JP2008035841A - Droplet-ejecting device and droplet-ejecting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微少量の試薬、薬液などの液体を吐出する液滴吐出装置及び液滴吐出方法に関する。 The present invention relates to a droplet discharge device and a droplet discharge method for discharging a small amount of a liquid such as a reagent or a chemical solution.
特許文献1には、試料細胞を保護する培養液中に試薬や遺伝子などを含む液体を保持する管状部材の先端を浸漬し、当該試料細胞に対して試薬などを導入する試みが提案されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示されているような導入方法では、試薬などを保持する管状部材が培養液に直接的に触れるため、複数の培養容器中の試料細胞を処理すると、培養容器間での細菌感染など危険性が増加したり、異なる培養液のもちこしなどのコンタミネーション(細菌感染や汚濁)が増加する。
However, in the introduction method as disclosed in
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、コンタミネーションの可能性を低減できる液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a droplet discharge apparatus and a droplet discharge method that can reduce the possibility of contamination.
本発明の液滴吐出装置の一態様は、容器に保持された培養液中の試料細胞に向けて、当該試料細胞に作用する物質を含む液体を吐出する液滴吐出装置であって、
上記試料細胞に作用する物質を含む液体を保持するとともに、当該液体を吐出する吐出口を有する液体保持部材と、
印加される電圧に応じて、上記液体保持部材の吐出口から当該液体を吐出させる駆動手段と、
上記液体保持部材の吐出口が上記培養液に非接触の位置にあるときに、上記駆動手段に所定の電圧を印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする。
One aspect of the droplet discharge device of the present invention is a droplet discharge device that discharges a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward the sample cell in the culture solution held in the container,
While holding a liquid containing a substance that acts on the sample cell, a liquid holding member having a discharge port for discharging the liquid,
Driving means for discharging the liquid from the discharge port of the liquid holding member according to the applied voltage;
Control means for applying a predetermined voltage to the driving means when the discharge port of the liquid holding member is in a position not in contact with the culture solution;
It is characterized by comprising.
また、本発明の液滴吐出方法の一態様は、容器に保持された培養液中の試料細胞に向けて、当該試料細胞に作用する物質を含む液体を吐出する液滴吐出装置であって、上記試料細胞に作用する物質を含む液体を保持するとともに、当該液体を吐出する吐出口を有する液体保持部材と、印加される電圧に応じて、上記液体保持部材の吐出口から当該液体を吐出させる駆動手段と、を備える液滴吐出装置の吐出方法であって、
上記液体保持部材を上記培養液に非接触の位置に配置する工程と、
上記位置に上記液体保持部材が存在するときに、上記駆動手段によって上記液体保持部材から液体を吐出させる工程と、
を有することを特徴とする。
Further, one aspect of the droplet discharge method of the present invention is a droplet discharge device for discharging a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward the sample cell in the culture solution held in the container, A liquid holding member having a discharge port for discharging the liquid and holding the liquid containing a substance that acts on the sample cell, and discharging the liquid from the discharge port of the liquid holding member according to an applied voltage A droplet ejection apparatus comprising: a driving unit;
Arranging the liquid holding member at a position not in contact with the culture medium;
Discharging the liquid from the liquid holding member by the driving means when the liquid holding member is present at the position;
It is characterized by having.
本発明によれば、培養液に非接触で、試料細胞に作用すべき物質を含む液体を吐出させることで、コンタミネーションの可能性を低減できる液滴吐出装置及び液滴吐出方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a droplet discharge device and a droplet discharge method capable of reducing the possibility of contamination by discharging a liquid containing a substance that should act on a sample cell in a non-contact manner with a culture solution. Can do.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の機械的な構成を示す図である。この液滴吐出装置10は、培養液中の試料細胞の任意の細胞に、選択的に薬剤刺激、遺伝子の導入、蛍光標識の付加(染色)などに利用されるものであって、刺激用薬剤(試薬)、遺伝子または蛍光標識などを含有する液体を、吐出ヘッドから対象物である所望の試料細胞に向けて吐出させるものである。
