JP7452896B2 - 運動制御機構微小液滴生成装置 - Google Patents

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Description

本出願は、２０１８年０１月２４日に出願された「デジタルＰＣＲ定量検出法」という第２０１８１００７０３７７．２号、及び、２０１８年０８月０６日に出願された「流体駆動機構及び流体駆動方法」という第２０１８１０８８４９９５．０号の中国特許出願を優先権として主張し、それらのすべてをここで参照として援用する。
本出願は、微量液体の計量と分配の技術分野に関し、特に、運動制御機構、液体吐出ピペットチップ、微小液滴生成装置及び生成方法、流体駆動機構及び流体駆動方法、微小液滴生成方法並びに液体吐出ピペットチップの表面処理方法に関する。
現在、医学臨床検査、ナノ材料製造、食料品と環境検査、及び、生化学解析などの応用分野では、微量液体に対する精密な操作が幅広く求められている。微量液体を操作するコア技術の一つは、マイクロリットルレベルの液体を、さらに、ナノリットル、ひいては、ピコリットルの体積のマイクロ反応システムに分けるということである。マイクロ反応システムの生成に係る一つの主な技術分野は、乳化された微小液滴を生成するということである。近年、例えば、膜乳化法、噴霧乳化法、マイクロ流体制御チップ法、及び、液体吐出ピペットチップ注射／噴射法などの様々な微小液滴生成の技術が文献に記載されている。そのうち、液体吐出ピペットチップ注射／噴射法は、最新の微小液滴生成技術として、微小液滴の生成及び消耗品としてのコストの削減の側面に優れた応用の見通しを持っている。
従来の液体吐出ピペットチップは、一般的に、直管状である。液体吐出ピペットチップは、その自体の延在方向における出口端と近い一方端に急速に運動するとき、生成された微小液滴を破壊してしまうことがある。生成された微小液滴の完全性を維持させるために、液体吐出ピペットチップに振動周波数を低下させることが必要となり、その結果、微小液滴を生成する速度が低下することになる。液体吐出ピペットチップ注射／噴射法を利用する場合に、液体吐出ピペットチップの出口端は、運動制御機構の連動により、油相組成物との間に対向運動が生じる。従来の運動制御機構は、利用される際に、液体吐出ピペットチップの出口端と油相組成物との対向運動を精細に制御できず、生成された微小液滴の体積の均一性が乏しい。微小液滴を生成する工程では、液体吐出ピペットチップの出口端が運動中の状態にあることから、排出液体の流速が不安定で、かつ、制御不可能になる。生成された微小液滴は、その体積にランダム性が現れている。従来の液体吐出ピペットチップ注射／噴射法では、微小液滴を生成するように、液体吐出ピペットチップに液面の上下でせん断運動させることが必要となる。しかしながら、この方法によれば、不安定な定常波が形成され、微小液滴の生成工程が不安定となってしまうおそれがある。液体吐出ピペットチップの表面特性は、微小液滴の生成に影響を与える重要な要素である。従来の液体吐出ピペットチップの断面寸法は、一般的に、ミクロンレベルである。そして、従来の表面処理方法は、寸法の比較的大きい部品に用いられるが、寸法の比較的小さい液体吐出ピペットチップに完全に適用され難い。
このことに鑑み、本出願が提供する液体吐出ピペットチップは、微小液滴を生成するための液体吐出ピペットチップであって、中空のキャビティを有する針軸及び前記針軸の一方端に配置される出口端を含み、前記液体吐出ピペットチップの出口端の端面の法線と前記針軸の延在方向との夾角は９０°以下である。
微小液滴生成装置は、流体駆動機構、運動制御機構及び上記態様に記載の液体吐出ピペットチップを含み、前記液体吐出ピペットチップは、出口端及び入口端を有し、その内部に第一の液体が貯留されており、前記流体駆動機構は、前記液体吐出ピペットチップの入口端に接続され、前記液体吐出ピペットチップの内部に貯留されている第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出するために用いられ、前記運動制御機構は、前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出された第一の液体が表面張力及び付着力に打ち勝ち、第二の液体内に微小液滴を形成するように、前記液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の液面下に所定軌跡、所定速度又は所定加速度に従って運動するように制御するために用いられる。
微小液滴生成方法は、上記態様のいずれか一つに記載の第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップを使用する微小液滴生成方法であって、第二の液体を貯留している微小液滴容器を提供し、第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端から均一な速度で排出するように制御すると、前記液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の液面下に前記針軸の延在方向に沿って、変化する方形波状の速度で周期的に運動するように制御し、前記液体吐出ピペットチップの出口端が周期的に運動している周期の前半及び後半において、前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度は、大きさが同じであり方向が反対であり、第一の液体と第二の液体とは、互いに非相溶性を持ち、又は、界面反応を有する任意の二つの液体とされる。
微小液滴生成方法は、上記態様のいずれか一つに記載の第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップを使用する微小液滴生成方法であって、第二の液体を貯留している微小液滴容器を提供し、第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端から均一な速度で排出するように制御すると、前記液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の内部に前記針軸の延在方向に沿って正弦波状の変位で周期的に運動するように制御し、第一の液体と第二の液体とは、互いに非相溶性を持ち、又は、界面反応を有する任意の二つの液体とされる。
上記液体吐出ピペットチップによれば、液体吐出ピペットチップが管路本体の延在方向に沿って振動すると、微小液滴は、液体吐出ピペットチップの出口端から落下した後に、第二の液体の粘性力及び液体吐出ピペットチップの出口端の端面の押圧の作用により、出口端による運動軌跡から離れたため、出口端に破壊されてしまうことが避けられており、生成された微小液滴の完全性を維持させると共に、液体吐出ピペットチップが管路本体の延在方向に沿って急速に振動して微小液滴を急速に生成することが可能となる。
このことに鑑み、本出願は、支持フレーム、接続手段及び駆動素子を含む運動制御機構を提供する。接続手段は、液体吐出ピペットチップに接続されるために用いられる。駆動素子は、前記支持フレームに固定され、前記接続手段に動力伝達可能に接続される。液体吐出ピペットチップの出口端は、前記駆動素子の駆動により、正弦波状に変位する速度、又は、方形波状に変化する速度で運動する。上記運動制御機構は、液体吐出ピペットチップの出口端が正弦波状に変位する速度又は方形波状に変化する速度で運動して微小液滴を生成するように連動することから、微小液滴の生成に効率が高く、さらに、均一性が高いという利点を持っている。
このことに鑑み、本出願は、微小液滴生成システムに用いられており、容積可変アセンブリ及びパワーアセンブリを含む流体駆動機構を提供する。容積可変アセンブリは、駆動液体を貯留可能なシリンジ及び前記シリンジの内壁と摺動可能に協働するブッシュロッドを含み、前記シリンジは、第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップの入口端と連通するための液体出入口を有する。パワーアセンブリは、前記ブッシュロッドに動力伝達可能に接続され、前記ブッシュロッドが前記シリンジの延在方向に沿って摺動するように駆動するために用いられる。微小液滴を生成する工程では、前記パワーアセンブリは、前記ブッシュロッドが前記シリンジに貯留されている駆動液体を押圧するように駆動し、駆動液体は、液体吐出ピペットチップに貯留されている第一の液体を押圧することにより、第一の液体を液体吐出ピペットチップの出口端から排出する。
流体駆動方法は、上記態様のいずれか一つに記載の流体駆動機構を用いた流体駆動方法であって、前記パワーアセンブリは、前記ブッシュロッドが前記シリンジに貯留されている前記駆動液体を押圧するように駆動し、前記駆動液体は、前記液体吐出ピペットチップに貯留されている前記第一の液体を押圧することにより、前記第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出する。
上記態様に記載の流体駆動機構を使用する流体駆動方法は、前記三方切替弁を介して、前記容積可変アセンブリの前記液体出入口を前記貯液タンクに連通し、前記パワーアセンブリの連動により、前記ブッシュロッドに前記シリンジ内を摺動させ、前記シリンジの容積を変更し前記貯液タンク内の前記駆動液体を前記シリンジに吸入すること、前記三方切替弁を介して、前記容積可変アセンブリの前記液体出入口を前記液体吐出ピペットチップの入口端に連通し、前記パワーアセンブリの連動により、前記ブッシュロッドに前記シリンジ内を摺動させ、前記シリンジの容積を変更し前記シリンジ内及び前記液体吐出ピペットチップ内の気体を排出すること、前記液体吐出ピペットチップの出口端を前記第一の液体に進入すると共に、前記三方切替弁を介して前記容積可変アセンブリの前記液体出入口を前記液体吐出ピペットチップの入口端に連通することを維持し、前記パワーアセンブリの連動により、前記ブッシュロッドに前記シリンジ内を摺動させ、前記シリンジの容積を変更し前記第一の液体を前記液体吐出ピペットチップに吸入すること、前記三方切替弁を介して、前記容積可変アセンブリの前記液体出入口を前記液体吐出ピペットチップの入口端に連通し、前記パワーアセンブリの連動により、前記ブッシュロッドに前記シリンジ内を摺動させ、前記シリンジの容積を変更し前記液体吐出ピペットチップに貯留されている前記第一の液体を均一な流速で前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出することを含む。
上記流体駆動機構及び流体駆動方法によれば、駆動液体の非圧縮性を利用して、液体吐出ピペットチップの出口端が高周波数で振動しているときでも、依然として、所定流速で第一の液体を液体吐出ピペットチップの出口端から排出することを確保することができる。本出願が提供する流体駆動機構は、生成された微小液滴の体積を正確に制御することができる。
このことに鑑み、本出願が提供する微小液滴生成方法は、出口端を有し、第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップを提供し、開口を有し、第二の液体を貯留している微小液滴容器を提供し、第一の液体と第二の液体とは、互いに非相溶性を持ち、又は、界面反応を有する任意の２つの液体とされるステップＳ２０１と、前記液体吐出ピペットチップの出口端を、前記微小液滴容器の開口から第二の液体の液面下に挿入するステップＳ２０２と、前記液体吐出ピペットチップの出口端に、第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を含む運動を行わせながら、第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出し、前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出された第一の液体は、前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着される液滴を形成し、液滴は、前記液体吐出ピペットチップの出口端が瞬間加速度運動を行っている工程において、前記液体吐出ピペットチップの出口端から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成するステップＳ２０３と、を含む。
上記微小液滴生成方法は、前記液体吐出ピペットチップの出口端が瞬間加速度運動を行うと、加速度の値が比較的大きい。前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着される液滴と前記液体吐出ピペットチップの出口端との付着力は、液滴と前記液体吐出ピペットチップの出口端とを同期に加速度運動させるために十分でないことから、前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着された液滴は、前記液体吐出ピペットチップの出口端から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成する。
本出願が提供する微小液滴生成方法は、前記液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を含む運動を行って微小液滴を形成することから、前記液体吐出ピペットチップの出口端が運動している時に第二の液体に与えた干渉を低下させ、微小液滴を生成する工程に安定性を確保することができる。
このことに鑑み、本出願が提供する微小液滴生成方法は、出口端を有し、第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップを提供し、開口を有し、第二の液体を貯留している微小液滴容器を提供し、前記第一の液体と前記第二の液体とは、互いに非相溶性を持ち、又は、界面反応を有する任意の２つの液体とされるステップＳ２１１と、前記液体吐出ピペットチップの出口端を、前記微小液滴容器の開口から、第二の液体の液面下に挿入するステップＳ２１２と、前記液体吐出ピペットチップの出口端に、第二の液体の液面下に周期的に変化する速度で運動を行わせ、速度が変化している周期の前半及び後半において、前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度が単調変化しながら、第一の液体が前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出され、前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出された第一の液体により、前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着される液滴を形成し、前記液体吐出ピペットチップの出口端が運動している工程において、液滴は、前記液体吐出ピペットチップの出口端から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成するステップＳ２１３と、を含む。
上記の微小液滴生成方法によれば、液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の液面下に周期的に変化する速度で運動を行い、速度が変化している周期の前半及び後半において、液体吐出ピペットチップの出口端の速度が単調変化する。運動の工程においては、液滴に対する第二の液体の粘性力も、液体吐出ピペットチップの出口端の速度が周期的に変化するのに伴い、周期的に変化する。液体吐出ピペットチップの出口端と液滴との最大の付着力が、液滴に対する第二の液体の粘性力よりも小さい場合に、液滴が液体吐出ピペットチップの出口端と同期に運動できなくなるため、前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着された液滴は、前記液体吐出ピペットチップの出口端から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成する。
本出願が提供する微小液滴生成方法によれば、前記液体吐出ピペットチップの出口端が第二の液体の液面下に周期に変化する速度で運動を行い、微小液滴を形成することから、前記液体吐出ピペットチップの出口端が運動している時に第二の液体に与えた干渉を低下させ、微小液滴を生成する工程に、安定性を確保することができる。
このことに鑑み、本出願が提供する液体吐出ピペットチップに表面を処理するための液体吐出ピペットチップの表面処理方法は、前記液体吐出ピペットチップにシラン化処理を行うステップＳ２６０と、ジエチルピロカーボネート水溶液により、前記液体吐出ピペットチップを処理するステップＳ２７０と、前記液体吐出ピペットチップを乾燥させるステップＳ２８０とを含む。
上記液体吐出ピペットチップの表面処理方法によれば、シラン化処理により液体吐出ピペットチップの表面自由エネルギーが低下する共に、液体吐出ピペットチップの表面自由エネルギーが一定の区間内に抑制され、微小液滴の生成工程に対する液体吐出ピペットチップの表面特性の影響が低下する。
このことに鑑み、本出願が提供する流体駆動機構は、微小液滴生成システムに用いられており、筐体、第一の容積可変アセンブリ、及び、リニアモーターアセンブリを含む。前記第一の容積可変アセンブリは、前記筐体に配置され、第一のシリンジ及び第一のブッシュロッドを含み、前記第一のブッシュロッドは、前記第一のシリンジの内壁と摺動的に協働され、前記第一のシリンジは、第一の駆動液体を貯留可能であり、第三の液体を貯留する第一の液体吐出ピペットチップの入口端と連通するための液体出入口を有する。前記リニアモーターアセンブリは、前記筐体に配置され、その出力端が前記第一のブッシュロッドに動力伝達可能に接続され、前記第一のブッシュロッドが前記第一のシリンジの延在方向に沿って摺動するように駆動するために用いられる。
前記の流体駆動機構を使用する流体駆動方法は、前記切替弁を介して、前記第一のシリンジの前記液体出入口を前記貯液タンクに連通し、前記リニアモーターアセンブリの連動により、前記第一のブッシュロッドに前記第一のシリンジ内を摺動させ前記第一のシリンジの容積を変更し、前記貯液タンク内の前記第一の駆動液体を前記第一のシリンジに吸入する。前記切替弁を介して、前記第一のシリンジの前記液体出入口を前記第一の液体吐出ピペットチップの入口端に連通し、前記リニアモーターアセンブリの連動により、前記第一のブッシュロッドに前記第一のシリンジ内を摺動させ、前記第一のシリンジの容積を変更し前記第一のシリンジ内及び前記第一の液体吐出ピペットチップ内の気体を排出する。前記第一の液体吐出ピペットチップの出口端を前記第三の液体に進入し、前記切替弁を介して前記第一のシリンジの前記液体出入口を前記第一の液体吐出ピペットチップの入口端に連通することを維持し、パワーアセンブリの連動により、前記第一のブッシュロッドに前記第一のシリンジ内を摺動させ前記第一のシリンジの容積を変更し前記第三の液体を前記第一の液体吐出ピペットチップに吸入する。前記切替弁を介して前記第一のシリンジの前記液体出入口を前記第一の液体吐出ピペットチップの入口端に連通し、前記リニアモーターアセンブリの連動により、前記第一のブッシュロッドに前記第一のシリンジ内を摺動させ前記第一のシリンジの容積を変更し前記第一の液体吐出ピペットチップに貯留されている前記第三の液体を所定流速で前記第一の液体吐出ピペットチップの出口端から排出する。
上記流体駆動機構及び流体駆動方法によれば、第一の駆動液体の非圧縮性により、第一の液体吐出ピペットチップの出口端が高周波数で振動している時でも、依然として所定流速で第三の液体を第一の液体吐出ピペットチップの出口端から排出することを確保することができる。リニアモーターアセンブリは、比較的高い運動精度を有するだけでなく、液体の排出速度や液体の排出圧力などの実際の状況に応じて電流を調整すると、第一のブッシュロッドが所定速度で円滑に摺動し、又は、所定距離だけ摺動することを確保することができ、第三の液体を、正確に所定の流速や流量で第一の液体吐出ピペットチップの出口端から排出することを実現することができる。本出願が提供する流体駆動機構は、生成された微小液滴に体積を正確に制御することができる。
本出願における実施例又は従来技術における態様をより明確に説明するように、以下に、実施例又は従来技術を説明するに必要な図面を簡単に説明しておく。下記の説明に係る図面は、本出願の実施例に過ぎず、創造的労働をしない前提で、提供されている図面に基づいて他の図面を取得することも当業者にとって自明である。
本出願の一実施例が提供するデジタルＰＣＲ検出器の全体的な構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供するデジタルＰＣＲ検出器の微小液滴生成装置である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が運動しているときに力を受ける液滴の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端の速度変化の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が運動している時に微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が運動している時に力を受ける液滴の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液滴随液体吐出ピペットチップの出口端が運動している時に理想状態での粘性抵抗の変化の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が二つの運動周期に一つの微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が一つの運動周期に一つの微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が一つの運動周期に二つの微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップが揺動しているときに微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する第二の液体の粘度が変化する時に微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップが交換されたときに微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端が異なる運動軌跡で微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端の速度変化の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端の構造の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する液体吐出ピペットチップの出口端の構造の模式図であるである 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの構造の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する液体吐出ピペットチップの構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する斜めカット構造の液体吐出ピペットチップが微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する斜めカット構造の液体吐出ピペットチップが微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の一実施例が提供する折り曲げ構造の液体吐出ピペットチップが微小液滴を生成する工程模式図である。 本出願の他の実施例が提供する折り曲げ構造の液体吐出ピペットチップが微小液滴を生成する工程模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップの表面処理方法のフローチャートである。 本出願の他の実施例が提供する液体吐出ピペットチップの表面処理方法のフローチャートである。 本出願の一実施例が提供する流体制御機構が液体吐出ピペットチップに接続される模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する液体吐出ピペットチップが駆動液体の駆動により微小液滴を生成する工程の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する流体制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供するクローズドループ制御モーターの制御の原理図である。 本出願の一実施例が提供する圧電型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する電磁気－弾性手段型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する電磁気－弾性手段型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する電磁気－軸受型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の他の実施例が提供する電磁気－軸受型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願のさらに一実施例が提供する電磁気－軸受型運動制御機構の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の全体的な構造の側面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の局所的な構造の第一の側面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の局所的な構造の正面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の局所的な構造の背面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の局所的な構造の第二の側面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動機構の組立の分解模式図である。 本出願の一実施例が提供するボイスコイルモーター、接続板及び第一の容積可変アセンブリの構造組立の分解模式図である。 本出願の一実施例が提供するボイスコイルモーターと接続板との構造の組立の分解模式図である。 本出願の一実施例が提供する一体形成されるボビンと接続板との第一の側面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する一体形成されるボビンと接続板との第二の側面の模式図である。 本出願の一実施例が提供する切替弁の構造の側面模式図である。 本出願の一実施例が提供する切替弁の正面断面の構造の模式図である。 本出願の一実施例が提供する流体駆動方法の工程の模式図である。
以下では、本出願の実施例の添付図面を参照しながら、本出願の実施例の技術的解決手段を明確かつ完全に説明する。当然のことながら、ここで説明する実施例は、本願の実施例の全てでなく一部にすぎない。当業者にとって創造的な労働をしないで本願の実施例に基づいて得られる全ての他の実施例も、本願の保護範囲に含まれるべきである。
本出願の目的、態様及び利点をさらに明らかにするために、以下に、実施例及び図面を参照しながら、本出願をさらに詳細に説明する。ここで述べた具体的な実施例は本出願を限定するためのものではなく、本出願を説明するために用いられることを理解されるべきである。
図１を参照すると、一実施例において、本出願が提供するデジタルＰＣＲ検出器１は、微小液滴生成装置１０と、温度制御装置２０と、蛍光信号検出装置３０と、定量解析装置４０と、制御器５０とを含む。前記微小液滴生成装置１０は、核酸増幅反応液を微滴化し、複数の微小液滴を形成するために用いられる。前記温度制御装置２０は、前記微小液滴生成装置１０にレールを介して接続され、前記複数の微小液滴を前記温度制御装置２０に移転し、温度の循環で核酸を増幅するために用いられる。前記蛍光信号検出装置３０は、前記温度制御装置２０と対向配置され、核酸増幅された前記複数の微小液滴を撮影して検出するために用いられる。前記定量解析装置４０は、前記蛍光信号検出装置３０にデータ線を介して接続され、前記複数の微小液滴の蛍光情報を送信して定量解析を行うために用いられる。前記制御器５０は、前記微小液滴生成装置１０、前記温度制御装置２０、蛍光信号検出装置３０及び定量解析装置４０にそれぞれ接続され、前記微小液滴生成装置１０、前記温度制御装置２０、蛍光信号検出装置３０及び定量解析装置４０を制御するために用いられる。
前記デジタルＰＣＲ検出器１は、前記微小液滴生成装置１０、前記温度制御装置２０、前記蛍光信号検出装置３０及び前記定量解析装置４０を集積化するため、操作員の自動の操作を実現することができる。前記デジタルＰＣＲ検出器１は、比較的高い作業効率を有している。
前記デジタルＰＣＲ検出器１が稼働している時に、前記微小液滴生成装置１０は、前記検出すべき核酸増幅反応液を微滴化し、複数の微小液滴を形成することができる。前記温度制御装置２０は、前記複数の微小液滴に核酸を増幅する。前記蛍光信号検出装置３０は、前記複数の微小液滴に、蛍光変化のイメージをリアルタイムで撮影する。前記複数の微小液滴に係る変化する蛍光のイメージに基づいて、前記複数の微小液滴に変化する蛍光曲線を取得することができる。前記変化する蛍光曲線により、前記複数の微小液滴のＣｔ値を取得し、Ｃｔ値と初期コピー数との関係に基づいて、初期ＤＮＡの濃度を定量解析することができる。ただし、Ｃｔ値とは、各微小液滴の蛍光信号が所定閾値になるまで経過された巡回数である。
