JP2006064545A - 流体吐出機構及び流体吐出方法並びに流体分注装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型且つ簡素な構成で微量の流体を定量的に吐出でき、吸引・吐出のサイクルタイムが短く、流体の種類に応じた再調整も不要な流体吐出機構１０を提供する。
【解決手段】 ノズル２１ｎを有するシリンジチューブ２１及びこれに内挿されたプランジャ２２を有し、シリンジチューブ２１に対するプランジャ２２の移動速度及び移動量を制御し得るように構成されたシリンジ２０と、シリンジチューブ２１のノズル２１ｎと連結された第１の開口、流体の供給源Ｓに連結される第２の開口、及び流体の吐出用ノズル５０に連結される第３の開口を有し、第２の開口から第１の開口に至る流体の流入経路と、第１の開口から第３の開口に至る流体の流出経路とを選択的に形成し得る三方バルブ３０とを備え、三方バルブ３０における流体の流出経路が直線状に形成されるようにする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、微量の流体を定量的に吐出するための機構及びそれを用いた流体吐出方法、並びにそれを用いた流体分注装置に関する。なお、本明細書において「流体」とは、狭義の「液体」の他、ゾルやスラリー等の分散体や粘性体など、本発明の吐出機構により吐出可能な各種の連続体を表わすものとする。以下の記載では説明の便宜のため「液体」を例として説明を行なう場合があるが、本発明の適用対象は「液体」に限定されるものではない。

化学・生化学・医薬等の分野では、微量の液体を定量的に吐出する技術が必要となる。例えば、各種検体の分析を行なう際には、複数の試薬や検体を混合して様々な組成の反応液を調製するために、反応プレートのウェル等に対して、微量の試薬や検体を定量的に分注しなければならない。特に、多数の検体について様々な条件で反応を行なう場合や、検体の量が限られている場合、試薬が高価な場合などは、反応液全体の量を少量に抑えざるを得ない。このため、反応液中に低濃度で含有させるべき成分については、極めて微小な量（例えばμＬ以下のオーダーの量）を定量的に分注することが求められる。

従来知られている流体吐出機構の例としては、図６（ａ），（ｂ）に示す方式（ピペッティング方式）のものが挙げられる。図６（ａ），（ｂ）の流体吐出機構１００Ａは、シリンジチューブ２１０とプランジャ２２０とからなるシリンジ２００と、シリンジチューブ２１０のノズル２１１に直接連結された吸引・吐出用の中空針３００Ａとを備えている。また、プランジャ２２０にはモーター等の駆動機構４００Ａが設けられ、この駆動機構４００Ａに接続された制御機構５００Ａによって、プランジャ２２０を吸引方向又は吐出方向に移動させるとともに、プランジャ２２０の移動速度及び移動量を制御できるように構成されている。

液体の吸引時には、図６（ａ）に示すように、駆動機構４００Ａによってプランジャ２２０が液体の吸引方向（図中の矢印Ａ１）に駆動され、目的の液体がその供給源（容器等）Ｓから中空針３００Ａを介して直接、シリンジ２００内に吸引される（図中の矢印Ａ２）。液体の吐出時には、図６（ｂ）に示すように、駆動機構４００Ａによってプランジャ２２０が吐出方向（図中の矢印Ａ３）に駆動され、シリンジ２００内の液体が中空針３００Ａからその吐出対象（反応プレート等）Ｐに対して吐出される（図中の矢印Ａ４）。この吐出時に、制御機構５００Ａによってプランジャ２２０を高速で移動させるとともに、その移動量を精密に制御することにより、微量の液体であっても中空針３００Ａの先端に残存することなく、定量的に空中吐出させることができるようになっている。

しかしながら、このピペッティング方式では、毎回、シリンジ２００を液体の供給源Ｓの位置から液体の吐出対象Ｐの位置まで往復移動させるか、又は、シリンジ２００の位置を固定して、そこに液体の供給源Ｓと液体の吐出対象Ｐとを交互に移動させる必要がある。よって、分注のサイクルタイムが長くなってしまうという課題がある。また、シリンジ２００や液体の容器、プレート等の移動のために、比較的複雑で大きな駆動機構４００Ａが必要になるという課題もある。更に、複数種の液体を分注するためには、個々の液体の分注後にシリンジ２００及び中空針３００Ａの洗浄を行なう必要があり、その結果、洗浄動作に伴い分注のサイクルタイムが長くなってしまう上に、液体の希釈化を防ぐために無駄に液体を消費してしまうという課題もある。また、複数種の液体に対して、液体の種類分のシリンジ２００及び中空針３００Ａを用意し、各液体毎に専用のシリンジ及びノズルを設けることも考えられるが、駆動機構４００Ａや制御機構５００Ａがより大型化・複雑化し、装置１００Ａ全体の大型化・高コスト化を招いてしまうため、実用的ではない。

