JP5402450B2

JP5402450B2 - 液体分注装置

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Publication number: JP5402450B2
Application number: JP2009214895A
Authority: JP
Inventors: 大古田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: JP2011064551A

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いて、サンプルや試薬を分注する液体分注装置に関する。

有機化学や生化学、医療等の分野で用いられる種々の分析装置には、所定量の液状の試料や試薬をマイクロプレートのウェルやサンプルプレート等の容器に自動で分注する液体分注装置を備えたものがある。
例えば、特許文献１には、分注素子の吐出部につながる空間をピエゾ素子からなる駆動部によって押圧することにより当該空間に充填された試料等を吐出部から吐出する液体分注装置が記載されている。このようなピエゾ素子の駆動により液体を分注する分注素子を備えた液体分注装置では、ピエゾ素子への印加電圧の大きさや印加時間、印加電圧の立ち上がり時間や立ち下がり時間等をパラメータとする制御信号により、吐出部から吐出される液滴量が調整される。
ところが、同一のパラメータであっても、分注する液体の表面張力や粘性等の物性、温度等の環境条件によって吐出される液滴の容積は変化する。分注量は液滴数によって管理されるため、液滴容積の変化は定量的な分注を困難にする。

特許文献２には、撥水性の基材の表面に例えば1000滴の液滴を吐出し、基材上に溜まった液滴1000滴分の容積から１滴の液滴容積を求める液体分注装置が記載されている。この液体分注装置では、基材上に溜まった1000滴分の液滴の画像をCCDカメラで取り込み、その画像から1000滴分の液滴を球としてその球の半径を求める。求めた半径より球の体積を求めて１滴分の液滴容積を算出している。
この場合、上記液体分注装置では、表面張力が大きく基材上で球状に成り易い液体(水など）を標準サンプルとして液滴の体積を求めている。

特開2005-283123号公報（[0026]）特開2005-49267号公報（[0013]〜[0015],図3）

ところが、バイオ技術等の分野で用いられる試薬には塩類や有機溶媒が多く含まれており、撥水性の基材に馴染んで広がり易いため液滴が球状に成り難い場合がある。この場合、分注のための駆動パラメータが同一条件であっても、標準サンプルを用いて求めた液滴容積と実際に分注する試薬等の液滴容積とに乖離がみられ、正確な分注量を算出することができない虞がある。
本発明が解決しようとする課題は、液体の物性に関係なくより正確な液滴の容積を求めることができる液体分注装置及び液体分注方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る液体分注装置は、
a)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、
b)前記吐出駆動部の駆動パラメータの制御、及び、吐出された液滴数を記録する駆動制御部と、
c)前記吐出ユニットから吐出された液滴が貯留される、容量が既知の定量用液体収容部と、
d)前記定量用液体収容部に超音波振動を加える超音波発振器と、
e)前記定量用液体収容部に貯留された液体が定量用液体収容部を満たしたことを検出する検出部と、
f)前記定量用液体収容部を満たすために吐出した液滴数と前記定量用液体収容部の既知容量に基づいて１滴当たりの液滴容積を算出し、算出された一滴当りの液滴容積に基づいて液体を所定量分注するために必要な液滴数を算出する演算部と
を備え、
前記駆動制御部は前記算出された液滴数を吐出するように吐出駆動部の駆動パラメータを調節することを特徴とする。

また、本発明に係る液体分注方法は、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の前記吐出駆動部の駆動パラメータを制御することにより、予め設定された容量の液体試料を分注する液体分注方法において、
a)容量が既知の定量用液体収容部に、前記吐出ユニットから液滴を吐出するステップと、
b)前記定量用液体収容部に超音波振動を加えるステップと、
c)前記定量用液体収容部に貯留された液体が定量用液体収容部を満たしたことを検出するステップと、
d)前記定量用液体収容部を満たす液滴数を検出するステップと、
e)前記定量用液体収容部を満たすために吐出した液滴数と前記液体収容部の既知容量に基づいて１滴当たりの液滴容積を算出するステップと、
f)算出された一滴当りの液滴容積に基づいて液体を所定量分注するために必要な液滴数を算出するステップと、
g)前記算出された液滴数を吐出するように吐出駆動部の駆動パラメータを調節するステップと
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、実際に分注される液体試料を用いて１滴当たりの液滴容積を求め、その求めた液滴容積に基づき、所定量の液体試料を分注できるように分注素子の駆動を制御するため、分注動作の定量性が向上する。また、容量が既知の定量用液体収容部を満たす液滴数から１滴当たりの液滴容積を求めるようにしたので、撥水性の基材上で球形成が困難な種々の液体試料についても１滴当たりの液滴容積を正確に求めることができる。従って、液体試料の物性に関係なく正確な分注動作を行うことができる。