前記温度制御装置２０は、前記複数の微小液滴を核酸増幅反応させ、前記蛍光信号検出装置３０により、核酸増幅反応された前記複数の微小液滴の産物の信号（例えば、蛍光、紫外線吸収や濁度などの信号）を採集する。前記複数の増幅された微小液滴と増幅されなかった微小液滴との構成の相違により、標的配列増幅が得られた液滴の数を解析して、核酸分子への定量解析を最終的に実現ことができる。前記複数の微小液滴に係る変化する蛍光のイメージをリアルタイムでモニターすることにより、検出結果に直接性を持っているため、前記複数の微小液滴における偽陽性と偽陰性という問題を解決することができる。
前記デジタルＰＣＲ検出器１は、前記微小液滴生成装置１０、前記温度制御装置２０、前記蛍光信号検出装置３０及び前記定量解析装置４０を集積化するため、前記操作員の自動の操作を実現するだけでなく、作業効率が高まり、反応が急速となり、再度利用性がよく、感度が高く、特異性が強く、また、結果が明確であるという利点を持っている。
現在、医学臨床検査、ナノ材料製造、食料品と環境検査、及び、生化学解析などの応用分野では、微量液体に対する精密な操作が幅広く求められている。微量液体を操作するコア技術の一つは、マイクロリットルレベルの液体を、さらに、ナノリットル、ひいては、ピコリットルの体積のマイクロ反応システムに分けるということである。マイクロ反応システムの生成に係る一つの主な技術分野は、乳化された微小液滴を生成するということである。
近年、例えば、膜乳化法、噴霧乳化法、マイクロ流体制御チップ法及び液体吐出ピペットチップ注射／噴射法などの様々な微小液滴生成の技術が文献に記載されている。しかしながら、液体吐出ピペットチップにより乳化微小液滴を生成する方法は、実際の適用に、ある程度の欠点が存在している。気液相の界面に変換する際に、微量液体の界面エネルギー及び流体のせん断力により、液体吐出ピペットチップの出口における液体の表面張力及び付着力に打ち勝ち、液体吐出ピペットチップの管口から流出された液滴を順調に液体吐出ピペットチップから脱離して、寸法が制御可能な液滴を非相溶性の液体に形成するという方法がある。しかしながら、この方法によれば、液体吐出ピペットチップを液面の上下でせん断運動することが必要となり、しかも、液面に対する液体吐出ピペットチップの初期及び終点の位置を高精度で位置づけることも必要となる。プロジェクトでの実現からみれば、それがかなり難しい。上記の方法は、液体吐出ピペットチップが液相を急速に繰り返して入出している工程において、不安定な定常波が液相の表面に容易に形成され、微小液滴の生成の速さが制限されてしまう。また、液体吐出ピペットチップが液体に円運動又はらせん運動で均一な速度にて生成したせん断力により、注入された非相溶性の液体をせん断して液滴を形成するという方法も存在している。しかしながら、この方法によれば、液体吐出ピペットチップにより発生された液滴の寸法は、各種のシステムの要素変化により与えられた影響（例えば、液体の粘度、環境温度、運動速度、運動軌跡など）が比較的大きいことから、誤差が生じるおそれがある。また、この誤差は、発生した液滴は、数が増えるに伴い、累積されるため、多量で生成された液滴の体積にその均一性を制御することはかなり難しい。
このことに鑑みて、従来の微小液滴生成方法及び装置により微小液滴を生成する工程に存在し、微小液滴の生成の速さが遅く、生成された微小液滴の体積にその均一性への制御がかなり難しいという課題について、微小液滴を急速に生成できしかも体積の均一性が高い、微小液滴の生成方法及び装置を提供するニーズがある。
図２を参照すると、一実施例において、前記微小液滴生成装置１０は、液体吐出ピペットチップ１１０、流体駆動機構１２０、運動制御機構１３０及び第一の制御器１７０を含む。前記液体吐出ピペットチップ１１０は、出口端及び入口端を有し、第一の液体を貯留するために用いられる。微小液滴生成装置１０は、微小液滴の容器と協働して使用される。前記微小液滴容器には、第二の液体が貯留されており、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端は、前記第二の液体の液面下に挿入される。
前記第一の液体及び前記第二の液体は、互いに非相溶性を持ち又は界面反応を有する。第一の液体及び第二の液体は、互いに非相溶性を持つ任意の二つの液体とされてもよい。本出願の一実施例では、前記第一の液体が水溶液であり、前記第二の液体が、例えば、鉱油（テトラデカンなどを含む）、植物油、シリコーンオイル又はパーフルオロアルカンオイルなどの水と互いに非相溶性を持つ油性液体であり、生成された液滴は、水溶液の液滴である。又は、前記第一の液体は、例えば、テトラデカン及びｎ－ヘキサンなどの有機相の鉱油であり、前記第二の液体は、鉱油と非相溶性を持つパーフルオロアルカンオイルである。前記第一の液体及び第二の液体は、互いに非相溶性を持つ水性二相であってもよい。本出願の他の実施例では、前記第一の液体が水溶液であり、前記第二の液体が水と互い非相溶性を持つ水性液体であってもよい。例えば、第一の液体がデキストラン溶液であり、第二の液体がポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の水溶液であり、生成された液滴がデキストランの溶液の液滴である。
前記第一の液体及び第二の液体は、界面反応を有する二つの液体とされてもよい。本出願の一実施例では、前記第一の液体がアルギン酸ナトリウムの水溶液であり、前記第二の液体が、例えば、質量濃度が１％の酸化カルシウム水溶液であり、両者に界面反応が存在し、生成された液滴がゲル状のアルギン酸カルシウム微小球である。本出願は、液体吐出ピペットチップ又は液体吐出ピペットチップから流出する第一の液体の成分を交換することにより、開口の容器に複数の異なる成分や体積の液滴を順次に形成することができ、バッチ生産でも、微小の体積かつハイスループットのスクリーニングを実現することができ、しかも、多段階にて超微量の生化学反応及びモニターを実現することができ、幅広い応用の見通しが存在している。
前記流体駆動機構１２０は、前記液体吐出ピペットチップ１１０の入口端に接続され、前記液体吐出ピペットチップ１１０の内部に貯留されている前記第一の液体を前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端から排出するために用いられる。前記運動制御機構１３０は、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端と前記第二の液体との間に、所定軌跡、所定速度又は所定加速度で対向運動を行い、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端から排出された第一の液体が表面張力及び前記第一の液体に対する前記液体吐出ピペットチップ１１０の付着力に打ち勝ち、微小液滴を形成するように制御するために用いられる。前記第一の制御器１７０は、前記流体駆動機構１２０及び前記運動制御機構１３０にそれぞれ接続され、前記流体駆動機構１２０及び前記運動制御機構１３０が協働して稼働するように制御するために用いられる。
例えば、膜乳化法、噴霧乳化法、マイクロ流体制御チップ法及び液体吐出ピペットチップ注射／噴射法などの様々な微小液滴生成の技術が文献に記載されている。そのうち、液体吐出ピペットチップ注射／噴射法は、最新の微小液滴生成技術として、微小液滴の生成及び消耗品としてのコストの削減の側面に優れた応用の見通しを持っている。従来の液体吐出ピペットチップ注射／噴射法によれば、微小液滴を生成するように、液体吐出ピペットチップを液面の上下でせん断して運動させることが必要となる。しかしながら、この方法によれば、不安定な定常波が形成され、微小液滴の生成工程が不安定となってしまうおそれがある。
このことに鑑み、従来の液体吐出ピペットチップ注射／噴射法に存在している、微小液滴の生成工程が不安定となってしまうという課題について、微小液滴の生成工程を安定的にする微小液滴生成方法を提供するニーズが存在している。
図３に示されるように、本出願の一実施例では、運動制御機構１３０の連動により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を含む運動を行うことができ、ただし、その加速度をａ１とする。第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出されると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を形成する。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う瞬間に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴を形成する。微小液滴が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまで受けられた作用力は、それぞれ、重力Ｇ、第二の液体の浮力ｆ１、第二の液体の粘性抵抗ｆ２、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３である。微小液滴について、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまでその質量をｍとし、その加速度をａ２とすると、ニュートンの運動の第二法則によれば、
Figure 0007452896000001
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液滴１９５の表面張力及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法に関連されている。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動をしている時に、液滴１９５に対する液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の付着力の方向と加速度の方向とは同じである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を球状として簡略化する。ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）の式によると、わかるように、第二の液体中を運動するときに受けられた液滴１９５の粘性抵抗がｆ２＝６πηｒｖとなり、そのうち、ηが第二の液体の粘性係数であり、ｒが液滴１９５の半径であり、ｖが液滴１９５の運動速度である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行うまで、液滴１９５の速度がゼロであったことから、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う瞬間に、第二の液体に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２がゼロであり、又は、極めて小さい。微小液滴を生成する工程では、一般的に、液滴１９５の直径がピコリットルからマイクロリットルまでのオーダーであり、液滴１９５の重力Ｇと第二の液体の浮力ｆ１とは、それらの方向が反対である。従って、液滴１９５の重力Ｇと第二の液体の浮力ｆ１とのベクトルの和がほぼゼロになる。粘性抵抗ｆ２がゼロであり、又は極めて小さく、しかも、重力Ｇと浮力ｆ１とのベクトルの和がほぼゼロになることから、
Figure 0007452896000002
 ニュートンの運動の第二法則によると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う場合に、第二の液体において液滴１９５の達成可能な最大加速度がａ２≒ｆ３／ｍとなり、そのうち、ｍが液滴１９５の質量である。液滴１９５の加速度ａ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の加速度ａ１よりも小さい場合に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から落下して、微小液滴を形成する。従って、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴を生成する）条件は、近似すると、ａ２≒（ｆ３／ｍ）＜ａ１となる。
運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の瞬間加速度を正確に制御することができる。そして、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の各瞬間加速度を比較的大きく制御することにより、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行うと、液滴１９５を効果的に生成することができる。
このことに鑑み、本出願は、出口端１１２を有し第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップ１１０を提供し、開口を有し第二の液体を貯留している微小液滴容器を提供し、第一の液体と第二の液体とは、互いに非相溶性を持ち、又は、界面反応を有する任意の二つの液体とされるステップＳ２０１と、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を微小液滴容器の開口から第二の液体の液面下に挿入するステップＳ２０２と、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に、第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を含む運動を行わせながら、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出された第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成し、液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行っている工程において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成するステップＳ２０３と、を含む微小液滴生成方法をさらに提供する。
上記の微小液滴生成方法によれば、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う時に、加速度が比較的大きい。そして、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５と前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２との付着力は、液滴１９５と前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２とを同期に加速して連動するために十分でないことから、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５は、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、第二の液体の液面下に微小液滴を形成する。
本出願が提供する微小液滴生成方法によれば、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を行っている時に微小液滴を生成することから、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が運動している時に第二の液体に与えた干渉を減少し、微小液滴を生成する工程に安定性を確保することができる。
選択的に、ステップＳ２０３では、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出する方式は、連続排出又は間欠排出であってもよい。具体的な排出方式は、実際の状況に応じて相応しい設計がされてもよい。本実施例では、ステップＳ２０３に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の各瞬間加速度運動を十分に使用して微小液滴を形成するように、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から連続排出する。一実施例では、ステップＳ２０３に、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から一定の流速で排出することは、同じ時間間隔において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される第一の液体の体積が常に同じであるということを意味している。第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から一定の流速で排出することは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動を制御することにより、微小液滴を生成する制御に役立つことができる。
本出願の一実施例では、ステップＳ２０３に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に瞬間加速度運動を含む周期的な運動を行う。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に周期的な運動を行うことは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の変位、速度、及び、加速度のいずれも周期的に変化することを意味している。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を含む周期的な運動を行いながら、第一の液体が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から一定の流速で排出されるように協働して、微小液滴を等時間間隔で生成することを実現することができる。又は、第一の液体吐出液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の流速が変化しているものの、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期内において、第一の液体吐出液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の体積が同じく保持される。従って、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間毎に加速度運動を行うまで、液滴１９５の体積を同じくすることにより、体積の一致する微小液滴を形成することを確保することができる。
液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合には、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法及び液滴１９５の表面張力が、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与える二つの要素として、変化しない。従って、液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が、変化しない。第一の液体は、流体駆動機構１２０の連動により、均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から連続排出される。運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間で加速度ａ１に従って加速度運動を行うタイミング及び瞬間の加速度ａ１を正確に制御することができる。流体駆動機構１２０及び運動制御機構１３０は、互いに協働すると、液滴１９５の体積が固定値になる瞬間で、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が加速度ａ１に従って瞬間で加速度を行うように駆動して、体積の一致する微小液滴を形成することが実現されやすい。流体駆動機構１２０は、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から均一かつ連続的に排出するように制御することができれば、運動制御機構１３０により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が等時間間隔に瞬間加速度運動を行うように駆動するということだけで、体積の一致する微小液滴を形成することができる。
複数の液体吐出ピペットチップ１１０により、同時又は順次に微小液滴を生成する際には、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与える二つの要素として変化する。しかしながら、多量で加工される場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法が一定の区間に変化するように制御可能である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与えるもう一つの要素である液滴１９５の表面張力は、極めて小さい範囲で変化する。従って、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、極めて小さい区間にのみ波動する。流体駆動機構１２０は、第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から連続排出するように駆動することができる。運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間の加速度ａ１運動を行うタイミング及び瞬間で加速度ａ１を正確に制御することができる。流体駆動機構１２０及び運動制御機構１３０は、互いに協働すると、液滴１９５の体積が固定値になる瞬間で、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が加速度ａ１に従って瞬間加速度運動を行うように駆動して、体積の一致する微小液滴を生成することが実現され易い。流体駆動機構１２０は、第一の液体を排出液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から均一かつ連続的に排出するように制御することができれば、運動制御機構１３０により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が等時間間隔に瞬間加速度運動を行うように駆動するということだけで、体積の一致する微小液滴を生成することができる。
流体駆動機構１２０は、第一の液体を均一な速度で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出しながら、運動制御機構１３０と協働して、液滴１９５の体積が所定値になる瞬間で加速度が比較的大きい瞬間加速度運動を行わせるようにする。
本出願が提供する微小液滴生成方法は、同じ液体吐出ピペットチップ１１０により、体積が均一な液滴１９５を生成するということを確保することができるだけでなく、複数の液体吐出ピペットチップ１１０により、同時又は順次に生成された微小液滴の体積が均一であるということも確保することができる。本実施例が提供する微小液滴生成方法は、微小液滴の体積が均一であることを確保することができ、複数の液体吐出ピペットチップ１１０により微小液滴を同時に生成し微小液滴を生成する効率を高めることもできる。
さらに、運動制御機構１３０の制御によれば、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期に、複数の瞬間加速度運動が含まれており、複数の瞬間加速度運動について、それらの加速度が同じであり、しかも、それらのタイミングにより、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期が平均して分けられる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の一つの周期に、複数の瞬間加速度運動が含まれることは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が一つの運動周期内に複数の微小液滴を生成することに役立つ。好ましくは、ステップＳ２０３では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に運動している軌跡に、直線セグメント、円弧セグメント、多角形形状などの複数の種類の軌跡のうちの一つ又は複数の組み合わせが含まれる。一つの実施可能な形態としては、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期に二つの瞬間加速度運動が含まれる場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の運動軌跡が直線又は円弧のものである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期に、二つ以上の瞬間加速度運動が含まれる場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体に、正三角形、正方形、正五角形や正六角形などを含む正多角形の形状で軌跡を行う。
一つの実施可能な形態としては、ステップＳ２０３では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に周期的に運動する工程に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が長方形波状に変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が長方形波状に変化し、加速段階が終わった直後に均一な速度の段階に移行することは、運動制御機構１３０により液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動状態を正確に制御することに役立つ。好ましくは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２による運動速度の変化の長方形波状を示すハイレベルタイミング及びローレベルタイミングは、同等でもよく相違でもよい。さらに、ステップＳ２０３では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に周期的に運動する工程に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が方形波状に変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２による運動速度の変化の長方形波状を示すハイレベルタイミングとローレベルタイミングとは、等しい。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２による運動速度の変化を示す長方形波状がローレベルにある場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、その速度がセロとなり、又は、ハイレベルにある方向と反対方向の速度を有する。図４に示されるように、さらに、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が周期的に運動している周期の前半及び後半において、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度は、その大きさが同じであり、かつ方向が反対している。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の一つの運動周期には、二つの反対方向の瞬間加速度運動が含まれる。
本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に運動している軌跡は、直線セグメントである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、直線セグメントの一方の端点から瞬間加速度運動を行い、直線セグメントの他方の端点から反対方向に瞬間加速度運動を行う。二つの瞬間加速度運動の加速度は、いずれもａ１である。他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に運動している軌跡は、円弧セグメント又は多角形形状である。さらに、ステップＳ２０３では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体の液面下に周期的に運動する周波数は、０．１Ｈｚ～２００Ｈｚの範囲にあることから、プロジェクトでは実現され易い。
図４及び図５に示されるように、本出願に係る一つの具体的な実施例では、流体駆動機構１２０は、第一の液体を一定の流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御する。運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出力端が、直線状に運動する軌跡或いは方形波状に変化する速度で周期的に運動するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度方向が変更されると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は瞬間加速度が最大値になる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５も、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に瞬間加速度が最大値になる時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴１９９を形成する。第一の液体が一定流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出されることから、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落したときに、新たな液滴１９５が生成状態に移行する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度、反対方向に加速すると、新しく生成された液滴１９５も液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落されて新たな微小液滴１９９を形成する。