一方、図７（ａ），（ｂ）に示す方式（ディスペンサ方式）のものも用いられている（例えば特許文献１参照）。なお、図７（ａ），（ｂ）において、図６（ａ），（ｂ）と基本的に同様の構成要素については、同一の符号で表わす。図７（ａ），（ｂ）の流体吐出機構１００Ｂは、３つの開口を有するバルブ（三方バルブ）６００を備え、その開口の１つはシリンジチューブ２１０のノズル２１１に連結されている。三方バルブ６００の他の２つの開口には、それぞれ吸引用チューブ７１０及び吐出用チューブ７２０の一端が連結され、三方バルブ６００の切り換えによって、吸引用チューブ７１０からシリンジのノズル２１１に至る経路と、シリンジのノズル２１１から吐出用チューブ７２０に至る経路とを切り換えることができるようになっている（なお、三方バルブ６００としては、一般的な回転プラグ方式のバルブや電磁バルブ等が用いられている。図ではＹ字型の内坑が形成された回転プラグ方式のバルブの断面形状を模式的に示している。）。また、吸引用チューブ７１０の他端は液体の供給源（容器等）Ｓに接続されるとともに、吐出用チューブ７２０の他端は電磁バルブ８００に連結され、その先に吐出用のチップ３００Ｂが接続される。更に、プランジャ２２０にはモーター等の駆動機構４００Ｂが設けられ、この駆動機構４００Ｂに接続された制御機構５００Ｂによって、プランジャ２２０を吸引方向又は吐出方向に移動させるとともに、プランジャ２２０の駆動圧力を制御できるように構成されている。また、制御機構５００Ｂは電磁バルブ８００にも接続され、プランジャ２２０の駆動と連動して電磁バルブ８００の開閉を制御できるように構成されている。

液体の吸引時には、図７（ａ）に示すように、三方バルブ６００によって吸引用チューブ７１０からシリンジのノズル２１１に至る経路が形成される。駆動機構４００Ｂによってプランジャ２２０が吸引方向（図中の矢印Ｂ１）に駆動され、目的の液体がその供給源Ｓから吸引用チューブ７１０を介してシリンジ２００内に吸引される（図中の矢印Ｂ２，Ｂ３）。一方、液体の吐出時には、図７（ｂ）に示すように、三方バルブ６００の切り換えによってシリンジのノズル２１１から吐出用チューブ７２０に至る経路が形成される。制御機構５００Ｂが電磁バルブ８００を閉にした状態で、駆動機構４００Ｂを制御してプランジャ２２０を吐出方向（図中の矢印Ｂ４）に駆動し、シリンジ２００から吐出用チューブ７２０に至る流路内に一定の圧力を付加する。この状態で、制御機構５００Ｂが電磁バルブ８００を一定時間、開にすることにより、液体が電磁バルブ８００を通じて送出され、吐出用チップ３００Ｂからその吐出対象（反応プレート等）Ｐに対して吐出される（図中の矢印Ｂ５，Ｂ６）。ここで、シリンジ２００から三方バルブ６００，吐出用チューブ７２０を通じて電磁バルブ８００に至る流路内の圧力と、電磁バルブ８００を開にする時間とを適切に制御することにより、微量の液体を定量的に空中吐出させることが可能となっている。

このディスペンサ方式の流体吐出機構１００Ｂによれば、吐出用チップ３００Ｂを液体の吐出位置に配置しておけば、シリンジ２００や液体の供給源Ｓ、液体の吐出対象Ｐ等を移動させる必要がない。よって、上述のピペッティング方式と比較して、分注のサイクルタイムが遥かに短縮されるとともに、装置１００Ｂの小型化、簡素化も可能となる。更に、上述の様にシリンジ２００や液体の供給源Ｓ、液体の吐出対象Ｐ等を移動させるための駆動機構が不要であるため、各液体毎に専用のシリンジ２００や三方バルブ６００を設けることによって、複数種の液体の分注にも容易に対応することが可能である。

特許第３４４２２６１号公報

しかしながら、上述のディスペンサ方式の流体吐出機構１００Ｂにおいては、プランジャ２２０の移動と電磁バルブ８００の開閉とを連動して制御する必要があるため、高度で複雑な制御が必要となり、制御機構５００Ｂの構成が複雑化し、装置が極めて高価になってしまうという課題がある。また、プランジャ２２０の駆動圧力が一定の場合、液体の種類が変われば、液体粘度の違いから流速が変わるため、電磁バルブ８００の開閉時間を液体によって変える必要がある。即ち、一定の吐出量を得るためには、液体の種類毎に電磁バルブ８００の開閉時間を変える必要があるため、液体の種類毎に電磁バルブ８００の制御を調整しなければならないという課題がある。

以上の背景から、吸引・吐出のサイクルタイムを短縮できるというディスペンサ型の利点を生かしながら、液体の種類に応じた制御機構の再調整を行なうことなく、小型で簡素且つ安価な構成により、微量の液体を定量的に吐出することが可能な機構と、それを用いた小型で安価な液体分注装置が求められていた。

本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたものであり、その目的は、小型且つ簡素な構成で微量の流体を定量的に吐出でき、吸引・吐出のサイクルタイムが短く、流体の種類に応じた再調整も不要な流体吐出機構と、それを用いた小型で安価な流体分注装置を提供することに存する。

本発明者らは、上記目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、少なくとも一方の流路を直線的に形成することができる三方バルブ（Ｔ字型バルブ等）をシリンジに連結するとともに、この三方バルブの直線流路側の開口に吐出用ノズルを直結し、且つ、プランジャの移動速度及び移動量を制御する構成とすることによって、上記課題を効率的に解決できることを見出して、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の趣旨は、ノズルを有するシリンジチューブ及び該シリンジチューブに内挿されたプランジャを有し、シリンジチューブに対するプランジャの移動速度及び移動量を制御し得るように構成されたシリンジと、シリンジチューブのノズルと連結された第１の開口、流体の供給源に連結される第２の開口、及び、流体の吐出用ノズルに連結される第３の開口を有し、第２の開口から第１の開口に至る流体の流入経路と、第１の開口から第３の開口に至る流体の流出経路とを選択的に形成し得る三方バルブとを備え、三方バルブにおける流体の流出経路が直線状に形成されることを特徴とする、流体吐出機構に存する（請求項１）。これによって、シリンジに三方バルブを介して流体の吸引用チューブと吐出用ノズルが連結されるので、流体の吸引から吐出までの工程が短時間で完了する。また、流体の吐出時に、流体がシリンジのノズルから吐出用ノズルまでほぼ直線状の且つ最短の経路を流動するので、流動によって生じる圧力損失を非常に低く抑えることができる。その結果、プランジャの駆動力に比して得られる吐出力を最大にすることができ、極めて微量の流体であっても定量的に吐出することが可能となる。また、圧力損失が抑えられることから、流体の特性の違いに応じて再調整を行なう必要がなく、プランジャの移動量を制御するのみで所定の吐出量を得ることができる。

