JP5597844B2 - 基板上へ生物流体を付着させるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本願発明は、基板の表面上へ生物流体を付着させるための方法及び装置に関する。特に、本願発明は、マイクロアレイを製造するための方法及び装置に関する。本願発明は、また、上記の方法及び装置を用いて得られるマイクロアレイに関する。

臨床分析及び生化学分析の分野では、マイクロアレイの使用についての関心が高まっている。

マイクロアレイは、適切な材料、例えば、ガラス、ポリマーコーティングしたガラス、プラスチック、ニトロセルロース等から作られる基板を含み、その基板上に１つ又は複数の生物流体、例えば、タンパク質類、細胞類、ＤＮＡ断片類及び類似のものの複数のスポットが固定される。基板のサイズは、典型的には、約数十ミリメートル（数インチ）、例えば、２５．４ｍｍ（１インチ）掛ける７６．２ｍｍ（３インチ）であり、その基板上に固定されるスポットは、直径で通常約５０μｍから約３００μｍまでの範囲である。

マイクロアレイは、生物学的な調査、特にゲノミックス、プロテオミクス及び細胞分析にとって重要なツールであり、マイクロアレイは、多数の疾病の診断及び予防のために使用されている。例えば、「バイオチップマイクロアレイ」とも呼ばれる、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）マイクロアレイ及びタンパク質マイクロアレイは、生物中の遺伝子及びタンパク質機能を理解するプロセスを加速してきた。

マイクロアレイ製造は、本質的に、基板上への生物流体の付着プロセスである。１つ又は複数の生物流体のごく微量（ナノリットル又はピコリットル）が、スポットの形で基板上へと付着する。

スポットを付着させるために、２つのタイプのデバイス、ピンプリンティングデバイスやマイクロスタンピングデバイス等の「接触プリンティング」デバイスと、インクジェットのようなプリンティングデバイス等の「非接触プリンティング」デバイスとが知られており、両者は熱方式及び圧電方式のものである。

知られているように、サーマルインクジェットプリンティングデバイスは、画像がその上にプリントされる一枚の紙を供給するためのシステムと、紙供給方向に垂直な方向にモータによって駆動されるキャリッジと、プリンティング手段と、キャリッジによって運ばれそれぞれのインクリザーバと流体連結する典型的には１つ又は複数のプリントヘッドと、電力供給手段とを備える。特に、各プリントヘッドは、少なくとも１つのノズルと、典型的にはノズルのアレイと、射出用チャンバと、加熱素子とを備える。

使用の際には、電力供給手段は、エネルギーをパルス電気信号としてプリントヘッドへ供給する。各パルスの期間中に、加熱素子は、数マイクロ秒内に数百度に熱くなる。少量のインクが、インクリザーバのうちの１つから、インクが加熱素子と接触する射出用チャンバへと進む。加熱素子との接触の後で、インクはすぐに熱くなり、それによって射出用チャンバの内部に蒸気泡を発生する。得られた蒸気泡の膨張及びその後の蒸気泡の崩壊が、プリントヘッドの少なくとも１つのノズルを介してインク液滴を吐出させる。

典型的には、サーマルインクジェットプリンディングデバイスは、２００ｐｌから２ｐｌまでの範囲の又はより少ない体積を有するインク液滴を吐出することを可能にする。

液滴の体積及び吐出速度は、プリントヘッドに供給されるエネルギーＥによって変わることがある。しきい値エネルギーＥ_ｔｈは、プリントヘッドの幾何学的特徴並びに使用するインクの熱力学的特性及び流体力学的特性（例えば、沸点、表面張力、密度、粘性）に依存する。

しきい値エネルギーＥ_ｔｈよりも低いエネルギーＥの値に対して、プリントヘッドの１つ又は複数のノズルは何も液滴を吐出しないことが経験的に知られており、例えば、米国特許第５，７６７，８７２号を参照せよ。これは、加熱素子が蒸気泡を発生させるために十分に高い温度に達しないためである。しきい値エネルギーＥ_ｔｈを超えると、いわゆる「遷移」ゾーン又は「液滴不安定」ゾーンであり、そこでは、プリントヘッドへ供給されるエネルギーＥの増加とともに、液滴体積が増加する。遷移ゾーン又は液滴不安定ゾーンを超えると、いわゆる「液滴安定」ゾーンであり、そこでは、プリントヘッドへ供給されるエネルギーＥが増加しても、液滴体積は実質的に一定のままである。

プリントした画像の一様性を保証するために、ノズルを通って吐出される液滴は、好ましくは一定の体積を有するべきである。従って、プリントヘッドを液滴安定ゾーンで動作させることが賢明である。

それゆえ、サーマルプリントヘッドの少なくとも１つのノズルを通って液滴吐出を生じさせるために適した最小エネルギーが、「しきい値エネルギー」Ｅ_ｔｈとして定義される。

その上、下記の説明では、「安定な液滴」という表現は、プリントヘッドに供給されるエネルギーＥに対して一定体積を有する液滴を指すが、「不安定な液滴」という表現は、プリントヘッドに供給されるエネルギーＥに対して変化する体積を有する液滴を指す。

しかしながら、エネルギーＥがしきい値エネルギーＥ_ｔｈに対して大きくなり過ぎる場合には、液滴が安定なままであるとはいえ、プリントヘッドが早期の経年劣化を受け、その結果プリントヘッドの寿命が短くなることが経験的に観察されている。これは、加熱素子の過剰な温度上昇によって及びプリントヘッドの表面上へのインク残留物のその後の形成によって引き起こされると考えられる。この現象は、「コゲーション」という用語で知られている。

