JP3669942B2

JP3669942B2 - 分注装置

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Publication number: JP3669942B2
Application number: JP2001180212A
Authority: JP
Inventors: 純一川那辺; 共之吉村; 中陽周; 博樹齋藤
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP2002372545A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分注装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば検体（試料）や試薬（薬液）等の少量の液体を分注する分注装置が知られており、例えば血液分析検査やバイオ工学における分析を行う際等に使用されている。
【０００３】
このような分注装置は、ポンプ空間（例えばピストンポンプでは、シリンダとピストンとで画成される空間）の容積を増減して気体（空気）を吸入／吐出するポンプと、前記ポンプ空間に連通する内腔を有するノズルとを備えている。なお、このノズルは、通常、ディスポーザブルのチップになっている。
【０００４】
そして、この分注装置は、前記ポンプを作動させポンプ空間の容積を増大させることにより、ポンプ空間やノズルの内腔等にある気体を介して、ノズルの内腔に液体を吸入する。次いで、ポンプ空間の容積を減少させることにより、吸入した液体をノズルの先端開口から吐出し、１箇所または複数箇所に分注する。
【０００５】
近年、前述したような検査・分析等においては、使用する検体や試薬の量の微量化が進行している。これに伴なって、分注装置は、１回の液体吐出量の微量化が要望されている。
【０００６】
しかしながら、従来の分注装置は、液体吐出量を十分に少なくすることができなかった。例えば、分注する液体が水である場合には、液体吐出量を１０μＬ程度以下にすることができなかった。
【０００７】
すなわち、従来の分注装置では、例えば、水を５μＬだけ吐出しようとして、ポンプの作動によりポンプ空間の容積を５μＬだけ減少させた場合、ノズルの内腔やポンプ空間等にある気体が圧縮されるのみで、ノズル内の水を先端開口から吐出することができなかった。
【０００８】
そして、この状態からさらにポンプ空間の容積を減少させて、無理に吐出した場合には、目標とした吐出量（５μＬ）よりも多量に吐出されてしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の分注装置よりも少ない量の液体を吐出することができる分注装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（３）の本発明により達成される。
【００１１】
（１）内部に画成されたポンプ空間の容積を増減して気体を吸入／吐出するポンプと、
前記ポンプ空間と連通する内腔を有するノズルとを備え、
前記ポンプの作動により、前記気体を介して前記ノズルの内腔に液体を吸入し、吸入した液体を前記ノズルの先端部が空中にある状態で吐出し、分注する分注装置であって、
下記式（Ｉ）により定められるＭが１×１０^-9ｍ³未満であることを特徴とする分注装置。
Ｍ＝Ｖ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）
（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態における前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続した内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］は、水の表面張力を表す。）
【００１２】
（２）前記ノズルの先端開口の内径が、０．１〜２ｍｍである上記（１）に記載の分注装置。
【００１３】
（３）前記ノズルは、装置本体に対し着脱自在に設置されている上記（１）または（２）に記載の分注装置。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の分注装置を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の分注装置の実施形態（液体を吸入する前の状態）を示す縦断面図、図２は、図１に示す分注装置（吐出動作前の状態）の縦断面図、図３は、図１に示す分注装置（吐出動作後の状態）の縦断面図、図４は、ノズルの先端部を拡大して示す縦断面図である。なお、以下の説明では、図１ないし図４中の上側を「基端」、下側を「先端」と言う。