ここで、三方バルブは、直線状の長坑から短坑が分岐したＴ字型の内坑を有する回転プラグと、回転プラグを回転可能に包有し、第１の開口，第２の開口及び第３の開口を有するバルブ本体とを備え、長坑の両端を第１の開口と第３の開口に対合させることにより、第１の開口から第３の開口に至る流体の流出経路が形成されるように構成することが好ましい（請求項２）。これによって、三方バルブを小型で簡素な構成とすることができ、その結果、流体吐出機構全体のサイズやコストも抑えることが可能となる。

また、本発明の別の趣旨は、上述の流体吐出機構と、プランジャをシリンジチューブに対して移動させるべく駆動するとともに、プランジャのシリンジチューブに対する移動速度及び移動量を制御するプランジャ駆動制御機構とを備えたことを特徴とする、流体分注装置に存する（請求項３）。これによって、小型で安価な構成により、微量の流体を定量的に分注することが可能となる。

ここで、流体吐出機構を複数備えることが好ましい（請求項４）。これによって、複数種の流体を分注する場合でも、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、微量の流体の定量的な分注が可能となる。

また、該流体吐出機構及び／又は流体の吐出対象を移動することにより、流体吐出機構と吐出対象との相対位置を調整する位置調整機構を更に備えることが好ましい（請求項５）。これによって、上述の様に複数の流体吐出機構が設けられた場合や、吐出対象として複数のウェルが設けられた反応プレート等を使用する場合等でも、高い精度で効率的に分注を行なうことが可能となる。

また、本発明の別の要旨は、上述の流体吐出機構を用いて流体の吐出を行なうことを特徴とする、流体吐出方法に存する（請求項６）。これによって、微量の流体を確実に吐出することができ、且つ、複数種の流体についても効率的に分注することが可能となる。

本発明の流体吐出機構及びそれを用いた流体吐出方法によれば、小型且つ簡素な構成で微量の流体を定量的に吐出することが可能である。また、吸引・吐出のサイクルタイムが短く、流体の種類に応じた再調整も不要である。また、それを用いた本発明の流体分注装置によれば、小型で安価な構成により、微量の流体を効率的に分注することができ、且つ、複数種の流体の分注にも容易に対応することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変形して実施することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る流体吐出機構の要部の構成を模式的に示す図である。図１に示す流体吐出機構１０は、シリンジ２０と、三方バルブ３０と、吸引用チューブ４０と、吐出用ノズル５０とを備えている。

まず、シリンジ２０について説明する。シリンジ２０は、シリンジチューブ２１とプランジャ２２とから構成されている。一般に、シリンジチューブ２１は、その一端が開口した中空筒状を有し、閉端側にはノズル２１ｎが形成されている。また、プランジャ２２は、シリンジチューブ２１の内部断面形状と同一の断面形状を有するとともに、シリンジチューブ２１の内径よりも僅かに小さい外径を有し、シリンジチューブ２１に内挿されてその内部を移動し得るように構成されている。

シリンジ２０としては、上述の構成を有するものであれば、従来公知の任意のシリンジを使用することが可能である。その素材、形状、寸法などは、目的とする流体の性質や吐出量、更には併用する三方バルブ３０やその他の構成要素との関係を考慮して、適切に選択すればよい。

なお、プランジャ２２には、図示しない駆動機構が接続され、プランジャ２２をシリンジチューブ２１に対して移動させることができるように構成される。また、シリンジチューブ２１に対するプランジャ２２の移動速度及び移動量は、図示しない制御機構により制御し得るように構成されている。これら駆動機構及び制御機構の構成は任意であり、公知のモーター等の各種の装置を用いることができる。また、駆動機構と制御機構とは一体に構成されていてもよく、個別の構成となっていてもよい。なお、本明細書において、これら駆動機構と制御機構とを構成上特に区別しない場合には、「プランジャ駆動制御機構」と呼ぶことがある。

次に、三方バルブ３０について説明する。三方バルブ３０は、三つの開口（それぞれ第１〜第３の開口とする。）を備えており、第１の開口と第２の開口とを結ぶ経路と、第１の開口と第３の開口とを結ぶ経路とを、切り替えることができるようになっている。

三方バルブ３０の分解斜視図を図２に示す。三方バルブ３０は、回転プラグ３１とバルブ本体３２とから構成される。

回転プラグ３１は円柱形状を有し、その内部にいわゆるＴ字型の内坑（流体の経路となる孔）が形成されている。ここで「Ｔ字型」の内坑は、回転プラグ３１の円柱形状の直径に沿った直線状の内坑ｈ₁（以下、適宜「長坑」と称する。）と、この長坑ｈ₁の中心付近から側方に分岐した内坑ｈ₂（以下、適宜「短坑」と称する。）とからなる内坑のことを指す。そして、長坑ｈ₁の両端及び短坑ｈ₂の一端が、回転プラグ３１の円周側面と交差して、３つの開口ａ，ｂ，ｃを形成している。

