JP4888773B2 - 液滴吐出装置および液滴吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ＤＮＡやタンパク質を固相上に吐出して、マイクロアレイを作製する液滴吐出装置および液滴吐出方法に関する。

従来、試料容器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１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。

ＤＮＡやタンパク質等の生体関連分子は、高価なものや、入手が困難なものが多い。従来、必要以上の試料を装置に充填し、余った試料は廃棄されることが多かった。少量かつ貴重な試料に対応するため、液体（試料）の使用効率が良く、余った液体については回収および保存可能な液滴吐出装置が特許文献１に開示されている。
特開２００６−２０８１５１号公報

しかしながら、吐出するにしたがい、充填された液体の液量（液面）が減少していくと、ノズル孔において内部（液体の充填側）から外部へ作用する圧力（背圧）が変動し、吐出量が変動してしまうという不利益があった。上記の圧力の変動は、特に使用する液体が少量の場合に顕著となる。

本発明の目的は、吐出量を一定にすることができる液滴吐出装置および液滴吐出方法を提供することにある。

本発明に係る液滴吐出装置は、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液体収容容器と、前記送出口に対応する位置に中空室が形成された中継部材と、前記中空室を介して前記送出口に一端が連通可能な流路を備える送液部材と、前記送液部材の前記流路の他端に連通し、前記送液部材の前記流路内の前記液体を液滴としてノズル孔から吐出する吐出ヘッドと、を有し、かつ、前記中空室は、前記送出口よりも幅広に形成された構造を有し、かつ、前記ノズル孔から前記液滴が吐出されると、前記供給口の液面が下がって前記中空室の圧力が下がり、前記液体収容容器の前記送出口の液体が吸引されて、該吐出された量に相当する量の前記液滴が前記供給口に滴下されることにより、吐出量を一定に保つよう構成されたものである。

上記の液体収容部および流路には、液体が充填され、中空室が中空状態に維持される。このような構成によれば、吐出ヘッドから液滴が吐出されると、吐出された分量に相当する液滴が、液体収容部の送出口から中空室を介して流路の一端に滴下される。したがって、送液部材の液量（液面）が常に一定に維持され、吐出ヘッドにかかる圧力が一定になる。この結果、吐出ヘッドから吐出される液滴の吐出量を一定に維持することができる。

さらに、本発明に係る液滴吐出方法は、上記の液滴吐出装置を用いた液滴吐出方法であって、前記中継部材を介在させずに、前記液体収容容器の前記送出口と前記送液部材の前記流路の一端とを直接連通させ、前記液体収容部から前記流路を介して前記吐出ヘッドのノズル孔の先端まで液体を充填させる工程と、前記送液部材上に前記中継部材を装着して前記供給口と前記中空室とを連通させ、その後前記中継部材上に前記液体収容容器を装着して、前記送出口と前記供給口とが前記中空室を介して連通するように前記液体収容容器と前記送液部材との間に前記中継部材を介在させる工程と、前記吐出ヘッドから前記液滴を吐出する工程と、を有する。

このような構成によれば、吐出ヘッドから液滴が吐出されると、吐出された分量に相当する液滴が、液体収容部の送出口から中空室を介して流路の一端に滴下される。したがって、送液部材の液量が常に一定に維持され、吐出ヘッドにかかる圧力が一定になる。この結果、吐出ヘッドから吐出される吐出量を一定に維持することができる。

好ましくは、前記ノズル孔の先端まで前記液体を充填させる工程は、前記液体収容容器の前記送出口を密閉した状態で、前記供給口から前記液体収容部に前記液体を供給する工程と、前記液体収容容器の前記供給口を密閉し、前記送出口を開放する工程と、前記中継部材を介在させずに、前記供給口を密閉した状態で前記液体収容容器の前記送出口と前記送液部材の前記流路の一端とを直接連通させる工程と、前記供給口を開放する工程と、前記吐出ヘッドの前記ノズル孔から吸引する工程と、を有する。これにより、液体収容容器の送出口から液滴を流出させずに、液体を収容した状態にある液体収容容器の送出口と、送液部材の流路の一端とを直接連通させることができる。

