JP3701594B2 - 液滴吐出方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を加圧室内で加圧することで微小液滴として吐出口から吐出する液滴吐出装置を用いた液滴吐出方法に係り、特に間歇的に加圧動作を繰り返して前記微小液滴を複数回に渡り吐出するための液滴吐出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の液滴吐出方法は、例えば、特開2001−186880号公報に開示されている。この公報に開示された技術は、DNA断片を含む液体(DNA断片の溶液)を加圧室に充填するとともに加圧室の壁面に備えられた圧電/電歪素子を駆動し、これにより加圧室の容積を変化させて加圧室内の液体を加圧し、以って、加圧室に連通した吐出口から同液体を微小液滴として吐出することにより、前記吐出口に対向配置された顕微鏡スライドガラス等の基板上に液滴を形成するようになっている。また、この液滴吐出方法は、一回の加圧動作(吐出動作)によって吐出される液滴量を微量とするとともに、同加圧動作を間歇的に繰り返すことで、前記基板上の同一箇所に対して複数回にわたり微小液滴を滴下し、この加圧動作の回数を調整することで前記基板上に形成される一つの液滴の量、及び/又は同液滴の直径を精密に制御するようになっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記開示された液滴吐出方法においては、各加圧動作における加圧速度(加圧手段が圧電/電歪素子である場合には印加電圧の変化速度)を一定とし、従って、吐出される微小液滴の吐出速度を一定の速度としている。このため、例えば、DNA断片を含む液体のように、粘度が時間経過とともに変化する液体を吐出する場合、加圧速度をその粘度が高い場合に対し適切な値に設定しておくと、同粘度が低い状態の液体を吐出する際に吐出力が過大となって、吐出口端部において更に微小な液滴が吐出の主方向とは異なる方向に飛散し、場合によっては基板上で隣接する他の液滴に到達してしまうという問題がある。一方、上記飛散を回避するために、前記加圧速度を液体の粘度が低い場合に対し適切な値に設定すると、粘度が高い状態の液体を吐出する際に吐出力が過小となって、液滴吐出方向が狙いとする方向とは異なる場合が生じるという問題がある。
【0004】
【本発明の概要】
本発明は、上記課題に対処するためになされたものであって、本発明によれば、吐出口を有するとともに粘度が時間経過とともに大きくなる液体を充填する加圧室と、前記液体を前記加圧室内にて加圧するための加圧手段とを備え、前記加圧手段の一回の加圧動作により前記液体を実質的に一つの微小液滴として前記吐出口から吐出するように構成した液滴吐出装置を用いる液滴吐出方法であって、前記一回の加圧動作を間歇的に繰り返して複数の微小液滴を吐出するとともに、前記繰り返される加圧動作間の時間が長いほど前記加圧手段による前記液体の加圧速度を大きくした液滴吐出方法が提供される。
【0005】
これによれば、加圧動作間の時間が長くなるほど、即ち、吐出しようとする液体の粘度が高くなるほど、前記液体の加圧速度が大きくなるので、各微小液滴の吐出に適切な加圧速度を設定することができ、上記液滴の飛散、及び液滴吐出方向のずれの発生を回避することが可能となる。
【0006】
この場合、前記間歇的な微小液滴の吐出を同一箇所に対して行い、同箇所に一つの液滴を形成することが好適である。
【0007】
これによれば、例えば、前記吐出口に対向配置された基板上に適量、及び/又は適切な直径を有する一つの液滴を形成することができるので、DNA断片、或いはプロテイン(抗体を含む)等の生体物質の溶液等からなる検出ポイント(スポット)を基板上に有する検出チップを容易に製造することができる。
【0008】
また、上記液滴吐出方法においては、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が所定時間より長いとき第1の加圧速度にて前記液体を加圧して吐出し、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が前記所定時間より短いとき第1の加圧速度よりも小さい第2の加圧速度にて前記液体を加圧して吐出することが好適である。
【0009】
これによれば、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が所定時間より長いとき、即ち、吐出しようとする液体の粘度が高いとき、相対的に大きい第1の加圧速度にて同液体を加圧して吐出するので、液滴吐出方向を狙いとする方向に維持することができる。一方、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が前記所定時間より短いとき、即ち、吐出しようとする液体の粘度が低いとき、相対的に小さい第2の加圧速度にて同液体を加圧して吐出するので、吐出口端部において発生する前記液滴の飛散を回避することができる。
【0010】
また、前記加圧手段が付与される電圧に応じて前記加圧室の容積を変化させる圧電/電歪素子である場合、前記第1の加圧速度で前記液体を加圧するときは前記電圧の変化速度を第1の電圧増大速度に設定し、前記第2の加圧速度で前記液体を加圧するときは前記電圧の変化速度を前記第1の電圧増大速度よりも小さい第2の電圧増大速度に設定することが好適である。
【0011】
また、上記何れかの場合、前記第2の加圧速度に対する前記第1の加圧速度の比は、1より大きく4.8以下の値に設定されることが望ましい。
更に、前記第1の加圧速度での加圧動作により吐出される微小液滴の初速度が0.1乃至10m/sの速度であることが好適である。
これらによれば、特に、DNA断片、或いはプロテイン(抗体を含む)等の生体物質の溶液等の液滴を基板上に高密度で形成することが可能となる。