本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が一つの運動周期に二つの微小液滴１９９を生成可能であり、しかも、方形波状がプロジェクトで実現され易い。他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が一つの運動周期に一つの微小液滴１９９を生成する。実施例において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９に、任意方向に沿って直線状の軌跡で方形波状となる運動を行うことが好ましい。この運動には、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向と垂直する平面に直線状の軌跡で方形波状となる運動、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向と任意角度をなす平面に直線状の軌跡で方形波状となる運動、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向に沿って直線状の軌跡で方形波状となる運動などが含まれる。本出願に係る他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動軌跡が円弧セグメント又は多角形形状である場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９に任意方向に沿って直線状の軌跡で方形波状となる運動を行う。この運動には、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向と垂直する平面に直線状の軌跡で方形波状となる運動、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向と任意角度をなす平面に直線状の軌跡で方形波状となる運動、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の延在方向に沿って直線状の軌跡で方形波状となる運動などが含まれる。
本出願に係る他の実施例では、運動制御機構１３０の連動により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体の液面下に周期的に変化する速度で運動を行い、速度が変化している周期の前半及び後半において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が共に単調変化している。単調変化しているとは、速度が変化している周期の前半及び後半において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の次の時刻の速度が常に先の時刻の速度以上又は以下であることを意味している。例えば、速度が変化している周期の前半に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が持続的に増加し、或いは、一部分の速度が持続的に増加して一部分の速度が変化しない。一方、速度が変化している周期の後半において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が持続的に減少し、又は、一部分の速度が持続的に減少して一部分の速度が変化しない。第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出され、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成する。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度がある大きさになると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴１９９を形成する。図６に示されるように、微小液滴１９９が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまで、受けられた作用力は、それぞれ、重力Ｇ、第二の液体６９９の浮力ｆ１、第二の液体６９９の粘性抵抗ｆ２、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３である。微小液滴１９９について、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまでの質量をｍとし、速度をｖとし、加速度をａ２とすると、液滴１９５は、第二の液体６９９の運動工程において、粘性力ｆ２、重力Ｇ、浮力ｆ１及び付着力ｆ３による相乗効果により受けられており、即ち、
Figure 0007452896000003
 液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴１９９を生成する）条件は、
Figure 0007452896000004
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液滴１９５の表面張力、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法に関連されている。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を球状として簡略化する。ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）の式によると、わかるように、第二の液体６９９中を運動するときに受けられた液滴１９５の粘性抵抗がｆ２＝６πηｒｖとなり、そのうち、ηが第二の液体６９９の粘性係数であり、ｒが液滴１９５の半径であり、ｖが液滴１９５の運動速度である。微小液滴１９９を生成する工程において、一般的に、液滴１９５の直径範囲は、ピコリットルからマイクロリットルまでのオーダーであり、第二の液体６９９の粘性係数は、一般的に、比較的大きい。故に、一般的に、
Figure 0007452896000005
 そして、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に変速して周期的に運動している工程に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴１９９を生成する）条件は、近似すると、
Figure 0007452896000006
このことに鑑み、本出願が提供する微小液滴生成方法は、出口端１１２を有し、第一の液体を貯留している液体吐出ピペットチップ１１０を提供し、開口を有し、第二の液体６９９を貯留している微小液滴容器６０を提供し、第一の液体と第二の液体６９９とは、互いに非相溶性を持ち又は界面反応を有する任意の二つの液体とされるステップＳ２１１と、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を、微小液滴容器６０の開口から第二の液体６９９の液面下に挿入するステップＳ２１２と、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に、第二の液体６９９の液面下に速度が周期変化する運動を行わせ、速度が変化している周期の前半及び後半において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が共に単調変化しながら、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から均一な速度で排出し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出された第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を形成し、液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が運動している工程に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、第二の液体６９９の液面下に微小液滴１９９を形成するステップＳ２１３と、を含む。
上記の微小液滴生成方法によれば、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に周期的に変化する速度で運動を行い、速度が変化している周期の前半及び後半において、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が共に単調変化する。運動の工程では、液滴１９５に対する第二の液体６９９の粘性力ｆ２も、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が周期的に変化するのに伴い周期的に変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３が液滴１９５に対する第二の液体６９９の粘性力ｆ２よりも小さいと、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と同期に運動することができなくなり、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５が前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、第二の液体６９９の液面下に微小液滴１９９を形成する。
本出願が提供する微小液滴生成方法は、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に周期的に変化する速度で運動を行い、微小液滴１９９を生成することにより、前記液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が運動している時に第二の液体６９９に与える干渉を減少し、微小液滴１９９を生成する工程に安定性を確保することができる。
本実施例では、ステップＳ２１３に、第一の液体が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から連続して排出される。さらに、ステップＳ２１３に、第一の液体が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から一定の流速で排出される。このことは、等時間間隔に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出された第一の液体の体積が常に同じであることを意味している。第一の液体が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から一定の流速で排出されると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が周期的に運動するように制御することにより、体積の一致する微小液滴１９９を生成することに役立つ。
第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２に影響を与える要素には、液滴１９５の運動速度ｖのほうが制御されやすい。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され微小液滴１９９を形成するまで、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と同期に運動することが保持される。従って、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度を制御することにより、液滴１９５の運動速度ｖを正確に制御することができる。第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御すると、液滴１９５の半径ｒが一定の時間間隔に周期的に変化する。第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２に影響を与える要素には、第二の液体６９９の粘性係数ηが、使用される工程において、ある範囲で変化するものの、第二の液体６９９の粘性係数ηの変化する範囲は極めて小さい。
液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法、及び、液滴１９５の表面張力は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与える二つの要素として、変化しない。従って、液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が変化しない。複数の液体吐出ピペットチップ１１０により同時又は順次に微小液滴１９９を生成すると、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与える二つの要素として、変化する。しかしながら、多量で加工される場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法が一定の区間に変化するように制御可能である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３に影響を与えるもう一つの要素である液滴１９５の表面張力は、極めて小さい範囲でのみ変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、極めて小さい区間にのみ波動する。
従って、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３の区間値よりも大きいように制御できればよい。同じバッチで微小液滴１９９を生成する工程には、液滴１９５の半径ｒが必ず変化しない。一旦、試験用のパラメータが確定されると、液滴１９５の半径ｒも、それに伴い、確定された。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に運動する速度は、変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に運動する速度は、ｖ＞ｆ３／６πηｒが満たされているときに、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴１９９を形成する。
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に周期的に変化する速度で運動を行う。第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積も均一に増大する。一番目の微小液滴１９９が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から落下したときの微小液滴１９９の半径は臨界半径と呼ばれ、微小液滴１９９の速度は臨界速度と呼ばれる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動周期、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出された第一の液体の流速を調整することにより、同じ時間間隔（液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動周期の倍数）が経過した後に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５が同時に臨界半径及び臨界速度になり、新たな微小液滴１９９を形成する。第一の液体が均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出されることから、生成された微小液滴１９９の体積が同じくなる。
一つの実施可能な形態として、ステップＳ２１３に、速度が変化している一つの周期に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が中間時点を中点として中心対称である。さらに、ステップＳ２１３に、第二の液体６９９の液面下に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の加速度、速度及び運動軌跡がいずれも周期的に変化する。また、ステップＳ２１３に、第二の液体６９９の液面下に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が余弦曲線状に変化する。
選択的に、ステップＳ２１３には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に運動している軌跡は、直線セグメント、円弧セグメント、多角形形状などの複数の種類の軌跡のうち一つ又は複数の組み合わせが含まれる。ステップＳ２１３には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に周期的に運動する周波数が０．１Ｈｚ～２００Ｈｚの範囲にあることから、プロジェクトで実現され易い。
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に円弧の軌跡で、又は、余弦状に変化する速度で周期的な運動を行うことを例として挙げると、このとき、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、実際に揺動するように運動し、運動変位が正弦波状の曲線で示される。図７における曲線ａに示されるように、流体制御機構の駆動により、第一の液体が均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される。仮に液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されないとすると、計算により、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆが、時間の経過に伴い、図７における曲線ｂとして示されている。第一の液体が均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される初期の段階に、液滴１９５の体積が増大していくのに伴い、液滴１９５の半径ｒも明らかに増大している。液滴１９５の半径ｒが増大するのに伴い、液滴１９５の体積が均一な速度で増大していくことから、液滴１９５の半径ｒが緩く増大していくことが余儀無くされる。従って、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が揺動する初期の複数の周期に、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２の最大値が急速に増加し、その後、緩く増加している。図７に示されるように、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の周期的な運動と類似する周期性が現れ、即ち、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度変化に伴い変化する。実際の状況では、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が増大し、しかも、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３よりも大きい場合に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、微小液滴１９９を形成する。
本出願の一実施例では、図８に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、円弧の軌跡、または、正弦波状の変位で揺動するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が変化しない。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが増大するのに伴い、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も持続的に増大する。第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３よりも大きい瞬間に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、図８に示される液滴Ｉとなるように、微小液滴１９９を形成する。そして、次の微小液滴１９９を生成するサイクルへ移行する。
本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値がｆ３＝１．８×１０－４Ｎとなり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の揺動周波数が５０Ｈｚである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動を行う二番目の周期の最後に、図８における液滴Ｉとなるように一番目の微小液滴１９９を生成する。二番目の微小液滴１９９を生成する初期段階に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度が僅かに減小するが、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５の半径ｒが速く増加していることから、第二の液体６９９に運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が、直ぐに低下することなく、小さい範囲に増加する。そして、液滴１９５の半径ｒが緩く増加し、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が、主に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の速度変化に伴い、変化する。
第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が先の一つの微小液滴１９９を生成してからの二つの運動周期の時刻に、図８における液滴ＩＩとなるように、先の一つの微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５を生成する。しかも、この時の液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度も、先の二つの運動周期のほうと同じである。先の微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落される。第一の液体が均一な速度で排出されること、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の両方により、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
本出願の一実施例では、図９に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変位して揺動するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が変化しない。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが増大するのに伴い、第二の液体６９９に運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も増大する。第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３よりも大きい瞬間に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、微小液滴１９９を形成する。そして、次の微小液滴１９９を生成するサイクルへ移行する。
本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値がｆ３＝１．５×１０－４Ｎとなり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の揺動周波数が５０Ｈｚである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動を行う一番目の周期の最後に、図９における液滴Ｉとなるように、一番目の微小液滴１９９を生成する。二番目の微小液滴１９９を生成する初期の段階に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度が僅かに減少するが、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが速く増加することから、第二の液体６９９の中を運動しているときに受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が直ぐに低下することなく、小さい範囲に増加する。そして、液滴１９５の半径ｒが緩く増加し、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２は、主に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の速度変化に伴い変化する。
第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が先の一つの微小液滴１９９を生成してから次の一つの運動周期の時刻に先の一つの微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５を生成し、しかも、この時の液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度も先の一つの運動周期のほうと同じである。先の一つの微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、図９における液滴ＩＩとなる。このように繰り返すと、液滴ＩＩＩと液滴ＩＶなどが生成されることになる。第一の液体が均一な速度で排出されること、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の両方は、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
本出願の一実施例では、図１０及び図１１に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変位して揺動するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が変化しない。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが増大するのに伴い、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も持続的に増大する。第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３よりも大きい瞬間に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、図１０における液滴Ｉとなるように、微小液滴１９９を形成する。次の微小液滴１９９を生成するサイクルへ移行する。
本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値がｆ３＝１．０×１０－４Ｎとなり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の揺動周波数が５０Ｈｚである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の周期の前半の加速段階には、図１０における液滴Ｉとなるように、一番目の微小液滴１９９を生成する。二番目の微小液滴１９９を生成する初期の段階に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度が僅かに減小するが、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが速く増加することから、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が直ぐに低下することなく、小範囲に増加する。そして、液滴１９５の半径ｒが緩く増加し、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２は、主に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の速度変化に伴い、変化する。
