JP2007304096A - 基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置を提供する。
【解決手段】導電性素材からなり、上下方向に長く配置され、生体分子液滴が収容される収容部２２、及び収容部と連結され、生体分子液滴がその収容部の外部に吐出されるようにその収容部の下端部に形成された吐出口２３を有する針状の電界形成電極２０と、該電極の下方に配置され、該電極の吐出口から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有し、接地され、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板３０と、該電極に電荷が充電されるようにその該電極と電気的に連結され、該電極に充電された電荷とその電荷により基板に誘導された電荷との間に発生した力により、生体分子液滴を基板の標的部に落とす開放型電圧印加装置５０と、を備える電気電荷集中現象にて基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置１００である。
【選択図】図８

Description

本発明は、基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置及び方法に係り、特に電気電荷集中現象を利用して基板上の所望の位置に小さい体積及び直径を有する生体分子液滴を狭い間隔で安定的に迅速にプリンティングする装置及びその方法に関する。

人間ゲノムプロジェクトの驚異的な進行と共に、遺伝病の診断、治療及び予防において、莫大な量の遺伝子情報を迅速に提供できる方法に対する要求が大きく増加した。これまで塩基配列分析法として使われてきたサンガーの方法は、ＤＮＡを複製する重合酵素連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＰＣＲ）法の開発及びその自動化などにより発展し続けたにもかかわらず、過程が煩わしく、多くの時間と努力、高コスト及び高度な熟練度を必要とするため、膨大な量の遺伝子を分析できないので、新たな塩基配列分析システムが絶えず摸索された。かかる時代的必要により、去る数年間バイオチップの製作及び利用技術と関連した多くの部分での進歩があった。

バイオチップとは、シリコン、表面改質ガラス、ポリプロピレン、活性化ポリアクリルアミドのような固体基板の表面に核酸、蛋白質、細胞などの生体分子を結合させて遺伝子発現様相、遺伝子欠陥、蛋白質分布、各種の反応様相などを分析できる生物学的マイクロチップをいう。

かかるバイオチップに分析しようとする標的物質を反応させれば、バイオチップに付着されているプローブと標的物質とが結合状態をなすが、これを光学的な方法または放射能化学的方法などを通じて観察解析することによって標的物質を分析できる。例えば、プローブＤＮＡが付着されたＤＮＡチップ（または、ＤＮＡマイクロアレイ）に分析しようとする標的ＤＮＡの断片を結合させれば、プローブと標的ＤＮＡの断片上との塩基配列の相補的な程度によってそれぞれ異なる混成化結合状態をなすが、これを色々な検出方法を通じて観察解析することによって、標的ＤＮＡの塩基配列を分析できる（Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ Ｂｙ Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ：ＳＢＨ）。

かかるバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイの製作に使われるプリンティング装置の一例は、特許文献１に開示されている。図１に示したように、前記プリンティング装置１は、導電性素材からなり、上下方向に長く配置されており、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体などの蛋白質類、オリゴペプチド類、人間細胞、動物細胞、植物細胞などの細胞類、ウイルス、バクテリアのような生体分子液滴１０が収容される収容部２、及び前記収容部２と連結され、前記生体分子液滴がその収容部２の外部に吐出されるようにその収容部２の下端部に形成された吐出口３を有する針状の第１電界形成電極４と、前記第１電界形成電極４の下方に配置されており、前記第１電界形成電極４の吐出口３から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部５を有する基板６と、前記第１電界形成電極４の下方に配置されており、導電性素材からなり、前記基板６に付着される第２電界形成電極７と、を備える。また、前記第１電界形成電極４と前記第２電界形成電極７とは、電極リード線８により電圧印加装置９に連結されているので、その第１電界形成電極４と第２電界形成電極７とに電圧が印加可能である。

前述したように構成されたプリンティング装置１において、電圧印加装置９を駆動して第１電界形成電極４及び第２電界形成電極７に直流電圧及び交流電圧を同時に印加すれば、図２に示したように、その第１電界形成電極４と第２電界形成電極７との間に電場が発生する。このように発生した電場分布、自由界面を有する前記生体分子液滴１０及び大気の誘電率勾配の相互作用により、前記生体分子液滴１０の周囲から前記生体分子液滴１０の方には電気力が発生し、これにより、吐出口３についていた生体分子液滴１０が基板６の標的部５に落ちる。

しかし、前述したようなプリンティング装置１において、基板が導電性素材からなるか、または基板に導電性素材からなる第２電界形成電極が付着されて初めて、第１電界形成電極と基板との間に電場を形成させ、これにより、電気水力学的現象を発生させて生体分子液滴をプリントできる。したがって、基板の材質及び表面が導電性を有するように構成しなければならないという不便さがある。

また、図２に示したように、第１電界形成電極と第２電界形成電極との間の電場は、不均一に発生し、これにより、生体分子液滴を所望の位置の標的部に落とせない場合が頻繁に発生する。

一方、第１電界形成電極と第２電界形成電極との間隔が一定のレベルより近くなれば、電気放電が発生するが、かかる電気放電は、標的部に落ちる生体分子液滴の生化学的性質の変形や液滴のサイズ及び体積を不均一にするだけでなく、基板の表面構造や性質を変化させるので、電気放電が発生しないように第１電界形成電極と第２電界形成電極との間隔が調節されなければならない。実際に、基板がポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）でコーティングされた場合（コーティング厚さ５μｍ）において、第１電界形成電極と第２電界形成電極との間隔が７５０μｍ以上になって初めて、電気放電が発生しなくなる。したがって、前記電気放電が防止されるプリンティング装置の構成においては、その第１電界形成電極と第２電界形成電極との間隔を一定のレベル以上に調節しなければならないという側面で設計上の制約がある。また、このように、第１電界形成電極と第２電界形成電極との間隔を非常に大きくすれば、生体分子液滴を所望の位置の標的部に落とし難いという問題が発生する。

前記生体分子液滴をプリンティングする装置が生体分子液滴を所望の位置の標的部に落とし難いという問題を解決するために、第２電極として環状の電極を導入して環内でのみ電場を形成させる図３のような装置が開発された（非特許文献１，２，３）。かかる装置は、第１電極に該当する電気スプレー針から第２電極である環電極内にのみ生成された電場により、第１電極に該当する電気スプレー針から生体分子液滴が噴霧されれば、環電極の内部にのみ噴霧された生体分子が落ちて標的部に達する。しかし、かかる装置は、たとえ環電極の内部にのみ生体分子液滴が落ちるとしても、電気放電の発生を防止するために電気スプレー針から環電極間の距離が一定のレベル以上に離れねばならないため、基板上の所望の位置の標的部に生体分子液滴をプリンティングできないという問題がある。