【0012】
また、本発明によれば、
吐出口を有するとともに粘度が時間経過とともに大きくなる液体を充填する加圧室と、前記液体を前記加圧室内にて加圧するための加圧手段とを備え、前記加圧手段の一回の加圧動作により前記液体を実質的に一つの微小液滴として前記吐出口から吐出するように構成した液滴吐出装置のヘッドを、所定の位置に移動し、同位置にて前記一回の加圧動作を間歇的に繰り返して複数の微小液滴を吐出することにより液滴を形成する動作、を繰り返し行う液滴吐出方法であって、
前記所定の位置に移動した直後に行われる前記加圧動作における液体の加圧速度を、同所定の位置にてそれ以降に行われる前記加圧動作における液体の加圧速度より大きくしたことを特徴とする液滴吐出方法が提供される。
【0013】
このように、ヘッドの移動には、同一箇所で繰り返し吐出する場合の加圧動作間の時間より長い時間を要するので、ヘッド移動直後の最初の吐出のための加圧速度を同一箇所で繰り返し吐出する場合の加圧速度より大きくすれば、時間経過とともに粘度が増大する液体の状態に応じた加圧速度で同液体を加圧し、吐出することができる。その結果、液滴の飛散及び液滴吐出方向の狙いとした方向からのずれの発生を回避することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による液滴吐出方法の実施形態について説明すると、図1は本液滴吐出方法を用いて検出チップの一種であるDNAチップ10を作成する液滴吐出装置20の概略斜視図である。DNAチップ10は、スライドガラス基板11の上に互いに異なるDNA断片を含んだ複数(例えば、約3000個)の検出ポイント(スポット)12…12を整列配置してなり、遺伝子構造の解析等に利用されるものである。
【0015】
液滴吐出装置20は、平板状のヘッド20aと、ヘッド20aに一体的に設けられた支持部20bとを備えている。ヘッド20aは、図1において図示を省略したXYZθ移動装置(図8を参照)によって支持部20bが移動されることにより、基板11の平面に平行な面内であって互いに直交するX軸、及びY軸方向に移動するようになっている。
【0016】
図2に平面図を示したヘッド20aは、互いに同一構造を有する4個の第1〜第4モジュール21〜24を備えている。モジュール21〜24は、平面視で略長方形状を有していて、第1モジュール21と第2モジュール22、及び第3モジュール23と第4モジュール24は、それぞれ各長辺が互いに対向するように配置され、第1モジュール21と第3モジュール23、及び第2モジュール22と第4モジュール24は、それぞれ各短辺が互いに対向するように配置されている。以下、第1モジュール21を代表例として、その詳細構造について説明する。
【0017】
第1モジュール21は、その概略斜視図である図3に示したように、基部21aと一対の固定治具部21b,21bとを備えている。基部21aは平面視でX軸、及びY軸に沿って延びる辺を有する長方形状の薄板体であって、上面に複数個のマイクロピペット21c…21cを備えている。マイクロピペット21c…21cは12行2列に配列されていて、後述するように固定治具部21b,21bによって基部21a上に固定されるようになっている。
【0018】
マイクロピペット21cは、平面図である図4、及び図4の1−1線に沿った平面にてマイクロピペット21cを切断した断面図である図5に示したように、各辺が互いに直交するX軸,Y軸,及びZ軸に平行に延びる略直方体形状の基体30と、薄板状の加圧手段40と備えている。基体30は、順にZ軸正方向に積層・圧着される複数のセラミックスの薄板体(以下、「セラミックスシート」と称呼する。)31〜35からなり、加圧手段40は、セラミックスシート35の外側面(Z軸正方向側の面)に固着されている。基体30内には、液体供給通路30aと、加圧室(キャビティ)30bと、液体供給通路30aと加圧室30bとを連通する液体導入孔30cと、吐出口30dとが形成されている。
【0019】
液体供給通路30aは、セラミックスシート32に形成され、各辺がX軸、及びY軸方向に沿う略長方形の切欠き部の側壁面、セラミックスシート31の上面、及びセラミックスシート33の下面により画定された空間と、この空間に連通したセラミックスシート33〜35に設けられた円筒状の孔とにより形成されていて、吐出すべき溶液(DNA断片の溶液)がセラミックスシート35に設けられた前記孔側から供給されるようになっている。
【0020】
なお、DNA断片の溶液(DNA断片を含む液体)は、DNA断片をPCR機で増幅したPCR産物に3Msodium acetateとイソプロパノールとを加えて数時間放置した後に、同PCR産物を遠心機を用いて沈殿させ、これを乾燥して得られたDNA粉末に緩衝液(例えば、TEバッファ溶液)を加えて濃度を1〜10μg/μリットルとし、水、食塩水、モノマー、及び/又はポリマーを含む水溶液で希釈して得られるもので、空気に曝された状態においては溶媒が比較的早期に蒸発して、時間経過とともにその粘度が高くなる溶液である。
【0021】
再び、図5を参照すると、加圧室30bは、セラミックスシート34に形成され、各辺がX軸、及びY軸方向に沿う略長方形の切欠き部の側壁面、セラミックスシート33の上面、及びセラミックスシート35の下面により画定された空間と、この空間に連通したセラミックスシート33,32に設けられた円筒状の孔とにより形成されている。加圧室30bは、そのX軸正方向端部がセラミックスシート32に設けられた液体供給通路30aの上部にまで延びていて、同端部においてセラミックスシート33に設けられた小径円筒状の液体導入孔30cにより液体供給通路30aと連通している。また、吐出口30dは、セラミックスシート31に設けられた小径円筒状の孔であって、加圧室30bとマイクロピペット21cの外部とを連通するようになっている。