実際に、加熱素子により達する高温（約３５０℃）が、インク中に存在する添加剤、典型的には染料の劣化を引き起こす。添加剤はインク中には非可溶性であり、そのために、加熱素子の表面上へと付着し、従って、特有の断熱層を形成する。この断熱層は、加熱素子の熱効率を低下させ、最悪の場合には、プリントヘッドの破損を引き起こす。

コゲーションの現象を未然に防ぎ、従ってプリントヘッドの寿命を増加させるために、しきい値エネルギーよりも大きなエネルギーをプリントヘッドへ供給し、それによって安定な液滴の吐出を可能にすることが知られている。しかしながら、プリントヘッドへ供給するエネルギーは、加熱素子の表面上への断熱層の形成を生じさせるほど大きくすべきではない。これは、例えば、サーマルインクジェットプリントヘッドアセンブリに与えるエネルギーを制御するためのシステム及び方法を記載した、米国特許第６，３０２，５０７号及び第６，３１５，３８１号に開示されている。

米国特許第６，５７５，５４８号は、インクジェットプリントヘッドのエネルギー特性の効率的な制御を提供するためのプリンディングシステム及びプロトコルを記載している。このプリンディングシステムは、コントローラと、電源と、メモリデバイス及びインク
ドライバとともに統合された分散型プロセッサを有するプリントヘッドアセンブリとを含む。分散型プロセッサは、事前にプログラムされた許容可能な境界内にプリントヘッドアセンブリのエネルギー特性を維持する。より具体的には、プリントヘッドに供給されるエネルギーは、上に定義したしきい値エネルギーをほぼ２０％超える。

米国特許第７，２８１，７８３号は、レジスタと、チャンバと、各々がチャンバとつながった第１の流路及び第２の流路とを備えた流体吐出デバイスを記載している。安定な動作を確実にするために、レジスタは、最小エネルギー又はしきい値エネルギーをほぼ２５％から５０％超えるエネルギーを供給される。

サーマルインクジェットプリントヘッドの単位面積当たりに散布する少量の液体及び低製造コストのおかげで、サーマルインクジェットプリンディング技術が臨床分析及び生物医学分析の分野において採用される場合がある。このケースでは、インクが、１つ又は複数の適切な生物流体によって置き換えられるはずである。

米国特許第６，９３５，７２７号は、パルスジェットプリントヘッドアセンブリを使用することによって基板表面上へと流体、典型的には、バイオポリマー又はその前駆物質を含有する流体を付着させるための方法を記載している。使用の際には、プリントヘッドアセンブリの射出用チャンバには、バイオポリマー又はその前駆物質を含むある量の流体が充填される。充填済のプリントヘッドアセンブリは、次に、基板の表面に対して反対側に設置され、基板上にある量の流体を付着させるために作動される。

米国特許第２００３／００２７２１９号は、サーマルインクジェットプリンディング装置を使用することによって基板の表面上へ少量のタンパク質含有流体を効率的に付着させるための方法を記載している。開示された付着プロセスは、付着した流体のタンパク質活性／機能を実質的に変更しない。この方法を実行する際には、少量の関心のある（１つ又は複数の）タンパク質を含有する流体が、サーマルインクジェットデバイス中へと先行充填される。次に、先行充填した流体のうちの少量が、基板の表面上へと吐き出される。

しかしながら、上記の米国特許第６，９３５，７２７号及び第２００３／００２７２１９号は、サーマルインクジェットプリントヘッドの劣化の問題を正視していない。

驚いたことに、生物流体（即ち、ＤＮＡ、タンパク質類、ウイルス性物質、細胞類、細胞組織類、等を含む水溶液）を充填し且つマイクロアレイを製作するために使用するサーマルインクジェットプリントヘッドが、紙支持体上へと画像をプリントするために従来から利用されるインクを充填されたときに示す挙動とは実質的に異なる挙動を示すことに、出願人は気付いた。

特に、生物流体を充填され且つ先行技術を参照して上に定義したものよりも大きなエネルギー値を供給される従来のプリントヘッドが急速に損傷を受けることを、出願人は観察した。

実際に、基板の表面上への生物流体の付着プロセスの後でプリントヘッドを検査することによって、残留する生物学的生成物の層が加熱素子の表面上に存在することに、出願人は気付いた。上に説明したように、これがプリントヘッドの急速な損傷をもたらす。

生物流体の生物活性を変化させないで維持することが困難であるので、生物流体は、一旦プリントヘッド中へと充填されると、それ以上使用できないことに、気付かなければな
らない。それゆえ、プリントヘッドが急速に損傷を受ける場合には、プリントヘッド中に収容され、基板の表面上へまだ付着されていない生物流体は、必然的に無駄にされる。

マイクロアレイを製作するために使用する生物流体、例えば、ＤＮＡ及びタンパク質含有流体類は、非常に高価であり、そのためにそれらを無駄にすることは望ましくない。

更に、マイクロアレイは、診断ツールとして適正に動作させるためには、規則的に配置されなければならないことが、知られている。生物流体のスポットが行及び列に沿って寸分たがわずに正確な様式で基板上に配列されているときに、マイクロアレイが規則的に配置されていると呼ばれる。汚点が隣接するスポットの読み取りに悪影響を及ぼすことがあるので、スポットのいかなる汚点も、最小量であるとしても、許容されない。

その上、生物流体のスポットは、均一でなければならない。複数のスポットが同じ数の分子の生物流体を含有している場合であっても、異なる形状又は密度を有するスポットは、異なる強度を有する信号を生成するはずであり、従って、マイクロアレイを用いて実行する生物学的分析の再現性を危うくする。それゆえ、プリントヘッドは、その全ての動作中に生物流体の安定な液滴を吐出しなければならない。

