JP5186430B2

JP5186430B2 - 分注装置

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Publication number: JP5186430B2
Application number: JP2009107437A
Authority: JP
Inventors: 博樹齋藤; 望高坂; 剛小野; 圭太松本; ひとみ片木
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010256200A

Description

本発明は、ノズルを含む配管系の内圧をポンプで可変することで、当該ノズルで液体を吸引および吐出する分注装置に関する。

従来から、液体を吸引元容器から吸引し、吐出先容器へ吐出する分注装置が広く知られている。かかる分注装置においては、ノズルで液体を吸引してから吐出するまでの間に、液垂れや、エアギャップ、ひいては、当該エアギャップを介して液体がノズル先端に溜まる液溜まり等を確実に防止することが望まれている。

ここで、液垂れ発生の原因の一つとして、ノズル内で、吸引された液体が蒸発（気化）することが挙げられる。すなわち、吸引元容器から吐出先容器にノズルが移動する間、換言すれば、ノズル先端が液面から離れた状態（空中にある状態）になっているとき、ノズル内の液体が蒸発することにより配管系の内圧が上昇する。そして、この上昇に伴い、当該配管系内圧があるピーク圧を超えるとノズルの先端開口より液体が押し出されて、液垂れが発生する場合がある。この液垂れが生じると、装置が汚れたり、液体が無駄になったり、さらには垂れ落ちた液滴が他の容器に混入してコンタミネーションを起こしたりするので、液垂れを防止する必要がある。

このような液垂れの発生を防止するために、液体を吸引したノズルを吐出先の容器へ移動する途中で分注ポンプに一定量の吸引（液垂れ防止吸引）を行わせることが提案されている。しかしながら、液垂れ防止吸引時の吸引量が多いと、ノズルの先端開口から空気が流入してノズル先端にエアギャップを作るおそれがある。エアギャップができた場合、時間が経過するとエアギャップを介してノズルの先端開口に液溜まりが生じるので、液体の吐出動作を行ったときに泡を作ったり、液垂れが発生したときに液滴ではなく気泡がノズルの先端開口部から飛び出し、この気泡が弾けて試料が飛散してコンタミネーションを生じたりする等の不都合が生じる。

特開２００３−１９４８３５号公報特許２００５−３２１３４２号公報特許２００５−３００２３６号公報特許第２９３９１８０号公報

そこで、特許文献１〜３などには、吸引後の圧力を監視し、圧力上昇を相殺するようにポンプでエア吸引する技術が開示されている。かかる技術によれば、上述した液垂れ等の問題を多少は低減できる。しかし、リファレンスとして取得する吸引直後の圧力が、機械的振動や配管系の漏れなどで正しい値を示さない場合も多い。また、液垂れが発生するピーク圧は液圧やノズルの状態により必ずしも一定でない。そのため、圧力を監視してエア吸引量を制御する従来の方法では、液垂れやエアギャップ等を効果的に防止することは困難であった。

また、特許文献４には、ノズルで液体を吸引した後、微小流量の空気を吸引し続け、チップ内の液体に気泡を連続して発生させることで液垂れを防止する技術が開示されている。しかし、かかる微小気泡は、吐出量の誤差の原因になったりするため、当該技術では、好適な分注処理が出来ない場合があった。

そこで、本発明は、液垂れ、エアギャップの発生を効果的に低減でき得る分注装置を提供することを目的とする。

液体の吸引および吐出を行う分注装置であって、その内部に液体が保持されるノズルと、前記ノズルを移動させる移動機構と、前記ノズルを含む配管系の内圧を変化させることで、前記ノズルでの液体吸引および吐出を実行させるポンプと、少なくとも、前記ノズルでの液体吸引完了から液体吐出開始までの間にノズル内で生じる液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺し得る前記ノズル内のエア吸引速度を含むエア吸引条件をエア吸引設定情報として予め記憶した記憶手段と、前記移動機構およびポンプの駆動を制御する制御手段であって、前記ノズルでの液体吸引完了から液体吐出開始までの間に前記エア吸引設定情報に規定されたエア吸引条件でのエア吸引を前記ポンプに指示する制御手段と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記エア吸引条件は、さらに、吸引するエア量の上限値も含み、前記制御手段は、前記エア吸引により吸引するエア吸引量が、前記上限値に達した場合には前記液体吐出開始前であっても、前記エア吸引を停止させる。

他の好適な態様では、前記エア吸引設定情報は、前記ノズルでの液体吸引条件ごとに異なる複数のエア吸引条件を記憶しており、前記制御手段は、実際に行う液体吸引の条件に基づいて、当該実際に行う液体吸引に適したエア吸引条件を選択する。この場合、前記液体吸引条件は、液体吸引量、液体種類、ノズル種類、温度、湿度の少なくとも一つを含む、ことが望ましい。

他の好適な態様では、前記エア吸引速度は、前記液体吸引完了からの経過時間に応じて変化する可変値である。他の好適な態様では、前記制御手段は、分注処理の進行に伴い前記ノズル内の液体量が変化した場合には、前記エア吸引条件を再設定する。

本発明によれば、液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺し得るエア吸引速度でエア吸引を行うことができるため、液垂れ、エアギャップの発生を効果的に低減できる。

