサイズの具体的な計測方法については上述した通りである。

液滴量計測部４２は、画像処理によって液滴の量、すなわち液滴の体積及び重量を計測する（ステップＳ１０５）。液滴の量の具体的な計測方法については上述した通りである。

蒸発速度計測部４３は、画像処理によって液滴の蒸発速度を計測する（ステップＳ１０６）。液滴の蒸発速度の具体的な計測方法については上述した通りである。

次に、制御条件設定部３１は、液滴の状態を示す各種数値を画像処理部３０から受け取り、これらの数値（検出結果）から液滴の状態を判定する（ステップＳ１０７）。そして、制御条件設定部３１は、当該判定結果に応じて液滴形成の条件設定、すなわち、液滴吐出ユニット３の吐出時の条件設定及び／又は位置制御手段による位置制御時の条件設定を行う（ステップＳ１０８）。液滴の状態の判定例や、これに応じた条件設定の具体例については上述した通りである。ここでなされる条件設定は、以後のマイクロアレイの製造プロセスに反映される。

このように、本実施形態では、画像処理によって液滴の状態を検出することにより、当初の予定通りに基板上に液滴が形成されているかを容易かつ的確に把握することが可能となる。これにより、マイクロアレイの製造時の条件設定の変更や、製造環境の調整等を的確に行うことができるようになり、マイクロアレイを安定した品質で製造することが可能となる。特に、画像処理を採用することにより、液滴の状態把握を非接触で行うことが可能なる利点がある。また、画像処理はコンピュータを利用して比較的に短時間で行うことが可能であり、液滴の状態の把握を速やかに行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。

マイクロアレイ製造装置の構成について説明する図（斜視図）である。 制御用コンピュータの詳細構成を説明する機能ブロック図である。 接触角について説明するための図である。 液滴の径、高さ、面積のそれぞれについて説明する図である。 マイクロアレイ製造装置の動作手順を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…テーブル、２…Ｙ方向駆動軸、３…液滴吐出ユニット、４…Ｘ方向駆動軸、５…駆動部、６…制御用コンピュータ、７、８…ＣＣＤカメラ、 ３０…画像処理部、 ３１…制御条件設定部、 ３２…駆動制御部、 ４０…接触角計測部、 ４１…液滴サイズ計測部、 ４２…液滴量計測部、 ４３…蒸発速度計測部、 １００…基板、 １０１…液滴

Claims (9)

1. 基板上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイを製造するマイクロアレイ製造装置であって、
   前記生体分子溶液を前記基板に向けて吐出する吐出手段と、
   前記吐出手段と前記基板との相対位置を制御する位置制御手段と、
   前記基板上に形成される前記生体分子溶液の液滴を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段から出力される画像に対して所定の画像処理を行い、前記液滴の状態を検出する画像処理手段と、
   を備えるマイクロアレイ製造装置。
2. 前記画像処理手段は、前記液滴と前記基板との接触角を計測する接触角計測手段を含む、請求項１に記載のマイクロアレイ製造装置。
3. 前記画像処理手段は、前記液滴の径、前記液滴の高さ又は前記液滴の面積の少なくとも１つを計測する液滴サイズ計測手段を含む、請求項１に記載のマイクロアレイ製造装置。
4. 前記画像処理手段は、前記液滴の体積又は前記液滴の重量を計測する液滴量計測手段を含む、請求項１に記載のマイクロアレイ製造装置。
5. 前記画像処理手段は、前記液滴の蒸発速度を計測する蒸発速度計測手段を含む、請求項１に記載のマイクロアレイ製造装置。
6. 前記画像処理手段による検出結果に応じて、前記吐出手段の吐出時の条件設定及び／又は前記位置制御手段による位置制御時の条件設定を行う条件設定手段を更に備える、請求項１に記載のマイクロアレイ製造装置。
7. 前記条件設定手段は、前記検出結果に応じて、前記基板上に配置されるべき前記液滴の相互間の間隔を決定し、当該決定した間隔で前記液滴のそれぞれが配置されるように前記吐出手段及び／又は前記位置制御手段に対する条件設定を行う、請求項６に記載のマイクロアレイ製造装置。
8. 基板上に生体分子溶液の液滴を複数配置してなるマイクロアレイの製造方法であって、
   前記基板と、当該基板に向けて前記生体分子溶液を吐出する吐出手段との相対位置を位置制御手段により制御する位置制御工程と、
   前記吐出手段によって前記基板に向けて前記生体分子溶液を吐出する吐出工程と、
   前記基板上に形成される前記生体分子溶液の液滴を撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程において撮像される画像に対して所定の画像処理を行い、前記液滴の状態を検出する画像処理工程と、
   を含むマイクロアレイの製造方法。
9. 前記画像処理工程における前記液滴の状態の検出結果に応じて、前記吐出手段の吐出時の条件設定及び／又は前記位置制御手段による位置制御時の条件設定を行う条件設定工程を更に含む、請求項８に記載のマイクロアレイの製造方法。