【0022】
加圧手段40は、薄板状の圧電/電歪素子41と、同圧電/電歪素子41の上面、及び下面にそれぞれ設けられた上部電極42、及び下部電極43とからなっている。上部電極42、及び下部電極43は、図4に示したように、それぞれ後述する圧電/電歪素子駆動装置(図8を参照)に接続されるパッド42a,43aを備えている。圧電/電歪素子41は、上部電極42と下部電極43の間に付与される電位差(印加電圧V)により作動してセラミックスシート35(加圧室30bの上壁30b1)を変形させ、これにより、加圧室30bの容積をΔVだけ変化させ、加圧室内の液体を加圧して吐出口30dから微小液滴として吐出するようになっている。
【0023】
一方、前述した基部21aには、図3に示したように、Y軸方向両端部に各一対の固定孔21a1…21a1が設けられるとともに、図5に示したように、前記マイクロピペット21c…21cが同基部21a上に整列配置された状態において同マイクロピペット21c…21cの各吐出口30d…30dに対応する位置に、同吐出口30d…30dの直径よりも十分に大きな直径を有する複数の(全24個の)貫通孔21a2…21a2が設けられている。
【0024】
固定治具部21b,21bの各々は、モジュール21の正面図である図6、及び同モジュール21の平面図である図7に示したように、各辺がX軸,Y軸,及びZ軸に沿って伸びる略直方体形状を有している。固定治具部21bは、図6に示したように、両端にボルト貫通孔21b1,21b1を備えていて、同ボルト貫通孔21b1,21b1と前記基部21aの固定孔21a1,21a1とを貫通するボルトB,Bにより基部21aに固定されるとともに、同固定治具部21bの下面と前記基部21aの上面との間に上記整列配置されたマイクロピペット21c…21cを挟持し、これらのマイクロピペット21c…21cを基部21aに固定するようになっている。
【0025】
また、固定治具部21bは、マイクロピペット21c…21cの各液体供給通路30a…30aに連通するとともに、中心軸線がZ軸方向に伸びる円筒中空状の液体通路21b2…21b2を備えるとともに、各液体通路21b2…21b2に液体を導くため同液体通路21b2…21b2の各上部に連通された中空逆円錐台状のチューブ21b3…21b3を備えている。
【0026】
次に、上記液滴吐出装置20を制御するシステムの概略について説明すると、図8にブロック図により示したように、同システムは複数準備された液滴吐出装置20の支持部20bの一つを選択して保持するとともに、同保持した支持部20bを移動させることでヘッド20aをX軸、及びY軸方向に移動する(必要に応じ、更にZ軸方向に移動するとともに、Z軸周りに角度θだけ回転する)XYZθ移動装置50と、同XYZθ移動装置50が保持している液滴吐出装置20(ヘッド20a)の前記複数のマイクロピペット21c…21cの各電極パッド42a,43aに接続されるとともに同電極パッド42a,43a間に液滴吐出のための駆動信号(印加電圧V)を付与するための圧電/電歪素子駆動装置55と、前記XYZθ移動装置50及び前記圧電/電歪素子駆動装置55とに接続された電気制御装置60とからなっている。電気制御装置60は、CPUを含むマイクロコンピュータであって、前記XYZθ移動装置50に移動指示信号を送出するとともに、前記圧電/電歪素子駆動装置55に前記印加電圧Vを付与するための駆動指示信号を送出するようになっている。
【0027】
次に、上記のように構成された液滴吐出装置20を用いた液滴吐出方法について、上記電気制御装置60のCPUが実行するプログラムを示した図9,図10,図12,及び図14、DNAチップ10のガラス基板11上に形成される検出ポイントの位置を示した図11、及び液体の加圧時(微小液滴の吐出時)における前記印加電圧Vの電圧波形を示した図13を参照しながら説明する。
【0028】
なお、本実施形態においては、図11に示したように、検出ポイントは一つのガラス基板11上に4行12列のブロック形状に形成される。各ブロックには、検出ポイントが8行(座標a〜a)8列(座標b〜b)に整列配置される。また、各液滴吐出装置20の吐出口30dの列間隔(図7の距離W)は、ガラス基板11の第1行aqから第3行aq(qは1〜8の整数)までの距離(例えば、ガラス基板11の第1行aから第3行aまでの距離)、及び第2行aqから第4行aqまでの距離と等しく、吐出口30dの同一行内で隣接する同吐出口30d間の距離(図7の距離L)は、同一行内にて隣接するブロックのbqからbqまでの距離(例えばガラス基板11の第1行第1列bから第1行第2列bまでの距離)と等しくなっている。
【0029】
また、本実施形態においては、kmax枚(例えば、20枚)のガラス基板11をマトリクス状に整列配置したパレットを1乃至30パレット準備し、各ヘッド20aは準備された全てのパレット上の各ガラス基板11上に必要な検出ポイントを形成した後に交換される。なお、以下においては、説明の便宜上、一つのパレットのみを使用してkmax枚のDNAチップを作成する例について説明する。
【0030】
先ず、合計で32個の第1番目〜第32番目のヘッド20a(液滴吐出装置20)を準備し、各ヘッド20aが有する各モジュール21〜24の各液体供給通路30aを介して各加圧室30bに互いに異なる種類のDNA断片の溶液を充填する。なお、DNAの溶液を各液体供給通路30aに注入する際には、図3に示したカートリッヂ21dが使用される。次いで、電気制御装置60の図示しない起動スイッチが投入されると、CPUは図9のステップ900から処理を開始してステップ905に進み、同ステップ905にて32種類のヘッド20aのうちの何れかを特定するための変数hに値「1」を設定するとともに、第1乃至第4モジュール21〜24の何れかを特定するための変数mに値「1」を設定する。