本発明の実施形態である分注装置の概略構成図でる。配管系周辺の概略構成図である。配管系内圧の変化の一例を示すグラフである。液体吸引量と限界経過時間との関係を示すグラフである。エア吸引設定情報の一例を示す図である。エア吸引速度の一例を示すグラフである。分注処理の流れを示すフローチャートである。分注処理の流れを示すフローチャートである。他の分注処理の流れを示すフローチャートである。他の分注処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である分注装置１０の概略構成図である。また、図２は、分注装置１０のうちノズル部１２を含む配管系１４および分注ポンプ１６周辺のみを抽出した概略構成図である。

この分注装置１０は、吸引元容器１００に収容された液体、例えば、血液などの体液や薬液などをノズルチップ３０で吸引し、１以上の吐出先容器１０２に吐出し、分注する装置である。この分注装置１０は、図１から明らかなとおり、ノズル部１２および配管３４を含む配管系１４、分注ポンプ１６、移動機構２０、入力部２６、出力部２８、および、制御部２４などを備えている。

ノズル部１２は、実際に液体を吸引吐出するノズルチップ３０と当該ノズルチップ３０が装着される装着部３２などを含んでいる。ここで、本実施形態では、ノズルチップ３０として、使用のたびに廃棄・交換が可能なディスポーザブル方式のノズルチップ３０を用いている。そのため、分注装置１０の内部または近傍には、多数の未使用のノズルチップ３０がラック５０などに保持された状態で保管されている。また、分注装置１０の内部または近傍には、使用済みのノズルチップ３０を貯蔵するダスト空間（図示せず）が形成されており、当該ダスト空間近傍には、ノズルチップ３０の廃棄作業を行うためのチップ廃棄位置が設定されている。

なお、当然ながら、ディスポーザブル方式のノズルチップ３０に代えて、洗浄を介在させながら繰り返し使用するノズルチップ３０を用いてもよい。そして、いずれの態様のノズルチップ３０を用いるにしても、要求される液体の吸引量および吐出量（目標液体吸引量および目標液体吐出量）に応じて、適宜、異なる形状のノズルチップ３０が選択できることが望ましい。すなわち、比較的、大量の液体の吸引・吐出が必要な場合には大サイズのノズルチップ３０を、比較的、少量の液体の吸引・吐出が必要な場合には小サイズのノズルチップ３０を、用いることができるように構成することが望ましい。

ノズルチップ３０は、その一端が配管３４に連結されたチップ装着部３２の他端に嵌合により装着される。そして、このノズルチップ３０やチップ装着部３２を含むノズル部１２は、移動機構２０により、三次元的に移動させられる。なお、移動機構２０の駆動は、制御部２４により制御される。

このノズル部１２は、配管３４を介して分注ポンプ１６に連結されている。分注ポンプ１６は、ノズル部１２および配管３４からなる配管系１４の内圧を可変するものである。この分注ポンプ１６は、適宜、内圧を可変できるのであれば、その種類は特に限定されないが、本実施形態では、シリンダ４０とプランジャ４２とから構成されシリンジポンプを用いている。この分注ポンプ１６の駆動は、ポンプ駆動部１８を介して制御部２４により制御される。ノズル部１２と分注ポンプ１６との間には、配管系１４の内圧を計測する圧力センサ２２が設けられている。この圧力センサ２２での検出値は、適宜、制御部２４に出力され、各種制御、例えば、液面検出などに利用される。

入力部２６は、ユーザからの指示等を受けつけるユーザインターフェースの一部で、キーボードやタッチパネルなどを含むことができる。ユーザは、この入力部２６を操作して、吸引する液体の種類や、目標液体吸引量、目標液体吐出量、吐出回数などの分注条件等を入力する。入力された分注条件は、制御部２４に入力され、制御部２４は、当該分注条件に基づいて、各部の駆動を制御する。出力部２８は、各種情報をユーザに提示するユーザインターフェースの一部で、ディスプレイやスピーカ、ＬＥＤランプなどを含むことができる。

制御部２４は、分注装置１０全体の駆動を制御するもので、より具体的には、入力部２６を介して入力された指示に基づいて、分注ポンプ１６や移動機構２０の駆動を制御し、分注処理を実行させる。

また、この制御部２４は、メモリやハードディスクなどからなる記憶部２５を有しており、当該記憶部２５には、後述するエア吸引設定情報が記憶されている。エア吸引設定情報は、ノズルチップ３０先端からの液垂れやエアギャップ等の発生を防止または低減するために、分注ポンプ１６が行う極低速でのエア吸引の条件（エア吸引パラメータ）を含む情報であるが、これについては後に詳説する。

次に、この分注装置１０で行われる分注処理の大まかな流れを説明する。ユーザから分注処理開始が指示された場合、制御部２４は、移動機構２０を駆動して、新たなノズルチップ３０が装着されたノズル部１２を吸引元容器１００へと移動させる。そして、その状態で、分注ポンプ１６を駆動し、ノズルチップ内に、目標液体吸引量の液体を吸引させる。目標液体吸引量が吸引できた場合には、続いて、移動機構２０を駆動して、ノズルチップ３０を吐出先容器１０２へと移動させる。そして、分注ポンプ１６を駆動して、目標液体吐出量の液体をノズルチップ３０から吐出先容器１０２へと吐出させる。