それゆえ、サーマルバブルジェット（登録商標）プリントヘッドを使用することによって基板の表面上へ生物流体を付着させるための方法及び装置であって、上記の欠点のうちの少なくとも１つを克服することが可能である方法及び装置を提供するという問題に、出願人は直面した。

特に、サーマルバブルジェットプリントヘッドを使用することによって基板の表面上へ生物流体を付着させるための方法及び装置であって、プリントヘッドの寿命を長くし、プリントヘッド中へと充填した全部の生物流体を使い切るために十分な時間にわたって安定な液滴を吐出し引き続き付着させることが可能である方法及び装置を提供するという問題に、出願人は直面した。

驚いたことに、生物流体が充填され、基板の表面上へ生物流体を付着させ、それによってマイクロアレイを製作するために使用するサーマルプリントヘッドが、サーマルインクジェットプリンディング技術の分野において従来使用するものよりも大きなエネルギーＥをそのプリントヘッドが供給されるときに、寿命の増加を示すことに、出願人は気付いた。

その上、驚いたことに、サーマルインクジェットプリンディング技術の分野において従来使用するものよりも大きなエネルギーＥを供給されたプリントヘッドが、プリントヘッド中へと充填した生物流体の量を使い切るために必要な全ての時間中に安定な液滴を吐出することが可能であることを、出願人は観察した。

都合の良いことに、これが、機能的に動作するマイクロアレイ、即ち、マイクロアレイを介して行った生物学的分析の高い再現性レベルを保証し、同時に高価な生物流体の無駄を回避することが可能なマイクロアレイを得ることを可能にする。

第１の態様によれば、本願発明は、基板（１０）の表面（１２）上へ少なくとも１つの生物流体を付着させるための方法に関し、本方法は、
少なくとも１つの生物流体を充填した少なくとも１つのサーマルバブルジェットプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を提供するステップと、
上記基板（１０）に隣接させて上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ
３）を位置決めするステップと、
上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）へエネルギーを供給し、それによって上記表面（１２）上へ上記少なくとも１つの生物流体を付着させるステップとを含み、上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、
Ｅ＞１．６＊Ｅ_ｔｈ
となるようにエネルギーＥが供給され、ここで、Ｅ_ｔｈは、上記生物流体用のプリントヘッドのしきい値エネルギーであることを特徴とする。

好ましくは、上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、１．６＊Ｅ_ｔｈ＜Ｅ≦３．０＊Ｅ_ｔｈとなるようにエネルギーＥが、より好ましくは、１．８＊Ｅ_ｔｈ≦Ｅ≦２．２＊Ｅ_ｔｈとなるようにエネルギーＥが供給される。

有利には、上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、０．５×１０^６個から２×１０^６個までの範囲の総数の液滴を吐出する。

好ましくは、上記表面（１２）上への上記少なくとも１つの生物流体の付着は、少なくとも２回、より好ましくは、２回から１００回までの範囲である複数回、最も好ましくは、２回から３０回までの範囲で繰り返される。より詳しくは、２つの続く付着間の間隔は、５秒から６００秒まで、好ましくは、５秒から６０秒までの範囲である。

好ましくは、上記生物流体は、該生物流体の全重量に対して、重量で５０％よりも多くの、好ましくは重量で７０％よりも多くの、最も好ましくは重量で８０％よりも多くの水を含む水性溶媒中に溶解した少なくとも１つの生物学的物質を含む。

有利には、上記生物流体は、有機流体、タンパク質溶液、組織及び細胞溶解物、核酸溶液、核酸類似体溶液等を含む。

第２の態様では、本願発明は、基板（１０）の表面（１２）上へ少なくとも１つの生物流体を付着させるための装置（ＤＡ）に関し、本装置（ＤＡ）は、
処理デバイス（ＰＤ）と、
少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を含むサーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）であって、上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、上記少なくとも１つの生物流体が少なくとも部分的に充填される、上記サーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）と、
上記処理デバイス（ＰＤ）に接続されたコントローラ（ＣＴＲＬ）と、
上記少なくとも１つの生物流体が上記表面（１２）上へ付着するように、上記サーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）へエネルギーを供給するために上記コントローラ（ＣＴＲＬ）に応答する電源（ＰＳ）と
を備え、上記電源（ＰＳ）は、
Ｅ_ｉ＞１．６＊Ｅ_ｔｈｉ
となるようにエネルギーＥ_ｉ（Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３）を上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）へ供給し、ここで、Ｅ_ｔｈｉは、少なくとも１つの生物流体用の上記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）のしきい値エネルギーであることを特徴とする。

第３の態様では、本願発明は、基板表面（１２）を有する基板（１０）と、複数の生物流体スポット（Ｓ１、Ｓ２、．．．Ｓｎ）とを備えたマイクロアレイ（ＭＡ）に関し、該マイクロアレイ（ＭＡ）は、上述した付着方法を実行することによって得られたものである。

本願発明は、添付した図面を参照することによって読まれ、非限定的な例として与えられた下記の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるであろう。

Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ Ａｌｐｈａ−１−Ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ（多クローン性ラビット抗ヒトα−１−胎児性タンパク質）を使用することによるノズル寿命のグラフである。 Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ Ａｌｐｈａ−１−Ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ（多クローン性ラビット抗ヒトα−１−胎児性タンパク質）を使用することによるノズル寿命のグラフである。 Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ ＩｇＭ（多クローン性ラビット抗ヒトＩｇＭ）を使用することによるノズル寿命のグラフである。 Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ ＩｇＭ（多クローン性ラビット抗ヒトＩｇＭ）を使用することによるノズル寿命のグラフである。 Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｕｍ（ヒト血清）からのＩｇＭを使用することによるノズル寿命のグラフである。 Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｕｍ（ヒト血清）からのＩｇＭを使用することによるノズル寿命のグラフである。 プリントヘッドに関する、吐出された生物流体の液滴の体積としきい値エネルギーに対する供給エネルギーの比Ｅ／Ｅ_ｔｈとの間の関係のグラフである。 本願発明の一実施形態による、基板の表面上へと生物流体を付着させるための装置の概略図である。 本願発明の一実施形態によるマイクロアレイの概略的平面図である。

それゆえ、第１の態様によれば、本願発明は、基板の表面上へ少なくとも１つの生物流体を付着させるための方法を提供し、本方法は、（ｉ）それぞれの生物流体を充填した少なくとも１つのサーマルバブルジェットプリントヘッドを用意するステップと、（ｉｉ）基板に隣接させてプリントヘッドを位置決めするステップと、（ｉｉｉ）プリントヘッドへエネルギーを供給し、それによって基板上へ生物流体を付着させるステップとを含む。

プリントヘッドには、
Ｅ＞１．６＊Ｅ_ｔｈ
となるようにエネルギーＥが供給され、ここで、Ｅ_ｔｈは、プリントヘッドのしきい値エネルギーである。記号＊は、乗算を示すために本願の明細書中及び特許請求の範囲中では使用される。それゆえ、供給したエネルギーＥがしきい値エネルギーＥ_ｔｈの１．６倍より大きいことを、上記の式は意味する。

好ましくは、供給エネルギーＥは、１．６＊Ｅ_ｔｈと３＊Ｅ_ｔｈの間の範囲である。より好ましくは、供給エネルギーＥは、１．８＊Ｅ_ｔｈと２．２＊Ｅ_ｔｈの間の範囲である。

図１ａ及び図１ｂは、２つの異なる液滴体積、即ち、８０ｐｌ（図１ａ）及び１５０ｐｌ（図１ｂ）についての、生物流体を充填したサーマルバブルジェットプリントヘッドの寿命に対して、しきい値エネルギーＥ_ｔｈに対する供給エネルギーＥの比Ｅ／Ｅ_ｔｈのグラフを示す。プリントヘッドは、２６０個のノズルを有するＯｌｉｖｅｔｔｉサーマルプリントヘッドであり、そのプリントヘッドは、０．０１Ｍリン酸塩バッファや、０．００２７Ｍ塩化リンや、０．１３７Ｍ塩化ナトリウム、ｐＨ７．４＠２５℃（リン酸塩バッフ
ァ溶液−Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｐ４４１７）中に希釈した市販の多クローン性抗体、即ち、Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ Ａｌｐｈａ−１−Ｆｅｔｏｐｒｏｔｅｉｎ（多クローン性ラビット抗ヒトα−１−胎児性タンパク質）（ＤＡＫＯ Ａ０００８−０．２５ｍｇ／ｍｌ）で充填されている。好ましくは、多クローン性抗体は、スライドガラス（２５．４ｍｍ（１インチ）掛ける７６．２ｍｍ（３インチ））上へと付着し、その表面上で処理され、それによって正電荷（Ｓｕｐｅｒｆｒｏｓｔ Ｐｌｕｓ Ｍｅｎｚｅｌ−２１７６５８Ｃｌｉｎｉｌａｂ）に曝される。

同様に、図２ａ及び図２ｂは、２つの異なる液滴体積、即ち、８０ｐｌ（図２ａ）及び１５０ｐｌ（図２ｂ）についての、生物流体を充填したサーマルバブルジェットプリントヘッドの寿命に対して、しきい値エネルギーＥ_ｔｈに対する供給エネルギーＥの比Ｅ／Ｅ_ｔｈのグラフを示す。プリントヘッドは、２６０個のノズルを有するＯｌｉｖｅｔｔｉサーマルプリントヘッドであり、そのプリントヘッドは、０．０１Ｍリン酸塩バッファや、０．００２７Ｍ塩化リンや、０．１３７Ｍ塩化ナトリウム、ｐＨ７．４＠２５℃（リン酸塩バッファ溶液−Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｐ４４１７）中に希釈した市販の多クローン性抗体、即ち、Ｐｏｌｙｃｌｏｎｉｃａｌ Ｒａｂｂｉｔ Ａｎｔｉ−Ｈｕｍａｎ ＩｇＭ（多クローン性ラビット抗ヒトＩｇＭ）（ＤＡＫＯ Ａ０４２５−０．２５ｍｇ／ｍｌ）で充填されている。

更に、図３ａ及び図３ｂは、２つの異なる液滴体積、即ち、８０ｐｌ（図３ａ）及び１５０ｐｌ（図３ｂ）についての、生物流体を充填したサーマルバブルジェットプリントヘッドの寿命に対して、しきい値エネルギーＥ_ｔｈに対する供給エネルギーＥの比Ｅ／Ｅ_ｔｈのグラフを示す。プリントヘッドは、２６０個のノズルを有するＯｌｉｖｅｔｔｉサーマルプリントヘッドであり、そのプリントヘッドは、０．０１Ｍリン酸塩バッファや、０．００２７Ｍ塩化リンや、０．１３７Ｍ塩化ナトリウム、ｐＨ７．４＠２５℃（リン酸塩バッファ溶液−Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｐ４４１７）中に希釈した市販の多クローン性抗体、即ち、Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｕｍ（ヒト血清）からのＩｇＭ（ＳＩＧＭＡ ＡＬＤＲＩＣＨ Ｉ８２６０）で充填されている。

