JP4103009B2 - 液滴吐出装置、およびマイクロアレイ製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、およびマイクロアレイ製造方法に関する。

近年、核酸やタンパク質、細胞等の生体由来分子をプローブとして基板上に固定化したいわゆるマイクロアレイを用い、生体分子間の結合の特異性を利用して、サンプル中の標的物質を検出・測定する方法が広く用いられている。

特開平１１−１８７９００号公報（特許文献１）には、標的物質に対して特異的に結合可能であるプローブを含む液体を、インクジェット法により固相表面に吐出し、該固相表面にプローブを付着させることを特徴とするプローブの固相へのスポッティング方法が開示されている。

このようなマイクロアレイでは、標的物質をハイスループットに検出するため、微小な領域に多種類のプローブ分子を固定する必要がある。特開２００４−１６０９０４号公報（特許文献２）には、複数の液体貯留部を有する第１の基板と、前記複数の液体貯留部にそれぞれ独立に連通する複数の流路を有する第２の基板と、前記複数の流路にそれぞれ独立に連通し、液滴を吐出する複数のノズルを有する一または複数のヘッドチップとを備えたインクジェットヘッドが開示されている。これによれば、複数の試料を搭載した液体貯留部と、作製するマイクロアレイのスポットの配置に対応させた複数のノズルとが流路で連通させられるので、多数のプローブが微小領域に固定されたマイクロアレイを高速に作製することができる。
特開平１１−１８７９００号公報 特開２００４−１６０９０４号公報

しかしながら、上述のインクジェットヘッドを用いる場合、吐出に先立って各々の液体貯留部に異なる試料溶液を充填しなければならず、この充填工程に時間を要する。吐出工程自体は極めて短時間で行うことが可能なため、マイクロアレイの生産性を向上させるためには、充填工程の時間を短縮することが重要である。

そこで、本発明は、その液体保持部に、多種類の液体を短時間で効率よく供給することのできる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、第１の主面に形成されたノズルと、前記ノズルから吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、前記加圧室と連通した液体保持部と、前記液体保持部に液体を供給するための供給口と、を備え、前記供給口が、前記第１の主面の反対側に位置する第２の主面から突出するように設けられていることを特徴とする。

このような構成とすることにより、吐出するための液体に、供給口を直接浸漬させることによって、該液体と液体保持部とを連通させることができる。この状態で、例えばノズル側から吸引することにより、液体保持部に該液体を吸い上げることが可能である。供給口の内径が十分に細い場合は、毛細管現象によっても液体が吸い上げられる。また、各供給口は第２の主面から突出するように設けられているので、小さな試料容器中の溶液に浸漬させやすく、第２の主面や液体保持部が試料溶液に接して汚染されることがないという効果も得られる。

また、本発明に係る液体吐出ヘッドにおいては、供給口と液体保持部が、一体的にチューブ状に形成されていることも好ましい。供給口と液体保持部が一体的に形成されている構成は単純で作製しやすい。

また、供給口の内部は、親液性を有する表面で構成されていることが好ましい。これによって、供給口を介して液体を吸い上げやすくなり、毛細管現象による効果も得やすくなる。

本発明は、上述した本発明に係る液滴吐出ヘッドを装着して用いる液滴吐出装置であって、前記液滴吐出ヘッドを取り付けるための固定手段と、前記液滴吐出ヘッドのノズルを覆うように前記第１の主面に密着し、前記カートリッジ内の気体または液体を該ノズルから吸引可能な吸引手段と、を備える液滴吐出装置も包含する。

このような構成により、本発明に係る液滴吐出ヘッドを固定手段に取り付け、その供給口を液体に接触させた状態で、吸引手段を第１の主面に密着させて作動することによって、ノズルから液体保持手段に液体を吸引することができる。

本発明に係る液滴吐出装置においては、固定手段が、液滴吐出ヘッドを、鉛直方向を含む面内で回転させることが可能であることが好ましい。このような構成により、ノズルを上方または下方に向けて固定することができる。ノズルを上方に向けて固定すれば、反対側の供給口が下方に向けられるので、試料容器中の液面に供給口を接触させることができる。液体を基板上に吐出する際には、ノズルを下方に向けて固定させることが可能である。