好ましくは、前記ノズル孔から吸引する工程において、前記吐出ヘッドの前記ノズル孔に気液分離フィルターを取り付けて、当該気液分離フィルターを介して前記吐出ヘッドの前記ノズル孔から吸引する。これにより、ノズル孔から液体を流出させずに、ノズル孔の先端まで液体を充填させることができる。

好ましくは、前記中継部材を介在させる工程は、前記液体収容容器の前記供給口を密閉する工程と、前記供給口を密閉した状態で前記液体収容容器を前記送液部材から離間させる工程と、前記送液部材と前記液体収容容器の間に、前記中継部材を介在させる工程と、前記液体収容容器の前記供給口を開放する工程と、を有する。これにより、液体収容容器および送液部材内に充填された液体の状態を維持しつつ、液体収容容器と送液部材との間に中継部材を介在させることができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る液滴吐出構成の構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る液滴吐出装置１は、液体収容容器２と、送液板３と、中継板４と、吐出ヘッド５とを有する。上記の液体収容容器２、送液板３、中継板４、吐出ヘッド５は、互いに着脱可能となっている。

液体収容容器２は、複数の液体収容部２１を有する。液体収容部２１は、プレート状の液体収容容器２を貫通した状態で設けられており、液体収容容器２の上面側が供給口２２となり、液体収容容器２の下面側が送出口２３となる。例えば、液体収容容器２に、液体収容部２１が９６個（１２×８）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１２８個、３８４個等、目的に応じて種々の変更が可能である。

送液板３は、複数の流路３１を有する。流路３１の一端が、供給口３２となり、流路３１の他端が送出口３３となる。流路３１の供給口３２は、液体収容容器２の送出口２３に連通し、流路３１の送出口３３は、吐出ヘッド５に連通する。送液板３は、第１基板３ａおよび第２基板３ｂにより構成されており、２枚の基板３ａ、３ｂは、接着されている。なお、２枚の基板３ａ、３ｂは、図示しない止め具によって固定されていてもよい。流路３１は、第１基板３ａまたは第２基板３ｂ、例えば第２基板３ｂに設けられた溝からなる。供給口３２は、第１基板３ａに設けられた貫通孔からなる。送出口３３は、第２基板３ｂに設けられた貫通孔からなる。

図２は、第１基板３ａの構成を示す平面図である。図１の断面図は、図２のＡ−Ａ’線の断面図に相当する。
図２に示すように、第１基板３ａには、供給口３２が、液体収容容器２の送出口２３に対応する位置、かつ、送出口２３と同じ数だけ設けられている。送出口２３から流出した液体は、供給口３２を通過して、流路３１に流入する。

図３は、第２基板３ｂの構成を示す平面図である。図１の断面図は、図２のＡ−Ａ’線の断面図に相当する。
図３に示すように、流路３１は、第２基板３ｂの表面に設けられた溝からなり、その始点は第１基板３ａの供給口３２の位置に対応し、本実施形態では、９６箇所の始点から流路３１が形成されている。各流路３１の終点は、吐出ヘッド５の上部にあり、終点には第２基板３ｂを貫通する送出口３３が設けられている。

図１に示すように、中継板４は、液体収容容器２および送液板３の間に介在し、液体収容容器２の送出口２３および送液板３の供給口３２に対応する位置に、貫通孔からなる中空室４０を備える。中空室４０は、その側壁に液滴が付着しないように、送出口２３よりも幅広に形成されている。