ここで、従来、このノズルチップ３０による液体吸引完了後、吐出先容器１０２へノズル部１２を移動させる途中で、ノズルチップ３０の先端から液体が押し出される液垂れなどが発生することがあった。かかる液垂れが発生すると、装置が汚れたり、液体が無駄になったり、さらには垂れ落ちた液滴が他の容器に混入してコンタミネーションを起こしたりするという問題があった。

かかる液垂れは、ノズルチップ内で吸引された液体が蒸発するなどの理由により発生すると考えられる。すなわち、ノズルチップ３０での液体吸引が完了すると、その後は、ノズルチップ内の液面から蒸発が起こる。そして、ノズルチップ３０の内部に蒸気が拡散することにより、配管系内圧が上昇する。この配管系内圧によりノズルチップ内の液体が外側に押される力が、ノズルチップ３０先端の表面張力の臨界値を超えると、液垂れが発生する。

図３は、この液垂れ発生前後における配管系内圧の変化の一例を示すグラフである。横軸は、液体吸引完了してノズルチップ３０の先端が液面から離れてからの経過時間を、縦軸は、時刻０での配管系内圧を基準にした圧力増加量を示している。この図３に図示するとおり、時刻０でノズルチップ３０が液面から離れた後は、ノズルチップ内に吸引された液体が微量ながら蒸発（気化）していくため、徐々に配管系内圧が上昇する。この内圧上昇は、図３において破線で示すように、指数関数的に増加する。ただし、通常は、その上昇の過程において、配管系内圧が、液垂れが発生するピーク圧Ｐｍａｘに到達し、液垂れが発生する。図示例では、時刻ｔ１において、配管系内圧がピーク圧Ｐｍａｘに到達する。この場合、当該内圧により液体が押し出されて、ノズルチップ３０の先端から液体が垂れる液垂れが発生する。液垂れ発生後は、図３に図示するとおり、配管系内圧は、急激に低下する。なお、既述したとおり、通常、配管系内圧は、指数関数的に増加、換言すれば、液体吸引してからの経過時間が経つにつれ、内圧上昇率は徐々に低下する。これは、時間が経過するにつれ、ノズルチップ内の液面付近が、飽和状態に近づき、蒸発速度が遅くなるためと推測される。

本実施形態では、こうした液垂れを防止または低減するために、液体吸引完了から液体吐出までの間、上述した液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺するべく、ノズルチップ内の気体を分注ポンプ１６で吸引するエア吸引を行うようにしている。このエア吸引は、ノズルチップ３０の先端にエアギャップが生じないように、極低速で行う。かかるエア吸引動作を実行することにより、液垂れを防止または低減することができる。ただし、本発明は、従来技術と異なり、このエア吸引を予め記憶部２５に記憶されたエア吸引設定情報に基づいて行うようにしている。

すなわち、従来においても、液体吸引後の配管系内圧を圧力センサで監視し、当該内圧上昇を相殺するように分注ポンプ１６でエア吸引する技術が提案されている。しかし、かかる手法で液垂れを防止するためには、高精度で応答性に優れた圧力センサが必要となり、コスト増加の原因となる。また、検出される液体吸引完了直後の圧力値は、機械的振動や配管系１４の漏れなどで正しい値を示さないこともあった。さらに、液垂れが発生するピーク圧が、液性やチップの状態により必ずしも一定していないという問題もあった。そのため、従来の配管系内圧を監視結果に応じてエア吸引する技術では、液垂れを効果的に防止または低減することは出来なかった。

一方、本実施形態では、このエア吸引を、予め記憶部２５に記憶されたエア吸引設定情報に基づいて行う。エア吸引設定情報は、各種分注条件（ノズルチップ３０の形状や液体の種類、目標吸引量など）ごとに予め規定されたエア吸引条件、より具体的には、エア吸引速度ｖａ、エア量上限値Ｖａなどが記録されたもので、事前の実験結果などに基づいて規定される。そして、かかる事前規定されたエア吸引条件に基づいてエア吸引を実行することで、より確実に、液垂れを防止または低減することができる。

ここで、このエア吸引設定情報の詳細説明に先立って、液垂れ発生に関与する各種パラメータについて簡単に説明する。まず、液垂れが発生する配管系１４の内圧であるピーク圧について検討する。液体吸引直後を基準にとると液垂れが発生するピーク圧Ｐｍａｘは、Ｐｍａｘ＝２×σ／（ｄ／２）と推測することができる。なお、σは液体の表面張力、ｄはノズルチップ３０の先端内径である。そして、この式から明らかなとおり、ピーク圧は、吸引される液体の種類（表面張力）およびノズルチップ３０の種類（先端内径）に依存することが分かる。

また、液垂れ発生時点における蒸気量、すなわち、限界蒸気量Ｅを検討すると、液垂れが発生する直前の圧力から、その時点での蒸発量Ｅは、Ｅ＝Ｐｍａｘ／Ｐ₀×Ｖ₀と推測できる。ここで、Ｖ₀はノズルチップ３０を含む配管系１４のデッドボリューム（液体が存在しない空間体積）であり、Ｐ₀は大気圧である。ノズルチップ内で発生する蒸気量が、この限界蒸気量Ｅに到達すると、液垂れが発生することになる。