第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動周期の後半の加速段階で、図１０における液滴ＩＩとなるように、二番目の微小液滴１９９を生成する。次に、微小液滴１９９を安定的に生成する段階へ移行する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が二番目の微小液滴１９９を生成する運動周期の後半のタイミングで二番目の微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５を生成し、しかも、この時の液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度も前半の運動周期のほうと同じである。二番目の微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落される。このように繰り返すと、図１０に示されるような液滴ＩＩＩ、液滴ＩＶ、液滴Ｖなどが生成されることになる。第一の液体が均一な速度で排出されること、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の両方は、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
上記から分かるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴１９９を生成する）条件は、近似すると、
Figure 0007452896000007
 第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御する場合に、生成された微小液滴１９９の体積を均一にすることは、微小液滴１９９が等時間間隔に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落されるということを条件としてなされる。
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３に影響を与える要素は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、幾何学的寸法及び第一の液体の表面張力が含まれる。液体吐出ピペットチップ１１０及び第一の液体が交換されない場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３が変化しない。第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２に影響を与える要素は、第二の液体６９９の粘性係数η、液滴１９５の半径ｒ及び液滴１９５の運動速度ｖが含まれる。第一の液体が均一な速度で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される際に、液滴１９５の半径ｒが、微小液滴１９９を生成する間隔時間により決められる。液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまで液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と同期に運動しているため、運動制御機構１３０により液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度を正確に制御することができる。第二の液体６９９の粘性係数ηが液滴１９５を生成する工程にある範囲内に変化することがある。しかしながら、第二の液体６９９の粘性係数ηの変化範囲が極めて小さい。図１２に示されるように、曲線ａは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の変位を示し、曲線ｂ及び曲線ｃが共に、第二の液体６９９の粘性係数ηが極めて小さい範囲で変化する時に、微小液滴１９９を生成する工程の曲線を示す。第二の液体６９９の粘性係数ηが極めて小さい範囲で変化する時に、微小液滴１９９を生成する時間間隔を変更することなく、極めて小さい範囲だけに微小液滴１９９を生成するタイミングを変更する。図１２に示されるように、曲線ｂ及び曲線ｃにより示される微小液滴１９９を生成する時間間隔は、いずれも半周期ｔ／２であることから、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
図１３に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０が交換され、又は、第一の液体の表面張力が温度変化などにより変化した場合に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３を正確に制御することが難しくなる。従って、生成された微小液滴１９９の体積がある範囲でｆ３の変化に対して敏感にならないことは、寸法が均一な微小液滴１９９を生成することにとって重要な意味を持っている。図１３に示されるように、曲線ａが液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の変位を示し、曲線ｂ及び曲線ｃが液体吐出ピペットチップ１１０が交換された時に微小液滴１９９の生成工程の曲線を示す。液体吐出ピペットチップ１１０が交換された後に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３がある範囲に波動することにより、液滴１９５が脱落される際に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が異なる速度で運動するおそれがある。しかしながら、微小液滴１９９の生成が安定状態になっていると、液滴１９５が脱落される際に液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度が各揺動周期内に変化しない。図１３に示されるように、曲線ｂ及び曲線ｃにより示される微小液滴１９９の生成の時間間隔は、いずれも半周期ｔ／２である。従って、微小液滴１９９を生成する間隔時間が変化しないことを確保することができる。第一の液体吐出液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の流速が変化しないと、生成された微小液滴１９９の体積が均一となる。それと同時に、第一の液体吐出液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の流速、及び、第二の液体６９９の中を揺動している液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の周波数を調整することができ、即ち、それと同時に、体積が均一な微小液滴１９９の体積及び生成の速さを制御することができる。
上記の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位する周期的な運動を行うと、付着力の最大値ｆ３及び粘性抵抗ｆ２の変化について、ある程度の許容性があり、即ち、付着力の最大値ｆ３又は粘性抵抗ｆ２がある範囲で変化する時に、依然として体積が均一な微小液滴１９９を生成することができる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して周期的な運動を行う時に、体積が均一な微小液滴１９９の生成を確保できることを前提として、付着力の最大値ｆ３を許容できる変化範囲を安定期として呼ぶ。安定期の存在は、液体吐出ピペットチップ１１０の加工及び微小液滴１９９の生成温度の制御にとって重要な意味を持っている。安定期の存在は、液体吐出ピペットチップ１１０の加工精度に対する要求をある程度まで低下させることが許可され、即ち、同じバッチで加工された液体吐出ピペットチップ１１０のそれぞれの表面自由エネルギーに相違が存在しても、体積が均一な微小液滴１９９を生成することができる。同様に、安定期の存在は、微小液滴１９９を生成する工程に温度制御に対する要求をある程度まで低下させることが許可される。
安定期の存在は、液体吐出ピペットチップ１１０の加工精度に対する要求又は微小液滴１９９生成工程の温度制御に対する要求を、ある程度まで低下させることが許可されることにより、さらに、微小液滴１９９の生成工程における消耗品としてのコスト及び制御用のコストを削減することができる。
上記の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が各運動周期に二つの微小液滴１９９を生成する。容易に理解され得るのは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して周期的な運動を行う限り、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動周期ごとに一つの微小液滴１９９を生成し、又は、二つの運動周期ごとに一つの微小液滴１９９を生成する時に、依然として付着力の最大値ｆ３及び粘性抵抗ｆ２の変化についてある程度の許容性を持ち、安定期が存在しているということである。
微小液滴１９９の生成は、微小液滴１９９の重力及び慣性力からの影響がほぼ受けられない。従って、微小液滴１９９を生成する時には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９に任意方向に沿って正弦波状に変位して周期的な運動を行うことが可能である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動軌跡は、弧線、直線又は他の形状の軌跡であってもよい。
図１４（１）に示されるように、本出願の一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０を第二の液体６９９に傾斜して挿入し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を第二の液体６９９の液面下に揺動して微小液滴１９９を生成する。一つの実施可能な形態として、図１４（２）に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９に水平の直線軌跡で、正弦波状に変位して周期的な運動を行い、微小液滴１９９を生成する。もう一つの実施可能な形態として、図１４（３）に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９に垂直の直線軌跡で、正弦波状に変位して周期的な運動を行い、微小液滴１９９を生成する。
図１５に示されるように、本出願の他の一実施例では、ステップＳ２１３に、速度変化の一つの周期に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が周期の前半及び後半にいずれも、等変速運動を行う。さらに、ステップＳ２１３に、周期の前半及び後半に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の加速度が同じである。第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御する。第一の液体が連続して排出されるのに伴い、運動工程において受けられた液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も持続的に増加する。粘性抵抗ｆ２が液滴１９５と液体吐出ピペットチップ１１０との付着力の最大値ｆ３よりも大きい場合に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０から脱離されて微小液滴１９９を形成する。そして、次の微小液滴１９９を生成する工程へ移行する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動周波数及び運動速度が第一の液体の流速に合致するように制御することにより、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
従来の液体吐出ピペットチップは、一般的に、直管状である。上記の直管状である液体吐出ピペットチップは、自体の延在方向に沿って出口端と近い一方端が急速に運動する際に、生成された微小液滴が破壊されてしまうことがある。生成された微小液滴の完全性を維持させるために、液体吐出ピペットチップに振動周波数を低下させることが必要となり、そして、微小液滴の生成の速さが低下してしまうことになる。
このことに鑑み、従来の液体吐出ピペットチップが、生成された微小液滴の完全性、及び、微小液滴の生成の速さを両立できない課題について、生成された微小液滴の完全性、及び、微小液滴の生成の速さを両立できる液体吐出ピペットチップを提供するニーズがある。
本出願に係る一つの実施例が提供する微小液滴１９９を生成するための液体吐出ピペットチップ１１０は、中空のキャビティを有する針軸１１３及び針軸１１３の一方端に配置される出口端１１２を含み、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が９０°以下である。液体吐出ピペットチップ１１０が管路本体の延在方向に沿って振動するときに、微小液滴１９９が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から落下し、第二の液体６９９の粘性力及び液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の押圧作用により、出口端１１２の運動軌跡から離れることから、微小液滴１９９が出口端１１２に破壊されてしまうことが避けられ、生成された微小液滴１９９に完全性が維持されると共に、液体吐出ピペットチップ１１０が管路本体の延在方向に急速に振動して微小液滴１９９を急速に生成することが可能となる。
図１６に示されるように、一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０は、直管状であり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、斜めカット構造である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を斜めカットすると、生成された微小液滴１９９の完全性及び微小液滴１９９の生成効率を両立できると共に、構造が簡単になり、容易に実現可能であり、制造のコストが低く、多量で加工される際に精度が高いという利点が存在している。さらに、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が１５°－７５°にあるようにすれば、実際の状況に応じて、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角を設置してもよい。微小液滴１９９の生成に影響が与えられず、又は、微小液滴１９９が破壊されないように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が大きすぎたり小さすぎたりすることが好ましくない。さらに、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が３０°－６０°である。具体的には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が４５°である。４５°の夾角とすれば、順調に微小液滴１９９を生成するのを確保することができるだけでなく、生成された微小液滴１９９を効果的に出口端１１２の運動軌跡から押し出し、生成された微小液滴１９９が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２により破壊されてしまうことを避けることができる。
図１７に示されるように、他の一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と近い針軸１１３の部分に折り曲げの構造が含まれる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を折り曲げることにより、生成された微小液滴１９９の完全性及び微小液滴１９９の生成効率を両立することができると共に、構造が簡単になり、容易に実現でき、制造のコストが低く、多量で加工される精度が高いという利点が存在している。さらに、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が１５°－７５°である。実際の状況に応じて、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角を設置してもよい。微小液滴１９９の生成に影響が与えられず、又は、微小液滴１９９が破壊されないように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が大きすぎたり小さすぎたりすることが好ましくない。さらに、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が３０°－６０°である。具体的には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と針軸１１３の延在方向との夾角が４５°である。４５°の夾角とすれば、順調に微小液滴１９９を生成するのを確保することができるだけでなく、生成された微小液滴１９９を効果的に出口端１１２の運動軌跡から押し出し、生成された微小液滴１９９が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２により破壊されてしまうことを避けることができる。
好ましくは、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と近い針軸１１３の折り曲げ構造は、折れ線セグメント、円弧セグメント、滑らかな曲線セグメント、直線セグメントなどのうちの一つ又は組み合わせを有する。図１７に示されるように、本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と近い針軸１１３の部分は、遷移する円弧セグメントを有し、具体的に、円弧セグメントと直線セグメントとの組み合わせを有する。直管状とされる液体吐出ピペットチップ１１０は、加工中に所定角度だけ円弧状に曲げればよく、加工され易い。
図１８及び図１９に示されるように、本出願に係る一実施例が提供する液体吐出ピペットチップ１１０は、針ハブ１１４の延在方向に沿って針ハブ１１４を貫通する液体リザーバ１１５を有する針ハブ１１４を含む。液体リザーバ１１５は、一方端が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から離れる針軸１１３の一方端に連通され、針ハブ１１４における針軸１１３から離れる一方端が液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１である。針ハブ１１４は、針軸１１３に固定接続される。微小液滴１９９を生成するための第一の液体は、針ハブ１１４内に貯留されておいてもよい。そして、微小液滴１９９を連続的かつ多量に生成することが可能である。さらに、針ハブ１１４における針軸１１３から離れる一方端の内面に係止溝１１６が設けられる。この係止溝１１６により、流体駆動機構１２０と着脱可能な接続が可能となり、液体吐出ピペットチップ１１０を便宜に交換することができる。
本出願が提供する微小液滴１９９生成装置は、第二の液体６９９の液面下に微小液滴１９９を生成するために用いられる。微小液滴１９９生成装置は、流体駆動機構１２０、運動制御機構１３０及び上記態様のいずれか一つに記載の液体吐出ピペットチップ１１０を含む。液体吐出ピペットチップ１１０の内部には第一の液体が貯留されており、液体吐出ピペットチップ１１０は、出口端１１２及び入口端１１１を有する。流体駆動機構１２０は、液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に接続され、液体吐出ピペットチップ１１０の内部に貯留される第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するために用いられる。運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に、所定軌跡、所定速度又は所定加速度で運動を行い、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される第一の液体が表面張力及び付着力に打ち勝ち、第二の液体６９９に微小液滴１９９を形成するように制御するために用いられる。
本出願が提供する液体吐出ピペットチップ１１０は、第二の液体６９９の液面下に運動工程において微小液滴１９９を生成する。一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に方形波状的に変化する速度で運動を行うことができ、ただし、その加速度をａ１とする。第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出されると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成する。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う瞬間に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴１９９を形成する。図３に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまで受けられた微小液滴１９９の作用力は、それぞれ、重力Ｇ、第二の液体６９９の浮力ｆ１、第二の液体６９９の粘性抵抗ｆ２及び液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３である。微小液滴１９９について、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまでその質量をｍとし、その加速度をａ２とすると、ニュートン運動の第二法則によれば、
Figure 0007452896000008
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液滴１９５の表面張力及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法に関連されている。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う時に、液滴１９５に対する液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の付着力の方向と加速度の方向は同じである。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を球状として簡略化する。ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）の式によると、わかるように、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗がｆ２＝６πηｒｖとなり、そのうち、ηが第二の液体６９９の粘性係数であり、ｒが液滴１９５の半径であり、ｖが液滴１９５の運動速度である。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行うまで、液滴１９５の速度がゼロであることから、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う瞬間に、第二の液体６９９に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２がゼロ又は極めて小さい。微小液滴１９９を生成する工程では、一般的に、液滴１９５の直径範囲がピコリットルからマイクロリットルまでのオーダーであり、液滴１９５の重力Ｇと第二の液体６９９の浮力ｆ１とは、それらの方向が反対であることから、液滴１９５の重力Ｇと第二の液体６９９の浮力ｆ１とのベクトルの和がほぼゼロになる。即ち、
Figure 0007452896000009
 ニュートンの運動の第二法則によると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行う場合に、液滴１９５が第二の液体６９９において達成可能な最大加速度がａ２≒（ｆ３／ｍ）となり、そのうち、ｍが液滴１９５の質量である。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、生成された一つの微小液滴１９９）の条件は、近似すると、ａ２≒（ｆ３／ｍ）＜ａ１となる。
運動制御機構１３０の連動によれば、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の瞬間加速度を正確に制御することができる。そして、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２について各瞬間で加速度を比較的大きくする制御することができれば、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が瞬間加速度運動を行うと、液滴１９５を効果的に生成することができる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、一つ又は二つ以上の微小液滴１９９を形成することが好ましい。
図２０に示されるように、本出願に係る一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と管路本体の延在方向との夾角が４５°であり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が斜めカットの構造である。第二の液体６９９の液面が上向きであり、液体吐出ピペットチップ１１０が垂直して設置される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に、垂直線セグメントの軌跡に沿って、方形波状に変化する速度で、運動を行う。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、一つの微小液滴１９９を生成する。液体吐出ピペットチップ１１０に、第一の液体が貯留されている。流体駆動機構１２０は、液体吐出ピペットチップ１１０が液体吐出ピペットチップ１１０の各運動周期に出口端１１２から等体積の第一の液体を排出するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５が所定体積になると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、上限界の位置からａ１という大きさの加速度で下向きに瞬間加速度運動を行いながら、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離して微小液滴１９９を形成する。第二の液体６９９の粘性力、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の押圧作用により、微小液滴１９９が出口端１１２の運動軌跡から離れて液体吐出ピペットチップ１１０の側壁に近接する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が持続的に下向きに運動しながら、第一の液体を依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出して液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界の位置まで運動すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界の位置から上向きに運動する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界の位置から上向き運動する工程では、第一の液体を依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が増大する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が上限界の位置まで運動すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が、前回に脱落された微小液滴１９９の体積と等しい。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度、上限界の位置からａ１という大きさの加速度で下向きに瞬間加速度運動をして新たな微小液滴１９９を形成する。このように繰り返す。
図２１に示されるように、本出願に係る一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と管路本体の延在方向との夾角が４５°であり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が斜めカットの構造である。第二の液体６９９の液面が上向きであり、液体吐出ピペットチップ１１０が垂直して設置される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に、垂直線セグメントの軌跡に沿って、方形波状に変化する速度で運動を行う。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、二つの微小液滴１９９を生成する。液体吐出ピペットチップ１１０に、第一の液体が貯留されている。流体駆動機構１２０は、第一の液体が均一な流速で出口端１１２から排出されるように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５が所定体積になると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が上限界の位置からａ１という大きさの加速度で下向きに瞬間加速度運動を行いながら、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離し、微小液滴１９９を形成する。第二の液体６９９の粘性力及び液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の押圧作用により、微小液滴１９９が出口端１１２の運動軌跡から離れ、液体吐出ピペットチップ１１０の側壁に近接する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が継続して下向きに運動を行いながら、第一の液体を依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が増大する。