上記の液体収容容器２、送液板３、中継板４の材料は特に限定されないが、例えば、プラスチックまたはガラス等で形成される。

吐出ヘッド５は、シリコン基板やガラス基板等で構成され、液体を加圧する加圧室５１と、液体を吐出するノズル孔５２とを有する。加圧室５１の一端は、送液板３の送出口３３に連通し、加圧室５１の他端はノズル孔５２に連通している。加圧室５１およびノズル孔５２は、送液板３の送出口３３の数だけ設けられている。このため、送液板３の各送出口３３から流出した液体は、ノズル孔５２から別々に吐出される。

上記の吐出ヘッド５では、加圧室５１を挟む１対の電極が設けられている。この電極間に電圧を印加して、それにより生じる静電力により加圧室５１に圧力を付与する。これにより、ノズル孔５２から数ピコリットル程度（例：約１００ｐｌ）の微小液滴が吐出されることになる。

本実施形態では、静電駆動方式の吐出ヘッド５の例について説明したが、駆動方式は特に限定するものではなく、圧電駆動、バブルジェット（登録商標）（サーマル方式）であってもよい。但し、ＤＮＡやタンパク質に熱の影響を及ぼさず、また、消費電力が低いという観点からは、静電駆動方式又は圧電駆動方式であることが好ましい。

次に、図４〜図８を参照して、上記の液滴吐出装置１を用いた液滴吐出方法について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、液体収容容器２の送出口２３側の面（下面）に送出口密閉手段６を取り付けて、全ての送出口２３を密閉する。

次に、図４（ｂ）に示すように、供給口２２から液体収容部２１内に、液体１０を供給する。液体１０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。

次に、図４（ｃ）に示すように、液体収容容器２の供給口２２側の面（上面）に供給口密閉手段７を取り付けて、全ての供給口２２を密閉する。

次に、図５（ａ）に示すように、送出口密閉手段６を液体収容容器２から取り外す。このとき、供給口密閉手段７によって全ての供給口２２が密閉されているので、液体１０は供給口２２から大気圧を受けず、送出口２３側において液体収容部２１の外部から内部へ向かう大気圧のみが液体１０に作用する。この結果、送出口２３が下方を向いていても、液体１０は送出口２３から流出しない。

次に、図５（ｂ）に示すように、この状態を維持したまま、液体収容容器２の送出口２３と、送液板３の供給口３２とを位置合わせして、送液板３に液体収容容器２を装着する。これにより、液体収容容器２の送出口２３と、送液板３の供給口３２とが連通する。このとき、送液板３には、既に吐出ヘッド５が取り付けられている。供給口２２を供給口密閉手段７により密閉している間は、液体は、送出口２３から流出せず、液体収容部２１内に保持される。

次に、図５（ｃ）に示すように、供給口密閉手段７を液体収容容器２から取り外して、供給口２２を開放し、続いて、図６（ａ）に示すように、吸引キャップ９を吐出ヘッド５のノズル面（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１０は、送液板３の供給口３２、流路３１、送出口３３を通って、加圧室５１に導入され、ノズル孔５２に達する。吸引キャップ９の表面には、気液分離フィルタ８が装着されており、これをノズル面に押し当てている。気体は、気液分離フィルタ８を通過するが、液体は通過できないため、ノズル孔５２に到達した液体１０は吸引キャップ９に排出されることがないため、液体１０を無駄にすることがない。気液分離フィルタ８は、例えば平均孔径３μｍ程度の微小な孔をもつＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる。

次に、図６（ｂ）に示すように、液体収容容器２の上面に供給口密閉手段７を再び取り付けて、全ての供給口２２を密閉し、この状態を維持したまま、液体収容容器２を送液板３から離間させる。

次に、図６（ｃ）に示すように、送液板３の供給口３２と、中継板４の中空室４０を位置合わせして、送液板３上に中継板４を装着する。これにより、供給口３２と中空室４０が連通する。

次に、図７（ａ）に示すように、中継板４の中空室４０と、液体収容容器２の送出口２３とを位置合わせして、中継板４上に液体収容容器２を装着する。これにより、送出口２３と、供給口３２が、中空室４０を介して連通する。このとき、中空室４０は、閉空間となる。その後、液体収容容器２から供給口密閉手段７を取り外す。

