JP2006308374A - 液体分注装置及び液体分注方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な装置構成でありながら、吐出される液滴１滴毎の容量をリアルタイムで制御することができる液体分注装置を提供する。
【解決手段】 ノズル先端から液滴を飛翔させる方式の液体分注装置において、背圧を発生させるためのポンプと、背圧の変化を検出するための圧力センサと、高速で開閉することができるバルブと、前記バルブの先端に取設されたノズルとからなり、前記ポンプと圧力センサと高速バルブは共通の管路で接続されており、ノズルからの液滴の飛翔により生じた背圧の変化を前記圧力センサにより検出し、その背圧変化をフィードバックして予め設定した背圧値になるように前記ポンプを駆動させる制御機構を有することを特徴とする液体分注装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は液体分注装置及び液体分注方法に関する。更に詳細には、本発明はマイクロ化学チップのウエル又はポートなどにマイクロ量又はナノ量の極微量の液体を分注するための装置及び方法に関する。

最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内に所定の形状の流路を構成するマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うことが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル及びポートなどの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロチップ」と呼ばれる。

マイクロチップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニング及び環境モニタリングなどの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロチップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。

マイクロチップの材質や構造及び製造方法は例えば、特許文献１及び特許文献２などに提案されている。従来のマイクロチップ１００は、例えば、図４に示されるように、合成樹脂（例えば、ポリジメチルシロキサン又はアクリル樹脂）などの基板１０２に少なくとも１本のマイクロチャネル１０４が形成されており、このマイクロチャネル１０４の少なくとも一端には、試薬類を出し入れするためのポート１０６が形成されている。基板１０２の下面側に透明又は不透明な素材（例えば、ガラス又は合成樹脂フィルム）からなる対面基板１０８が接着されている。この対面基板１０８の存在により、ポート１０６及びマイクロチャネル１０４の底部が封止される。マイクロチャネル１０４は対面基板１０８内に形成されることもある。

ポート１０６の主な用途は薬液やサンプルの注入（分注）である。数μL以上の液体の分注は、一般的にピペット１１０を用い、次の手順で行う。
(a)ピペットチップ先端を目的の液体に浸し、ピペットを操作して所定量を吸引する;
(b)ピペットチップ先端を分注対象のウェルなどの上空またはその中に移動する；及び
(c)ピペットを操作して所定量をウエル内に吐出する。
ピペットの代わりに電動のシリンジポンプなどを用いて自動化することもできる。

しかし、分注量（吐出量）が少なくなり、オーダーとして１μL以下になると、次の問題が発生する。
(イ)自重による液滴の落下が困難になる；
(ロ)ピペットチップ先端に液が付着して残り、そのため吐出量が不安定になる；
(ハ)ピペットチップ先端に付着して残った液を除去する為、チップタッチを行う必要が出てくるが、その場合も、コンタミネーションが問題となる；及び
(ニ)液質（粘度や表面張力）や周囲環境（温度や湿度）によって、吐出量が変化する。

１μＬ以下の微量液体の分注に伴う前記の問題点を解消するために、先端に微細孔を設けたノズルから液滴を飛翔させる、いわゆるインクジェット方式の分注装置及び分注方法が用いられるようになってきた。この種の分注方式には、特許文献３に示すように、圧電アクチュエータを高速に動作させて液滴を飛翔させる方式や、特許文献４に示すように、ノズル先端近くで高速にピストンを動作させて気体と一緒に液滴を飛翔させる方式なども提案されている。

分注方式に於いて最も重要なのは、１回の吐出量を正確に制御することである。従来の分注方式では、ポンプの吐出量がそのまま分注量であったが、このインクジェット方式では、その機器構成からも分かるように、直接的に分注量を制御することができない。例えば、特許文献３の液体吐出装置では、圧電素子にパルス電圧を印加することにより液体を０．０１ｎＬ〜数十ｎＬの液滴として所定速度で吐出するが、各液滴の容量を正確に制御することが困難である。また、特許文献４の分注方法では、分注量全体の分注精度自体は±１０％程度に維持できるが、液滴１滴毎の容量自体を正確に制御することはできない。

また、特許文献５には、高速プランジャー弁を例えば、１ミリ秒の時間ＯＮさせることで、１０ｎＬ〜２０ｎＬの範囲内で所要量の液体を分注する精密分注装置が記載されている。この分注量はパルス数とパルス時間とで制御される。しかし、この装置にあっては、液体の分注量が微量であるため、一定時間の停止毎に初期化しなければならない。すなわち、この装置では、連続的に液滴１滴毎の容量を制御することはできない。