前記したような電気水力学的現象を利用した生体分子をプリンティングする装置の問題点を解消するために、特許文献２では、図４に示したような電気電荷集中現象を利用して生体分子液滴をプリンティングする装置を開発した。かかる装置は、まず、生体分子液滴１０ａを供給した後、開放型電圧印加装置６０ａで電界形成電極２０ａに直流電圧と交流電圧とを同時に印加すれば、吐出口２３ａについている生体分子液滴１０には、正電荷が充電され、これにより、接地されている基板３０ａには、負電荷が誘導される。そして、前記正電荷と負電荷との間には、図５に示したように電場が形成される。このように、生体分子液滴１０ａに正電荷が充電され、これにより、その生体分子液滴が対向している基板３０ａの部分に負電荷が誘導されれば、前記正電荷と負電荷との間に力が発生する。ここで、負電荷が生体分子液滴の下方に誘導されるので、前記力は、生体分子液滴の下方に集中的に作用する。そして、前記力により吐出口２３ａについていた生体分子液滴は、図６の中間写真、すなわち図７に示したように、基板３０ａに流れてほぼ壷形に変形され、その壷形に変形された生体分子液滴にはネック形状が形成される。このように、吐出口についていた生体分子液滴が基板３０ａに流れて図７に示したように形成されれば、その生体分子液滴に充電されていた正電荷が基板の負電荷と共に消滅され、これにより、力が減る。すなわち、吐出口２３ａについていた生体分子液滴を下方に引き寄せた力が減る。そして、前記ネック形状をなす生体分子液滴と基板３０ａとの間の表面張力Ａ、及び前記ネック形状をなす生体分子液滴と電界形成電極２０ａとの間に形成された表面張力Ｂは、図７に示したように互いに逆方向に作用する。このように、生体分子液滴に充電された電荷が消滅されて力が減るだけでなく、生体分子液滴の表面張力Ａ，Ｂが互いに逆方向に作用するので、生体分子液滴は、そのネック形状部分で分離されて二つの生体分子液滴に分離される。したがって、基板３０ａには、図６の最後の写真に示したように、生体分子液滴が落ちて付着される。かかる装置では、基板が接地されるように構成されているので、その基板の構成において基板の材質に制限を受けなくてもよい。また、生体分子液滴に充電された正電荷により、その生体分子液滴と対向する基板の部分に負電荷が誘導されるだけでなく、電気水力学的現象を利用する場合に比べて生体分子液滴にさらに多くの正電荷が充電されるので、生体分子液滴を所望の位置の標的部に落として付着できる。また、力が非常に大きく作用するため、生体分子液滴を従来に比べてさらに小さいサイズ及び体積でプリンティングできた。また、基板が接地されるように構成されているので、従来の電気水力学的現象を利用する場合とは異なり、電気放電が発生せず、これにより、電界形成電極と基板との間隔を自由に調節できた。すなわち、特許文献２に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置では、電気電荷集中現象を利用して生体分子液滴を所望の位置に小さいサイズ及び体積でプリンティングすることが可能になった。

しかし、高密度のバイオチップを製造するためには、さらに小さい体積で生体分子液滴をプリンティングする方法が必要である。特に幹細胞を含んだ細胞の相互作用を研究するために、プリンティングされる液滴当たり６個以下の細胞を含む程度に小さい体積の生体分子液滴をプリンティングできねばならない。また、幹細胞を含んだ細胞の組織工学的研究のためには、細胞を一つずつプリンティングせねばならない場合も存在し、かかる場合、最小間隔で調節可能に少量の液滴をプリンティングせねばならない。また、かかる生体分子液滴をプリンティングする場合には、前記したような液滴のサイズも重要であるが、液滴を均一な体積で短時間に迅速にプリンティングすることが望ましい。これと共に、液滴間の間隔を狭くしてさらに高密度でプリンティングできねばならない。

前記特許文献２に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置は、電気電荷集中現象を利用して従来の電気水力学的方法による生体分子液滴のプリンティングよりは生体分子液滴を所望の位置に小さいサイズ及び体積でプリンティングすることが可能になったが、吐出口についている生体分子液滴が不安定であり、揺れる現象が発生して液滴をプリンティングするとき、生体分子液滴がプリンティングされる位置を制御し難いだけでなく、プリンティングされる液滴の体積を制御できないので、所望の位置に均一な体積でプリンティングし難いという問題点がある。また、液滴のサイズによって液滴間の間隔を最小化できる程度に限界がある。また、吐出口についている生体分子液滴が不安定であり、揺れる現象により生体分子液滴をプリンティングする時間が多くかかって迅速に液滴をプリンティングできないという短所がある。

したがって、本発明者らは、特許文献２に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置の前記問題点について研究した結果、生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有する基板を変更することによって、生体分子液滴を小さい体積で狭い間隔で安定的に迅速にプリンティングできるだけでなく、液滴の体積を均一にプリンティングできるということを発見して、本発明を完成するに至った。
韓国特許出願第２００５−４０１６２号 韓国特許出願第２００５−７４４９６号 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅｎ ｊｅｔｔｉｎｇ：ａｎ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｌｉｖｉｎｇ ｃｅｌｌｓ，Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．Ｊ．２００６，１，８６−９４ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅｎ ｊｅｔｔｉｎｇ：Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｊｅｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ａｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｊｅｔｔｉｎｇ Ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｌｉｖｉｎｇ Ｃｅｌｌｓ Ｓｍａｌｌ．２００６，２，Ｎｏ．２，２１６−２１９ Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｊｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｍｏｕｓｅ ｎｅｕｒｏｎａｌ ｃｅｌｌｓ，Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｊｏｕｒｎａｌ，２００６ Ｊａｎ ４

本発明の目的は、生体分子液滴を小さな体積で狭い間隔で安定的に迅速にプリンティングできるだけでなく、液滴の体積を均一にプリンティングできる生体分子液滴をプリンティングする装置を提供することである。

本発明の他の目的は、生体分子液滴を小さい体積で狭い間隔で安定的に迅速にプリンティングできるだけでなく、液滴の体積を均一にプリンティングする方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明による生体分子液滴をプリンティングする装置は、導電性素材からなり、上下方向に長く配置されており、生体分子液滴が収容される収容部、及び前記収容部と連結され、前記生体分子液滴がその収容部の外部に吐出されるようにその収容部の下端部に形成された吐出口を有する針状の電界形成電極と、前記電界形成電極の下方に配置されており、前記電界形成電極の吐出口から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有し、接地され、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板と、前記電界形成電極に電荷が充電されるようにその電界形成電極と電気的に連結されており、前記電界形成電極に充電された電荷とその電荷により前記固体基板に誘導された電荷との間に発生した力により、前記生体分子液滴を前記基板の標的部に落とす電圧印加装置と、を備える。

前記生体分子液滴をプリンティングする装置を構成する、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板としては、代表的にアガロースゲルまたは水に浸されたメンブレンフィルタが利用されうるが、これに限定されるものではない。

前記固体基板として使われるアガロースゲルは、アガロースを０．１ないし１５重量％含有しうる。

前記固体基板として使われるメンブレンフィルタとしては、ポリカーボネート、ナイロン、セルロースアセテート、ポリエステルスルホンまたはテフロン（商標名）メンブレンフィルタが使われうる。また、前記と同じ材質のメッシュも使用可能であり、４０ないし５００μｍのサイズのメッシュが使われうる。

前記生体分子は、核酸、蛋白質、オリゴペプチド、糖類、真核細胞、幹細胞、ウイルス及びバクテリアで構成されたグループから選択されうるが、これに限定されるものではない。