FIG. 1 is a diagram showing a mechanical configuration of a droplet discharge device according to an embodiment of the present invention. This
本実施形態に係る該液滴吐出装置10は、ディッシュ(シャーレ)11、複数(図1では3本)の吐出ヘッド12、圧電素子(図1では不図示)、XYステージ13、Zステージ14、倒立型顕微鏡15、撮像部(デジタルカメラ)16、制御用・画像表示用パーソナルコンピュータ(PC)17から構成されている。
The liquid
ここで、上記ディッシュ11は、培養液中に存在する試料細胞の容器である。上記複数の吐出ヘッド12は、異なるまたは同じ吐出液体が予め保持された液体保持部材であり、ディッシュ11より鉛直方向上方に配置される。なお、当該液体は試料細胞に作用する薬剤または物質を含んでいる。圧電素子は、上記吐出ヘッド12をヘッドの吐出方向に高速に進退させることにより、吐出ヘッド12に保持される液体に慣性力を作用させ、それによって当該液体を吐出ヘッド12から吐出させる駆動手段である。
Here, the dish 11 is a container for sample cells present in the culture solution. The plurality of
上記XYステージ13は、それに載置されたディッシュ11を水平面内で移動させ、水平方向における吐出ヘッド12とディッシュ11(試料)との相対位置を設定するものである。また、上記Zステージは、Zレール18に沿って移動することで、上記吐出ヘッド12を鉛直方向に移動させ、鉛直方向における吐出位置を設定する。
The
上記倒立型顕微鏡15は、例えば特開2002−174772号公報に開示されているように、光源19からの光を利用して試料の顕微鏡像を取得するものである。この倒立型顕微鏡15においては、択一的に光路中に配置される複数の対物レンズ20、光源19から光束を上記対物レンズ20の方向へ偏向するハーフミラー21、上記対物レンズ20と共に試料の拡大像を形成する結像レンズ22、及び該結像レンズ22からの射出光束を水平方向に偏向させる2枚のミラー23、24によって、試料の1次像I1を形成している。そして、このような1次像I1は、リレー光学系25によってリレーされ、一体的に光路中に挿脱可能な2枚のミラー26、27によって鉛直上方への反射光と前方への透過光の2つの光束に選択的に導かれる。このうち、鉛直上方へ反射された光束は、2次像I2として結像し、さらに第2のリレー光学系28によってリレーされた後に鏡筒29に取り付けられた接眼レンズ30に入射して、観察者の目に到達し観察される。一方、前方への透過光は、撮影レンズ31を介して上記撮像部16に導かれる。このように、該撮像部16は、試料細胞の顕微鏡画像を撮影する撮像手段である。
The inverted
上記制御用・画像表示用PCは、上記倒立型顕微鏡15及び撮像部16とそれぞれケーブル32、33によって接続され、そのケーブル32、33を介して上記XYステージ13、Zステージ14、吐出ヘッド12、圧電素子及び撮像部16を制御すると共に、試料の顕微鏡画像を表示するディスプレイ及び操作入力手段としてのキーボードやマウスなどを有する制御手段である。
The control / image display PC is connected to the inverted
なお、上記吐出ヘッド12内部に、吐出されるべき試料を充填させる方法としては、予め充填された吐出ヘッド12を装置上にセットするものとする。勿論、特開2001−235400に開示されているような、吐出ヘッド12にテフロン(登録商標)配管、吸引排出用のシリンジピストンポンプ(他に、ベリスタポンプ)を接続し、吐出すべき試料を、吐出口から内部に吸引し、吐出動作完了後、吐出口から排出する等の液体供給ユニットを装置内に組み、制御用・画像表示用PC17にてコントロールするようしても良い。また、試料はサンプルカップ等から吸引することが多く、サンプルカップを装置上に構成しても、人手により吐出口にサンプルカップ内の試料に浸積して吸引しても良い。
In addition, as a method of filling the
ところで、上記吐出ヘッド12は、例えば後述する図3Bを参照して説明するような慣性を利用して液体を吐出するヘッドである。具体的には、薬剤などを含む液体を保持する流路(液体保持部材)を瞬時的にわずかに進退移動させることにより、当該流路中の液体に慣性力が作用し、その結果、吐出ヘッド12内に保持されている液体の一部が液滴として外部に吐出されるものである。この進退移動は、吐出ヘッド12(流路)に機械的に固定された上記圧電素子によって行われる。
By the way, the
図2は、一実施形態に係る液滴吐出装置10の機能的な構成を示すブロック図である。上記制御用・画像表示用PC17は、該液滴吐出装置10の全体を制御する制御部(PC本体)171と、吐出位置、吐出領域、液体種の設定などの入力を行う入力部(操作部)172と、顕微鏡画像、吐出領域などの設定情報の入力要求及び設定結果の表示を行う表示部173と、設定された吐出位置、吐出領域、液体種等の情報を記憶する記憶部174とを備える。また、この記憶部174は、制御部171で実行される制御プログラムを記憶している。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration of the
係る構成において、制御部171は、撮像部16を制御して、XYステージ13上に載置されたディッシュ11内の試料を倒立型顕微鏡15の顕微鏡光学系を介して撮像させ、その撮像によって得られた顕微鏡画像を表示部173に表示させる。そして、表示部173に、吐出領域などの設定情報の入力要求を表示させ、入力部172のユーザ操作による吐出位置、吐出領域、液体種の設定などの入力を受け付けて、その情報を表示部173に表示させると共に、記憶部174に記憶させる。その後、その記憶部174に記憶された情報に従って、XYステージ13及びZステージ14を制御して、吐出ヘッド12とディッシュ11(試料)との相対位置を設定した上で、上記吐出ヘッド12に機械的に固定された上記圧電素子34に所定の電圧を印加して上記吐出ヘッド12をヘッドの吐出方向に高速に進退させることにより、吐出ヘッド12に保持される液体に慣性力を作用させ、それによって吐出ヘッド12からディッシュ11内の試料に対して当該液体を吐出させる。
In such a configuration, the
ここで、上記吐出ヘッド12の概要を図3A及び図3Bを参照して説明する。
Here, an outline of the
