JP4122522B2 - 液体収容容器、およびこれが装着される液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、ならびにこれらを用いる液体吐出ヘッドへの液体供給方法および液滴吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドに装着して用いられる、液滴吐出ヘッドに供給する液体を収容するための液体収容容器、該液体収容容器が装着される液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置、ならびにこれらを用いる液体吐出ヘッドへの液体供給方法および液滴吐出方法に関する。

従来、試料溶液中における特定の塩基配列を有する核酸分子の有無を検出するために、ＤＮＡ分子を基板に固定した、いわゆるＤＮＡマイクロアレイが用いられている。マイクロアレイを作製する方法の一つとして、ＤＮＡ分子を含む溶液を、インクジェット式吐出装置等の液滴吐出装置によって、基板表面に吐出する方法が知られている。
液滴吐出装置を用いる方法は、ノズル間ピッチを狭くすることで高密度のマイクロアレイを作製することができるという利点がある。また、近年、タンパク質を基板表面に固定したいわゆるタンパク質チップも開発されつつあるが、液滴吐出装置によれば、タンパク質を含む溶液も吐出することが可能であり、汎用性が高い。
しかしながら、一般に、液滴吐出装置では、液滴の吐出が終了した後、液体収容部（いわゆるリザーバ）に一定量の液体が残留しやすい。残留した溶液は回収や洗浄が困難であり、回収できない溶液は洗浄と同時に廃棄されるが、ＤＮＡやタンパク質等の生体関連分子は、高価なものや、入手が困難なものも多く、少量であっても廃棄することは望ましくない。また、洗浄が十分にできないと、別の試料を用いる場合にコンタミネーションが起こりやすく、再現性のあるデータが得られないこともある。
溶液の残留を防ぎ、使用率を向上させる方法として、特開２００１−３３７０９６号公報（特許文献１）には、分注装置から取り外し可能なカートリッジの溶液溜め部に溶液を収容し、カートリッジが取り付けられると分注装置に設けられたピンによって溶液溜め部に孔が開けられ、このピンを伝って溶液が分注装置に注入されるように構成された分注装置が提案されている。
特開２００１−３３７０９６号公報

特許文献１に開示された装置によれば、カートリッジ中の液体は略全量が流出して使用され、溶液が残留するのは液滴吐出ヘッドの内部のみになる。液滴吐出ヘッドの内部のみであれば、残留溶液の量も極めて少なく、また洗浄も容易である。
しかしながら、この分注装置によれば、一度使用したカートリッジには孔が開けられてしまうので、カートリッジ内の全量を使用しない場合、残った液体を保存することが困難である。また、カートリッジ自体は使い捨てとなってしまう。
そこで、本発明は、液体収容部の試料溶液を高い使用率で使用することができるとともに、試料溶液が液体収容部内に余った場合に、当該溶液を廃棄することなく保存できる液滴吐出ヘッドへの液体供給方法、およびこの方法に使用する液体収容容器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への液体供給方法は、液滴吐出ヘッドから吐出される液体を収容する液体収容部と、該液体収容部に液体を供給するための供給口と、該液体収容部を該液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通させるための送出口と、を有する、該液滴吐出ヘッドに着脱可能な本体と、前記供給口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な供給口密閉手段と、前記送出口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な送出口密閉手段と、を備える液体収容容器を用いる前記液滴吐出ヘッドへの液体供給方法であって、前記供給口を開放し、前記送出口を送出口密閉手段により密閉する工程と、前記供給口から前記液体収容部に液体を供給する工程と、前記供給口を前記供給口密閉手段により密閉した後、前記送出口を開放する工程と、前記本体を液滴吐出ヘッドに装着する工程と、前記供給口を開放する工程と、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吸引して、ノズル孔先端まで前記液体を充填する工程と、を含むことを特徴とする。

このような構成によれば、送出口を密閉し、供給口を開放した状態で、供給口から液体収容部に液体を供給することができる。また、液体収容部に液体が収容されていても、供給口を密閉しておくと、外部から収容室内の方向にかかる大気圧によって液体が送出口から流出しなくなるので、開放された送出口を下方に向けても中の液体が保持される。そこで、供給口を密閉し、送出口を開放して本体を移動させることによって、送出口が液滴吐出ヘッドに設けられた吐出ノズルに通じる流路に接続されるように、本体を液滴吐出ヘッドに装着することができる。装着後、供給口を開放し、液滴吐出ヘッドのノズル孔から吸引することによって、ノズル孔の先端まで液体を供給することができる。ノズル孔からの吸引は、例えば、気体透過膜を備えた吸引手段を液滴吐出ヘッドのノズル開口部に密着させて吸引することによって行うことができる。

