JPWO2017047481A1 - 切替バルブ、及びこれを備える吸入吐出装置 - Google Patents

切替バルブ、及びこれを備える吸入吐出装置 Download PDF

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Abstract

従来の吸入吐出装置が備える切替バルブは、本体内部に駆動部が配置され、且つ切替バルブ本体内部を試料が流通するため、オートクレーブ滅菌等の処理を行うことが出来ず、雑菌等の汚染原因を完全に除去することが出来なかった。本発明の切替バルブは試料が流通するチューブを外部から押圧してチューブ内の流通を閉止する機構とすることで、雑菌等の汚染原因が切替バルブまで伝播しない構造とする。更に、本発明の吸入吐出装置に設置するチューブとシリンジポンプは、汚染が発生したとしても容易に交換可能なアッセンブリーとする。

Description

本発明は分注機や培地交換用機器に搭載されるポンプモジュール、より詳しくは無菌状態での液体供給が可能なポンプモジュール、及び、このポンプモジュールに適用される交換可能な吸入吐出アッセンブリーに関するものである。また、このポンプモジュールを搭載した自動培地交換装置、分注装置、自動培養システムに関するものである。
バイオテクノロジー分野において行われる試験や分析に使用される検体や試薬といった液体を移送する装置として分注装置が知られている。また、再生医療分野において行われる長期にわたる細胞培養において、所定のタイミングで培地となる培養液を交換する装置として培地交換装置が知られている。これらの装置は共に、細胞懸濁液や培養液等の液体試料を吸入及び吐出する吸入吐出装置を備えている。
ここで、従来の分注装置や培地交換装置が備える吸入吐出装置について以下に説明する。特許文献１に記載の分注装置では、試料を吸入吐出するポンプとして、モータによって押圧ローラを回転させ、この押圧ローラによって軟質チューブを継続的にしごくことでチューブ内部の流体を所定の方向へと移動させるチュービングポンプＰＭが使用されている。図１を参照。このチュービングポンプＰＭが作動することで、収容容器ＢＴ内に貯留された試料が吸入され、分注ヘッドｈ１、ｈ２へと吐出される構造となっている。これにより、それまでは手動で行われていた試料の供給を比較的短時間で完了することが出来るようになった。しかしながら、チュービングポンプは大量の試料を継続的に供給することは可能であるが、試料を精度良く吐出することは難しかった。また、押圧ローラによって継続的にしごかれるため、流体を流通させる軟質チューブが劣化してしまい、吐出量の精度が悪化するというトラブルが発生していた。更に、劣化したチューブの内部壁が剥離して、試料と共に検体に混入してしまうというトラブルも発生していた。
これに対して特許文献２に記載の吸入吐出装置では、ポンプ手段として注射器型のシリンジポンプ１(各部の符号は特許文献２の符号、以下本段落において同じ)を備える構成としている。この吸入吐出装置では、ポンプ駆動手段７によってシリンジポンプ１のプランジャ１ａをシリンダ１ｂから引き出すことによって試料を吸入し、プランジャ１ａをシリンダ１ｂに押し込むことによって試料を吐出する構造となっている。また、弁開閉手段２７により開閉駆動される切替弁１３によって、液体の吸入吐出方向を切り替えることが可能になっていて、チューブ５内に充填した水を介して試料容器９内にある試料液を吸入して、反応管１１内に吐出することが出来るようになっている。ポンプ駆動手段７や弁開閉手段２７の動作は制御装置３１により電気的に制御されていて、予め定められた手順に従って、所定の液体を所定の場所に所定の分量だけ吸入、吐出することが可能となっている。
特開平０５−１２６６９０号公報
特開平０８−２２０１０６号公報
上記の引例技術により正確な量の試料を自動的に吸入、吐出するということは可能になったが、以下のような問題が発生している。
すなわち、上記した従来のポンプを使用したとしても、試料の吸入及び吐出する方向を切り替えるために備えられる切替弁自体から発生する塵埃が試料に混入することで検体を汚染してしまうという問題が発生している。また、吸入吐出装置は外部環境から侵入してきた雑菌や汚染物質の除去のために、定期的に滅菌液での洗浄やオートクレーブによる処理が行われるが、切替弁は本体内部に形成された流路に試料を流通させ、同じく本体内部に備えられた弁体を電気的に作動させて流路の切替を行っている構造上、滅菌やオートクレーブといった処理が出来ない。このため、試料が流通する切替弁の内部に残留した雑菌や塵埃が、次の培養に悪影響を及ぼしてしまうという問題も発生している。さらに、滅菌処理が終了したチューブやシリンダにおいても、滅菌処理後再度取付ける際に大気中を浮遊している雑菌や塵埃の付着による汚染で、細胞培養に悪影響を及ぼしてしまうという問題も発生している。
本発明は上記問題点を解決するために開発されたものであり、塵埃や雑菌の混入を効果的に防止することが出来る切替バルブ、切替バルブを備える吸入吐出装置、及び吸入吐出装置を備える培地交換装置、分注装置さらには、これら装置を備える自動培養システム、及び、この吸入吐出装置に適用され、無菌パックされて容易に交換可能な吸入吐出アッセンブリーを提供することを目的としている。
本発明は上記課題を解決するために、本発明の切替バルブは、両端に回転可能に取り付けられた一対のローラローターと、前記ローターを回転駆動するローター駆動部と、前記ローターの回転により公転する前記一対のローラの公転軌道の外側の前記各ローラと協働する位置に設けられた一対の押圧部材と、前記各ローラの前記公転軌道と前記一対の押圧部材との間にそれぞれ配置された一対のチューブと、を備え、前記各押圧部材と前記各ローラの前記公転軌道との隙間が徐々に狭くなるように前記押圧部材が配置されて、前記ローターが公転することにより、対応する前記ローラと前記押圧部材とが前記チューブを押圧する押圧領域が形成されており、前記一対のチューブのそれぞれを前記一対のローラと前記一対の押圧部材とで、外部から選択的に閉止及び開放することを特徴としている。上記構成とすることで、チューブ内を流通する試料を切替バルブ内に導入することなく流通と閉止の切替を行うことが出来る。
また、本発明の切替バルブが備える前記ローターは、前記一対のチューブの両方を閉止する位置と、前記一対のチューブの片方のみを閉止する位置と、前記一対のチューブの両方の流通を開放する位置との間で回転移動可能であることを特徴としている。上記構成とすることで、一つの駆動源で一対のチューブの内部流通を閉止及び開放することが出来る。
また、本発明の切替バルブが備える前記ローターの回転中心軸は、前記一対のローラのそれぞれの回転中心を結ぶ直線から外れた位置に配置され、前記一対の押圧部材は、前記ローターの回転中心を通り、且つ水平方向に延在する直線に関して対称な前記押圧領域を有することを特徴としている。上記構成とすることで互いに平行になるように配置される一対のチューブに対して、ローターが容易に各チューブの内部流通を閉止及び開放することが出来る。更に、本発明の切替バルブが備える前記ローターの回転中心軸は、前記一対のローラのそれぞれの回転中心を結ぶ直線上に配置され、前記一対の押圧部材は、前記ローターの回転中心を通り、且つ鉛直方向に延在する直線に関して対称な前記押圧領域を有することとしてもよい。
また、本発明の吸入吐出装置は、本発明の切替バルブと、前記一対のチューブのそれぞれの端部が接続されたシリンジポンプと、前記シリンジポンプのピストン部をシリンダ部に対して進退移動させるポンプ駆動部と、を備え、前記ポンプ駆動部は前記ローター駆動部と協働して、前記一対のチューブの内部に試料を流通させることを特徴としている。上記構成とすることで、試料の汚染が発生した場合においても、汚染されたシリンジポンプとチューブを吸入吐出装置から取り外して新品と交換することで容易に汚染を除去することが出来る。この交換の際、切替バルブとポンプ駆動部は試料に直接接触していないので、試料内の汚染が伝播することは無い。