前記生体分子液滴をプリンティングする装置を利用すれば、生体分子液滴が基板上に５０μｍ以下のサイズにプリンティングされうる。

また、前記生体分子液滴をプリンティングする装置は、電界形成電極の吐出口の上方に配置されており、前記電界形成電極を支持するプリンタボディをさらに備えることが望ましい。

また、前記電界形成電極と電圧印加装置とは、前記電界形成電極の上端部に接続されている電極リード線により電気的に連結されていることが望ましい。

前記電圧印加装置は、前記吐出口についている前記生体分子液滴の下方に電場が形成されるように交流電圧または直流電圧を加えうるが、交流電圧または直流電圧を同時に印加することが望ましい。前記電界形成電極には、５Ｖないし１００，０００Ｖの前記直流電圧及び５Ｖないし１００，０００Ｖの前記交流電圧が同時に印加されることが望ましい。さらに望ましくは、前記電圧印加装置には、５００Ｖないし１０，０００Ｖの前記直流電圧及び５００Ｖないし１０，０００Ｖの前記交流電圧が同時に印加されうる。

また、前記電界形成電極には、１０Ｈｚないし１，０００Ｈｚの前記交流電圧が印加されることが望ましい。さらに望ましくは、電界形成電極には、２，０００Ｖの前記直流電圧及び５００Ｖ，１３０Ｈｚの前記交流電圧が同時に印加されうる。

また、前記固体基板は、平板状の平板部と、前記平板部から上方に突出した複数の突出部と、を有し、前記各突出部が前記固体基板の標的部を形成できる。

また、前記固体基板は、前記電界形成電極とほぼ直交するように配置されていることが望ましい。

また、前記電界形成電極は、導電性金属、導電性ポリマー及びＩＴＯガラスで構成されたグループから選択される一つ以上からなりうるが、これに限定されるものではない。また、前記電界形成電極の吐出口付近は、疎水性処理されることが望ましい。

また、本発明によれば、前記電界形成電極は、同じピッチで複数設けられており、前記固体基板には、複数の標的部が設けられており、その標的部は、前記電界形成電極とそれぞれ対応するようにその電界形成電極と同じピッチで配置されうる。

また、本発明の他の目的を達成するために、本発明は、導電性素材からなり、生体分子液滴が収容される収容部、及び前記収容部と連結され、前記生体分子液滴がその収容部の外部に吐出されるようにその収容部の下端部に形成された吐出口を有する針状の電界形成電極を上下方向に長く配置する電界形成電極配置ステップと、前記電界形成電極の吐出口から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有し、接地されている、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板を配置するステップと、前記電界形成電極と電気的に連結された電圧印加装置を配置する電圧印加装置配置ステップと、生体分子液滴を前記電界形成電極の収容部に供給する生体分子液滴供給ステップと、前記電圧印加装置から前記電界形成電極に電圧を印加して、前記生体分子液滴を前記基板の標的部に落とす生体分子液滴分離ステップと、を含む電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする方法を提供する。

本発明によれば、電気電荷集中現象を利用した生体分子液滴プリンティング装置に、基板として、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して基板の上部表面に水分薄膜が存在する固体基板を導入することによって、生体分子液滴を小さくて均一な体積で狭い間隔で安定的にプリンティングできるだけでなく、生体分子液滴のプリンティングにかかる時間も顕著に短縮させうる。

以下、添付された図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。本発明の目的及び利点は、下記説明によりさらに明確に示される。しかし、添付した図面に示した具現例は、色々な他の形態に変形され、本発明の範囲が図面に示した具現例により限定されるものと解釈されてはならない。本発明の具現例は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。同じ符号は同じ要素を意味する。さらに、図面での多様な要素と領域は概略的に表わされたものである。したがって、本発明は、添付した図面に表わされた相対的なサイズや間隔により制限されない。

図８は、本発明の一具現例による生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図であり、図９は、図８に示した基板の平面図であり、図１０Ａは、図８に示したプリンティング装置に電圧が印加された場合に、電界形成電極に充電される正電荷及びその正電荷により基板に誘導される負電荷の分布と、吐出口についた生体分子液滴に作用する力との関係を概略的に示す図面であり、図１０Ｂは、図８に示した生体分子液滴をプリンティングする装置で生体分子液滴をプリンティングする場合、安定的に生体分子液滴が基板上にプリンティングされる現象を顕微鏡で観察して撮影した写真である。図１１は、図８に示したプリンティング装置を利用して生体分子液滴をプリンティングする過程を説明するための図面である。図１２は、図８に示した生体分子液滴をプリンティングする装置を使用して生体分子液滴を基板上に落とす過程で、ネック形状の生体分子液滴に作用する表面張力の関係を説明するための図面である。

図８ないし図１２に示すように、本発明による電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴１０をプリンティングする装置１００は、電界形成電極２０、基板３０、プリンタボディ４０及び開放型電圧印加装置５０を備える。

前記電界形成電極２０は、金、白金、銅のような導電性金属、伝導性ポリマー、ＩＴＯガラス、カーボンナノチューブのうちいずれか一つからなるか、または前記導電性金属、伝導性ポリマー、ＩＴＯガラス、カーボンナノチューブのうち少なくとも二つからなりうる。前記電界形成電極２０は、一方向に長く形成されて全体的に針状になっており、上下方向に長く配置されている。前記電界形成電極２０の上端部には、電極リード線２１が接続されており、この電極リード線２１により前記電界形成電極２０と後述する開放型電圧印加装置５０とは互いに電気的に連結されている。

前記電界形成電極２０は、収容部２２と吐出口２３とを備える。

前記収容部２２は、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの核酸類、抗原、抗体などの蛋白質類、オリゴペプチド類、糖類、人間細胞、動物細胞、植物細胞、幹細胞などの細胞類、ウイルス、バクテリアのような生体分子液滴１０が収容される部分である。

前記吐出口２３は、前記収容部２２の下端部に形成されており、その収容部２２と連結されている。前記吐出口２３の内径は非常に小さく形成されているので、外部から力が加えられなければ、生体分子液滴１０が表面張力により重力に勝ってその吐出口２３についている。前記吐出口２３を通じて前記収容部２２に収容されている生体分子を含む生体分子液滴１０は、後述する電気電荷集中現象によりその収容部２２の外部に吐出可能である。前記吐出口２３付近は、疎水性処理されているので、前記生体分子液滴１０の接触角が大きくなってその生体分子液滴１０は吐出口２３の外に流れ出さない。

前記基板３０は、細胞培養用基板であるか、またはバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを構成する。前記基板は、本願発明の目的である生体分子液滴を小さい体積で狭い間隔で安定的に迅速にプリンティングするだけでなく、液滴の体積を均一にプリンティングすることを可能にするために、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して基板の上部表面に水分薄膜が形成されている固体基板でなければならない。かかる固体基板３０は、水分薄膜の存在により、電圧の印加により吐出口２３についている生体分子液滴に形成される正電荷により吐出口に最も近い部位、すなわち吐出口と垂直に出合う基板上の標的部３１に負電荷が集中的に誘導されることを可能にする。