ここで、液体吸引完了後、液垂れが発生（すなわち発生する蒸気量が限界蒸気量Ｅに到達）するまでの経過時間（以下、「限界経過時間Ｔｍａｘ」と呼ぶ）は、ノズルチップ３０周辺での温度や湿度といった環境条件によっても異なるが、ノズルチップ内に吸引された液体吸引量によっても異なっている。

図４は、ノズルチップ内に吸引された液体吸引量による限界経過時間Ｔｍａｘの違いを示すグラフである。より具体的には、この図４は、温度・湿度を一定に保ち、同一形状のノズルチップ３０を用いて、蒸留水を吸引した際の限界経過時間Ｔｍａｘを、液体吸引量ごとに調べた実験結果を示すグラフである。この図４において、横軸は、液体吸引量を、縦軸は、限界経過時間Ｔｍａｘを示している。なお、液体吸引量は、ノズルチップ３０の容量に対するパーセンテージで示している。例えば、当該実験で用いたノズルチップ３０の規定容量が１０００μＬである場合において、２００μＬの液体を吸引した場合の液体吸引量は「２０％」として示している。

この図４から明らかなとおり、液体吸引量が、ノズルチップ容量の２０％未満の場合は、液垂れを発生させることなく、９０秒以上、液体をノズルチップ内で保持することが出来ている。一方、液体吸引量が、ノズルチップ容量の２０％以上になると、限界経過時間Ｔｍａｘは、低下し、比較的、短時間で液垂れが発生することがわかる。しかしながら、液体吸引量が、ノズルチップ容量の７０％になると、限界経過時間Ｔｍａｘは、若干長くなる。そして、液体吸引量がノズルチップ容量の８０％以上になると限界経過時間Ｔｍａｘは大幅に増加し、液垂れを発生させることなく、１８０秒以上、液体をノズルチップ内で保持することが出来るようになる。

つまり、少量および多量の液体を吸引する場合、限界経過時間Ｔｍａｘは長くなりがちであるが、中間量の液体を吸引する場合、限界経過時間Ｔｍａｘは短くなりがちになる。かかる傾向がみられる理由としては、次のようなことが考えられる。液体吸引量が大きい場合、ノズルチップ内部のエア体積（デッドボリューム）は小さくなる。そのため、比較的早い段階で飽和状態に近づき、さらなる蒸発が生じにくくなる。その結果、発生する蒸発量も少なくなり、液垂れも起こりにくくなると考えられる。また、液体吸引量が小さい場合、ノズルチップ内部のエア体積（デッドボリューム）は大きくなるが、蒸発する液面面積が小さくなる。そのため、蒸発速度は遅くなり、液垂れも起こりにくくなると考えられる。

エア吸引設定情報は、上述したような液垂れ発生に関与する各種条件を考慮し、予め行われた各種実験結果に基づいて規定される。図５は、本実施形態で用いるエア吸引設定情報の一例を示す図である。なお、図５においては、各項目の値を「＊＊＊」と図示しているが、実際には、具体的数値が記憶さている。

この図５に図示するとおり、エア吸引設定情報では、各液体吸引量（すなわち目標液体吸引量）ごとに、エア吸引時条件（具体的にはエア吸引速度ｖａおよびエア量上限値Ｖａ）を規定している。また、このエア吸引条件は、ノズルチップ３０の種類（形状）ごとに用意されている。

かかるエア吸引条件は、事前に行われる実験などに基づいて規定される。例えば、各液体吸引量ごとに、液体吸引完了から５秒経過後における配管系内圧の上昇量を測定する。この圧力上昇量から、液体の蒸発速度を推定する。そして、この蒸発を相殺でき得るエア吸引速度ｖａを求める。そして、得られたエア吸引速度ｖａを、図５に示す表のような形式にまとめ、エア吸引設定情報として記憶部２５に記憶しておく。

また、図３を用いて説明したように、ノズルチップ内の液面付近が飽和状態になれば、液体の蒸発が殆ど生じなくなり、内圧も上昇しなくなる。かかる飽和状態においてエア吸引を続行した場合には、エアギャップが生じる恐れがある。そこで、本実施形態では、エア吸引量Ｖａの上限値も設定し、エア吸引量が当該上限値Ｖａに達すればエア吸引を停止する。

ここで、このエア量上限値Ｖａは、予め行われる実験などにより算出され、記憶される。すなわち、エア量上限値Ｖａを規定する際には、図３のグラフのような液体吸引後における内圧の変化を、予め実験等により求めておく。そして、この内圧の変化から、ノズルチップ内の液面付近が飽和状態になるとき、すなわち、内圧の変化が殆ど無くなるときの内圧を推定する。そして、この飽和時点における内圧に基づいて、飽和時点における蒸気量を算出し、この算出された蒸気量をエア量上限値Ｖａとして規定すればよい。

なお、この図５で例示したエア吸引設定情報は、一例であり、当然、他の形式のエア吸引設定情報を用いてもよい。例えば、本例では、５秒経過後における内圧上昇量および蒸発量も記憶しているが、これらの数値は、実際のエア吸引動作制御に利用されないため、当然、省略されてもよい。また、少なくともエア吸引速度ｖａが記憶されているのであれば、エア量上限値Ｖａも省略されてもよい。

