JP2012533082A

JP2012533082A - 液滴吐出装置

Info

Publication number: JP2012533082A
Application number: JP2012520553A
Authority: JP
Inventors: チョ，ソイジン; イム，グンベ; キム，インテ
Original assignee: ポステックアカデミー−インダストリーファンデーション
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2011052889A2; US8475741B2; KR20110046935A; US20120219468A1; WO2011052889A3; CN102470367A

Abstract

【課題】本発明は、多量の流量の液滴と少量の流量の液滴を選択的に精密に分注することができるように構成された液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】本発明による液滴吐出装置は、第１流量の液滴を吐出するための空圧吐出機と、第１流量と同量または少量の第２流量の液滴を吐出または吸入するための電動ピペットとを含む。空圧吐出機は、ｉ）液体を貯蔵する貯蔵チャンバー、ｉｉ）第１空気配管を通じて貯蔵チャンバーと連結され、貯蔵チャンバーに圧縮空気を提供して貯蔵チャンバーの液体を外部に押し出す空気タンク、およびｉｉｉ）液体配管を通じて貯蔵チャンバーと連結され、貯蔵チャンバーから押し出された液体を受けて液滴を吐出する第１ノズルを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴吐出装置に関し、より詳しくは、多量の流量の液滴と少量の流量の液滴を選択的に精密に分注することができるように構成された液滴吐出装置に関する。

液滴吐出装置は、基板などの標的物上に溶液を非常に小さいサイズの液滴（水滴）単位で吐出する装置である。このような液滴吐出装置は、広範囲な産業分野に幅広く使用されており、最近、バイオ産業と機械工学が結合されることによってバイオ機器用液滴吐出装置に対する研究が活発に行われている。

従来のバイオ機器用液滴吐出装置は、主に電動ピペット（ｐｉｐｅｔｔｅ）を利用した単純な構造からなる。電動ピペットを備えた液滴吐出装置を利用すれば少量の流量の液滴を高い再現性で容易に分注することができる。
しかし、電動ピペットを備えた従来の液滴吐出装置では、少量の流量の液滴と多量の流量の液滴を選択的に精密に分注することに困難さがある。また、電動ピペットは、分注薬品を目標物質に接触して分注する方式であるため、１回使用後にノズルチップを交替しなければならない不便さがある。

本発明の目的は、多量の流量の液滴と少量の流量の液滴を選択的に精密に分注することができるように構成された液滴吐出装置を提供することにある。

本発明の一実施例による液滴吐出装置は、第１流量の液滴を吐出するための空圧吐出機と、第１流量と同量または少量の第２流量の液滴を吐出または吸入するための電動ピペットとを含む。空圧吐出機は、ｉ）液体を貯蔵する貯蔵チャンバー、ｉｉ）第１空気配管を通じて貯蔵チャンバーと連結され、貯蔵チャンバーに圧縮空気を提供して貯蔵チャンバーの液体を外部に押し出す空気タンク、およびｉｉｉ）液体配管を通じて貯蔵チャンバーと連結され、貯蔵チャンバーから押し出された液体を受けて液滴を吐出する第１ノズルを含む。

空圧吐出機は、空気タンクと貯蔵チャンバーとの間の第１空気配管に設置されて圧縮空気の圧力を調節するレギュレーターをさらに含むことができる。

貯蔵チャンバーは、ｉ）密閉構造を有し、第１空気配管と連結されるチャンバー本体、およびｉｉ）チャンバー本体の内部に位置し、液体を貯蔵し、上部に開放端を形成する貯蔵容器を含むことができる。液体配管の一部はチャンバー本体を貫通し、開放端を経て貯蔵容器の内側に延長され得る。

空圧吐出機は、ｉ）貯蔵チャンバーと第１ノズルとの間の液体配管に設置されて液体配管の開閉を制御するピンチバルブ、ｉｉ）ピンチバルブと第１ノズルとの間の液体配管に設置されて分注された液体の流量を感知する精密流量計、およびｉｉｉ）精密流量計から液体の流量情報を受けて流量情報を表示する表示部をさらに含むことができる。

第１ノズルは、ｉ）液体配管から液体を受け、一側端部が開放されて液滴を吐出するノズルチップ、およびｉｉ）ノズルチップの開放された端部と離隔してノズルチップの上部を囲み、ノズルチップの開放された端部に向かって圧縮空気を噴射する噴射口を形成するハウジングを含むことができる。