バルブ本体３２は、その内部に、回転プラグ３１の外形と同じ円柱形状で且つ僅かに大きな形状の空室を有する（図２に示す例では、バルブ本体３２が２つの部材３２−１，３２−２とから構成されており、これらの部材３２−１，３２−２を組み合わせることによって、空室が形成される。なお、バルブ本体３２を構成する部材の数や形状は、この図に示すものに限定されるわけではない。）。この空室に回転プラグ３１が嵌合し、空室内部で回転し得るようになっている。また、回転プラグ３１の円形側面の側方には突起３１ｐが設けられるとともに、バルブ本体３２の対応箇所には開口３２ｈが形成され、その開口３２ｈを介して回転プラグ３１の突起３１ｐが外方に突出するようになっており、この突起３１ｐを操作することにより、回転プラグ３１をバルブ本体３２の外部から操作して回転させることが可能になっている。

更に、バルブ本体３２には、三つの開口α，β，γ（これらを以下、それぞれ「第１の開口」「第２の開口」「第３の開口」という。）が設けられている。第１の開口αと第３の開口γは、空室の円柱形状の一直径に沿って対向する位置に形成され、第２の開口βはその直径と直交する円柱形状の直径に沿った一側方に形成される。そして、回転プラグを回転させることにより、回転プラグ３１の開口ａ，開口ｂ，開口ｃの各々を、バルブ本体３２の第１の開口α，第２の開口β，第３の開口γの位置と対合させることができるようになっている。

回転プラグ３１の模式断面図を図３（ａ），（ｂ）に示す。回転プラグ３１をバルブ本体３２の空室に嵌合させた状態で回転させ、その向きを調整することにより、以下の２つの状態とすることが可能である。

・状態（ｉ）：図３（ａ）に示すように、回転プラグ３１の開口ｂがバルブ本体３２の第１の開口αと対合し、回転プラグ３１の開口ｃがバルブ本体３２の第２の開口βと対合し、回転プラグ３１の開口ａがバルブ本体３２の第２の開口βの反対側の位置（開口が形成されていない位置）に配置された状態。

・状態（ii）：図３（ｂ）に示すように、回転プラグ３１の開口ａがバルブ本体３２の第１の開口αと対合し、回転プラグ３１の開口ｂがバルブ本体３２の第３の開口γと対合し、回転プラグ３１の開口ｃがバルブ本体３２の第２の開口βの反対側の位置（開口が形成されていない位置）に配置された状態。

即ち、状態（ｉ）においては、三方バルブ３０内に、バルブ本体３２の第１の開口αと第２の開口βとを結ぶ経路（以下、適宜「経路Ａ」と称する。）が形成されるのに対して、状態（ii）においては、三方バルブ３０内に、バルブ本体３２の第１の開口αと第３の開口γとを結ぶ経路（以下、適宜「経路Ｂ」と称する。）が形成されることになる。そして、回転プラグ３１を回転させて（ｉ）又は（ii）の状態とすることにより、経路Ａと経路Ｂとを切り替えることが可能になっている。

そして、三方バルブ３０の第１の開口αは、上述のシリンジチューブ２１のノズル２１ｎと連結され、第２の開口βは、後述の流体の吸引用チューブ４０と連結され、第３の開口γは、後述の流体の吐出用ノズル５０と連結される。即ち、三方バルブ３０の経路Ａと経路Ｂとを切り替えることによって、流体の吸引用チューブ４０からシリンジチューブ２１のノズル２１ｎに至る流体の流入経路と、シリンジチューブ２１のノズル２１ｎから流体の吐出用ノズル５０に至る流体の流出経路とを、選択的に形成することができるようになっている。

更に、三方バルブ３０の経路Ｂ（流体の流出経路）は、バルブ本体３２の第１の開口αから回転プラグ３１の開口ａを介して、直線的に形成された回転プラグ３１の長坑ｈ₁を通じ、回転プラグ３１の開口ｂを介してバルブ本体３２の第３の開口γに至るので、その全長がほぼ直線状に形成されることになる。

三方バルブ３０としては、上述の構成を有するものであれば、従来公知の任意のバルブを使用することが可能である。その素材、形状、大きさ等は、目的とする流体の性質や吐出量、更には併用する他の構成要素との関係を考慮して、適切に選択すればよい。

例えば、図１〜図３ではバルブ本体３２の外形を円柱形状として示したが、円柱形状である必要は無く、その他の任意の形状とすることが可能である。また、第２の開口βについては、有る程度の長さを持った内坑として形成してもよく、その形状は直線状に制限されず、屈曲等を有する任意の形状とすることができる。また、回転プラグ３１の内坑を「Ｔ字型」と称したのはあくまでも比喩的な表現であり、本発明の趣旨に沿ったものであれば内坑の形状は任意である。例えば、短坑ｈ₂については直線状である必要は無く、屈曲又は湾曲した形状であっても良い。また、長坑ｈ₁に対する短坑ｈ₂の角度も直角には限定されず、経路の切り替えに支障のない限りにおいて、任意の角度を持って分岐していれば良い。

続いて、吸引用チューブ４０について説明する。吸引用チューブ４０は、吐出対象となる流体を吸引するための中空のチューブで、その一端は、上述の様に三方バルブ３０の第２の開口と連結され、他端は、流体の供給源（流体の入ったビンやビーカー等の容器など）に浸漬されるようになっている。吸引用チューブ４０としては、従来公知の任意のチューブを使用することが可能である。その素材、形状、大きさなどは、目的とする流体の性質や吐出量、更には併用する三方バルブ３０や流体の供給源、その他の構成要素等との関係を考慮して、適切に選択すればよい。

