JP3779380B2

JP3779380B2 - ピペット装置

Info

Publication number: JP3779380B2
Application number: JP14937996A
Authority: JP
Inventors: 純一川那辺; 博神尾
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH09327628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の吸引・吐出を行うピペット装置に関し、特に吐出量の微調整が可能なピペット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に従来からのピペット装置は、シリンダとピストンとで構成される。ピストンをシリンダ内で移動させることによってシリンダ内の容積が変化し、これにより液体の吸引・吐出が行われる。このピペット装置としては、従来から手動のもの及び電動のものが実用化されており、手動ピペット装置は化学分析などにおいて所望量の試料の吸引・吐出に利用され、電動ピペット装置は例えば自動分注装置などに組み込まれている。
【０００３】
ところで、ＤＮＡシークエンサでは、ＤＮＡ解析を行うため、ＤＮＡの分離媒体である薄厚のゲル板の上部に形成された複数の小溝に微量（例えば１．２μｌ）のサンプルＤＮＡを注入する必要がある。その小溝の厚みは０．２５〜０．４ｍｍ程度しかなく、またその深さは数ｍｍ、例えば７ｍｍ程度である。
【０００４】
このような溝にサンプルＤＮＡを注入する場合には、一般的には、ノズル先端に極薄のディスポーザブルチップ（ノズルチップ）を装着させたマイクロピペットが使用される。
【０００５】
しかし、上述のように注入対象である小溝はその形状及び容積が極めて小さく、マイクロピペット装置から所定量のサンプルＤＮＡを正確かつ確実にその小溝に注入するのは困難であり、また熟練を要していた。
【０００６】
すなわち、ノズルの内径やノズルチップの内径が極めて小さいこと、及び上記の小溝にバッファー液が満たされていることに起因して、流体抵抗が大きく、このため吐出コントロールが困難であるという問題があった。すなわち、吸引量と同じ量だけピストン軸を押し込むと、吐出力が不足気味となってピストン軸を完全に押し込んでもノズルチップ内などに液が残りやすく、その一方、吸引量より多くピストン軸を押し込むと、吐出力が過剰となって上記の小溝から液が溢れたり、気泡が生じたりするという問題があった。このような問題はＤＮＡシーケンシングの分離パターンに悪影響を与え、その後の解析が困難になるという問題を引き起こしていた。
【０００７】
また、一般的なピペット装置においても、実際の吐出量をできる限り正確に設定したいとの要望があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のピペット装置、特にマイクロピペットにおいては、液体の吐出開始時と、吐出終了時とで段階的に吐出力を調整することが困難であり、吐出終了時における微妙な吐出量の制御が困難であるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点を解消するためになされたもので、液体の吐出開始時には液体抵抗に勝って勢いの良い吐出を行わせ、かつ液体の吐出完了時には吐出力を精度良く制御できるピペット装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るピペット装置は、シリンダと、このシリンダの先端面に連通したノズルと、前記シリンダ内を移動し、前記シリンダの内容積を縮小させて前記ノズルから試料を吐出させるピストンと、このピストンの進退方向に向くピストン断面に配され、印加される電圧に応じて前記進退方向に伸縮する歪み素子と、この歪み素子に電圧を供給する電源と、この電源から前記歪み素子への電圧の印加を制御するスイッチとを有し、前記電源の前記歪み素子に対する接続は、前記吐出の終了段階における前記スイッチの操作により前記歪み素子を前記進退方向に伸張させる向きであり、この伸張により前記ピストンのヘッド面が変位し前記シリンダの前記内容積が縮小されること、を特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、吐出の第１段階では歪み素子がピストンの進退方向に縮小された状態にてピストンがシリンダ内を前進する。