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界の位置まで運動するときに、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５の体積が前回に脱落された微小液滴１９９の体積と等しい。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界の位置からａ１という大きさの加速度で上向きに瞬間加速度運動を行うと、出口端１１２に付着される液滴１９５が出口端１１２から脱離され、新たな微小液滴１９９を形成する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界に位置する時に生成された微小液滴１９９は、出口端１１２の付着力の作用により、小さい距離だけ上向きに運動してから、第二の液体６９９により次第に落下していく。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下限界に位置すると上向きに運動する工程では、第一の液体が依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出され、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５の体積が増大する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が上限界の位置まで運動すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が前回に脱落された微小液滴１９９の体積と等しい。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度、上限界の位置からａ１という大きさの加速度で下向きに瞬間加速度運動を行い、新たな微小液滴１９９を形成する。このように繰り返す。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度、上限界の位置から下向きに運動している時に、出口端１１２の直下の軌跡範囲に依然として微小液滴１９９が存在している場合に、生成された微小液滴１９９は、出口端１１２に付着される液滴１９５に衝突されると、出口端１１２の端面の法線に沿って運動して出口端１１２の運動軌跡から離れる。
本出願が提供する液体吐出ピペットチップ１１０は、第二の液体６９９の液面下に運動を行う工程に、微小液滴１９９を生成する。他の一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に正弦波状に変位して運動を行う。第一の液体は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出され、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成する。液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度が一定の程度になると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離され、微小液滴１９９を形成する。図６に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまで受けられた微小液滴１９９の作用力は、それぞれ、重力Ｇ、第二の液体６９９の浮力ｆ１、第二の液体６９９の粘性抵抗ｆ２及び液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との最大の付着力ｆ３である。微小液滴１９９について、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離されるまでその質量をｍとし、速度をｖとし、加速度をａ２とすると、液滴１９５は、第二の液体６９９の中を運動している工程において、粘性力ｆ２、重力Ｇ、浮力ｆ１及び付着力ｆ３による相乗効果により受けられており、即ち、
Figure 0007452896000010
 液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴１９９を生成する）条件は、
Figure 0007452896000011
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギー、液滴１９５の表面張力及び液体吐出ピペットチップ１１０の幾何学的寸法に関連されている。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５を球状として簡略化する。ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）の式によると、わかるように、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗がｆ２＝６πηｒｖとなり、そのうち、ηが第二の液体６９９の粘性係数であり、ｒが液滴１９５の半径であり、ｖが液滴１９５の運動速度である。微小液滴１９９を生成する工程において、一般的に、液滴１９５の直径範囲は、ピコリットルからマイクロリットルまでのオーダーであり、第二の液体６９９の粘性係数は、一般的に、比較的大きい。故に、一般的に、
Figure 0007452896000012
 従って、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に変速して周期的な運動を行う工程に、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱離される（即ち、一つの微小液滴１９９を生成する）条件は、近似すると、
Figure 0007452896000013
 液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、一つ又は二つ以上の微小液滴１９９を形成することが好ましい。
図２２に示されるように、本出願に係る一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と管路本体の延在方向との夾角が４５°であり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と近い針軸１１３の部分が折り曲げの構造である。第二の液体６９９の液面が上向きであり、液体吐出ピペットチップ１１０が垂直して設置される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が第二の液体６９９の液面下に垂直線セグメントの軌跡に沿って、正弦波状に変位して運動を行う。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、一つの微小液滴１９９を生成する。液体吐出ピペットチップ１１０に第一の液体が貯留されている。流体駆動機構１２０は、制御液体吐出ピペットチップ１１０が液体吐出ピペットチップ１１０の各運動周期に出口端１１２から等体積の第一の液体を排出するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、正弦波状に変位して直線に運動することにより加速度運動で降下する段階で、一番目の微小液滴１９９を生成する。二番目の微小液滴１９９を生成する初期段階では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下向きに減速段階に位置するものの、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが速く増加していることから、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が、直ぐに低下することなく、小範囲に増加する。そして、液滴１９５の半径ｒが緩く増加し、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が主に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の速度変化に伴い変化する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が限界位置まで下がってから上がりながら、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が持続的に増大する。
第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御する時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、先の一つの微小液滴１９９を生成してから次の一つの運動周期のタイミングに、先の一つの微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５を再度生成し、しかも、この時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度も先の一つの運動周期のほうと同じである。先の一つの微小液滴１９９と等体積の新たな液滴１９５は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落される。このように繰り返す。
第一の液体が均一な速度で排出されること、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の両方は、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度上限界の位置から下向きに運動している時に、出口端１１２の直下の軌跡範囲に依然として微小液滴１９９が存在している場合に、生成された微小液滴１９９は、出口端１１２に付着される液滴１９５に衝突し、出口端１１２の端面の法線に沿って運動して、出口端１１２の運動軌跡から離れる。
図２３に示されるように、本出願に係る一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の法線と管路本体の延在方向との夾角が４５°であり、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と近い針軸１１３の部分は、折り曲げの構造である。第二の液体６９９の液面は上向きであり、液体吐出ピペットチップ１１０が垂直して配置される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、第二の液体６９９の液面下に垂直線セグメントの軌跡に沿って、正弦波状の変位で運動を行う。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、一つの運動周期に、二つの微小液滴１９９を生成する。液体吐出ピペットチップ１１０に、第一の液体が貯留されている。流体駆動機構１２０は、第一の液体が均一な流速で出口端１１２から排出されるように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着された液滴１９５の半径ｒが増大するのに伴い、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２も持続的に増大する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下向きに加速段階に位置する時に、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２と液滴１９５との付着力の最大値ｆ３よりも大きくなり、液滴１９５が液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から脱落され、微小液滴１９９を形成する。第二の液体６９９の粘性力及び液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の端面の押圧作用により、微小液滴１９９が出口端１１２の運動軌跡から離れ、液体吐出ピペットチップ１１０の側壁に近接する。
液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が持続的に下向きに運動し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が限界の位置まで下がってから上がり始める。それと共に、第一の液体が依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出され、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が増大する。二番目の微小液滴１９９を生成する初期段階では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動速度が僅か減少したが、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の半径ｒが速く増加していることから、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２が、直ぐに低下することなく、小さい範囲に増加する。その後、液滴１９５の半径ｒが緩く増加し、第二の液体６９９の中を運動している時に受けられた液滴１９５の粘性抵抗ｆ２は、主に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動の速度変化に伴い、変化する。
時間間隔が半周期経過すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が上向きに加速段階に位置する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積は、前回に脱落された微小液滴１９９の体積と等しく、同時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度も先の半周期と同じであり、出口端１１２に付着される液滴１９５が出口端１１２から脱離され、新たな微小液滴１９９を形成する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が上向きに加速段階に位置するときに生成された微小液滴１９９は、出口端１１２の付着力の作用により短い距離だけ上向きに運動してから、第二の液体６９９において次第に下がり始める。それと同時に、第一の液体が依然として液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出され、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５を形成し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積が増大する。
時間間隔が半周期経過すると、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が下向きに加速段階に位置する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２に付着される液滴１９５の体積は、前回に脱落された微小液滴１９９の体積と等しく、同時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の速度も先の半周期と同じであり、出口端１１２に付着される液滴１９５が出口端１１２から脱離され、新たな微小液滴１９９を形成する。このように繰り返す。第一の液体を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するように制御する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、垂直線のセグメントの軌跡に沿って、正弦波状に変位して運動する周期の後半の加速段階に、二番目の微小液滴１９９を生成した後に、微小液滴１９９を安定的に生成する段階へ移行する。第一の液体が均一な速度で排出されること、及び、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が正弦波状に変位して揺動する運動の両方は、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が再度、上限界の位置から下向きに運動している時に、出口端１１２の直下の軌跡範囲に依然として微小液滴１９９が存在している場合に、生成された微小液滴１９９は、出口端１１２に付着される液滴１９５に衝突すると、出口端１１２の端面の法線に沿って運動し、出口端１１２の運動軌跡から離れる。
本出願が提供する微小液滴生成装置及び生成方法は、医学臨床検査、ナノ材料製造、食料品及び環境検査、生化学解析などの応用分野に幅広く応用される。一つの具体的な適用例としては、本出願が提供する微小液滴１９９の生成装置及び生成方法がポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ、ＰＣＲ）に応用される。
液体吐出ピペットチップ１１０は、その断面寸法が一般的にミクロンレベルであるため、従来の表面処理方法は、比較的大きい部品に用いられることが多く、比較的小さい液体吐出ピペットチップ１１０に完全に適用され難い。
このことに鑑み、従来の表面処理方法は、比較的大きい部品に用いられるが、比較的小さい液体吐出ピペットチップ１１０に完全に適用され難いという課題について、ミクロンレベルの液体吐出ピペットチップ１１０の液体吐出ピペットチップ１１０の表面処理方法に適用され得ることを提供するニーズが存在している。
図２４に示されるように、本出願に係る一実施例が提供する液体吐出ピペットチップ１１０の表面処理方法は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面を処理するためのものであって、前記液体吐出ピペットチップ１１０にシラン化処理を行うステップＳ２６０と、ジエチルピロカーボネート（ＤＥＰＣ）の水溶液により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を処理するステップＳ２７０と、前記液体吐出ピペットチップ１１０を乾燥させるステップＳ２８０とを含む。
上記の液体吐出ピペットチップ１１０の表面処理方法は、シラン化処理により液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーを低下させると共に、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーを、一定の区間に制限し、微小液滴１９９の生成工程に対する液体吐出ピペットチップ１１０の表面特性の影響を低減することができる。
図２５に示されるように、本出願に係る一実施例では、ステップＳ２６０の前に、前記液体吐出ピペットチップ１１０を前処理するステップＳ２４０をさらに含む。前記ステップＳ２４０には、前記前処理は、前記液体吐出ピペットチップ１１０の脱脂、汚れ除去又は洗浄操作などの一つ又は複数が含まれる。液体吐出ピペットチップ１１０に脱脂、汚れ除去及び洗浄を行うことは、先の加工工程に、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に付着された汚染物質又は妨害物を効果的に除去することができる。さらに、前記ステップＳ２４０には、超音波振動により液体吐出ピペットチップ１１０の表面に対して補助脱脂、補助汚れ除去又は補助洗浄を行う。超音波の環境において、液体吐出ピペットチップ１１０に脱脂、汚れ除去及び洗浄を行い、化学の手段及び機械の手段と協働して使用することは、液体吐出ピペットチップ１１０の表面を前処理する効果を確保することができる。具体的に、前記ステップＳ２４０には、液体吐出ピペットチップ１１０は、材質がステンレス鋼であり、ステンレス鋼の洗浄剤により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を洗浄する。ステンレス鋼の洗浄剤は、ステンレス鋼の材質の液体吐出ピペットチップ１１０にとって、より高い洗浄効果を持っている。他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に対する前処理は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面を洗浄できる方法であれば、他の方法であってもよい。本出願に係る他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０は、石英キャピラリー、ガラス管及びダブルファイバーキャピラリーなどのうちの一つである。
本出願に係る一実施例では、ステップＳ２４０の後かつ前記ステップＳ２６０の前に、前記液体吐出ピペットチップを電解研磨するステップＳ２５０をさらに含む。電解研磨によれば、比較的小さい液体吐出ピペットチップ１１０の表面粗さを低下させ、しかも、液体吐出ピペットチップ１１０の表面品質が、シラン化するための要求を満たすようにすることができる。電解研磨は、液体吐出ピペットチップ１１０の表面品質にとって極めて重要なものであり、ステンレス鋼の材質の液体吐出ピペットチップ１１０の表面品質を目標に到達させるのに肝心である。本出願に係る一実施例では、ステンレス鋼の材質の液体吐出ピペットチップ１１０を陽極とし、電解液において、非溶性を持つ銅などを陰極として用いる。二つの極を同時に電解溝に浸漬し、直流の電流を流すと、陽極となる液体吐出ピペットチップ１１０を選択的に溶解し、液体吐出ピペットチップ１１０の表面を研磨するという目的を達成する。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０を電解研磨する工程のパラメータは、以下に示される。
Figure 0007452896000014
電解研磨の工程では、使用された液体吐出ピペットチップ１１０は、その内径が６０μｍであり、その外径が１５０μｍである。電解研磨が完了した後に、金相顕微鏡により５０倍拡大して観測した結果、明らかなこすり傷がない。
前記ステップＳ２６０によれば、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に非晶質シリコン膜を形成可能であり、化学気相成長（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法により、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に非晶質シリコン膜を形成することが好ましい。非晶質シリコン膜の厚さが１００Å乃至１０００Åであることが好ましい。
図２５に示されるように、本出願に係る一実施例では、前記ステップＳ２６０は、脱イオン水により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を洗浄又は浸漬するステップＳ２６１と、シラン化試薬により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を処理するステップＳ２６２と、脱イオン水により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を洗浄又は浸漬するステップＳ２６３とを含む。
シラン化する前に、電解された液体吐出ピペットチップ１１０を脱イオン水により洗浄又は浸漬し、液体吐出ピペットチップ１１０の表面の汚れ及び静電を除去する。シラン化の処理により、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーを低下させ、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーを一定の区間に制限し、微小液滴１９９の生成工程に対する液体吐出ピペットチップ１１０の表面特性の影響を低減することができる。シラン化された後に、シラン化された液体吐出ピペットチップ１１０を脱イオン水により洗浄又は浸漬し、液体吐出ピペットチップ１１０の表面の汚れ及び静電を除去する。前記ステップＳ２６２に、シラン化の試薬により、化学気相成長法を利用して液体吐出ピペットチップ１１０の表面に非晶質シリコン膜を形成することが好ましい。好ましくは、シラン化の試薬は、四水素化ケイ素気体が含まれており、より好ましくは、四水素化ケイ素とドーパントである水素化リンとの混合気体が含まれる。液体吐出ピペットチップ１１０の表面に一つの非晶質シリコン膜を形成することにより、液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーを低減することができる。
本実施例では、ステンレス鋼にその表面をシラン化する処理の具体的なステップは、電解されたステンレス鋼の材質の液体吐出ピペットチップ１１０を化学気相成長室に置いて、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に水蒸気を除去させ、化学気相成長室を真空まで排気し、四水素化ケイ素と水素化リンとの混合気体を導入し、気相堆積の気圧を０．１Ｐａ－５００Ｐａにし、しかも、気相堆積の温度を１８０℃－５００℃にするように制御し、化学気相成長をさせ、０．４－８時間堆積し、堆積が完了すると、窒素ガスを導入して温度を室温まで下げるということである。具体的に、混合気体に前記四水素化ケイ素の体積パーセントが９５．０％－９９．９％であり、混合気体に前記水素化リンの体積パーセントが０．１％－５．０％である。
図２５に示されるように、前記ステップＳ２７０は、体積分率が０．５％－１．５％のジエチルピロカーボネート水溶液により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を１０分－２０分浸漬するステップＳ２７１と、前記液体吐出ピペットチップ１１０を高圧で殺菌するステップＳ２７２を含む。体積分率が１％のＤＥＰＣ水溶液により、液体吐出ピペットチップ１１０を浸漬し、液体吐出ピペットチップ１１０の表面にリボヌクレアーゼ（Ｒｉｂｏｎｕｃｌｅａｓｅ、ＲＮａｓｅ）及びデオキシリボヌクレアーゼ（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅａｓｅ、ＤＮａｓｅ）などがないように確保することにより、液体吐出ピペットチップ１１０を使用する引き続きの操作の干渉が低下する。前記液体吐出ピペットチップ１１０を高圧で殺菌することにより、液体吐出ピペットチップ１１０の表面に残られたＤＰＥＣ水溶液を効果的に除去すると共に、ＤＰＥＣ水溶液に除去し切れなかったＲＮａｓｅ及びＤＮａｓｅなどを効果的に除去することができる。
体積分率が１％のＤＥＰＣ水溶液により、前記液体吐出ピペットチップ１１０を浸漬する時間は、具体的な状況に応じて設定されてもよい。さらに、前記ステップＳ２７１に、体積分率が１％のＤＥＰＣ水溶液により前記液体吐出ピペットチップ１１０を浸漬する時間は１５分である。測定結果からわかるように、１５分とすれば、液体吐出ピペットチップ１１０の表面にＲＮａｓｅ及びＤＮａｓｅをきれいに除去するために十分である。さらに、前記ステップＳ２８０に、窒素ガス浄化炉により、液体吐出ピペットチップ１１０をさらに浄化し、液体吐出ピペットチップ１１０を浄化、乾燥及び焼成する。前記液体吐出ピペットチップ１１０を乾燥させるときに窒素ガスを保護気体として使用する。窒素ガスを保護気体として使用することは、雰囲気における化学の性質が比較的活性である気体と液体吐出ピペットチップ１１０の表面との化学反応を効果的に避けることができ、液体吐出ピペットチップ１１０に対する効果的な保護を実現することができる。
本出願に係る一つの具体的な実施例では、電解研磨の工程において、使用された液体吐出ピペットチップ１１０は、その内径が６０μｍであり、その外径が１５０μｍである。電解された液体吐出ピペットチップ１１０を脱イオン水に５分浸漬する。そして、液体吐出ピペットチップ１１０を化学気相成長室に置いて、真空にすると、四水素化ケイ素と水素化リンとの混合気体を導入する。気相堆積の気圧を３００±２０Ｐａにし、しかも、気相堆積の温度を３５０±２０℃にするように制御する。混合気体には、前記四水素化ケイ素の体積パーセントが９７．０％であり、前記水素化リンの体積パーセントが３．０％である。２時間堆積し、堆積が完了すると、窒素ガスを導入し、温度を室温まで下げる。脱イオン水により、シラン化された液体吐出ピペットチップ１１０を洗浄する。１％のＤＥＰＣ水溶液により、液体吐出ピペットチップ１１０の全体を１５分浸漬し、しかも、液体吐出ピペットチップ１１０を高圧で殺菌する。最後に、液体吐出ピペットチップ１１０を窒素浄化炉に置いてその表面を洗浄する。
本出願に係る実施例が提供する液体吐出ピペットチップ１１０の表面処理方法により、１８本の同じ寸法の液体吐出ピペットチップ１１０を一括して処理し、１８本の液体吐出ピペットチップ１１０についてそれぞれ液滴１９５の吊り下げ試験を行う。流体制御機構により、第一の液体を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から１．０ｎＬ／ｓの流速で排出する。先の一つの微小液滴１９９が落下するタイミングから計時して、各液体吐出ピペットチップ１１０について、１００個の微小液滴１９９の落下時間を計算する。１８本の液体吐出ピペットチップ１１０について、それぞれの対応する１００個の液滴１９５の落下時間は、平均して以下のテーブルに示されている。