また、本例では、液体吸引量およびノズルチップ３０の種類ごとに、エア吸引速度ｖａ等を規定しているが、さらに、環境条件（温度や湿度）ごとにもエア吸引条件を作成してもよい。逆に、さまざまな分注条件に対応したエア吸引条件を規定するのではなく、特定の分注条件に対応したエア吸引条件を一つだけ規定しておき、適宜、実際に分注する際の分注条件に対応した補正計数を当該一つのエア吸引条件に乗算して、エア吸引パラメータを求めるようにしてもよい。例えば、蒸留水を１０００μＬのノズルチップ３０で１００μＬ吸引した際のエア吸引速度ｖａおよびエア量上限値Ｖａだけをエア吸引条件として記憶部２５に記憶しておく。そして、実際に蒸留水ではなく、血清を１０００μＬのノズルチップ３０で１００μＬ吸引する場合には、記憶されているエア吸引速度ｖａおよびエア量上限値Ｖａに規定の補正計数を乗算し、血清に適したエア吸引速度ｖａおよびエア量上限値Ｖａに補正して用いるようにしてもよい。また、その他の条件、液体吸引量やノズルチップ３０の種類、温度、湿度などについても、同様に、適宜、補正計数を乗算するなどして補正するようにしてもよい。

また、本例では、マトリックス形式のエア吸引設定情報を例示しているが、エア吸引速度ｖａやエア量上限値Ｖａを、ノズルチップ３０の形状や、液体吸引量、温度、湿度、液体種類などの関数として表現したものをエア吸引設定情報として記憶するようにしてもよい。

また、これまでの説明では、分注条件（ノズルチップ３０種類、液体吸引量、温度、湿度、液体種類）が一定の場合、エア吸引速度も一定とする場合のみを例示したが、分注条件一定でも、エア吸引速度ｖａを可変させるようにしてもよい。例えば、ノズルチップ３０での液体吸引完了してからの経過時間に応じて、エア吸引速度ｖａを可変させてもよい。

図６は、この場合において採用可能なエア吸引速度ｖａの一例を示す図である。図６において、横軸は、液体吸引完了してからの経過時間を、縦軸は、エア吸引量を示している。図６における太実線は、図５で例示したエア吸引設定情報に従った場合のエア吸引量の変化を示している。

この太実線で示すようにエア吸引速度を一定にしてもよいが、図６において、破線で示すように、間欠的にエア吸引を行う（換言すれば、エア吸引速度ｖａをゼロと一定値との間で繰り返し変化させる）ようにしてもよい。このように間欠的にエア吸引を行うことにより、エアギャップの形成を効果的に防止または低減できる。

また、別の態様として、図６において細実線で図示するように、エア吸引速度ｖａを複数段階（図示例では二段階）に変化させてもよい。このように複数段階に変化させる場合には、経過時間が長くなるほど、エア吸引速度ｖａを小さくすることが望ましい。これは、経過時間が長くなるほど、ノズルチップ内の液面周辺が飽和状態に近づき、蒸発速度が遅く、ひいては、圧力上昇速度が遅くなるためである。

また、細実線のように段階的に変化させるのではなく、図６において、一点鎖線で図示するように、エア吸引速度ｖａを連続的に変化させてもよい。このように連続的に変化させる場合には、エア吸引量の波形が、図３において破線で図示した配管系内圧の上昇波形に対応するように、エア吸引速度を設定することが望ましい。

いずれにしても、上述したように、予め、実験等により液垂れを防止でき得るエア吸引速度ｖａ等を求めて記憶しておき、実際の分注処理時には、当該記憶されたエア吸引速度ｖａでエア吸引を行うことにより、液垂れやエアギャップの発生率を大幅に低減できる。

次に、この分注装置１０での分注処理の流れについて詳説する。当該分注装置１０で行われる分注処理の態様として、種々考えられるが、ここでは、次の三つの態様について説明する。一つは、吸引元容器１００から、目標液体吐出量の液体を１回吸引し、当該液体を吐出先容器１０２へ１回吐出してから、ノズルチップ３０を廃棄・交換する１対１式分注である。もう一つは、吸引元容器１００から、目標液体吐出量×Ｎ相当の量の液体を１回で吸引し、当該液体をＮ個の吐出先容器１０２へ順次吐出してから、ノズルチップ３０を廃棄・交換する１対Ｎ式分注である。最後の一つは、吸引元容器１００から、目標液体吐出量の液体を１回吸引し、当該液体を吐出先容器１０２へ１回吐出する動作を複数回、同じノズルチップ３０で繰り返してから、ノズルチップ３０を廃棄・交換する再吸引式分注である。以下、各分注処理の流れについて図面を参照して詳説する。

図７、図８は、１対１式分注の処理の流れを示すフローチャートである。１対１式分注を行う場合、制御部２４は、まず、入力部２６を介して入力された各種分注条件に基づいて、目標液体吸引量Ｖｓを設定する（Ｓ１０）。この目標吸引量Ｖｓは、目標液体吐出量Ｖｄｉｓにエクセス量ｅを加算した値である。なお、図７、図８において、「Ｎ」は吐出回数指令値を意味しており、１対１式分注の場合には、常にＮ＝１である。