また、本発明に係る液滴吐出装置においては、吸引手段が、前記第１の主面に密着したときに、前記ノズルに当接する気液分離フィルターを備えていることが好ましい。気体のみ透過させる気液分離フィルターをノズルに当接させることにより、吸引した液体がノズルの外に流出して第１の主面を汚染するのを防ぐことが可能である。また、吐出する溶液中の気泡も除くことができるので、吐出工程において気泡によりノズルが詰まるのを抑制することも可能である。

さらに、本発明は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを装着した、本発明に係る液滴吐出装置を使用するマイクロアレイの製造方法をも包含する。かかる製造方法は、前記供給口と同数かつ同間隔に配置されたウェルを有する容器に試料溶液を準備する第１工程と、前記ノズルが上方を向くように前記液滴吐出ヘッドを固定する第２工程と、前記供給口を前記ウェル内の試料溶液に接触させる第３工程と、前記吸引手段を前記液滴吐出ヘッドの前記第１の主面に密着させて吸引し、前記試料溶液を前記液体保持部および加圧室に導入する第４工程と、前記吸引手段を前記第１の主面から離し、前記ノズルが下方を向くように前記液滴吐出ヘッドを固定する第５工程と、前記試料溶液を基板に吐出する第６工程と、を含むことを特徴とする。

このような方法によれば、マイクロタイタープレート等の試料容器の各ウェルから、液滴吐出ヘッドの各液体保持手段に、供給口を介して短時間で多種類の試料を充填することが可能である。試料充填後は、液滴吐出ヘッドを反転し、基板に向けて試料溶液を吐出することができる。

さらに、上記第６工程の後、前記液滴吐出ヘッドを、前記ノズルが上方を向くように固定する第７工程と、前記供給口を洗浄液に接触させる第８工程と、前記吸引手段を前記液滴吐出ヘッドの前記第１の主面に密着させて吸引し、前記洗浄液を前記液体保持部に導入し、該液体保持部から該洗浄液を排出して乾燥させる第９工程と、を行うことも好ましい。

このような方法によれば、試料溶液の吐出と、液滴吐出ヘッドの洗浄を、効率よく繰り返して、コンタミネーションがなく信頼性の高いマイクロアレイを生産性よく作製することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（液滴吐出ヘッド）
図１は、本発明の液滴吐出ヘッドの第１の態様として、インクジェットヘッド１０を示す斜視図である。

液滴吐出ヘッド１０は、その第１の主面１２の中央部にノズルを備え、さらに加圧室、液体保持部、加圧室および液体保持部を連通させる流路を有している。ノズル、加圧室、液体保持部、および流路については後述する。また、液滴吐出ヘッド１０は、液体保持部に液体を供給するための供給口１６を有している。供給口１６は、図示されたように、第１の主面１２とは反対側に位置する第２の主面から突出するように設けられている。

本実施形態における液滴吐出ヘッド１０は、ノズル、液体保持部、および供給口１６をそれぞれ８行×１２列の９６個ずつ備えており、９６穴のマイクロタイタープレートから各液体保持部に液体を充填し、各ノズルから吐出するのに好適な構成となっている。

図２に、液滴吐出ヘッド１０の図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った模式断面図を示す。

液滴吐出ヘッド１０の第１の主面１２の中央には、ノズルを有するヘッドチップ２０が備えられている。ヘッドチップには９６個のノズル１１が４８行×２列の配置に設けられているが、本断面図では、２つのノズル２２ｃおよび２２ｊのみが示されている。ヘッドチップ２０には、ノズルから吐出する液体に加圧する加圧手段２４を備えた加圧室２６が形成されている。加圧室は各ノズルに一つずつ設けられているが、図２では、ノズル２２ｃおよび２２ｊに対応する加圧室２６ｃおよび２６ｊのみを示している。

本実施形態において、液滴吐出ヘッド１０は、液体保持部が供給口１６と同一の内径を有し、供給口１６と液体保持部が一体的にチューブ状に形成されているため、以後、液体保持部と供給口１６とをまとめて「供給口１６」として表す。供給口１６は、流路１３を介して圧力室２６に連通される。本断面図では、供給口１６ｃおよび１６ｊ、これを圧力室２６ｃおよび２６ｊに連通させる流路１３ｃおよび１３ｊのみを示している。このように各供給口１６は専用の流路１３および圧力室２６を介して専用のノズル２２に連通されるため、試料溶液のコンタミネーションが生じにくい。

このような液滴吐出ヘッド１０は、例えば、３つの基板３０、４０、および５０を積層し、基板５０に設けられた孔に供給口１６を挿入し、基板３０にヘッドチップ２０を接着することによって作製することができる。