Figure 0007452896000015
１８個の液体吐出ピペットチップ１１０について、それぞれの対応する微小液滴１９９の平均の落下時間の相対的な変化範囲は、１８個の液体吐出ピペットチップ１１０間の表面自由エネルギーの相対的な変化範囲を直接に示すことができる。上記の試験データからわかるように、本出願の実施例が提供する液体吐出ピペットチップ１１０表面処理方法により、一括して処理された液体吐出ピペットチップ１１０の表面自由エネルギーの標準偏差は１．３３％であり、微小液滴１９９を生成する各種類の体積について、その均一性への要求が十分に満たされている。
本出願に係る一実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０は、その一方端が出口端１１２であり、前記液体吐出ピペットチップの表面処理方法は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２及び外側壁を表面処理するために用いられる。同時に、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２及び外側壁を表面処理し、微小液滴１９９を生成する工程には、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端及び外側壁が生成された微小液滴１９９に接触した後に、その均一な表面が微小液滴１９９を押し出すことにより、微小液滴１９９の破壊を効果的に避けることができる。
従来の流体駆動機構により微小液滴を生成する工程では、液体吐出ピペットチップの出口端が運動中の状態にあることから、排出された液体の流速が不安定で、かつ、制御不可能になる。そして、生成された微小液滴は、その体積にランダム性が現れている。このことに鑑み、従来の液体吐出ピペットチップが運動していると、排出された液体の流速が不安定でかつ制御不可能となることにより微小液滴の体積にランダム性が現れているという課題について、液体吐出ピペットチップが所定流速で液体を排出することを確保可能な流体駆動機構を提供するニーズが存在している。
微小液滴１９９を生成する工程では、第一の液体が所定流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、瞬間加速度運動を含む周期的な運動を行うと、微小液滴１９９を効果的に生成することができるだけでなく、生成される微小液滴１９９の寸法を制御することに役立つ。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、正弦波状に変位して周期的な運動を行う時に、微小液滴１９９を効果的に生成することができるだけでなく、生成された微小液滴１９９の体積がよい均一性を持っている。上記の微小液滴１９９を生成する二つの工程では、第一の液体が流体駆動機構１２０の駆動により、所定流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される。
図２６及び図２７に示されるように、本出願が提供流体駆動機構１２０は、微小液滴生成システムに用いられており、容積可変アセンブリ１２１及びパワーアセンブリ１２２を含む。容積可変アセンブリ１２１は、シリンジ１２１１及びブッシュロッド１２１２を含む。ブッシュロッド１２１２は、シリンジ１２１１の内壁と摺動するように協働し、シリンジ１２１１に駆動液体１２１４を貯留可能である。シリンジ１２１１は、第一の液体１９０を貯留する液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に連通するための液体出入口１２１３を有する。パワーアセンブリ１２２は、ブッシュロッド１２１２に動力伝達可能に接続され、ブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１の延在方向に沿って摺動するように駆動するために用いられる。微小液滴１９９を生成する工程には、パワーアセンブリ１２２は、ブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１に貯留されている駆動液体１２１４を押圧するように駆動し、駆動液体１２１４が液体吐出ピペットチップ１１０に貯留されている第一の液体１９０を押圧し、そして、第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出する。
本出願が提供する流体駆動機構１２０は、液体（駆動液体１２１４）の非圧縮性により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、高周波数で振動している時でも、所定流速で第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出するということを確保することができる。本出願が提供する流体駆動機構１２０は、生成された微小液滴１９９の体積を正確に制御することができる。本出願が提供する流体駆動機構１２０は、上記実施方式に限定されず、例えば、蠕動ポンプ、加圧駆動ポンプ、空気圧駆動ポンプ、電気浸漬駆動ポンプ等が適用されてもよい。
一つの実施可能な形態として、シリンジ１２１１の液体出入口１２１３は、液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に細管１２３を介して連通される。シリンジ１２１１と細管１２３には、駆動液体１２１４が貯留されている。パワーアセンブリ１２２は、容積可変アセンブリ１２１のブッシュロッド１２１２に動力伝達可能に接続され、パワーアセンブリ１２２は、容積可変アセンブリ１２１のブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１を摺動するように押し出すために用いられる。微小液滴１９９の生成工程では、パワーアセンブリ１２２が容積可変アセンブリ１２１のブッシュロッド１２１２を押し出し、ブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１及び細管１２３に貯留されている駆動液体１２１４を押圧し、駆動液体１２１４が液体吐出ピペットチップ１１０に貯留されている第一の液体１９０を押圧し、そして、第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出する。細管１２３により、シリンジ１２１１の液体出入口１２１３を液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に接続していると、まず、細管１２３の内径が比較的小さいため、ブッシュロッド１２１２の行程を制御することにより、排出液体の体積を正確に制御することができ、次に、細管１２３により、シリンジ１２１１と液体吐出ピペットチップ１１０との位置及び距離を自由に設置し、シリンジ１２１１と液体吐出ピペットチップ１１０との間に他の必要な設備を設置することを便宜にすることができる。
本出願に係る一実施例では、パワーアセンブリ１２２は、押し出しブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１を均一な速度で摺動するように押し出し、言い換えると、液体１２１４をブッシュロッド１２１２の押し出しにより均一な流速で容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３から排出し、細管１２３を介して均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０に進入するように駆動する。液体吐出ピペットチップ１１０に貯留されている第一の液体１９０は、駆動液体１２１４の押し出しにより、均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される。駆動液体１２１４を伝動媒体として利用し、ブッシュロッド１２１２が均一な流速で駆動液体１２１４を排出するように制御することにより、本実施例が提供する流体駆動機構１２０は、液体吐出ピペットチップ１１０が静止状態にあるときに均一な流速で第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出できるだけでなく、液体吐出ピペットチップ１１０が急速に振動する最中の状態にあっても、本実施例が提供する流体駆動機構１２０が依然として第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から均一な流速で排出することも確保することができる。本実施例が提供する流体駆動機構１２０は、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を大幅に高めることができる。
パワーアセンブリ１２２は、ブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１に液体出入口１２１３から離れる方向又は液体出入口１２１３に近接する方向に沿って摺動するように連動するということに役割を持っている。好ましくは、パワーアセンブリ１２２が、直動運動を直接に出力するシリンダや油圧缸などのアセンブリであり、例えば、モーターと同期プーリの組み合わせやモーターとネジ棒１２２２及びスライドブロック１２２３の組み合わせなどの円運動を直動運動に変換するアセンブリであってもよい。本出願では、パワーアセンブリ１２２の具体的な構造が限定されていない。図２７に示されるように、本出願に係る一実施例では、パワーアセンブリ１２２が駆動モーター１２２１、ネジ棒１２２２及びスライドブロック１２２３を含む。駆動モーター１２２１は、その出力軸がネジ棒１２２２の一方端に動力伝達可能に接続され、スライドブロック１２２３が雌ねじを有し、スライドブロック１２２３がネジ棒１２２２の表面の雄ねじに協働して接続される。スライドブロック１２２３の外縁は、ブッシュロッド１２１２におけるシリンジ１２１１から離れる一方端に固定接続される。スライドブロック１２２３は、ネジ棒１２２２と協働して、駆動モーター１２２１が出力する回転運動を、ネジ棒１２２２の軸方向に沿うスライドブロック１２２３の直動運動に変換し、容積可変アセンブリ１２１のブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１を摺動するように連動する。さらに、本実施例が使用する駆動モーター１２２１は、サーボモーターである。サーボモーターは、出力角度の変位を正確にフィードバック制御できるという特徴を持っている。
図２８に示されるように、本出願に係る一実施例では、流体駆動機構１２０は、さらに、三方切替弁１２４と貯液タンク１２５を含む。三方切替弁１２４は、第一のポート、第二のポート及び第三のポートを有する。液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３及び貯液タンク１２５は、三方切替弁１２４の第一のポート、第二のポート及び第三のポートに、それぞれ連通される。三方切替弁１２４は、少なくとも、流体駆動機構１２０を制御して以下の二つのモードを実施可能である。一番目のモードでは、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に連通し、パワーアセンブリ１２２の連動により、容積可変アセンブリ１２１が液体吐出ピペットチップ１１０の液体に駆動力をかけ、液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出し、又は、第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から液体吐出ピペットチップ１１０に吸入するようにする。二番目のモードでは、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を貯液タンク１２５に連通し、パワーアセンブリ１２２の連動により、容積可変アセンブリ１２１が貯液タンク１２５中の駆動液体１２１４を容積可変アセンブリ１２１のシリンジ１２１１に吸入し、又は、容積可変アセンブリ１２１内の駆動液を貯液タンク１２５に押し出すようにする。
図２８に示されるように、本出願に係る一実施例は、上記流体駆動機構を利用し、以下の四つのステップを含む流体駆動方法をさらに提供する。ステップ（１）では、三方切替弁１２４を介して、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を貯液タンク１２５に連通し、パワーアセンブリ１２２の連動により、ブッシュロッド１２１２に液体出入口１２１３から離れるシリンジ１２１１の一方端内を摺動させ、シリンジ１２１１の容積を変更し、貯液タンク１２５内の駆動液体１２１４をシリンジ１２１１に吸入する。ステップ（２）では、三方切替弁１２４を介して、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に連通し、パワーアセンブリ１２２の連動により、ブッシュロッド１２１２に液体出入口１２１３に近接するシリンジ１２１１の一方端内を摺動させ、シリンジ１２１１の容積を変更し、シリンジ１２１１内、細管１２３内及び液体吐出ピペットチップ１１０内の気体を排出する。ステップ（３）では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を第一の液体１９０に進入し、三方切替弁１２４を介して容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に連通することを維持し、パワーアセンブリ１２２の連動により、ブッシュロッド１２１２に液体出入口１２１３から離れるシリンジ１２１１の一方端内を摺動させ、シリンジ１２１１の容積を変更し、第一の液体１９０を液体吐出ピペットチップ１１０に吸入する。ステップ（４）では、三方切替弁１２４を介して、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３を液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１に連通することを維持し、パワーアセンブリ１２２の連動により、ブッシュロッド１２１２に液体出入口１２１３から離れるシリンジ１２１１の一方端内を均一な速度で摺動させ、シリンジ１２１１の容積を変更し、液体吐出ピペットチップ１１０に貯留されている第一の液体１９０を均一な流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出する。
上記第二のステップにシリンジ１２１１内の気体を順調に排出させるように、図２７に示されるように、装着される時に、シリンジ１２１１の液体出入口１２１３が上向きにし、ブッシュロッド１２１２が垂直方向にシリンジ１２１１内を摺動するようにする。
微小液滴１９９を生成する効率を高めるために、一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０の数が複数であり、複数の液体吐出ピペットチップ１１０が並列に間隔配置され、又は、他の形式で配置されてもよい。各液体吐出ピペットチップ１１０は、いずれも、個別の細管１２３を介して、三方切替弁１２４の第一のポートに連通される。容積可変アセンブリ１２１の数は、一つであり、容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３が、三方切替弁１２４の第二のポートに連通される。三方切替弁１２４の第三のポートが、貯液タンク１２５に連通される。パワーアセンブリ１２２の駆動により、ブッシュロッド１２１２がシリンジ１２１１を液体出入口１２１３に近接する方向に沿って均一な速度で摺動すると共に、駆動液体１２１４を複数の液体吐出ピペットチップ１１０に押圧する。複数の細管１２３が並列接続されているため、各細管１２３内の駆動液体１２１４の流量が同じであり、複数の液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０を、同等かつ一定の流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２を排出することを確認することができ、さらに、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確認することができる。
微小液滴１９９を生成する効率を高めるために、他の一つの実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０及び容積可変アセンブリ１２１の数は、いずれも複数である。複数の液体吐出ピペットチップ１１０が並列に間隔配置され、又は、他の形式で配置されてもよい。各液体吐出ピペットチップ１１０は、いずれも、個別の細管１２３を介して三方切替弁１２４の第一のポートに連通される。各容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３も、細管１２３を介して、三方切替弁１２４の第二のポートに連通される。三方切替弁１２４の第三のポートが貯液タンク１２５に連通される。複数の容積可変アセンブリ１２１が並列に間隔配置され、又は、他の形式で配置されてもよい。複数の容積可変アセンブリ１２１は、シリンジ１２１１から離れるブッシュロッド１２１２の一方端が対向して固定され、パワーアセンブリ１２２により同期に押し出される。パワーアセンブリ１２２の駆動により、複数のブッシュロッド１２１２がそれぞれのシリンジ１２１１を液体出入口１２１３に近接する方向に沿って均一な速度で摺動すると共に、駆動液体１２１４を複数の液体吐出ピペットチップ１１０まで押し出す。複数の細管１２３が並列接続されているため、各細管１２３内の駆動液体１２１４の流量が同じであり、複数の液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０を同等、かつ、一定の流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出することを確保することができ、さらに、生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保することができる。
微小液滴１９９を生成する効率を高めるために、三番目の実施可能な形態として、図２９に示されるように、液体吐出ピペットチップ１１０、容積可変アセンブリ１２１及び三方切替弁１２４は、それらの数が同じであり、かつ、いずれも複数である。各液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１は、それぞれ、個別の細管１２３を介して、一つの三方切替弁１２４の第一のポートに連通される。各容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３は、個別の細管１２３を介して、一つの三方切替弁１２４の第二のポートに、それぞれ連通される。各三方切替弁１２４の第三のポートは、貯液タンク１２５に、それぞれ連通される。好ましくは、貯液タンク１２５が一つ又は複数である。各液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０は、同じでもよく異なってもよい。複数の容積可変アセンブリ１２１は、並列に間隔配置され、又は、他の形式で配置されてもよい。複数の容積可変アセンブリ１２１は、シリンジ１２１１から離れるブッシュロッド１２１２の一方端が対向して固定され、パワーアセンブリ１２２により同期に押し出される。パワーアセンブリ１２２の駆動により、複数のブッシュロッド１２１２は、それぞれのシリンジ１２１１を液体出入口１２１３に近接する方向に沿って均一な速度で摺動する。複数の異なる種類の微小液滴１９９を同時に生成することができる。
微小液滴１９９を生成する効率を高めるために、四番目の実施可能な形態として、液体吐出ピペットチップ１１０、容積可変アセンブリ１２１及び三方切替弁１２４は、それらの数が同じであり、かつ、いずれも複数である。各液体吐出ピペットチップ１１０の入口端１１１は、個別の細管１２３を介して、一つの三方切替弁１２４の第一のポートに、それぞれ連通される。各容積可変アセンブリ１２１の液体出入口１２１３は、個別の細管１２３を介して一つの三方切替弁１２４の第二のポートに連通される。各三方切替弁１２４の第三のポートは、貯液タンク１２５に、それぞれ連通される。好ましくは、貯液タンク１２５は一つの又は複数である。各液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０は、同じでもよく異なってもよい。複数の容積可変アセンブリ１２１は、並列に間隔配置され、他の形式で配置されてもよい。各容積可変アセンブリ１２１は、個別のパワーアセンブリ１２２に、それぞれ対応している。パワーアセンブリ１２２の駆動により、複数のブッシュロッド１２１２がそれぞれのシリンジ１２１１を液体出入口１２１３に近接する方向に沿って均一な速度で摺動する。複数の異なる種類の微小液滴１９９を同時に生成することができるだけでなく、各液体吐出ピペットチップ１１０により生成された微小液滴１９９の体積の均一性を確保できることを前提として、さらに、各種類の液滴１９５の体積を個別に制御することができ、複数の液体吐出ピペットチップ１１０の微小液滴１９９の生成状態を個別に制御することに役立つ。
従来の運動制御機構が使用される工程では、液体吐出ピペットチップの出口端と油相組成物との対向運動を正確に制御できず、生成された微小液滴の体積の均一性が比較的高くない。
このことに鑑み、液体吐出ピペットチップの注射／噴射法により微小液滴を生成する際に、従来の運動制御機構により液体吐出ピペットチップの出口端と油相組成物との対向運動を正確に制御できず、生成された微小液滴の体積の均一性が比較的高くないという課題について、液体吐出ピペットチップの出口端と油相組成物との対向運動を正確に制御できる運動制御機構を提供するニーズが存在している。
微小液滴１９９の生成工程では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、瞬間加速度運動を含む周期的な運動を行うことから、微小液滴１９９を効果的に生成することができるだけでなく、生成された微小液滴１９９の寸法を便宜に制御することに役立つ。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、正弦波状に変位して周期的な運動を行うことから、微小液滴１９９を効果的に生成することができるだけでなく、生成された微小液滴１９９は、その体積がよい均一性を持っている。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、運動制御機構１３０の駆動により、瞬間加速度運動を含む周期的に運動、又は、正弦波状に変位して周期的な運動を行う。
図３０に示されるように、本出願が提供する運動制御機構１３０は、支持フレーム１３１、接続手段１３２及び駆動素子を含む。接続手段１３２は、液体吐出ピペットチップ１１０に接続されるために用いられる。駆動素子は、支持フレーム１３１に固定され、接続手段１３２に動力伝達可能に接続される。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、駆動素子の駆動により、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行う。本出願が提供する運動制御機構１３０は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うように連動して微小液滴１９９を生成することにより、微小液滴１９９の生成効率が高く、しかも、均一性が高いという利点を持っている。本出願に係る運動制御機構１３０は、例えば、揺動シリンダや回転電気磁石１３７などの他の回転駆動装置が適用されてもよい。
本出願に係る一実施例では、駆動素子は、振動モーター１３３を含み、振動モーター１３３は、出力軸が接続手段１３２に動力伝達可能に接続されるガルバノミラーモーター（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ ｍｏｔｏｒ）のタイプのものであることが好ましい。ガルバノミラーモーターは、安定かつ高速の往復揺動及び往復の直線動作を行うことが可能であり、しかも、揺動の幅及び周波数が要求に応じて設定され得るため、本出願に係る運動制御機構１３０を応用する範囲を大幅に拡大される。好ましくは、回転モーターは、ボイスコイルモーター又は圧電モーターが適用されている。さらに、振動モーター１３３は、クローズドループ制御の振動角度又は位置を有するモーターが適用されてもよい。クローズドループ制御の振動角度又は位置を有するモーターにより、液体吐出ピペットチップ１１０の出力端の振動を駆動することにより、液体吐出ピペットチップ１１０の揺動軌跡を正確に制御し、さらに、環境やシステムからの干渉をさらに低減することができる。
以下に、図３１に基づいて、本願におけるクローズドループ制御の振動角度又は位置を有するモーターの応用について説明する。クローズドループ制御の振動角度又は位置を有するモーターは、赤外線位置センサー、制御回路及び信号処理回路などの部材を含む。本実施例では、運動制御機構１３０の回転軸に赤外線位置センサーを装着し、赤外線位置センサーにより、その検知された位置信号を制御回路にフィードバックし、制御回路により、ＰＩＤの自動化制御の原理に基づいてそれぞれフィードバックされた位置信号に対して比例、積分や微分の演算を処理すると共に、位置フィードフォワード及び速度リングや電流リングなどの信号処理回路を組み合わせて、モーターが運動する時に絶対位置への正確な制御を実現することができる。クローズドループ制御の振動角度又は位置を有するモーターを使用すると、複雑な負荷の環境の変化により他の振動モーター１３３の振動位置が変更されてしまうことを避け、プロジェクトでは液滴１９５に体積及び生成速度を正確に制御することに役立つ。
本出願に係る一実施例では、接続手段１３２は、継ぎ手１３２１を含む。継ぎ手１３２１は、振動モーター１３３の出力軸に動力伝達可能に接続される。継ぎ手１３２１は、中空の管状であり、一方端が液体吐出ピペットチップ１１０に接続され、他方端が液体吐出ピペットチップ１１０の流体制御機構に接続される。液体吐出ピペットチップ１１０に微小液滴１９９を生成するための第一の液体１９０が貯留されており、流体制御機構は、微小液滴１９９を生成する工程に液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０を所定流速で排出するということに役割を持っている。液体吐出ピペットチップ１１０に貯留されている第一の液体１９０は、流体制御機構の制御により、一定の流速で排出される。或いは、その流速は、規律性に変化してもよく、又は、他の種類の所定流速とされてもよい。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０内の第一の液体１９０は、流体制御機構の制御により、一定の流速で液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２から排出される。具体的に、流体制御機構は、その細管１２３が液体吐出ピペットチップ１１０から離れる継ぎ手１３２１の一方端に接続される。継ぎ手１３２１は、液体吐出ピペットチップ１１０と流体制御機構とを連通させると共に液体吐出ピペットチップ１１０が運動するように連動する役割を同時に果たす。一つの実施可能な形態として、継ぎ手１３２１は、液体吐出ピペットチップ１１０に接続されてから、液体吐出ピペットチップ１１０と同軸である。
液体吐出ピペットチップ１１０の着脱を便宜にするように、液体吐出ピペットチップ１１０に近接する継ぎ手１３２１の一方端は、その外縁が逆円錐台状であり、液体吐出ピペットチップ１１０が継ぎ手１３２１における逆円錐台状の一方端に周設される。液体吐出ピペットチップ１１０に近接する継ぎ手１３２１の一方端は、その外縁が逆円錐台状とされることから、液体吐出ピペットチップ１１０の着脱抵抗を低減すると共に、液体吐出ピペットチップ１１０の堅固な装着を便宜にすることができる。さらに、接続手段１３２は、接続軸１３２２を含み、接続軸１３２２は支持フレーム１３１に回転的に配置され、接続軸１３２２が振動モーター１３３に動力伝達可能に接続される。継ぎ手１３２１は、その数が複数であり、複数の継ぎ手１３２１は、間隔をあけて接続軸１３２２に固定配置される。一つの接続軸１３２２には、間隔をあけて複数の継ぎ手１３２１を装着し、複数の継ぎ手１３２１により複数の液体吐出ピペットチップ１１０を同時に装着できることから、微小液滴１９９の生成効率を大幅に高めることができる。
好ましくは、接続軸１３２２が支持フレーム１３１に回転可能に配置され、接続軸１３２２を含む両端は、支持フレーム１３１に回転可能に接続され、接続軸１３２２の他の位置は支持フレーム１３１に回転可能に接続される。本実施例では、接続軸１３２２は、両端が支持フレーム１３１に回転可能に配置され、一方端が振動モーター１３３に動力伝達可能に接続され、複数の継ぎ手１３２１は、接続軸１３２２の両端間に固定配置される。接続軸１３２２の両端は、支持手段に回転可能に配置されることから、回転軸全体に回転の安定性を高めることができる。一つの実施可能な形態として、接続軸１３２２の両端は、回転軸受により、支持フレーム１３１に回転可能に配置される。他の実施例では、回転及び伝動の条件が満たされている場合に、接続軸１３２２の他の位置を支持フレーム１３１に回転可能に配置してもよい。