このピストンの前進による試料の吐出は、例えばピストンのヘッド面がシリンダの先端面に近づいたり、吐出総量が所望の値に近づくまで行われる。続く吐出の終了段階である第２段階では、ピストンの前進に代えて、スイッチが操作され歪み素子がピストンの進退方向に伸張されてピストンのヘッド面がシリンダ内を前進する。これにより、シリンダの内容積が縮小されて吐出が行われる。よって、本発明によれば、第１段階においては、ピストンの比較的大きなストロークに応じた高い吐出力が得られ、すなわち流体抵抗に打ち勝つ吐出力が得られ試料が勢い良く吐出される。そして、第２段階においては、微妙な吐出量の制御が、印加する電圧に応じて定まる歪み素子の伸張を利用して精度良く行われる。ここで、歪み素子は例えば圧電素子や磁歪素子である。圧電素子は基本的には圧電材料とこれに電圧を印加するための電極とを含んで構成され、磁歪素子は基本的には磁気歪み材料とこれに磁界を及ぼすためのコイルとコイルに電圧を供給する端子とを含んで構成される。
【００１２】
本発明を上記のＤＮＡサンプルのゲル板への吐出に利用すれば、上記の２段階の吐出により、流体抵抗に対して十分な吐出力を確保できると共に、吐出力を微妙に調整して小溝からの溢れ出しや気泡発生を効果的に防止できる。
【００１３】
なお、スイッチのオン／オフ操作と、電源から歪み素子に印加される電圧の方向との両者は、この歪み素子が吐出終了段階にてピストンの進退方向に伸張するように互いに関連して定められる。すなわち、歪み素子に印加される電圧の向きが歪み素子を進退方向に伸張させるような向きであれば、スイッチを第１段階でオフとし第２段階でオンとする構成が採られ、逆に電圧の向きが歪み素子を進退方向に縮小させるような向きであれば、スイッチを第１段階でオンとして歪み素子を縮小させておき第２段階でオフとして歪み素子を第１段階に比べて相対的に伸張させる構成が採られる。
【００１４】
本発明の好適な態様は、前記吐出の終了段階でシリンダの前記先端面とピストンの前記ヘッド面との間に間隙を残す係止位置にて前記ピストンの前進が抑止される係止機構を備えている。この態様では、ピストンが係止された後、吐出の終了段階が開始される。すなわち、終了段階が常にピストンの所定の位置から開始され、また終了段階の途中でピストンが進退して歪み素子による微妙な吐出に変動を及ぼすことが抑制されるので、終了段階の再現性及び精度の良い吐出制御が可能となる。
【００１５】
本発明の好適な態様では、前記スイッチが、前記ピストンを前進させる押し込み力の作用点に配置されて当該押し込み力を前記ピストンに伝達し、前記ピストンから前進時に受ける抵抗力より大きな圧縮力を受けるとスイッチ動作する。この態様では、ピストンの前進に必要な力はスイッチの動作に必要な力より小さい。すなわち、スイッチに押し込み力を印加していくと、それが上記抵抗力を超えた段階でまずピストンが前進し、この前進中はスイッチに加わる圧縮力は基本的にこの抵抗力から増加せずスイッチは動作されない。そして、ピストンが前記係止位置に達すると、前記押し込み力とこれに対する前記ピストンからの反力とにより圧縮力が増大し、これによってスイッチ動作する。この構成により、ピストンの前進動作とスイッチの動作とを、スイッチの押し込みという１つの操作で連続して行うことができる。
【００１６】
また、本発明の好適な態様では、前記スイッチは、前記ピストンに設けられたスイッチベース端子と、前記押し込み力の作用点であるスイッチ可動端子と、このスイッチ可動端子と前記ピストンとの間に設けられ、前記スイッチ可動端子を前記ピストンの後退方向に付勢するスイッチ付勢手段と、を含み、前記圧縮力によって前記スイッチ付勢手段が縮小して前記スイッチベース端子と前記スイッチ可動端子とが接触し、前記スイッチが導通状態とされる。この態様では、スイッチ付勢手段は例えば、バネなどの弾性体で構成される。スイッチ付勢手段は、例えば弾性体の場合、ピストンの前進時における抵抗力ではスイッチベース端子とスイッチ可動端子とが接触するほどにはその弾性体の長さが縮小されないような弾性係数を有するように構成される。
【００１７】
本発明の好適な態様は、前記ピストンをその後退方向に付勢するピストン付勢手段を有する。この態様によれば、スイッチに加える押し込み力を緩和すると自然にピストンが後退し、吐出動作開始時の状態に復元する。