図３（Ａ）に基板３０の平面図を示す。基板３０には、基板４０を積層することによって流路１３を形成する溝１３’が９６本形成されている。溝１３’は、基板１７の周縁部から中央に向かって集束し、各溝１３’の基板周縁側の末端は、供給口１６のピッチ（形成間隔）と一致していている。一方、各溝１３’の基板中央側の末端には、圧力室に接続する貫通孔が設けられている。

次に、図３（Ｂ）に基板３０上に積層される基板４０の平面図を示す。基板４０には８行×１２列で９６個の貫通孔４２が形成されている。貫通孔４２のピッチは、供給口１６のピッチに一致する。貫通孔４２は、流路１３と供給口１６とを連通させる流路となる。

図３（Ｃ）に、基板５０の平面図を示す。基板５０には、貫通孔５２が９６個形成されている。貫通孔５２のピッチも供給口１６のピッチと一致し、貫通孔５２の下端は基板４０の貫通孔４２に連通する。貫通孔５２は、図２にも示されるように所定の深さまで大きな内径を有し、ここに供給口１６が嵌合される。

基板３０、４０および５０は、ガラス、樹脂等の材料で形成することができ、溝や貫通孔は、エッチング、射出成形等、材料に適した方法によって形成することができる。

基板３０〜５０を積層し接着した後、基板５０の各孔にチューブ状の供給口１６を嵌合させる。供給口１６は、アクリル、塩化ビニル、ポリカーボネート等の樹脂で形成することが好ましいが、ガラス、金属等であってもよい。供給口１６の内側表面は親液性に処理しておくことが好ましく、これによって、供給口１６の内部に試料溶液を吸い上げやすくなる。表面に親水性を付与する方法としては、親水性でかつ生体分子に親和性の高いポリマーをコートする方法がある。そのようなポリマーの例としては、ヒドロキシエチルメタクリレート、Ｎ−ビニルピロリドン、ジメチルアクリルアミド、グリセロールメタクリレート、ポリエチレングリコールメタクリレートなどがある。

さらに、基板３０にヘッドチップ２０を接着して、インクジェットヘッド１０が完成する。

次に、図４に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第二の態様として、インクジェットヘッド６０を示す。インクジェット６０は、比較的容量の大きい液体保持部６８が、供給口６６とは別に設けられている構成を有している。このような構成は、一度、液体保持部６８に充填した試料溶液を繰り返し吐出し、同一のマイクロアレイを大量に作製する場合に適している。

このような液滴吐出ヘッドは、図３（Ａ）および（Ｂ）に示す基板３０、４０と同一の構成を有する基板８０、９０を積層し、図５（Ａ）に示す基板９５と、同図（Ｂ）に示す基板１００とを積層することによって形成できる。基板９５の厚さと貫通孔の径を変えることによって、所望の容量の液体保持部を形成することが可能である。

（マイクロアレイ製造装置）
次に、図６に、上述した液滴吐出装置の一例として、マイクロアレイ製造装置２００の構成例を説明する図を示す。

マイクロアレイ製造装置２００は、ガラス等の基板２０２上に生体分子を含む試料溶液の液滴を複数配置して作製されるマイクロアレイを製造するためのものであり、複数の基板２０２を載置可能に構成されたテーブル２０４と、インクジェットヘッド１０または６０をＹ方向に自在に移動させるためのＹ方向駆動軸２０６と、テーブル２０４をＸ方向に自在に移動させるためのＸ方向駆動軸２０８と、を備える。また、インクジェットヘッド１０または６０を固定するための固定手段２１０と、インクジェットヘッド１０のノズル形成面に密着し、ノズルから吸引可能な吸引ユニット（吸引手段）２１２と、固定手段２１０および吸引ユニット２１２をＺ方向に自在に移動させるためのＺ方向駆動軸２０７と、をも備えている。