また、本発明の吸入吐出装置に使用される吸入吐出アッセンブリーは、前記一対のチューブと、前記一対のチューブのそれぞれの一端が接続された前記シリンジポンプと、から構成され、前記吸入吐出装置に装着可能な吸入吐出アッセンブリーであって、無菌パックされていることを特徴としている。上記構成とすることで、吸入吐出装置にシリンジポンプとチューブとを設置する際に滅菌や洗浄処理といった作業を事前に行う必要が無くなる。さらに、設置する装置の寸法に合わせてチューブの長さを調節したりする必要が無くなるので、吸入吐出装置に素早く設置することで大気中を浮遊する汚染物質の流路への侵入を防止することが出来る。
また、本発明の吸入吐出装置は培地交換装置における培地を供給するポンプ手段や、分注装置における圧力伝達水や細胞懸濁液といった試薬とを吸入及び吐出するポンプ手段、及び、切替弁として使用することで、雑菌等に汚染される可能性が無く、精度の高い培養や試験を行うことが出来る。
さらに、本発明の吸入吐出装置を搭載する培地交換装置、もしくは分注装置と、試料を収容する容器を所定の環境に調整された恒温室内に収容する培養装置と、培地交換装置や分注装置と培養装置との間で前記容器を搬送する搬送装置とで自動培養システムを構成すれば、長期間にわたる試料の培養を自動で行うことが出来る。
本発明の切替バルブによれば、試料を本体内に流入させることなく試料の流通の制御ができるので、バルブ本体から発生する塵埃を試料内に侵入させてしまうことが無い。また、試料が雑菌に汚染された場合においても、試料が流通するチューブをオートクレーブ滅菌や過酸化水素ガス滅菌するか、若しくは汚染されたチューブを廃棄して新たな無菌のチューブを設置するという簡単な作業のみによって、試料が流通する空間を清浄な状態に戻すことが出来る。これにより、開閉弁内部の洗浄作業を省略出来るので作業者が被る負担を低減させることが出来る。
また、本発明の吸入吐出装置によれば、試料を本体内に流入させることなく試料の正確な供給ができる。また、試料が雑菌に汚染された場合においても、試料が流通するチューブとシリンジポンプをオートクレーブ滅菌や過酸化水素ガス滅菌するか、若しくは汚染されたチューブとシリンジポンプを廃棄して新たな無菌のチューブを設置するという簡単な作業のみによって、試料が流通する空間を清浄な状態に戻すことが出来る。これにより、開閉弁やポンプの内部の洗浄作業を省略出来るので作業者が被る負担を低減させることが出来る。
また、本発明の吸入吐出アッセンブリーによれば、設置の際に行う滅菌作業を省略することが出来るので、作業者が被る負担を低減させることが出来る。さらに、洗浄作業後の雑菌や塵埃が残留する可能性も無くすことが出来る。
図１は従来のチュービングポンプを用いた吸入吐出装置を示した図である。 図２は従来の切替弁を用いた吸入吐出装置を示した図である。 図３は本発明の切替バルブの一実施形態を示す斜視図である。 図４は本発明の吸入吐出装置２の構成を示すブロック図である。 図５は本発明の切替バルブ３が備えるローター４の動作を示す図である。 図６は本発明の吸入吐出装置２を示す正面図と側面図であり、一部を断面で示している。 図７は本発明の切替バルブ３が備えるローター４の動作を示す図である。 図８は本発明の切替バルブ３が備えるローター４の動作を示す図である。 図９は本発明の切替バルブ３が備えるローター４の動作を示す図である。 図１０は本発明の第２の実施形態である切替バルブ３´を示す図である。 図１１は本発明の培地交換装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１２は本発明の培地交換装置が培地を供給する動作を示す説明図である。 図１３は本発明の培地交換装置が備える傾斜機構の動作を示す図である。 図１４は本発明の分注装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１５は本発明の分注装置が試料を吸引した際のピペットチップ内の状態を示す断面図である。 図１６は本発明の自動培養システムの概要を示す断面図である。
以下に本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。図３は本発明の切替バルブ３を示す斜視図であり、図４は本発明の吸入吐出装置２の構成を示すブロック図であり、図５は本実施形態の切替バルブ３が備えるローター４の動作を示す図である。切替バルブ３の本体中央部分にはローター４が配置されており、ローター４の左右にはローラ６ａ、６ｂが回転可能に取り付けられている。また、ローター４の両側面近くを通るようにチューブ８、９が配置されている。切替バルブ３は、ローター４が所定の方向に回転することで、ローラ６ａ、６ｂによりチューブ８，９を押しつぶしてチューブ内部の試料の流通を制限するように構成されている。ローター４の中央部分にはシャフト１０が固定されている。このシャフト１０はベース板１１を貫通して、ベース板１１のローター４が配置された面とは反対の面に固定されたモータ１２に連結されている。本発明の吸入吐出装置２が備えるモータ１２には、回転方向及び回転角度の正確な制御が可能なステッピングモータが使用されている。モータ１２の動作はローター制御部１４により制御されていて、このローター制御部１４からの信号により、モータ１２は所定の回転方向及び回転位置まで作動する。このモータ１２とローター制御部１４とによって、ローター４を所定の角度まで回転動作させるローター駆動部が構成されている。なお、本実施形態の切替バルブ３に配置されるチューブ８、９は、図において、鉛直方向に、且つ互いに平行となるように配置されている。
本実施形態のローター４は正面形状が略三角形の形状をなしていて、ローター４の本体両端には、円筒形のローラ６ａ、６ｂがシャフト１６ａ、１６ｂを介して回転可能にローター４に固定されている。ローター４はシャフト１０の中心軸Ｃを回転中心としてモータ１２によって回転可能になっていて、このローター４の回転動作によって各ローラ６ａ、６ｂはシャフト１０の中心軸Ｃを回転中心とした円形の軌道Ａ１上を公転移動する（図５を参照）。各ローラ６ａ、６ｂの公転軌道Ａ１の外側には、押圧部材１７ａ、１７ｂが左右対照の位置に配置されている。各押圧部材１７ａ、１７ｂのローター４に対向する面（内面）は、ローラ６ａ、６ｂの公転軌道Ａ１よりも大きな半径を有する円弧Ａ２に沿った曲線形状に加工されている。この押圧部材１７ａ，１７ｂの円弧Ａ２に沿って形成された内面と対応する各ローラ６ａ、６ｂとが、それぞれ協働してチューブ８、９の内部流通を閉止する領域を、本明細書においては押圧領域と呼ぶ。本実施形態の押圧領域は、円弧Ａ２に沿って形成され、シャフト１０の中心軸Ｃを通り水平方向に延在する直線Ｌ３に関して対称な形状をしている。なお、押圧領域の円弧Ａ２の半径寸法は、ローラ６ａ、６ｂが描く軌道である円弧Ａ１の半径寸法に、押圧されたチューブ８、９の厚み寸法を加えた半径寸法とするのが好ましい。さらに、本実施形態では、押圧領域はシャフト１０の中心軸Ｃを通り鉛直方向に延在する直線に関して左右対称な形状を有している。このように、押圧領域を設けることで、モータ１２の作動によりローター４が所定の方向に回転し、それに伴いローラ６ａ、６ｂも公転動作して、各ローラ６ａ、６ｂがそれぞれ対応する押圧部材１７ａ、１７ｂに対して接近もしくは離間する。このようなローラの公転により回転可能に取り付けられた回転可能に取り付けられたローラ６ａ、６ｂと押圧部材１７ａ，１７ｂとの間に配置されたチューブ８、９を挟み込む、もしくは開放することで、チューブ８、９内部の試料の流通を制御することが出来る。なお、本発明の切替バルブ３を構成する部材は、オートクレーブ滅菌や過酸化水素ガス滅菌等の各種滅菌処理が施されることも考慮して、ステンレススチール製とするか、ＰＴＦＥ、ポリイミド樹脂といった優れた耐熱性や耐薬品性を有する樹脂製とすることが望ましい。