【００１８】
本発明の好適な態様は、前記圧縮力の大小を検知する圧力センサと、この圧縮力に応じて前記歪み素子に印加される電圧を制御する感圧制御回路とを有する。この態様によれば、吐出の最終段階にて歪み素子の伸張量をスイッチに対する圧力によって制御し、吐出量のより微妙な制御が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係わるピペット装置の主要部の断面図である。このピペット装置では、シリンダ２内をピストン４が進退する。より正確には、ピストン４はピストンヘッド６とピストン軸８とで構成され、ピストンヘッド６がシリンダ２内を進退する。そしてシリンダの内容積、すなわちシリンダ先端面１０とピストン４のヘッド面１２とで仕切られる空間の容積が変化すると、シリンダ２の先端面１０に設けられたノズル１４の先端開口１４Ａから試料である液体が吸引・吐出される。
【００２０】
本ピペット装置は、ＤＮＡシーケンシング等における微小量の試料の分注を行うものであり、この用途では試料が微量であることとその吐出を精度良く行うために、ノズル１４の内径は細い。そのため、液体がノズル１４内を通過する際の抵抗力は大きい。本装置はシリンダ２の内部空間の断面積をノズル１４のそれよりはるかに大きくして、ピストン４のわずかな進退動でノズル１４の抵抗に打ち勝つ大きな吸引力又は吐出力を得る。なお、ノズルの先端開口１４Ａにディスポーザブル型のノズルチップを装着し、これを介して試料の吸引、吐出を行わせることもある。
【００２１】
ピストンヘッド６は、ここでは円盤状に構成されており、大きくはピストン板２０と圧電素子２２とで構成される。ピストン板２０の外周にはＯリングで構成されるパッキング２４が配置され、これによりピストンヘッド６とシリンダ２の内壁との気密が図られる。
【００２２】
ピストン４は、圧電素子２２を有していることを特徴とする。試料の吐出時にピストン板２０はそのヘッド面１２とシリンダ先端面１０との間にわずかな距離を残す位置まで挿入され、その段階で圧電素子２２はピストン４の進退方向に伸張するような電圧を印加され、この圧電素子２２の歪みによりヘッド面１２がさらにシリンダ２に挿入される。圧電素子２２の歪みによるヘッド面１２の変位は、ピストン軸８を手又は機械的な方法で操作することによる変位よりも、微細に制御可能であり、本装置はこれにより、吐出終了時の吐出量の精度向上を図るものである。
【００２３】
ピストン軸８はシリンダ２の上部に形成された筒状のガイド３０を挿通している。ピストン軸８のシリンダ２の外部にある端部８Ａとガイド３０の上端部との間にはコイルバネ３２が介装されており、このコイルバネ３２によりピストン軸８は上方へ付勢されている。ピストン軸８の途中側面には突起３４が設けられている。この突起３４はピストン軸の全周にリング状に設けても良いし、一部の方向に突出するものであってもよい。ガイド３０の外側上端部３０Ａはコイルバネ３２を支持した内側上端部より一段高く形成され、突起３４を係止する。これにより、ピストンヘッド６の前進はヘッド面１２とシリンダ先端面１０との間に所定幅の間隙を残す係止位置で抑止される。このピストンヘッド６の係止機構は、上記構成以外のものであってもよい。例えば、突起３４に代えてピストン軸の端部８Ａに設けられた突出部を用いてもよいし、ガイドの外側上端部３０Ａに代えてケース４０を用いて係止してもよい。
【００２４】
圧電素子２２はＰＺＴなどの圧電板４２の上下にそれぞれ電極４４を設けられたもので、この電極４４はピストン板２０及びピストン軸８内を通された配線４６によって外部の直流電源（図示せず）に接続される。
【００２５】
この圧電素子２２への電圧供給回路のスイッチは、ピストン軸８内に設けられている。ピストン軸８内部には空洞４８が設けられ、この空洞４８には端部８Ａを介して外部からスイッチレバー５０が挿通されている。スイッチレバー５０の空洞４８側の端部にはスイッチ可動端子５２が設けられ、一方、ピストン４側には空洞４８の底部に配線４６の一部を開路して設けたスイッチベース端子５４が設けられている。これらスイッチ可動端子５２とスイッチベース端子５４とがスイッチ５６の主要部を構成する。スイッチレバー５０が空洞４８側へ押し込まれると、導電性のスイッチ可動端子５２がスイッチベース端子５４に接触し、圧電素子２２への電圧供給回路が閉路し、圧電素子２２に電圧が印加される。この電圧の向きは、圧電板４２がピストン４の進退方向に伸張するような向きに構成されている。