【００１８】
図１に示す分注装置１は、ポンプ２と、ノズル（ノズルチップ）３と、ノズル取付部４と、気体流路５とを有しており、例えば、血液分析検査やバイオ工学における分析等において、血清等の検体や試薬（薬液）等の液体を分注するものである。以下、各部の構成について説明する。
【００１９】
図１に示すように、ポンプ２は、ピストンポンプ（シリンジポンプ）であり、シリンダ２１と、該シリンダ２１の内部に設置されたピストン２２とを有している。
【００２０】
ピストン２２は、シリンダ２１の内部をシリンダ２１の軸方向に沿って移動可能になっている。このピストン２２の移動により、シリンダ２１とピストン２２とで囲まれて形成された（画成された）ポンプ空間２３の容積が増減する。ポンプ２は、このポンプ空間２３の容積（以下、「ポンプ空間容積」と言う。）の増減により、気体（空気）を吸入／吐出する。
【００２１】
ピストン２２は、例えば、送りネジ（ボールネジ）とこれを回転するサーボモータ（ステッピングモータ）とを有する駆動機構（図示せず）により、ピストンロッド２４を介して駆動（移動）されるようになっている。
【００２２】
ポンプ空間２３からは、これに連通する気体流路５が延びている。この気体流路５は、ノズル取付部４にまで続いて形成されている。
【００２３】
ノズル取付部４には、後述するノズル３を着脱自在に取り付け可能になっている。
【００２４】
ノズル３は、ほぼ筒状（円筒状）をなし、内腔３１と、先端開口（先端開口部）３２と、基端開口（基端開口部）３３とを有している。このノズル３は、好ましくは、その軸方向が上下方向となるように設置されている。また、ノズル３は、その少なくとも一部に、先端方向に向かって内径および外径が漸減する部分を有しているのが好ましい。
【００２５】
このノズル３は、例えば、その基端開口（基端開口部）３３にノズル取付部４が挿入、嵌合することにより、ノズル取付部４に取り付けられており、基端開口３３とノズル取付部４との間では、気密性が保たれている。このような構成により、ノズル３の内腔３１は、気体流路５を介して、ポンプ空間２３に連通している。また、ポンプ空間２３、内腔３１および気体流路５を含む内部空間は、先端開口３２以外では閉じた空間（閉空間）になっている。
【００２６】
ノズル３は、ノズル取付部４に対し、着脱自在になっており、異なる液体を分注する際には、ノズル３を交換することによりコンタミネーションを防止することができる。また、ノズル３は、好ましくは、例えば各種樹脂材料等で構成されており、ディスポーザブルとなっている。
【００２７】
ノズル３の先端開口３２の内径ｄは、特に限定されないが、０．１〜２ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．８ｍｍであることがより好ましく、例えば０．４ｍｍとすることができる。
【００２８】
先端開口３２の内径ｄが前記下限値より小さいと、液体２０が先端開口３２を通過する抵抗が大きくなって、液体２０の種類等によっては、液体２０を吐出しにくくなる場合がある。
【００２９】
先端開口３２の内径ｄが前記上限値より大きいと、液体２０の種類等によっては、液体２０を精度良く（正確な量で）吐出することができない場合がある。
【００３０】
このような分注装置１は、ポンプ２およびノズル３を含む分注ヘッドを３次元方向に移動する分注ヘッド移動機構（図示せず）を有しており、該分注ヘッド移動機構により、ポンプ２およびノズル３を分注する液体２０の吸入箇所（貯留部１０）と吐出箇所（図示せず）とに移動する。
【００３１】
液体２０を吸入する前の状態では、図１に示すように、ピストン２２がシリンダ２１の先端部付近に位置し、ポンプ空間容積が小さい状態になっている。
【００３２】
液体２０を吸入する際には、図１に示す状態から、前記分注ヘッド移動機構の作動により、ポンプ２およびノズル３を下降させて、ノズル３の先端開口３２を貯留部１０に貯留された液体２０に浸す。次いで、ピストン２２をシリンダ２１に対し基端方向に移動してポンプ空間容積を増大させ、ポンプ空間２３に気体を吸入する。これにより、ポンプ空間２３、気体流路５および内腔３１内にある気体が負圧となり、この負圧によって、図２に示すように、液体２０は、ノズル３の内腔３１に吸入され、蓄えられる。
【００３３】
