JP2008197051A - 分注装置および分注方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微量の液体を高精度で分注することができる分注装置および分注方法を提供する。
【解決手段】液体を保持するシリンダー１６ａ、およびシリンダー１６ａ内を進退自在に動作するプランジャー１６ｂを備え、プランジャー１６ｂの進退動作によってシリンダー１６ａ内に保持された液体に圧力を加えるシリンジ１６と、シリンジ１６によって発生された圧力を受ける与圧用液体、当該与圧用液体が受けた圧力によって外部へ吐出される分注対象液体、および当該与圧用液体と当該分注対象液体とを分離する分離用液体で満たされるノズル１１と、分注対象液体をノズル１１内部から吐出するためのプランジャー１６ｂのシリンダー１６ａへの進入動作を実行するプランジャー駆動部１７と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を分注する分注装置および分注方法に関する。

従来、血液等の液体を吸引、吐出する分注装置において、分注対象である液体が、管路に封入された与圧用液体である水と接触することによって希釈されてしまうことを回避するための技術として、分注対象の液体と水との間に数μＬ程度の体積を有する空気層を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特公平６−２５７７１号公報

しかしながら、上述した従来技術では、所定量の液体を吐出する際に分注装置内の液体に圧力を加えるプランジャーを駆動すると、微量の液体を分注する場合には、空気層が空気ばねとして作用してしまうため、吐出用ノズルの先端から液体が十分に離脱せず、分注量の誤差が無視できなくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、微量の液体を高精度で分注することができる分注装置および分注方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る分注装置は、微量の液体を分注する分注装置であって、液体を保持するシリンダー、および前記シリンダー内を進退自在に動作するプランジャーを有し、前記プランジャーの進退動作によって前記シリンダーが保持する液体に圧力を加える与圧部と、前記与圧部によって発生された圧力を受ける与圧用液体、当該与圧用液体が受けた圧力によって外部へ吐出される分注対象液体、および当該与圧用液体と当該分注対象液体とを分離する分離用液体で満たされる吐出部と、前記分注対象液体を前記吐出部内部から吐出するための前記プランジャーの前記シリンダーへの進入動作を実行するプランジャー駆動部と、を備えたことを特徴とする。

本発明における「微量」とは、好ましくは１μＬより少ない量である。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記プランジャー駆動部は、リニアモーターを有することを特徴とする。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記分離用液体は、前記分注対象液体と混和しない非混和性液体であることを特徴とする。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記非混和性液体は、シリコンオイルを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記非混和性液体は、ケロシン、グリセリン、ひまし油、パラフィン類、フレオン類のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記非混和性液体は、無塩処理をした植物油のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする。

また、本発明に係る分注装置は、上記発明において、前記非混和性液体は、非水溶性液体のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする。

本発明に係る分注方法は、液体を保持するシリンダー、および前記シリンダー内を進退自在に動作するプランジャーを有し、前記プランジャーの進退動作によって前記シリンダーが保持する液体に圧力を加える与圧部と、前記与圧部によって発生された圧力を受ける与圧用液体および当該与圧用液体が受けた圧力によって外部へ吐出される分注対象液体を少なくとも保持する吐出部と、を備えた分注装置が、微量の液体を分注する分注方法であって、前記与圧用液体を保持する前記吐出部内部に分離用液体を吸引する工程と、前記分離用液体を吸引した前記吐出部内部に前記分注対象液体を吸引し、前記与圧用液体と前記分注対象液体とを分離して保持する工程と、前記与圧用液体、前記分離用液体、および前記分注対象液体によって満たされた前記吐出部内部から前記分注対象液体を吐出させる工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、吐出部内部の与圧用液体と分注対象液体との間に両者を分離する分離用液体を介在させることにより、従来のように与圧用液体と分注対象液体を分離するための空気層を介在させる必要がなくなる。この結果、微量の液体の分注を行う際、従来のように空気層がばねとして作用してしまう恐れがなくなり、液体の分注量に誤差が生じにくくなる。したがって、微量の液体を高精度で分注することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以後、「実施の形態」と称する）を説明する。なお、以下の説明で参照する図面はあくまでも模式的なものであり、同じ物体を異なる図面で示す場合には、寸法や縮尺等が異なる場合もある。

