JPH09327628A - ピペット装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピペット装置において、段階的な吐出力の調
整が困難であり、吐出終了時における微妙な吐出量の制
御が困難である。 【解決手段】 シリンダ２内を移動するピストン４に圧
電素子２２を配する。この圧電素子２２は電圧を印加さ
れるとピストン４の進退方向に伸張する。吐出の第１段
階ではスイッチレバー５０への作用力がコイルバネ５８
を介してピストン軸８に伝達され、ピストン４がシリン
ダ内を前進し、その比較的大きなストロークに応じた高
い吐出力が得られる。吐出の終了段階である第２段階で
は、ピストン４の前進が係止されスイッチレバー５０が
コイルバネ５８を圧縮してピストン軸８内に挿入され、
スイッチ５６がオン状態となって圧電素子２２は電圧を
印加されて伸張し、ヘッド面１２を前進させる。圧電素
子２２の正確かつ微細な伸張により、微妙な吐出量の制
御が精度良く行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体の吸引・吐出
を行うピペット装置に関し、特に吐出量の微調整が可能
なピペット装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に従来からのピペット装置は、シ
リンダとピストンとで構成される。ピストンをシリンダ
内で移動させることによってシリンダ内の容積が変化
し、これにより液体の吸引・吐出が行われる。このピペ
ット装置としては、従来から手動のもの及び電動のもの
が実用化されており、手動ピペット装置は化学分析など
において所望量の試料の吸引・吐出に利用され、電動ピ
ペット装置は例えば自動分注装置などに組み込まれてい
る。

【０００３】ところで、ＤＮＡシークエンサでは、ＤＮ
Ａ解析を行うため、ＤＮＡの分離媒体である薄厚のゲル
板の上部に形成された複数の小溝に微量（例えば１．２
μｌ）のサンプルＤＮＡを注入する必要がある。その小
溝の厚みは０．２５〜０．４ｍｍ程度しかなく、またそ
の深さは数ｍｍ、例えば７ｍｍ程度である。

【０００４】このような溝にサンプルＤＮＡを注入する
場合には、一般的には、ノズル先端に極薄のディスポー
ザブルチップ（ノズルチップ）を装着させたマイクロピ
ペットが使用される。

【０００５】しかし、上述のように注入対象である小溝
はその形状及び容積が極めて小さく、マイクロピペット
装置から所定量のサンプルＤＮＡを正確かつ確実にその
小溝に注入するのは困難であり、また熟練を要してい
た。

【０００６】すなわち、ノズルの内径やノズルチップの
内径が極めて小さいこと、及び上記の小溝にバッファー
液が満たされていることに起因して、流体抵抗が大き
く、このため吐出コントロールが困難であるという問題
があった。すなわち、吸引量と同じ量だけピストン軸を
押し込むと、吐出力が不足気味となってピストン軸を完
全に押し込んでもノズルチップ内などに液が残りやす
く、その一方、吸引量より多くピストン軸を押し込む
と、吐出力が過剰となって上記の小溝から液が溢れた
り、気泡が生じたりするという問題があった。このよう
な問題はＤＮＡシーケンシングの分離パターンに悪影響
を与え、その後の解析が困難になるという問題を引き起
こしていた。

【０００７】また、一般的なピペット装置においても、
実際の吐出量をできる限り正確に設定したいとの要望が
あった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
ピペット装置、特にマイクロピペットにおいては、液体
の吐出開始時と、吐出終了時とで段階的に吐出力を調整
することが困難であり、吐出終了時における微妙な吐出
量の制御が困難であるという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記従来の問題点を解消するた
めになされたもので、液体の吐出開始時には液体抵抗に
勝って勢いの良い吐出を行わせ、かつ液体の吐出完了時
には吐出力を精度良く制御できるピペット装置を提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るピペット装
置は、シリンダと、このシリンダの先端面に連通したノ
ズルと、前記シリンダ内を移動し、前記シリンダの内容
積を縮小させて前記ノズルから試料を吐出させるピスト
ンと、このピストンの進退方向に向くピストン断面に配
され、印加される電圧に応じて前記進退方向に伸縮する
歪み素子と、この歪み素子に電圧を供給する電源と、こ
の電源から前記歪み素子への電圧の印加を制御するスイ
ッチとを有し、前記電源の前記歪み素子に対する接続
は、前記吐出の終了段階における前記スイッチの操作に
より前記歪み素子を前記進退方向に伸張させる向きであ
り、この伸張により前記ピストンのヘッド面が変位し前
記シリンダの前記内容積が縮小されること、を特徴とす
る。