継ぎ手１３２１は、接続軸１３２２に固定されると、継ぎ手１３２１の軸方向と接続軸１３２２の軸方向との夾角により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動軌跡及び運動速度を変更することができる。一つの実施可能な形態として、継ぎ手１３２１の軸方向と接続軸１３２２の軸方向とが互いに垂直している。継ぎ手１３２１の軸方向と接続軸１３２２の軸方向とが互い垂直しているように保持できれば、液体吐出ピペットチップ１１０が接続軸１３２２の回転を十分に利用して自体の振動を実現することに役立つ。さらに、複数の継ぎ手１３２１が、等間隔をあけて、接続軸１３２２の両端間に間隔配置される。等間隔をあけて間隔配置される液体吐出ピペットチップ１１０は、第二の液体６９９の液面下に振動している工程に、第二の液体６９９を均一に干渉して、各液体吐出ピペットチップ１１０が微小液滴１９９を生成する環境及び条件を同じくすることを確保することができる。
本出願に係る一実施例では、駆動素子が圧電セラミック１３５及び弾性手段１３６を含む。圧電セラミック１３５は、通電されて第一の方向に変形すると、接続手段１３２の継ぎ手１３２１が第一の方向に運動するように駆動し、接続手段１３２に接続される弾性手段１３６に弾性変形される。一方、圧電セラミック１３５は、通電されて第一の方向と反対方向に変形すると、弾性手段１３６は、弾性変形が回復されながら連動接続手段１３２の継ぎ手１３２１が第一の方向と反対方向に運動するように連動する。このように繰り返すと、接続手段１３２は、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で運動を行うように連動する。図３２に示されるように、具体的に、圧電の方式により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うことができる。継ぎ手１３２１は、軸受を介して支持フレーム１３１に回転可能に配置され、液体吐出ピペットチップ１１０が継ぎ手１３２１の一方端に周設され、液体吐出ピペットチップ１１０が軸受の軸心を中点として円弧の軌跡運動を行うことができる。継ぎ手１３２１が支持フレーム１３１に回転可能に接続される位置に、対称する延在板１３４を有し、延在板１３４の延在方向と継ぎ手１３２１の延在方向とが垂直している。駆動素子は、圧電セラミック１３５及び弾性手段１３６を含み、圧電セラミック１３５及び弾性手段１３６は、協働して接続手段１３２を駆動する。圧電セラミック１３５と弾性手段１３６とにより、駆動延在板１３４を介して、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の急速な振動を実現することができる。圧電の方式によれば、構造が簡単であり、駆動の性能が安定であるという利点を持っている。
本出願に係る一実施例では、駆動素子は、電気磁石１３７、磁気手段１３８及び弾性手段１３６を含み、弾性手段１３６の一方端が支持フレーム１３１に固定配置され、接続手段１３２が弾性手段１３６の他方端に固定配置され、磁気手段１３８が接続手段１３２の継ぎ手１３２１に固定接続される。電気磁石１３７は、通電されて磁気手段１３８に第一の方向の力をかけると、磁気手段１３８及び接続手段１３２の継ぎ手１３２１が第一の方向に運動しながら、弾性手段１３６が弾性変形する。電気磁石１３７は、断電されると、弾性手段１３６により、接続手段１３２の継ぎ手１３２１及び磁気手段１３８が第一の方向と反対方向に運動するように連動する。電気磁石１３７への通断電を制御することにより、磁気手段１３８が、接続手段１３２を介して、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で運動を行うように連動する。
具体的に、図３３に示されるように、電磁気の方式により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うことができる。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動軌跡は、平面円弧の水平セグメントと近い。弾性手段１３６は、一方端が支持フレーム１３１に固定され、他方端が継ぎ手１３２１に固定接続される。液体吐出ピペットチップ１１０は、継ぎ手１３２１の一方端に周設される。駆動素子は、電気磁石１３７及び磁気手段１３８を含み、磁気手段１３８が接続手段１３２に固定接続され、電気磁石１３７が磁気手段１３８により接続手段１３２を駆動する。電気磁石１３７は、支持フレーム１３１に固定配置されることから、電気磁石１３７に引き寄せられる磁気手段１３８が継ぎ手１３２１に固定配置され、電気磁石１３７と一緒に作動可能な距離に保持される。位置センサーが磁気手段１３８の運動位置を検知し、演算により液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の位置を算出することができる。電気磁石１３７は、通電されると、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように運動しながら、弾性手段１３６が弾性変形によりエネルギーを蓄積する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７に近接して第一の所定位置まで運動している時に、電気磁石１３７が断電される。液体吐出ピペットチップ１１０が弾性手段１３６の回復力により電気磁石１３７から離れる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７から離れ第二の所定位置まで運動すると、電気磁石１３７が通電される。電気磁石１３７は、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように連動しながら、弾性手段１３６が弾性変形によりエネルギーを蓄積する。このように繰り返す。具体的な状況に応じて、電気磁石１３７の動作パラメータ及び弾性手段１３６の弾性係数を調整し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。一つの実施可能な形態として、弾性手段１３６は、弾性鋼片、又は、その他の弾性要求が満たされるものが含まれてもよい。
図３４に示されるように、本出願に係る一実施例では、電磁気の方式により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の運動軌跡は、平面円弧の垂直セグメントと近い。弾性手段１３６は、一方端が支持フレーム１３１に固定され、他方端が継ぎ手１３２１に固定接続される。液体吐出ピペットチップ１１０は、継ぎ手１３２１の一方端に周設される。電気磁石１３７は、支持フレーム１３１に固定配置され、電気磁石１３７に引き寄せられる磁気手段１３８が継ぎ手１３２１に固定配置され、電気磁石１３７と一緒に動作可能な距離範囲に保持される。位置センサーは、磁気手段１３８の運動位置を検知し、演算により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の位置を算出することができる。電気磁石１３７は、通電されると、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように連動しながら、弾性手段１３６が弾性変形によりエネルギーを蓄積する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７に近接し、第一の所定位置まで運動している時に、電気磁石１３７が断電される。液体吐出ピペットチップ１１０が弾性手段１３６の回復力により電気磁石１３７から離れる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、電気磁石１３７から離れ、第二の所定位置まで運動すると、電気磁石１３７が通電される。電気磁石１３７は、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように連動しながら、弾性手段１３６が弾性変形によりエネルギーを蓄積する。このように繰り返す。具体的な状況に応じて、電気磁石１３７の動作パラメータ及び弾性手段１３６の弾性係数を調整し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。一つの実施可能な形態として、弾性手段１３６は、弾性の鋼片、又は、その他の弾性要求が満たされるものが含まれてもよい。
本出願に係る一実施例では、駆動素子は、電気磁石１３７及び磁気手段１３８を含み、磁気手段１３７が接続手段１３２の継ぎ手１３２１に固定接続され、電気磁石１３７が変化磁界を生成し、磁気手段１３８が変化磁界を運動する。磁気手段１３７は、接続手段１３２を介して、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で運動を行うように連動する。
さらに、図３５に示されるように、電気磁石１３７により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。継ぎ手１３２１は、軸受により、支持フレーム１３１に回転可能に配置され、液体吐出ピペットチップ１１０が継ぎ手１３２１の一方端に周設される。電気磁石１３７が支持フレーム１３１に固定配置されることから、電気磁石１３７に引き寄せられる磁気手段１３８が継ぎ手１３２１に固定配置され、電気磁石１３７と一緒に動作可能な距離範囲に保持される。位置センサーは、継ぎ手１３２１の回転角度を検知し、演算により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の位置を算出することができる。電気磁石１３７は、通電されると、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように連動し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７に近接し第一の所定位置まで運動すると、電気磁石１３７の通電方向が変えられる。液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７の反力により電気磁石１３７から離れる。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７から離れ、第二の所定位置まで運動すると、電気磁石１３７の通電方向が再度変えられる。電気磁石１３７は、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に運動するように連動する。このように繰り返す。具体的な状況に応じて、電気磁石１３７の動作パラメータを調整し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。
上記実施例では、振動モーター１３３が回転を出力し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が円弧の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行う。また、他の実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が直線の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行ってもよい。
図３６に示されるように、本出願に係る一実施例では、電気磁石１３７により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が直線の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うことができる。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、水平面に直線軌跡で振動を行う。継ぎ手１３２１は、リニア軸受を介して、支持フレーム１３１に摺動可能に配置され、液体吐出ピペットチップ１１０が継ぎ手１３２１の一方端に周設される。電気磁石１３７は、支持フレーム１３１に固定配置されることから、電気磁石１３７に引き寄せられる磁気手段１３８は、継ぎ手１３２１に固定配置され、電気磁石１３７と一緒に動作可能な距離範囲に保持される。位置センサーは、継ぎ手１３２１の摺動位置を検知し、演算により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の位置を算出することができる。電気磁石１３７は、通電される時に、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に摺動ように連動する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７に近接し、第一の所定位置まで運動している時に、電気磁石１３７の通電方向が変えられる。液体吐出ピペットチップ１１０は、電気磁石１３７の反力により電気磁石１３７から離れるように摺動する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７から離れ、第二の所定位置まで運動している時に、電気磁石１３７の通電方向が再度変えられる。電気磁石１３７は、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に摺動するように連動する。このように繰り返す。具体的な状況に応じて、電気磁石１３７の動作パラメータを調整し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、変位が正弦波状に変化し又は速度が方形波状に変化する振動を実現することができる。
図３７に示されるように、本出願に係る一実施例では、電気磁石１３７により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が直線の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行う。本実施例では、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２は、垂直面に直線の軌跡で振動する。継ぎ手１３２１は、リニア軸受を介して、支持フレーム１３１に摺動可能に配置され、液体吐出ピペットチップ１１０が継ぎ手１３２１の一方端に周設される。電気磁石１３７は、支持フレーム１３１に固定配置され、電気磁石１３７に引き寄せられる磁気手段１３８が継ぎ手１３２１に固定配置され、電気磁石１３７と一緒に動作可能な距離範囲に保持される。位置センサーは、継ぎ手１３２１の摺動位置を検知し、演算により、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２の位置を算出することができる。電気磁石１３７は、通電される時に、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に摺動するように連動する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７に近接し、第一の所定位置まで運動している時に、電気磁石１３７の通電方向が変えられる。液体吐出ピペットチップ１１０は、電気磁石１３７の反力により電気磁石１３７から離れるように摺動する。液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が電気磁石１３７から離れ第二の所定位置まで運動すると、電気磁石１３７の通電方向が再度変えられる。電気磁石１３７は、磁気手段１３８を引き寄せ、液体吐出ピペットチップ１１０が電気磁石１３７に近接する方向に摺動するように連動する。このように繰り返す。具体的な状況に応じて、電気磁石１３７の動作パラメータを調整し、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を実現することができる。
ガルバノミラーモーターは、往復リニア運動を出力することができる。本出願に係る他の実施例では、ガルバノミラーモーターにより、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が直線の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うように駆動する。
ガルバノミラーモーターは、往復リニア運動を出力することができる。本出願に係る他の実施例では、ガルバノミラーモーターにより、液体吐出ピペットチップ１１０の出口端１１２が直線の軌跡で、正弦波状に変化する変位又は方形波状に変化する速度で振動を行うように駆動する。
本出願が提供する微小液滴生成装置及び生成方法は、医学臨床検査、ナノ材料製造、食料品及び環境検査、生化学解析などの応用分野に幅広く応用される。一つの具体の適用例としては、本出願が提供する微小液滴１９９の生成装置及び生成方法がポリメラーゼ連鎖反応（ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅＣｈａｉｎＲｅａｃｔｉｏｎ、ＰＣＲ）に応用される。
従来の流体駆動機構及び流体駆動方法は、液体吐出ピペットチップを駆動しこれを運動させる時に排出された液体の流速が不安定であり、制御不可能であることにより、微小液滴の体積にランダム性が現れるという課題について、液体吐出ピペットチップが所定流速で液体を排出することを確保することができる流体駆動機構及び流体駆動方法を提供する。
図３８－４３に示されるように、本出願が提供する流体駆動機構１２０は、微小液滴生成システムにより微小液滴を生成する工程に、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出された第三の液体８２０の流速及び流量を制御するために用いられる。本出願が提供する流体駆動機構１２０は、筐体１００、第一の容積可変アセンブリ２００及びリニアモーターアセンブリ３００を含む。流体駆動機構１２０の筐体１００は、支持という役割を同時に持ち、第一の容積可変アセンブリ２００は、流体駆動工程の実行部であり、リニアモーターアセンブリ３００は、流体駆動工程の駆動部であり、第一の容積可変アセンブリ２００及びリニアモーターアセンブリ３００は、両方でも筐体１００に装着される。第一の容積可変アセンブリ２００は、第一のシリンジ２０１及び第一のブッシュロッド２０２を含み、第一のシリンジ２０１の外壁が筐体１００の内壁に固定装着され、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１の内壁と摺動して協働し、言い換えると、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１に摺動可能に装着される。第一のシリンジ２０１には、第一の駆動液体８１０を貯留可能であり、第一のシリンジ２０１が液体出入口を有し、液体出入口が第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端に連通可能であり、第一の液体吐出ピペットチップ８３０には、第三の液体８２０が貯留される。リニアモーターアセンブリ３００の出力端は、第一のブッシュロッド２０２に動力伝達可能に接続され、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１の延在方向に沿って摺動するように駆動するために用いられる。微小液滴を生成する工程に、リニアモーターアセンブリ３００の出力端は、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１に貯留される第一の駆動液体８１０を押圧するように駆動し、そして、押圧された第一の駆動液体８１０が第一の液体吐出ピペットチップ８３０に貯留される第三の液体８２０を押圧し、最終的に、第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出する。第三の液体８２０が第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出される流速及び流量は、リニアモーターアセンブリ３００の出力端の運動状態に基づくものである。
上記流体駆動機構１２０は、第一の駆動液体８１０の非圧縮性により、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端が高周波数で振動している時でも、依然として、所定の流速及び流量で、第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出することを確保することができる。リニアモーターアセンブリ３００は、比較的高い運動精度を持っているのに加えて、液体排出速度や液体排出圧力などの実際の状況に応じて電流を自由に調整することにより、第一のブッシュロッド２０２が所定速度で摺動し又は所定距離だけ摺動することを確保することができ、そして、第三の液体８２０が所定の流速及び流量で第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出されることを正確に実現することができる。本出願が提供する流体駆動機構１２０によれば、生成された微小液滴の体積を正確に制御することができる。
本出願に係る第一のシリンジ２０１は、直筒状又は折り曲げ状であってもよい。第一のシリンジ２０１の液体出入口は、第一のシリンジ２０１の一方端又は中間位置に設けられてもよい。本出願は、第一のシリンジ２０１や第一のブッシュロッド２０２の具体的な構造及び両者の具体的な位置関係が限定されない。説明を便宜にするように、図４１及び図４２に示されるように、本出願は、直筒状である第一のシリンジ２０１であって、第一のシリンジ２０１の一方端に液体出入口が設けられ、第一のシリンジ２０１と摺動可能に装着される第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１の他方端を貫通する第一のシリンジ２０１を例として挙げた。しかしながら、本出願の他の実施例では、第一の容積可変アセンブリ２００は、如何なる容積可変機能を実現可能な構造であってもよい。
本出願に係る一実施例では、図３８－４３に示されるように、リニアモーターアセンブリ３００は、ボイスコイルモーター３０１を含み、ボイスコイルモーター３０１の一次側３１１が筐体１００の内壁に固定装着され、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が第一のブッシュロッド２０２に第一のブッシュロッド２０２の摺動方向に沿って固定接続される。ボイスコイルモーター３０１は、レスポンスが速く、速度が高く、加速度が高いという利点のみならず、構造が簡単であり、体積が小さく、制御が便宜であるという利点も持っている。ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２は、電流を制御することにより、摺動の抵抗が増大し又は減少する時でも依然として所定の摺動速度を保持することができ、第三の液体８２０の液体の排出の圧力が変化する時でも依然として所定の液体の排出流速を手軽に保持することができる。ボイスコイルモーター３０１は、実際の状況に応じて、所定の摺動位置、所定の摺動速度又は所定の駆動圧力値などに従って動作することができ、そして、第一の容積可変アセンブリ２００によれば、第三の液体８２０が所定の体積で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出されること、所定の流速で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出されること、又は、所定の排出圧力で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出されることなどを正確に実現することができる。
さらに、図３９－４０に示されるように、ボイスコイルモーター３０１が第一のシリンジ２０１の片側に配置され、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２の摺動方向が第一のシリンジ２０１内の第一のブッシュロッド２０２の摺動方向と平行し、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が第一のブッシュロッド２０２に動力伝達可能に接続される。ボイスコイルモーター３０１を第一のシリンジ２０１の片側に配置すると、第一のシリンジ２０１の延在方向に沿う流体駆動機構１２０の寸法を小さくすることができ、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２の摺動方向が第一のブッシュロッド２０２の摺動方向と同じであることは、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と第一のブッシュロッド２０２との接続方式を簡素化することができる。一つの実施可能な形態として、図３９－４２に示されるように、リニアモーターアセンブリ３００は、接続板３０２をさらに含み、接続板３０２は、一方端がボイスコイルモーター３０１の二次側３１２に固定接続され、他方端が第一のシリンジ２０１の外側に位置する第一のブッシュロッド２０２の一方端に固定接続される。理解可能なことは、接続板３０２が筐体１００に可動に配置され、接続板３０２がボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と同期に摺動し、そして、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が接続板３０２により、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１を同期に摺動するように連動する。他の実施例では、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２の摺動方向は、第一のブッシュロッド２０２の摺動方向と同軸に配置され、垂直配置され、又は、他の実施可能に配置されてもよい。
なお、さらに、図４２－４７に示されるように、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２は、ボビン３１２１及びコイル３１２２を含み、コイル３１２２がボビン３１２１に巻設され、ボビン３１２１と接続板３０２とが一体成形される。一体成形されたボビン３１２１及び接続板３０２により、さらに、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と第一のブッシュロッド２０２との間に動作誤差が無くなり、第一のブッシュロッド２０２とボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が同期に運動する精度を確保することができる。他の実施例では、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と接続板３０２との接続は、ねじ、係合などの接続手段により固定接続を実現してもよい。本出願は、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と接続板３０２との接続方式が限定されておらず、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２は、接続板３０２を介して第一のブッシュロッド２０２が同期に摺動するように連動することができればよい。
本出願に係る一実施例では、図４０及び図４２に示されるように、リニアモーターアセンブリ３００は、ガイド手段３０３をさらに含み、ガイド手段３０３がガイドレール及びスライドブロックを含み、ガイドレールが筐体１００に固定配置され、ガイドレールの延在方向と第一のブッシュロッド２０２の摺動方向とが平行し、スライドブロックがガイドレールに摺動的に配置され、スライドブロックが接続板３０２に固定接続される。ガイド手段３０３は、接続板３０２が摺動している工程に、ガイドという役割を持ち、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が接続板３０２により第一のブッシュロッド２０２を連動して同期に摺動する工程に安定性を確保し、第三の液体８２０を所定の流量又は流速で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出することを正確に制御することができる。さらに、リニアモーターアセンブリ３００は、筐体１００に配置されボイスコイルモーター３０１に電気接続される変位センサーをさらに含む。変位センサーは、同期に摺動するボイスコイルの二次側３１２、接続板３０２及び第一のブッシュロッド２０２の摺動位置や摺動速度などを検知するために用いられ、変位センサーは、ボイスコイルモーター３０１に電気接続され、ボイスコイルモーター３０１に対するクローズドループ制御を実現することができる。好ましくは、上記変位センサーは、ラスター式、磁気グリッド式、抵抗式又は差動変圧器式（ＬＶＤＴ）の変位センサーなどを含む。具体的に、変位センサーは、光電式リニア変位センサーとされる。本出願に係る他の実施例では、ボイスコイルモーター３０１自体がサーボモーターであり、ボイスコイルモーター３０１のクローズドループ制御システムがボイスコイルモーター３０１の内部に集積されることから、本出願が提供する流体駆動機構１２０の体積をより減少することができる。
本出願に係る一実施例では、図４２－４５に示されるように、ボイスコイルモーター３０１は、一次側３１１及び二次側３１２を含む。一次側３１１は、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２を含み、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２は、二次側３１２の摺動方向に沿って筐体１００に順次配置され、第一の磁気体対３１１１における二つの磁気体の異なる磁極が対向配置され、第二の磁気体対３１１２における二つの磁気体の異なる磁極が対向配置され、第一の磁気体対３１１１間の磁気誘導線の方向と第二の磁気体対３１１２間の磁気誘導線の方向が反対している。二次側３１２は、ボビン３１２１及びコイル３１２２を含み、コイル３１２２がボビン３１２１に巻設され、コイル３１２２は、通電されると、電流方向が反対となる第一の段３１２５及び第二の段３１２６を有し、二次側３１２が摺動する時に、コイル３１２２の第一の段３１２５が第一の磁気体対３１１１間を摺動し、コイル３１２２の第二の段３１２６が第二の磁気体対３１１２間を摺動する。二つの対磁気体及びコイル３１２２は、コイル３１２２の第一の段３１２５及び第二の段３１２６に同じ方向かつ同じ大きい誘導力が同時に生成可能であり、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が急速に動作することに役立ち、ボイスコイルモーター３０１に感度を高めることができる。