次に、吐出用ノズル５０について説明する。吐出用ノズル５０は、三方バルブ３０の第３の開口と連結され、シリンジ２０から三方バルブ３０を通じて流出してきた流体を吐出するものである。吐出用ノズル５０としては、従来公知の任意の中空針やチップ等を使用することが可能である。その素材や形状、大きさ（外径、内径、長さ）等は、目的とする流体の性質や吐出量、更には併用する三方バルブ３０やその他の構成要素との関係を考慮して、適切に選択すればよい。

上述の構成を有する本実施形態の流体吐出機構１０の動作について、図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ），（ｂ）は、何れも本実施形態の流体吐出機構１０の動作状態を模式的に示す図で、図４（ａ）は流体の吸引時の状態を、図４（ｂ）は流体の吐出時の状態を示している。また、流体吐出機構１０を構成するシリンジ２０から三方バルブ３０については、流体の流出経路に沿った方向の断面図として示している。また、図１〜図３と同様の構成要素については、同一の符号を用いて表わす。

まず、流体の吸引時には、図４（ａ）に示すように、流体の吸引用チューブ４０の端部を、容器等（流体の供給源）Ｓに入った吐出対象の流体に浸漬させる。三方バルブ３０を（ｉ）の状態に設定した上で、プランジャ２２に接続されたモーター等の駆動機構６０がプランジャ２２を駆動して、図中の矢印Ａの方向に移動させると、容器Ｓ内の流体は吸引用チューブ４０内へと侵入し、三方バルブ３０の経路Ａを通じて、ノズル２１ｎからシリンジ２０内へと吸引される。

一方、流体の吐出時には、図４（ｂ）に示すように、吐出用ノズル５０の下にプレート等の吐出対象Ｐを配置する。三方バルブ３０を（ii）の状態に設定した上で、駆動機構６０がプランジャ２２を駆動して、図中の矢印Ｂの方向に移動させる。流体はシリンジ２０のノズル２１ｎから流出し、三方バルブ３０の経路Ｂを通じて、吐出用ノズル５０から空中へと吐出され、プレート等の吐出対象Ｐに滴下される。ここで、駆動機構６０に接続された制御機構７０の制御によって、プランジャ２２の移動量及び移動速度が制御される。流体の吐出量はプランジャ２２の移動量に応じて変化するので、プランジャ２２の移動量を調整することにより、流体の吐出量を所望の値とすることができる。また、プランジャ２２の移動速度を調整することにより、微量の流体であっても吐出用ノズル５０の先端に付着・残存することなく、空中に吐出させることができる。

以上説明した本実施形態の流体吐出機構１０によれば、シリンジ２０に三方バルブ３０を介して流体の吸引用チューブ４０と吐出用ノズル５０が連結されているので、従来のピペッティング方式の流体吐出機構と比べて、流体の吸引から吐出までの工程が短時間で完了する。

また、シリンジと吐出用ノズルとの間に吐出用チューブ等が介装される従来のディスペンサ方式とは異なり、本実施形態において流体が吐出時に通過する経路は、シリンジ２０のノズル２１ｎから吐出用ノズル５０まで、ほぼ直線状且つ最短の状態となる。一般に、流体の経路が短いほど、また、経路の曲がりや障害物が少ないほど、流体の流動時の圧力損失が少ない。よって、本実施形態の流体吐出機構１０によれば、流体の流動時の圧力損失を極力排除することができる。

ここで、プランジャの移動速度が一定の場合、流動による圧力損失が小さいほど、吐出ノズルの先端における吐出力が大きくなり、流体は空中吐出し易くなる。従って、本実施形態の流体吐出機構１０によれば、プランジャ２２の駆動力に対して得られる流体の吐出力を最大にすることができ、その結果、極めて微量の流体であっても確実に空中吐出することが可能となる。

また、従来のディスペンサ方式では、流動による圧力損失が大きいため、流路内に一定の圧力を付加するとともに電磁バルブを設け、経路内の圧力と電磁バルブの開閉時間に基づいて流体の吐出量を制御せねばならず、これが流体の種類毎に再調整を要する原因となるとともに、高コスト化の原因ともなっていた。しかし、本実施形態の流体吐出機構１０によれば、上述の様に流動による圧力損失が極めて少ないため、流体の特性の違いに応じて再調整を行なう必要がなく、プランジャの移動量を制御するのみで所定の吐出量を得ることができる。また、高価な電磁バルブを必要としないので、必要なコストを大幅に低減することが可能となる。

なお、本実施形態の流体吐出機構２０により吐出可能な流体の液性は特に制限されず、その構成を調整することによって様々な液性の流体を吐出することが可能である。具体的に、吐出可能な流体の最大粘度は、通常１．５Ｐａ・ｓ（１５００ｃ．ｐ．）程度である。また、吐出可能な流体の最小量は、その粘度によっても異なるが、上述の最大粘度（１５００Ｐａ・ｓ）程度の流体であれば通常０．０５μＬ程度であり、水等の粘度の低い流体であれば通常０．０２μＬ程度まで吐出可能である。

但し、極めて微量（μＬ以下のオーダー）の流体を定量的に吐出するためには、シリンジ２０から三方バルブ３０を通じて吐出用ノズル５０に至る流体の吐出経路の内径や全長を、以下のように調整することが好ましい。

具体的に、シリンジ２０の内径（シリンジチューブ２１及びノズル２１ｎの内径）は、通常０．１ｍｍ以上、また、通常３ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。