各ローラ６ａ、６ｂはそれぞれシャフト１６ａ、１６ｂの中心軸Ｃを回転中心として回転動作可能に取り付けられている。また、ローター４の回転中心軸Ｃは、各ローラ６ａ、６ｂの回転中心を結んだ線Ｌ１の中点から偏心した位置に配置されている。図５に示す例では、ローター４の回転中心Ｃは、各ローラ６ａ、６ｂの回転中心を結んだ線の直角二等分線上に配置されている。こうすることにより、ローター４を所定の回転位置まで回転動作させることで、互いに平行に配置されたチューブ８、９のうち、一方のチューブ８の試料の流通を制限しながら、もう一方のチューブ９の試料の流通を許容することが出来る。さらに、ローター４を他の回転位置まで回転移動させることで両方のチューブ８、９の試料流通を制限することも出来る。また、特許文献２の切替弁のように弁体の内部を試料が流通することが無いので、切替バルブ３から発生する塵埃が試料を汚染することはない。また、本実施形態の切替バルブ３が備えるローラ６ａ、６ｂは、側面が直線の円筒形状となっているが、他の実施形態として円筒形の中央部分から両端に向かって徐々に細くなる樽状としてもよい。ローラ６ａ、６ｂは押圧部材１７ａ、１７ｂと協働してチューブ８、９を押圧して、すなわち押し潰してチューブ８、９の内部流通を閉止するので、押し潰されたチューブ８、９の折れ目部分に過剰な力を繰り返し与えると、折れ目部分に塑性変形が生じて劣化を早めてしまう。そこで、折れ目部分に当接する部分のローラの直径を中央部分より小さくなるように樽状とすることで、折れ目部分に掛かる押圧力が低減されることとなり、チューブ８、９の早期劣化を防止することが出来る。
次に、本発明の吸入吐出装置２が備えるシリンジポンプ１８について説明する。図６（ａ）は本実施形態の吸入吐出装置２を正面から見た図であり、図６（ｂ）は側面から見た図である。図６は、説明をわかり易くするために、シリンンジポンプ１８の部分は断面で示している。本実施形態の吸入吐出装置２は注射器型のシリンジポンプ１８をモータ１９によって駆動するように構成されている。吸入吐出装置２のベース板１１には、シリンダ部２０を所定の位置に位置決めして固定するブラケット２１、２２が備えられていて、また、ピストン部２３と係合して、ピストン部２３をシリンダ部２０に対して進退移動させるためのピストンブラケット２４が備えられている。このピストンブラケット２４は、モータ１９の回転軸と連結して、モータ１９の回転動作を直進方向の動作に変換する送りネジ機構２５の移動子に固定されている。このピストンブラケット２４がモータ１９の回転動作に連動して進退移動することでピストン部２３をシリンダ部２０に対して前進若しくは後退させる。なお、モータ１９には、回転方向及び回転角度の正確な制御が可能なステッピングモータが使用されている。モータ１９の動作はポンプ制御部２６により制御されていて、このポンプ制御部２６からの信号により、モータ１９は所定の回転方向や回転位置まで作動する構成となっている。
このモータ１９とポンプ制御部２６とにより、シリンジポンプ１８のピストン部２３をシリンダ部２０に対する所定の位置まで進退動作させるポンプ駆動部が構成されている。この構成により、試料を精度良く吸入、吐出することが出来る。また、ローター駆動部とポンプ駆動部が協働して、タンク２８に貯留された試料を所定の分量で正確に吸引して、吐出ノズル２７から吐出することが出来る。
吸入吐出装置２を作動させるには、まず、吸入側チューブ８と吐出側チューブ９とシリンジポンプ１８とで構成される吸入吐出アッセンブリー４８を、吸入吐出装置２の所定の位置に取り付ける。このとき、各チューブ８、９は切替バルブ３に取り付けられたチューブ固定部材１５によって、ローター４と各押圧部材１７ａ、１７ｂとの間の所定の位置に互いに平行となるように位置決め固定される。チューブ固定部材１５は板状の部材にチューブ８、９の直径よりも小さい幅寸法の溝が形成されていて、この溝にチューブ８、９を押し込むことでチューブ８、９を固定するものである。また、押し込まれたチューブ８、９はチューブ自体の反発力によって固定されているだけなので、チューブ８，９はチューブ固定部材１５から容易に取り外して取り換えることが出来る。このチューブ固定部材１５は切替バルブ３のローター４の上方と下方にそれぞれ取り付けられている。なお、チューブ８、９を交換する際には、切替バルブ３のローター４を、ローラ６ａ、６ｂがチューブ８、９を押さえることのない位置で停止させておくのが好ましい。このチューブ８、９がローラ６ａ、６ｂによって押圧されない位置を、チューブ開放位置と称する。図７（ａ）を参照。また、モータ１９は、取り付けるシリンジポンプ１８のピストン部２３がシリンダ部２０の中に最も入りこんだ状態となる位置、即ち、シリンダ部２０の内部容積が最も小さくなる位置で停止させておく。なお、ローター４の隣に配置されるチューブ８、９の端部はそれぞれ、一方に２つの入出力部と他方に１つの入出力部を有するＹ字型のチューブコネクターＹの２つの入出力部側に接続されていて、チューブコネクターＹの他方の入出力側にシリンジポンプ１８の先端が接続されている。
チューブ８、９とシリンジポンプ１８の取り付けが完了すると、次に、各ローラ６ａ、６ｂがそれぞれ対応する押圧部材１７ａ、１７ｂと間でチューブ８、９の内部流通を閉止する位置まで、ローター４を回転させる。この各チューブ８、９がそれぞれ対応するロ−ラ６ａ、６ｂによって内部流通を閉止される位置（図７（ｂ）を参照）を、チューブ閉止位置と称する。各チューブ８、９の内部流通が閉止された状態で、試料吸入側チューブ８の他端を、試料を貯留した試料タンク２８に接続し、吐出側チューブ９の他端を吐出ノズル２７に接続する。これで、本発明の吸入吐出装置２の準備が完了する。なお、吐出ノズル２７はシリンジポンプ１８から供給された試料を所定の容器に吐出するための先端部材であり、詳細については後述する。
次に、本実施形態の吸入吐出装置２が行う試料の吸入吐出動作について説明する。まず、モータ１２を作動させて、チューブ８、９の内部流通を閉止する回転位置にあったローター４を、吸入側チューブ８の内部流通を開放し、吐出側チューブ９の内部流通を閉止する第１の位置（図８（ａ）を参照）まで回転動作させる。次に、モータ１９を作動させて、シリンジポンプ１８のピストン部２３をシリンダ部２０に対して後退させる。このピストン部２３の後退動作により、タンク２８に貯留された試料は、吸入吐出アッセンブリー４８内に吸入される。この時、チューブ９は流通を閉止された状態にあるので、吐出ノズル２７を介して外部環境の空気を吸引することはない。ピストン部２３を所定の位置まで後退させると、モータ１９を停止させる。
次に、モータ１２を作動させて、吸入側チューブ８の内部流通を閉止、吐出側チューブ９内部流通を開放する第２の位置（図８（ｂ）を参照）までローター４を回転させる。その後、モータ１９を動作させて、ピストン部２３をシリンダ部２０に対して前進させることで、シリンダ部２３内に吸入されていた試料と空気を、チューブ９及び吐出ノズル２７を介して外部へ吐出する。吐出動作が終了すると、モータ１２を先程とは逆方向に駆動させて、ローラ６ａ、６ｂが対応するそれぞれのチューブ８、９の内部流通を閉止する位置までローター４を回転させる。これで、吸入吐出装置２が行う一連の吸入吐出動作が完了する。なお、一連の吸入吐出動作ではチューブ８、９内部の空気が完全に排出されていない場合には、前述の吸入吐出動作を繰り返し行うことで吸入吐出アッセンブリー４８内部に試料を充満させることができ、その後の吸入吐出動作によって正確な量の試料を吐出ノズル２７から吐出することが出来る。
本実施形態の切替バルブ３は、ローター４が所定の方向及び角度の回転動作を行うことで、吸入側チューブ８と吐出側チューブ９を選択的に閉止若しくは開放してチューブ内の試料や気体の流通を制御するものである。即ち、ローター４を回転させることでローラ６ａ、６ｂが対応する押圧部材１７ａ、１７ｂと協働して、チューブ８、９を外側から押しつぶすことで、チューブ８，９内部の空間を閉塞して内部流通を閉止するという特徴を有している。ここで、図９を参照して吐出側チューブ９に対する閉止動作について説明する。図９（ａ）の二点鎖線で描かれたローター４は、吸入側チューブ８の内部流通を閉止状態とし、吐出側チューブ９の内部流通を開放状態とする第２の位置にある。ここで、モータ１２を作動させて、ローター４を紙面上で反時計回りの方向に角度αの回転動作をさせる。この動作によって吐出側チューブ９は、開放状態からローラ６ｂと押圧部材１７ｂとに挟まれて内部流通が閉止される状態となる（図９（ａ）の実線で示すローター４の状態）。なお、このローター４の所定の角度の移動中、ローラ６ａと押圧部材１７ａは吸入側チューブ８の内部流通を閉止状態に維持したままである。