このように、分注装置１は、ポンプ空間２３、気体流路５および内腔３１内にある気体を介して、液体２０をノズル３の内腔３１に吸入する。液体２０を吸入した状態で、ポンプ空間２３、気体流路５および内腔３１内にある気体を、以下、「介在気体」と言う。
【００３４】
ノズル３の内腔３１に蓄えられた液体２０を先端開口３２から吐出（排出）する際には、図３に示すように、ノズル３の先端部（先端開口３２）が空中にある状態で、ピストン２２をシリンダ２１に対し先端方向に移動する。なお、図３中では、移動前（吐出動作前）のピストン２２を一点鎖線で示し、移動後（吐出動作後）のピストン２２を実線で示す。
【００３５】
このピストン２２の移動により、ポンプ空間容積が減少し、ポンプ空間２３から気体が吐出され、介在気体の圧力が高まる。これにより、内腔３１にある液体２０の上側の液面２０２が介在気体に押圧されるようにして、液体２０が先端開口３２から吐出される。
【００３６】
このようにして先端開口３２から吐出された液体２０は、ノズル３の先端部に付着した状態となる。この状態で、前記分注ヘッド移動機構を作動してノズル３の先端部を吐出先の容器に接触させ、これにより、吐出された液体２０を吐出先の容器に付与する。または、吐出した液体２０を吐出先の容器に滴下（落下）させることとしてもよい。
【００３７】
このような吐出動作において、先端開口３２から吐出される液体２０の量（以下、この量を「液体吐出量」と言う。）は、ポンプ空間容積の減少量ΔＶ（図３参照）にほぼ等しい。逆に言えば、液体吐出量を例えばＶ₁とするには、吐出動作におけるポンプ空間容積の減少量ΔＶが目標とする液体吐出量Ｖ₁とほぼ等しくなる（ΔＶ≒Ｖ₁となる）ように、ピストン２２を移動する。
【００３８】
ところが、このような吐出動作においては、液体吐出量をある程度以下にすることはできず、従来の分注装置では、例えば液体２０が水である場合には、液体吐出量を１０μＬ程度以下にすることはできなかった。すなわち、従来の分注装置では、例えば５μＬの液体２０（水）を吐出しようとして、吐出動作においてポンプ空間容積を５μＬだけ減少させたような場合、介在気体が圧縮されるのみで、ノズルの先端開口から液体２０（水）を吐出することができなかった。
【００３９】
これに対し、本発明では、以下に述べるような構成により、従来の分注装置よりも少ない量の液体２０を吐出することができる。
【００４０】
本発明の分注装置１は、液体２０を吸入する前の状態（図１に示す状態）におけるポンプ空間２３およびノズル３の内腔３１を含む連続した内部空間の容積をＶ₀［ｍ³］、ノズル３の先端開口３２の内径をｄ［ｍ］、標準大気圧をＰ₀［Ｐａ］、水の表面張力をσ_W［Ｎ／ｍ］としたとき、下記式（Ｉ）により定められるＭが１×１０^-9ｍ³未満（Ｍ＜１μＬ）となるように構成されている。
Ｍ＝Ｖ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）
前記Ｖ₀は、ポンプ空間２３および内腔３１に加えて、これらに連通するすべての部分（気体流路５等）を含んだものの容積である。よって、例えば、ポンプ空間２３と内腔３１との間に凹部、分岐路等がある場合には、これらの容積もすべて含まれる。すなわち、このＶ₀は、分注系のデッドボリュウムを意味するものである。
【００４１】
また、本明細書中では、標準大気圧Ｐ₀は、１０１．３×１０³Ｐａとし、水の表面張力σ_Wは、７３×１０^-3Ｎ／ｍとする。
【００４２】
このような構成により、分注装置１は、液体２０が水である場合、液体吐出量を最少でほぼ１μＬとすることができる。
【００４４】
次に、本発明者らが以上説明したような本発明を完成するに到った経緯について説明する。
【００４５】
本発明者らは、前述したように液体吐出量をある程度以下にすることができない原因は、先端開口３２付近における液体２０の液面２０１に作用する表面張力にあることを見出した。
【００４６】
液体２０が先端開口３２から吐出される直前の状態では、図４に示すように、液体２０は、その表面張力により先端開口３２においてほぼ球面状の液面２０１を形成する。
【００４７】
この液面２０１は、図２に示す状態からピストン２２が徐々に先端方向に移動してポンプ空間容積が減少していくと、上側の液面２０２が介在気体に押圧されることにより、図４中の一点鎖線Ａで示すような状態や図４中の実線で示す状態を経て、図４中の一点鎖線Ｂで示すような状態へと膨らんでいく。
【００４８】