続いて、制御部２４は、入力部２６を介して入力された各種分注条件（目標吸引量、ノズルチップ３０の種類、液体種類、温度、湿度など）、および、記憶部２５に記憶されているエア吸引設定情報に基づいて、エア吸引パラメータを設定する（Ｓ１２）。すなわち、制御部２４は、入力された分注条件に対応したエア吸引速度ｖａ、エア量上限値Ｖａを決定し、メモリに一時記憶しておく。

続いて、制御部２４は、移動機構２０を駆動させて、ノズル部１２を吸引元容器１００へと移動させる（Ｓ１４）。より具体的には、まず、ノズル部１２を水平移動させて吸引元容器１００の真上に位置させる。続いて、当該ノズル部１２を下降させて、ノズルチップ３０の先端を吸引元容器１００の液面付近まで下降させる。

ノズルチップ３０先端が液面付近に位置すれば、続いて、制御部２４は、分注ポンプ１６を駆動して、ノズルチップ３０による液体吸引を開始させる（Ｓ１６）。この液体吸引は、吸引量がステップＳ１０で算出した目標液体吸引量Ｖｓに達するまで行う。液体吸引が完了すれば、続いて、制御部２４は、移動機構２０を駆動して、ノズル部１２を上昇させ、ノズルチップ３０の先端を液面から離す（Ｓ１８）。

そして、その後は、ノズル部１２を、吐出先容器１０２へと移動させる（Ｓ２０）。すなわち、ノズル部１２をノズル軸最上点まで上昇させた後、吐出先容器１０２の真上位置に水平移動させ、最後に、吐出高さまでノズル部１２を下降させる。

また、このノズル部１２の移動と並行して、制御部２４は、分注ポンプ１６を駆動させて、エア吸引を実行させる（Ｓ２２）。すなわち、分注ポンプ１６は、ステップＳ１２で算出されたエア吸引速度ｖａでノズルチップ内のエアを吸引する。既述したとおり、このエア吸引速度は、ノズルチップ内の液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺し得る速度である。したがって、このエア吸引を行うことにより、ノズルチップ３０の内圧上昇を防止でき、結果として、内圧上昇に伴う液垂れを防止することができる。また、このエア吸引速度ｖａは、必要以上にエア吸引しないように極低速に設定されているため、エアギャップの発生も防止または低減される。

ここで、こうしたエア吸引は、何らかのエラーにより、ノズル部１２の移動が一時的に停止した場合に特に効果を発揮する。すなわち、通常、ノズル部１２を移動させている途中に、何らかのエラーが発生した場合、制御部２４は、出力部２８を介して提示されたメッセージに従い、ユーザが当該エラーに対して適切に対応するまで、ノズル部１２の移動を一時停止させる。この一時停止時間は、数分〜数十分に及ぶ場合もある。このような長時間の停止が発生すると、ノズルチップ内の液体蒸発も多くなり、液垂れが発生する可能性が高くなる。しかし、本実施形態のように、液体の蒸発を考慮して、エア吸引を行うことにより、長時間、ノズル部１２の移動途中で停止したとしても、液垂れ等を効果的に防止することができる。

ノズル部１２が、吐出先容器１０２に到達すれば（Ｓ２４でＹｅｓ）、制御部２４は、分注ポンプ１６の駆動を停止して、エア吸引動作を終了させる（Ｓ２６）。なお、図８のフローチャートでは記載を省略しているが、ノズル部１２の吐出先容器１０２への到達に先立って、エア吸引量Ｖｋｎ（ｎは吐出回数を意味する。１対１式分注の場合は、常にｎ＝１）が、予め規定された上限値Ｖａに到達した場合（Ｖｋｎ＞Ｖａの場合）も、エア吸引を停止する。これは、上限値Ｖａに達した場合には、ノズルチップ内の液面付近が飽和状態に近づき、さらなる、液体蒸発は発生しないと考えられるからである。そして、このように上限値Ｖａに達した時点でエア吸引を停止することにより、過度なエア吸引によるエアギャップの発生を効果的に防止することができる。

次に、制御部２４は、分注ポンプ１６を駆動して、ノズルチップ内に保持された液体を、吐出先容器１０２に吐出させる（Ｓ２８）。ここで、この液体吐出量（シリンジポンプのプランジャ４２の移動量）を、ユーザにより指定された目標液体吐出量Ｖｄｉｓだけとするか、当該目標液体吐出量Ｖｄｉｓに現時点までのエア吸引量Ｖｋｎを加算した値とするかは、分注ポンプ１６の特性などに応じて、適宜、最適なほうを選択すればよい。

指定量の液体が吐出できれば、移動機構２０を駆動して、ノズル部１２を上昇させ、ノズルチップ３０を吐出先容器１０２の液面から離す（Ｓ３０）。そして、これにより、一つの吐出処理が１回完了したことになる。

吐出処理が完了すれば、制御部２４は、指定の分注作業が終了したか否かを判断する（Ｓ３２）。一つの吐出先容器１０２へ１回吐出してから、ノズルチップ３０を廃棄・交換する１対１式分注の場合、このステップＳ３２での判断は、常にＹｅｓとなる。したがって、液体吐出が１回完了すれば、必ず、ステップＳ３４，Ｓ３６へと移行する。