【0031】
次に、CPUはステップ910に進んでヘッドh(この場合、変数hの値は「1」であるから第1番目のヘッド)を保持するようにXYZθ移動装置50に指示信号を送出し、ステップ915に進んでパレット上のガラス基板11の一つを特定するための変数kに値「1」を設定し、その後、ステップ920に進んで変数hが奇数であるか否かを判定する。この場合、変数hは「1」であるから、CPUはステップ920にて「Yes」と判定してステップ925に進み、同ステップ925にて「第h番目のヘッドの第mモジュールの最もX軸負方向且つ最もY軸負方向に位置するマイクロピペット21cの吐出口30d(以下、この吐出口30dの位置を「基準位置」と称呼する。)を、図11に示したk番目(この場合は第1番目)のガラス基板11の第1行の座標(a,b(h+1)/2)=(a,b)の直上に移動する。この移動に要する時間Tint1は、後述するように、繰り返される加圧動作間の時間、即ち、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間の一つであり、約0.5秒〜6.0秒程要する。
【0032】
次いで、CPUはステップ930に進んで、DNA断片を含む溶液の第1吐出(第1噴射)を実施する。具体的には、CPUは図12に示した第1吐出ルーチンの処理をステップ1200から開始し、ステップ1205にてタイマTをリセットしてスタート(タイマTによる計時を開始)する。次いで、CPUはステップ1210に進み、第h番目のヘッドの第mモジュールが有する各マイクロピペット21cの上部電極42、及び下部電極43間に付与する印加電圧Vを第1の電圧増大速度であるV1/T1(例えば、60V/15μs)にて増大させる。
【0033】
そして、CPUはステップ1215にてタイマTが第1時間T1(例えば、15μs)を計時したか否かを判定し、タイマTが第1時間T1を計時していないときは、ステップ1210の処理を繰り返す。一方、タイマTが第1時間T1を計時すると、CPUはステップ1215にて「Yes」と判定してステップ1220に進む。なお、上記第1の電圧増大速度V1/T1は、吐出口30dの大きさ、加圧室30bの容量等、或いは、吐出しようとする溶液の粘度に応じて設定され、吐出口30dから吐出される微小液滴の初速度が0.1乃至10m/sの速度となるように設定されることが好適である。
【0034】
以上により、図13の時刻t1〜t2に示したように、印加電圧Vが第1時間T1だけV1/T1の変化速度にて上昇し、各マイクロピペット21cの加圧室30b内のDNA断片の溶液が前記第1の電圧増大速度に対応する第1の加圧速度で加圧され、吐出口30dから微小液滴として吐出される。この結果、図11の黒丸で示した第1番目のガラス基板11上の位置、即ち、第1行第n列(nは、1〜12の整数、以下同じ。)の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に液滴が付着する。
【0035】
ステップ1220に進んだCPUは、タイマTを再びリセット・スタートし、ステップ1225に進んで印加電圧Vを第1電圧V1(例えば、60V)に保持し、ステップ1230に進んでタイマTが第2時間T2(例えば、5μs)を計時したか否かを判定するとともに、タイマTが第2時間T2を計時していないときは、ステップ1225の処理を繰り返す。一方、タイマTが第2時間T2を計時すると、CPUはステップ1230にて「Yes」と判定してステップ1235に進む。以上により、図13の時刻t2〜t3に示したように、印加電圧Vが値V1にて第2時間T2だけ維持される。
【0036】
CPUはステップ1235に進むと、タイマTを再びリセット・スタートし、ステップ1240に進んで印加電圧Vを第1電圧減少速度であるV1/T3にて減少させ、続くステップ1245にてタイマTが第3時間T3(例えば、40μs)を計時したか否かを判定する。そして、タイマTが第3時間T3を計時していないときは、ステップ1240の処理を繰り返す。一方、タイマTが第3時間T3を計時すると、CPUはステップ1245にて「Yes」と判定してステップ1250に進む。以上により、図13の時刻t3〜t4に示したように、印加電圧Vが第3時間T3だけV1/T3(=60V/40μs)の変化速度にて減少し、各マイクロピペット21cの加圧室30b内の容積が増大(復帰)するので、液体供給通路30aから液体導入孔30cを介して加圧室30b内に液体が充填される。
【0037】
CPUはステップ1250に進むと、タイマTを再びリセット・スタートし、ステップ1255に進んで印加電圧Vを「0」に維持するとともに、続くステップ1260にてタイマTが第4時間T4(例えば、240μs)を計時したか否かを判定する。そして、タイマTが第4時間T4を計時していないときは、ステップ1255の処理を繰り返す。一方、タイマTが第4時間T4を計時すると、CPUはステップ1260にて「Yes」と判定してステップ1295に進み、第1吐出ルーチンを終了して図9のステップ935に戻る。以上により、図13の時刻t4〜t5の第4時間T4(=TC−(T1+T2+T3))間、印加電圧Vが「0」に維持される。
【0038】
次に、CPUは図9のステップ935にてカウンタCの値を「1」に設定し、ステップ940にて第2吐出を実施する。即ち、CPUは、図14に示した第2吐出ルーチンの処理をステップ1400から開始する。この第2吐出ルーチンは、第1吐出ルーチンに対し、ステップ1410における印加電圧の増大速度が第1の電圧増大速度より小さい第2の電圧増大速度V2/T5(=50V/15μs)であって液体が前記第1の加圧速度より小さい第2の加圧速度で加圧される点、ステップ1425において維持される印加電圧がV1より小さいV2(=50V)である点、及び、ステップ1440における電圧減少速度が第1電圧減少速度よりも小さい(緩やかな)第2電圧減少速度V2/T7(=50V/40μs)である点においてのみ相違している。従って、以下においては、各ステップの詳細説明を省略する。なお、実験によれば、前記第2の加圧速度(第2の電圧増大速度)に対する前記第1の加圧速度(第1の電圧増大速度)の比は、1より大きく4.8以下の値に設定されると液滴の吐出が良好に行われた。