空圧吐出機は、ｉ）空気タンクとハウジングを連結してハウジングに圧縮空気を提供する第２空気配管、およびｉｉ）空気タンクとハウジングとの間の第２空気配管に設置されて圧縮空気の流れを制御するソレノイドバルブをさらに含むことができる。

噴射口は、ノズルチップの外径よりも大きい直径を有し、ノズルチップが噴射口の中央を貫通してノズルチップの周方向に沿って一定幅の空間が提供され得る。

ハウジングは、その内部に圧縮空気が流れる通路を形成し、通路は、噴射口と連結されてノズルチップを囲む噴射口の空間に圧縮空気を噴射することができる。

電動ピペットは、ｉ）シリンダーとピストンを備えた注射器、ｉｉ）ピストンに結合されてピストンを直線移動させる駆動モータ、およびｉｉｉ）シリンダーの端部に設置され、ピストンの移動に応じて液体を吐出または吸入するノズルチップを含むことができる。

第１流量は、最小１μｌから０．１μｌ単位に増加し、第２流量は、最小０．１μｌから０．０２μｌ単位に増加することができる。

本発明の一実施例によれば、空圧吐出機と電動ピペットを選択的に駆動することによって多様な流量の液滴を精密に分注することができる。また、空圧吐出機は、目標物質と接触しない状態で液滴を吐出するため、目標物質と接触し難い状況に容易に使用することができ、使用する度にノズルチップを交替する必要がない。空圧吐出機は、最小１μｌ流量の液滴を精密に分注することができる。

本発明の一実施例による液滴吐出装置の構成図である。図１に示した液滴吐出装置中の貯蔵チャンバーの断面図である。図１に示した液滴吐出装置中の第１ノズルの断面図である。図１に示した液滴吐出装置中の第１ノズルの他の実施例を示す部分切開斜視図である。本発明の一実施例による液滴吐出装置中の空圧吐出機のノズルチップに液滴がくすぶった状態を示す写真である。図５の空圧吐出機を利用してマイクロプレート上に１μｌの液滴を落とした状態を示す写真である。本発明の一実施例による液滴吐出装置中の電動ピペットの第２ノズルに液体が吸入された状態を示す写真である。図７の電動ピペットを利用してマイクロプレート上に１μｌの液滴を落とした状態を示す写真である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。本発明は多様な異なる形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。

図１は、本発明の一実施例による液滴吐出装置の構成図である。
図１を参照すれば、本実施例の液滴吐出装置１００は、第１流量の液滴を吐出するための空圧吐出機１０と、第１流量と同量または少量の第２流量の液滴を吐出または吸入するための電動ピペット５０とを含む。空圧吐出機１０は、電動ピペット５０よりも大きい流量の液滴を均一に分注するためのものとして、貯蔵チャンバー１２内部の液体を圧縮空気の圧力により押し出して液滴を吐出させる。

空圧吐出機１０は、液体（薬品）を貯蔵する貯蔵チャンバー１２、第１空気配管１４を通じて貯蔵チャンバー１２と連結される空気タンク１６、空気タンク１６と貯蔵チャンバー１２との間の第１空気配管１４に設置されるレギュレーター１８、液体配管２０を通じて貯蔵チャンバー１２と連結される第１ノズル２２、貯蔵チャンバー１２と第１ノズル２２との間の液体配管２０に設置されるピンチバルブ２４、ピンチバルブ２４と第１ノズル２２との間の液体配管２０に設置される精密流量計２６を含む。
空気タンク１６は、第１空気配管１４を通じて貯蔵チャンバー１２に圧縮空気を提供して貯蔵チャンバー１２内部の液体を貯蔵チャンバー１２外側に押し出す機能をする。この時、第１空気配管１４に設置されたレギュレーター１８が圧縮空気の圧力を調節して貯蔵チャンバー１２に均一な圧力の圧縮空気が供給されるようにする。