次に、図９（ｂ）に示すように、モータ１２を作動させて、ローター４をさらに反時計回りの方向に角度βの回転動作をさせる。この動作により、ローラ６ａは押圧部材１７ａと協働してチューブ８の内部流通を閉止する領域から離脱して、チューブ８は内部流通を開放された状態となる。また、このローター４が行う角度βの回転動作の間、ローラ６ｂは吐出側チューブ９を押圧部材１７ｂに押し当てた状態のまま、押圧領域内をシャフト１６ｂの中心軸Ｃ２を回転中心として公転しながら移動することとなる。このローラ６ｂの動作中、吐出側チューブ９は、ローラ６ｂと押圧部材１７ｂによって吐出方向とは反対の方向にしごかれることになる。なお、ローラ６ｂはチューブ９に対して回転（自転）しながら移動するので、摩擦によりチューブ９に大きなダメージを与えることは無い。チューブ９が試料の流通方向とは反対の方向にしごかれることにより、試料の吐出が終了した後の吐出ノズル２７からの液ダレを防止することが出来る。これは、公知のサックバックバルブと同様の作用である。本発明の切替バルブ３は、チューブ内部における試料の流通の閉止とサックバックを、ローター４の回転動作で行うことが出来る。
試料（培地）は、細胞の生育に必要な栄養分や抗生剤、細胞を採取する際に用いられる細胞剥離のための薬剤等を調整して生成される。このような、分注装置や培地交換装置で供給される試料は、劣化防止のため等の低温環境下で保存される。通常、細胞は３７℃の環境下で育成されているので、培地交換の際に低温で保存されたままの試料を供給されると、細胞は試料の温度の低さにより大きなダメージを受けてしまう。低温によるダメージを防ぐため、試料は供給される際にヒーターで所定の温度に温められながら供給される。ヒーターは吸入側チューブ８や吐出側チューブ９、更に、吐出ノズル２７に備えられている。このように、吐出側チューブ９や吐出ノズル２７にヒーターが備えられていると、試料の吐出を停止しても、チューブ内に残留した試料がヒーターで温められることでその体積が増加し、余剰な液滴が吐出ノズル２７の先端からこぼれ落ちてしまう。本発明の切替バルブ３が備えるサックバック効果は、こういった余剰な液滴の落下といった不具合を防止するために有用なものとなる。
次に、本発明の吸入吐出装置２に適用されるチューブ８、９及びシリンジポンプ１８から構成される吸入吐出アッセンブリー４８について説明する。本発明の吸入吐出装置２に適用されるチューブ８、９は、切替バルブ３のローラ６ａ、６ｂによって外部から押えつけられることを考慮すると、シリコンゴムやポリオレフィン、フッ素ゴム、熱可塑性エラストマー等の復元力があり柔軟性が高い材質のものとすることが好ましい。また、シリンジポンプ１８は、一般的なガラス製や樹脂製のものを使用することもできるが、操作の容易性や使い捨てコストを考慮すると、ポリプロピレンやポリエチレンといった樹脂製とすることが好ましい。特に、本発明の吸入吐出装置２は、チューブ８、９やシリンジポンプ１８の取替えが容易な構造となっている。そのため、試料の吸入吐出後には使い終わったチューブ８、９やシリンジポンプ１８は廃棄して、次の吸入吐出動作の際には、新たなものを使用するという作業を容易に行うことが出来る。これにより、試料や検体の汚染を容易に防止することが出来る。なお、チューブ８、９の先端には、接続するタンク２９やノズル２７が備える接続部材に対応するルアーコネクターやワンタッチコネクターといった公知の接続部材を予め備えておけば、より短時間でのアッセンブリーの交換を行うことが出来る。特に、このチューブ８、９とシリンジポンプ１８、接続部材を一体化したものを一式のアッセンブリーとして、オートクレーブ滅菌やガンマ線滅菌といった公知の滅菌処理を施して密封したものを用意しておくことが望ましい。
次に、図１０を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。
上記第１の実施形態が備える切替バルブ３では、ローター４本体の回転中心軸Ｃが、ローター４の両端に配置されるローラ６ａ，６ｂのシャフト１６ａ、１６ｂの中心軸Ｃ１、Ｃ２を結ぶ直線Ｌ１からオフセットした位置（直性Ｌ１から外れた位置）に配置されている。これに対して、本発明の第２の実施形態の切り替えバブル３´では、ローター４´のシャフト１０の中心軸Ｃが、各シャフト１６ａ、１６ｂの中心軸Ｃ１、Ｃ２を結ぶ直線Ｌ１上に配置されている。このように、第１の実施形態と第２の実施形態では、ローター４、４´の回転中心軸Ｃと、ローラ６ａ，６ｂの回転軸Ｃ１，Ｃ２と位置関係が異なるため、チューブ８，９の双方を全部閉じた位置、全部解放した位置、第１の位置、第２の位置の各種開閉動作をさせるためには、回転軸の位置に対応して、押圧部材の位置も替える必要がある。
図１０は本発明の第２の実施形態である切替バルブ３´の概要を正面から記した図である。本実施形態のローター４´は第１実施形態と同様に、ローター本体の両端には、略円筒形のローラ６ａ、６ｂがシャフト１６ａ、１６ｂを介して回転可能にローター本体に固定されている。ローター４´はシャフト１０の中心軸Ｃを回転中心としてモータ１２によって回転可能になっている。このローター４の回転動作によって各ローラ６ａ、６ｂはシャフト１０の中心軸Ｃを中心とした円形の軌道Ａ１上を公転移動することとなる。各ローラ６ａ、６ｂの公転軌道Ａ１の外側には、押圧部材１７ｃ、１７ｄが左右対照に配置されている。各押圧部材１７ｃ、１７ｄのローター４に対向する面は、ローラ６ａ、６ｂの公転軌道Ａ１よりも大きな半径を有する円弧Ａ２に沿う形状に加工されている。上記構成により、モータ１２の作動によりローター４´が所定の方向に回転し、それに伴いローラ６ａ、６ｂも公転して移動することで、各ローラ６ａ、６ｂがそれぞれ対応する押圧部材１７ｃ、１７ｄに対して接近もしくは離間する。これによって、ローラ６ａと対応する押圧部材１７ｃとの間に配置されるチューブ８、ローラ６ｂと対応する押圧部材１７ｄとの間に配置されたチューブ９を挟み込んで閉止し、もしくは開放することでチューブ８、９の内部流通を制御することが出来る。
第１の実施形態では、各ローラ１６ａ、１６ｂの回転中心軸を結ぶ直線から外れた位置にローター４の回転中心軸Ｃが配置され、且つ、チューブ８、９を押圧する押圧領域は回転中心軸Ｃを通り水平な方向に延在する直線Ｌ３に関して対称な形状をしている。これに対して第２の実施形態では、各ローラ１６ａ、１６ｂの回転中心軸を結ぶ直線上にローター４の回転中心軸Ｃが配置され、且つ、チューブ８、９を押圧する押圧領域は回転中心軸Ｃを通り水平な方向に延在する直線Ｌ３に関して対称な位置にはない。各押圧部材１７ｃ、１７ｄは、それぞれ各ローラ１６ａ、６ｂに対応する押圧領域が中心軸Ｃを回転中心として所定の角度回転移動したときに、両チューブ８，９を両方同時に閉止または解放し、または一方のチューブのみを閉じる位置となるように配置される。
また、第１の実施形態におけるチューブ８、９は、鉛直方向に配置され、且つ互いに平行になるように配置されているが、本実施形態におけるチューブ８、９は、互いに所定の角度をもって鉛直方向に延在する直線に関して左右対称となるように配置される。これは、ローター４´が吐出側チューブ９のみを閉状態とする第１の位置、もしくは吸入側チューブのみを閉止状態とする第２の位置にある際に、開放される側のチューブの開状態を確実にするための処置である。それぞれが互いに角度をもって配置されるチューブ８、９は、切替バルブ３´の下方で一端がシリンジポンプ１８に接続されているチューブコネクターＹにそれぞれ接続される。
本実施形態の切替バルブ３´が備えるローター４´は、切替バルブ３が備えるローター４と同様に、モータ１２とモータ制御部１４によって、中心軸Ｃを回転中心として回転可能な構成となっていて、モータ制御部１４に予め記憶された回転位置までの回転移動が可能になっている。上記構成により、シリンジポンプ１８を駆動するポンプ駆動部と協働して、タンク２８に貯留された試料を吸入して吐出ノズル２７から吐出することができる。
次に、本発明の吸入吐出装置２を用いた培地交換装置３０について説明する。図１１は本発明の培地交換装置３０の概要を示す斜視図である。本実施形態の培地交換装置３０は容器２９内で培養される微生物や細胞に、水分や栄養素を含んだ培地と呼ばれる溶液を所定の間隔をおいて交換する装置である。培地交換動作は、まず容器２９内の古い培地を吸引除去し、その後新しい培地を加えることで行われる。本実施形態の培地交換装置３０では、古い培地の除去は吸引ノズル３１を介して行われ、新しい培地の供給は本発明の吸入吐出装置２に接続された吐出ノズル２７を介して行われる。