一つの実施可能な形態として、図４３－４５に示されるように、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２は、いずれも長方形板状の磁気体であり、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２は、いずれも筐体１００の内壁に固定装着される。第一の磁気体対３１１１の一方端は、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２の摺動方向に沿って、第二の磁気体対３１１２の一方端に当接装着される。ボビン３１２１は、中空の丸角長方形であり、ボビン３１２１の一方端面に丸角長方形のリング状溝を設け、同様に中空の丸角長方形状とされるコイル３１２２もボビン３１２１のリング状溝に固定装着される。コイル３１２２は、電流が流れると、第一の段３１２５及び第二の段３１２６が同時に同じ方向かつ同じ大きい誘導力を生成し、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２が共に固定されているため、通電されたコイル３１２２が誘導力の方向に摺動し、コイル３１２２に固定されるボビン３１２１がコイル３１２２と共に同期に運動する。そして、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２は、接続板３０２を介して、第一のブッシュロッド２０２を連動して同期に運動する。変位センサーが第一のブッシュロッド２０２に同期に摺動する接続板３０２が所定位置まで摺動することを検知した時に、変位センサーが信号を送信し、ボイスコイルモーター３０１に断電され、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が摺動を停止するようにする。又は、変位センサーが第一のブッシュロッド２０２に同期に摺動する接続板３０２が摺動速度で微細な波動を生成する時に、変位センサーが信号を送信し、ボイスコイルモーター３０１に流れる電流を併せて調整し、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２が接続板３０２により、第一のブッシュロッド２０２が所定速度で摺動するように連動することを確保し、第三の液体８２０を所定流速で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出し、均一な微小液滴を生成することを実現することができる。本出願に係る他の実施例では、ボイスコイルモーター３０１は、他のタイプの構造であってもよい。
さらに、図４３－４４に示されるように、筐体１００は、対向する第一の装着端面１４１及び第二の装着端面１４３を含み、第一の装着端面１４１及び第二の装着端面１４３に、それぞれ第一の装着孔１４２及び第二の装着孔１４４が設けられ、第一の装着孔１４２及び第二の装着孔１４４が対向配置される。ボイスコイルモーター３０１の一次側３１１は、第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５をさらに含み、第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５は、それぞれ、第一の装着孔１４２及び第二の装着孔１４４に着脱可能に固定される。第一の磁気体対３１１１における二つの磁気体は、それぞれ、二次側３１２の摺動方向に沿う第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５の一方端に装着され、第二の磁気体対３１１２における二つの磁気体が二次側３１２の摺動方向に沿う第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５の他方端に装着される。ボイスコイルモーター３０１は、筐体１００から全体に取り外され、又は、組立が終わると全体として筐体１００に装着されることから、ボイスコイルモーター３０１の組立精度を確保しボイスコイルモーター３０１の着脱の便宜性を高めることができる。一つの実施可能な形態として、第一の装着孔１４２及び第二の装着孔１４４は、いずれも丸角長方形孔であり、第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５は、いずれも対応して丸角長方形板である。第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５は、ねじにより、それぞれ、第一の装着孔１４２及び第二の装着孔１４４に固定される。第一の装着板３１１４及び第二の装着板３１１５が対向する両側面は、いずれも第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２を装着する長方形溝を有し、第一の磁気体対３１１１及び第二の磁気体対３１１２は、第一の対装着板及び第二の対装着板の長方形溝内に装着される。
なお、さらに、筐体１００が中空の長方体状であり、流体駆動機構１２０の第一の容積可変アセンブリ２００及びリニアモーターアセンブリ３００は、いずれも筐体１００の内部に装着される。筐体１００の一方端面に、接続孔が設けられ、複数の筐体１００は、接続孔を介してベースに並列して装着される。複数の流体駆動機構１２０は、並列して装着されると、複数の微小液滴の生成工程を同時に制御することができ、微小液滴の生成効率を大幅に高めることができる。一つの実施可能な形態として、図３８、３９及び４３に示されるように、流体駆動機構１２０の稼働工程では、筐体１００が空間の垂直方向に対向する天井端面１４５及び底部端面１４０を有し、筐体１００における第一のシリンジ２０１の延在方向及びボイスコイルモーター３０１における二次側３１２の摺動方向は、いずれも空間の垂直方向である。筐体１００は、第一のシリンジ２０１からボイスコイルモーター３０１までの方向に対向する二つの側端面１５０を有し、また、筐体１００は、第一の装着板３１１４から第二の装着板３１１５までの方向に対向する第一の装着端面１４１及び第二の装着端面１４３を有する。複数の流体装着機構は、並列して装着された時に、複数の筐体１００の第一の装着端面１４１と第二の装着端面１４３との間に順次貼り付けられている。筐体１００の接続孔は、それぞれ、筐体１００の同じ片側の端面１５０に設けられ、又は、二つの側端面１５０に設けられる。筐体１００は、いずれも、接続孔に螺合されるねじによりベースに固定装着される。一つの具体の実施例では、並列して延在する方向の筐体１００の寸法は１８ｍｍであり、言い換えると、筐体１００における対向する第一の装着端面１４１と第二の装着端面１４３との間の距離が１８ｍｍである。複数の流体駆動機構１２０は、並列して装着された後に、間隔距離が１８ｍｍの複数の試薬溝に、第三の液体８２０を所定の流速及び流量で第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出するように同時に制御し、微小液滴を効果的に生成することができる。本出願に係る他の実施例では、並列して装着された複数の流体駆動機構１２０間の距離は、複数の試薬溝間の間隔距離に合う可能であれば、他の大きさとされてもよい。
上記態様に係る流体駆動機構１２０に基づいて、本出願がさらに提供する流体駆動方法は、リニアモーターアセンブリ３００は、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１に貯留される第一の駆動液体８１０を押圧するように駆動するステップと、第一の駆動液体８１０は、第一の液体吐出ピペットチップ８３０に貯留される第三の液体８２０を押圧するステップと、第三の液体８２０は、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出されるステップとを含む。上記流体駆動方法は、第一の駆動液体８１０の非圧縮性を利用して、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端が高周波数で振動する時でも依然として所定の流速及び流量で第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出することを確保することができる。第一の駆動液体８１０と第三の液体８２０が互いに溶解されず、両者の物質の交換がされないということは理解可能である。一般的には、第一の駆動液体８１０の密度が第三の液体８２０の密度よりも小さい。好ましくは、第一の駆動液体８１０は、鉱油又はアルカンなどである。一つの実施可能な形態として、第一の液体吐出ピペットチップ８３０から排出される第三の液体８２０は、第一の駆動液体８１０を貯留している貯留容器へ落下し、貯留容器へ落下した第三の液体８２０は、第一の駆動液体８１０を落下する。リニアモーターアセンブリ３００は、比較的高い運動精度を有するのみならず、液体排出速度や液体排出圧力などの実際の状況に応じて電流を自由に調整することにより、第一のブッシュロッド２０２が所定速度で摺動し又は所定距離だけ摺動することを確保することができ、第三の液体８２０を所定の流速及び流量で第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から正確に排出することを実現することができる。本出願が提供する流体駆動方法は、生成された微小液滴の体積を正確に制御することができる。
本出願に係る一実施例では、図４０－４１及び図４８－４９に示されるように、流体駆動機構１２０は、切替弁４００をさらに含み、切替弁４００は、第一の切替弁ポート４１１、第二の切替弁ポート４１２及び第三の切替弁ポート４１３を含み、第一の切替弁ポート４１１、第二の切替弁ポート４１２及び第三の切替弁ポート４１３は、それぞれ、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端、液体出入口及び第一の駆動液体８１０を貯留する貯液タンクに連通される。切替弁４００は、動作する時に、第一の切替弁ポート４１１及び第二の切替弁ポート４１２に連通可能であり、又は、第三の切替弁ポート４１３及び第二の切替弁ポート４１２に連通可能である。切替弁４００は、少なくとも、流体駆動機構１２０を制御して以下の二つのモードを実現することができる。一番目のモードでは、第一の容積可変アセンブリ２００の液体出入口を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端に連通し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一の容積可変アセンブリ２００が第一の液体吐出ピペットチップ８３０に液体の駆動力をかけ、第一の液体吐出ピペットチップ８３０内の第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から排出し、又は、第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端から第一の液体吐出ピペットチップ８３０に吸入する。二番目のモードでは、第一の容積可変アセンブリ２００の液体出入口を貯液タンクに連通し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一の容積可変アセンブリ２００が貯液タンクにおける第一の駆動液体８１０を第一の容積可変アセンブリ２００の第一のシリンジ２０１に吸入し、又は、第一の容積可変アセンブリ２００における駆動液を貯液タンクに押し出す。
さらに、図４８－４９に示されるように、切替弁４００が弁本体４１０及び連通ブロック４２０を含み、弁本体４１０が第一の切替弁ポート４１１、第二の切替弁ポート４１２及び第三の切替弁ポート４１３を含む。連通ブロック４２０には、互いに独立する第一の流路４２１、第二の流路４２２及び第三の流路４２３を設置し、第一の流路４２１、第二の流路４２２及び第三の流路４２３がいずれも連通ブロック４２０を貫通する。第一の流路４２１、第二の流路４２２及び第三の流路４２３は、一方端が第一の切替弁ポート４１１、第二の切替弁ポート４１２及び第三の切替弁ポート４１３にそれぞれ接続され、他方端が第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端、液体出入口及び第一の駆動液体８１０を貯留する貯液タンクに接続される。一つ又は複数の流路を設置する連通ブロック４２０は、構造が簡単であり、連通が安定であるという利点を持っている。なお、さらに、第一の流路４２１、第二の流路４２２及び第三の流路４２３の内面は、それぞれ、研磨され丸角で遷移される。第一の流路４２１、第二の流路４２２及び第三の流路４２３の内面は、いずれにも死角がなく、気泡の残留や吸着を効果的に避けることができる。
上記態様における流体駆動機構１２０に基づいて、図５０に示されるように、本出願がさらに提供するもう一つの流体駆動方法は、以下のステップを含む。ステップ（１）、切替弁４００を介して、第一のシリンジ２０１の液体出入口を貯液タンクに連通し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一のブッシュロッド２０２に第一のシリンジ２０１内を摺動させ、第一のシリンジ２０１の容積を変更し、貯液タンク内の第一の駆動液体８１０を第一のシリンジ２０１に吸入する。ステップ（２）、切替弁４００を介して、第一のシリンジ２０１の液体出入口を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端に連通し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１内を摺動し、第一のシリンジ２０１の容積を変更し、第一のシリンジ２０１内及び第一の液体吐出ピペットチップ８３０内の気体を排出する。ステップ（３）、第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端が第三の液体８２０に進入し、切替弁４００を介して第一のシリンジ２０１の液体出入口を第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端に連通することを維持し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１内を摺動し、第一のシリンジ２０１の容積を変更し、第三の液体８２０を第一の液体吐出ピペットチップ８３０に吸入する。ステップ（４）、切替弁４００は、第一のシリンジ２０１の液体出入口に第一の液体吐出ピペットチップ８３０の入口端に連通し、リニアモーターアセンブリ３００の連動により、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１内を摺動し、第一のシリンジ２０１の容積を変更し、第一の液体吐出ピペットチップ８３０に貯留される第三の液体８２０を所定流速で第一の液体吐出ピペットチップ８３０の出口端を排出する。
さらに、上記流体駆動方法には、リニアモーターアセンブリ３００が均一な速度で動作することにより、第一のブッシュロッド２０２が第一のシリンジ２０１を均一な速度で摺動するように連動し、最終的に、第一の駆動液体８１０又は第三の液体８２０が均一な流速で第一のシリンジ２０１に吸入し又は第一のシリンジ２０１から排出することを実現することができ、微小液滴を生成する工程全体の安定性及び生成された微小液滴の体積が均一であることを確保することができる。
一つの実施可能な形態として、図３８－４３に示されるように、筐体１００は、中空の長方体状であり、切替弁４００は、筐体１００における底端面１４０と片側端面１５０に近接する位置に固定装着され、第一の容積可変アセンブリ２００は、切替弁４００における連通ブロック４２０の上方に装着される。ボイスコイルモーター３０１は、第一の容積可変アセンブリ２００の側面に装着され、ボイスコイルモーター３０１の二次側３１２と第一の容積可変アセンブリ２００とが接続板３０２を介して固定接続され、ガイド手段３０３が筐体１００にボイスコイルモーター３０１と第一の容積可変アセンブリ２００の第一のシリンジ２０１との間に装着される。流体駆動機構１２０は、電源ポート５００をさらに含み、電源ポート５００が筐体１００の天井端面１４５に装着され、電源ポート５００、ボイスコイルモーター３０１、切替弁４００及び変位センサーはいずれも電気接続される。電源ポート５００は、外部電源に電気接続され、流体駆動機構１２０内の素子に電力を提供してもよい。
上記の各実施例は、いずれも、医学臨床検査、ナノ材料製造、食料品及び環境検査、生化学解析などの応用分野に幅広く応用される。一つの具体的な適用例としては、本出願が提供する微小液滴１９９の生成装置及び生成方法がポリメラーゼ連鎖反応（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、ＰＣＲ）に適用される。
以上の前記実施例の各技術的特徴は、任意に組み合わせることができ、記述を簡潔にするために、上記実施例における各技術的特徴のすべての可能な組合せを記述しなかったが、これらの技術的特徴の組合せは矛盾しない限り、本明細書に記載されている範囲に属されると考えられる。
以上の実施例は、本出願の幾つかの実施形態のみを詳細に且つ、具体的に示しているが、本出願の保護範囲を限定するものではないと理解すべきである。当業者にとって、本出願の創造的構想を逸脱しない前提で、幾つかの変形や改良を行うことができ、これらはすべて本出願の保護範囲に属するべきであると理解しなければならない。従って、本出願の保護範囲は、特許請求の範囲に記載された内容を基準とする。
最後に、本明細書では、部材の番号自体、例えば、「第一」、「第二」などは、説明対象を区別するためのみに使用され、順序や技術的な意味がない。また、本出願における「接続」や「連結」には、特に指定のない限り、直接接続と間接接続（連結）の両方が含まれる本出願の説明では、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」、「内」、「外」、「時計回り」、「反時計回り」などの用語で示される方位又は位置関係は、図面で示される方位又は位置関係に基づいて、本出願の説明を容易にして説明を簡単にするためのものに過ぎず、言及された装置又は部品が必ず特定の方位を有し特定の方位で構造及び操作されることを指示又は示唆するものではないため、本発明を制限するものではないと理解されるべきある。
本明細書では、特に明示的に規定及び限定されていない限り、第一の特徴が第二の特徴の「上」又は「下」であるとは、第一の特徴が第二の特徴と直接接触するか、又は第一の特徴が第二の特徴と中間媒体を介して間接的に接触することを意味し得る。また、第一の特徴が第二の特徴の「上」、「上方」及び「上側」であるとは、第一の特徴が第二の特徴の直上又は斜め上方であるか、又は単に第二の特徴と比較して第一の特徴の水平高さが高いことを意味する。第一の特徴が第二の特徴の「下」、「下方」及び「下側」であるとは、第一の特徴が第二の特徴の直下又は斜め下方であるか、又は単に第二の特徴と比較して第一の特徴の水平高さが低いことを意味する。
本明細書では、第一や第二などのような関係用語は、ある実在物又は操作を別の実在物又は操作と区別するためにのみ使用され、これらの実在物又は操作の間にこのような実際の関係又は順序が存在することは、必ずしも必要でないか又は示唆されていない。また、用語の「備える」、「含む」又はその他の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図している。一連の要素を備える工程、方法、物品又は装置は、これらの要素だけでなく、明示的に列挙されていない他の要素も含むか、又はそのような工程、方法、物品又は装置に固有の要素も含む。より多くの制限がない場合、「を含む」という文で限定される要素は、その要素を含む工程、方法、物品又は装置における他の同じ要素の存在を排除するものではない。
本明細書の各実施例では、段階的に説明を行い、他の実施形態との相違点に着目して、実施例間で同じ又は類似の部分について互いに参照すれば良い。
開示された実施例の上記の説明により、当業者は、本出願を実施又は使用することができる。これらの実施例に対する様々な変更は当業者にとって自明である。本明細書で定義された一般的な原理は本出願の趣旨又は範囲を逸脱しない限り、他の実施例でも実施することができる。そのため、本出願は、本明細書に開示された実施例に限定されず、本明細書で開示された原理及び新たな特徴と一致している最も広い範囲に適合するべきである。

Claims (17)

  1. 支持フレーム（１３１）と、
    液体吐出ピペットチップ（１１０）に接続されるための接続手段（１３２）と、
    前記支持フレーム（１３１）に固定され、前記接続手段（１３２）に動力伝達可能に接続される駆動素子と、を含み、
    前記駆動素子の駆動により、前記液体吐出ピペットチップ（１１０）の出口端に、静的状態にある第二の液体の液面下に速度が周期変化する運動を行わせ、第一の液体を前記液体吐出ピペットチップ（１１０）の出口端から排出し、前記液体吐出ピペットチップの出口端から排出された第一の液体は、前記液体吐出ピペットチップの出口端に付着される液滴を形成し、前記液体吐出ピペットチップの出口端を、第二の液体の液面下に移動させることにより、体積が所定値に達した液滴を、前記液体吐出ピペットチップの出口端を離脱させ、第二の液体の液面下に、微小液滴を形成する、ことを特徴とする運動制御機構。
  2. 前記駆動素子は、
    出力軸が前記接続手段（１３２）に動力伝達可能に接続される振動モーター（１３３）を含むこと、
    圧電セラミック（１３５）及び弾性手段（１３６）を含み、前記圧電セラミック（１３５）が通電されて第一の方向に変形すると、前記接続手段（１３２）が第一の方向に運動するように駆動し、前記接続手段（１３２）に接続される前記弾性手段（１３６）が弾性変形される一方、前記圧電セラミック（１３５）が通電されて第一の方向と反対方向に変形すると、前記弾性手段（１３６）の弾性変形が回復され、前記接続手段（１３２）が第一の方向と反対方向に運動するように連動するということを繰り返すことにより、前記接続手段（１３２）は、液体吐出ピペットチップの出口端が運動するように連動すること、
    変化磁界が生じる電気磁石（１３７）及び前記接続手段（１３２）に固定接続される磁気手段（１３８）を含み、前記磁気手段（１３８）は、変化磁界中を運動して、前記接続手段（１３２）により、液体吐出ピペットチップの出口端が運動するように連動すること、のいずれか一つである、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  3. 速度が変化している一つの周期に、前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度が中間時点を中点として中心対称である、或いは、速度が変化している一つの周期に、前記液体吐出ピペットチップの出口端が周期の前半及び後半の両方でも等変速運動を行う、或いは、第二の液体の液面下に前記液体吐出ピペットチップの出口端の加速度及び運動軌跡が共に周期変化する、或いは、第二の液体の液面下に前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度が余弦曲線状に変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  4. 前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度が変化している周期の前半における加速段階、及び、周期の後半における加速段階に、それぞれ、一つの液滴を前記液体吐出ピペットチップの出口端から脱離して微小液滴を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  5. 周期の前半及び後半に、前記液体吐出ピペットチップの出口端の加速度が同じである、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  6. 前記液体吐出ピペットチップは、中空のキャビティを有する針軸（１１３）及び前記針軸（１１３）の一方端に配置される出口端（１１２）を含み、前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）の端面の法線と前記針軸（１１３）の延在方向との夾角が９０°以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  7. 前記液体吐出ピペットチップは、直管状であり、前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）は、斜めカット構造である、ことを特徴とする請求項６に記載の運動制御機構。
  8. 前記針軸（１１３）は、前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）と近い部分が折り曲げ構造を含む、ことを特徴とする請求項６に記載の運動制御機構。
  9. 前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）の端面の法線と前記針軸（１１３）の延在方向との夾角は１５°～７５°の範囲にある、或いは、前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）の端面の法線と前記針軸（１１３）の延在方向との夾角は、３０°～６０°の範囲にある、或いは、前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）の端面の法線と前記針軸（１１３）の延在方向との夾角は、４５°である、ことを特徴とする請求項６に記載の運動制御機構。
  10. 速度が変化している周期の前半及び後半において、前記液体吐出ピペットチップの出口端の速度が単調変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  11. 前記液体吐出ピペットチップの出口端は、前記第二の液体の液面下において、上向きに運動する時、前記微小液滴を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  12. 前記液体吐出ピペットチップの出口端は、前記第二の液体の液面下において、揺動する運動を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  13. 前記液体吐出ピペットチップの出口端の運動方向が前記液体吐出ピペットチップの延在方向に対して垂直、平行又は任意の角度である、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  14. 第二の液体の液面下において、前記液体吐出ピペットチップの出口端の運動軌跡は、直線セグメント、円弧セグメント、多角形形状の複数の種類の軌跡のうちの一つ又は複数の組み合わせが含まれる、ことを特徴とする請求項１に記載の運動制御機構。
  15. 流体駆動機構（１２０）及び請求項１から１４のいずれか一つに記載の運動制御機構（１３０）を含み、
    前記流体駆動機構（１２０）は、前記液体吐出ピペットチップの入口端（１１１）に接続され、前記液体吐出ピペットチップの内部に貯留されている第一の液体を前記液体吐出ピペットチップの出口端（１１２）から排出するために用いられる、ことを特徴とする微小液滴生成装置。
  16. 前記流体駆動機構（１２０）は、容積可変アセンブリ（１２１）及びパワーアセンブリ（１２２）を含み、
    前記容積可変アセンブリ（１２１）は、シリンジ（１２１１）及びブッシュロッド（１２１２）を含み、
    前記パワーアセンブリ（１２２）は、前記ブッシュロッド（１２１２）に動力伝達可能に接続され、前記ブッシュロッド（１２１２）が前記シリンジ（１２１１）の延在方向に摺動するように駆動するために用いられ、
    前記パワーアセンブリ（１２２）は、微小液滴の生成工程において、前記ブッシュロッド（１２１２）が、前記シリンジ（１２１１）に貯留されている駆動液体（１２１４）を押圧するように駆動し、前記駆動液体（１２１４）が、前記液体吐出ピペットチップ（１１０）内に貯留されている第一の液体（１９０）を押圧することにより、前記第一の液体（１９０）が前記液体吐出ピペットチップ（１１０）の出口端から排出される、ことを特徴とする請求項１５に記載の微小液滴生成装置。
  17. 前記パワーアセンブリ（１２２）は、駆動モーター（１２２１）、ネジ棒（１２２２）及びスライドブロック（１２２３）を含み、前記駆動モーター（１２２１）の出力軸は、前記ネジ棒（１２２２）に動力伝達可能に接続され、前記ネジ棒（１２２２）は、前記スライドブロック（１２２３）に螺合され、前記スライドブロック（１２２３）は、前記ブッシュロッド（１２１２）に固定接続される、或いは、
    前記パワーアセンブリ（１２２）は、ボイスコイルモーター（３０１）を含み、前記ボイスコイルモーター（３０１）における二次側の摺動方向は、前記シリンジにおける前記ブッシュロッドの摺動方向と平行であり、前記ボイスコイルモーター（３０１）の二次側は、前記ブッシュロッドに動力伝達可能に接続される、ことを特徴とする請求項１６に記載の微小液滴生成装置。
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