次に、図７（ｂ）に示すように、吐出ヘッド５を駆動させると、ノズル孔５２から液滴１１が吐出される。ノズル孔５２から液滴１１が吐出されると、送液板３の供給口３２の液面が瞬間的に下がる。供給口３２の液面が下がると、中空室４０の圧力が下がるため、液体収容容器２の送出口２３の液体１０が吸引されて、液滴１１が供給口３２に滴下される。このように、吐出ヘッド５のノズル孔５２から液滴１１が吐出されると、その分だけ液体収容容器２の送出口２３から液滴１１が滴下されるため、送液板３の供給口３２の液面は、常に一定に保たれる。

図７（ｃ）に示すように、吐出動作を続けると、液体収容容器２の液体収容部２１にある液体１０の液面は下がっていくが、送液板３の供給口３２における液面は一定となる。この結果、液体収容部２１内に液体１０が存在している限り、流路３１内の液量が常に一定に保たれることから、吐出ヘッド５のノズル孔５２に作用する圧力が一定となり、吐出量を終始一定に保つことができる。

液滴１１を不図示の基板上に吐出することにより、マイクロアレイを作製することができる。ただし、本実施形態に係る液滴吐出装置１および液滴吐出方法は、マイクロアレイの作製以外にも適用可能である。

液体収容容器２の液体収容部２１内に液体１０が残留している場合は、以下に示すようにして、液体収容容器２を利用してそのまま液体１０を保存することができる。
まず、図８（ａ）に示すように、液体収容容器２の上面に供給口密閉手段７を取り付けて、全ての供給口２２を密閉する。

次に、図８（ｂ）に示すように、この状態のまま、液体収容容器２を中継板４から取り外せば、送出口２３からは液体１０が流出することがない。

次に、図８（ｃ）に示すように、液体収容容器２の下面に送出口密閉手段６を取り付けることにより、液体収容部２１を完全に密閉し、液体１０の種類によっては必要な温度管理等を行なって液体１０を保存することができる。

一方、送液板３および中継板４については、洗浄液を用いてその内部を洗浄する。後に、再び液体１０を液滴吐出装置１によって吐出する場合には、図５（ｃ）〜図７（ｃ）に示す工程に従って、液滴を吐出すればよい。

以上説明したように、本実施形態に係る液滴吐出装置および液滴吐出方法によれば、液滴１１を吐出している間において、ノズル孔５２から送液板３の供給口３２までの液量を一定に維持することができることから、ノズル孔５２において内部から外部に作用する圧力（背圧）を一定に維持することができる。この結果、液体収容容器２内の液量によらずに、吐出量を一定にすることができる。

送液板３の流路３１は極細く形成されており、この部分の液体１０は極微量であることから、必要最小限の液体１０を使用した場合においても、吐出量を一定にすることができる。例えば本実施形態に液滴吐出方法をマイクロアレイの作製方法に適用した場合には、精度の良いマイクロアレイを作製することができる。

液体収容部２１内に液体１０が残存した場合には、液体収容部２１の供給口２２を供給口密閉手段７で密閉して、液体収容容器２ごと保管しておくことにより、液体１０が少量かつ貴重な試料の場合であっても、無駄にすることがないため、試料の使用効率を向上させることができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、液滴吐出装置１の大きさ、材料、液体収容部２１の数などは目的に応じて種々の変更が可能であり、液体１０もＤＮＡ、タンパク質、細胞等の生体試料を含む溶液に限定されず、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よい。送液板３および中継板４は、板状でなくてもよい。また、液体を供給しない状態で、液体収容容器２、送液板３および吐出ヘッド５を組み立てた後に、液体収容容器２の液体収容部２１に液体を供給してもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る液滴吐出装置の概略構成を示す断面図である。 送液板の第１基板の構成を示す平面図である。 送液板の第２基板の構成を示す平面図である。 本実施形態に係る液滴吐出方法を説明するための工程断面図である。 本実施形態に係る液滴吐出方法を説明するための工程断面図である。 本実施形態に係る液滴吐出方法を説明するための工程断面図である。 本実施形態に係る液滴吐出方法を説明するための工程断面図である。 本実施形態に係る液滴吐出方法を説明するための工程断面図である。