前述したように、従来の特許文献（韓国特許出願第２００５−７４４９６号）に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置では、吐出口２３ａについている生体分子液滴が揺れる現象により、生体分子液滴を５０μｍ以下の直径を有する程度に小さい体積に均一な体積を有するようにプリンティングし難く、また、狭い間隔で密度よくプリンティングし難かった。また、吐出口２３ａについている生体分子液滴が揺れる現象により、液滴を迅速にプリンティングできず、時間が多くかかった。かかる前記特許文献に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置の問題点は、主に露出口２３ａについている生体分子液滴が電圧の印加時に不安定に揺れる現象に起因したものである。吐出口についている生体分子液滴が電圧の印加時に揺れる現象は、色々な要因があるが、電圧の印加時に吐出口の垂直下方に存在する基板上の標的部だけでなく、その近接部位に固体または液体微粒子が存在する場合、その微粒子周囲にも相対電荷が誘導される現象が一つの大きい原因であると推定される。かかる現象は、前記微粒子が異物である場合だけでなく、生体分子液滴を非常に稠密にプリンティングする場合、側傍に隣接する生体分子液滴の存在によっても起こりうる。これにより、前記特許文献に開示された生体分子液滴をプリンティングする装置を利用すれば、生体分子液滴を均一な体積で小さい直径を有し、かつ稠密にプリンティングし難かった。

本発明では、基板３０として基板の上部表面に水分薄膜が存在する固体基板を導入することによって、前記問題点を解決したのである。基板の上部表面に水分薄膜が存在する固体基板としては、ヒドロゲルのように水が固体成分中に分散されて分布する物質が利用されうる。また、かかる基板の特徴は、生体分子液滴がプリンティングされる基板の上部表面でのみ満足すればよい。すなわち、本発明で使われる基板は、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板である。かかる基板は、生体分子液滴のプリンティングが可能な固体基板としての役割を行いつつも、基板の表面上に水分薄膜を固定できるという特徴がある。また、かかる固体基板の固体成分は、生体適合性物質からならなければならない。かかる基板としては、代表的に、アガロースゲルを含んだヒドロゲル、水に浸されたメンブレンフィルタなどがある。アガロースゲルは、アガロースを０．１ないし１５重量％含有し、かかる範囲を超える場合には、水分が不足して本発明の効果が得られず、かかる範囲に達しない場合には、固体状を維持し難いか、または生体分子液滴をプリンティングできる固体基板としての役割を行えないという問題がある。

前記メンブレンフィルタとしては、ポリカーボネート、ナイロン、セルロースアセテート、ポリエステルスルホンまたはテフロン（商標名）メンブレンフィルタが利用されうる。また、前記と同じ材質の４０ないし５００μｍのサイズを有するメッシュも使用可能である。前記メンブレンフィルタやメッシュに浸す水は、純水であることもあるが、望ましくは、プリンティングされる生体分子の生存に適した培地である。

前記基板３０は、前記電界形成電極２０の下方に配置されており、特に前記電界形成電極２０とほぼ直交するように配置されている。前記基板３０には、標的部３１が形成されている。前記標的部３１には、前記電界形成電極２０の吐出口２３から吐出される生体分子液滴１０が落ちて付着される。前記基板３０は接地されている。

前記プリンタボディ４０は、前記電界形成電極２０の吐出口２３の上方に配置されている。前記プリンタボディ４０は、前記電界形成電極２０を支持し、代表的にＰＭＭＡからなりうる。前記プリンタボディ４０は、別途の駆動装置（図示せず）によりｘ、ｙ及びｚ軸に３次元移動が可能である。したがって、前記別途の駆動装置を駆動させて、前記プリンタボディ４０に支持されている前記電界形成電極２０を前記標的部３１の上方に移動させて、その標的部３１と一定の距離ほど離隔されるように配置させる。

前記開放型電圧印加装置５０は、前記電界形成電極２０と電気的に連結されている。前記開放型電圧印加装置５０は、前記電極リード線２１を通じて前記電界形成電極２０に直流電圧と交流電圧とを同時に印加できる。

かかる直流電圧及び交流電圧の印加により、前記吐出口２３についている前記生体分子液滴１０に正電荷が充電され、その充電された正電荷により前記基板３０には負電荷が誘導される。したがって、前記正電荷と負電荷との間には、図１０Ａに示したような電場が形成される。そして、前記電界形成電極２０に充電された正電荷と、その正電荷により前記基板３０に誘導された負電荷との間に発生した力により、前記生体分子液滴１０が前記基板３０の標的部３１に落ちる。このとき、通常の固体基板では、前述したように基板上に存在する固体または液体状態が異物または既にプリンティングされた隣接する生体分子液滴の存在により吐出口についている生体分子液滴が揺れる現象が発生するが、本願発明では、基板として水分薄膜が存在する基板を使用することによって、吐出口と垂直方向に出合う基板上の部位以外に発生しうる相対電荷の誘導を水分薄膜の存在により薄膜全体に均一に散在させ、基板上の標的部にのみ集中的に相対電荷の集中現象を起こす。これについては後述する。

電界形成電極の吐出口２３に存在する生体分子液滴１０に存在する力の関係を図１０Ａに示した。図１０Ａに示すように、電界形成電極２０に電圧が印加される場合に、前記吐出口２３についている生体分子液滴１０には、その生体分子液滴１０に作用する重力Ｆ_ｇ、生体分子液滴１０の表面に作用する表面張力Ｆ_ｃ、及び生体分子液滴１０に充電された正電荷とその正電荷により基板３０に充電された負電荷との間の力Ｆ_ｅが作用するということが分かる。そして、前記重力Ｆ_ｇ、表面張力Ｆ_ｃ及び力Ｆ_ｅは、図１０Ａに示したような方向に作用するため、前記生体分子液滴が下方に落ちる直前において前記重力Ｆ_ｇ、表面張力Ｆ_ｃ及び力Ｆ_ｅは、次の式１のような力の平衡関係を維持する。

重力Ｆ_ｇ＋力Ｆ_ｅ＝表面張力Ｆ_ｃ …式１
ここで、重力Ｆ_ｇ＝ρｇ△Ｖ^ｄｒｏｐ（ただし、ρは、生体分子液滴の密度であり、ｇは、重力加速度であり、△Ｖ^ｄｒｏｐは、吐出口についている生体分子液滴の体積である）であり、表面張力Ｆ_ｃ＝２πＲγ（ただし、Ｒは、吐出口の半径であり、γは、単位長当たり表面張力である）であり、力Ｆ_ｅ＝ρ_ｆＥ−Ｅ^２∇ε／２（ただし、ρｆは、生体分子液滴の自由電荷であり、Ｅは、電場の強度であり、∇εは、誘電率である）である。ここで、電気力は、電気泳動力ρ_ｆＥと誘電泳動力−Ｅ^２∇ε／２との和で表わされる。

