JP4062203B2 - 分注ユニットによる定量分注方法及び分注装置 - Google Patents

Description

本発明は、化学、工業、臨床、バイオ技術などの分野で使用される分析装置におけるサンプルや試薬の分注方法に関する。

サンプル液や試薬液などのｐＬ〜μＬの微量分注はピエゾ方式やシリンジ方式で行われている。
ピエゾ方式の分注装置は、図６に示されるように、先端に吐出部をもつピエゾチップ２を備えている。ピエゾチップ２は吐出部につながる液溜めを、ピエゾ素子を備えた駆動部により押圧することにより吐出部から液滴６を吐出する。駆動部を制御して一定の大きさの液滴を吐出するために、ピエゾ分注制御部４が設けられており、ピエゾ分注制御部４に設定されたピエゾ素子駆動のパラメータに従ってピエゾチップ２から液滴６を吐出する（特許文献１参照。）。

シリンジ方式の分注装置は、図７に示されるように、シリンジポンプ１０につながるプローブ１２からの液滴６の吐出を、シリンジポンプ１０を作動させるモータ１４を駆動することにより行なう。プローブ１２の先端にはディスポーザブル（使い捨て）チップ１６が設けられることもある。チップ１６はサンプル又は試薬ごとに付け替えられる。シリンジポンプ１０の動作パラメータが設定されたものになるように、シリンジ分注制御部１８によりモータ１４の駆動を制御することにより、所定の大きさの液滴６が吐出される。
国際公開第ＷＯ９８／４７００６号パンフレット

吐出しようとするサンプルや試薬の粘性などの液性によって吐出条件を設定しているが、温度など環境条件の変化によって吐出される液滴の大きさは変化する。また液滴が微量になればなるほど定量性にかけてくる。
本発明は、微量のサンプル液や試薬液の分注の定量性を高めることを目的とするものである。

本発明では、分注作業を開始する前に、テストプリントとして分注ユニットの吐出部の下方に表面が撥水性の基材を配置し、吐出部から複数の液滴を吐出して基材表面に溜まった液滴の画像を取得し、その画像から液滴の大きさを求めて液滴の分注量を制御する。
すなわち、本発明の分注方法は、次のステップ１から４を備えている。
１）吐出部の下方に表面が撥水性の基材を配置して、吐出部からその基材の表面に複数の液滴を吐出するステップ。
２）撥水性の基材表面に溜まった液滴の画像を取得するステップ。
３）その取り込んだ画像に基づいて液滴の大きさを求めるステップ。
４）その求めた液滴の大きさに基づいて液滴の分注量が所定値になるように分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節するステップ。
ステップ３で求める液滴の大きさは、例えば液滴の直径や半径である。

分注ユニットは、先端の吐出部につながる空間に充填された液を、ピエゾ素子を備えた駆動部により押圧することによりその吐出部から液滴を吐出するピエゾヘッドを備えたピエゾ分注方式のものとすることができる。その場合、制御信号のパラメータは、ピエゾ素子への印加電圧の大きさ、印加電圧の立上がり時間、印加時間、印加電圧の立下がり時間のうちの少なくとも１つを含んだものとすることができる。

また、分注ユニットは、シリンジポンプによる分注方式のものとすることもできる。その場合、制御信号のパラメータは、シリンジポンプのプランジャのストローク、速さ、加速のうちの少なくとも１つを含んだものとすることができる。

本発明の分注装置は、先端から液滴を吐出する吐出部及び前記吐出部からの液滴の吐出を駆動する吐出駆動部を備えた吐出ユニットと、その吐出ユニットから吐出された液滴が撥水性の表面に吐出されて溜まって形成された液滴の画像を取得するように配置された撮像装置と、撮像装置からの画像に関する信号を取り込んだ液滴の大きさを求める画像処理装置と、画像処理装置により求められた液滴の大きさに基づいて液滴の分注量が所定値になるように前記分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節する分注制御部とを備えたものである。

本発明は、吐出部の下方に表面が撥水性の基材を配置して前記吐出部から前記基材の表面に複数の液滴を吐出し、基材表面に溜まってできた液滴の画像を取得し、その取り込んだ画像に基づいて液滴の大きさを求め、その求めた液滴の大きさに基づいて液滴の分注量が所定値になるように分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節するようにしたので、複数の液滴の大きさの平均値を求めることになり、液滴の大きさ測定の精度が増し、サンプル液や試薬液などのｐＬ〜μＬの微量分注にて定量性が向上する。

液滴の大きさを求めるステップは画像処理を用いた自動計算により行なうことができる。そのような画像処理プログラムは容易に入手することができる。画像処理を用いた自動計算を利用すれば、すばやく正確に液滴の大きさを求めることができる。

また、液滴の大きさを求めるステップは画像上で手動計算により行なうこともできる。手動計算によれば、画像処理プログラムに要する費用を削減することができる。

制御信号のパラメータを調節するステップは、吐出駆動部を制御する制御部による自動制御により行なうことができる。その場合には作業者の工数が少なくてすむ。
また、制御信号のパラメータを調節するステップは、吐出駆動部を制御する制御部に入力することにより行なうこともできる。その場合にはシステムが簡単になる。