図3Aは、吐出ヘッド12と圧電素子34を含む液滴吐出部の外観を示す斜視図である。同図に示すように、液滴吐出部は、加速度印加要素として積層型の圧電素子34を用いる。この圧電素子34の一端は、上記架台としてのZステージ14に固定されており、他端は吐出ヘッド12に固定されている。吐出ヘッド12は、流路35とノズル36から構成されている。流路35は、ストレート部35Aとテーパ部35Bからなる。圧電素子34と流路35の間は剛体として形成されているため、圧電素子34の変位により流路35の容積が変化することはなく、また圧電素子34の一端はZステージ14に固定されているため、圧電素子34の変位に伴って吐出ヘッド12全体が図中上下方向に変位するようになっている。圧電素子34には、上述したように、制御部171から所望の波形の電圧を印加するようになっている。
FIG. 3A is a perspective view showing an appearance of a droplet discharge unit including the
次に、吐出動作について、図3Bを参照して説明する。ここで、図3Bは、吐出ヘッド12を断面として時間的な変化を示す図である。
Next, the discharge operation will be described with reference to FIG. 3B. Here, FIG. 3B is a diagram showing a temporal change with the
制御部171から圧電素子34に印加する電圧が初期電圧E0の間は、状態(a)に示すように、液滴吐出部は静止している。このときのノズル36の位置を同図中のAとする。
While the voltage applied from the
制御部171から圧電素子34に印加する電圧を緩やかに上昇させると、その電圧の緩やかな上昇に伴い、液滴吐出部は、状態(b)に示すように、図中下方向にゆっくりと変位する。そして、制御部171から圧電素子34に印加する電圧を最大供給電圧E1まで上昇させると、状態(c)に示すように、ノズル36はBの位置まで降下する。この最大供給電圧E1は、吐出量つまり液滴の径に依存する値である。
When the voltage applied from the
ここで、制御部171から圧電素子34に印加する電圧を、上記最大供給電圧E1から瞬時に上記初期電圧E0まで減少させると、状態(d)に示すように、液滴吐出部もその電圧減少に伴い急激に図中上方向に変位する。このとき、流路35内の薬剤などを含む液体には図中下方向の慣性力が作用し、流路35内に相対的な流れが発生する。流路35内に発生した流れはテーパ部35Bで速度を増しながら、ノズル36より吐出される。
Here, when the voltage applied from the
この後、状態(e)に示すように、液滴吐出部は初期の位置に戻る。 Thereafter, as shown in the state (e), the droplet discharge section returns to the initial position.
なお、上記吐出ヘッド12は、以下のような特徴を有する。
The
ノズル36の吐出口直径は概ねφ5μm〜φ500μmである。ただし、吐出する液の分子サイズより十分大きいものが使用される。
The discharge port diameter of the
また、液滴の径は、φ5μm〜φ500μmの範囲である。細胞の大きさにより、例えば、圧電素子34への最大供給電圧E1を調整し、細胞1個の大きさから、複数の細胞の大きさまで、吐出される液滴の直径を可変できる。
The diameter of the droplet is in the range of φ5 μm to φ500 μm. Depending on the size of the cell, for example, the maximum supply voltage E1 to the
上記液滴の大きさは、吐出ヘッド12の流路35中に存在する液量または吐出ヘッド12の駆動条件(進退速度、電圧印加時間、加速度等)を調整することで制御することができる。
The size of the droplets can be controlled by adjusting the amount of liquid present in the
次に、上記構成の一実施形態に係る液滴吐出装置10の動作を説明する。
Next, the operation of the
図4(A)は、該液滴吐出装置10の制御用・画像表示用PC17の制御部171により実行される制御プログラムのフローチャートを示す図である。
FIG. 4A is a flowchart of a control program executed by the
同図に示すように、該液滴吐出装置10は、まず、画像取得工程を実施する(ステップS1)。これは、周知の手順によって撮像部16によりディッシュ11内の試料細胞の顕微鏡画像を取得し、それを記憶部174に記憶するステップである。
As shown in the figure, the
次に、吐出位置・液体設定工程を実施する(ステップS2)。即ち、上記取得された画像を表示部173に表示させながら、吐出位置、吐出領域の大きさ(径)及び吐出する液体の種類などの入力要求を表示する。そして、それに応じて入力部172から入力された吐出位置などの吐出情報を記憶部174に記憶させる。即ち、上記3個の吐出ヘッド12は、それぞれ異なる種類の液体を吐出できるので、どの液体をどこにどれだけの大きさで吐出するかをユーザに設定させるものである。
Next, an ejection position / liquid setting step is performed (step S2). That is, while the acquired image is displayed on the
そして、実際の吐出工程を実施する(ステップS3)。これは、吐出情報を記憶部174から読み出し、それに基づいて吐出ヘッド12の選択、位置設定、及び吐出を行うステップである。
And an actual discharge process is implemented (step S3). In this step, the ejection information is read from the
複数種の液体の吐出が行われる場合は、上記フローチャートの動作が繰り返し行われる。 When a plurality of types of liquids are ejected, the operation of the flowchart is repeated.
ここで、上記ステップS2における吐出位置・液体設定工程の詳細を、図4(B)及び図5(A)を参照して説明する。なお、図4(B)は該吐出位置・液体設定工程の詳細フローチャートを示す図であり、図5(A)は吐出位置・液体設定画面を示す図である。 Here, details of the ejection position / liquid setting process in step S2 will be described with reference to FIGS. 4B and 5A. 4B is a diagram showing a detailed flowchart of the ejection position / liquid setting step, and FIG. 5A is a diagram showing an ejection position / liquid setting screen.