前記式１で、重力Ｆ_ｇは、吐出口についている生体分子液滴の体積に比例し、その生体分子液滴の体積は非常に小さいので、結局、式１で重力Ｆ_ｇは無視しうる。

したがって、吐出口２３についている生体分子液滴１０の表面張力Ｆ_ｃより大きい力Ｆ_ｅを発生させれば、その力により前記式１の平衡関係が崩れ、これにより、前記生体分子液滴１０を前記基板の標的部３１に落とす。そして、吐出口についている生体分子液滴の表面下端部に集中した電荷により、前記基板には相対電荷が誘導され、その誘導された相対電荷は、主にその生体分子液滴の表面下端部と対向する部分に誘導される。したがって、生体分子液滴の電荷と基板の相対電荷との間に力が発生する。前記したように電気電荷集中現象による力の発生により、生体分子液滴が基板上の表面に落ちる。

本発明では、固体基板として水分薄膜が存在する基板を使用することによって、電気電荷集中現象により吐出口２３と垂直方向に出合う基板上の標的部３１以外の部分に誘導されうる相対電荷の集中を均一に分散させうる。本願発明で水分薄膜が存在する固体基板を使用することによって、前記のように標的部３１以外の部位に相対イオンが集中する現象を防止できるのは、液体での電荷移動度が固体での電荷移動度より大きいためである。水分薄膜が存在する固体基板では、一時的に標的部３１以外の部分に相対電荷が誘導されたとしても、吐出口と垂直に出合う標的部３１のように持続的に相対電荷が誘導される部分以外の部分に誘導された相対電荷は、水分薄膜により迅速に均一に分散される。したがって、電気電荷集中現象により相対電荷が誘導される部分は、標的部３１が唯一であり、吐出口２３についている生体分子液滴は揺れずに安定的に存在し、したがって、生体分子液滴をさらに小さくて均一な体積に狭い間隔で迅速にプリンティングできる。また、かかる迅速な液滴のプリンティングが可能であり、収容部２２に収容されている生体分子が重力により収容部の吐出口側に下降する現象が顕著に減少して、従来の水分薄膜が存在しない固体基板を使用する場合に比べて、プリンティングされる液滴の体積に対する液滴内に存在する生体分子の数において相関関係が高くなるという長所もある。

一方、前記開放型電圧印加装置５０により、５Ｖないし１００，０００Ｖの直流電圧と、５Ｖないし１００，０００Ｖ、１０Ｈｚないし１，０００Ｈｚの交流電圧とが同時に印加されることが望ましく、特に５００Ｖないし１０，０００Ｖの直流電圧と、５００Ｖないし１０，０００Ｖ、１０Ｈｚないし１，０００Ｈｚの交流電圧とが同時に印加されることがさらに望ましい。前記のような電圧範囲及び周波数範囲を外れた直流電圧及び交流電圧を印加すれば、前記生体分子液滴１０に適切な大きさの力を作用させてその生体分子液滴１０を前記基板３０に効率的に落とさないので望ましくない。そして、２，０００Ｖの前記直流電圧及び５００Ｖ，１３０Ｈｚの前記交流電圧が印加されることが最も望ましい。

以下、本発明の一具現例による、電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置１００を使用して生体分子液滴１０をプリンティングする過程の一例を、図１１を参照しつつ詳細に説明する。

まず、駆動装置を駆動して電界形成電極２０が支持されているプリンタボディ４０を基板３０の標的部３１の上方に移動させる。次いで、プローブＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、ＬＮＡなどの核酸類；抗原、抗体などの蛋白質類；オリゴペプチド類；糖類；人間細胞、幹細胞、動物細胞、植物細胞などの真核細胞類；ウイルス；バクテリアのような生体分子液滴１０を電界形成電極２０の収容部２２に供給する。このとき、電界形成電極２０は、その下端部に吐出口２３が形成されているが、その吐出口２３の内径は非常に小さく形成されているので、外部から力が加えられなければ、生体分子液滴１０が表面張力により重力に勝って吐出口２３についている。

このように生体分子液滴１０を供給した後、開放型電圧印加装置５０で電界形成電極２０に５Ｖないし１００，０００Ｖの直流電圧と、５Ｖないし１００，０００Ｖ、１０Ｈｚないし１，０００Ｈｚの交流電圧とを同時に印加すれば、吐出口２３についている生体分子液滴１０には、正電荷が充電され、これにより、接地されている基板３０には、負電荷が誘導される。そして、前記正電荷と負電荷との間には、図１０Ａに示したように電場が形成される。

このように、生体分子液滴１０に正電荷が充電され、これにより、その生体分子液滴が対向している基板３０の部分に負電荷が誘導されれば、前記正電荷と負電荷との間に力が発生する。ここで、負電荷が生体分子液滴の下方、すなわち標的部３１に誘導されるので、前記力は、生体分子液滴の下方に集中的に作用する。このように吐出口２３についていた生体分子液滴は、力により図１１の中間写真、すなわち図１２に示したように、基板３０に流れてほぼ壷形に変形され、その壷形に変形された生体分子液滴には、ネック形状が形成される。このように吐出口についていた生体分子液滴が基板３０に流れて図１２に示したように形成されれば、その生体分子液滴に充電されていた正電荷が基板の負電荷と共に消滅され、これにより力が減る。すなわち、吐出口２３についていた生体分子液滴を下方に引き寄せた力が減る。そして、前記ネック形状をなす生体分子液滴と基板３０との間の表面張力Ａ、及び前記ネック形状をなす生体分子液滴と電界形成電極２０との間に形成された表面張力Ｂは、図１２に示したように互いに逆方向に作用する。このように、生体分子液滴に充電された電荷が消滅されて力が減るだけでなく、生体分子液滴の表面張力Ａ，Ｂが互いに逆方向に作用するので、生体分子液滴は、そのネック形状部分で分離されて二つの生体分子液滴に分離される。したがって、基板３０には、図１１の最後の写真に示したように生体分子液滴が落ちて付着される。

かかる過程で、本発明では、基板３０として水分薄膜が形成されている固体基板を使用するので、標的部以外の基板上の他の部分に固体または液体微粒子により誘導されうる相対電荷が水分薄膜の電荷移動度が高いために集中せずに分散される。これに対し、吐出口と垂直に出合う標的部では、持続的な相対電荷の誘導により、標的部にのみ相対電荷が集中する。したがって、前記吐出口２３についている生体分子液滴は揺れずに安定的に存在できるので、その体積を一定に調節でき、プリンティングされる液滴間の体積差を減らして均一な体積の液滴をプリンティングできる。また、基板上の所望の標的部３１に小さい体積で迅速にプリンティングでき、液滴間の間隔を狭くして基板上に生体分子を高密度でプリンティングできる。

前述したような本発明による水分薄膜を有する固体基板を有する生体分子液滴をプリンティングする装置が、水分薄膜が存在しない通常的な固体基板を使用する場合に比べて、液滴を小さい体積で均一に狭い間隔でプリンティングするだけでなく、安定的に迅速にプリンティングできるということを立証するために、次のような実験を行った。