プリントヘッドは、次に、パルスエネルギー
Ｅ＝（Ｖ^２＊ｔ）／Ｒ
を供給され、ここで、Ｖはプリントヘッドに印加した電圧即ち駆動電圧であり、ｔはパルスの長さであり、Ｒはプリントヘッドの加熱素子の抵抗である。特に、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、図３ａ、図３ｂでは、曲線（１）が、３マイクロ秒の長さを有するパルスを供給したプリントヘッドに関するのに対して、曲線（２）は、５マイクロ秒の長さを有するパルスを供給したプリントヘッドに関する。一定のパルス長（５、３又は２μｓ）及び液滴体積（８０又は１５０ｐｌ）において、下記の表１に明確に示されるように、しきい値電圧（Ｖ）は異なる生物流体を使用することによっても変化しなかったことに、出願人は注目した。

図から知ることができるように、１．１＊Ｅ_ｔｈから１．６＊Ｅ_ｔｈまでの範囲内の供給エネルギーＥの値に対して、プリントヘッドの寿命は、実質的にゼロである。供給エネルギーＥ＞１．６＊Ｅ_ｔｈの値に対して、プリントヘッド寿命は、急速に増加し、１．８＊Ｅ_ｔｈ≦Ｅ≦２．０＊Ｅ_ｔｈの間のそのピーク値に達する。その後、寿命は、徐々に減少する。

その結果、驚いたことに、インクの代わりに生物流体を充填したプリントヘッドは、サーマルインクジェットプリンディング技術の分野において従来使用するものよりも大きなエネルギーＥを供給したときに寿命の増加を示す。

異なるタンパク質について上に記載したような同じエネルギー値を使用することによって、オリゴヌクレチドの水溶液は、２６０個のノズルを有する同じＯｌｉｖｅｔｔｉサーマルプリントヘッドを用いてプリントされた。同様に、短いプリントヘッド寿命という問題がない。この特定のケースでは、（しきい値エネルギーを２０％〜６０％超える）標準プリンディング条件がオリゴヌクレチド溶液に対して有効に利用できることに、出願人は注目した。例えば、シアン修飾有及び無のアミノ修飾した２５−ｍｅｒオリゴ類の１０ｍＭｏｌ溶液の１２００万個の液滴が、しきい値エネルギーを２０％及び１２０％超える駆動エネルギー値を使用することによって良好にプリントされた。利用したオリゴ類は、下記の化学式を有し、Ｓｉｇｍａ Ｇｅｎｏｓｙｓによって製造されたものである。
１ ＨＰＬＣ精製したＣｙ５−ＴＧＣ ＣＡＡ ＣＧＴ ＧＴＣ ＡＧＴ ＧＧＴ ＧＧＡ ＣＣＴ Ｇ−Ａｍｍｉｎｅ Ｃ７
２ ＨＰＬＣ精製したＣｙ３−ＴＧＣ ＣＡＡ ＣＧＴ ＧＴＣ ＡＧＴ ＧＧＴ ＧＧＡ ＣＣＴ Ｇ−Ａｍｍｉｎｅ Ｃ７
３ ＨＰＬＣ精製したＴＧＣ ＣＡＡ ＣＧＴ ＧＴＣ ＡＧＴ ＧＧＴ ＧＧＡ ＣＣＴ Ｇ−Ａｍｍｉｎｅ Ｃ７
ノズルを通って吐出された液滴の総数をここで参照すると、１．１＊Ｅ_ｔｈから１．６＊Ｅ_ｔｈまでの範囲内の供給エネルギーＥの値に対して、生物流体を充填したプリントヘッドが２×１０^４〜６×１０^４の液滴の総数を吐出するのに対して、本願発明によって有利であると判断された１．８＊Ｅ_ｔｈから２．２＊Ｅ_ｔｈまでのエネルギー範囲内では、吐出された液滴の総数が０．５×１０^６〜２×１０^６に増加することを、出願人は見出した。

有利なことに、本願発明の方法及び装置は、試験及び検査目的のために、例えば、有機流体類、タンパク質溶液（繊維質及び球形タンパク質類、免疫グロブリン類、ホルモン類、酵素類、抗体類、抗原類、アレルゲン類、ウイルスカプシド物質）、細胞組織及び細胞溶解物類、核酸類（ＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ＲＮＡ、ｔＲＮＡ、ｍＲＮＡ、プラスミド類、オリゴヌクレチド類）、核酸類似体等の広範囲の生物流体を付着させることを可能にする。

図４は、プリントヘッドを通って吐出された生物流体の液滴の体積と、プリントヘッドに供給されたエネルギーとプリントヘッドのしきい値エネルギーの間の比Ｅ／Ｅ_ｔｈとの間の関係を示す。

プリントヘッドが生物流体を充填されたときに、液滴体積が、従来のサーマルインクジェットプリントヘッドを参照して以前に説明したものと同様のプロットを有することに気付いた。

より具体的には、しきい値エネルギーＥ_ｔｈよりも低いエネルギーＥの値に対して（図１の曲線の部分（１）；Ｅ／Ｅ_ｔｈ＜１）、液滴はプリントヘッドのノズルを通って何も吐出されない。しきい値エネルギーＥ_ｔｈを超えるときには、不安定な液滴が吐出され（図２の曲線の部分（２）、Ｅ／Ｅ_ｔｈ＞１）、これはそれ以降安定になる（図２の曲線の
部分（３））。それゆえ、図４のグラフは、供給エネルギーＥ＞１．６＊Ｅ_ｔｈの値に対して、生物流体を充填したプリントヘッドを通って吐出される液滴は、安定なままである。