即ち、図4(B)に示すように、該吐出位置・液体設定工程においては、まず、画像表示工程を実施する(ステップS21)。これは、吐出位置を決定するための判断用画像として、上記のステップS1にて取得された試料の顕微鏡画像を表示部173に表示させるステップである。
That is, as shown in FIG. 4B, in the discharge position / liquid setting step, first, an image display step is performed (step S21). This is a step of causing the
次に、入力要求工程を実施する(ステップS22)。これは、吐出位置設定の情報の入力を要求する表示を表示部173に表示するステップである。 Next, an input request process is performed (step S22). This is a step of displaying on the display unit 173 a display requesting input of information on discharge position setting.
その後、入力受付工程を実施する(ステップS23)。即ち、吐出位置、吐出領域の大きさ、吐出する液体種などの情報がキーボードなどの入力部172から入力されたとき、その入力された情報を受け付ける。これは、表示された顕微鏡画像上において、液体を吐出する中心座標、径、液体種の指定を受け付けるステップである。具体的な吐出領域などの指定手段としては、GUIを利用し、キーボードに限らず、マウスやタッチパネルなどの種々の入力デバイスを利用することが好ましい。
Thereafter, an input receiving process is performed (step S23). That is, when information such as the ejection position, the size of the ejection area, and the type of liquid to be ejected is input from the
そして、吐出位置表示工程を実施する(ステップS24)。これは、図5(A)に示すように、上記ステップS23で受け付けた情報を、上記ステップS21で表示した顕微鏡画像に重畳させて、表示部173に表示するステップである。これにより、操作者は吐出位置の適否を確認することができる。なお、図5(A)においては、簡略化のため、顕微鏡画像は省略して示しており、ある試薬(液体)、例えば試薬A(液体A)は実線で、他の試薬(液体)、例えば試薬B(液体B)は破線でそれぞれ表している。
And a discharge position display process is implemented (step S24). In this step, as shown in FIG. 5A, the information received in step S23 is superimposed on the microscope image displayed in step S21 and displayed on the
上記試薬(液体)のと吐出位置及び吐出領域の大きさは、図5(A)中の右半分に示されるように、試薬A(液体A)と試薬B(液体B)を分離させるように設定しても良いし、同図中の左半分に示されるように、試薬AとBの吐出領域に交わりを作り、一部重ね合わさるように設定しても良い。 As shown in the right half of FIG. 5 (A), the reagent (liquid) discharge position and the size of the discharge area are such that reagent A (liquid A) and reagent B (liquid B) are separated. It may be set, or as shown in the left half of the figure, an intersection may be made in the ejection areas of the reagents A and B, and a part of them may be set to overlap.
そして最後に、吐出位置記憶工程を実施する(ステップS25)。即ち、上記設定された吐出位置などの情報を記憶部174に記憶させる。
Finally, a discharge position storage step is performed (step S25). That is, information such as the set ejection position is stored in the
ところで、上記ステップS24で説明したように、吐出領域を設定する際には、一部交わりを作るように、隣接する吐出領域を設定することができる。このように、交わりの部分においては吐出された液体に含まれる試薬や物質の濃度が高くなり、それ以外においては低くなる、という濃度分布を形成させることができる。即ち、ひとつのディッシュ11内の極めて狭い範囲において、吐出される液体(試料細胞に対して作用する試薬または物質が含む)の濃度差が異なる領域を設定することが可能となり、同じ環境下の試料に対して当該吐出液体に含まれる試薬や物質が濃度の違いでどのように作用するかを観測することができる。 By the way, as described in step S24 above, when setting the discharge region, adjacent discharge regions can be set so as to make a partial intersection. In this way, it is possible to form a concentration distribution in which the concentration of the reagent or substance contained in the ejected liquid is high at the intersection, and is low otherwise. That is, it is possible to set areas in which the concentration difference of the liquid to be ejected (including a reagent or substance that acts on the sample cells) is different within a very narrow range in one dish 11, and the sample in the same environment In contrast, it is possible to observe how the reagents and substances contained in the discharge liquid act depending on the concentration.