実施例１として、水分９８重量％及びアガロース２重量％を含有するアガロースゲルを基板として使用した。アガロースゲルは、アガロース（Ｓｉｇｍａ）及び水を前記割合で混合し、加熱溶解した後、常温で０．５ｃｍ厚の板状に固めることによって製造した。実施例２として、ポリカーボネートメンブレンフィルタ（ＧＥ ｏｓｍｏｎｉｃｓ）に生体分子液滴収容部２２の生体分子液滴を構成する培地と同じ培地で浸されたものを使用した。対照群としては、カバーガラスを基板として使用した。

前述した図８による基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置において、直径が０．４６ｍｍである電界形成電極２０を準備し、前記基板３０と電界形成電極２０との距離を２５０μｍに構成した。収容部２２に収容される生体分子液滴としては、Ａ５４９（ＫＯＲＥＡＮ ＣＥＬＬ ＬＩＮＥ ＢＡＮＫ，ＫＣＬＢ１０１８５）細胞を１０×１０^６細胞／ｍＬの濃度として、ＲＰＭＩ １０％ＦＢＳ １ＸＡｎｔｉｂｉｏｔｉｃｓ中で製造した。このように準備された状態で、電界形成電極２０に３ｋＶ，４ｋＨｚを印加し、吐出口２３についている生体分子液滴のサイズを一定にして、生体分子液滴を基板３０上に１００μｍの間隔で連続的に４８回プリンティングした。

基板として２％アガロースゲルを使用した前記実施例１による生体分子液滴をプリンティングする装置において、生体分子液滴をプリンティングしている生体分子液滴プリンティング装置の吐出口及び基板を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真を図１３Ａに示した。基板としてポリカーボネートメンブレンを使用した前記実施例２による生体分子液滴をプリンティングする装置において、生体分子液滴をプリンティングしている生体分子液滴プリンティング装置の吐出口及び基板を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真を図１３Ｂに示した。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、生体分子液滴が２％アガロースゲル基板及びポリカーボネートメンブレン基板上に安定的に一定の間隔（１００μｍ）で５０μｍ以下の液滴でプリンティングされることを確認できる。また、基板として２％アガロースゲルを使用した前記実施例１による生体分子液滴をプリンティングする装置において、連続的に４８回生体分子液滴をプリンティングする過程で、具体的に生体分子液滴がプリンティングされる過程を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真を図１４Ａに示した。図１４Ａでは、図１３Ａに示すように生体分子液滴が１００μｍの間隔で一定にプリンティングされることをさらに確認でき、吐出口２３についている液滴が揺れずに安定的に基板上にプリンティングされることを確認できる。また、前記特許文献の生体分子液滴をプリンティングする装置を使用して生体分子液滴をプリンティングする過程を説明した図６の場合と比較すれば、図１４Ａの吐出口についている生体分子液滴が図６の場合よりさらに狭い断面積で、すなわちさらに正確に基板上に接触して生体分子液滴が基板上にプリンティングされることを確認できる。

これに対し、カバーガラスを基板として使用した対照群の場合は、１００μｍの間隔で生体分子液滴がプリンティングされず、最小限２００μｍの間隔をおいて初めて以前のプリンティングされた隣接した液滴と混合されずに分離された状態でプリンティングが可能であり、プリンティングされる生体分子液滴間に混合されずに安定的に液滴をプリンティングするためには、３００μｍの間隔を置かねばならなかった。対照群の場合に、３００μｍの間隔をおいて生体分子液滴をプリンティングする場合に、一つの生体分子液滴がプリンティングされる過程を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真を図１４Ｂに示した。図１４Ｂに示すように、生体分子液滴を３００μｍの間隔をおいてプリンティングしようとしたところ、吐出口についている液滴が隣接した液滴と分離されず、液滴が隣接した液滴側に揺れて隣接した液滴と一体になることを確認できる。

前記実施例１（２％アガロースゲルを使用した場合）の場合と対照群の場合とでプリンティングされた液滴の状態を観察した。実施例１の場合に、基板上にプリンティングされた生体分子液滴を顕微鏡で観察して撮影した写真を図１５Ａに示し、対照群の場合を図１５Ｂに示した。図１５Ａに示すように、生体分子液滴が１００μｍの間隔で一定にプリンティングされたことを確認でき、また、生体分子液滴のサイズも比較的均一であることがわかった。しかし、図１５Ｂに示すように、生体分子液滴を３００μｍの間隔をおいてプリンティングしたにもかかわらず、プリンティングされた液滴間の距離の偏差が大きく、液滴のサイズも均一でなくて偏差が大きいことが確認された。

前記実施例１の場合にプリンティングされた液滴が対照群の場合に比べて液滴の体積が均一であるか否かを確認するために、それぞれの場合にプリンティングされた液滴の直径のサイズを測定して、平均値及び変動係数（ＣＶ）を算出した。その結果を図１６に示した。図１６の結果から分かるように、２％アガロース基板を使用した場合は、平均直径が４９．７μｍであり、カバーガラス基板を使用した場合は、平均直径が１１２．２μｍであり、本発明の場合が対照群に比べて液滴のサイズを６６．８％減少させうることがわかった。２％アガロース基板を使用した場合、カバーガラス基板を使用した場合に比べてＣＶが大きいということが表われたが、直径のサイズが６６．８％減少したことに比べてＣＶが大きく増加したものではないということが分かる。

本発明の実施例１の装置を利用して生体分子液滴をプリンティングする場合、直径を５０μｍのサイズにプリンティングすれば、液滴間の間隔を１００μｍに維持できるということは前記実験から確認した。これにより、本発明による生体分子液滴プリンティング装置がプリンティングされる液滴は、既にプリンティングされた液滴のサイズに関係なくプリンティングされる液滴間の間隔を一定に１００μｍに可能であるか否かを確認するために、次のような実験を行った。

前記２％アガロースゲルを基板として利用した実施例１の生体分子液滴プリンティング装置を利用して、前記実験条件と同じ条件で生体分子液滴をプリンティングするが、吐出口２３についている生体分子液滴のサイズを多様に変化させて、プリンティングされる液滴の直径サイズが４０μｍないし８０μｍにし、液滴間の距離を１００μｍにして液滴をプリンティングした。生体分子液滴がプリンティングされた結果を図１７に示した。図１７に示すように、液滴の直径サイズが５０μｍを超える場合にも、生体分子液滴が液滴の直径サイズに関係なく１００μｍの間隔にプリンティングされることを確認できる。

次に、本発明による生体分子液滴プリンティング装置がプリンティングする液滴の直径サイズに対する液滴に含有される生体分子の数の相関性を確認するために、次のような実験を行った。

前記実施例１及び前記対照群の生体分子液滴プリンティング装置を利用し、収容部２２に収容される生体分子液滴としては、Ａ５４９（ＫＯＲＥＡＮ ＣＥＬＬ ＬＩＮＥ ＢＡＮＫ，ＫＣＬＢ１０１８５）細胞を１０×１０^６細胞／ｍＬの濃度として、ＲＰＭＩ １０％ＦＢＳ １ＸＡｎｔｉｂｉｏｔｉｃｓ中で製造した。このように準備された状態で、電界形成電極２０に３ｋＶ，４ｋＨｚを印加し、吐出口２３についている生体分子液滴のサイズを一定にして生体分子液滴を基板３０上に１００μｍの間隔で連続的に７３回プリンティングした。対照群の場合は、液滴間の間隔を３００μｍとした。７３回プリンティングした時間を測定し、基板上にプリンティングされた液滴を顕微鏡で観察して、プリンティングされた液滴の直径サイズを測定し、液滴に含有された細胞の数を計数した。そして、その結果に対して液滴の直径サイズに対する液滴が含有している細胞数について回帰分析を実施してＲ^２値を求め、その結果を図１８Ａ（実施例１）及び図１８Ｂ（対照群）に示した。