図１は一実施例の方法が適用される装置を概略的に表したものであり、ピエゾ方式の分注装置を用い、液滴の大きさを自動的に求め、一定にする制御も自動的に行なう場合を示したものである。
試薬又は試料液を対象となる試料面上に分注する作業を開始する前にテストプリントを行なう。テストプリントは撥水性の基材３０の表面上に例えば１０００滴の液滴を吐出し、表面上に溜まった１０００滴分の液滴６ａの体積から１吐出あたりの分注量を求め、所望の分注量になるようにフィードバック制御する。以下にその詳細を説明する。

ピエゾチップ２から吐出される液滴を受けるために、表面が撥水性になっている基材３０がピエゾチップ２の下方に設けられる。この基材３０は、例えば、ステンレス板などの金属板の表面にＰＶＤＦ（ポリフッ化ビリニデン）メンブレンやポリ四フッ化エチレンなどの疎水性ポリマーがコーティングされた撥水性プレートである。
基材３０の表面上に溜まった液滴６ａの画像を取り込むために、撮像装置として液滴６ａの側方にＣＣＤカメラ２０が設けられている。２２はＣＣＤカメラ２０が取り込んだ画像を記憶する画像記憶部である。ＣＣＤカメラ２０による画像の取込みは、ピエゾチップ２が液滴を所定回数だけ吐出するのに要する時間が経過した後に取り込むようにするか、又は、液滴が所定回数吐出されるタイミングと同期させて取り込むようにする。また、液滴が所定回数吐出された後に、手動でＣＣＤカメラ２０による画像の取り込みを行なってもよい。

２４は画像処理部であり、画像記憶部２２に記憶されている画像を二値化や輪郭抽出などの画像処理を実施してその液滴の直径や半径などの大きさを求めて、分注量を計算する。この一実施例において取り込む画像は、ピエゾチップ２から液滴を１０００回吐出させて基材３０に溜まった１０００滴分の液滴であり、ピエゾチップ２から吐出された液滴の大きさ（分注量）は、取り込んだ画像により求めた液滴の大きさを１０００で除した値である。
基材３０の表面上に溜まった液滴６ａの大きさは、例えば数ｎｌ〜数百ｎｌ程度の大きさとなるようにする。液滴がそのような大きさであれば表面張力により球状になるが、液滴６ａの大きさが大きすぎると液滴が球状でなくなってしまい液滴画像の取り込みが困難となってしまう。また、小さすぎる場合には、半径や直径などの大きさを算出する際の誤差が大きくなってしまう。そのため、基材３０の表面上に吐出する回数は基材３０の表面にできる液滴が適当な大きさとなるように調節する。画像記憶部２２と画像処理部２４で画像処理装置２５を構成している。

２６は画像処理された液滴の画像を表示する画像表示部である。
画像処理部２４で画像処理されて求められた分注量はピエゾ分注制御部４ａに送られる。ピエゾ分注制御部４ａでは送られてきた分注量に基づいて、ピエゾチップ２の分注量が所望の分注量になるようにフィードバック制御を行なう。

ピエゾチップ２としては、例えば図２に示されるように、先端の吐出部３０の孔につながる液溜め３２を、ピエゾ素子を備えた駆動部３４により押圧することにより吐出部３０から液を吐出する。液貯め３２のサンプルや試薬が減少してきた場合でも一定の圧力状態を保つように、液溜め３２には加圧部（図示略）が接続されている。

ピエゾ分注制御部４ａがピエゾチップ２の駆動を制御するパラメータは、図3に示されるように、ピエゾ素子への印加電圧の大きさＶ₀、印加電圧立上がり時間ｔ₁、印加時間ｔ₂、印加電圧立下がり時間ｔ₃の全て、又はそのうちの少なくとも１つである。

図４にこの実施例の動作をまとめて示す。
予め設定されたピエゾチップ制御パラメータでピエゾチップ２の駆動を制御し、基材３０の表面に液滴を１０００回吐出する。基材３０の表面に溜まった液滴６ａの画像をＣＣＤカメラ２０で取り込み、画像記憶部２２に記憶する。画像処理部２４は画像記憶部２２に記憶されている画像を二値化や輪郭抽出などの画像処理を実施してその液滴の直径や半径などの大きさを求めて、分注量を計算する。ピエゾ分注制御部４ａはその分注量が所定の値である場合は、ピエゾチップ制御パラメータを変更しないで、テストプリントを終了する。しかし、その分注量が所定の値でない場合は、ピエゾチップ制御パラメータを変更し、ピエゾ分注制御部４ａは次のテストプリントでの分注量が所望の値となるようにピエゾチップ２の駆動をフィードバック制御する。このテストプリントはピエゾチップ２の分注量が所望の分注量になるまで繰り返され、所望の分注量となった時点で終了する。

上の動作では１０００回の吐出により形成された１つの液滴の大きさから分注量を求めているが、複数の場所に１０００回ずつの吐出を行なってそれぞれの液滴の大きさを求めて、それらの平均値から分注量を求めるようにしてもよい。平均化のために場所を変えて吐出する回数は５回程度が適当である。