本発明の第１実施例に係る液体分注装置の概略図。分注素子の概略的な縦断面図。テスト領域を機能ブロックと共に示す図。分注液滴定量動作を示すフローチャート。本発明の第２実施例に係る液体分注装置のテスト領域を機能ブロックと共に示す図。本発明の第３実施例に係る液体分注装置のテスト領域を機能ブロックと共に示す図。

以下、本発明のいくつかの実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本実施例に係る液体分注装置を概略的に示したものである。この液体分注装置は、本体１０ａおよび蓋１０ｂから成るケース内に、テーブル１２、吐出ユニットであるプリントヘッド１４、ＣＣＤカメラ１６およびスキャナ１８を収容した構成となっている。

プリントヘッド１４の下面部には、試薬などを分注するための４個の分注素子２０が一列に並べられて固定されている。図２に示すように、前記分注素子２０は、先端の吐出部２２と液溜め２４とを繋ぐキャピラリー２６を取り囲むようにピエゾ素子２８が配置されており、前記ピエゾ素子２８の駆動によりキャピラリー２６が押されて吐出部２２から液滴Ｌが吐出する。前記ピエゾ素子２８が本発明の吐出駆動部となる。分注素子２０は、吐出部２２のノズル径が例えば55μmと非常に小さいことから、１滴当たりの容積が87pl(ピコリットル）といったピコリットルオーダーの液滴を吐出することができる。液溜め２４に収容され分注対象となる液体試料は分析対象の試料や分析に用いられる試薬などであり、DNA、RNAなどの核酸、酵素、抗原、抗体などタンパク質、化学試薬などを含む液体試料などが挙げられる。

テーブル１２の上には例えば２枚のサンプルプレート３４が載置されるようになっている。テーブル１２は水平面内をＸＹ方向(図１に矢印Ｘ，Ｙで示す方向）に移動できる可動テーブルであり、分注時には、指定された分注素子２０の下方部にサンプルプレート３４を位置決めし、画像取り込み時には、テーブル１２上の撮像すべき部分をスキャナ１８の下方部に位置決めする。

サンプルプレート３４は例えば上面にメンブレン３４１が貼り付けられる平板から成る。メンブレン３４１には、例えばＳＤＳ(ドデシル硫酸ナトリウム)ポリアクリルアミドゲル電気泳動やその他のクロマトグラフィによって一次元方向に分離されて展開したタンパク質、ペプチド、糖、脂質、核酸等の分子又はそれらの混合物が固相化されている。サンプルプレート３４としては、１つまたは複数の試料切片を貼り付けたスライドガラスとしてもよい。

また、テーブル１２上には、定量用分注作業を行うための定量分注領域３６、分注素子２０のメインテナンス領域３８が設けられている。定量用分注作業は、サンプルプレート３４に試薬又は試料液を分注する作業を開始する前に行われるもので、分注素子２０の吐出部２２から吐出される液滴１滴当たりの容積を求める作業である。定量分注領域３６及び定量用分注作業については後述する。

メインテナンス領域３８には例えばスポンジが設けられており、分注素子２０の先端に液や汚れが付着した場合に前記メインテナンス領域３８が分注素子２０の下に移動され、前記スポンジによって分注素子２０の先端についた液や汚れが拭き取られるようになっている。
なお、図示しないが、テーブル１２の表面にはテーブル１２上に配置されるサンプルプレート３４の位置の基準となるベースポイントとしてのマークが設けられている。マークは、分注位置を情報として取り出す場合の基準となるものであり、スキャナ１８で取得した画像上の位置とテーブル１２の動きとを合わせる基準となるものである。

ＣＣＤカメラ１６は、分注素子２０から試薬等を分注するときに該分注素子２０の先端部の画像を取り込み、分注の様子をモニタするためのもので、本体１０ａ内の左端部に配置されている。ＣＣＤカメラ１６は、サンプルプレート３４や定量分注領域３６に対していずれの分注素子２０が分注動作を行う場合でもその分注素子２０の先端部の画像を取り込むことができるように構成されている。

次に、定量分注領域３６及び定量用分注作業について図３及び図４を参照して説明する。図３はテーブル１２上の定量分注領域３６等を機能ブロックと共に表したものである。定量分注領域３６には例えば円筒状のウェル４０が設けられており、このウェル４０の側方であって該ウェル４０を挟んで対向する２箇所には、フォトセンサの発光素子４２と受光素子４３が配置されている。フォトセンサは、ウェル４０内に貯留された液体の液面ＬＰが予め設定された位置Ｘ(以下、「設定位置Ｘ」という）に達した瞬間を検出するためのものである。なお、図３は、ウェル４０内に貯留された液体の液面ＬＰが設定位置Ｘに達した瞬間を示している。