２％アガロースゲル基板を使用した実施例１の結果である図１８Ａによれば、液滴の直径が最大８０μｍ未満であり、Ｒ^２値が０．７６６８と表れて液滴のサイズに対する液滴が含有している細胞数の相関関係が対照群より非常に高いことがわかった。これに対し、カバーガラス基板を使用した対照群の場合には、液滴の直径サイズが５０μｍないし３００μｍと非常に広範囲に広がっているので、液滴がその体積において偏差が非常に大きくて均一性が低下することを確認できた。また、Ｒ^２値が０．１１５４であり液滴のサイズに対する液滴が含有している細胞数の相関関係が実施例１の装置の場合に比べて顕著に低いことがわかった。７３回プリンティングする間にかかった時間は、実施例１の場合が約１０分未満であり、非常に迅速にプリンティングが可能であることが明らかになった。

一方、本発明の一具現例では、基板の表面が平らに形成されており、その基板には一つの標的部のみが形成されているが、基板６０の表面に図１９に示したように複数の突出部６２を形成し、その突出部６２が標的部となるように構成できる。図１９に示したように、前記基板６０は、平板状の平板部６１と、前記平板部６１から上方に突出した複数の突出部６２と、を有する。前記突出部６２は、同じピッチで配列されている。前記各突出部６２は、前記電界形成電極の吐出口２３から吐出される生体分子液滴１０が落ちて付着される標的部である。そして、前記基板６０は、図２１に示したようにステージ８０に設置されており、そのステージは、コンベヤーなどにより移動しうる。

このように構成された電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置２００においては、生体分子液滴１０をプリンティングしようとする突出部６２の上方に電界形成電極２０が位置するように別途の駆動装置を駆動させてプリンタボディ４０を移動させた後、電界形成電極２０に直流電圧及び交流電圧を印加して生体分子液滴１０を基板６０の突出部６２に落とす。そして、再び駆動装置を駆動してプリンタボディ４０を移動させて他の突出部６２の上方に電界形成電極２０を位置させ、再び電界形成電極２０に直流電圧及び交流電圧を印加して生体分子液滴１０をプリンティングする。かかる方式で、プリンタボディ４０を移動させて突出部６２いずれもに対して生体分子液滴１０を落として固定させうる。

このように、突出部６２にいずれも生体分子液滴１０をプリンティングしてバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを製作して、そのバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイに分析しようとする標的ＤＮＡの断片を結合させれば、突出部６２は、凹状の部分により互いに隔離されているので、実験者は、各突出部６２に形成された混成化結合のみを光学的な方法または放射能化学的方法などを通じて観察でき、さらに正確に標的ＤＮＡの塩基配列を分析できる。

一方、図１９に示した本発明の他の具現例においては、電界形成電極が一つ設けられており、その電界形成電極が別途の駆動装置により３次元に移動して基板の各突出部に生体分子液滴をプリントするように構成されているが、図２０に示したように、電界形成電極２０を基板６０の各突出部６２に対応するように複数設けて構成することもできる。このように構成された前記電界形成電極２０は、基板６０の突出部６２と同じピッチで配列されており、これにより、各突出部６２は、各電界形成電極２０と対応する。そして、前記電界形成電極２０は、互いに電気的に絶縁されている。また、前記各電界形成電極２０は、電極リード線２１と電気的に連結されており、この電極リード線２１は、開放型電圧印加装置５０と電気的に連結されている。したがって、開放型電圧印加装置５０を駆動すれば、電界形成電極２０にいずれも電圧が印加される。

このように構成された電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置３００においては、他の種類の生体分子液滴を同時にプリンティングしようとするときに特に有益になる。図２１は、図２０に示した装置を使用して基板６０に生体分子液滴をプリンティングする状態を示す図面であって、電気電荷集中現象を利用して複数枚のシリコン基板、すなわちバイオチップまたはＤＮＡマイクロアレイを製作する状態を示す。図２１に示したように、一つのシリコン基板６０に生体分子のプリンティングが終われば、自動的に基板６０を支持するステージ８０が移動し、これにより、他の基板６０に連続的に生体分子液滴をプリンティングできる。

例えば、本具現例では、プリンタボディが備えられているが、プリンタボディが備えられないこともある。

また、本具現例では、電界形成電極に交流電圧と直流電圧とが同時に印加されるように構成されているが、交流電圧のみを印加するか、または直流電圧のみを印加することもできる。

また、本具現例では、生体分子液滴に正電荷が充電され、基板に負電荷が誘導されるように構成されているが、生体分子液滴に負電荷を充電させ、その充電された負電荷によりその生体分子液滴と対向する基板の部分に正電荷が誘導されるように構成でき、このように構成されても、負電荷と正電荷との間には力が発生するので、この力により生体分子液滴を基板に落とすことができる。

以上、本発明を望ましい具現例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、前記具現例には限定されず、本発明の技術的思想内で当業者により色々な多くの変形が可能であることは明白である。