符号の説明

１…液滴吐出装置、２…液体収容容器、３…送液板、３ａ…第１基板、３ｂ…第２基板、４…中継板、５…吐出ヘッド、６…送出口密閉手段、７…供給口密閉手段、８…気液分離フィルタ、９…吸引キャップ、１０…液体、１１…液滴、２１…液体収容部、２２…供給口、２３…送出口、３１…流路、３２…供給口、３３…送出口、４０…中空室、５１…加圧室、５２…ノズル孔

Claims (5)

1. 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液体収容容器と、
   前記送出口に対応する位置に中空室が形成された中継部材と、
   前記中空室を介して前記送出口に一端が連通可能な流路を備える送液部材と、
   前記送液部材の前記流路の他端に連通し、前記送液部材の前記流路内の前記液体を液滴としてノズル孔から吐出する吐出ヘッドと、
   を有し、かつ、
   前記中空室は、前記送出口よりも幅広に形成された構造を有し、かつ、前記ノズル孔から前記液滴が吐出されると、前記供給口の液面が下がって前記中空室の圧力が下がり、前記液体収容容器の前記送出口の液体が吸引されて、該吐出された量に相当する量の前記液滴が前記供給口に滴下されることにより、吐出量を一定に保つよう構成されたものである、液滴吐出装置。
2. 請求項１に記載の液滴吐出装置を用いた液滴吐出方法であって、
   前記中継部材を介在させずに、前記液体収容容器の前記送出口と前記送液部材の前記流路の一端とを直接連通させ、前記液体収容部から前記流路を介して前記吐出ヘッドのノズル孔の先端まで液体を充填させる工程と、
   前記液体収容容器および前記送液部材内に充填された液体の状態を維持しつつ、前記液体収容容器と前記送液部材とを離間させ、前記送液部材上に前記中継部材を装着して前記供給口と前記中空室とを連通させ、その後前記中継部材上に前記液体収容容器を装着して、前記送出口と前記供給口とが前記中空室を介して連通するように前記液体収容容器と前記送液部材との間に前記中継部材を介在させる工程と、
   前記吐出ヘッドから前記液滴を吐出する工程と、
   を有する液滴吐出方法。
3. 前記ノズル孔の先端まで前記液体を充填させる工程は、
   前記液体収容容器の前記送出口を密閉した状態で、前記供給口から前記液体収容部に前記液体を供給する工程と、
   前記液体収容容器の前記供給口を密閉し、前記送出口を開放する工程と、
   前記中継部材を介在させずに、前記供給口を密閉した状態で前記液体収容容器の前記送出口と前記送液部材の前記流路の一端とを直接連通させる工程と、
   前記供給口を開放する工程と、
   前記吐出ヘッドの前記ノズル孔から吸引する工程と、
   を有する請求項２記載の液滴吐出方法。
4. 前記ノズル孔から吸引する工程において、前記吐出ヘッドの前記ノズル孔に気液分離フィルターを取り付けて、当該気液分離フィルターを介して前記吐出ヘッドの前記ノズル孔から吸引する、
   請求項３記載の液滴吐出方法。
5. 前記中継部材を介在させる工程は、
   前記液体収容容器の前記供給口を密閉する工程と、
   前記供給口を密閉した状態で前記液体収容容器を前記送液部材から離間させる工程と、
   前記送液部材と前記液体収容容器の間に、前記中継部材を介在させる工程と、
   前記液体収容容器の前記供給口を開放する工程と、
   を有する請求項２記載の液滴吐出方法。

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