本発明の培地交換装置３０が備える吐出ノズル２７は、培地交換装置３０本体の上部を跨ぐように設置される梁部材３２に固定されていて、ノズル２７の基端部には吐出側チューブ９の一端が接続されている。吐出側チューブ９の他端部は、吸入吐出装置２のシリンジポンプ１８に接続されている。
また、吐出ノズル２７の梁部材３２に固定された部分よりも下方の部分は細長い円筒形をしていて、更に、その先端部分は所定の角度で曲げられた形状を有している。この曲げられた先端部分を容器２９の内壁に接近させた状態で培地を吐出することで、培地は容器２９の内壁を沿って容器２９の底面に溜まっていく。こうすることで、気泡を発生させることなく培地を容器２９に供給することが出来る。また、供給する培地の勢いで容器２９の底面に接着している細胞を底面から剥離させることはない。
吐出ノズル２７を介して培地を容器２９に供給するには、まずステージ移送部４４により、容器２９を吐出ノズル２７の下方であって、吐出ノズル２７の先端部が容器２９の側壁の上端よりも下方となる所定の位置まで移動させる（図１２（ａ）を参照）。そしてステージ移送部４４を作動させて容器２９の側壁と吐出ノズル２７の先端部が当接する位置まで容器２９を水平移動させる。移動が完了すると、吐出ノズル２７から培地を吐出する（図１２（ｂ）を参照）。吐出された培地は容器２９の側壁を伝って容器２９の底面から徐々に供給されていく。
また、吐出ノズル２７には、低温で保存されていた培地を、培養対象である微生物や細胞にダメージを与えない温度まで昇温させるヒーターが備えられている。本実施形態が備えるヒーターは、内部に加熱素子が組み込まれたカートリッジヒーターである。このヒーターを、吐出ノズル２７の一部であり、内部に培地の流路が形成されている昇温ブロック２７ａに着脱自在に挿入して用いられる。ヒーターの温度は不図示の温調制御ユニットによって制御されていて、吐出される培地の温度培養に最適な温度に昇温させて供給することが出来る。なお、吐出ノズル２７は、梁部材３２に対して容易に着脱が出来るようネジ留め等により着脱可能に固定されている。
本実施形態の培地交換装置３０が備える吸引ノズル３１は梁部材３２に固定されていて、その基端部分には、公知の吸引ポンプＰに接続される培地排出用チューブ３４の先端部が接続されている。また、吸引ノズル３１の先端部分は、使い捨て式のピペットチップ３３を着脱できる形状となっている。ピペットチップ３３は、弾力性を有する樹脂製のピペットチップ３３がノズル３１の先端部に挿入され、ピペットチップ３３の弾性力によって外側から締め付けられることによって固定される。なお、吸引ノズル３１で吸引する培地は、供給されてから一定時間経過していて、継時劣化に加え空気中を浮遊する雑菌塵埃に汚染されている可能性がある。この汚染された培地を吸引したピペットチップ３３で別の容器２９の培地を吸引すると、ピペットチップ３３によって別の容器２９にも汚染物質が伝播される所謂クロスコンタミが発生してしまう。こういった容器２９間での交差汚染を防止するために、本実施形態の培地交換装置３０が備える吸引ノズル３１は、古い培地の吸引を行う度にピペットチップ３３の交換が行われる。
なお、吐出ノズル２７についても、ピペットチップ３３を交換可能な構成とすることが可能である。吐出ノズルの先端が吸引ノズル３１と同様に直線状の場合には、上述したピペットチップラック３７とチップリムーバー３９と同様のものが吐出ノズル用としても使用可能である。本実施形態のように吐出ノズル２７の先端が曲がっている場合には、先端の形状に合わせた特殊なピペットチップラック及びチップリムーバーを設ける必要がある。
培地の交換が行われる容器２９は、交換ステージ３５上に配置される容器ステージ３６に、位置決め部材３６ａによって所定の位置に位置決めされて載置される。また、交換ステージ３５には、容器２９の他に、多数のピペットチップ３３をノズル２７、３１に装着出来るように鉛直方向に直立した姿勢で収容するチップラック３７が、位置決め部材３８によって所定の位置に載置される。さらに、吐出ノズル２７や吸引ノズル３１に装着されたピペットチップ３３を取り外すチップリムーバー３９と、取り外されたピペットチップ３３を収納するチップボックス４０とが交換ステージ３５に取り付けられている。交換ステージ３５はステージ移送部４４によりＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に移動可能である。
交換ステージ３５は、Ｙ軸駆動機構４４ａが備える移動ステージ４６上に配置されている。このＹ軸駆動機構４４ａは、モータ４１とモータ４１に連結する送りネジ機構４２とＹ軸方向に案内する一対のスライドレール４３から構成されていて、モータ４１の作動により移動ステージ４６と移動ステージ４６上に配置される交換ステージ３５をＹ軸方向に移動させる。また、Ｙ軸駆動機構４４ａはＸ軸ステージ５０上に配置されている。このＸ軸ステージ５０は、モータ４５とモータ４５に連結する送りネジ機構４６とＸ軸方向に案内する一対のスライドレール４７から構成されるＸ軸駆動機構４４ｂによりＸ軸方向に移動させられる。また、Ｘ軸駆動機構４４ｂは基台５１に配置されている。さらに、モータ４９と不図示の送りネジ機構と案内機構により構成されて交換ステージ３５をＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動機構４４ｃにより、交換ステージ３５は移動ステージ４６に対してＺ方向、すなわち鉛直方向に移動可能となっている。
本実施形態の培地交換装置３０が備えるモータ４１、４５、４９は回転軸の角度制御が可能なステッピングモータが使用されていて、予め教示された所定の位置に精度良く作動することが出来る。また、これらのモータ４１、４５、４９、及び吸入吐出装置２の作動は、培地交換制御部（図示せず、以下同じ）から送信される信号によって制御される。上記構成により、交換ステージ３５上に載置される容器２９、チップラック３７に収容される全てのピペットチップ３３およびチップリムーバー３９等は、吸引ノズル３１、吐出ノズル２７に対して、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に相対的に移動することが出来る。この各方向への移動によって、吸引ノズル３１に対するピペットチップ３３の装着、及び、吸引ノズル３１に装着されているピペットチップ３３の取り外し（脱着）と、容器２９に対する相対的な移動を行うことが出来る。また、予め容器２９の受渡し位置を設定しておくことで、公知の自動搬送装置によって搬送される容器２９やチップラック３７の受渡しが出来る。
また、上記構成に加え、図１３に示すように、本実施形態の培地交換装置３０には、古くなった培地を除去する効率を上げるために、容器２９を載置する容器ステージ３６を傾斜させる傾斜機構５２が備えられている。傾斜機構５２はモータやシリンダといった公知の駆動源と機構によって構成されていて、容器２９を載置する容器ステージ３６を所定の角度傾斜させる機構である。容器ステージ３６を傾斜させることにより、吸引ノズル３１を介して吸引された培地の残りを一か所に集めることができる。
傾斜機構５２を使用して培地を吸引する方法は以下のとおりである。まず、廃棄する培地が容器２９内に多く残っている時には、図１３（ａ）に示すように、容器ステージ３６を水平状態に維持しておく。次に、廃棄する培地が残り少量となった時に傾斜機構５２を作動させて容器ステージ３６を所定の角度に傾斜させる。また、容器ステージ３６を傾斜させると共に、ステージ移送部４４を作動させて、吸引ノズル３１に装着されたピペットチップ３３の先端が容器２９の最も低い位置に接するように容器ステージ３６を移送する（図１３（ｂ）を参照）。こうすることで、古い培地を残らず容器２９から除去することが出来る。
次に、本実施形態の培地交換装置３０が行う培地交換動作の手順について説明する。まず、培地交換制御部は培地交換装置３０、ステージ移送部４４の各モータ４１、４５、４９を作動させて、交換ステージ３５を、容器２９を受け入れ可能な所定の位置に移動させる。培地の交換が必要な容器２９が容器ステージ３６に載置されると、培地交換装置３０は、吸引ノズル３１が培地を吸引可能な位置まで、各モータ４１、４５、４９を動作させて容器２９を移動させる。吸引ノズル３１の先端が培地の中に侵入する位置まで容器２９が移動すると、容器２９内の古い培地は、公知のポンプＰの吸引力によってピペットチップ３３及び吸引ノズル３１を介して吸引され、培地交換制御部は上記した手順で容器２９を傾斜させながら廃棄すべき古い培地を吸引して除去する。