特に、曲線の部分（２）が、液滴不安定ゾーン、即ち、液滴体積がエネルギーＥの小さな変動で著しく変わることがあるゾーンと呼ばれるのに対して、曲線の部分（３）は、液滴安定ゾーン、即ち、液滴体積がエネルギーＥの小さな変動で及び大きな変動であっても実質的に一定のままであるゾーンと呼ばれる。

上に説明した驚くべき現象の可能性のある解釈が、サーマルプリントヘッドの加熱素子の優れたクリーニング中に見出されることがあると、出願人は考えている。

より具体的には、プリントヘッドに供給されるエネルギーが大きいほど、加熱素子によって到達する温度が高くなり、その結果として、動作中に、基板上へと付着させるべき生物流体と接触する加熱素子表面の温度が高くなる。その結果、加熱素子の表面上に成長する残留生物学的生成物の層が、それ自体の化学的−物理的特性を変え、層それ自体を部分的に除去する極めて速い気泡崩壊のために、加熱素子表面の連続的な剥離を容易にする。

好ましくは、生物流体、即ち多クローン性抗体の液滴が、いわゆるマルチ付着技術を使用することによってスライドガラスへと付着された。このマルチ付着技術は、基板の同じ領域上に所定のプリンディングパターンを複数回繰り返すこと、即ち、同じ基板上に同じ付着パターンを重ねることから構成される。好ましくは、付着パターンが、同じ領域上に２回から１００回まで、より好ましくは、２回から３０回まで繰り返される。

都合の良いことに、マルチ付着技術は、少ない液滴体積を使用することによって所定の量の生物流体を基板上へ付着させることを可能にし、この液滴体積は、別のやり方では１回の付着で十分な生物流体を付着させるためには不十分であるはずである。好ましくは、連続する付着間に、典型的には５秒から６００秒の範囲であり、好ましくは５秒から６０秒の一時休止が行われる。一時休止は、前に付着した生物学的物質が部分的であっても乾燥することを可能にし、それによって、連続する付着を改善する。

多くの場合、生物流体の付着中に、プリントヘッドの１つ又は複数のノズルが詰まることがある。これは、ノズルに近い生物流体の急速な蒸発のために、生物流体内に典型的に存在する塩の結晶化によって引き起こされる。

他方で、マイクロアレイを製作するプロセス中に、スポットが一定量の生物流体を含有し、はっきりとした幾何学的形状を示さなければならないので、ノズルの連続的な正常な動作を保証することが、特に重要である。

その結果、ノズル閉塞が、マイクロアレイ性能に障害を引き起こすことがある。これは、ノズルが部分的に閉塞する場合に、吐出される液滴のサイズが変わること及び液滴が基板上へと間違った方向に向けられることのうちの一方又は双方がある。最悪のケースでは、ノズルが完全に閉塞することがあり、従って液滴がノズルから吐出されない。

この望ましくない現象を減少させ遅くするために、生物流体は、グリセロール、ポリエチレングリコール、鉱油等の適切な物質を好ましくは添加される。

都合の良いことに、添加剤は、生物流体の蒸気圧を低下させ、それによって蒸発を制限する。これが、オリフィス−空気界面のところでの液体の蒸発を減少させ、そのため目詰まり現象を最小にする。

ノズル閉塞は、それ以外には、生物流体中に含まれる粒子又はノズル直径と同等のサイズを有する生体分子のクラスタに起因する。

この欠点を克服するために、生物流体は、プリントヘッド中へと充填される前に都合良くフィルタ処理される。

図５は、本願発明による基板の表面上へ生物流体を付着させるための装置の実施形態を概略に示す。

ＤＡとして全体を示される付着装置は、コントローラＣＴＲＬに接続された処理デバイスＰＤを備える。好ましくは、処理デバイスＰＤは、グラフィカルユーザインターフェースＧＵＩを設けたコンピュータである。

コントローラＣＴＲＬは、複数のプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３を備えたサーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリＰＡを基板に対して機械的及び電気的に駆動するための、移動デバイスＭＤ、電源ＰＳ、及びマルチプレクサＭＵＸに接続される。各プリントヘッドは、それぞれの加熱素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を設けられる。

単純化するために、付着装置ＤＡのプリントヘッドアセンブリＰＡは、３個だけのプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３を備えるように表されている。明らかに、プリントヘッドアセンブリＰＡが任意の数のプリントヘッドを備えることができるので、これは単に例示である。

好ましくは、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２及びＴ３は、異なる生物流体を少なくとも部分的に充填される。例えば、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３が異なる市販の多クローン性抗体を充填されると仮定する。これは、都合の良いことに、同じ基板上へ異なる生物流体のスポットを付着させることを可能にする。

使用の際には、付着装置ＤＡの操作員は、コンピュータのグラフィカルユーザインターフェースＧＵＩによって複数の動作パラメータを入力する。

これらの動作パラメータは、基板上の１つ又は複数の生物流体の付着パターンを表す入力画像ファイルを含むことができる。その上、動作パラメータは、基板のサイズに一般に対応する所定の付着範囲の始点及び終点の座標ｘ、ｙ、ｚを含むことができる。

その上、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３に対して、動作パラメータは、吐出すべき生物流体の全体積に関する情報及びプリントヘッド中に収容された生物流体の熱力学的特性及び流体力学的特性、例えば、沸点、表面張力、密度、粘性等に関する情報を含むことができる。更に、動作パラメータは、駆動電圧、パルス長及び動作周波数等の、どのようにしてプリントヘッドが駆動されるかに関するパラメータを含むことができる。