さらに、試料溶液を蓄えるための９６穴のマイクロタイタープレート２０３もテーブル２０４上に用意され、洗浄液を蓄えた洗浄槽２１４も設けられている。

なお、本実施形態において、吸引ユニット２１２は、ノズルから吸引するだけでなく、気体を送入することも可能な構成となっている。

ここで図７に、インクジェットヘッド１０を固定する場合を例にとって、固定手段２１０を図６における右方向から見た模式図を示す。インクジェットヘッド１０は固定手段２１０に、回転軸２１６によって固定され、この回転軸を中心として、インクジェットヘッド１０のみを鉛直方向を含む面内で回転させることが可能となっている。図７（Ａ）は、インクジェットヘッド１０がノズルを下方に向けて固定されている状態を示し、図７（Ｂ）は、ノズルを上方に向けるよう回転させている途中の状態を示す。ノズルが上方または下方を向き、インクジェットヘッド１０の基板が水平になった状態（例えば図７（Ａ）に示す状態）で、インクジェットヘッド１０は固定手段２１０に留め具等により固定することができる。

（マイクロアレイ作製工程）
次に、本実施形態のマイクロアレイ製造装置２００を用いて行われるマイクロアレイの製造方法について説明する。

まず、吐出すべき生体分子（例えば、ＤＮＡ、タンパク質等）を含む試料溶液を、供給口と同数かつ同間隔のウェル（試料保持部）を有する９６穴マイクロタイタープレート２０３に用意し、テーブル２０４上に配置する。

次に、ノズル２２を備えたヘッドチップ２０が上方を向き、供給口１６が下方を向くようにインクジェットヘッド１０を固定手段２１０により固定する。そして、Ｘ方向区同軸とＹ方向駆動軸２０６を作動させて、インクジェットヘッド１０を、マイクロタイタープレート２０３の真上に配置し、Ｚ方向駆動軸を作動させて、供給口１６の先端が、マクロタイタープレートの各ウェル中の試料溶液に浸漬するまでインクジェットヘッド１０を下方に移動させる。

続いて、Ｚ方向駆動軸を作動させて、吸引ユニット２１２を、ノズル２２を覆うようにインクジェットヘッド１０に密着させる。図８に、この状態を説明する概略断面図を示す。吸引ユニット２１２を作動させて、ノズルから吸引することにより、マイクロタイタープレート２０３中の試料溶液が、供給口１６内に吸い上げられる。吸い上げられた溶液は流路および圧力室を通ってノズル先端に到達する。吸引ユニット２１３には、気液分離フィルター２１３が備えられており、吸引ユニット２１３をインクジェットヘッド１０に密着させたとき、フィルター２１３はノズル先端に当接する。フィルター２１３は気体のみ透過させるので、液体がフィルター２１３に接するまで吸引した後、短時間吸引を継続し、溶液中に含まれる気泡を取り除いて、吐出準備を完了する。

次に、Ｚ方向駆動軸２０７を作動させて、吸引ユニット２１２をインクジェットヘッド１０から離し、インクジェットヘッド１０のノズル２０が下方を向くように回転させて固定する。そして、Ｘ方向駆動軸２０８およびＹ方向駆動軸２０６を作動させて、インクジェットヘッド１０をマイクロアレイ基板２０２の真上に配置する。そしてＺ方向駆動軸を作動させて、インクジェットヘッド１０とマイクロアレイ基板２０２との距離を調節し、試料溶液を吐出する。

吐出する溶液がなくなったら、再度、インクジェットヘッド１０を移動させて、上述の工程を繰り返し、マイクロタイタープレートから試料溶液を吸い上げればよい。

（洗浄工程）
吐出する試料溶液を変更する場合は、インクジェットヘッド１０を以下の工程にしたがって一度洗浄する。

まず、最初の試料溶液の吐出後、Ｚ方向駆動軸２０７を作動させて、インクジェットヘッド１０を適当な高さまで上昇させた後、Ｙ方向駆動軸２０６を作動させて、インクジェットヘッド１０を洗浄槽２１４の真上に配置する。次に、インクジェットヘッド１０を、ノズル２２が上方を向くように回転して固定し、Ｚ方向駆動軸２０７を作動させて、供給口１６を洗浄槽２１４中の洗浄液に浸漬させる。吸引ユニット２１２もＺ方向駆動軸２０７によって下降させ、インクジェットヘッド１０に密着させ、吸引する。気液分離フィルターに接するまで洗浄液をインクジェットヘッド１０内に十分に導入した後、吸引ユニット２１２から気体を挿入して、洗浄液を排出する。さらに気体を送入して、乾燥させてもよい。

続いて、Ｚ方向駆動軸２０７、Ｘ方向駆動軸２０８およびＹ方向駆動軸２０６を作動させて、インクジェットヘッド１０を次の吐出に用いる試料溶液を蓄えるマイクロタイタープレートの真上に位置させ、Ｚ方向駆動軸２０７を作動させて、インクジェットヘッド１０の供給口２２をウェル中の試料溶液に浸漬させる。