古い培地の除去が終了すると、培地交換制御部は、傾斜機構５２を作動させて容器２９を傾斜した姿勢から水平姿勢へと戻す。その後、各モータ４１、４５、４９を作動させて、吐出ノズル２７が培地を容器２９内に吐出出来る位置まで、容器２９を移動させる。容器２９の移動が完了すると、吸入吐出装置２が作動して、タンク２８に貯留されている培地を所定の量だけ容器２９に供給する。そして培地の供給が完了すると、培地交換制御部は、搬送装置との容器２９の受渡し位置まで交換ステージ３５を移動させる。これで、一連の培地交換動作が完了する。
次に、吸引ノズル３１に装着されるピペットチップ３３の交換動作について説明する。ピペットチップ３３は、吸引ノズル３１の先端部分に装着可能な直立した姿勢でチップラック３７に多数収納されている。なお、一般的にチップラック３７は、公知な培養容器である９６ウェル、３８４ウェル、１５３６ウェルのマイクロプレートの各培養区画（ウェル）の配置に対応するために、所定の本数のピペットチップ３３を所定の配列で収容している。本実施形態の培地交換装置３０では、説明を容易にするために、９６ウェルに対応する形態としている。図１１に示すように、本実施形態の培地交換装置３０が載置するチップラック３３は、Ｘ軸方向に所定の間隔で１２本のピペットチップ３３を収納する列がＹ軸方向に所定の間隔をおいて８列配置されている。このチップラック３７が手動もしくは公知の搬送装置により交換ステージ３５の所定の位置に設置されると、培地交換制御部は、ステージ移送部４４を作動させて吸引ノズル３１の直下に目的のピペットチップ３３が位置するように交換ステージ３５を移動させる。その後、培地交換制御部はＺ軸駆動機構４４ｃを作動させて、交換ステージ３５とチップラック３７を所定の高さまで上昇させる。吸引ノズル３１のチップ装着部分にピペットチップ３３が装着されたところで、培地交換制御部はモータ４９の作動を停止して、その後モータ４９を逆回転方向に作動させて交換ステージ３５を上昇動作前の位置まで下降させる。これにより、チップラック３７に収納されていたピペットチップ３３は吸引ノズル３１に装着される。
次に、装着されたピペットチップ３３を吸引ノズル３１から取り外す動作について説明する。吸引ノズル３１からピペットチップ３３を取り外すには、交換ステージ３５に備えられたチップリムーバー３９が用いられる。本実施形態の培地交換装置３０が備えるチップリムーバー３９は、空洞の円筒状の部材の上面カバー部分に、ピペットチップ３３の径よりも大きい丸穴と、吸引ノズル３１のチップ装着部分の径よりも大きくピペットチップ３３の径よりも小さい長穴が連結された形状の抜き孔を有している。
培地の吸引が終了した後、培地交換制御部はステージ移送部４４を作動させてチップリムーバー３９の大きい丸穴部分を吐出ノズル２７の直下位置まで移動させる。次に培地交換制御部はＺ軸駆動機構４４ｃを作動させて、目的のピペットチップ３３をチップリムーバー３９の中に挿入して、次いでチップリムーバー３９を水平方向に移動させて、吸引ノズル３１のチップ装着部分を板部材の長穴部分まで移動させる。ここで、培地交換制御部はＺ軸駆動機構４４ｃを作動させてチップリムーバー３９を下降させることで、ピペットチップ３３を長穴部分に係合させて吸引ノズル３１からピペットチップ３３を取り外す。取り外されたピペットチップ３３は、チップリムーバー３９の下方に設けられたチップボックス４０内に収容される。ピペットチップ３３の除去が終了すると、培地交換制御部は吸引ノズル３１先端部に新たなピペットチップ３３を装着するために、ステージ移送部４４を作動させてチップラック３７を吸引ノズル３１に向かって移動させる。このようにして、本実施形態の培地交換装置３０は試料の吸引吐出、使い捨てのピペットチップ３３の交換を自動的に行うことが出来る。なお、前述したように、吐出ノズル２９もピペットチップ３３の装着が可能な形状とすることも可能である。
なお、本実施形態の培地交換装置３０が備える吐出ノズル２７の材質は、熱伝導性の高い金属性とすることが望ましく、特にオートクレーブ滅菌や過酸化水素ガス滅菌に耐えることが出来るステンレススチール製とすることで、滅菌処理後も繰り返し使用することが出来る。また、吸引ノズル３１は、梁部材３２に対して容易に着脱が出来るようネジ留めされている。また、ピペットチップ３３の装着と脱着が繰り返し行われるので、吸引ノズル３１の材質はピペットチップ３３よりも固い金属製とすることが望ましい。特に、オートクレーブ滅菌や過酸化水素ガス滅菌に耐えることが出来るステンレススチール製とすることで、滅菌処理後も繰り返し使用することが出来る。また、吸引ノズル３１の滅菌処理を行う際には、吸引ノズル３１と接続される培地排出用のチューブ３４は、吸引ノズル３１と共に滅菌処理されるか、もしくは廃棄され新しいチューブ３４に交換されることが望ましい。さらに、古い培地を吸引する公知のポンプに代えて、本発明の吸引吐出装置２と吸入吐出アッセンブリー４８を使用することとすれば、汚染が発生しても、汚染されたアッセンブリーを廃棄して新たなアッセンブリーを装着することで容易に汚染部分を除去することが出来る。
上記した様に、本発明の吸入吐出装置２を用いた装置の一つの実施形態として培地交換装置３０を説明したが、培地交換装置３０以外に、創薬スクリーニング分野やバイオテクノロジー分野等において、物質の生化学反応テストなどの各種試験のために用いられる分注装置５３にも用いることが出来る。図１４は本発明の吸入吐出装置２を備える他の実施形態である分注装置５３を示す斜視図である。
本実施形態の分注装置５３には、使い捨てのピペットチップ３３を多数収納するチップラック３７と、試験のために用いられる試料を貯留する試料容器５４と、複数の反応ウェルが形成された反応容器５５が位置決め部材によって所定の位置に載置される分注ステージ５６と、試料容器５４から試料を吸引して反応容器５５の所定の反応ウェルに吐出する分注ノズル５７と、分注ノズル５７をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に移動させるノズル移送部５８と、試料の分注を終えたピペットチップ３３を除去するためのチップリムーバー３９と、チップリムーバー３９の下方に配置され、チップリムーバー３９によって除去されたピペットチップ３３と廃液を収容するチップボックス４０が備えられている。
分注装置５３が備える吸入吐出装置２は、チューブ９を介して分注ノズル５７に接続されていて、シリンジポンプ１８の往復動作により、試料容器５４内の試料を吸入して反応容器５５の各ウェルに吐出する。ノズル移送部５８は、分注ノズル５７をＹ軸方向に水平移送するＹ軸駆動機構５９と、Ｙ軸駆動機構５９に支持されて分注ノズル５７をＸ軸方向に水平移送するＸ軸駆動機構６０と、Ｘ軸駆動機構６０に支持されて分注ノズル５７をＺ軸方向（鉛直方向）に昇降移送するＺ軸駆動機構６１とで構成されている。各駆動機構５８、５９、６０は図示しない駆動源を備えていて、分注ノズル５７はこれらの駆動源によりＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に移動可能となっている。なお、本実施形態の分注装置５３が備える不図示の各駆動源には回転軸の角度制御が可能なステッピングモータが使用されていて、予め教示された所定の位置に精度良く移動することが出来る。また、これらの駆動源及び吸入吐出装置２の動作は、分注制御部(図示していない。以下同じ)から送信される動作信号によって制御される。
また、本実施形態に備えられる吸入吐出装置２の吸入側チューブ８の基端部は圧力伝達水を貯留する圧力伝達水タンク６２に連結されている。圧力伝達水とは、本実施形態が備える吸入吐出装置２により吸引吐出される液体であり、分注動作を行う際のシリンジポンプ１８の動作により発生する圧力を分注ノズル５７へと伝達するための液体である。主としてイオン交換水や電解水、純水等の機能水が使用される。ここで、新たな吸入吐出アッセンブリー４８が設置されると、試料分注前の準備動作として、吸引吐出装置２が備えるシリンジポンプ１８を作動させて各チューブ８、９、分注ノズル５７、及び、分注ノズル５７に装着されたピペットチップ３３の内部に圧力伝達水を充填する動作が行われる。