発光素子４２と受光素子４３を設定位置Ｘと同じ高さに配置することで、液面ＬＰが設定位置Ｘを通過する前後で受光素子４３の検出信号強度が急激に変化する。このような受光素子９の検出信号強度の急激な変化に基づき、液面ＬＰが設定位置Ｘに達した瞬間を検出することができる。液面ＬＰが設定位置Ｘに達したときのウェル４０内の容量は既知の値であり、この既知の容量は演算部４５に予め記憶されている。本実施例では、ウェル４０内の設定位置Ｘまでの部分が定量用液体収容部となる。

フォトセンサ(受光素子４３)の出力信号は信号処理部４７に入力される。信号処理部４７は、入力された受光素子４３の信号強度の急激な変化により液体が定量用液体収容部を満たした瞬間を検出する。信号処理部４７が本発明の検出部に相当する。

また、駆動制御部４９は、液面ＬＰが設定位置Ｘに達するまでに分注素子２０が吐出した液滴数を計測し演算部４５に出力する。演算部４５は、予め記憶する定量用液体収容部の容量と液滴数とから１滴当たりの液滴容積を算出し、さらに、所定量の液体を分注するために必要な液滴数を算出する。「所定量」とは、サンプルプレート３４に対する液体試料の分注量であり、作業者によって予め設定される。

このように所定量の液体を分注するために必要な液滴数が演算部４５によって算出されると、駆動制御部４９はピエゾ素子２８への印加電圧の大きさや印加時間、印加電圧の立ち上がり時間・立ち下がり時間の全て又はこれらのうちの少なくとも１つを含む駆動パラメータを調節することによりピエゾ素子２８の駆動を制御する。これにより、分注素子２０の吐出部２２から液滴が吐出される。

図４は分注動作処理を示すフローチャートである。本実施例では、サンプルプレート３４への液体試料の分注作業（以下、「分析用分注作業」という）に先立ち定量用分注作業が行われる。まず、駆動パラメータが設定されると(Ｓ１）、この駆動パラメータに従って駆動制御部４９はピエゾ素子２８の駆動を制御し、定量用分注作業を実行する(Ｓ２）。そして、フォトセンサの出力信号に基づきウェル４０内に貯留された液体の液面ＬＰが設定位置Ｘに達したことを検知すると(Ｓ３)、駆動制御部４９は液面ＬＰが設定位置Ｘに達するまでに分注素子２０が吐出した液滴数を計測して演算部４５に出力する(Ｓ４)。演算部４５は、予め記憶する定量用液体収容部の容量と液滴数とから１滴当たりの液滴容積を算出する(Ｓ５)。次いで、サンプルプレート３４に分注する液体試料の量（以下「分注液量」）を設定し（Ｓ６）、この分注液量と液滴容積とから、当該分注液量の液体を分注するために必要な液滴数を算出する(Ｓ７）。

続いて、駆動制御部４９は、Ｓ１にて設定された駆動パラメータ及びＳ７にて算出された液滴数に従い、サンプルプレート３４に対して分析用分注作業を実行する（Ｓ８）。また、連続して複数回の分析用分注作業が行われる場合は（Ｓ９にてＮｏ）、各分析用分注作業の前に分注液量が設定され、該分注液量と１滴当たりの液滴容積から液滴数が算出される。

図５は本発明の第２実施例に係る液体分注装置の定量分注領域３６を機能ブロックと共に示した図である。この第２実施例では、定量分注領域３６に２個の容器５０，５１とこれら容器５０，５１を連結する１個のチューブ５２が設けられている。チューブ５２の水平方向に離れた２点Ｘ_１，Ｘ_２には各点を液体が通過する瞬間をそれぞれ検知する第１センサ５４及び第２センサ５５が設けられている。第１及び第２センサは、いずれも発光素子５４ａ，５５ａ及び受光素子５４ｂ，５５ｂを備えたフォトセンサからなる。
発光素子５４ａと受光素子５４ｂ、及び発光素子５５ａと受光素子５５ｂは、それぞれ点Ｘ_１及び点Ｘ_２を挟んで対向配置されており、液体が点Ｘ_１及び点Ｘ_２を通過する前後で受光素子５４ｂ、５５ｂの検出信号強度が急激に変化する。このような受光素子５４ｂ、５５ｂの検出信号強度の急激な変化に基づき、液体が点Ｘ_１及び点Ｘ_２を通過する瞬間を検出することができる。

チューブ５２内のうち２点Ｘ_１，Ｘ_２間の空間容量は既知の値であり、この既知の容量は演算部４５に予め記憶されている。本実施例では、チューブ５２内のうち２点Ｘ_１，Ｘ_２間の部分が定量用液体収容部となる。
第１センサ及び第２センサ（受光素子５４ｂ，５５ｂ）の出力信号は信号処理部４７に入力される。信号処理部４７は、受光素子５４ｂ，５５ｂの信号強度の急激な変化によりチューブ５２内の液体が点Ｘ_１及び点Ｘ_２を通過した瞬間を検出する。