また、三方バルブ３０の経路Ｂ（流体の流出経路）の内径（即ち、第１の開口α及び第３の開口γ、並びに回転プラグ２１ａの長坑ｈ₁の内径）は、通常０．１ｍｍ以上、また、通常３ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。また、上述のシリンジチューブ２１及びノズル２１ｎの内径に対する三方バルブ３０の経路Ｂの内径の比は、通常０．５倍以上、好ましくは１倍以上、また、通常５倍以下、好ましくは２倍以下の範囲とするのが好適である。

また、吐出用ノズル５０の内径は、通常０．１ｍｍ以上、また、通常３ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。また、上述のシリンジチューブ２１及びノズル２１ｎの内径に対する吐出用ノズル５０の内径の比は、通常０．１倍以上、また、通常２倍以下の範囲とするのが好適である。

また、シリンジ２０のノズル２１ｎ先端からの流体の吐出経路の長さは、三方プラグ３０の第１の開口αから第３の開口γまでの距離と、吐出用ノズル５０の全長との合計によって規定されるが、流動による圧力損失を減らす観点からは、この吐出経路の長さをできるだけ短くすることが好ましい。具体的には、通常１００ｍｍ以下、好ましくは７０ｍｍ以下の範囲とするのが好適である。

なお、本発明の流体吐出機構は、上述の実施形態に制限される訳ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜、変形を加えて実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態の流体吐出機構１０では、三方バルブとしていわゆるＴ字型の内坑を有する回転プラグを備えた三方バルブ３０を用いたが、これに代えて他の形態の三方バルブを用いてもよい。流体の流入経路と流出経路とを選択的に切り替えることが可能な三方バルブであって、少なくとも流体の流出経路が直線状に形成されるものであれば、その他の三方バルブ（例えばＴ字型以外の形状の内坑を有する回転プラグ式三方バルブや、電磁バルブ等）を本発明に適用することも可能である。但し、上述したような、いわゆるＴ字型の内坑を有する回転プラグ３１を備えた三方バルブ３０は、小型で簡素な構成とすることができる上、安価で入手し易く、更にはその切り替え操作も容易であることから、これを本発明に適用することによって得られる利点は大きい。

以上説明した本発明の流体吐出機構は、通常は適当な函体等に固定して、プランジャ駆動制御機構と組み合わせることにより、流体分注装置として使用することができる。流体分注装置の構成に用いる函体の素材や形状等は任意である。流体分注装置の用途や目的とする流体の性質や吐出量、更には流体吐出機構の構成要素の形状や大きさを考慮して、適切に設計すればよい。また、プランジャ駆動制御機構についても、適当な駆動力及び駆動速度でプランジャを駆動することができ、且つ、シリンジチューブに対するプランジャの移動速度及び移動量を制御することができるものであれば、任意の機構を用いることができる。

なお、本発明の流体吐出機構を用いて流体分注装置を構成する場合、複数の流体吐出機構を設けることが好ましい。上述の様に、本発明の流体吐出機構は小型且つ簡素な構成を有するため、複数台を容易に並べて配置することが可能である。特に、複数種の流体を分注する場合には、流体の種類分の流体吐出機構を用意し、各流体毎に専用の流体吐出機構を設けることによって、これらの流体を効率的に分注することが可能となる。また、複数の吐出対象に同時に流体を分注する場合にも、吐出対象の数に応じて複数の流体吐出機構を同時に使用することで、効率的な分注が可能となる。

また、本発明の流体吐出機構を用いて流体分注装置を構成する場合、流体吐出機構及び／又は流体の吐出対象を移動することにより、流体吐出機構と吐出対象との相対位置を調整する位置調整機構を設けても良い。これによって、上述の様に複数の流体吐出機構が設けられた場合や、吐出対象として複数のウェルが設けられた反応プレート等を使用する場合等でも、高い精度で効率的に分注を行なうことが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態に係る流体分注装置として、上述の実施形態の流体吐出機構を複数台設けるとともに、流体吐出機構と吐出対象との相対位置を調整する位置調整機構を設けた流体分注装置の構成例について、図５（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。ここで、図５（ａ），（ｂ）は、本実施形態の流体分注装置の要部の構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は流体分注装置の上方投影図、図５（ｂ）は図５（ａ）の矢印Ｗの方向から見た流体分注装置の側面図である。また、図１〜図４と同様の構成要素については、同一の符号を用いて表わす。

図５（ａ），（ｂ）に示す流体分注装置９０は、アレイ状（図では８×１２）に集積されたウェルを有するプレートを吐出・分注の対象として流体の分注を行なうもので、上述した本発明の一実施形態の流体吐出機構１０を複数台（図では１２台）備えるとともに、基板９１と、吐出・分注対象のプレートを移動させるプレート移動機構と、各流体吐出機構１０のシリンジ２０のプランジャを駆動制御するプランジャ駆動制御機構とを備えている。

基板９１上に設けられるプレート移動機構は、ベルトコンベア等の可動部９２と、その可動部を所定の２つの進行方向（図中に示す矢印Ｘ及び矢印Ｙに沿った方向。以下、適宜「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」と略称する。）に駆動するとともにその可動部の移動量を制御する駆動制御手段を備え、可動部９２上にプレートを載置した状態で駆動制御手段がこれを駆動することにより、前記所定の２つの進行方向（Ｘ方向及びＹ方向）にプレートを移動させることができるようになっている。また、可動部９２上にはプレートの外形に応じた突起状の位置決め用ガイドが形成されており、その位置決め用ガイドに合わせてプレートを載置することで、移動時におけるプレートの位置（及びその上の所定の位置に設けられた各ウェルの位置）を把握し、駆動制御手段の制御によりその位置を調整することができるようになっている。なお、駆動制御手段については図示を省略する。