【００２６】
スイッチレバー５０の上端部５０Ａとピストン軸の端部８Ａとの間にはコイルバネ５８が介装されており、このコイルバネ５８によりスイッチレバー５０は上方へ付勢されている。コイルバネ５８の付勢力はコイルバネ３２の付勢力より強く構成されている。
【００２７】
次にこの装置の動作を説明する。このピペット装置への試料の吸引は、ピストン４をシリンダ２内に押し下げた状態で、ノズルの先端開口１４Ａを試料に差し込み、そしてピストン軸８を引き上げる。これによりシリンダの先端面１０とピストンのヘッド面１２との間の空間（シリンダヘッド空間）が拡大する。このシリンダ２の断面積はノズル１４の内径面積よりはるかに大きいため、ノズル先端には大きな吸引圧力が作用し、試料は、ノズル１４内面と試料との間に生じる抵抗に打ち勝って、円滑にノズル１４内に吸引される。なお、このときスイッチ５６はスイッチレバーの上端部５０Ａに押圧力を受けておらず、コイルバネ５８の付勢力によりオフ状態にある。ピストン板２０がシリンダの上端面で係止されるまでピストン４を目一杯引き上げることにより、吸引量の再現性を確保することができる。また、コイルバネ３２の付勢力をノズル１４での液体の粘性抵抗より大きく設定すれば、ピストン軸８への押し下げ力の解除のみで上記ピストン４の引き上げが自動的に行われる構成となる。
【００２８】
吸引された試料を吐出するには、ノズルの先端開口１４Ａを吐出先である、例えばＤＮＡシークエンサの小溝に挿入し、ピストンのヘッド面１２を前進させればよい。このヘッド面１２の前進動作は、スイッチレバーの端部５０Ａを押すことにより行われる。吐出時にピストン４の押し下げに必要な力の大きさは、コイルバネ３２の付勢力と試料の粘性抵抗との和と同程度である。この和の程度の力ではコイルバネ５８はほとんど縮まらないように、コイルバネ５８の弾性係数は選択されている。すなわち、スイッチレバーの端部５０Ａを押し下げると、コイルバネ５８はほとんど圧縮されず、コイルバネ５８からピストン軸の端部８Ａに力が作用し、まずコイルバネ３２が圧縮される。よって、スイッチ５６はオフ状態のまま、ピストン４が下降する。このときのピストン４のストロークは比較的大きく、ノズル１４に保持された試料には強い吐出力が与えられ、試料はノズルの先端開口１４Ａから円滑に吐出される。スイッチレバーの端部５０Ａをさらに押していくと、突起３４がガイドの外側上端部３０Ａに係止され、所定容積のシリンダヘッド空間を残して、ピストン４の前進が停止される。
【００２９】
さらに端部５０Ａを押すと今度はコイルバネ５８が圧縮されてスイッチレバー５０が空洞４８に挿入され、スイッチ可動端子５２がスイッチベース端子５４に接触し、スイッチ５６がオン状態となる。スイッチ５６がオン状態になると、圧電素子２２には電圧が印加され、圧電素子２２はピストン４の進退方向に伸張する。圧電素子２２の上側はスイッチレバー５０への押圧力により固定されているので、圧電素子２２の伸張分だけ、ピストンのヘッド面１２が下方に移動してシリンダヘッド空間が縮小する。これで吐出が終了し、ノズルを小溝から抜いた後、スイッチレバー５０に加えている押圧力を解除する。
【００３０】
この圧電素子２２の伸張量は、ピストン軸８によるピストン４のストロークに比べて小さく、かつ印加される電圧に応じ正確に定まる。そのため、本装置では、吐出の第１段階で、ピストン４の前進による強い吐出力でほぼ目的とする吐出量を達成し、吐出の終了段階である第２段階で、圧電素子２２により吐出力を微妙に調整し、ＤＮＡシーケンサの小溝からの試料の溢れ出しや気泡発生を防止した精度のよい吐出が行われる。
【００３１】
本ピペット装置の主要部はケース４０内に収納されており、またピストン軸８もスイッチレバー５０もピストン４の後退方向に付勢されているので、操作者は、このケース４０を４本の指で握り、残りの親指でスイッチレバーの端部５０Ａを操作することが可能である。すなわち、端部５０Ａに対する押圧力を加減するだけで本装置のピストン４の移動を伴う第１段階、及び圧電素子による第２段階制御を操作することが可能である。よって押したり引いたりといった動作方向の転換が不要で微妙な吐出の制御が可能であり、第１段階と第２段階とで操作部位を変える手間が不要で連続的に操作でき、極めて操作性がよい。なお、コイルバネ３２、５８の弾性力の強さは、上述したこれら相対的な強さの条件の他、操作者が指で操作する場合にはそれが可能な程度の強さであるという条件も満たすように設定される。