特許文献６には、試料吐出時に、ノズルの先端から滴下された各液滴を二次元画像として読み取り、この二次元画像から液滴の輪郭を抽出し、液滴の半径ｒを測定し、この半径から液滴の体積Ｖを求め、滴下された各液滴の体積Ｖを順次加算して試料の吐出量を体積として求める自動分注装置が記載されている。しかし、高速に飛翔する液滴の場合は撮影が困難であり、また、分注対象物の大きさなどによっては、カメラなどの設置が困難で撮影ができない場合があった。また、分注量がリアルタイムで分からない場合は、ノズルの詰まりなどの装置故障や周囲温度の変化などによる分注量の異常を見逃すことになった。

特開２００１−１５７８５５号公報 米国特許第５９６５２３７号明細書 特開２０００−３２９７７１号公報 特開２００４−２５１８２０号公報 特開２００４−６１１５３号公報 特開平７−３３３２３１号公報

従って、本発明の目的は、簡単な装置構成でありながら、吐出される液滴１滴毎の容量をリアルタイムで制御することができる液体分注装置を提供することである。
本発明の別の目的は、吐出される液滴１滴毎の容量をリアルタイムで制御することができる液体分注方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段として請求項１に係る発明は、ノズル先端から液滴を飛翔させる方式の液体分注装置において、背圧を発生させるためのポンプと、背圧の変化を検出するための圧力センサと、高速で開閉することができるバルブと、前記バルブの先端に取設されたノズルとからなり、前記ポンプと圧力センサと高速バルブは共通の管路で接続されており、ノズルからの液滴の飛翔により生じた背圧の変化を前記圧力センサにより検出し、その背圧変化をフィードバックして予め設定した背圧値になるように前記ポンプを駆動させる制御機構を有することを特徴とする液体分注装置である。

前記課題を解決するための手段として請求項２に係る発明は、前記ポンプは、電気的又は機械的に進退させることができるピストンを有するポンプであることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置である。

前記課題を解決するための手段として請求項３に係る発明は、前記ポンプは、電気的又は機械的に進退可能なプランジャーを有するプランジャーポンプであることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置である。

前記課題を解決するための手段として請求項４に係る発明は、前記共通管路に、システムリキッドを貯留するためのリザーバータンクから延びる別の管路が開閉バルブを介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置である。

前記課題を解決するための手段として請求項５に係る発明は、前記ノズルは少なくとも先端表面部分を低表面エネルギー樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置である。

前記課題を解決するための手段として請求項６に係る発明は、背圧を発生させるためのポンプと、背圧の変化を検出するための圧力センサと、高速で開閉することができるバルブと、前記バルブの先端に取設されたノズルとからなり、前記ポンプと圧力センサと高速バルブは共通の管路で接続されており、ノズルからの液滴の飛翔により生じた背圧の変化を前記圧力センサにより検出し、その背圧変化をフィードバックして予め設定した背圧値になるように前記ポンプを駆動させる制御機構を有する液体分注装置を用いてノズル先端から吐出された液滴の容量を検出する方法において、
(a)前記高速バルブを閉じて前記ポンプの吐出側圧力を予め設定された圧力となるように前記ポンプを駆動させるステップと、
(b)前記設定圧力を維持した状態で、前記高速バルブを短時間開き、その後閉じるステップと、
(c)前記高速バルブの開閉により生じた圧力変化を前記圧力センサにより検出して前記制御機構にフィードバックするステップと、
(d)前記フィードバックされた信号に基づき、前記ポンプを駆動して圧力を前記設定圧力にまで戻すステップと、
(e)前記ステップ(d)におけるポンプ駆動のピストン又はプランジャーの移動量から、吐出された液滴の容量を算出するステップとを有することを特徴とする液滴容量検出方法である。

前記課題を解決するための手段として請求項７に係る発明は、(f)前記ステップ(e)において前記ピストン又はプランジャーの移動量により吐出された液滴の容量を求めると共に、その求めた容量と予め設定した吐出量とを比較し、その誤差に基づいて次回以降の分注時に前記ポンプの設定圧力及び／又は前記高速バルブの開時間を補正するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の液滴容量検出方法である。