図２は、図１に示した液滴吐出装置中の貯蔵チャンバーの断面図である。
図２を参照すれば、貯蔵チャンバー１２は、密閉構造を有するチャンバー本体２８と、チャンバー本体２８の内部に位置する貯蔵容器３０とを含む。チャンバー本体２８は、第１空気配管１４と連結され、貯蔵容器３０は、液体配管２０と連結される。
チャンバー本体２８は、底部と側壁を有する第１本体２８１と、第１本体２８１の上部に着脱可能に結合されて蓋の機能をする第２本体２８２との結合構造からなってもよい。
第１本体２８１と第２本体２８２は結合時に緊密に密閉されてチャンバー本体２８内部の圧縮空気が外部に漏洩しないようにする。第１空気配管１４の端部は、第１本体２８１の下部に連結され得る。
貯蔵容器３０は、チャンバー本体２８の内壁と所定の距離離隔して位置し、その内部に液体（薬品）を貯蔵する。貯蔵容器３０は、上部に開放端３０１を形成して圧縮空気の圧力が液体に作用するようにする。液体配管２０の一部は、第２本体２８２を貫通し、開放端３０１を経て貯蔵容器３０の内側に延長する。このために、第２本体２８２は、液体配管２０が通過する開口部を形成し、液体配管２０の周囲に密封ガスケット３２１を設置して圧縮空気の漏洩を防止する。

前述した構成でチャンバー本体２８に圧縮空気が提供されると、チャンバー本体２８内部の空気圧が変動されて外部大気圧と差が発生する。この圧力差により貯蔵容器３０の液体が液体配管２０を通じてチャンバー本体２８の外部に押し出され、第１ノズル２２が押し出された液体を提供され、これを液滴（水滴）形態で吐出させる。

図１を参照すれば、液体配管２０に設置されたピンチバルブ２４は、液体配管２０の開閉を制御して液体の分注の要否を決定する。精密流量計２６は、ピンチバルブ２４の作動により液体配管２０が開放時、液体配管２０を流れる液体の流量を検出し、使用者が分注された液体の流量を確認できるようにする。このために、空圧吐出機１０は、吐出流量情報を表示する表示部３４をさらに含む。

本実施例において、第１ノズル２２は、液体の圧力のみで液滴を落とさず、液滴の上部で液滴に向かって圧縮空気を噴射する構造からなる。液体の圧力のみで液滴を落とす構造では液滴のサイズを一定水準以下に減少させることができない。
従って、本実施例の液滴吐出装置１００において、第１ノズル２２は電動ピペット５０よりも大きい流量の液滴を吐出させる基本的な機能のみならず、必要に応じて液滴のサイズを減少させて第１流量の最小値を低めることによって空圧吐出機１０で吐出される液滴の流量を極めて精密に制御する機能も含む。

図３は、図１に示した液滴吐出装置中の第１ノズルの断面図である。
図１と図３を参照すれば、第１ノズル２２は、液体配管２０と連結され、下側端部が開放されて液滴を吐出するノズルチップ３６と、ノズルチップ３６の開放された端部と離隔してノズルチップ３６の上部を囲みながら噴射口３８１を形成するハウジング３８とを含む。
ハウジング３８は、ノズルチップ３６の一部を囲む内部空間を形成し、この内部空間がハウジング３８内部に供給された圧縮空気が流通する通路３８２になるようにする。
ノズルチップ３６は、液体配管２０に連結され、第１直径を有する上部ノズル３６１と、上部ノズル３６１に連結され、第１直径よりも小さい第２直径を有する下部ノズル３６２とから構成され得る。
ハウジング３８は、密封ガスケット３２２を介して上部ノズル３６１を囲む第１水平部３８３と、第１水平部３８３の下に位置し、下部ノズル３６２が貫通する噴射口３８１を形成する第２水平部３８４と、第１水平部３８３と第２水平部３８４を連結する垂直部３８５とを含むことができる。第２水平部３８４は、地面と垂直方向（図面の垂直方向）に沿って下部ノズル３６２の開放された端部と所定の距離（ｄ、図３参照）離隔してその上部に位置する。従って、噴射口３８１も下部ノズル３６２の開放された端部の上部に位置する。
噴射口３８１は、下部ノズル３６２の外径よりも大きい直径を有し、第２水平部３８４は、下部ノズル３６２の周方向に沿って下部ノズル３６２と一定の間隔を維持する。つまり、下部ノズル３６２が噴射口３８１の中央を貫通することによって下部ノズル３６２の周りに圧縮空気が排出される一定の間隔の空間が提供される。ハウジング３８内部の通路３８２は、噴射口３８１と連結されて噴射口３８１を通じて圧縮空気が排出されるようにする。

液滴吐出装置１００は、ハウジング３８に圧縮空気を提供するために空気タンク１６とハウジング３８を連結する第２空気配管４０を含む。第２空気配管４０の端部は、ハウジング３８の垂直部３８５に連結され得る。そして、空気タンク１６とハウジング３８との間の第２空気配管４０には圧縮空気の通過を制御するソレノイドバルブ４２が設置される。