【００１１】上記構成によれば、吐出の第１段階では歪
み素子がピストンの進退方向に縮小された状態にてピス
トンがシリンダ内を前進する。このピストンの前進によ
る試料の吐出は、例えばピストンのヘッド面がシリンダ
の先端面に近づいたり、吐出総量が所望の値に近づくま
で行われる。続く吐出の終了段階である第２段階では、
ピストンの前進に代えて、スイッチが操作され歪み素子
がピストンの進退方向に伸張されてピストンのヘッド面
がシリンダ内を前進する。これにより、シリンダの内容
積が縮小されて吐出が行われる。よって、本発明によれ
ば、第１段階においては、ピストンの比較的大きなスト
ロークに応じた高い吐出力が得られ、すなわち流体抵抗
に打ち勝つ吐出力が得られ試料が勢い良く吐出される。
そして、第２段階においては、微妙な吐出量の制御が、
印加する電圧に応じて定まる歪み素子の伸張を利用して
精度良く行われる。ここで、歪み素子は例えば圧電素子
や磁歪素子である。圧電素子は基本的には圧電材料とこ
れに電圧を印加するための電極とを含んで構成され、磁
歪素子は基本的には磁気歪み材料とこれに磁界を及ぼす
ためのコイルとコイルに電圧を供給する端子とを含んで
構成される。

【００１２】本発明を上記のＤＮＡサンプルのゲル板へ
の吐出に利用すれば、上記の２段階の吐出により、流体
抵抗に対して十分な吐出力を確保できると共に、吐出力
を微妙に調整して小溝からの溢れ出しや気泡発生を効果
的に防止できる。

【００１３】なお、スイッチのオン／オフ操作と、電源
から歪み素子に印加される電圧の方向との両者は、この
歪み素子が吐出終了段階にてピストンの進退方向に伸張
するように互いに関連して定められる。すなわち、歪み
素子に印加される電圧の向きが歪み素子を進退方向に伸
張させるような向きであれば、スイッチを第１段階でオ
フとし第２段階でオンとする構成が採られ、逆に電圧の
向きが歪み素子を進退方向に縮小させるような向きであ
れば、スイッチを第１段階でオンとして歪み素子を縮小
させておき第２段階でオフとして歪み素子を第１段階に
比べて相対的に伸張させる構成が採られる。

【００１４】本発明の好適な態様は、前記吐出の終了段
階でシリンダの前記先端面とピストンの前記ヘッド面と
の間に間隙を残す係止位置にて前記ピストンの前進が抑
止される係止機構を備えている。この態様では、ピスト
ンが係止された後、吐出の終了段階が開始される。すな
わち、終了段階が常にピストンの所定の位置から開始さ
れ、また終了段階の途中でピストンが進退して歪み素子
による微妙な吐出に変動を及ぼすことが抑制されるの
で、終了段階の再現性及び精度の良い吐出制御が可能と
なる。

【００１５】本発明の好適な態様では、前記スイッチ
が、前記ピストンを前進させる押し込み力の作用点に配
置されて当該押し込み力を前記ピストンに伝達し、前記
ピストンから前進時に受ける抵抗力より大きな圧縮力を
受けるとスイッチ動作する。この態様では、ピストンの
前進に必要な力はスイッチの動作に必要な力より小さ
い。すなわち、スイッチに押し込み力を印加していく
と、それが上記抵抗力を超えた段階でまずピストンが前
進し、この前進中はスイッチに加わる圧縮力は基本的に
この抵抗力から増加せずスイッチは動作されない。そし
て、ピストンが前記係止位置に達すると、前記押し込み
力とこれに対する前記ピストンからの反力とにより圧縮
力が増大し、これによってスイッチ動作する。この構成
により、ピストンの前進動作とスイッチの動作とを、ス
イッチの押し込みという１つの操作で連続して行うこと
ができる。