【0039】
上記第2吐出ルーチンの処理が実行される結果、図13に示したように、時刻t5〜t6では、印加電圧Vが第5時間T5(=T1=15μs)だけV2/T5(=50V/15μs)の第2の電圧増大速度にて上昇し、各マイクロピペット21cの加圧室30b内のDNA断片を含む溶液が第1吐出時よりも緩やかに加圧され、吐出口30dから微小液滴として吐出される。この結果、図11の黒丸で示した第1番目(第k番目)のガラス基板11上の位置に液滴が追加される。また、時刻t6〜t7においては、印加電圧VがV2(=50V)に第6時間T6(=T2=5μs)だけ維持され、時刻t7〜t8においては、第7時間T7だけ印加電圧VがV2/T7(=50V/40μs)の減少速度にて減少され、その後、時刻t8〜t9の第8時間T8(=T4)だけ印加電圧Vが「0」に維持される。
【0040】
CPUは、図14のステップ1495に到達すると、図9のステップ945に進んでカウンタCの値を「1」だけ増大し、続くステップ950にて同カウンタCの値が所定値C1(ここでは、「5」に設定されている。)と等しくなったか否かを判定する。この時点においてカウンタCの値は「2」となっているから、CPUはステップ950にて「No」と判定してステップ940に戻り、再び第2吐出ルーチンを実行する。このような処理は、カウンタCの値が5になるまで繰り返されるので、第2吐出ルーチンによる液滴の吐出が合計で4回実行される。この結果、第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)の同一箇所(同一位置)に複数回に渡って液滴が吐出され、望ましい量、及び望ましい直径を有する検出ポイント(スポット)が形成される。
【0041】
その後、カウンタCの値が「5」となると、CPUはステップ950にて「Yes」と判定してステップ955に進み、同ステップ955にて変数mの値を「1」だけ増大し、ステップ960に進んで変数mの値が「5」となったか否かを判定する。この時点では、変数mの値は「2」であるから、CPUはステップ960にて「No」と判定してステップ920に戻り、変数hの値は「1」のままで変更されておらず奇数であるから、同ステップ920にて「Yes」と判定してステップ925〜950に進む。
【0042】
この結果、第1番目のヘッドの第2モジュールの基準位置が、第k番目のガラス基板の第1行の(a,b)の直上位置(図11において二重丸の位置)に移動される。かかる移動に要する時間(正確には、かかる移動に要する時間と前回の第2吐出の終了タイミングから同移動開始までの時間T8の和の時間)Tint1は、前記第1吐出の終了タイミングから同第1吐出に続く第2吐出の開始タイミングまでの時間(=T4)、及び連続する第2吐出開始タイミングと第2吐出開始タイミングとの間の時間(=T8)である時間Tint2よりも長い。換言すると、前記ヘッド20aの移動に要する時間Tint1は所定時間(一定時間)Tthより長く、時間Tint2は同所定時間Tthより短い。このため、ヘッド20aの位置が移動された直後においては、吐出口30d付近におけるDNA断片の溶液の粘度が前記第2吐出を行う直前の粘度より大きく(高く)なる。従って、先ず、同位置において1回の第1吐出ルーチンに基づく相対的に大きい加圧速度による液滴の吐出(第1吐出)を行い、次いで、合計で4回の第2吐出ルーチンに基づく相対的に小さい加圧速度による液滴の吐出(第2吐出)を間歇的に行う。この結果、第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に所望の検出ポイントが形成される。
【0043】
以降、このような処理が繰り返され、第3モジュールにより、第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に、即ち、図11において丸内に×印が付された位置に検出ポイントが形成されるとともに、第4モジュールにより、第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に、即ち、図11において丸内に縦線が付された位置に検出ポイントが形成される。この段階で、CPUは、ステップ955にてmの値を「5」に変更するため、ステップ960にて「Yes」と判定してステップ965に進み、同ステップ965にて変数mの値を「1」に設定し、ステップ970にて変数kの値を「1」だけ増大する。
【0044】
次いで、CPUはステップ975にて変数kの値が1パレット上の最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなったか否かを判定する。この場合、変数kの値は「2」であって最大ガラス基板枚数kmaxより小さいから、CPUはステップ975にて「No」と判定してステップ920に戻る。この段階では、変数hの値は「1」のままであるので、CPUはステップ920にて「Yes」と判定し、ステップ925にて第h番目(第1番目)の第mモジュール(第1モジュール)の基準位置を、第k番目(2番目)のガラス基板11の第1行の座標(a,b(h+1)/2)=(a,b)の直上に移動し、次いでステップ930〜950の処理を実行して、第2番目のガラス基板11の上に第1番目のヘッドの第1モジュールにより検出ポイントを形成する。
【0045】