また、駆動制御部４９は、チューブ５２内の液体が点Ｘ_１及び点Ｘ_２を通過した瞬間の液滴数を計測し、演算部４５に出力する。演算部は、各点Ｘ_１及び点Ｘ_２を通過した瞬間の液滴数の差から定量用液体収容部内を満たす液滴数を算出し、この液滴数と、予め記憶する定量用液体収容部の容量とから１滴当たりの液滴容積を算出する。さらに、１滴当たりの液滴容積から所定量の液体を分注するために必要な液滴数を算出する。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変更が可能である。
定量用液体収容部に液体が貯留される際に気泡が含まれると、定量用液体収容部内の既知の容量を満たす正確な液滴数を求めることができず、１滴当たりの正確な液滴容積を求めることができない。そこで、図６に示す本発明の第３実施例のように、ウェル４０に超音波振動を加える超音波発振器６０を設けることも良い構成である。

上述の実施例では、１回の定量用分注作業により１滴当たりの液滴容積を求めているが、定量用分注作業を複数回実行し、各テスト用分注作業で得られた液滴溶液の平均値を求めるようにしても良い。

サンプルプレート３４として、例えば９６ウェルプレート等の多数のウェル(容器)を有するマルチプレートを用いることも可能である。サンプルプレート３４がマルチプレートである場合、一部のウェルを定量用液体収容部として利用することもできる。また、サンプルプレート３４の各ウェルの一部を定量用液体収容部と兼用しても良い。すなわち、各ウェル内の所定位置までの部分を定量用液体収容部とし、残りの部分を分析用液体収容部とする。この場合は、各ウェルに対して定量用分注動作を行った後、引き続き分析用分注動作を行うことになる。つまり、各ウェルに対して分析用分注動作を行う毎に定量用分注動作を行うことになるが、定量用分注作業に用いた試料を無駄にせずに済む。また、実際の分析に用いる試料自体で液滴の定量を行うため、分注動作の定量性が向上する。

分注素子の他の例として、シリンジポンプを駆動源とするものでも良い。この場合の制御信号は、シリンジポンプのプランジャのストローク、速度、加速度のうちの少なくとも一つを含んだパラメータとすることができる。

１０・・・液体分注装置
１２・・・テーブル
１４・・・プリントヘッド
１６・・・ＣＣＤカメラ
１８・・・スキャナ
２０・・・分注素子
２２・・・吐出部
２８・・・ピエゾ素子
３４・・・サンプルプレート
３６・・・定量分注領域
４０・・・ウェル
４２，５４ａ，５５ａ・・・発光素子
４３，５４ｂ，５５ｂ・・・受光素子
４５・・・演算部
４７・・・信号処理部
４９・・・駆動制御部
５２・・・チューブ
６０・・・超音波発振器
５４，５５・・・フォトセンサ

Claims

a)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、
b)前記吐出駆動部の駆動パラメータの制御、及び、吐出された液滴数を記録する駆動制御部と、
c)前記吐出ユニットから吐出された液滴が貯留される、容量が既知の定量用液体収容部と、
d)前記定量用液体収容部に超音波振動を加える超音波発振器と、
e)前記定量用液体収容部に貯留された液体が定量用液体収容部を満たしたことを検出する検出部と、
f)前記定量用液体収容部を満たすために吐出した液滴数と前記定量用液体収容部の既知容量に基づいて１滴当たりの液滴容積を算出し、算出された一滴当りの液滴容積に基づいて液体を所定量分注するために必要な液滴数を算出する演算部と
を備え、
前記吐出駆動部制御部は前記算出された液滴数を吐出するように吐出駆動部の駆動パラメータを調節する液体分注装置。
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の前記吐出駆動部の駆動パラメータを制御することにより、予め設定された容量の液体試料を分注する液体分注方法において、
a)容量が既知の定量用液体収容部に、前記吐出ユニットから液滴を吐出するステップと、
b)前記定量用液体収容部に超音波振動を加えるステップと、
c)前記定量用液体収容部に貯留された液体が定量用液体収容部を満たしたことを検出するステップと、
d)前記定量用液体収容部を満たす液滴数を検出するステップと、
e)前記定量用液体収容部を満たすために吐出した液滴数と前記液体収容部の既知容量に基づいて１滴当たりの液滴容積を算出するステップと、
f)算出された一滴当りの液滴容積に基づいて液体を所定量分注するために必要な液滴数を算出するステップと、
g)前記算出された液滴数を吐出するように吐出駆動部の駆動パラメータを調節するステップと
を備えることを特徴とする液体分注方法。