本発明の液体分注装置によれば、簡単な構成でありながら吐出される液滴１滴毎の容量をリアルタイムで制御することができる。また、吐出された液滴の容量もポンプのピストンの移動量から簡単に検出することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の液体分注装置及び液体分注方法を具体的に説明する。図１は本発明の液体分注装置の構成の一例を示す概要図である。本発明の液体分注装置１は例えば、システムリキッド３を貯留するためのリザーバー５と、プランジャー７を有するプランジャーポンプ９と、圧力センサ１１と、滴下ノズル１３と、システムリキッド３用の開閉バルブ１５と、滴下用高速バルブ１７と、制御装置１９とからなる。また、配管系として、リザーバー５と開閉バルブ１５とを接続する管路２１と、開閉バルブ１５と高速バルブ１７とを接続する管路２３と、プランジャーポンプ９を管路２３に接続するための管路２５とからなる。圧力センサ１１は管路２５の接続点と高速バルブ１７との間の管路２３の途中に配設されている。図示されていないが、必要に応じて、ノズル１３は適当なＸＹＺテーブルなどのような公知慣用の移動機構に支持させることができる。

本発明の液体分注装置１におけるリザーバー５は、システムリキッド３（主に蒸留水や純水）を蓄える。開放構造の他、密閉構造とすることもできる。システムリキッド３は、ポンプやバルブ、その他の配管ボリュームを空気の代わりにその液体で満たすことにより、ノズル１３先端からの液体サンプル等の吸引や吐出の操作精度を上げる為に用いられる。また、ノズル１３や近傍の配管内を洗浄する場合は、洗浄液としても用いられる。

本発明の液体分注装置では、液体の吸引・吐出を行うポンプとして、耐圧が高く制御性がよいプランジャーポンプ９を使用する。プランジャーポンプ９はポンプ容器内をプランジャー７が前進・後退し、プランジャーの押し退け量が吐出量となる。プランジャーの駆動は主にステッピングモーターで行われ、制御装置１９によりプランジャー７の位置や速度が自由に制御される。プランジャーはステッピングモータ以外の電気的手段によっても進退させることができる。プランジャーポンプ以外でも、耐圧が高く制御性を高めたシリンジポンプなども使用可能である。本発明の液体分注装置によるノズル先端からの液滴の飛翔は背圧を利用することにより行われる。従って、本発明の液体分注装置では、このポンプは背圧を発生させる目的でも使用される。本明細書で使用する「背圧」という用語は、高速ノズルとは反対側の管路内に封入された液体（システムリキッド又は液体サンプルなど）を、高速バルブが閉じた状態で、ノズル方向に予め所定の圧力で加圧することを意味する。印加する背圧は１０ＫＰａ〜５００ＫＰａの範囲内であることが好ましい。背圧が１０ＫＰａ未満では液滴を十分に飛翔させることができないばかりか、圧力変化の幅が不十分となり圧力制御に支障を来す。一方、背圧が５００ＫＰａ超になると、管路が耐圧限界を超え、装置の破損につながる恐れがあるばかりか、液滴が吐出されるときの速度が高くなりすぎ、ウエル底に当たって跳ね返り、飛び散ってしまう恐れがある。

圧力センサ１１は、主に背圧を掛けた時の液体の圧力を測定する。よって、高速バルブ１７の上流で、なるべくその近傍に設けることが好ましい。圧力センサの精度自体は一般的なもので十分対応可能である。圧力センサの取付配管や圧力センサ内部自身の余分な容積（デッドボリューム）が少なく、同時に空気溜まりが発生し難い構造であることが好ましい。

ノズル１３は、その先端に微細孔が設けられている。その内径は数１０μｍから数１００μｍ程度である。微細孔がオリフィスの働きをし、液体を吐出する時の流速が高められ、液体は液滴となって飛翔される。ノズル１３はガラス、金属、セラミック、プラスチックなど任意の材料から形成することができる。ノズル１３の先端表面部分をテフロン（登録商標）などのような低表面エネルギー樹脂で被覆することもできる。この被覆の存在によりノズル１３の先端部における液滴の「切れ」が良くなる。