圧力伝達水を充填する動作は、まず分注制御部が、吸入側チューブ８を開放して吐出側チューブ９を閉止する位置までローター４を回転移動させ、その後、シリンジポンプ１８のピストン部２３を後退動作させて圧力伝達水を圧力伝達水タンク６２から吸入する。次に、吐出側チューブ９を開放して吸入側チューブ８を閉止する位置までローター４を回転移動させ、その後、シリンジポンプ１８のピストン部２３を前進動作させてチューブ８、９と、シリンジポンプ１８内に充満している空気を排出する。その後、上記動作を繰り返すことで吸入吐出装置２の配管系統内に圧力伝達水を充満させる。
次に、本実施形態の分注装置５３が行う分注動作について説明する。分注動作を開始する前に、分注制御部は、吸入吐出装置２のシリンジポンプ１８のピストン部２３を後退移動させて、圧力伝達水が充満しているピペットチップ３３先端から空気を所定量吸引する（図１５（ａ）を参照）。これは圧力伝達水と試料の混合を防止するための処置であり、空気の吸引量はシリンジポンプ１８のピストン部２３を動作させるモータ１９の動作量によって管理される。なお、この動作を行う際、分注制御部はモータ１２を作動させて、吸引側チューブ８を閉止し、且つ吐出側チューブ９を開放する位置まで、吸入吐出装置２のローター４を回転移動させておく。次に分注制御部は、ノズル移送部５８を動作させて、空気を吸引した状態のピペットチップ３３を装着した分注ノズル５７を試料容器５４の真上まで移送した後、ピペットチップ３３の先端が試料容器５４に貯留されている試料内に入り込む位置まで下降させる。その後、シリンジポンプ１８のモータ１９を作動させてピストン部２３を後退させ、試料を所定量吸入する。試料の吸入が完了すると、分注装置５３はノズル移送部５８を動作させて、ピペットチップ３３を試料容器５４の上方まで上昇移動させる。次に分注制御部は、再び吸入吐出装置２のシリンジポンプ１８のピストン部２３を後退移動させて、ピペットチップ３３先端から空気を所定量吸引する。そして、ピペットチップ３３の先端が試料容器５４に貯留されている試料内に潜り込むまで下降させる。その後、モータ１９を作動させてピストン部２３を後退させ、試料を所定量吸入する。分注制御部はこの動作を予め設定された回数繰り返し行う。これにより、ピペットチップ３３内には、図１５（ｂ）に示すように、一定量の空気の層で分離された一定量の試料の領域が複数形成される。
次に分注制御部は、所定の反応容器５５の上方までピペットチップ３３を移送させて、反応容器５５に形成された所定の反応ウェル内にピペットチップ３３の先端を下降させる。下降動作が完了すると分注装置５３は、シリンジポンプ１８のモータ１９を作動させて、反応ウェルの中に一領域分の試料を供給する。一つの反応ウェルへの供給が終了すると、分注制御部はノズル移送部５８と吸入吐出装置２を作動させて、次の反応ウェルに対して上記の供給動作を吸入した試料を供給する動作を繰り返し行う。
ここで、分注装置５３においても分注ノズル５７に装着されているピペットチップ３３を交換する場合がある。例えば、種類の異なる細胞懸濁液の播種やピペッティング、継体作業に関連するトリプシン処理やリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）の濃縮やこのＰＢＳを使った細胞洗浄といった作業では、他の検体との混合を防止するためにピペットチップ３３の交換が行われる。ピペットチップ３３の交換動作は前述した説明と同様に、チップリムーバー３９でピペットチップ３３が取り外され、チップラック３７の新しいピペットチップ３３の装着が行われる。
新たなピペットチップ３３の装着が完了すると、分注制御部は、ノズル移送部５８を作動させてピペットチップ３３を装着した分注ノズル５７をチップリムーバー３９の上方まで移動させ、吸入吐出装置２のシリンジポンプ１８を作動させて、新たに装着したピペットチップ３３内に圧力伝達水を充填させた後、圧力伝達水と試料との混合を防止するために空気を所定量吸引する。次に、試料を吸入するためにノズル移送部５８を作動させて分注ノズル５７とピペットチップ３３を試料容器５４に向かって移動させる。このようにして、本実施形態の分注装置５３は、使い捨てのピペットチップ３３の交換と、試料の吸入、吐出を連続して行うことにより、自動的に大量の試料の正確な分注作業を行うことが出来る。
なお、本実施形態の分注装置５３では、分注ノズル５７を１つ備えているが、複数の分注ノズル５７を備えることも可能である。その場合には、分注対象となる容器２９に格子状に配列されるウェルの数、及びウェルの離間距離に合せて、複数の分注ノズル５７の試料の吸入と供給動作が同時に効率的に行えるように分注ノズル５７を配置することが望ましい。また複数の分注ノズル５７のピペットチップ３３を同時に効率的に交換できるように、複数の分注ノズル５７の位置に合せて、チップリムーバー３９及びチップラック３７を配置することが望ましい。さらに、１つの分注ノズル５７に対して１つの吸入吐出装置２を備えるようにしておけば、各分注ノズル５７に対する分注量を正確に制御することが出来る。上記構成とすることで、分注量の精度を悪化させることなく、分注作業の時間を短縮することが出来る。
次に、本発明の吸入吐出装置２を備える培地交換装置３０と容器２９の搬送機構６４を備える培養装置６３とを組み合わせた自動培養システム６５について説明する。図１６は本実施形態の自動培養システム６５を示す断面図である。培養装置６３は一般的にインキュベータとも呼ばれるもので、培養や検査の対象となる多数の試料を収容する容器２９を保管する恒温室６６に温度や湿度、二酸化炭素濃度等の環境条件を維持する公知の手段を備えたものである。本実施形態の自動培養システム６５が備える培養装置６３には、不図示の環境維持のための機器に加え、複数の棚段の夫々に容器２９を載置する容器ラック６７と、この容器ラック６７を放射状に複数載置して回転移動させるラックステージ６８と、このラックステージ６８を水平面内で回転させて移動させるステージ駆動部６９とを備えている。ステージ駆動部６９の駆動源は回転軸の正確な角度制御が可能なステッピングモータが用いられる。更に、本実施形態の自動培養システム６５が備える培養装置６３には、容器２９の搬入と搬出を行うための開口部を遮蔽する複数の遮蔽板７０が備えられている。なお、本実施形態の培養装置６３は、恒温室６６の外部に配置されるステージ駆動部６９の回転駆動力を恒温室６６の内部に配置されるラックステージ６８に磁力により伝達するマグネットカップリング機構が備えられている。なお、本実施形態の自動培養システム６５を無菌環境に維持されるクリーンブース内に配置することで、コンタミネーションをより高度に防止することが出来る。特に、最大の汚染源である人体が介在することなく自動で培養することが出来るので、クリーンブース内に配置することは特に有効である。
本実施形態の自動培養システム６５が備える搬送機構６４は、容器２９を下方から支持するフィンガ７１と、フィンガ７１を支持して前後方向所定の位置まで移送するフィンガ駆動部７２を備えている。フィンガ駆動部７２は、フィンガ７１を支持して、不図示のガイドに沿ってフィンガ７１を図の左右方向、即ち前進及び後退方向に進退移動させる進退駆動部７２ａと、進退駆動部７２ａを支持して旋回移動させる旋回駆動部７２ｂと、旋回駆動部７２ｂを支持して、鉛直方向に延在するガイド７３に沿って旋回駆動部７２ｂを鉛直方向に昇降移動させる昇降駆動部７２ｃとから構成されている。昇降駆動部７２ｃは、培養装置６３の上方に載置された培地交換装置３０の容器ステージ３６上に載置された容器２９に対してフィンガ７１がアクセス可能な位置まで旋回駆動部７２ｂを昇降移動させることが出来る。また、フィンガ駆動部７２の各駆動部には駆動源として回転軸の正確な角度制御が可能なステッピングモータが用いられている。この構成により、フィンガ駆動部７２及びステージ駆動部６９は、不図示の制御装置から送信される動作指令によりフィンガ７１及びフィンガ７１に支持される容器２９を、自動培養システム６５内の予め制御装置に記憶させた所定の棚段まで移送することが出来る。