【００１６】また、本発明の好適な態様では、前記スイ
ッチは、前記ピストンに設けられたスイッチベース端子
と、前記押し込み力の作用点であるスイッチ可動端子
と、このスイッチ可動端子と前記ピストンとの間に設け
られ、前記スイッチ可動端子を前記ピストンの後退方向
に付勢するスイッチ付勢手段と、を含み、前記圧縮力に
よって前記スイッチ付勢手段が縮小して前記スイッチベ
ース端子と前記スイッチ可動端子とが接触し、前記スイ
ッチが導通状態とされる。この態様では、スイッチ付勢
手段は例えば、バネなどの弾性体で構成される。スイッ
チ付勢手段は、例えば弾性体の場合、ピストンの前進時
における抵抗力ではスイッチベース端子とスイッチ可動
端子とが接触するほどにはその弾性体の長さが縮小され
ないような弾性係数を有するように構成される。

【００１７】本発明の好適な態様は、前記ピストンをそ
の後退方向に付勢するピストン付勢手段を有する。この
態様によれば、スイッチに加える押し込み力を緩和する
と自然にピストンが後退し、吐出動作開始時の状態に復
元する。

【００１８】本発明の好適な態様は、前記圧縮力の大小
を検知する圧力センサと、この圧縮力に応じて前記歪み
素子に印加される電圧を制御する感圧制御回路とを有す
る。この態様によれば、吐出の最終段階にて歪み素子の
伸張量をスイッチに対する圧力によって制御し、吐出量
のより微妙な制御が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を用いて説明する。図１は、本発明に係わる
ピペット装置の主要部の断面図である。このピペット装
置では、シリンダ２内をピストン４が進退する。より正
確には、ピストン４はピストンヘッド６とピストン軸８
とで構成され、ピストンヘッド６がシリンダ２内を進退
する。そしてシリンダの内容積、すなわちシリンダ先端
面１０とピストン４のヘッド面１２とで仕切られる空間
の容積が変化すると、シリンダ２の先端面１０に設けら
れたノズル１４の先端開口１４Ａから試料である液体が
吸引・吐出される。

【００２０】本ピペット装置は、ＤＮＡシーケンシング
等における微小量の試料の分注を行うものであり、この
用途では試料が微量であることとその吐出を精度良く行
うために、ノズル１４の内径は細い。そのため、液体が
ノズル１４内を通過する際の抵抗力は大きい。本装置は
シリンダ２の内部空間の断面積をノズル１４のそれより
はるかに大きくして、ピストン４のわずかな進退動でノ
ズル１４の抵抗に打ち勝つ大きな吸引力又は吐出力を得
る。なお、ノズルの先端開口１４Ａにディスポーザブル
型のノズルチップを装着し、これを介して試料の吸引、
吐出を行わせることもある。

【００２１】ピストンヘッド６は、ここでは円盤状に構
成されており、大きくはピストン板２０と圧電素子２２
とで構成される。ピストン板２０の外周にはＯリングで
構成されるパッキング２４が配置され、これによりピス
トンヘッド６とシリンダ２の内壁との気密が図られる。

【００２２】ピストン４は、圧電素子２２を有している
ことを特徴とする。試料の吐出時にピストン板２０はそ
のヘッド面１２とシリンダ先端面１０との間にわずかな
距離を残す位置まで挿入され、その段階で圧電素子２２
はピストン４の進退方向に伸張するような電圧を印加さ
れ、この圧電素子２２の歪みによりヘッド面１２がさら
にシリンダ２に挿入される。圧電素子２２の歪みによる
ヘッド面１２の変位は、ピストン軸８を手又は機械的な
方法で操作することによる変位よりも、微細に制御可能
であり、本装置はこれにより、吐出終了時の吐出量の精
度向上を図るものである。