吐出処理が完了すれば、制御部２４は、移動機構２０を駆動してノズル部１２をチップ廃棄位置へと移動させる（Ｓ３４）。より具体的には、ノズル部１２を、ノズル軸最上点まで上昇、チップ廃棄位置の真上まで水平移動させた後、チップ廃棄位置まで下降させる。このチップ廃棄位置までの移動過程でも、ノズルチップ内に残存している液体が液垂れする恐れがある。そこで、本実施形態では、このチップ廃棄位置までの移動過程においても、エア吸引動作を実行する（Ｓ３６）。ただし、液体吐出後、ノズルチップ内に残存している液体量は、比較的少量（理論上は、エクセス量ｅのみ）であることが多く、蒸発量も非常に小さい。そのため、場合によっては、このチップ廃棄位置までの移動時には、このエア吸引動作（Ｓ３６）を省略してもよい。チップ廃棄位置まで到達すれば、チップ装着部３２からノズルチップ３０を離脱させ、廃棄する（Ｓ３８）。そして、以上で、１対１式分注の処理が終了となる。

次に、吸引元容器１００から、目標液体吐出量×Ｎ相当の量の液体を１回で吸引し、当該液体をＮ個の吐出先容器１０２へ順次吐出してから、ノズルチップ３０を廃棄・交換する１対Ｎ式分注の流れについて、同じ図７、図８を参照して説明する。

１対Ｎ式分注の場合であっても、その大まかな流れは、１対１式分注の場合とほぼ同じである。ただし、１対Ｎ式分注の場合、指定回数Ｎの吐出処理が完了するまで、ステップＳ２０〜Ｓ３２を繰り返す点で、１対１式分注の場合と若干異なる。

すなわち、ステップＳ３０で液体吐出処理が完了すれば、制御部２４は、指定の分注作業が終了したか否かを判断する（Ｓ３２）。このとき、これまでの吐出回数ｎが、指定の吐出回数指令値Ｎに到達していない場合には、ステップＳ１２ａに移行する。ステップＳ１２ａでは、エア吸引パラメータを再設定する。

すなわち、液体吐出の完了直後では、ノズルチップ３０の内壁に残った液体が、瞬間的に蒸発することが予想される。また、液体吐出後の液面付近は、飽和状態に近づいていた吐出前の液面とは離れており、非飽和状態であることが多い。したがって、液体吸引後、徐々に低下していた蒸発速度が、液体吐出後、大幅に増加することも考えられる。

そこで、液体吐出を複数回繰り返す１対Ｎ式分注の場合は、１回液体吐出を行うたびに、当該液体吐出後にノズルチップ内の残存液体量等に基づいて、エア吸引パラメータを再設定するようにしている。

この再設定方法は、種々考えられる。最も単純な方法は、吐出完了時点におけるノズルチップ内の液体残存量Ｖｓｎを、目標液体吸引量Ｖｓと仮定（Ｖｓ＝Ｖｓｎ）したうえで、ステップＳ１２と同様の手順でエア量上限値Ｖａ＝Ｖａ１（Ｖｓｎ）、および、エア吸引速度ｖａ＝ｖａ１（Ｖｓｎ）を算出することである。ただし、吸引直後（Ｓ１８時点）における液体残量が１００μＬの場合と、１回目の液体吐出後（Ｓ３０）における液体残量が１００μＬの場合と、では同じ液体残存量であっても、それぞれ液体の蒸発速度は微妙に異なることが推測できる。例えば、液体吐出後は、ノズルチップ３０の内壁に液体が付着残存するため、吸引直後に１００μＬの場合よりも、液体吐出後に１００μＬ残存している場合のほうが、液体とエアとの接触面積が大きくなり勝ちであり、蒸発速度も一時的に大きくなるかもしれない。また、同じ液体吐出後であっても、１回目よりも２回目、２回目よりも３回目のほうが、ノズルチップ内にある蒸気量が多くなりがちであり、蒸発速度が遅くなるかもしれない。このような、分注の進行状況に応じて蒸発速度等の違いが実験等により、ある程度把握できる場合には、当該進行状況に応じて、エア吸引速度等を可変させてもよい。本実施形態では、吐出量Ｖｄｉｓおよび吐出直後の残液量Ｖｓｎに基づいてエア吸引速度ｖａを決定している。また、吐出量Ｖｄｉｓ、吐出直後の残液量Ｖｓｎ、および、それまでに吸引した総エア吸引量ΣＶｋｎに基づいて、エア量上限値Ｖａを決定している。

エア吸引パラメータが再設定できれば、再び、ステップＳ２０〜Ｓ３２を実行する。このとき、ステップＳ２２のエア吸引は、再設定されたエア吸引パラメータを用いて行う。そして、最終的に、指定回数Ｎ分の吐出処理が完了すれば（Ｓ３２でＹｅｓ）、制御部２４は、エア吸引をしつつ、ノズル部１２をチップ廃棄位置へ移動させ（Ｓ３４、Ｓ３６）、ノズルチップ３０を廃棄する。そして、以上で、１対Ｎ式分注の処理が終了となる。