次に、上記ステップS3における吐出工程の詳細を、図4(C)、図6、及び図7を参照して説明する。なお、図4(C)は該吐出工程の詳細フローチャートを示す図であり、図6は液滴吐出方式を説明するための図であり、図7は圧電素子34への印加電圧と吐出ヘッド12の進退移動との関係を示す図である。
Next, details of the ejection process in step S3 will be described with reference to FIGS. 4C, 6 and 7. FIG. FIG. 4C is a diagram showing a detailed flowchart of the ejection process, FIG. 6 is a diagram for explaining a droplet ejection system, and FIG. 7 shows an applied voltage to the
即ち、図4(C)に示すように、該吐出工程においては、まず、吐出位置・吐出液体設定の読み出し工程を実施する(ステップS31)。これは、上記ステップS25で記憶部174に格納された吐出位置、大きさなどの必要な情報を記憶部174から読み出すステップである。
That is, as shown in FIG. 4C, in the discharge process, first, a discharge position / discharge liquid setting readout process is performed (step S31). This is a step of reading out necessary information such as the ejection position and size stored in the
次に、吐出ヘッド選択工程を実施する(ステップS32)。即ち、上記ステップS31にて読み出された情報(吐出する液体種)に基づいて、適合する吐出ヘッド12を選択する。
Next, an ejection head selection process is performed (step S32). That is, a
続けて、吐出ヘッド移動工程を実施する(ステップS33)。これは、上記ステップS32にて選択された吐出ヘッド12を、上記ステップS31にて読み出された情報(吐出位置)に基づいた位置に移動させるステップである。この際に、XY座標についてはXYステージ13を、Z座標についてはZステージ14を適当な距離移動させて、選択された吐出ヘッド12とディッシュ11(試料)との相対位置を確保する。
Subsequently, an ejection head moving step is performed (step S33). This is a step of moving the
そして、駆動電圧印加工程を実施する(ステップS34)。即ち、吐出ヘッド12の駆動手段である圧電素子34に、図7に示すような電圧を印加することで、これに伴い吐出ヘッド12が進退することにより、吐出ヘッド12内部の液体が吐出される。なおこの際、吐出位置は、図6に示されるように、ディッシュ11内の培養液37外の空気中に設定され、吐出ヘッド12はディッシュ11中の培養液37とは接触しないようにしている。そして、その位置から吐出が行われる。また、本実施形態においては、ここで圧電素子34に印加される電圧は、後で詳述するような波形を有するものである。
And a drive voltage application process is implemented (step S34). That is, by applying a voltage as shown in FIG. 7 to the
その後、残りのヘッド有無を判別する工程を実施する(ステップS35)。即ち、上記ステップS34における吐出が完了した後、上記ステップS32で選択された吐出ヘッド12のうち、未だ吐出を行っていない残りの有無を確認する。そして、未だ吐出を行っていない吐出ヘッド12が存在すれば、上記ステップS32に戻り、全ての吐出が完了するまで、上記ステップS32乃至ステップS35の工程を繰り返する。そして、全ての選択された吐出ヘッド12の吐出が実行された後、この吐出工程が終了される。
Thereafter, a step of determining the presence or absence of the remaining head is performed (step S35). That is, after the ejection in step S34 is completed, it is confirmed whether or not there is a remaining
次に、上記ステップS34の駆動電圧印加工程において、吐出ヘッド12の駆動手段としての圧電素子34に印加される電圧の波形について説明する。
Next, the waveform of the voltage applied to the
上記印加される電圧波形としては、例えば、図8Aに示すようなローレンツ波形とすることができる。このローレンツ波形は、同図に示すように、
によって定義される。なおここで、aは振幅、bはピークのX軸位置、cはFWHM(半値全幅)である。 Defined by Here, a is the amplitude, b is the peak X-axis position, and c is FWHM (full width at half maximum).
或いは、上記印加される電圧波形としては、図8Bに示すようなガウシャン波形とすることができる。このガウシャン波形は、同図に示すように、
によって定義される。 Defined by
更には、上記印加される電圧波形として、図8Cに示すようなローレンツ波形とガウシャン波形との合成波形とすることができる。この合成波形は、同図に示すように、
によって定義される。なおここで、dはガウシャン波形の補正値である。このdは、0≦d≦1の値を取るもので、d=0の場合はこの合成波形は上記ローレンツ波形と同じ波形となり、d=1の場合は上記ガウシャン波形と同じ波形となる。 Defined by Here, d is a correction value of the Gaussian waveform. This d takes a value of 0 ≦ d ≦ 1, and when d = 0, this combined waveform is the same waveform as the Lorentz waveform, and when d = 1, it is the same waveform as the Gaussian waveform.
何れの波形も急峻な傾きを有しているが、不連続な部分がないため、不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出ヘッド12に保持された液体に対して作用する吐出力(慣性力)を得ることができる。
Each waveform has a steep slope, but since there is no discontinuous portion, unnecessary high-frequency vibration does not occur, and the ejection force (inertia) acting on the liquid held in the
なお、上記数1乃至数3に示した各式において、cの値は、1.0μs〜5msの範囲であり、圧電素子34の共振周波数を超えない値である。また、aの値は、圧電素子34に加える最大供給電圧E1であり、bの値は、圧電素子34を動作させる全ステップ数の半分である。
In each of the equations shown in the
上記圧電素子34は高電圧を加えると伸びるものであり、圧電素子34の伸縮幅は1μm〜100μmとする。圧電素子34のa値を小さくすることで、共振周波数以上のc値が設定できる。但し、圧電素子34は共振が無いことが必須である。
The
なお、圧電素子34の駆動電圧としてサイン波形を利用しても、不連続な部分がないため共振は発生しないが、そのようなサイン波形では、上記ガウシャン波形またはローレンツ波形よりも傾きが緩やかであるため、液体の吐出量の確保や対応できる液体の粘度の範囲がガウシャン波形またはローレンツ波形を利用したときより減少してしまう。しかしながら、使用する液体によっては、サイン波形の利用も勿論可能である。
Note that even if a sine waveform is used as the driving voltage of the
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置10によれば、吐出ヘッド12内に保持された液体に対して十分な慣性力(加速度)が作用し確実な吐出が期待されるとともに、圧電素子34の駆動電圧として、不連続に印加電圧が変化しない波形、好ましくはガウシャン波形またはローレンツ波形、もしくは、それらの合成波形を用いることで、圧電素子34によって進退駆動される吐出ヘッド12において不要な高周波振動が発生しない。このように高周波振動が発生しないことにより、サテライト液滴が吐出されないため、正確に適正な量の液滴が吐出される。これにより、試料上の所望の領域のみに当該液滴が1個だけ到達可能となる。即ち、上記一実施形態に係る液滴吐出装置10は、所望の領域の試料に、選択的かつ正確に液滴を到達させることができる。
As described above in detail, according to the
また、異なる液体が吐出される領域を設定させる際に、各吐出領域に交わりを持たせることも可能となる。このため、数種の液滴が混在する領域とそうではない領域、即ち試料に対して何らかの作用を及ぼす複数種の薬剤または物質が存在する領域とそうではない領域を選択的に設定することができるため、これら薬剤または物質の試料に対する相互作用の観測が可能となる。 In addition, when setting the areas where different liquids are discharged, it is possible to make each discharge area have an intersection. For this reason, it is possible to selectively set a region where several kinds of droplets are mixed and a region where the droplets are not mixed, that is, a region where a plurality of kinds of drugs or substances having some effect on the sample are present and a region where it is not. Therefore, the interaction of these drugs or substances with the sample can be observed.