一方、必要な吐出を終えても液体収容部に液体が残留している場合は、再び供給口を供給口密閉手段で密閉すれば、送出口から液体を流出させずに、本体を液滴吐出ヘッドから取り外すことができる。取り外した本体は、供給口密閉手段および送出口密閉手段によって密閉し、液体の保存容器としてそのまま使用することができる。

本発明に係る方法は、液滴の浪費を防止することができるので、吐出する液体が生体関連分子を含む場合に特に適している。生体関連分子としては、ＤＮＡやＲＮＡ等の核酸やタンパク質等が挙げられるが、これらに限定されない。

また、上記方法において、液滴吐出ヘッドを洗浄するための洗浄剤を液体収容部に収容することも好ましく、洗浄剤を液滴吐出ヘッドに供給して吐出ノズルから吐出させることにより、液滴吐出ヘッド内を効率よく洗浄することもできる。

さらに、本発明は、液滴吐出ヘッドに供給する液体を収容するための液体収容容器も提供する。かかる液体収容容器は、液体の供給口および送出口を有する液体収容部を備える本体と、前記供給口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な供給口密閉手段と、前記送出口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な送出口密閉手段と、を備え、送出口が、液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通するように、前記本体が前記液滴吐出ヘッドに装着されることを特徴とする。

このような構成の液体収容容器は、上述した液滴吐出ヘッドへの液体供給方法に好適に用いられる。

また、上記液体収容容器は、本体に、液滴吐出ヘッドに装着するための装着手段を備えることが好ましい。装着手段としては、例えば、液滴吐出ヘッド側に設けられた凹部に嵌合する凸状部などが挙げられる。このような構成によれば、上記液体収容容器が液滴吐出ヘッドにしっかりと固定され、この容器を装着したまま好適に吐出を行うことができる。

また、本体に液体収容部が２以上備えられていると、多種類の試料溶液を一度に用意して、液滴吐出ヘッドに供給することができるようになり、好ましい。

本体に液体収容部が２以上備えられる場合は、各液体収容部の供給口が、本体の同一平面内に設けられ、供給口密閉手段がこの平面に密着することによって、２以上の供給口を同時に密閉可能な構成とすることが好ましい。また、送出口は、別の同一平面内に設けられ、送出口密閉手段がこの平面に密着することによって、２以上の送出口を同時に密閉可能な構成とすることが好ましい。このような構成によって、液体収容部が複数ある場合にも、液体の供給、本体の移動および液滴吐出ヘッドへの装着を効率よく行うことができる。

この場合、供給口密閉手段および／または送出口密閉手段における、供給口および／または送出口が設けられた面に密着する面には、シール材が付されていることが好ましい。これによって、密閉性を高め、大気圧を利用する本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法をより好適に実施することが可能となる。

また、送出口内の表面が親液性となるように処理し、本体における送出口が設けられた面は撥液性とすることが好ましい。これによって、本体を液滴吐出ヘッドに装着した際、送出口と液滴吐出ヘッドの流路との接続部位に液漏れが生じるのを防ぐことができ、本体の供給口を供給口密閉手段で密閉し、液滴吐出ヘッドから取り外した時に、送出口内に安定してメニスカスを形成でき、移動時に液漏れを防止することができる。

本発明は、さらに、上述した本発明に係る液体収容容器が装着される液滴吐出ヘッド、およびこれを備える液滴吐出装置も含んでいる。当該液滴吐出ヘッドよび液滴吐出装置は、本発明に係る液体収容容器を着脱可能に装着できるよう構成され、本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法を好適に利用可能なものである。

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。

（液体収容容器）
図１は、本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法に用いられる、液体収容容器１００の斜視図である。液体収容容器１００は、本体１０と、供給口密閉手段２０と、送出口密閉手段３０とから構成される。本実施形態において、液体収容容器１００は、主としてＤＮＡやタンパク質等の生体分子を含む溶液を液滴吐出ヘッドに供給するために用いられるものとする。