高速バルブ１７は、ノズルの上流側の近傍に設けられる。極めて高い応答性（１ミリ秒オーダー）を持ち、専用のドライバー回路（図示せず）により、開閉を自由に制御できる。高速バルブの更に上流側の液体をある圧力（背圧）に保った状態で、高速バルブを一瞬開いてまた閉じる。開いている時間間隔は、例えば数ミリ秒のオーダーである。これにより、液体はノズル１３より液滴となって飛翔する。飛翔される液滴の量（分注吐出量）は、ノズル形状や液種（粘度、表面張力、比重など）、ノズルから高速バルブまでの配管ボリューム、周囲の温度や湿度などにも影響されるが、主に背圧と高速バルブの開時間（バルブが開いている時間間隔）に大きく関係する。よって、目的の分注吐出量を得る為には、背圧と高速バルブの開時間を適宜最適なものに選択することが好ましい。

管路２１，２３，及び２５は内径が数十μｍ〜数百μｍの範囲内の、ガラス、金属又はプラスチック製の毛細管である。柔軟性があり、かつ耐圧性がある点で、テフロン（登録商標）製チューブであることが好ましい。

図１の液体分注装置１の動作例について説明する。
(1)先ず、開閉バルブ１５を開き、一方、高速バルブ１７を閉じ、プランジャーポンプ９を動作させて管路２１からリザーバー５内のシステムリキッド３を吸引し、管路２１，２３にシステムリキッド３を満たす。その後、開閉バルブ１５を閉じ、一方、高速バルブ１７を開き、ノズル１３の内腔を洗浄する。ノズル洗浄後、再び、管路２１，２３にシステムリキッド３を満たす。
(2)開閉バルブ１５を閉じる。
(3)ノズル１３を移動機構により目的とするサンプルや試薬類が充填されている液溜容器２７又は２９に移動させ、容器内の液体に浸し、プランジャーポンプ９を吸引動作させ、指定量を吸引する。吸引量は１回の吐出量よりも遙かに多い量とすることが好ましい。高速バルブ１７の位置当たりまで吸引することが好ましい。この吸引により、目的とするサンプルや試薬類などの液体とシステムリキッド３との接触界面で液−液拡散が起こるが、ノズル１３の先端部付近にまで拡散が起こるには長大な時間が掛かるので吸引から吐出までの時間を短くすれば、この接触界面における液−液拡散の悪影響は無視可能である。所望により、接触界面にエアーギャップを存在させることもできる。
(4)高速バルブ１７を閉じる。
(5)プランジャーポンプ９を動作させ、管路２５及び２３内に背圧を発生させる。圧力センサ１１の示度が所定の設定値に達したらプランジャーポンプ９を停止させるか、又は、圧力制御を実行し続けることもできる。
(6)ノズル１３を移動機構により分注対象物（例えば、マイクロチップ１００のウエル１０６）の上空に移動する。
(7)高速バルブ１７を高速に１度開閉させ、液滴３１を飛翔させる。
(8)液滴３１の飛翔により管路２３内の圧力が低下するので、この圧力低下を圧力センサ１１で検出し、制御装置１９により、低下した圧力を元の設定値にまで回復させるためにプランジャーポンプ９を動作させる。
(9)必要に応じて前記(7)と(8)の操作を繰り返し、目的の回数だけ分注操作を繰り返す。
(10)全ての吐出が終了した後は、開閉バルブ１５により背圧を大気開放する。更に、必要に応じて、高速バルブ１７を開いた状態でプランジャーポンプ９を吐出動作させ、排液と同時にノズル１３や途中の管路２１，２３，２５内を洗浄する。