図１は、本発明の一実施の形態に係る分注装置の構成を示す図である。同図に示す分注装置１は、液体の吸引および吐出を行うノズル１１と、ノズル１１の基端部を装着するアーム１２と、アーム１２の基端部を支持し、アーム１２の昇降や鉛直軸Ｏを中心とした回動を行わせる支軸１３と、アーム１２および支軸１３を介して連結されたノズル１１を移送するノズル移送部１４と、ノズル移送部１４の動作を含む分注装置１の各種動作を制御する制御部１５と、を有する。なお、ここでいう「液体」には、固体成分をわずかに含有する液体も含まれる。

ノズル１１の上端には、分注時にノズル１１の先端に圧力を伝達する与圧用液体Ｌ１の流路となる管状のチューブ３１が接続されている。このチューブ３１の他端は、吸引または吐出の際に与圧用液体Ｌ１に圧力を与えるシリンジ１６に接続されている。シリンジ１６は、略円筒形状をなして所定の与圧用液体Ｌ１を収容するシリンダー１６ａと、先端部の側面がシリンダー１６ａの内部を摺動しながら進退することによって与圧用液体Ｌ１に加える圧力の加減を行うプランジャー１６ｂとを有する。

プランジャー１６ｂは、プランジャー駆動部１７に接続されている。プランジャー駆動部１７は、リニアモーターを用いて構成され、ノズルの先端からの分注対象の液体を吐出するためのプランジャー１６ｂのシリンダー１６ａへの進入動作を、従来、プランジャーの駆動に用いられる回転型モーターが必要としていたボールねじやラック＆ピニオンのような回転−直動変換手段を介さずに、直接実行する機能を有する。なお、プランジャー１６ｂのプランジャー駆動部１７への取付態様は任意であり、例えばリニアモーターの可動子に直結してもよい。

シリンジ１６は、チューブ３１とは異なるチューブ３２にも接続されている。このチューブ３２の他端には、電磁弁１８が接続されている。電磁弁１８とポンプ１９とはチューブ３３によって接続されており、制御部１５の制御のもとで駆動する。ポンプ１９はチューブ３４を介して与圧用液体Ｌ１を収容するタンク２０に接続されている。

ノズル１１を洗浄した直後の状態において、ノズル１１、シリンダー１６ａ、チューブ３１〜３４は与圧用液体Ｌ１で満たされており、分注対象液体の吸引または吐出を行う際には、プランジャー駆動部１７が駆動してシリンジ１６のプランジャー１６ｂを移動させることにより、与圧用液体Ｌ１を介してノズル１１の先端部に適当な吸引圧または吐出圧を印加する。

与圧用液体Ｌ１としては、イオン交換水、蒸留水、脱気水、逆浸透膜投下水などの非圧縮性流体が適用される。かかる与圧用液体Ｌ１は、ノズル１１の内部の洗浄を行う洗浄液としても適用可能である。

図２は、本実施の形態に係る分注方法の処理の概要を示すフローチャートである。図２において、まずノズル１１を洗浄する（ステップＳ１）。この際には、電磁弁１８が開き、ポンプ１９から送り出されてくる与圧用液体Ｌ１がノズル１１内を通水した後、制御部１５がプランジャー駆動部１７を駆動することによってプランジャー１６ｂを前進（図１で上方へ移動）させる。このプランジャー１６ｂの動作により、ノズル１１の内部に与圧用液体Ｌ１以外の液体が残留している場合、その液体を外部へ排出することができる。

図３は、ステップＳ１が終了したときのノズル１１の先端部における液体の充填状態を模式的に示す図である。図３において、ノズル１１の内部には、与圧用液体Ｌ１が充填されている。

続いて、ノズル１１は、与圧用液体Ｌ１と分注対象液体とをノズル１１の内部で分離する分離用液体Ｌ２を吸引する（ステップＳ２）。このステップＳ２では、ノズル移送部１４がノズル１１を分離用液体吸引位置へ移送した後、制御部１５がプランジャー駆動部１７を駆動することによってプランジャー１６ｂを所定量だけ後退させることにより、プランジャー１６ｂの後退量に相当する分離用液体Ｌ２を吸引採取する。