本体１０は、液体収容部であるウェル１６と、ウェル１６に液体を供給するための供給口１２と、ウェル１６を液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通させるための送出口１４とを有しており、対向する２つの側面に設けられた凸状部１８ｂ（装着手段）を、後述する液滴吐出ヘッドの凹部に嵌合させることによって、液滴吐出ヘッドに安定して装着することができる。本実施形態では、本体１０に、ウェル１６が１２８穴（１６×８）設けられているが、マイクロタイタープレートとして汎用される９６穴、３８４穴等、目的に応じた構成とすることができる。すべてのウェル１６の供給口１２は、図中、本体１０の上面内に設けられ、送出口１４は下面内に設けられている。

供給口密閉手段２０は、図中、本体１０の上側に装着され、すべてのウェル１６の供給口１２を同時に密閉することが可能である。本体１０の上面に接する部分には、密着性を高めるためシール材２２が付されており、本体１０の対向する２つの側面に設けられた凸状部１８ａを、供給口密閉手段２０の凹部２４に嵌合させることによってシール材２２が供給口１２群に密着し、供給口を大気から密閉する。

また、送出口密閉手段３０は、図中、本体１０の下側に装着され、すべてのウェル１６の送出口１４を同時に密閉することが可能である。本体１０の下面に接する部分には、シール材３２が付されており、液滴吐出ヘッドへの装着手段としても用いられる凸状部１８ｂを、送出口密閉手段３０の凹部３４に嵌合させることによって、シール材３２が送出口１４群に密着し、送出口を大気から密閉する。

本体１０、供給口密閉手段２０、送出口密閉手段３０の材料は特に限定されないが、可撓性を有する材料で形成すれば、突状部１８ａ、１８ｂを凹部２４、３４等に嵌合させやすい。好ましくは、ポリスチレンやポリプロピレン等の可撓性を有する樹脂を挙げることができ、これらを用いれば安価で生産性も高い。なお、シール材２２および３２は、市販のいわゆるパッキン材を用いることができる。

本実施形態においては、送出口１４の内部表面は親水性に処理され、送出口が設けられている平面、即ち本体１０の下面は撥水性に処理されている。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。また、撥液性（撥水性）を付与する方法としては、フルオロアルキルシランまたはポリフルオロエチレンのような撥水材料を真空蒸着法により蒸着させて撥水膜を形成する方法がある。このような構成とすることによって、送出口１４から液体が導入される際、送出口１４と液滴吐出ヘッドに設けられた流路の接続部位で、流出した液体が濡れ広がって液漏れが生じるのを防ぐことができる。

（液滴吐出ヘッドへの液体供給方法）
図２は、液体収容容器１００を用いて、液滴吐出ヘッドに液体を供給する方法を示す説明図である。まず、図２（Ａ）に示すように、本体１０の凸状部１８ｂを、送出口密閉手段３０の凹部３４に嵌合させることによって、本体１０の下面に送出口密閉手段３０を取り付け、送出口１４を密閉する。

次に、同図（Ｂ）に示すように、供給口１２からウェル１６内に、液体４０を供給する。液体４０は、例えば、核酸やタンパク質等生体関連分子を含む溶液とすることができ、ピペットや自動分注器等によって供給することができる。続いて、同図（Ｃ）に示すように、本体の凸状部１８ａを、供給口密閉手段２０の凹部２４に嵌合させることによって、本体１０の上面に供給口密閉手段２０を取り付け、供給口１２を密閉する。ここで、同図（Ｄ）に示すように、送出口密閉手段３０を本体１０から取り外す。このとき、供給口密閉手段２０によって供給口１２は密閉されているので、液体４０は供給口１２から大気圧を受けず、送出口１４においてウェル外部から内部に向かう大気圧のみが液体４０に作用する。この結果、送出口１４が下方を向いていても、液体４０は送出口１４から流出しない。

次に、この状態を維持して本体１０を液滴吐出ヘッド２００上まで移動させ、同図（Ｅ）に示すように、本体１０を液滴吐出ヘッド２００に装着する。液滴吐出ヘッド２００は、本発明に係る液滴吐出装置の一部であり、本体１０を容易に着脱できるよう構成されている。

ここで液滴吐出ヘッド２００の構成を説明する。液滴吐出ヘッド２００は、シリコン基板やガラス基板等で形成され、液体を吐出するノズル孔２１４、加圧室２１２等を有する吐出ヘッドチップ３００を備えている。吐出ヘッドチップ３００の上部に、２枚重ねることによって、装着される液体収容容器１００の本体１０の送液口１４とノズル孔２１４とをつなぐ液体の流路が形成される送液プレート２０６および２０２が積層され、送液プレート２０６および２０２は、止め具２１０に固定されている。止め具２１０の凹部２１１に本体１０の凸状部１８ｂ（装着手段）を嵌合させることによって、本体１０は、液滴吐出ヘッド２００に装着される。