更に、上記一実施形態に係る液滴吐出装置10は、液滴の吐出を試料の周囲に存在する液体(培養液37)に吐出ヘッド12の先端を触れさせず、吐出ヘッド12の吐出口が空気中に存在するときに液滴を吐出させる。従って、吐出ヘッド12はディッシュ11中の培養液37に触れないため、複数のディッシュ11を扱う場合においても、吐出ヘッド12を介したディッシュ11から他のディッシュ11への汚染の虞を劇的に低下させることができる。
Furthermore, in the
以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。 Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications are naturally possible within the scope of the gist of the present invention.
例えば、上記一実施形態では、3個の吐出ヘッド12を備える液滴吐出装置10を説明したが、吐出ヘッド12の数はそれに限定されるものではなく、1個しか備えていなくても良いし、何個備えていても構わない。
For example, in the above-described embodiment, the liquid
また、図5(A)では、2種類の試薬(液体)をそれぞれ2つの吐出領域に吐出する場合を例に示したが、複数領域に限らず単数領域でも良いことは勿論である。或いは、複数領域設定で、重なり無しでも良い。 5A shows an example in which two types of reagents (liquids) are discharged into two discharge regions, respectively, it is needless to say that a single region may be used instead of a plurality of regions. Alternatively, there may be no overlap by setting a plurality of areas.
また、吐出される液体が複数種に限らず、同じものでも良い。その場合、図5(B)に示すように、吐出領域の交わり(重なり)を発生させることにより、吐出領域中のそれ以外の部分との濃度差を生じさせることができる。図5(B)においては、理想的であれば、中央部分の濃度が一番高いことになる。このような濃度差を生じさせることにより、極めて近い領域において薬剤または物質の濃度高低による影響を観測することもできる。なお、このように1種類の液体を使用する場合は、吐出は1回以上であれば良く、条件は限定されない。 Further, the discharged liquid is not limited to a plurality of types and may be the same. In that case, as shown in FIG. 5B, by generating the intersection (overlap) of the discharge regions, a density difference from the other portions in the discharge regions can be generated. In FIG. 5B, if ideal, the density in the central portion is the highest. By producing such a concentration difference, it is possible to observe the influence of the concentration of the drug or substance in a very close region. When one kind of liquid is used as described above, the discharge may be performed once or more, and the conditions are not limited.
また、図5(C)に示すように、異なる液体(薬剤または物質)の交わりを多数設けるように吐出してもかまわない。図5(C)の例においては、理想的であれば、中央部分には4種類の液体が重なることになる。このように異なる液体の交わりを多数設けることで、極めて近い領域において、薬剤または物質の相互作用による影響を観測することができる。なお、このように複数種類の液体を使用する場合は、吐出は各液体1回以上であれば良く、条件は限定されない。 Further, as shown in FIG. 5C, the liquid may be ejected so as to provide many intersections of different liquids (drugs or substances). In the example of FIG. 5C, if ideal, four types of liquids overlap in the central portion. By providing many intersections of different liquids in this way, it is possible to observe the influence of drug or substance interaction in a very close region. In addition, when using a plurality of types of liquids in this way, the discharge may be performed once or more for each liquid, and the conditions are not limited.
(付記)
前記の具体的実施形態から、以下のような構成の発明を抽出することができる。
(Appendix)
The invention having the following configuration can be extracted from the specific embodiment.
(1) 容器に保持された培養液中の試料細胞に向けて、当該試料細胞に作用する物質を含む液体を吐出する液滴吐出装置であって、
上記試料細胞に作用する物質を含む液体を保持するとともに、当該液体を吐出する吐出口を有する液体保持部材と、
印加される電圧に応じて、上記液体保持部材の吐出口から当該液体を吐出させる駆動手段と、
上記液体保持部材の吐出口が上記培養液に非接触の位置にあるときに、上記駆動手段に所定の電圧を印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする液滴吐出装置。
(1) A droplet discharge device for discharging a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward the sample cell in a culture solution held in a container,
While holding a liquid containing a substance that acts on the sample cell, a liquid holding member having a discharge port for discharging the liquid,
Driving means for discharging the liquid from the discharge port of the liquid holding member according to the applied voltage;
Control means for applying a predetermined voltage to the driving means when the discharge port of the liquid holding member is in a position not in contact with the culture solution;
A droplet discharge apparatus comprising:
(実施形態との対応)
この(1)に記載の液滴吐出装置は、図1、図2、図6に対応するものである。また、一実施形態における液滴吐出装置10が上記液滴吐出装置に、ディッシュ11が上記容器に、培養液37が上記培養液に、吐出ヘッド12が上記液体保持部材に、圧電素子34が上記駆動手段に、制御用・画像表示用PC17の制御部171が上記制御手段に、それぞれ対応する。
(Correspondence with embodiment)
The droplet discharge device described in (1) corresponds to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. In one embodiment, the
(作用効果)
この(1)に記載の液滴吐出装置によれば、培養液中の試料細胞に向けて液体を吐出させる液滴吐出装置において、上記液体を吐出する液体保持部材の吐出口を培養液に浸漬させずに吐出させるので、試料細胞へのコンタミネーションの可能性を低減することができる。
(Function and effect)
According to the droplet discharge device described in (1), in the droplet discharge device that discharges liquid toward the sample cells in the culture solution, the discharge port of the liquid holding member that discharges the liquid is immersed in the culture solution. Since the ejection is performed without the possibility of contamination, the possibility of contamination to the sample cells can be reduced.