次に、液体を１回ずつ吸引・吐出する処理をＮ回、同じノズルチップ３０で繰り返す再吸引式分注の処理の流れについて図９、図１０を参照して説明する。

再吸引式分注の場合も、最初の液体吐出が完了するまでの流れ（Ｓ１０〜Ｓ３０）は、上述の１対Ｎ式分注とほぼ同じである。一方で、１回目の液体吐出が完了した後、分注終了か否かの判断（Ｓ３２）が、Ｎｏとなった場合には、１対Ｎ式分注とは若干異なる処理が行われる。

すなわち、分注作業が終了していない場合、制御部２４は、エア吸引パラメータを再設定する（Ｓ１２ｂ）。この再設定の手法も種々考えられるが、本実施形態では、吐出量Ｖｄｉｓおよび吐出直後の残液量Ｖｓｎ（理論上はエクセス量ｅのみ）に基づいてエア吸引速度ｖａを決定している。また、吐出量Ｖｄｉｓ、吐出直後の残液量Ｖｓｎ（理論上はエクセス量ｅのみ）、および、それまでに吸引した総エア吸引量（ΣＶｋｎ＋ΣＶｊｎ）に基づいて、エア量上限値Ｖａを決定している。

そして、再設定により得られた設定値に基づいて、エア吸引を実行しつつ、ノズルチップ３０先端が吸引元容器１００の液面近傍に位置するようにノズル部１２を移動させる（Ｓ４０〜Ｓ４４）。ノズル部１２の移動が完了（Ｓ４４でＹｅｓ）すれば、エア吸引を終了し（Ｓ４６）、吸引元容器１００に、ノズルチップ３０に残存している液体を吐出する（Ｓ４８）。その後、次回の液体吸引・吐出に利用するエア吸引設定パラメータを再設定する（Ｓ１２ｃ）。エア吸引設定パラメータが再設定できれば、再び、ステップＳ１６〜Ｓ３２を繰り返す。そして、最終的に、ユーザに指定された回数であるＮ回の液体吸引・吐出が終了すれば、エア吸引を行いつつ、ノズル部１２をチップ廃棄位置へ移動させ、ノズルチップ３０を廃棄する（Ｓ３４〜Ｓ３８）。そして、これにより、再吸引式分注の処理が終了となる。

以上の説明から明らかなとおり、本実施形態によれば、液体吸引後は、ノズルチップ内の液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺し得るエア吸引パラメータを予め決めておき、当該エア吸引パラメータに従って、ノズルチップ内のエア吸引を行っている。これにより、高精度な圧力センサなどを設けなくても、液垂れやエアギャップの発生を効果的に防止または低減できる。また、上述の説明から明らかなとおり、本実施形態では、処理の進行状況、別の見方をすれば、液体の吸引・吐出に伴うノズルチップ内の残存液量の変化に応じて、適宜、エア吸引パラメータの値を再設定している。これにより、より的確にノズルチップ内の内圧上昇を防止でき、ひいては、液垂れやエアギャップの発生をより効果的に防止または低減できる。

１０分注装置、１２ノズル部、１４配管系、１６分注ポンプ、１８ポンプ駆動部、２０移動機構、２２圧力センサ、２４制御部、２５記憶部、２６入力部、２８出力部、３０ノズルチップ、３２チップ装着部、３４配管、４０シリンダ、４２プランジャ、５０ラック、１００吸引元容器、１０２吐出先容器。

Claims

液体の吸引および吐出を行う分注装置であって、
その内部に液体が保持されるノズルと、
前記ノズルを移動させる移動機構と、
前記ノズルを含む配管系の内圧を変化させることで、前記ノズルでの液体吸引および吐出を実行させるポンプと、
少なくとも、前記ノズルでの液体吸引完了から液体吐出開始までの間にノズル内で生じる液体蒸発に伴う内圧上昇を相殺し得る前記ノズル内のエア吸引速度を含むエア吸引条件をエア吸引設定情報として予め記憶した記憶手段と、
前記移動機構およびポンプの駆動を制御する制御手段であって、前記ノズルでの液体吸引完了から液体吐出開始までの間に前記エア吸引設定情報に規定されたエア吸引条件でのエア吸引を前記ポンプに指示する制御手段と、
を備えることを特徴とする分注装置。
請求項１に記載の分注装置であって、
前記エア吸引条件は、さらに、吸引するエア量の上限値も含み、
前記制御手段は、前記エア吸引により吸引するエア吸引量が、前記上限値に達した場合には前記液体吐出開始前であっても、前記エア吸引を停止させる、
ことを特徴とする分注装置。
請求項１または２に記載の分注装置であって、
前記エア吸引設定情報は、前記ノズルでの液体吸引条件ごとに異なる複数のエア吸引条件を記憶しており、
前記制御手段は、実際に行う液体吸引の条件に基づいて、当該実際に行う液体吸引に適したエア吸引条件を選択する、
ことを特徴とする分注装置。
請求項３に記載の分注装置であって、
前記液体吸引条件は、液体吸引量、液体種類、ノズル種類、温度、湿度の少なくとも一つを含む、ことを特徴とする分注装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の分注装置であって、
前記エア吸引速度は、前記液体吸引完了からの経過時間に応じて変化する可変値である、ことを特徴とする分注装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載の分注装置であって、
前記制御手段は、分注処理の進行に伴い前記ノズル内の液体量が変化した場合には、前記エア吸引条件を再設定する、ことを特徴とする分注装置。