【００３２】
図１に示す実施形態において、シリンダ２の内径、ピストン４の直径は例えば１ｃｍであり、ピストン４のストローク量は例えば１ｃｍ、ピストン板２０の係止時のシリンダヘッド空間の間隙は例えば１ｍｍに設定される。この間隙は、圧電素子２２の伸張量に応じて設定される。その伸張量は圧電板４２の材質、厚さ、印加される電圧に依存する。例えば数Ｖの電圧で数μｍ程度の伸張量が得られる。圧電素子２２の表面にはその伸縮を妨げないような被膜７０が設けられ、圧電素子２２を試料から絶縁している。
【００３３】
なお、圧電素子２２への印加電圧を、スイッチレバーの端部５０Ａへの押圧力に応じて可変とする構成も可能である。この構成では、例えばスイッチベース端子５４の位置に圧力センサを配置する。この位置に配置された圧力センサにはピストン４の係止後にスイッチレバー５０が当たるので、ピストン４の係止後のスイッチレバー５０への押圧力を検知することができる。圧力センサの出力を信号処理し押圧力に応じた電圧を圧電素子に供給する感圧制御回路が設けられる。このように圧力に応じた制御を行うことにより、吐出量のより微妙な制御が可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のピペット装置によれば、吐出の第１段階ではピストンがシリンダ内を前進し流体抵抗に打ち勝つ高い吐出力が得られ、吐出の終了段階である第２段階では、ピストンの前進に代えて歪み素子によりピストンのヘッド面が変位し吐出を行う。これにより液体の吐出開始時と、吐出終了時とで吐出力を段階的に調整でき、吐出終了時における微妙な吐出量の制御が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるピペット装置の主要部の断面図。
【符号の説明】
２シリンダ、４ピストン、８ピストン軸、１４ノズル、２０ピストン板、２２圧電素子、３２，５８コイルバネ、３４突起、４２圧電板、４４電極、５０スイッチレバー、５２スイッチ可動端子、５４スイッチベース端子、５６スイッチ。

Claims

シリンダと、
このシリンダの先端面に連通したノズルと、
前記シリンダ内を移動し、前記シリンダの内容積を縮小させて前記ノズルから試料を吐出させるピストンと、
このピストンの進退方向に向くピストン断面に配され、印加される電圧に応じて前記進退方向に伸縮する歪み素子と、
この歪み素子に電圧を供給する電源と、
この電源から前記歪み素子への電圧の印加を制御するスイッチと、を有し、
前記電源の前記歪み素子に対する接続は、前記吐出の終了段階における前記スイッチの操作により前記歪み素子を前記進退方向に伸張させる向きであり、この伸張により前記ピストンのヘッド面が変位し前記シリンダの前記内容積が縮小されること、を特徴とするピペット装置。
請求項１記載のピペット装置において、
前記吐出の終了段階でシリンダの前記先端面とピストンの前記ヘッド面との間に間隙を残す係止位置にて前記ピストンの前進が抑止される係止機構を備えていることを特徴とするピペット装置。
請求項２記載のピペット装置において、
前記スイッチは、前記ピストンを前進させる押し込み力の作用点に配置されて当該押し込み力を前記ピストンに伝達し、前記ピストンから前進時に受ける抵抗力より大きな圧縮力を受けるとスイッチ動作すること、を特徴とするピペット装置。
請求項３記載のピペット装置において、
前記スイッチは、
前記ピストンに設けられたスイッチベース端子と、
前記押し込み力の作用点であるスイッチ可動端子と、
このスイッチ可動端子と前記ピストンとの間に設けられ、前記スイッチ可動端子を前記ピストンの後退方向に付勢するスイッチ付勢手段と、を含み、
前記圧縮力によって前記スイッチ付勢手段が縮小して前記スイッチベース端子と前記スイッチ可動端子とが接触し、前記スイッチが導通状態とされること、を特徴とするピペット装置。
請求項３記載のピペット装置において、
前記ピストンをその後退方向に付勢するピストン付勢手段を有することを特徴とするピペット装置。
請求項３から請求項５のいずれかに記載のピペット装置において、
前記圧縮力の大小を検知する圧力センサと、
この圧縮力に応じて前記歪み素子に印加される電圧を制御する感圧制御回路と、を有することを特徴とするピペット装置。