(2) 上記制御手段は、上記液体保持部材の吐出口が空気中に存在するときに上記駆動手段に電圧を印加し、上記液体の吐出を行うことを特徴とする(1)に記載の液滴吐出装置。 (2) The liquid according to (1), wherein the control means discharges the liquid by applying a voltage to the driving means when the discharge port of the liquid holding member exists in the air. Drop ejection device.
(実施形態との対応)
この(2)に記載の液滴吐出装置は、図6に対応するものである。
(Correspondence with embodiment)
The droplet discharge device described in (2) corresponds to FIG.
(作用効果)
この(2)に記載の液滴吐出装置によれば、液滴の吐出を試料細胞の周囲に存在する培養液に吐出口を触れさせず、吐出口が空気中に存在するときに液滴を吐出させるので、複数の培養液を扱う場合においても、吐出口を介した培養液から他の培養液への汚染の虞を劇的に低下させることができる。
(Function and effect)
According to the droplet discharge device described in (2), the droplet is not discharged when the discharge port is in contact with the culture solution existing around the sample cell. Since it is discharged, even when handling a plurality of culture solutions, the possibility of contamination from the culture solution to other culture solutions through the discharge port can be dramatically reduced.
(3) 上記駆動手段は、上記液体保持部材に保持された上記液体に慣性力を作用させ上記吐出口から当該液体を吐出させるために、上記印加される電圧に応じて上記液体保持部材を上記液体の吐出方向と略平行な方向に進退させることを特徴とする(1)に記載の液滴吐出装置。 (3) The drive means applies the inertial force to the liquid held by the liquid holding member and causes the liquid to be discharged from the discharge port. The droplet discharge device according to (1), wherein the droplet discharge device is advanced and retracted in a direction substantially parallel to the liquid discharge direction.
(実施形態との対応)
この(3)に記載の液滴吐出装置は、図7に対応するものである。
(Correspondence with embodiment)
The droplet discharge device described in (3) corresponds to FIG.
(作用効果)
この(3)に記載の液滴吐出装置によれば、吐出口の径が小さくても目詰まりを心配することなく吐出できる。
(Function and effect)
According to the droplet discharge device described in (3), discharge can be performed without worrying about clogging even if the diameter of the discharge port is small.
(4) 上記制御手段は、上記液体保持部材を進退させる電圧として、ガウシャン波形の電圧、ローレンツ波形の電圧、及び上記ガウシャン波形とローレンツ波形の合成された波形の電圧の何れかを上記駆動手段に印加することを特徴とする(3)に記載の液滴吐出装置。 (4) The control means uses, as the drive means, any one of a Gaussian waveform voltage, a Lorentz waveform voltage, and a synthesized waveform voltage of the Gaussian waveform and the Lorentz waveform as a voltage for moving the liquid holding member forward and backward. The liquid droplet ejection apparatus according to (3), wherein the liquid droplet ejection apparatus is applied.
(実施形態との対応)
この(4)に記載の液滴吐出装置は、図8A、図8B、図8Cに対応するものである。
(Correspondence with embodiment)
The droplet discharge device described in (4) corresponds to FIGS. 8A, 8B, and 8C.
(作用効果)
この(4)に記載の液滴吐出装置によれば、駆動手段に印加する電圧を、急峻な傾きを有するが不連続な部分がないガウシャン波形又はローレンツ波形もしくはそれらの合成波形の電圧とすることで、液体保持部材に不要な高周波振動は発生せず、十分な吐出力(慣性力)を得ることができるので、対象物上に吐出される液滴が所望の液滴のみになり、サテライトの発生を抑制できる。
(Function and effect)
According to the droplet discharge device described in (4), the voltage applied to the driving means is a voltage of a Gaussian waveform or Lorentz waveform having a steep slope but no discontinuous portion or a composite waveform thereof. Thus, unnecessary high-frequency vibration is not generated in the liquid holding member, and a sufficient discharge force (inertial force) can be obtained, so that only a desired droplet is discharged onto the object, and the satellite Generation can be suppressed.
(5) 上記吐出される液体は、試料細胞に刺激を与える薬剤、当該試料細胞に作用される遺伝子または当該試料細胞を染める色素であることを特徴とする(1)に記載の液滴吐出装置。 (5) The liquid ejecting apparatus according to (1), wherein the liquid to be ejected is a drug that stimulates the sample cell, a gene that acts on the sample cell, or a dye that stains the sample cell. .