【００２３】ピストン軸８はシリンダ２の上部に形成さ
れた筒状のガイド３０を挿通している。ピストン軸８の
シリンダ２の外部にある端部８Ａとガイド３０の上端部
との間にはコイルバネ３２が介装されており、このコイ
ルバネ３２によりピストン軸８は上方へ付勢されてい
る。ピストン軸８の途中側面には突起３４が設けられて
いる。この突起３４はピストン軸の全周にリング状に設
けても良いし、一部の方向に突出するものであってもよ
い。ガイド３０の外側上端部３０Ａはコイルバネ３２を
支持した内側上端部より一段高く形成され、突起３４を
係止する。これにより、ピストンヘッド６の前進はヘッ
ド面１２とシリンダ先端面１０との間に所定幅の間隙を
残す係止位置で抑止される。このピストンヘッド６の係
止機構は、上記構成以外のものであってもよい。例え
ば、突起３４に代えてピストン軸の端部８Ａに設けられ
た突出部を用いてもよいし、ガイドの外側上端部３０Ａ
に代えてケース４０を用いて係止してもよい。

【００２４】圧電素子２２はＰＺＴなどの圧電板４２の
上下にそれぞれ電極４４を設けられたもので、この電極
４４はピストン板２０及びピストン軸８内を通された配
線４６によって外部の直流電源（図示せず）に接続され
る。

【００２５】この圧電素子２２への電圧供給回路のスイ
ッチは、ピストン軸８内に設けられている。ピストン軸
８内部には空洞４８が設けられ、この空洞４８には端部
８Ａを介して外部からスイッチレバー５０が挿通されて
いる。スイッチレバー５０の空洞４８側の端部にはスイ
ッチ可動端子５２が設けられ、一方、ピストン４側には
空洞４８の底部に配線４６の一部を開路して設けたスイ
ッチベース端子５４が設けられている。これらスイッチ
可動端子５２とスイッチベース端子５４とがスイッチ５
６の主要部を構成する。スイッチレバー５０が空洞４８
側へ押し込まれると、導電性のスイッチ可動端子５２が
スイッチベース端子５４に接触し、圧電素子２２への電
圧供給回路が閉路し、圧電素子２２に電圧が印加され
る。この電圧の向きは、圧電板４２がピストン４の進退
方向に伸張するような向きに構成されている。

【００２６】スイッチレバー５０の上端部５０Ａとピス
トン軸の端部８Ａとの間にはコイルバネ５８が介装され
ており、このコイルバネ５８によりスイッチレバー５０
は上方へ付勢されている。コイルバネ５８の付勢力はコ
イルバネ３２の付勢力より強く構成されている。

【００２７】次にこの装置の動作を説明する。このピペ
ット装置への試料の吸引は、ピストン４をシリンダ２内
に押し下げた状態で、ノズルの先端開口１４Ａを試料に
差し込み、そしてピストン軸８を引き上げる。これによ
りシリンダの先端面１０とピストンのヘッド面１２との
間の空間（シリンダヘッド空間）が拡大する。このシリ
ンダ２の断面積はノズル１４の内径面積よりはるかに大
きいため、ノズル先端には大きな吸引圧力が作用し、試
料は、ノズル１４内面と試料との間に生じる抵抗に打ち
勝って、円滑にノズル１４内に吸引される。なお、この
ときスイッチ５６はスイッチレバーの上端部５０Ａに押
圧力を受けておらず、コイルバネ５８の付勢力によりオ
フ状態にある。ピストン板２０がシリンダの上端面で係
止されるまでピストン４を目一杯引き上げることによ
り、吸引量の再現性を確保することができる。また、コ
イルバネ３２の付勢力をノズル１４での液体の粘性抵抗
より大きく設定すれば、ピストン軸８への押し下げ力の
解除のみで上記ピストン４の引き上げが自動的に行われ
る構成となる。