処理デバイスＰＤは、好ましくは、入力画像ファイルをビットのシーケンスへ変換し、例えば、イーサネット（登録商標）接続ＥＣによってコントローラＣＴＲＬへ少なくとも１つの上に列挙した動作パラメータとともに変換したビットのシーケンスを送る。

コントローラＣＴＲＬは、プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３を基板に対して移動させるために、移動デバイスＭＤ及びマルチプレクサＭＵＸと協働することに適している。より好ましくは、基板が固定されたままで、プリントヘッドが移動する。移動が、互いに直交する１つの軸か、２つの軸か、又は３つの軸に沿って行われる場合がある。典型的には、
移動が、２つの軸又は３つの軸に沿って行われる。

より具体的には、コントローラＣＴＲＬは、処理デバイスＰＤが受けたプリンディング範囲の始点及び終点の座標ｘ、ｙ、ｚを移動デバイスＭＤへ送る。好ましくは、移動デバイスＭＤは、機械的駆動信号、好ましくは移動信号を生成し、この信号をコントローラＣＴＲＬへ送る。コントローラＣＴＲＬは、マルチプレクサＭＵＸを介してプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３へ機械的駆動信号を送る。このようにして、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、基板に対して移動する。

好ましくは、付着装置ＰＡは、コントローラＣＴＲＬに接続され、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３の瞬間的な位置を検査し且つ液滴吐出をプリントヘッド移動動作と同期させることに適合したエンコーダ、例えば、リニア光エンコーダＬＥを含む。

更に、コントローラＣＴＲＬは、それぞれのエネルギーＥ_１、Ｅ_２及びＥ_３をプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３に供給するために電源ＰＳと協働し、それによって、生物流体の液滴を吐出させることに適している。具体的には、エネルギーＥ_１、Ｅ_２及びＥ_３は、
Ｅ_１＞１．６Ｅ_ｔｈ１
Ｅ_２＞１．６Ｅ_ｔｈ２
Ｅ_３＞１．６Ｅ_ｔｈ３
ここで、Ｅ_ｔｈ１、Ｅ_ｔｈ２、Ｅ_ｔｈ３はプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３のしきい値エネルギーであり、これは、上に説明したように、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３中に収容された生物流体の流体力学的特性、例えば、沸点、表面張力、密度、及び粘性に依存する。

より具体的には、処理デバイスＰＤが受け取った動作パラメータ（例えば、吐出される生物流体の全体積及び各プリントヘッドの駆動電圧）に基づいて、コントローラＣＴＲＬは、電源ＰＳを動かし、それによってエネルギーＥ_１、Ｅ_２及びＥ_３の上に規定した値を生成する。電源ＰＳは、順に、マルチプレクサＭＵＸを介してそれぞれのエネルギーＥ_１、Ｅ_２、Ｅ３を各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３へ供給する。

都合の良いことに、エネルギーＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３は、プリントヘッドの最大寿命をもたらすように、及びプリントヘッドの内部に収容された全ての生物流体の完全な吐出を可能にし、それによって生物流体の費用のかかる無駄を回避するように選択される。

水性媒体に実質的に基づく生物流体のしきい値エネルギーが実質的に変化しないことに、出願人は気付いた。更に特に、（前記生物流体の全重量に対して）重量で５０％よりも多くの水を含む水性溶媒中に溶解した少なくとも１つの生物学的物質を含む生物流体は、しきい値エネルギーの値がその生物流体中に含有される生物学的物質とは実質的に無関係であるしきい値エネルギーを示す。好ましくは、生物流体は、前記生物流体の全重量に対して、重量で７０％よりも多くの、より好ましくは、重量で８０％よりも多くの水を含む。

上記の知見が、各プリントヘッドをそれぞれのエネルギーに適合させることを必要とせずに、スポットを形成しようとする全ての生物流体に対して１つの所定のしきい値エネルギーを採用することを可能にすることを、出願人は見出した。

他方で、プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３のうちの１つ又は複数が、例えば、特定のプローブに関する情報データ又は基板の表面の一部についての分析結果をプリントするためのインク等の生物流体以外の流体を収容するときには、それぞれのエネルギーＥ_１、Ｅ_２及びＥ_３をプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３へ供給するために電源ＰＳと協働するコント
ローラＣＴＲＬの能力が、有用である場合がある。

本願発明の好ましい一実施形態では、プリントヘッドＴ１、Ｔ２及びＴ３の各加熱素子Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のところの駆動電圧を検査するための配置を提供する。かかる配置は、プリントヘッド検査デバイスＰＣＤを含むことができる。プリントヘッド検査デバイスＰＣＤは、プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３両端の実際の電圧を入力で受け取り、各プリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３に対して、それぞれのプリントヘッドＴ１、Ｔ２、Ｔ３の電圧を指示するアナログ電気信号を出力する。各アナログ電気信号は、アナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄにそのように送られ、変換器がそれぞれのディジタル出力を生成し、出力がコントローラＣＴＲＬへ順に送られる。コントローラＣＴＲＬは、受け取った情報を比較し、電源ＰＳへ比較結果を提供する。順に、電源ＰＳは、正確なエネルギーＥ_１、Ｅ_２、Ｅ_３を各プリントヘッドへマルチプレクサＭＵＸによって的確に供給する。それゆえ、言い換えると、プリントヘッドへ的確に供給するために、各加熱素子の実際の抵抗特性に基づいてフィードバックを提供する。