図４は、ステップＳ２が終了したときのノズル１１の先端部における液体の充填状態を模式的に示す図である。図４において、ノズル１１の先端部には、分離用液体Ｌ２が充填され、それよりもノズル１１の基端側には、与圧用液体Ｌ１が充填されている。

分離用液体Ｌ２は、与圧用液体Ｌ１や分注対象液体と混和することのない非混和性液体である。分離用液体Ｌ２には、シリコンオイルやパーフロロカーボンが用いられる。また、分離用液体Ｌ２として、ケロシン、グリセリン、ひまし油、パラフィン類、フレオン類のうちの一つあるいは複数の混合液を用いることもできる。さらに、分離用液体Ｌ２として、無塩処理をした植物油のうちの一つあるいは複数の混合液を用いることもできる。また、分離用液体Ｌ２として、トルエンなどの非水溶性液体の一つあるいは複数の混合液を用いることもできる。なお、分離用液体Ｌ２は、複数種類の非混和性液体を用いることにより、多層構造をなす液体として実現することもできる。

この後、ノズル１１が分注対象液体Ｌ３を吸引する（ステップＳ３）。その際、ノズル移送部１４がノズル１１を分注対象液体吸引位置へ移送した後、制御部１５がプランジャー駆動部１７を駆動することによってプランジャー１６ｂを所定量だけ後退させることにより、プランジャー１６ｂの後退量に相当する分注対象液体を吸引採取する。なお、ステップＳ３における分注対象液体Ｌ３の採取量は、その分注対象液体Ｌ３を所定の容器等に吐出する際に分離用液体Ｌ２が混入するのを回避するため、本来必要な分注量よりも多く採取することが好ましい。

図５は、ステップＳ３が終了したときのノズル１１の先端部における液体の充填状態を模式的に示す図である。図５において、ノズル１１の先端部には分注対象液体Ｌ３が充填され、それよりもノズル１１の基端側には、ステップＳ２で吸引した分離用液体Ｌ２が充填され、分注対象液体Ｌ３と与圧用液体Ｌ１との間に介在している。

ステップＳ３で分注対象液体Ｌ３を吸引したノズル１１は、所定量の分注対象液体Ｌ３を吐出する（ステップＳ４）。具体的には、ノズル移送部１４がノズル１１を分注対象液体吐出位置へ移送した後、制御部１５がプランジャー駆動部１７を駆動することによってプランジャー１６ｂを所定量だけ前進させ、このプランジャー１６ｂの前進量に相当する分注対象液体Ｌ３をノズル１１の先端から所定の容器へ吐出する。

以上説明したステップＳ１〜Ｓ４の動作により、１回分の分注動作が終了する。この後、分注動作を繰り返す場合には、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返す。一方、分注動作を終了する場合には、ステップＳ１の洗浄処理のみを行う。

本実施の形態に係る分注装置１においては、分注装置１が、１μＬよりも少ない微量の分注対象液体Ｌ３を分注することを想定している。ここで、シリンジ１６として、内径φが２〜４ｍｍのシリンダー１６ａを適用し、０．５μＬの分注を行う場合を考える。この場合、プランジャー１６ｂの移動量は、０．０４ｍｍ（φ＝４の場合）〜０．１５ｍｍ（φ＝２の場合）程度となる。この移動量は、従来の分注装置が自動分析装置上で実行可能な最小分注量である２μＬ程度の分注時のプランジャー１６ｂの移動量の１／４程度である。

上述したような、プランジャー１６ｂの移動距離が微小である微量分注において分注対象液体Ｌ３を確実に吐出させるためには、ノズル１１の開口端から離脱する液体の速度が重要である。すなわち、分注対象液体Ｌ３を、ノズル１１の開口端の液面の表面張力やノズル１１の内壁の粘性抵抗に抗して吐出するためには、特に吐出開始時の液体の初速が重要であるとともに、分注対象液体Ｌ３の吐出に必要なプランジャー１６ｂのシリンダー１６ａへの進入動作を４０ｍｓｅｃ以内に完了させる必要がある。実際、これよりも液体の吐出に費やされる時間が長いと、微量の液体がノズル１１の先端から離脱しないことが実験的にわかっている。なお、プランジャー駆動部１７は、分注対象液体Ｌ３を、ノズル１１の先端から４０ｍｓｅｃ以内に外部へ吐出させることができる性能を有していればよく、リニアモーター以外の駆動手段を用いて構成してもよい。