前記のように、本発明の液体分注装置１は、高速バルブ１７の開閉により生じた系内の圧力（背圧）変化を圧力センサ１１で検出し、背圧を設定値に戻すためにプランジャーポンプ９を動作させることを特徴とする。これらは全て制御装置１９によりコントロールされる。図１における制御装置１９の構成の一例を図２に示す。予め、ＣＲＴ３３やキーボード３５などのマンマシンインターフェース手段により、所望の圧力設定値をデータ処理装置３７に取り込み、メモリ３９に記憶する。
高速バルブ１７はメモリ３９に記憶された高速バルブ制御プログラムに従って開閉制御される。例えば、高速バルブの開時間が５ミリ秒とプログラムされている場合、この命令がＭＰＵ４１からデジタルＩ／Ｏインターフェース４３を介してバルブドライバー４５に出される。バルブ開命令はソレノイド４７とバルブ機構４９により実行される。
高速バルブ１７の開閉により生じた系内の圧力変化は圧力センサ１１により検出される。圧力センサ１１の圧力値はアナログデータとして制御装置１９に送られる。制御装置１９内のデータ処理装置３７は、このアナログデータをＡ／Ｄ変換器５１によりデジタルデータとして内部に取り込む。メモリ３９に記憶されたポンプ制御プログラムにより、圧力設定値と取り込んだ圧力センサの圧力値（現在値）との差を比較する。この比較はＭＰＵ４１により行う。差を縮める方向に、通信インターフェース５３を介してパルス発生器５５にパルス出力要求を出す。この操作はＭＰＵ４１が行う。パルス発生器５５はモータードライバー５７にパルスを出す。モータードライバー５７はそのパルスに応じてステッピングモータ５９を駆動する。ステッピングモータ５９の駆動とプランジャー移動機構６１によりプランジャー７が移動し、その結果、圧力変化が起こる。この動作を数ミリ秒で繰り返し、圧力を設定値に戻す。
Ａ／Ｄ変換には時間がかかり、その間ＭＰＵが何もしないで待っていることは時間の無駄になるので、Ａ／Ｄ変換器５１が単独で変換処理を行い、結果が出るとＡ／Ｄ変換器５１からＭＰＵ４１に割り込みを掛け、それを合図にＭＰＵ４１がＡ／Ｄ変換器５１からデータを読み込むこともできる。Ａ／Ｄ変換のタイミングは色々あるが、一般的には一定間隔（例えば、１０ミリ秒毎）で変換するようにセットする。その結果、割り込みもほぼその間隔で発生する。変換データの内容（ゼロか否かなど）によって割り込みを発生するケースは少ないかもしれない。

図３は本発明の液体分注装置１の制御系の一例を示すブロック線図である。圧力設定値から実際の液体の圧力が減算され、圧力偏差が計算される。圧力偏差に比例ゲインＧ（Ｇは定数）を掛けたものがステッピングモーターへの速度指令となる。ポンプ機構系は、その速度指令にしたがって応答する。その結果、液体の圧力が変化し、その値がフィードバックされる。圧力偏差が０となると、速度指令も０となり、ポンプはその近傍を維持する。図示されたフィードバック制御手法は比例ゲインを用いた比例制御によるものであるが、制御性を高めるために、ＰＩＤ（比例積分微分）制御を用いることもできる。なお、背圧を開放する場合は、圧力設定値をゼロとして圧力制御を行うことで容易に達成できる。

図１に示された本発明の液体分注装置１は、液体分注量を計測できることが最も際だった特徴である。下記にその原理を説明する。
(イ)ポンプの圧力制御を開始し、目的の背圧に達すると、ポンプのプランジャーはほぼ一定の場所を維持する。まずその位置を記憶しておく。
(ロ)一定の背圧を維持した状態（圧力制御を実行している状態でも良いし、ポンプのプランジャーを停止させた状態でも良い）で、高速バルブを瞬間的に開閉し、目的の量の液滴を飛翔させる。ポンプの機械的応答性は高速バルブより劣る為、圧力制御が間に合わず、液滴の飛翔に伴い背圧が低下する。この背圧の低下は、一定の背圧を維持するために圧力制御を実行している状態とポンプのプランジャーを停止させた状態との間で殆ど差は無い。しかし、液滴の量に比べポンプ内部容積や配管ボリュームは格段に大きく（通常数１００倍以上）、また、弾力性のある樹脂製の配管チューブなどを使用することにより、圧力の変動は抑えられ、液滴の飛翔には影響しない。（適度な圧力低下が起こるように配管することが肝要である。）
(ハ)液滴の飛翔が完了した後、圧力制御が有効に働き、僅かな時間遅れで背圧は元に戻って安定する。この時のプランジャー位置を記憶する。
(ニ)分注前のプランジャー位置と分注後のプランジャー位置との差を求め、その分に相当する液量を計算すると、それがすなわち分注された液滴の量に等しいことになる。
尚、圧力制御中はプランジャー位置が絶えず移動し、停止しない場合がある。圧力を一定に維持していても、プランジャーはある位置を中心に、その前後を小刻みに絶え間なく移動する、いわゆるハンチング現象を起こす場合がある。そのような時は、プランジャー位置の時間平均を求め、それを代表値として使用する。これらの計算や処理は制御装置１９内のテ゛ータ処理装置４３（図２参照）で行う。