その後、CPUはステップ955、960の処理と、同処理に基づくステップ920〜950の処理を実行し、変数mの値が5となると、ステップ965にて変数mの値と「1」とするとともに、ステップ970にて変数kの値を「1」だけ増大し、次いでステップ975にて変数kの値が最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなったか否かを判定する。従って、第1番目〜第kmax番目のガラス基板11に対して第1番目のヘッドにより検出ポイントが形成されると、CPUはステップ975にて「Yes」と判定してステップ980に進み、同ステップ980にて変数hの値を「1」だけ増大する。
【0046】
次いで、CPUはステップ985に進んで、変数hの値が17に到達したか否かを判定する。この場合、変数hの値は「2」であるから、CPUはステップ985にて「No」と判定してステップ910に戻り、同ステップ910にて第2番目(第h番目)のヘッドを保持するとともに、ステップ915にて変数kの値を「1」に設定し、続くステップ920にて「No」と判定してステップ990に進む。そして、ステップ990にて第2番目のヘッドの第1モジュールの基準位置を、図11に示した第k番目のガラス基板11の第1行の座標(am+4,bh/2)=(a,b)の直上に移動し、その後、前述したステップ930〜950を実行する。この結果、第1番目のガラス基板11の第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に検出ポイントが形成される。
【0047】
そして、CPUは、ステップ955にて「1」だけ増加されて行く変数mが「5」となって、ステップ960にて「Yes」と判定するまで、ステップ920〜955の処理を繰り返す。以上により、第2番目のヘッドの第2モジュールにより第1番目のガラス基板11の第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に検出ポイントが形成され、第2番目のヘッドの第3モジュールにより第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に検出ポイントが形成され、第2番目のヘッドの第4モジュールにより第1行第n列の(a,b)、及び第3行第n列の(a,b)に検出ポイントが形成される。
【0048】
以降においては、ステップ970の処理により変数kの値が「1」ずつ増大され、また変数kの値が最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなる毎にステップ980の処理により変数hが「1」ずつ増大され、同変数hが「17」となるまでは、ステップ910〜980の処理が繰り返し実行される。この結果、第h番目(1≦h≦16)のヘッドにより、第1番目〜第kmax番目のガラス基板11の上に検出ポイントが形成される。即ち、パレット上の各ガラス基板11の第1行と第3行の検出ポイントの全てが形成される。なお、パレットを複数個使用する場合には、総べてのパレット上の第1〜第kmax番目のガラス基板11に検出ポイントを形成してから変数hを増大し、ヘッド20aを交換する。
【0049】
次に、変数hが17になると、CPUはステップ985にて「Yes」と判定して、図10のステップ1000に進み、第h番目(この場合、第17番目)のヘッドを保持する。次いで、CPUはステップ1005に進んで、変数kの値を再び「1」に設定し、続くステップ1010にて変数hが奇数であるか否かを判定する。この場合、変数hは「17」であって奇数であるから、CPUはステップ1010にて「Yes」と判定してステップ1015に進み、第h番目のヘッドの第mモジュール(この場合、第17番目のヘッドの第1モジュール)の基準位置を第k番目のガラス基板11(この場合、第1番目のガラス基板11)の第2行の座標(a,b((h−16)+1)/2)=(a,b)の直上に移動し、次いでステップ1020〜1040の処理を実行する。
【0050】
このステップ1020〜1040は、前述したステップ930〜950とそれぞれ同一のステップである。これらのステップの処理が実行される結果、第1番目のガラス基板11の第2行第n列の(a,b)、及び第4行第n列の(a,b)に検出ポイントが形成される。なお、この場合においても、ステップ1020ではヘッド移動直後であって前回の吐出(加圧動作)から所定時間Tthより長い時間Tint1が経過しているから第1吐出ルーチンによる相対的に大きい第1の加圧速度による吐出が実行され、ステップ1030では前回の吐出(加圧動作)から所定時間Tthより短い時間Tint2が経過した時点であるから第2吐出ルーチンによる相対的に小さい第2の加圧速度による吐出が実行される。
【0051】
その後、CPUはステップ1045にて変数mを「1」だけ増加し、同変数mが「5」となるまで上記ステップ1010〜1045の処理を繰り返す。この結果、第1番目のガラス基板11に対し、第17番目のヘッドの第2モジュールにより第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置、第3モジュールにより第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置、及び第4モジュールにより第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置に検出ポイントが形成される。
【0052】
変数mの値が「5」になると、CPUはステップ1050にて「Yes」と判定してステップ1055に進み、同ステップ1055にて変数mの値を「1」に設定し、続くステップ1060にて変数kの値を「1」だけ増大する。
【0053】