液体配管２０を通じてノズルチップ３６に液体が供給されると、下部ノズル３６２の端部に液滴が形成される。この時、液滴に作用する重力よりも液滴の表面張力が大きいため、液滴は下に落ちずに下部ノズル３６２の端部にくすぶっているようになる。そして、第２空気配管４０を通じてハウジング３８内部の通路３８２に圧縮空気が提供されると、下部ノズル３６２を囲む噴射口３８１を通じて圧縮空気が噴射される。
圧縮空気が噴射される方向は液滴を下へ押し落とす方向であり、噴射口３８１が下部ノズル３６２の周方向に沿って切れずに連結されて形成されることによって液滴に向かった力の分布が均一になる。その結果、下部ノズル３６２の端部にくすぶった液滴に向かって下方に均一な力が作用する。
もし、圧縮空気により作用する力が一側に偏ると、液滴が垂直に下降せずに一側に偏って落下するため、所望の位置に正確に液滴を吐出し難しい。しかし、本実施例では噴射口３８１形成で下部ノズル３６２の周方向に沿って一定幅の空間が提供されることによって液滴に作用する力を均一にすることができる。従って、液滴を垂直に下降させて液滴を所望の位置に正確に吐出することができる。

一方、図３では第１ノズル２２に一つのズルチップ３６と一つの噴射口３８１が提供される例を示したが、ノズルチップと噴射口は複数で備えられても良い。図４は、図１に示した液滴吐出装置中の第１ノズルの他の実施例を示す部分切開斜視図である。図４では便宜上ハウジングの４つの垂直部中の一つ垂直部の図示を省略した。
図４を参照すれば、第１ノズル２２１には複数のズルチップ３６ａが互いに離隔して並んで配置され、ハウジングの第２水平部３８４にはそれぞれのズルチップ３６ａ毎にこれに相応する噴射口３８１が形成される。複数のズルチップ３６ａは、液体配管から分岐された分岐管で構成され、互いに同量の液体を受けて下側端部に液滴がくすぶった後、これを下へ吐出させる。

図１を参照すれば、電動ピペット５０は、シリンダー５２とピストン５４を備え、液体を貯蔵する注射器５６と、ピストン５４に結合されてピストン５４を駆動させることによって液体を押し出す駆動モータ５８と、シリンダー５２端部に設置されて液体を排出する第２ノズル６０とを含む。駆動モータ５８は、ステップモータ（ｓｔｅｐｍｏｔｏｒ）であってもよく、駆動モータ５８とピストン５４の作動により液体を押し出して第２ノズル６０に液滴を吐出させる。また、電動ピペット５０は、ピストン５４の反対方向駆動時に第２ノズル６０を通じて注射器５６内部に液体を吸入する。

前述した構成の液滴吐出装置１００は、空圧吐出機１０と電動ピペット５０を共に備えることによって吐出流量に合わせて空圧吐出機１０と電動ピペット５０のうちのいずれか一つを選択して駆動する。従って、液滴吐出装置１００は、多様な流量の液滴を精密に分注することができ、バイオ機器のみならず液滴吐出が要求される多様な分野の精密機器に容易に適用され得る。
また、空圧吐出機１０は、目標物質と接触しない状態で液滴を吐出するため、目標物質と接触し難い状況（例えば、高温環境や損傷され易い物質の使用）に使用することができ、空圧吐出機１０を使用する度にノズルチップ３６を交替する必要がない。空圧吐出機１０が吐出する液滴の第１流量は、最小１μｌから貯蔵チャンバー１２の最大貯蔵容量（例えば５０ｍｌ）に達する範囲になり得、空圧吐出機１０は、０．１μｌ単位で第１流量を調節することができる。

電動ピペット５０は、液滴の分注のみならず液体の吸入も可能であるため、薬品の伝達、分配および洗浄機能を全て有する。また、駆動モータ５８が精密電動機からなる場合、最小０．１μｌの微細流量を精密に分注することができ、電動ピペット５０は０．０２μｌ単位で第２流量を調節することができる。

図５は、本発明の一実施例による液滴吐出装置中の空圧吐出機のノズルチップに液滴がくすぶった状態を示す写真であり、図６は、図５の空圧吐出機を利用してマイクロプレート（９６−ｗｅｌｌｐｌａｔｅ）上に１μｌの液滴を落とした状態を示す写真である。
図５と図６を参照すれば、空圧吐出機により１μｌの液滴が一定の間隔にマイクロプレート上に精密に分注された状態を確認することができる。