プリントヘッド検査デバイスＰＣＤから出力するアナログ信号が専用リンク上でコントローラＣＴＲＬへ送られるが、アナログ信号が、マルチプレクサＭＵＸをコントローラＣＴＲＬへ接続する同じリンク上で送られることもあるために、これは単に例示である。この後者のケースでは、リンクは双方向リンクであろう。

図６は、本願発明の付着方法を実行することによって得られるマイクロアレイの実施形態を概略的に示す。ＭＡとして全体を示されたマイクロアレイは、１つ又は複数の生物流体の複数のスポットＳ１、Ｓ２、．．．Ｓｎがその上に付着される表面１０を有する基板１０を備える。

都合の良いことに、本願発明の付着装置ＤＡは、プリントヘッドの最大寿命を与えるために適したエネルギーを各プリントヘッドへ供給し、プリントヘッド内部に収容された全ての生物流体の完全な吐出を可能にし、それによって生物流体の費用のかかる無駄を回避することを可能にする。

更に都合の良いことに、付着装置ＤＡは、複数の生物流体の安定な液滴を吐出し付着させ、従って、規則的に並べられ均一なスポットが設けられているマイクロアレイを得ることを可能にする。

Claims (16)

1. 基板（１０）の表面（１２）上へ少なくとも１つの生物流体を付着させるための方法であって、該方法は、
   ａ）少なくとも１つの生物流体を充填した少なくとも１つのサーマルバブルジェット（登録商標）プリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を提供するステップと、
   ｂ）前記基板（１０）に隣接させて前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を位置決めするステップと、
   ｃ）前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）へエネルギーを供給し、それによって前記表面（１２）上へ前記少なくとも１つの生物流体を付着させるステップと
   を含み、前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、
   １．７＊Ｅ_ｔｈ≦Ｅ≦２．１＊Ｅ_ｔｈとなるようにエネルギーＥが供給され、ここで、Ｅ_ｔｈは、前記生物流体用の前記プリントヘッドのしきい値エネルギーであり、
   前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、体積が少なくとも８０ｐｌの液滴を吐出する
   ことを特徴とする、方法。
2. 前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、１．８＊Ｅ_ｔｈ≦Ｅ≦２．１＊Ｅ_ｔｈとなるようにエネルギーＥが供給される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、０．５×１０^６個から２×１０^６個までの範囲の総数の液滴を吐出する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記表面（１２）上への前記少なくとも１つの生物流体の付着は、少なくとも２回繰り返される、請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記付着は、２回から１００回までの範囲である複数回繰り返される、請求項４に記載の方法。
6. 前記付着は、２回から３０回までの範囲である複数回繰り返される、請求項５に記載の方法。
7. ２つの続く付着間の間隔は、５秒から６００秒までの範囲である、請求項４から６の何れか一項に記載の方法。
8. ２つの続く付着間の前記間隔は、５秒から６０秒までの範囲である、請求項７に記載の方法。
9. 前記充填するステップ（ａ）の前に、前記少なくとも１つの生物流体をフィルタ処理するステップを更に含む、請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記生物流体は、該生物流体の全重量に対して、重量で５０％よりも多くの水を含む水性溶媒中に溶解した少なくとも１つの生物学的物質を含む、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記生物流体は、該生物流体の全重量に対して、重量で７０％よりも多くの水を含む水性溶媒中に溶解した少なくとも１つの生物学的物質を含む、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
12. 前記生物流体は、該生物流体の全重量に対して、重量で８０％よりも多くの水を含む水性溶媒中に溶解した少なくとも１つの生物学的物質を含む、請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
13. 前記生物流体は、有機流体、タンパク質溶液、組織及び細胞溶解物、核酸溶液、核酸類似体溶液を含む、請求項１から１２の何れか一項に記載の方法。
14. 基板（１０）の表面（１２）上へ少なくとも１つの生物流体を付着させるための装置（ＤＡ）であって、前記装置（ＤＡ）は、
    −処理デバイス（ＰＤ）と、
    −少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を含むサーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）であって、前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、前記少なくとも１つの生物流体が少なくとも部分的に充填される、前記サーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）と、
    −前記処理デバイス（ＰＤ）へ接続されたコントローラ（ＣＴＲＬ）と、
    −前記少なくとも１つの生物流体が前記表面（１２）上へ付着するように、前記サーマルバブルジェットプリントヘッドアセンブリ（ＰＡ）へエネルギーを供給するために前記コントローラ（ＣＴＲＬ）に応答する電源（ＰＳ）と
    を備え、前記電源（ＰＳ）は、
    １．７＊Ｅ_ｔｈｉ≦Ｅ_ｉ≦２．１＊Ｅ_ｔｈｉ
    となるようにエネルギーＥ_ｉ（Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３）を前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）へ供給し、ここで、Ｅ_ｔｈｉは、前記少なくとも１つの生物流体用の前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）のしきい値エネルギーであり、
    前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）は、体積が少なくとも８０ｐｌの液滴を吐出する
    ことを特徴とする、装置（ＤＡ）。
15. 前記少なくとも１つのプリントヘッド（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）には、
    １．８＊Ｅ_ｔｈｉ≦Ｅ_ｉ≦２．１＊Ｅ_ｔｈｉ
    となるようにエネルギーＥ_ｉ（Ｅ_１、Ｅ_２、Ｅ_３）が供給される、請求項１４に記載の装置。
16. 基板表面（１２）を有する基板（１０）と、複数の生物流体スポット（Ｓ１、Ｓ２、．．．Ｓｎ）とを備えたマイクロアレイ（ＭＡ）を得る方法であって、前記マイクロアレイ（ＭＡ）は、請求項１から１３の何れか一項に記載の付着方法を実行することによって得られることを特徴とする方法。

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