次いで、CPUはステップ1065にて変数kの値が1パレット上の最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなったか否かを判定する。この場合、変数kの値は「2」であって最大ガラス基板枚数kmaxより小さいから、CPUはステップ1065にて「No」と判定してステップ1010に戻る。この結果、CPUはステップ1010にて「Yes」と判定し、ステップ1015にて第h番目(第17番目)の第mモジュール(第1モジュール)の基準位置を、第k番目(2番目)のガラス基板11の第2行の座標(a,b((h−16)+1)/2)=(a,b)の直上に移動し、ステップ1020〜1040の処理を実行し、第2番目のガラス基板上に第17番目のヘッドの第1モジュールにより検出ポイントを形成する。そして、ステップ1045にて変数mの値が「1」ずつ増大されて、ステップ1050にて「Yes」と判定されるまで、k番目(2番目)のガラス基板11の第2行の座標(a,b((h−16)+1)/2)に基準位置が移動されて、検出ポイントが形成される。
【0054】
このような処理が繰り返され、ステップ1060にて増加された変数kの値が最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなると、CPUはステップ1065にて「Yes」と判定してステップ1070に進み、同ステップ1070にて変数hの値を「1」だけ増大し、続くステップ1075にて変数hの値が32より大きくなったか否かを判定する。この場合、変数hの値は「18」であるから、CPUはステップ1075にて「No」と判定しステップ1000に戻り、第18番目のヘッドを保持する。
【0055】
この時点においては、変数hは偶数である。従って、CPUはステップ1010にて「No」と判定してステップ1080に進み、同ステップ1080にて第h番目のヘッドの第mモジュール(この場合、第18番目のヘッドの第1モジュール)の基準位置を、第k番目(この場合、ステップ1005により第1番目)のガラス基板11の第2行の座標(am+4,b((h−16)/2)=(a,b)の直上に移動し、以降、ステップ1020〜1040を実行する。これにより、第1番目のガラス基板11の第2行n列の(a,b)位置、及び第4行の(a,b)位置に検出ポイントが形成される。
【0056】
その後、CPUはステップ1045にて変数mを「1」だけ増加し、同変数mが「5」となるまで上記処理を繰り返す。この結果、第18番目のヘッドの第2モジュールにより、第1番目のガラス基板11の第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置、第3モジュールにより第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置、及び第4モジュールにより第2行n列の(a,b)位置、及び第4行n列の(a,b)位置に検出ポイントが形成される。
【0057】
そして、以降においても以上の処理が繰り返し実行され、変数kの値が最大ガラス基板枚数kmaxより大きくなる毎に「1」だけ増大される変数hが「33」になると、CPUはステップ1075にて「Yes」と判定してステップ1095に進み、同ステップ1095にて本ルーチンを終了する。この結果、第17〜第32番目のヘッドにより、パレット上の各ガラス基板11の第2行と第4行の検出ポイントが全て形成される。なお、この場合においても、パレットを複数個使用するときには、総べてのパレット上の第1〜第kmax番目のガラス基板11に検出ポイントを形成してから変数hを増大するように構成しておく。
【0058】
以上、説明したように、本発明による液滴吐出方法によれば、ヘッド位置を所定位置に移動し、加圧手段40による加圧動作を間歇的に繰り返すことにより、各加圧動作ごとに吐出口30dから一つだけ吐出される微小液滴をガラス基板11上の同一箇所に対し複数回だけ吐出して検出ポイントを形成する。また、検出ポイントを所定の箇所に形成すると、直ちにヘッド20aを移動し、続けて加圧動作を行って微小液滴の吐出を行う。このとき、繰り返される加圧動作間の時間に応じて前記加圧手段40による加圧室30b内の液体の加圧速度を変更する。上記例では、ヘッド20aの移動には、同一箇所で繰り返し吐出する場合の加圧動作間の時間より長い時間を要するので、ヘッド移動直後の最初の吐出のための加圧速度を同一箇所で繰り返し吐出する場合の加圧速度より大きくする。即ち、繰り返される加圧動作間(連続する加圧動作の間)の時間が長いほど、加圧速度(従って、吐出される微小液滴の初速度)を大きくする。この結果、時間経過とともに粘度が変化(増大)する液体の状態に応じた加圧速度で同液体を加圧し、吐出することができるので、吐出口30d近傍における液滴の飛散、及び液滴吐出方向の狙いとした方向からのずれの発生を回避することができる。
【0059】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態において、吐出される溶液はDNA断片の溶液であったが、DNA断片の他、プロテイン(抗体を含む)等の他の生体物質の溶液等、時間経過とともに粘度が変化する他の溶液であってもよい。
【0060】
また、上記実施形態においては、電気制御装置60のCPUを使用して印加電圧を制御していたが、図8に示した圧電/電歪素子駆動装置55を、予め図13に示した波形と同様な波形をメモリ内に記憶していて、電気制御装置60のCPUからの第1吐出又は第2吐出の指示に応じて同メモリから対応する前記印加電圧の波形を読み出し、この電圧を前記各マイクロピペット21cの上部電極42、及び下部電極43間に付与するファンクションジェネレータとしてもよい。このようなファンクションジェネレータを採用することで、詳細な印加電圧波形制御が可能となるので、例えば、前記V1を60V、V2を50V、T1及びT5を2.5μs、T2及びT6を5μs、T3及びT7を40μS、T4及びT8を252.5μsとすることもできる。更に、間歇的に繰り返される吐出間の時間をタイマーで計測しておき、同計測された時間に応じて前記加圧速度(印加電圧の増大速度、吐出される液滴の初速度)を変更するように構成してもよい。