【００２８】吸引された試料を吐出するには、ノズルの
先端開口１４Ａを吐出先である、例えばＤＮＡシークエ
ンサの小溝に挿入し、ピストンのヘッド面１２を前進さ
せればよい。このヘッド面１２の前進動作は、スイッチ
レバーの端部５０Ａを押すことにより行われる。吐出時
にピストン４の押し下げに必要な力の大きさは、コイル
バネ３２の付勢力と試料の粘性抵抗との和と同程度であ
る。この和の程度の力ではコイルバネ５８はほとんど縮
まらないように、コイルバネ５８の弾性係数は選択され
ている。すなわち、スイッチレバーの端部５０Ａを押し
下げると、コイルバネ５８はほとんど圧縮されず、コイ
ルバネ５８からピストン軸の端部８Ａに力が作用し、ま
ずコイルバネ３２が圧縮される。よって、スイッチ５６
はオフ状態のまま、ピストン４が下降する。このときの
ピストン４のストロークは比較的大きく、ノズル１４に
保持された試料には強い吐出力が与えられ、試料はノズ
ルの先端開口１４Ａから円滑に吐出される。スイッチレ
バーの端部５０Ａをさらに押していくと、突起３４がガ
イドの外側上端部３０Ａに係止され、所定容積のシリン
ダヘッド空間を残して、ピストン４の前進が停止され
る。

【００２９】さらに端部５０Ａを押すと今度はコイルバ
ネ５８が圧縮されてスイッチレバー５０が空洞４８に挿
入され、スイッチ可動端子５２がスイッチベース端子５
４に接触し、スイッチ５６がオン状態となる。スイッチ
５６がオン状態になると、圧電素子２２には電圧が印加
され、圧電素子２２はピストン４の進退方向に伸張す
る。圧電素子２２の上側はスイッチレバー５０への押圧
力により固定されているので、圧電素子２２の伸張分だ
け、ピストンのヘッド面１２が下方に移動してシリンダ
ヘッド空間が縮小する。これで吐出が終了し、ノズルを
小溝から抜いた後、スイッチレバー５０に加えている押
圧力を解除する。

【００３０】この圧電素子２２の伸張量は、ピストン軸
８によるピストン４のストロークに比べて小さく、かつ
印加される電圧に応じ正確に定まる。そのため、本装置
では、吐出の第１段階で、ピストン４の前進による強い
吐出力でほぼ目的とする吐出量を達成し、吐出の終了段
階である第２段階で、圧電素子２２により吐出力を微妙
に調整し、ＤＮＡシーケンサの小溝からの試料の溢れ出
しや気泡発生を防止した精度のよい吐出が行われる。

【００３１】本ピペット装置の主要部はケース４０内に
収納されており、またピストン軸８もスイッチレバー５
０もピストン４の後退方向に付勢されているので、操作
者は、このケース４０を４本の指で握り、残りの親指で
スイッチレバーの端部５０Ａを操作することが可能であ
る。すなわち、端部５０Ａに対する押圧力を加減するだ
けで本装置のピストン４の移動を伴う第１段階、及び圧
電素子による第２段階制御を操作することが可能であ
る。よって押したり引いたりといった動作方向の転換が
不要で微妙な吐出の制御が可能であり、第１段階と第２
段階とで操作部位を変える手間が不要で連続的に操作で
き、極めて操作性がよい。なお、コイルバネ３２、５８
の弾性力の強さは、上述したこれら相対的な強さの条件
の他、操作者が指で操作する場合にはそれが可能な程度
の強さであるという条件も満たすように設定される。

【００３２】図１に示す実施形態において、シリンダ２
の内径、ピストン４の直径は例えば１ｃｍであり、ピス
トン４のストローク量は例えば１ｃｍ、ピストン板２０
の係止時のシリンダヘッド空間の間隙は例えば１ｍｍに
設定される。この間隙は、圧電素子２２の伸張量に応じ
て設定される。その伸張量は圧電板４２の材質、厚さ、
印加される電圧に依存する。例えば数Ｖの電圧で数μｍ
程度の伸張量が得られる。圧電素子２２の表面にはその
伸縮を妨げないような被膜７０が設けられ、圧電素子２
２を試料から絶縁している。