プレート移動機構の可動部９２の側方には、１２台の流体吐出機構１０が、可動部９２の長手側の進行方向（Ｘ方向）に沿って並べて配置される。各流体吐出機構１０のシリンジユニットは、吐出ノズル５０の吐出端を下方に向けた状態で、後述のシリンジユニット移動機構の一部である、図示しないアーム部材等の保持部によって保持される。プレート移動機構と反対側の流体吐出機構１０の側方には、各流体吐出機構１０の吐出対象となる流体の容器（供給源）Ｓが配置され、各流体吐出機構１０の吸引用チューブ４０は対応する容器（供給源）Ｓ内の流体に浸漬される。また、各流体吐出機構１０のシリンジ２０のプランジャ２２は、プランジャ駆動制御機構によって上下方向（即ち、流体の吸引方向及び吐出方向）に移動させることができるようになっている。なお、プランジャ駆動制御機構については図示を省略する。

上述の構成を備えた本実施形態の流体分注装置９０の動作は以下の通りである。まず、予め各流体吐出機構１０のシリンジ２０に吐出対象の流体を吸引しておき、三方バルブを流体の吐出経路に切り替えておく。吐出・分注対象のプレートをプレート移動機構の可動部９２に載置し、駆動制御手段の駆動制御によって可動部９２を移動させることにより、プレート（及びその上の各ウェル）のＸ方向及びＹ方向の位置を調整する。こうしてプレート（及びその上の各ウェル）と吐出用ノズル５０との位置関係を調整し、プレート上の所望のウェル上に吐出用ノズル５０が位置する状態で、プランジャ駆動制御機構によるプランジャの駆動制御を行なうことにより、プレート上の所望のウェルに対して流体吐出機構１０による流体の吐出が行なわれる。

ここで、プレート（及びその上の各ウェル）のＸ方向及びＹ方向の位置を適宜調整しながら、上述の吐出動作をプレート上の各ウェルについて順次繰り返すことによって、各ウェルに対して流体の分注を行なうことができる。また、この動作を各流体吐出機構１０について順次繰り返すことによって、各流体吐出機構１０に対応する流体の分注を連続して行なうことができる。即ち、本実施形態の流体分注装置９０では、プレート移動機構とプランジャ駆動制御機構とが協働して、吐出対象であるプレート（上の各ウェル）へと連続的に分注を行なうことが可能となる。

なお、各流体吐出機構１０のシリンジ２０内の流体の量が不足してきたら、三方バルブ３０を切り替えて流体をシリンジ２０内に再度吸引した上で、再度三方バルブ３０を切り替えて流体の吐出経路を形成し、再び上述の位置調整及び吐出の動作に移ればよい。

以上説明した本実施形態の流体分注装置９０によれば、複数種の流体を分注する場合や、吐出対象として複数のウェルが設けられた分析プレート等を使用する場合であっても、装置の大型化や高コスト化を招くことなく、微量の流体を極めて効率よく、且つ高い精度で、定量的に分注することが可能となる。

なお、本発明の流体分注装置は、上述の実施形態に制限される訳ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜変形を加えて実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態の流体分注装置９０では、吐出対象であるプレート（上の各ウェル）を移動させることにより、吐出対象（プレート上の各ウェル）と流体吐出機構１０（の吐出用ノズル５０）との位置関係を調整していたが、流体の吐出対象を固定して流体吐出機構を移動させたり、流体吐出機構と流体の吐出対象とをともに移動させることにより、流体吐出機構と吐出対象との相対位置を調整するような構成としてもよい。

また、プレート移動機構による移動方向も上述の方向に制限されるものではない。例えば、本実施形態ではプレート移動機構の可動部９２により、分析プレートを二方向（Ｘ方向及びＹ方向）にそれぞれ直線的に移動させる構成となっているが、流体吐出機構１０の配置場所等の設計によっては、複数のコンベア等を組み合わせることにより、分析プレートの進行経路を、屈曲等を含む複雑なものとすることも可能である。

更に、上に説明した各構成要素に加えて、その他の各種の構成要素を追加しても良い。例えば、プレート移動機構の可動部９２の起点にプレートの供給スタッカを設けるとともに、可動部９２の終点にプレートの供給スタッカを設け、複数のプレートを順次移動させながら流体の分注を行なう構成としても良い。また、基板２１やプレート移動機構の可動部９２に、各流体吐出機構１０の吐出用ノズルから滴り落ちた流体等を回収するための廃液槽を設けても良い。更には、各流体吐出機構１０の三方バルブ３０の切り替えを一箇所でまとめて行なうための切替コンソール等を設けても良い。

次に、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。

図４に示すものと同一の構成の微量吐出機構（実施例の微量吐出機構）を組み立てた。シリンジとしては、ステンレスＳＵＳ３０４製のプランジャとガラス製のシリンジチューブからなるシリンジを用いた。シリンジチューブ及びノズルの内径は１ｍｍであった。三方バルブとしては、Ｔ字型の内坑が形成された四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ：テフロン（登録商標））製の回転プラグを有する三方バルブを用いた。回転プラグの内坑径は１．３ｍｍ、回転プラグの外径は１０ｍｍであった。吐出ノズルとしては、ステンレスＳＵＳ３０４製の中空針を用いた。中空針の内径は０．９ｍｍ、先端の内径は０．２ｍｍであった。また、三方バルブのシリンジに接続される開口（第１の開口）から中空針に接続される開口（第３の開口）との間の経路長は２０ｍｍ、中空針の全長は３０ｍｍであった。