図５は他の実施例の方法が適用される装置を概略的に表したものであり、シリンジポンプによる分注装置を用い、液滴の大きさを自動的に求め、一定にする制御も自動的に行なう場合を示したものである。
シリンジポンプ１０につながるプローブ１２からの液滴の吐出を、シリンジポンプ１０を作動させるモータ１４をシリンジ分注制御部１８ａにより制御して駆動することにより行なう。プローブ１２の先端にはディスポーザブルチップ１６が設けられる。
基材３０の表面に溜まった液滴６ａの画像を取り込むＣＣＤカメラ２０、画像処理装置２５（画像記憶部２２及び画像処理部２４）、及び画像表示部２６は図１に示されたものと同じである。

シリンジ分注制御部１８ａは、画像処理部２４から液滴６ａの直径や半径などの液滴の大きさに関するデータを取り込み、次のテストプリントでの液滴の大きさが予め設定された設定値に等しくなるようにモータ１４の駆動をフィードバック制御していく。
シリンジ分注制御部１８ａがモータ１４の駆動を制御するパラメータは、プランジャのストローク、速度、加速度の全て又はそのうちの少なくとも１つである。

本発明をシリンジポンプによる分注方式に適用する場合、チップ１６としてディスポーザブルのチップでかつチップの中にフィルターや担体を保持しているチップを用いて分注する場合にも全く同様に適用することができる。

一実施例の分注装置を概略的に示すブロック図である。 同装置におけるピエゾチップの一例を概略的に示す断面図である。 一実施例の分注方法における制御パラメータを示す波形図である。 同実施例の動作を示すフローチャート図である。 他の実施例の分注装置を概略的に示すブロック図である。 従来のピエゾ方式の分注装置を概略的に示すブロック図である。 従来のシリンジ方式の分注装置を概略的に示すブロック図である。

符号の説明

２ ピエゾチップ
４ａ ピエゾ分注制御部
６,６ａ 液滴
１０ シリンジポンプ
１２ プローブ
１４ モータ
１６ ディスポーザブルチップ
１８ａ シリンジ分注制御部
２０ ＣＣＤカメラ
２２ 画像記憶部
２４ 画像処理部
２５ 画像処理装置
２６ 画像表示部
３０ 撥水性基材

Claims (3)

1. 先端の吐出部から液滴を吐出する分注ユニットにおける分注方法において、
   前記分注ユニットは、先端の吐出部につながる空間に充填された液をピエゾ素子を備えた駆動部により押圧することによりその吐出部から液滴を吐出するピエゾヘッドを備え、１回の吐出による液滴が撥水性表面上で球状となる大きさの微量液滴を吐出するものであり、
   テストプリントとして、前記吐出部の下方に表面が撥水性の基材を配置し、
   前記吐出部から前記基材の表面の同一箇所に複数の液滴を吐出するステップであって、吐出液滴数を前記基材表面に形成される液滴が球状を保って数ｎｌ〜数百ｎｌ程度の大きさとなるように設定して行うステップと、
   前記基材表面に溜まってできた液滴の画像を取得するステップと、
   その取り込んだ画像に基づいて液滴の大きさを求めるステップと、
   その求めた液滴の大きさに基づいて１回の吐出による液滴の分注量が所定値になるように前記分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節するステップとを備えて分注量を決定することを特徴とする分注方法。
2. 前記制御信号のパラメータは、前記ピエゾ素子への印加電圧の大きさ、印加電圧の立上がり時間、印加時間、印加電圧の立下がり時間のうちの少なくとも１つを含んでいる請求項１に記載の分注方法。
3. 先端から液滴を吐出する吐出部及び前記吐出部からの液滴の吐出を駆動する吐出駆動部を備えて前記吐出部につながる空間に充填された液をピエゾ素子を備えた前記吐出駆動部により押圧することにより前記吐出部から液滴を吐出するピエゾヘッドを備え、１回の吐出による液滴が撥水性表面上で球状となる大きさの微量液滴を吐出する吐出ユニットと、
   テストプリント時に前記吐出ユニットから吐出された複数の液滴が撥水性の表面の同一箇所に吐出されて溜まって形成された液滴の画像を取得するように配置された撮像装置と、
   前記撮像装置からの画像に関する信号を取り込んで液滴の大きさを求める画像処理装置と、
   前記分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節する分注制御部とを備え、
   前記分注制御部は、テストプリント時に前記吐出部の下方に配置された表面が撥水性の基材の表面の同一箇所に前記吐出部から複数の液滴を吐出したときに前記基材表面に形成される液滴が球状を保って数ｎｌ〜数百ｎｌ程度の大きさとなるように吐出数を設定する手段と、
   前記画像処理装置が求めた液滴の大きさに基づいて１回の吐出による液滴の分注量が所定値になるように前記分注ユニットの吐出駆動部への制御信号のパラメータを調節する手段とを備えて分注量を調節するものであることを特徴とする分注装置。

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