このような液面２０１が形成されている状態では、液面２０１に作用する表面張力により、液体２０の圧力は、液面２０１より外側の圧力、すなわち、大気圧Ｐ₀よりも大きくなる。よって、表面張力による圧力の増分をΔＰ_Lとすると、内腔３１にある液体２０の圧力は、（Ｐ₀＋ΔＰ_L）となる。
【００４９】
この圧力の増分ΔＰ_Lは、液体２０の表面張力をσ［Ｎ／ｍ］、液面２０１の曲率半径をｒ［ｍ］としたとき、２σ／ｒとなる。すなわち、ΔＰ_Lは、液面２０１の曲率半径が小さいほど大きくなる。
【００５０】
液体２０が先端開口３２から吐出される過程において、液面２０１の曲率半径が最も小さくなるのは、図４中の一点鎖線Ａで示す状態や一点鎖線Ｂで示す状態と比較して分かるように、図４中の実線で示す状態、すなわち、先端開口３２から液面２０１が半球状に突出する状態である。このときの液面２０１の曲率半径ｒは、ｄ／２になる。
【００５１】
よって、液面２０１に作用する表面張力による圧力の増分ΔＰ_Lは、ｒ＝ｄ／２のときに、最大となり、その最大値は、４σ／ｄとなる。すなわち、液体２０が先端開口３２から吐出される過程において、内腔３１にある液体２０の圧力は、最大で（Ｐ₀＋４σ／ｄ）となる。
【００５２】
以上述べたようなことから、本発明者らは、例えばＶ₁の量の液体２０を先端開口３２から吐出するには、図２に示す状態からポンプ空間容積をΔＶ≒Ｖ₁であるようなΔＶだけ減少させた場合に、介在気体の圧力が（Ｐ₀＋４σ／ｄ）を超える必要があり、これを超えることができないと、上側の液面２０２に作用する介在気体の圧力よりも、下側の液面２０１に作用する大気圧および表面張力の方が勝ってしまい、液体２０を先端開口３２から吐出することができない、ということを見出した。
【００５３】
そこで、本発明者らは、図２に示す吐出動作前の状態と、図３に示す吐出動作後の状態とを比較して、ポンプ空間容積をΔＶだけ減少させたときの介在気体の圧力を算出し、この圧力が（Ｐ₀＋４σ／ｄ）を超えるための条件を以下のように求めた。
【００５４】
内腔３１に吸入した液体２０が少量である場合には、吐出動作前における介在気体の体積および圧力は、それぞれ、前記Ｖ₀（分注系のデッドボリューム）および大気圧Ｐ₀で近似することができる。よって、図２に示す吐出動作前の状態における介在気体の圧力、体積をそれぞれＰ₀、Ｖ₀とした。
【００５５】
図３に示す吐出動作後の状態では、介在気体の体積は、ポンプ空間容積がΔＶ減少することにより、（Ｖ₀−ΔＶ）となる。また、吐出動作前に対する吐出動作後の介在気体の圧力の増分をΔＰ_Gとする。よって、吐出動作後の介在気体の圧力は、（Ｐ₀＋ΔＰ_G）となる。
【００５６】
このとき、これらの間に下記式（II）が成り立つ。
Ｐ₀・Ｖ₀ ⁿ＝（Ｐ₀＋ΔＰ_G）・（Ｖ₀−ΔＶ）ⁿ ・・・（II）
【００５７】
前記式（II）において、ｎは、介在気体の比熱比をγとしたとき、１≦ｎ≦γなる自然数である。介在気体が吐出動作前後で等温変化する場合には、ｎ＝１で前記式（II）が成り立ち、断熱変化する場合には、ｎ＝γで前記式（II）が成り立つ。
【００５８】
ここでは、介在気体を空気であるとして、比熱比γを１．４とする。また、実際上は、介在気体の状態変化は、等温変化と断熱変化との中間の変化となるため、ｎ＝１．２で前記式（II）が成り立つものとした。よって、ｎ＝１．２として、式（II）を変形すると下記式（III）が得られる。
ΔＰ_G＝Ｐ₀（１−ΔＶ／Ｖ₀）^-1.2−Ｐ₀ ・・・（III）
【００５９】
液面２０１の表面張力が問題となるのは、ポンプ空間容積の減少量ΔＶ（≒液体吐出量）が微量のときであるため、ここでは、ΔＶは、Ｖ₀よりも十分に小さいとしてよい。よって、式（III）においてΔＶ／Ｖ₀≪１であるとすると、近似的に下記式（IV）が得られる。
ΔＰ_G≒１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀ ・・・（IV）
【００６０】
前記式（IV）より、吐出動作後の介在気体の圧力は、（Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀）となる。よって、液体２０が吐出されるための条件は、この吐出動作後の介在気体の圧力（Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀）が、前記液体２０の最大圧力（Ｐ₀＋４σ／ｄ）を超えること、すなわち、下記式（Ｖ）となる。
Ｐ₀＋１．２Ｐ₀・ΔＶ／Ｖ₀＞Ｐ₀＋４σ／ｄ・・・（Ｖ）
【００６１】
この式（Ｖ）を変形すると、下記式（VI）が得られる。
ΔＶ＞Ｖ₀・σ／（０．３Ｐ₀・ｄ）・・・（VI）
【００６２】