この実施例の微量吐出機構を駆動制御機構に取り付け、以下の表１の左欄に示す流体について、常温・常圧条件下で吐出実験を行なった。実験においては、各流体の吐出量を１μＬから０．１μＬずつ減少させながら繰り返し吐出を試み、各流体の最小吐出可能量を測定した。流体が吐出できたか否かの判定は、吐出ノズルの先端に流体が残存せず流体が空中に放出されたことを、目視により識別することにより行なった。吐出時のプランジャの移動速度は１８８ｍｍ／ｓｅｃ．とした。各流体の最小吐出可能量の測定結果を表１に示す。また、参考のため、各流体の粘度についても併せて表１に示す。

表１の結果から、実施例の微量吐出機構によれば、精製水については最小で０．２μＬ、比較的粘度が高いグリセロールについても最小で０．５μＬと、従来の微量吐出機構においては困難であった極めて微小な量の吐出が可能であることが分かる。

以上説明したように、本発明によれば、流体の種類に応じて再調整を行なうことなく、小型で簡素な構成により、微量の流体を定量的に吐出することが可能な流体吐出機構と、それを用いた小型で安価な流体分注装置が実現される。従って本発明は、微量の流体を定量的に吐出・分注する技術が求められる生化学・化学・医薬等の分野において、好適に利用することが可能である。特に好適な分野の例としては、蛋白結晶化沈殿剤やスクリーニング溶液等の反応液の調製、微生物や細胞等の培養液の調製など、複数の試薬や検体を配合して様々な組成の溶液を少量ずつ調製することが求められる分野が挙げられる。これらの分野に本発明を適用することにより、小型且つ安価な構成で、低濃度から高濃度まで広範囲な濃度の溶液を、迅速に調製することが可能になるものと期待される。

本発明の一実施形態に係る流体吐出機構の要部の構成を模式的に示す斜視図である。 本実施形態の流体吐出機構に用いられる三方バルブの構成を模式的に示す分解斜視図である。 （ａ），（ｂ）は何れも、本実施形態の流体吐出機構に用いられる三方バルブの経路切り替えを説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は何れも、本実施形態の流体吐出機構の動作を説明するための図である。 本発明の一実施の形態に係る流体分注装置の要部の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は流体分注装置の上方投影図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｗの方向から見た流体分注装置の側面図である。 （ａ），（ｂ）は何れも、従来の流体吐出機構の一例（ピペッティング方式）の構成及び動作を説明するための模式図である。 （ａ），（ｂ）は何れも、従来の流体吐出機構の一例（ディスペンサ方式）の構成及び動作を説明するための模式図である。

符号の説明

１０ 流体吐出機構
２０ シリンジ
２１ シリンジチューブ
２１ｎ ノズル
２２ プランジャ
３０ 三方バルブ
３１ 回転プラグ
３２ バルブ本体
４０ 吸引用チューブ
５０ 吐出用ノズル
６０ 駆動機構
７０ 制御機構
９０ 流体分注装置
９１ 基板
９２ 可動部（プレート移動機構）
１００Ａ 従来の流体吐出機構（ピペッティング方式）
１００Ｂ 従来の流体吐出機構（ディスペンサ方式）
２００ シリンジ
２１０ シリンジチューブ
２１１ ノズル
２２０ プランジャ
３００Ａ 中空針
３００Ｂ チップ
４００Ａ，４００Ｂ 駆動機構
５００Ａ，５００Ｂ 制御機構
６００ 三方バルブ
７１０ 吸引用チューブ
７２０ 吐出用チューブ
８００ 電磁バルブ

Claims (6)

1. ノズルを有するシリンジチューブ及び該シリンジチューブに内挿されたプランジャを有し、該シリンジチューブに対する該プランジャの移動速度及び移動量を制御し得るように構成されたシリンジと、
   該シリンジチューブのノズルと連結された第１の開口、流体の供給源に連結される第２の開口、及び、流体の吐出用ノズルに連結される第３の開口を有し、第２の開口から第１の開口に至る流体の流入経路と、第１の開口から第３の開口に至る流体の流出経路とを選択的に形成し得る三方バルブとを備えるとともに、
   該三方バルブにおける流体の流出経路が直線状に形成される
   ことを特徴とする、流体吐出機構。
2. 該三方バルブが、
   直線状の長坑から短坑が分岐したＴ字型の内坑を有する回転プラグと、
   該回転プラグを回転可能に包有し、第１の開口，第２の開口及び第３の開口を有するバルブ本体とを備え、
   長坑の両端を第１の開口と第３の開口に対合させることにより、第１の開口から第３の開口に至る流体の流出経路が形成されるように構成された
   ことを特徴とする、請求項１記載の流体吐出機構。
3. 請求項１又は請求項２に記載の流体吐出機構と、
   該プランジャを該シリンジチューブに対して移動させるべく駆動するとともに、該プランジャの該シリンジチューブに対する移動速度及び移動量を制御するプランジャ駆動制御機構とを備えた
   ことを特徴とする、流体分注装置。
4. 該流体吐出機構を複数備える
   ことを特徴とする、請求項３記載の流体分注装置。
5. 該流体吐出機構及び／又は流体の吐出対象を移動することにより、該流体吐出機構と吐出対象との相対位置を調整する位置調整機構を更に備えた
   ことを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の流体分注装置。
6. 請求項１又は請求項２に記載の流体吐出機構を用いて流体の吐出を行なう
   ことを特徴とする、流体吐出方法。

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