本発明は、バイオチップ関連の技術分野に適用可能である。

従来の一例による電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図である。 図１に示したプリンティング装置に電圧が印加された場合に生成される電場分布を概略的に示す図面である。 従来の他の例による電気水力学的現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図である。 従来の一例による電気電荷集中現象を利用して基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図である。 図４に示したプリンティング装置に電圧が印加された場合に、電界形成電極に充電される正電荷及びその正電荷により基板に誘導される負電荷の分布と、吐出口についた生体分子液滴に作用する力との関係を概略的に示す図面である。 図４に示したプリンティング装置を使用して生体分子液滴をプリンティングする過程を説明するための図面である。 図４に示したプリンティング装置を使用して生体分子液滴を基板上に落とす過程で、ネック形状の生体分子液滴に作用する表面張力の関係を説明するための図面である。 本発明の一具現例による生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す図面である。 図８に示した基板の平面図である。 図８に示した生体分子液滴をプリンティングする装置に電圧が印加された場合に、電界形成電極に充電される正電荷及びその正電荷により基板に誘導される負電荷の分布と、吐出口についた生体分子液滴に作用する力との関係を概略的に示す図面である。 本発明による生体分子液滴プリンティング装置で生体分子液滴をプリンティングする場合、安定的に生体分子液滴が基板上にプリンティングされる現象を顕微鏡で観察して撮影した写真である。 本発明による生体分子液滴プリンティング装置を利用して生体分子液滴をプリンティングする過程を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 本発明による生体分子液滴プリンティング装置を利用して生体分子液滴を基板上に落とす過程で、ネック形状の生体分子液滴に作用する表面張力の関係を説明するための図面である。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置において、生体分子液滴をプリンティングしている生体分子液滴プリンティング装置の吐出口及び基板を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板として培地に浸されたポリカーボネートメンブレンフィルタを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置において、生体分子液滴をプリンティングしている生体分子液滴プリンティング装置の吐出口及び基板を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置を利用して、連続的に４８回生体分子液滴を１００μｍの間隔をおいてプリンティングする過程で、具体的に一つの生体分子液滴がプリンティングされる過程を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板としてカバーガラスを使用した生体分子液滴プリンティング装置を利用して３００μｍの間隔をおいて生体分子液滴をプリンティングする場合に、一つの生体分子液滴がプリンティングされる過程を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置を利用して、基板上に生体分子液滴を１００μｍの間隔にプリンティングしたところを顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板としてカバーガラスを使用した生体分子液滴プリンティング装置を利用して、基板上に生体分子液滴を３００μｍの間隔にプリンティングしたところを顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置、及び対照群としてカバーガラスを使用した生体分子液滴プリンティング装置を利用して、基板上に生体分子液滴を４８回プリンティングした場合、プリンティングされたそれぞれの液滴の直径サイズを測定し、平均値及びＣＶを算出して示すグラフである。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液滴プリンティング装置を利用して、液滴の直径サイズを４０μｍないし８０μｍにし、液滴間の距離を１００μｍとして液滴をプリンティングした結果を顕微鏡で観察した結果を撮影した写真である。 基板として２％アガロースゲルを使用した本発明による生体分子液プリンティング装置を利用して、基板上に生体分子液滴を７８回プリンティングした場合、プリンティングされたそれぞれの液滴の直径サイズを測定し、その液滴に含有された細胞の数を計数した結果を示すグラフである。 基板としてカバーガラスを使用した生体分子液滴プリンティング装置を利用して、基板上に生体分子液滴を７８回プリンティングした場合、プリンティングされたそれぞれの液滴の直径サイズを測定し、その液滴に含有された細胞の数を計数した結果を示すグラフである。 本発明の他の具現例による生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図である。 本発明のさらに他の具現例による生体分子液滴をプリンティングする装置を概略的に示す断面図である。 図１９に示した装置を利用して生体分子液滴を連続的にプリンティングするところを概略的に示す図面である。

符号の説明

２０ 電界形成電極、
２１ 電極リード線、
２２ 収容部、
２３ 吐出口、
３０ 固体基板、
３１ 標的部、
４０ プリンタボディ、
５０ 開放型電圧印加装置、
１００ 生体分子液滴をプリンティングする装置。

Claims (21)

1. 導電性素材からなり、上下方向に長く配置されており、生体分子液滴が収容される収容部と、前記収容部と連結され、前記生体分子液滴がその収容部の外部に吐出されるようにその収容部の下端部に形成された吐出口と、を有する針状の電界形成電極と、
   前記電界形成電極の下方に配置されており、前記電界形成電極の吐出口から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有し、接地され、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板と、
   前記電界形成電極に電荷が充電されるようにその電界形成電極と電気的に連結されており、前記電界形成電極に充電された電荷とその電荷により前記固体基板に誘導された電荷との間に発生した力により、前記生体分子液滴を前記固体基板の標的部に落とす電圧印加装置と、を備える基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
2. 前記固体基板は、アガロースゲルまたは水に浸されたメンブレンフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
3. 前記アガロースゲルのアガロースの含量は、０．１ないし１５重量％であることを特徴とする請求項２に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
4. 前記メンブレンフィルタは、ポリカーボネート、ナイロン、セルロースアセテート、ポリエステルスルホンまたはテフロン（商標名）メンブレンフィルタであることを特徴とする請求項２に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
5. 前記固体基板は、水に浸された４０ないし５００μｍのサイズのメッシュであることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
6. 前記メッシュは、ポリカーボネート、ナイロン、セルロースアセテート、ポリエステルスルホンまたはテフロンメッシュであることを特徴とする請求項５に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
7. 前記生体分子は、核酸、蛋白質、オリゴペプチド、糖類、真核細胞、幹細胞、ウイルス及びバクテリアで構成されたグループの少なくともいずれか１つから選択されることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
8. 前記生体分子の液滴は、前記固体基板上に直径５０μｍ以下のサイズにプリンティングされることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
9. 前記電界形成電極の吐出口の上方に配置されており、前記電界形成電極を支持するプリンタボディをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
10. 前記電界形成電極と電圧印加装置とは、前記電界形成電極の上端部に接続されている電極リード線により電気的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
11. 前記電界形成電極と前記電圧印加装置とは、前記吐出口についている前記生体分子液滴の下方に電場が形成されるように交流電圧及び直流電圧を同時に印加することを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
12. 前記電界形成電極には、５Ｖないし１００，０００Ｖの前記直流電圧及び５Ｖないし１００，０００Ｖの前記交流電圧が同時に印加されることを特徴とする請求項１１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
13. 前記電圧印加装置には、５００Ｖないし１０，０００Ｖの前記直流電圧及び５００Ｖないし１０，０００Ｖの前記交流電圧が同時に印加されることを特徴とする請求項１１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
14. 前記電界形成電極には、１０Ｈｚないし１，０００Ｈｚの前記交流電圧が印加されることを特徴とする請求項１１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
15. 前記電界形成電極には、２，０００Ｖの前記直流電圧及び５００Ｖ，１３０Ｈｚの前記交流電圧が同時に印加されることを特徴とする請求項１４に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
16. 前記固体基板は、平板状の平板部と、前記平板部から上方に突出した複数の突出部と、を備え、
    前記各突出部が前記固体基板の標的部であることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
17. 前記固体基板は、前記電界形成電極と直交するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
18. 前記電界形成電極は、導電性金属、導電性ポリマー及びＩＴＯガラスで構成されたグループから選択される一つ以上からなることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
19. 前記電界形成電極の吐出口付近は、疎水性処理されることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
20. 前記電界形成電極は、同じピッチで複数設けられており、
    前記固体基板には、複数の標的部が設けられており、その標的部は、前記電界形成電極とそれぞれ対応するようにその電界形成電極と同じピッチで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板上に生体分子液滴をプリンティングする装置。
21. 導電性素材からなり、生体分子液滴が収容される収容部と、前記収容部と連結され、前記生体分子液滴がその収容部の外部に吐出されるようにその収容部の下端部に形成された吐出口と、を有する針状の電界形成電極を上下方向に長く配置する電界形成電極配置ステップと、
    前記電界形成電極の吐出口から吐出される生体分子液滴が落ちて付着される標的部を有し、接地されている、基板の上部表面に水が固体成分中に分散されて分布して水分薄膜が形成されている固体基板を配置するステップと、
    前記電界形成電極と電気的に連結された電圧印加装置を配置する電圧印加装置配置ステップと、
    生体分子液滴を前記電界形成電極の収容部に供給する生体分子液滴供給ステップと、
    前記電圧印加装置から前記電界形成電極に電圧を印加して、前記生体分子液滴を前記基板の標的部に落とす生体分子液滴分離ステップと、
    を含む基板上に生体分子液滴をプリンティングする方法。