ここで、微量液体の吐出可否に対するプランジャー１６ｂの駆動時間の影響に関する実験例として、ステッピングモータとボールねじとの組み合わせを駆動手段として用いたときの事例を示す。図６は、内径３ｍｍのシリンダー１６ａを用い、プランジャー１６ｂを０．０４３ｍｍ移動させることによって０．３μＬの液体の分注を試みた実験例を示す図である。

まず、図６の曲線Ｃ₁は、プランジャー１６ｂの移動距離が０．０４３ｍｍに到達するまでの時間、すなわち応答時間を４０ｍｓｅｃとしてプランジャー１６ｂを駆動した場合のプランジャー移動量と時間との関係を示す曲線である。実験によれば、この曲線Ｃ₁にしたがってプランジャー１６ｂを移動させた場合、０．３μＬの液滴をノズル１１の先端から確実に離脱させることができた。

これに対して、図６の曲線Ｃ₂は、応答時間を１１０ｍｓｅｃとしてプランジャー１６ｂを駆動した場合のプランジャー移動量と時間との関係を示す曲線である。この曲線Ｃ₂にしたがってプランジャー１６ｂを移動させた場合、プランジャー１６ｂが０．０４３ｍｍ移動してもノズル１１の先端からの液滴の離脱はなかった。

この実験結果から、プランジャー１６ｂの移動が遅いと、ノズル１１の先端から液滴を吐出することができず、液滴をノズル１１の先端から外部へ吐出するためには、プランジャー１６ｂのシリンダー１６ａへの進入動作を４０ｍｓｅｃ程度で完了させる必要があることがわかる。

図１から図５に示した、リニアモータをプランジャー駆動部１７に用いた本実施の形態では、プランジャー駆動部１７として、プランジャー１６ｂの前進動作を４０ｍｓｅｃ以内で完了させ、１μＬを下回る分注対象液体Ｌ３をノズル１１の先端から外部へ吐出させることが可能であり、減速機構を有しないリニアモーターを適用しているため、加減速時間の短縮を実現し、高い加速度のもと、分注対象液体Ｌ３の微量の分注を高精度で行うことができる。

以上説明した本発明の一実施の形態によれば、吐出部内部の与圧用液体と分注対象液体との間に両者を分離する分離用液体を介在させることにより、微量の液体の分注を行う際にばねとして作用してしまう恐れがある空気層が不要となり、液体の分注量に誤差が生じにくくなる。したがって、微量の液体を高精度で分注することが可能となる。また、分注量の誤差が生じにくいので、分注可能な最小の分注量を小さくすることが可能であり、分注量をより微量にすることができる。さらに、空気層があると、分注対象液体の粘度によって空気層のばねとしての作用が変わってしまい、分注量に誤差を生じてしまう場合もあるが、本実施の形態によれば、分注対象液体の粘度の影響を受けずに分注することができる。

本発明が目論む１μＬを下回る微量の液体の吐出を実現するためには、例えば図６に示すように、分注対象液体をノズル１１の吐出口から排出するためのプランジャー１６ｂの進入動作が４０ｍｓｅｃ以内に完了するように、高速かつ高加速でプランジャー１６ｂを駆動することが必要であることが、実験的に確認されている。一方、空気層のばね効果に起因する分注量の誤差は、分注対象液体をノズル１１の吐出口から排出するためのプランジャー１６ｂの進入動作に要するプランジャー１６ｂの速度と加速度が高いほど、より顕著に発生する。このように分注量の誤差を生じる原因となる空気層を排除した本実施の形態に係る分注方法は、プランジャー１６ｂを高速で駆動して液体を分注するような、１μＬを下回る微量の液体を吐出する場合において、特に大きな効果を発揮する。

また、本実施の形態によれば、分離用液体として、分注対象液体や与圧用液体と混和しない非混和性液体を適用することにより、分注対象液体が与圧用液体によって希釈されてしまうのを回避することができ、分注精度を一段と向上させることができる。