また、送液プレート２０２には、送出口１４に対応する位置に貫通孔が設けられたシール材２０４を付しておくことも好ましく、これによって、送液プレート２０２と本体１０の密着性を向上させ液漏れを防ぐことができる。

ここで、図３に送液プレート２０２の平面図を示す。送液プレート２０２には、本体１０の送液口１４と直径の等しい貫通孔２０３が、送液口１４に対応する位置に送液口と同じ数だけ設けられている。供給口１４から流出した液体４０は、貫通孔２０３を通過して、送液プレート２０６に設けられた流路に流入する。

図４に、流路となる溝２０８が設けられた送液プレート２０６の平面図を示す。溝２０８は送液プレート２０６の表面に設けられ、それの始点は送液プレート２０２の貫通孔の位置に対応し、本実施形態では１２８箇所の始点から溝２０８が始まっている。各溝の終点は、吐出ヘッドチップ３００の上部にあり、終点には送液プレート２０６を貫通する孔２０７が設けられ、溝２０８が加圧室２１２に連通させられる。

図２（Ｅ）に示すように、供給口１２を供給口密閉手段２０で密閉している間は、液体４０は、送出口１４から流出せず、ウェル１６内に保持される。

次に、図２（Ｆ）に示すように、供給口密閉手段２０を本体１０から取り外して供給口１２を開放し、吸引キャップ４００をノズル孔２１４のある吐出ヘッドチップ３００の下面に密着させて、図中矢印の方向に吸引する。吸引することによって、液体４０は、送液プレート２０２の貫通孔２０３、送液プレート２０６の溝２０８、および送液プレート２０６の貫通孔２０７を通って加圧室２１２に導入され、ノズル孔２１４に達する。吸引キャップの表面には、平均穴径３μｍの微小な孔をもつＰＴＦＥのメンブレン４１０が装着されており、これをキャップ内にあるスポンジ４２０の復元力でノズル面に押し当てている。気体はこの膜を透過するが、液体は透過できないため、ノズル孔２１４に到達した液体４０は吸引キャップに排出されることがない。吸引キャップを離間させた後、加圧室２１２に加圧すると、ノズル孔２１４から液体４０が吐出される。吐出を繰り返し行うことで、ウェル１６内の液体４０の略全量を送出口１４から送出させることができる。液体４０をウェル１６に残したまま、本体１０を取り外した場合、送液プレート２０２の貫通孔２０３、送液プレート２０６の溝２０８および貫通孔２０７は極細く形成されているため、この内部の液体４０は残留するが、ごく微量であると考えられる。

（洗浄）
ウェル１６内の液体４０がなくなった後、本体１０は、液滴吐出ヘッド２００から取り外して十分に洗浄することができる。

一方、送液プレート２０２、送液プレート２０６、および吐出ヘッドチップ３００の流路内は、上述した本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法において、液体４０を洗浄液とすることにより、好適に洗浄することができる。洗浄液による洗浄の後、リンス工程が必要であれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法において、液体４０を、リンス工程に好適な溶液を液体とすればよい。

（試料の保存）
本発明に係る液体収容容器１００を用いて、液滴吐出ヘッドに液体を供給し、必要な吐出を行った後にウェル１６内に試料を含む液体４０が残留している場合は、液体収容容器１００を利用してそのまま液体４０を保存することができる。

図５に、保存方法を示す。図５（Ａ）に示すように、ウェル１６中に液体４０が残留している場合、まず同図（Ｂ）に示すように供給口密閉手段２０を本体１０に密着させて、供給口１２を密閉する。そして、この状態のまま、同図（Ｃ）に示すように液滴吐出ヘッド２００から取り外せば、送出口１４からは液体４０が流出することがない。次に、同図（Ｄ）に示すように、本体１０に送出口密閉手段３０を取り付けることにより、ウェル１６を完全に密閉し、試料の種類によっては必要な温度管理等を行って液体４０を保存することができる。

後に、また液体４０を液滴吐出装置によって吐出する場合には、図２（Ｃ）〜（Ｆ）に示す工程に従って、液滴吐出ヘッドに液体４０を供給すればよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形、変更実施が可能である。例えば、上述の液体収容容器では、凸状部が本体の対向する２つの側面にのみ設けられた例を示したが、４つの側面全てに設けられていてもよい。また、液体収容容器１００の大きさ、材料、ウェル１６の数等も目的に応じて選択することができ、液体４０もＤＮＡ、タンパク質、細胞等の生体試料を含む溶液や、洗浄液に限定されず、液滴吐出装置で吐出可能な限りどのような液体であっても良い。