【0061】
更に、上記実施形態においては、20(kmax)枚のガラス基板11が整列配置されたパレットを一つだけ用いて20個のDNAチップを同時に製造していたが、同様なパレットを複数(例えば、2〜30個)準備し、第h番目のヘッド20aにより、これら総べてのパレット上の総べてのガラス基板に検出ポイントを形成した後に同第h番目のヘッド20aを第(h+1)番目のヘッド20aに交換し、同第(h+1)番目のヘッド20aにより総べてのパレット上の総べてのガラス基板に検出ポイントを形成して行くようにすることもできる。これによれば、数百枚単位のDNAチップを同時に効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る液滴吐出方法に用いる液滴吐出装置、及び同液滴吐出方法により形成されるDNAチップの概略を示した斜視図である。
【図2】 図1に示した液滴吐出装置のヘッドの平面図である。
【図3】 図1に示した液滴吐出装置のヘッドに搭載されるモジュールの概略分解斜視図である。
【図4】 図3に示したモジュールに搭載されるマイクロピペットの平面図である。
【図5】 図4の1−1線に沿った平面にてマイクロピペットを切断した断面図である。
【図6】 図3に示したモジュールの正面図である。
【図7】 図3に示したモジュールの平面図である。
【図8】 図1に示した液滴吐出装置を制御するシステムの概略ブロック図である。
【図9】 図8に示した電気制御装置のCPUが実行するプログラムを示したフローチャートである。
【図10】 図8に示した電気制御装置のCPUが実行するプログラムを示したフローチャートである。
【図11】 図1に示したDNAチップの基板上に形成される検出ポイントの位置を示す同基板の平面図である。
【図12】 図8に示した電気制御装置のCPUが実行するプログラムを示したフローチャートである。
【図13】 マイクロピペットの圧電/電歪素子に印加される電圧の波形を示したタイムチャートである。
【図14】 図8に示した電気制御装置のCPUが実行するプログラムを示したフローチャートである。
【符号の説明】
10…DNAチップ、11…スライドガラス基板、20…液滴吐出装置、20a…ヘッド、20b…支持部、21〜24…第1〜第4モジュール、21a…基部、21b…固定治具部、21c…マイクロピペット、30…基体、30a…液体供給通路、30b…加圧室、30c…液体導入孔、30d…吐出口、31〜35…セラミックスシート、40…加圧手段、41…圧電/電歪素子、42…上部電極、43…下部電極、50…XYZθ装置、55…圧電/電歪素子駆動装置、60…電気制御装置。

Claims (7)

  1. 吐出口を有するとともに粘度が時間経過とともに高くなる液体を充填する加圧室と、前記液体を前記加圧室内にて加圧するための加圧手段とを備え、前記加圧手段の一回の加圧動作により前記液体を実質的に一つの微小液滴として前記吐出口から吐出するように構成した液滴吐出装置を用いる液滴吐出方法であって、
    前記一回の加圧動作を間歇的に繰り返して複数の微小液滴を吐出するとともに、前記繰り返される加圧動作間の時間が長いほど前記加圧手段による前記液体の加圧速度を大きくしたことを特徴とする液滴吐出方法。
  2. 請求項1に記載の液滴吐出方法であって、
    前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が所定時間より長いとき第1の加圧速度にて前記液体を加圧して吐出し、前回の加圧動作から今回の加圧動作までの時間が前記所定時間より短いとき第1の加圧速度よりも小さい第2の加圧速度にて前記液体を加圧して吐出することを特徴とする液滴吐出方法。
  3. 請求項2に記載の液滴吐出方法であって、
    前記加圧手段は付与される電圧に応じて前記加圧室の容積を変化させる圧電/電歪素子であり、
    前記第1の加圧速度で前記液体を加圧するときは前記電圧の変化速度を第1の電圧増大速度に設定し、前記第2の加圧速度で前記液体を加圧するときは前記電圧の変化速度を前記第1の電圧増大速度よりも小さい第2の電圧増大速度に設定する液滴吐出方法。
  4. 請求項2又は請求項3に記載の液滴吐出方法であって、
    前記第2の加圧速度に対する前記第1の加圧速度の比は、1より大きく4.8以下の値に設定される液滴吐出方法。
  5. 請求項2乃至請求項4の何れか一項に記載の液滴吐出方法であって、
    前記第1の加圧速度での加圧動作により吐出される微小液滴の初速度が0.1乃至10m/sの速度である液滴吐出方法。
  6. 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の液滴吐出方法であって、前記液体が生体物質を含む溶液である液滴吐出方法。
  7. 吐出口を有するとともに粘度が時間経過とともに大きくなる液体を充填する加圧室と、前記液体を前記加圧室内にて加圧するための加圧手段とを備え、前記加圧手段の一回の加圧動作により前記液体を実質的に一つの微小液滴として前記吐出口から吐出するように構成した液滴吐出装置のヘッドを、所定の位置に移動し、同位置にて前記一回の加圧動作を間歇的に繰り返して複数の微小液滴を吐出することにより液滴を形成する動作、を繰り返し行う液滴吐出方法であって、
    前記所定の位置に移動した直後に行われる前記加圧動作における液体の加圧速度を、同所定の位置にてそれ以降に行われる前記加圧動作における液体の加圧速度より大きくしたことを特徴とする液滴吐出方法。
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