この後、吐出工程までは既に説明した方法に従って行われるので、ここでは説明を省略する。

本発明によれば、このように、液体（試料溶液、洗浄液）を効率よく供給口からインクジェットヘッド内に導入できるので、試料溶液の充填とマイクロアレイ基板への吐出を繰り返し、必要な場合に洗浄工程を行って、マイクロアレイを生産性良く作製することができる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、ノズル、液体保持部、および供給口の数は９６個に限定されず、使用するマイクロタイタープレート等の試料容器のウェルの数に合わせて自由に変更できる。また、吐出する液体は、生体分子を含むものに限られず、インクジェットヘッドから吐出できる液体である限り、種類を問わない。

本発明に係る液滴吐出ヘッドを示す斜視図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの断面図の一例である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドを構成する基板の平面図の一例である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの断面図の一例である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドを構成する基板の平面図の一例である。 本発明に係る液滴吐出装置の一例である。 本発明に係る液滴吐出装置の固定手段の動作を示す説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの使用態様を示す断面図の一例である。

符号の説明

１０、６０…液滴吐出ヘッド、１２…第１の主面、１４…第２の主面、１６…供給口、１３…流路、１３’…溝、２０、７０…ヘッドチップ、２２…ノズル、２４…加圧手段、２６…加圧室、３０、４０、５０、８０、９０、９５、１００…基板、４２、５２…貫通孔、６８…液体保持部、２００…液滴吐出装置、２０２…マイクロアレイ基板、２０３…マイクロタイタープレート、２０４…テーブル、２０６…Ｙ方向駆動軸、２０７…Ｚ方向駆動軸、２０８…Ｘ方向駆動軸、２１０…固定手段、２１２…吸引手段、２１３…気液分離フィルター、２１４…洗浄槽、２１６…回転軸

Claims (6)

1. 液滴吐出ヘッドを装着して用いる液滴吐出装置であって、
   前記液滴吐出ヘッドは、
   第１の主面に形成されたノズルと、
   前記ノズルから吐出する液体に加圧するための加圧手段を備えた加圧室と、
   前記加圧室と連通した液体保持部と、
   前記液体保持部に液体を供給するための供給口と、を備え、
   前記供給口が、前記第１の主面の反対側に位置する第２の主面から突出するように設けられ、前記供給口と前記液体保持部が、一体的にチューブ状に形成されたものであり、
   前記液滴吐出ヘッドを固定するための固定手段と、
   前記液滴吐出ヘッドのノズルを覆うように前記第１の主面に密着し、前記液滴吐出ヘッド内の気体または液体を該ノズルから吸引可能な吸引手段と、を備える液滴吐出装置。
2. 前記供給口の内部が親液性を有する表面で構成されている、請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記固定手段が、前記液滴吐出ヘッドを、鉛直方向を含む面内で回転させることが可能である、請求項１または２に記載の液滴吐出装置。
4. 前記吸引手段が、前記第１の主面に密着したときに前記ノズルに当接する気液分離フィルターを備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の液滴吐出装置を使用するマイクロアレイの製造方法であって、
   前記供給口と同数かつ同間隔に配置された試料保持部を有する容器に試料溶液を準備する第１工程と、
   前記ノズルが上方を向くように前記液滴吐出ヘッドを固定する第２工程と、
   前記供給口を前記ウェル内の試料溶液に浸漬させる第３工程と、
   前記吸引手段を前記液滴吐出ヘッドの前記第１の主面に密着させて作動させ、前記試料溶液を前記液体保持部および加圧室に導入する第４工程と、
   前記吸引手段を前記第１の主面から離し、前記ノズルが下方を向くように前記液滴吐出ヘッドを固定する第５工程と、
   前記試料溶液を基板に吐出する第６工程と、を含む方法。
6. 前記第６工程の後、前記液滴吐出ヘッドを、前記ノズルが上方を向くように固定する第７工程と、
   前記供給口を洗浄液に浸漬させる第８工程と、
   前記吸引手段を前記液滴吐出ヘッドの前記第１の主面に密着させて作動させ、前記洗浄液を前記液体保持部に導入し、該液体保持部から該洗浄液を排出する第９工程と、を行う、請求項５に記載のマイクロアレイの製造方法。

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