これまで液滴を飛翔させる分注方式で、液滴の量を計測できる実用的な方式はなかった。例えば、特許文献３に記載されるうような圧電アクチュエータを用いた場合でも、圧電アクチュエータに印加する電圧と、その時の変位量や液滴の量の関係を別途実験により求め、その結果を用いて分注を行っていた。実際の分注時には圧電アクチュエータの変位量や飛翔した液滴の量は一切感知していなかった。よって、液体が乾燥してノズルの微細孔に詰まるなどの異常が発生し、正しい量が分注できなくても、それを検知することができなかった。

本発明の分注方式では、精密電子天秤やその他の、液滴を測定する手段を別途必要とせず、尚且つ毎回の液滴の飛翔量をその場で計測することができ、前述の問題も一挙に解決することができる。すなわち、毎回の分注直後に求められた分注量が、所望の分注量の許容範囲内に入っているかどうかを調べ、もし範囲外であれば適宜警報を出し分注操作を中断するなどの処理を行うことができる。

また、分注量より少ない数回の液滴に分けて、目的の分注量に達するまで液滴の飛翔を繰り返して分注を行うこともできる。例えば１μＬの分注を行う場合に、０．２μＬづつ約５回に渡って行うなどである。対象液体の乾燥の進行度合いや、周囲温度の変化など、分注量に僅かに影響する誤差要因が発生した場合、装置を異常停止させることなく、分注量が不足する事態を回避できる。

更に、１回の分注結果から分注量の適正を調べ、例えば不足気味なら次回の分注にはより高い背圧を用いるか、高速バルブの開時間をやや長めにするなど、柔軟に対応することができる。例えば、１μＬの分注を行う場合に、最初の４回の吐出量の合計が０．７μＬであったら、最後は０．３μＬ目標で分注する（すなわち、分注パラメータを少し変える）こともできる。また、周囲温度や装置の発熱などで徐々に分注環境が変化しても、自動的に追従することができる。この操作は人が介在して行うこともできるが、制御装置内のプログラムにより自動的に対応することも可能である。以上のことから分かるように、本発明は信頼性の高い分注が行えるものである。

０．５μLの微量分注を目的とし、図１に示される構成を有する液体分注装置において下記の条件で分注実験を行った。
(1)プランジャーポンプ：ポンプ内容積１００μＬ、プランジャー移動分解能０．１１９ｎＬ／パルス。
(2)ノズル：微細孔径１２７μｍ（サファイア製）、ノズル全長９ｍｍ。
(3)圧力センサ：ハネウエル社製で測定可能圧力範囲が−２００ＫＰａ〜＋２００ＫＰａのものを使用した。
(4)分注対象液体：水
(5)システムリキッド：蒸留水
(6)制御装置：
比例制御（比例ゲインG＝５０μＬ／分／ＫＰａ、制御周期５ミリ秒）。
圧力偏差をＫＰａ（キロパスカル）の単位とし、モーターへの速度指令を流量に換算してμＬ/分とした。
(7)高速バルブ：ＬＥＥ社製のバルブを用いた。
(8)ポンプ以外の配管ボリューム：約１００μＬ（配管は内径２５０μｍのテフロンチューブを使用した）。

動作手順は次のようにして行った。
(a)システムリキッドで管路内、ポンプ内及びノズル内を洗浄した後、ノズル内容積がほぼ液体で満たされた状態で、ポンプを駆動させ、圧力制御を開始した。
(b)背圧の設定値を１００ＫＰａとしたところ、１００±０．１ＫＰａでほぼ圧力が安定した。その時のプランジャー位置をポンプ残量に換算して記憶した（８４．１３μＬ）。
(c)高速バルブを５ミリ秒間開いた後、再び閉じた。液滴が飛翔した後、系内の背圧が約５０ＫＰａにまで低下した。
(d)ポンプを駆動させ、背圧が再び元の１００±０．１ＫＰａでほぼ安定した時のプランジャー位置をポンプ残量に換算して記憶した（８３．６２μＬ）。
(e)液滴の飛翔前後のポンプ残量の差は８４．１３−８３．６２＝０．５１μＬであった。
(f)一方、同様の分注操作を５回繰り返し、同一のスライドガラス上に液滴を５個飛翔させた。スライドガラスの重量を精密電子天秤（分解能０．１ｍｇ）を用いて、液滴を飛翔する前と後で測定し、その差を求めると２．５ｍｇであった。よって、液滴１個当たりの重量は０．５ｍｇと推測される。また、水の比重は１であり、水１ｍＬは１ｇである。すなわち、０．５ｍｇの水の体積は０．５μＬであり、上記の液滴の計測結果０．５１μＬとほぼ一致した。