ここまで、本発明を実施するための最良の形態を詳述してきたが、本発明は、上述した一実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。図６に示した実験例では、プランジャー１６ｂの進入動作を４０ｍｓｅｃ以内に完了するようにプランジャー１６ｂを駆動することによって、０．３μＬの液体の吐出が可能であることが確認されているが、プランジャー駆動部１７に用いたリニアモーターは、プランジャー１６ｂの進入動作をさらに短時間で実行させることも可能である。例えば、プランジャー１６ｂの進入動作を１０ｍｓｅｃ以内に完了させた実験では、０．１μＬの液体の吐出が可能であることが確認されている。したがって、プランジャー１６ｂを、上述した実施の形態より高速で駆動しても、液体の分注を精度よく行うことができる。このように、高応答な駆動手段を用いて精密な微量分注を実行しようとする場合には、空気層を排除した本発明に係る分注方法は、特に有効である。

本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。

本発明の一実施の形態に係る分注装置の構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る分注方法の処理の概要を示すフローチャートである。 ノズル洗浄後のノズル先端の液体の充填状態を模式的に示す図である。 分離用液体吸引後のノズル先端の液体の充填状態を模式的に示す図である。 分注対象液体吸引後のノズル先端の液体の充填状態を模式的に示す図である。 本発明の一実施の形態に係る分注装置における微量分注の実験例を示す図である。

符号の説明

１ 分注装置
１１ ノズル
１２ アーム
１３ 支軸
１４ ノズル移送部
１５ 制御部
１６ シリンジ
１６ａ シリンダー
１６ｂ プランジャー
１７ プランジャー駆動部
１８ 電磁弁
１９ ポンプ
２０ タンク
Ｌ１ 与圧用液体
Ｌ２ 分離用液体
Ｌ３ 分注対象液体

Claims (8)

1. 微量の液体を分注する分注装置であって、
   液体を保持するシリンダー、および前記シリンダー内を進退自在に動作するプランジャーを有し、前記プランジャーの進退動作によって前記シリンダーが保持する液体に圧力を加える与圧部と、
   前記与圧部によって発生された圧力を受ける与圧用液体、当該与圧用液体が受けた圧力によって外部へ吐出される分注対象液体、および当該与圧用液体と当該分注対象液体とを分離する分離用液体で満たされる吐出部と、
   前記分注対象液体を前記吐出部内部から吐出するための前記プランジャーの前記シリンダーへの進入動作を実行するプランジャー駆動部と、
   を備えたことを特徴とする分注装置。
2. 前記プランジャー駆動部は、リニアモーターを有することを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
3. 前記分離用液体は、前記分注対象液体と混和しない非混和性液体であることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
4. 前記非混和性液体は、シリコンオイルを含むことを特徴とする請求項３に記載の分注装置。
5. 前記非混和性液体は、ケロシン、グリセリン、ひまし油、パラフィン類、フレオン類のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする請求項３に記載の分注装置。
6. 前記非混和性液体は、無塩処理をした植物油のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする請求項３に記載の分注装置。
7. 前記非混和性液体は、非水溶性液体のうちの一つあるいは複数の混合液であることを特徴とする請求項３に記載の分注装置。
8. 液体を保持するシリンダー、および前記シリンダー内を進退自在に動作するプランジャーを有し、前記プランジャーの進退動作によって前記シリンダーが保持する液体に圧力を加える与圧部と、前記与圧部によって発生された圧力を受ける与圧用液体および当該与圧用液体が受けた圧力によって外部へ吐出される分注対象液体を少なくとも保持する吐出部と、を備えた分注装置が、微量の液体を分注する分注方法であって、
   前記与圧用液体を保持する前記吐出部内部に分離用液体を吸引する工程と、
   前記分離用液体を吸引した前記吐出部内部に前記分注対象液体を吸引し、前記与圧用液体と前記分注対象液体とを分離して保持する工程と、
   前記与圧用液体、前記分離用液体、および前記分注対象液体によって満たされた前記吐出部内部から前記分注対象液体を吐出させる工程と、
   を有することを特徴とする分注方法。

Images