【００３３】なお、圧電素子２２への印加電圧を、スイ
ッチレバーの端部５０Ａへの押圧力に応じて可変とする
構成も可能である。この構成では、例えばスイッチベー
ス端子５４の位置に圧力センサを配置する。この位置に
配置された圧力センサにはピストン４の係止後にスイッ
チレバー５０が当たるので、ピストン４の係止後のスイ
ッチレバー５０への押圧力を検知することができる。圧
力センサの出力を信号処理し押圧力に応じた電圧を圧電
素子に供給する感圧制御回路が設けられる。このように
圧力に応じた制御を行うことにより、吐出量のより微妙
な制御が可能となる。

【００３４】

【発明の効果】本発明のピペット装置によれば、吐出の
第１段階ではピストンがシリンダ内を前進し流体抵抗に
打ち勝つ高い吐出力が得られ、吐出の終了段階である第
２段階では、ピストンの前進に代えて歪み素子によりピ
ストンのヘッド面が変位し吐出を行う。これにより液体
の吐出開始時と、吐出終了時とで吐出力を段階的に調整
でき、吐出終了時における微妙な吐出量の制御が可能で
あるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わるピペット装置の主要部の断面
図。

【符号の説明】

２ シリンダ、４ ピストン、８ ピストン軸、１４
ノズル、２０ ピストン板、２２ 圧電素子、３２，５
８ コイルバネ、３４ 突起、４２ 圧電板、４４ 電
極、５０ スイッチレバー、５２ スイッチ可動端子、
５４ スイッチベース端子、５６ スイッチ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダと、 このシリンダの先端面に連通したノズルと、 前記シリンダ内を移動し、前記シリンダの内容積を縮小
   させて前記ノズルから試料を吐出させるピストンと、 このピストンの進退方向に向くピストン断面に配され、
   印加される電圧に応じて前記進退方向に伸縮する歪み素
   子と、 この歪み素子に電圧を供給する電源と、 この電源から前記歪み素子への電圧の印加を制御するス
   イッチと、を有し、 前記電源の前記歪み素子に対する接続は、前記吐出の終
   了段階における前記スイッチの操作により前記歪み素子
   を前記進退方向に伸張させる向きであり、この伸張によ
   り前記ピストンのヘッド面が変位し前記シリンダの前記
   内容積が縮小されること、を特徴とするピペット装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のピペット装置において、 前記吐出の終了段階でシリンダの前記先端面とピストン
   の前記ヘッド面との間に間隙を残す係止位置にて前記ピ
   ストンの前進が抑止される係止機構を備えていることを
   特徴とするピペット装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載のピペット装置において、 前記スイッチは、前記ピストンを前進させる押し込み力
   の作用点に配置されて当該押し込み力を前記ピストンに
   伝達し、前記ピストンから前進時に受ける抵抗力より大
   きな圧縮力を受けるとスイッチ動作すること、を特徴と
   するピペット装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のピペット装置において、 前記スイッチは、 前記ピストンに設けられたスイッチベース端子と、 前記押し込み力の作用点であるスイッチ可動端子と、 このスイッチ可動端子と前記ピストンとの間に設けら
   れ、前記スイッチ可動端子を前記ピストンの後退方向に
   付勢するスイッチ付勢手段と、を含み、 前記圧縮力によって前記スイッチ付勢手段が縮小して前
   記スイッチベース端子と前記スイッチ可動端子とが接触
   し、前記スイッチが導通状態とされること、を特徴とす
   るピペット装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載のピペット装置において、 前記ピストンをその後退方向に付勢するピストン付勢手
   段を有することを特徴とするピペット装置。
6. 【請求項６】 請求項３から請求項５のいずれかに記載
   のピペット装置において、 前記圧縮力の大小を検知する圧力センサと、 この圧縮力に応じて前記歪み素子に印加される電圧を制
   御する感圧制御回路と、を有することを特徴とするピペ
   ット装置。