前記式（VI）が本発明者らの見出した、液体２０を吐出するための条件式である。前記式（VI）によれば、吐出動作におけるポンプ空間容積の減少量ΔＶがＶ₀・σ／（０．３Ｐ₀・ｄ）より大きい場合には、液体２０を先端開口３２から吐出することができ、ΔＶにほぼ等しい液体吐出量が得られることが分かる。すなわち、吐出可能な最少の液体吐出量は、ほぼＶ₀・σ／（０．３Ｐ₀・ｄ）であることが分かる。
【００６３】
液体２０が水である場合には、前記式（VI）においてσ＝σ_Wとすることにより、下記式（VII）が得られる。
ΔＶ＞Ｖ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）・・・（VII）
【００６４】
前記式（VII）によれば、液体２０が水である場合には、吐出動作におけるポンプ空間容積の減少量ΔＶがＶ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）より大きい場合には、液体２０（水）を先端開口３２から吐出することができ、ΔＶにほぼ等しい液体吐出量が得られることが分かる。すなわち、液体２０が水である場合には、吐出可能な最少の液体吐出量は、ほぼＶ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）であることが分かる。
【００６５】
ここで、前記式（VII）の右辺は、前記Ｍに等しい。よって、Ｍ＜１μＬであると、ΔＶ≧１μＬとなり、前述したように、液体２０が水である場合には、液体吐出量を最少でほぼ１μＬとすることができることが導かれる。
【００６６】
以上、本発明の分注装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、分注装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。
【００６７】
例えば、ポンプ２は、図示のようなピストンポンプに限らず、ポンプ空間の容積を増減して気体を吸入／吐出するものであればいかなるものであってもよい。
【００６８】
また、以上では、分注する液体が水である場合を中心に説明したが、本発明では、水以外の液体を分注する場合であっても、従来の分注装置よりも少ない量の液体を吐出することができる。
【００６９】
なお、吐出可能な液体吐出量は、液体の表面張力によって異なり、表面張力の大きいものほど吐出可能な液体吐出量が少なく、逆に、表面張力の小さいものほど吐出可能な液体吐出量が多い。よって、水以外の液体を分注する場合、吐出可能な液体吐出量は、通常、前述した値とは異なるものとなる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来の分注装置よりも少ない量の液体を吐出することができる。また、より精確な（精度の良い）分注をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分注装置の実施形態（液体を吸入する前の状態）を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す分注装置（吐出動作前の状態）の縦断面図である。
【図３】図１に示す分注装置（吐出動作後の状態）の縦断面図である。
【図４】ノズルの先端部を拡大して示す縦断面図である。
【符号の説明】
１分注装置
２ポンプ
２１シリンダ
２２ピストン
２３ポンプ空間
２４ピストンロッド
３ノズル
３１内腔
３２先端開口
３３基端開口
４ノズル取付部
５気体流路
１０貯留部
２０液体
２０１、２０２液面

Claims

内部に画成されたポンプ空間の容積を増減して気体を吸入／吐出するポンプと、
前記ポンプ空間と連通する内腔を有するノズルとを備え、
前記ポンプの作動により、前記気体を介して前記ノズルの内腔に液体を吸入し、吸入した液体を前記ノズルの先端部が空中にある状態で吐出し、分注する分注装置であって、
下記式（Ｉ）により定められるＭが１×１０^-9ｍ³未満であることを特徴とする分注装置。
Ｍ＝Ｖ₀・σ_W／（０．３Ｐ₀・ｄ）・・・（Ｉ）
（式中、Ｖ₀［ｍ³］は、液体を吸入する前の状態における前記ポンプ空間および前記ノズルの内腔を含む連続した内部空間の容積、ｄ［ｍ］は、前記ノズルの先端開口の内径、Ｐ₀［Ｐａ］は、標準大気圧、σ_W［Ｎ／ｍ］は、水の表面張力を表す。）
前記ノズルの先端開口の内径が、０．１〜２ｍｍである請求項１に記載の分注装置。
前記ノズルは、装置本体に対し着脱自在に設置されている請求項１または２に記載の分注装置。