本発明に係る液体収容容器を示す斜視図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドへの液体供給方法の工程を説明する図である。 送液プレートの平面図の一例である。 送液プレートの平面図の一例である。 本発明に係る液体収容容器を用いた液体の保存方法を説明する図である。

符号の説明

１００…液体収容容器、１０…本体、１２…供給口、１４…送出口、１６…液体収容部、１８ａ，１８ｂ…凸状部、２０…供給口密閉手段、２２…シール材、２４…凹部、３０…送出口密閉手段、３２…シール材、３４…凹部、４０…液体、２００…液滴吐出ヘッド、２０２，２０６…送液プレート、２０３，２０７…貫通孔、２０４…シール材、２０８…溝、２１０…止め具、２１１…凹部、２１２…加圧室、２１４…ノズル孔、３００…吐出ヘッドチップ、４００…吸引キャップ、４１０…気体透過膜、４２０…スポンジ

Claims (11)

1. 液滴吐出ヘッドから吐出される液体を収容する液体収容部と、該液体収容部に液体を供給するための供給口と、該液体収容部を該液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通させるための送出口と、を有する、該液滴吐出ヘッドに着脱可能な本体と、
   前記供給口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な供給口密閉手段と、
   前記送出口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な送出口密閉手段と、を備える液体収容容器を用いる前記液滴吐出ヘッドへの液体供給方法であって、
   前記供給口を開放し、前記送出口を送出口密閉手段により密閉する工程と、
   前記供給口から前記液体収容部に液体を供給する工程と、
   前記供給口を前記供給口密閉手段により密閉した後、前記送出口を開放する工程と、
   前記本体を液滴吐出ヘッドに装着する工程と、
   前記供給口を開放する工程と、
   前記液滴吐出ヘッドのノズル孔から吸引して、ノズル孔先端まで前記液体を充填させる工程と、を含む、液滴吐出ヘッドへの液体供給方法。
2. 前記液滴吐出ヘッドに供給される液体が、生体関連分子を含む、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドへの液体供給方法。
3. 前記液滴吐出ヘッドに供給される液体が、液滴吐出ヘッド用の洗浄剤である、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドへの液体供給方法。
4. 液滴吐出ヘッドに供給する液体を収容するための液体収容容器であって、
   液滴吐出ヘッドから吐出される液体を収容する液体収容部と、該液体収容部に液体を供給するための供給口と、該液体収容部を該液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通させるための送出口と、を有する、該液滴吐出ヘッドに着脱可能な本体と、
   前記供給口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な供給口密閉手段と、
   前記送出口を密閉可能であり、前記本体に着脱可能な送出口密閉手段と、を備え、
   前記供給口を開放し、前記送出口を送出口密閉手段により密閉した状態で、前記供給口から前記液体収容部に液体が供給され、前記供給口を前記供給口密閉手段により密閉し、前記送出口を開放した状態で前記液滴吐出ヘッドに装着され、前記送出口を前記液滴吐出ヘッドに設けられた流路に連通させられるよう構成されている、液体収容容器。
5. 前記本体が、前記液滴吐出ヘッドに装着するための装着手段を備える、請求項４に記載の液体収容容器。
6. 前記本体が、前記液体収容部を２以上備える、請求項４に記載の液体収容容器。
7. 前記本体は、
   前記２以上の液体収容部の供給口が同一面内に設けられ、前記供給口密閉手段は、該面に密着することによって２以上の供給口を同時に密閉可能であり、
   前記２以上の液体収容部の送出口が同一面内に設けられ、前記送出口密閉手段は、該面に密着することによって２以上の送出口を同時に密閉可能である、請求項６に記載の液体収容容器。
8. 前記供給口密閉手段および／または前記送出口密閉手段において、前記供給口および／または前記送出口が設けられた面に密着する面にシール材が付されている、請求項７に記載の液体収容容器。
9. 前記送出口内の表面は親液性であり、本体の前記送出口が設けられた面は撥液性である、請求項７に記載の液体収容容器。
10. 請求項４から９のいずれか１項に記載の液体収容容器が装着される、液滴吐出ヘッド。
11. 請求項１０に記載の液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置。
    

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