図７は、本発明の一実施例による液滴吐出装置中の電動ピペットの第２ノズルに液体が吸入された状態を示す写真であり、図８は、図７の電動ピペットを利用してマイクロプレート（９６−ｗｅｌｌｐｌａｔｅ）上に１μｌの液滴を落とした状態を示す写真である。電動ピペットの場合、目標物質にノズルチップを接触した後に分注すれば１μｌよりも小さい流量の液滴も精密に分注することができる。図７と図８では目標物質と接触なしに１μｌの液滴を落とした状態を示した。
図５乃至図８のテストに使用された液体は脱イオン水である。

以上で本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。

１０空圧吐出機
１２貯蔵チャンバー
１４第１空気配管
１６空気タンク
１８レギュレーター
２０液体配管
２２第１ノズル
２４ピンチバルブ
２６精密流量計
３４表示部
４０第２空気配管
４２ソレノイドバルブ
５０電動ピペット
５２シリンダー
５４ピストン
５６注射器
５８駆動モータ
６０第２ノズル
１００液滴吐出装置

Claims

第１流量の液滴を吐出するための空圧吐出機、および前記第１流量と同量または少量の第２流量の液滴を吐出または吸入するための電動ピペットを含み、
前記空圧吐出機は、
液体を貯蔵する貯蔵チャンバー；
第１空気配管を通じて前記貯蔵チャンバーと連結され、前記貯蔵チャンバーに圧縮空気を提供して前記貯蔵チャンバーの液体を外部に押し出す空気タンク；および
液体配管を通じて前記貯蔵チャンバーと連結され、前記貯蔵チャンバーから押し出された液体を受けて液滴を吐出する第１ノズル
を含む、液滴吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記空気タンクと前記貯蔵チャンバーとの間の前記第１空気配管に設置されて圧縮空気の圧力を調節するレギュレーターをさらに含む、請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記貯蔵チャンバーは、
密閉構造を有し、前記第１空気配管と連結されるチャンバー本体；および
前記チャンバー本体の内部に位置し、液体を貯蔵し、上部に開放端を形成する貯蔵容器
を含み、
前記液体配管の一部が前記チャンバー本体を貫通し、前記開放端を経て前記貯蔵容器の内側に延長される、請求項１に記載の液体吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記貯蔵チャンバーと前記第１ノズルとの間の前記液体配管に設置されて液体配管の開閉を制御するピンチバルブをさらに含む、請求項３に記載の液滴吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記ピンチバルブと前記第１ノズルとの間の前記液体配管に設置されて分注された液体の流量を感知する精密流量計をさらに含む、請求項４に記載の液滴吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記精密流量計から液体の流量情報を受けて流量情報を表示する表示部をさらに含む、請求項５に記載の液滴吐出装置。
前記第１ノズルは、
前記液体配管から液体を受け、一側端部が開放されて液滴を吐出するノズルチップ；および
前記ノズルチップの開放された端部と離隔して前記ノズルチップの上部を囲み、前記ノズルチップの開放された端部に向かって圧縮空気を噴射する噴射口を形成するハウジング
を含む、請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記空気タンクと前記ハウジングを連結して前記ハウジングに圧縮空気を提供する第２空気配管をさらに含む、請求項７に記載の液滴吐出装置。
前記空圧吐出機は、前記空気タンクと前記ハウジングとの間の前記第２空気配管に設置されて圧縮空気の流れを制御するソレノイドバルブをさらに含む、請求項８に記載の液滴吐出装置。
前記噴射口は、前記ノズルチップの外径よりも大きい直径を有し、前記ノズルチップが前記噴射口の中央を貫通して前記ノズルチップの周方向に沿って一定幅の空間が提供される、請求項７に記載の液滴吐出装置。
前記ハウジングは、その内部に圧縮空気が流れる通路を形成し、前記通路は、前記噴射口と連結されて前記ノズルチップを囲む前記噴射口の空間に圧縮空気を噴射する、請求項１０に記載の液滴吐出装置。
前記電動ピペットは、
シリンダーとピストンを備えた注射器；
前記ピストンに結合されて前記ピストンを直線移動させる駆動モータ；および
前記シリンダーの端部に設置され、前記ピストンの移動に応じて液体を吐出または吸入するノズルチップ
を含む、請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記第１流量は、最小１μｌから０．１μｌ単位に増加し、前記第２流量は、最小０．１μｌから０．０２μｌ単位に増加する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。