(作用効果)
この(5)に記載の液滴吐出装置によれば、ノズル目詰まりを心配することなく、試料細胞に刺激を与える薬剤、当該試料細胞に作用される遺伝子、または、当該試料細胞を染める色素を吐出できるので、遺伝子検査機や生化学分析機などに適用可能である。
(Function and effect)
According to the droplet discharge device described in (5), the agent that stimulates the sample cell, the gene that acts on the sample cell, or the dye that stains the sample cell can be obtained without worrying about nozzle clogging. Since it can be discharged, it can be applied to genetic testing machines and biochemical analyzers.
(6) 容器に保持された培養液中の試料細胞に向けて、当該試料細胞に作用する物質を含む液体を吐出する液滴吐出装置であって、上記試料細胞に作用する物質を含む液体を保持するとともに、当該液体を吐出する吐出口を有する液体保持部材と、印加される電圧に応じて、上記液体保持部材の吐出口から当該液体を吐出させる駆動手段と、を備える液滴吐出装置の吐出方法であって、
上記液体保持部材を上記培養液に非接触の位置に配置する工程と、
上記位置に上記液体保持部材が存在するときに、上記駆動手段によって上記液体保持部材から液体を吐出させる工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出方法。
(6) A droplet discharge device for discharging a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward a sample cell in a culture solution held in a container, the liquid containing the substance acting on the sample cell A liquid discharge member comprising: a liquid holding member having a discharge port that holds and discharges the liquid; and a driving unit that discharges the liquid from the discharge port of the liquid holding member according to an applied voltage. A discharge method,
Arranging the liquid holding member at a position not in contact with the culture medium;
Discharging the liquid from the liquid holding member by the driving means when the liquid holding member is present at the position;
A droplet discharge method comprising:
(実施形態との対応)
この(6)に記載の液滴吐出方法は、図1、図2、図4、図6に対応するものである。また、一実施形態における液滴吐出装置10が上記液滴吐出装置に、ディッシュ11が上記容器に、培養液37が上記培養液に、吐出ヘッド12が上記液体保持部材に、圧電素子34が上記駆動手段に、ステップS34が上記配置する工程及び上記印加する工程に、それぞれ対応する。
(Correspondence with embodiment)
The droplet discharge method described in (6) corresponds to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 4, and FIG. In one embodiment, the
(作用効果)
この(6)に記載の液滴吐出方法によれば、培養液中の試料細胞に向けて液体を吐出させる液滴吐出装置において、上記液体を吐出する液体保持部材の吐出口を培養液に浸漬させずに吐出させるので、試料細胞へのコンタミネーションの可能性を低減することができる。
(Function and effect)
According to the droplet discharge method described in (6), in the droplet discharge device that discharges the liquid toward the sample cells in the culture solution, the discharge port of the liquid holding member that discharges the liquid is immersed in the culture solution. Since the ejection is performed without the possibility of contamination, the possibility of contamination to the sample cells can be reduced.
10…液滴吐出装置、 11…ディッシュ(シャーレ)、 12…吐出ヘッド、 13…XYステージ、 14…Zステージ、 15…倒立型顕微鏡、 16…撮像部(デジタルカメラ)、 17…制御用・画像表示用パーソナルコンピュータ(PC)、 18…Zレール、 19…光源、 20…対物レンズ、 21…ハーフミラー、 22…結像レンズ、 23,24,26,27…ミラー、 25…リレー光学系、 28…第2のリレー光学系、 29…鏡筒、 30…接眼レンズ、 31…撮影レンズ、 32,33…ケーブル、 34…圧電素子、 35…流路、 35A…ストレート部、 35B…テーパ部、 36…ノズル、 37…培養液、 171…制御部(PC本体)、 172…入力部(操作部)、 173…表示部、 174…記憶部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記試料細胞に作用する物質を含む液体を保持するとともに、当該液体を吐出する吐出口を有する液体保持部材と、
印加される電圧に応じて、上記液体保持部材の吐出口から当該液体を吐出させる駆動手段と、
上記液体保持部材の吐出口が上記培養液に非接触の位置にあるときに、上記駆動手段に所定の電圧を印加する制御手段と、
を具備することを特徴とする液滴吐出装置。 A droplet discharge device for discharging a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward the sample cell in a culture solution held in a container,
While holding a liquid containing a substance that acts on the sample cell, a liquid holding member having a discharge port for discharging the liquid,
Driving means for discharging the liquid from the discharge port of the liquid holding member according to the applied voltage;
Control means for applying a predetermined voltage to the driving means when the discharge port of the liquid holding member is in a position not in contact with the culture solution;
A droplet discharge apparatus comprising:
上記液体保持部材を上記培養液に非接触の位置に配置する工程と、
上記位置に上記液体保持部材が存在するときに、上記駆動手段によって上記液体保持部材から液体を吐出させる工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出方法。 A droplet discharge device that discharges a liquid containing a substance that acts on a sample cell toward a sample cell in a culture solution held in a container, and holds the liquid containing the substance that acts on the sample cell And a liquid holding member having a discharge port for discharging the liquid, and a driving unit that discharges the liquid from the discharge port of the liquid holding member in accordance with an applied voltage. There,
Arranging the liquid holding member at a position not in contact with the culture medium;
Discharging the liquid from the liquid holding member by the driving means when the liquid holding member is present at the position;
A droplet discharge method comprising:
Priority Applications (1)
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2006
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