また、昇降駆動部７２ｃには、遮蔽板７０に形成された係合孔に係合して遮蔽板７０を開閉動作させるための係合機構７４が備えられている。係合機構７４は、昇降駆動部７２ｃのフィンガ７１よりも上方の位置に固定されて、遮蔽板７０に形成された係合孔に係合する係合ピンを備えている。係合機構７４はこの係合ピンを進退移動させる機構を有しており、進退移動させる機構の駆動源には、係合ピンの繰り出し量が調整出来るステッピングモータが備えられている。遮蔽板７０を開けるには、まず昇降駆動部７２ｃが所定の位置まで昇降移動して、その後係合機構７４が遮蔽板７０の係合孔に向かって係合ピンを前進させる。係合ピンが係合孔に挿入され、係合機構７４と遮蔽板７０が係合されると、昇降駆動部７２ｃが上昇移動して、係合した遮蔽板７０とその遮蔽願７０よりも上に配置された遮蔽板７０を持ち上げることで、フィンガ７１が容器ラック６７にアクセスすることが出来る開口を発現させる。フィンガ７１の容器ラック６７へのアクセスが終了すると、昇降駆動部７２ｃが下降移動して開口を閉鎖した後、係合機構７４が係合ピンを元の位置まで後退させる。なお、フィンガ７１が容器ラック６７にアクセスするとは、フィンガ７１が保持している容器２９を容器ラック６７の所定の棚段に載置する動作、若しくは、容器ラック６７の所定の棚段に載置された容器ラック６７をフィンガ７１が下方から持ち上げて恒温室６６の外部へと搬出することを表している。
次に、本実施形態の自動培養システム６５の動作について説明する。培養装置６３の恒温室６６内に保管されている容器２９の培地を交換するには、まず、搬送機構６４が目的の容器２９にアクセス出来るように、ステージ駆動部６９が目的の容器２９が遮蔽板７０に対向する位置までラックステージ６８を回転移動させる。次に、昇降駆動部７２ｃと係合機構７４が協働して対応する遮蔽板７０を開く。その後、搬送機構６４がフィンガ駆動部７２を動作させて、フィンガ７１上に容器２９を支持して恒温室６６の外に運び出した後、搬送機構が下降して遮蔽板７０を閉じる。その後、搬送機構６４は昇降駆動部７２ｃを動作させて、フィンガ７１が支持している容器２９を培地交換装置３０が備える容器ステージ３６に載置することが可能な位置までフィンガ７１を上昇させる。この時、培地交換装置３０は、ステージ移送部４４を作動させて、交換ステージ３５上に配置された容器ステージ３６をフィンガがアクセス可能な位置まで移動させる。容器ステージ３６のアクセス可能な位置までの移動が終了すると、搬送機構６４はフィンガ駆動部７２を動作させてフィンガ７１が支持する容器２９を容器ステージ３６上に載置させる。容器２９の載置が完了すると、搬送機構６４は培地交換装置３０の培地交換動作が終了するまで待機する。なお、この後の培地交換装置３０が行う培地交換動作は既に説明した動作と同じであるのでここでは省略する。
培地交換が終了すると、培地交換装置３０は再びステージ移送部４４を作動させて、容器ステージ３６上に載置された容器２９にフィンガがアクセス出来る位置まで交換ステージ３５移動させる。容器ステージ３６のアクセス位置までの移動が完了すると、搬送機構６４はフィンガ駆動部７２を動作させて、容器ステージ３６に載置される容器２９を掬い上げるようにフィンガ７１上に支持した後、所定の容器ラック６７の所定の棚段に対応する位置まで下降する。その後、前回と同様に遮蔽板７０を開け、恒温室６６内に配置される所定の容器ラック６７の所定の棚段に容器２９を載置する。載置が終了すると、搬送機構を下降させて、持ち上げていた遮蔽板７０を下降させることで開口部分を閉鎖して、搬送操作を終了する。また、試料の培養期間が終了すると、自動培養システム６５は培養装置６３と搬送機構６４を動作させて、目的の容器２９を恒温室６６から搬出し、所定の受渡し位置まで容器２９を搬送して次の工程へと受け渡す。
上記説明のとおり、本実施形態の自動培養システム６５を使用することで、培養中の細胞等に対して人手を使うことなく培地交換作業が自動化できるので、作業者の負担を低減することが出来る。また、人手を介さないことでコンタミネーションを防止することが可能になる。さらに、機械的に定量の培地交換が確実に行われるので、培地交換作業に起因する各試料の育成状況に差異が発生することが無く、安定した培養を行うことが出来る。なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
２ 吸入吐出装置
３、３´ 切替バルブ
４、４´ ローター
６ａ、６ｂ ローラ
８ 吸入側チューブ
９ 吐出側チューブ
１５ チューブ固定部材
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 押圧部材
１８ シリンジポンプ
３０ 培地交換装置
５３ 分注装置
６３ 培養装置
６５ 自動培養システム

Claims (10)

  1. 両端に回転可能に取り付けられた一対のローラを備えるローターと、
    前記ローターを回転駆動するローター駆動部と、
    前記ローターの回転により公転する前記一対のローラの公転軌道の外側の前記各ローラと協働する位置に設けられた一対の押圧部材と、
    前記各ローラの前記公転軌道と前記一対の押圧部材との間にそれぞれ配置された一対のチューブと、を備え、
    前記各押圧部材と前記各ローラの前記公転軌道との隙間が狭く、前記ローラが公転することにより、対応する前記ローラと前記押圧部材とが協働することにより前記チューブを押圧して閉止する押圧領域が形成されており、
    前記一対のチューブのそれぞれを、前記一対のローラと前記一対の押圧部材とで外部から選択的に閉止及び開放することを特徴とする切替バルブ。
  2. 前記ローターは、
    前記一対のチューブの両方を閉止する位置と、
    前記一対のチューブの片方のみを閉止する位置と、
    前記一対のチューブの両方の流通を開放する位置との間で回転移動可能である
    ことを特徴とする請求項１に記載の切替バルブ。
  3. 前記ローターの回転中心軸は、前記一対のローラのそれぞれの回転中心を結ぶ直線から外れた位置に配置され、
    前記一対の押圧部材は、
    前記ローターの回転中心を通り、且つ水平方向に延在する直線に関して対称な前記押圧領域を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の切替バルブ。
  4. 前記ローターの回転中心軸は、前記一対のローラのそれぞれの回転中心を結ぶ直線上に配置され、
    前記一対の押圧部材は、
    前記ローターの回転中心を通り、且つ鉛直方向に延在する直線に関して対称な前記押圧領域を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の切替バルブ。
  5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の切替バルブと、前記一対のチューブのそれぞれの端部が接続されたシリンジポンプと、
    前記シリンジポンプのピストン部をシリンダ部に対して進退移動させるポンプ駆動部と、を備え、
    前記ポンプ駆動部は前記ローター駆動部と協働して、前記一対のチューブの内部に試料を流通させることを特徴とする吸入吐出装置。
  6. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載された切替バルブに装着可能な吸入吐出アッセンブリーであって、
    前記一対のチューブと、
    前記一対のチューブのそれぞれの一端が接続された前記シリンジポンプと、
    から構成され、
    無菌パックされていることを特徴とする吸入吐出アッセンブリー。
  7. 請求項５に記載の吸入吐出装置を備えることを特徴とする培地交換装置。
  8. 請求項５に記載の吸入吐出装置を備えることを特徴とする分注装置。
  9. 請求項７に記載の培地交換装置と、
    試料を収容する容器を所定の環境に調整された恒温室内に収容する培養装置と、
    前記培地交換装置と前記培養装置との間で前記容器を搬送する搬送機構を備える
    ことを特徴とする自動培養システム。
  10. 請求項８に記載の分注装置と、
    試料を収容する容器を所定の環境に調整された恒温室内に収容する培養装置と、
    前記培地交換装置と前記培養装置との間で前記容器を搬送する搬送機構を備える
    ことを特徴とする自動培養システム。
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