本発明の液体分注装置はマイクロチップのウエルに目的の液体を分注できるばかりか、マイクロタイタープレートのウエルに液体を分注する目的にも使用できる。その他、極微量の液体を正確に分注する必要がある全ての用途にも使用することができる。

本発明の液体分注装置の構成の一例を示す概要図である。 図１における制御装置１９の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の液体分注装置１の制御系の一例を示すブロック線図である。 従来のマイクロチップの一例の部分概要断面図である。

符号の説明

１ 本発明の液体分注装置
３ システムリキッド
５ リザーバー
７ プランジャー
９ プランジャーポンプ
１１ 圧力センサ
１３ ノズル
１５ 開閉バルブ
１７ 高速バルブ
１９ 制御装置
２１，２３，２５ 管路
２７，２９ 液溜容器
３１ 液滴
３３ ＣＲＴ
３５ キーボード
３７ データ処理装置モータードライバー
３９ メモリ
４１ ＭＰＵ
４３ デジタルＩ／Ｏインターフェース
４５ バルブドライバー
４７ ソレノイド
４９ バルブ機構
５１ Ａ／Ｄ変換器
５３ 通信インターフェース
５５ パルス発生器
５７ モータードライバー
５９ ステッピングモーター
６１ プランジャー移動機構
１００ マイクロチップ
１０２ 基板
１０４ マイクロチャネル
１０６ ポート
１０８ 対面基板
１１０ ピペット

Claims (7)

1. ノズル先端から液滴を飛翔させる方式の液体分注装置において、背圧を発生させるためのポンプと、背圧の変化を検出するための圧力センサと、高速で開閉することができるバルブと、前記バルブの先端に取設されたノズルとからなり、前記ポンプと圧力センサと高速バルブは共通の管路で接続されており、ノズルからの液滴の飛翔により生じた背圧の変化を前記圧力センサにより検出し、その背圧変化をフィードバックして予め設定した背圧値になるように前記ポンプを駆動させる制御機構を有することを特徴とする液体分注装置。
2. 前記ポンプは、電気的又は機械的に進退させることができるピストンを有するポンプであることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
3. 前記ポンプは、電気的又は機械的に進退可能なプランジャーを有するプランジャーポンプであることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
4. 前記共通管路に、システムリキッドを貯留するためのリザーバータンクから延びる別の管路が開閉バルブを介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
5. 前記ノズルは少なくとも先端表面部分を低表面エネルギー樹脂で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の液体分注装置。
6. 背圧を発生させるためのポンプと、背圧の変化を検出するための圧力センサと、高速で開閉することができるバルブと、前記バルブの先端に取設されたノズルとからなり、前記ポンプと圧力センサと高速バルブは共通の管路で接続されており、ノズルからの液滴の飛翔により生じた背圧の変化を前記圧力センサにより検出し、その背圧変化をフィードバックして予め設定した背圧値になるように前記ポンプを駆動させる制御機構を有する液体分注装置を用いてノズル先端から吐出された液滴の容量を検出する方法において、
   (a)前記高速バルブを閉じて前記ポンプの吐出側圧力を予め設定された圧力となるように前記ポンプを駆動させるステップと、
   (b)前記設定圧力を維持した状態で、前記高速バルブを短時間開き、その後閉じるステップと、
   (c)前記高速バルブの開閉により生じた圧力変化を前記圧力センサにより検出して前記制御機構にフィードバックするステップと、
   (d)前記フィードバックされた信号に基づき、前記ポンプを駆動して圧力を前記設定圧力にまで戻すステップと、
   (e)前記ステップ(d)におけるポンプ駆動のピストン又はプランジャーの移動量から、吐出された液滴の容量を算出するステップとを有することを特徴とする液滴容量検出方法。
7. (f)前記ステップ(e)において前記ピストン又はプランジャーの移動量により吐出された液滴の容量を求めると共に、その求めた容量と予め設定した吐出量とを比較し、その誤差に基づいて次回以降の分注時に前記ポンプの設定圧力及び／又は前記高速バルブの開時間を補正するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の液滴容量検出方法。

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