JP3878667B2 - 分注システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、バイオチップ製造等の分野にて好適に用いられ、所定の分注液を一定微量ずつ小分けしてスポット的に注ぐのに使用される分注システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、薬液等の液体を一定微量ずつ小分けしてスポット的に相手基板等に注ぐ（分注する）のに使用される分注装置として、例えば、下記の特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に記載されるものがある。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２の分注装置（マイクロピペット）は、ピペット本体のキャビティに、外部から試料を注入して貯留し、ピペット本体の外面上に設けた圧電／電歪素子を駆動させてキャビティの体積を変化させ、試料の一定量を吐出口から吐出させるものである。
【０００４】
非特許文献１の分注装置は、分注器のノズル先端から、「０．１〜２．５μｌ」程度の容量の液体を「０．１μｌ」の精度で押し出して分注するようになっている。
【０００５】
一方、所定の液体が分注されるバイオチップの一つとして、例えば、下記の特許文献３に記載されるマクロアレイがある。このマクロアレイは、遺伝子発現解析等の分野において利用され、多種類のＤＮＡ試料に基づく多数のスポットを整然と配置したものである。このマクロアレイは、被検物質含有スポットを形成する基材となる多孔質メンブレンを備え、そのメンブレンの孔が相互に独立した貫通孔となっている。従って、メンブレンの表面に滴下された試料の一部は、各貫通孔に滲入し、メンブレン表層の横方向への拡散が抑えられる。これにより、高密度なスポットがマクロアレイに形成・配置される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１９６０１０号公報（第６頁，図１）
【特許文献２】
特開２００２−２０４９４５号公報（第６頁，図１）
【特許文献３】
特開２００１−８３１６３号公報（第２頁〜第４頁，図１，図２，図３）
【非特許文献１】
アズワン（株）カタログ「研究用総合機器７００００」第５６８頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の特許文献１、特許文献２及び非特許文献１に記載された装置では、「μｌ」レベルの精度の分注が限界であり、それ以上の精度で液体を微量に分注することが困難であった。これは、前記分注装置では、主として「液滴法」が使用され、液体には表面張力と呼ばれる「液体分子間の凝集力」や「管壁に対する付着力」があるたである。一般に、垂直な管の下端から落下する液滴は、その質量分の重力が表面張力等に打ち勝つときに落下することから、落下に必要な最少の液滴量が「μｌ」レベルになるからである。従って、従来の分注装置を使用したのでは、「ｎｌ」レベルの超微量の分注を行うことができなかった。
【０００８】
又、前記の特許文献３に記載されたマクロアレイは、貫通孔毎にスポットが形成されるのではなく、複数の貫通孔を含む範囲で一つ分のスポットがメンブレン表面に形成されるものであった。このため、マクロアレイとしては、「ｎｌ」レベルの超微量の分注液により一つのスポットを形成することが困難であった。
【０００９】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、「ｎｌ」レベルの超微量な分注を行うことを可能とした分注システムを提供することにある。この発明
の第２の目的は、上記分注システムにおいて好適に使用され、超微量な分注液により一つのスポットを形成することを可能とした分注基板を提供することにある。この発明の第３の目的は、「ｎｌ」レベルの超微量な分注を行うことを可能とした分注方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
【００１２】
上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、分注液を極細管から吐出させる分注液吐出手段と、吐出された分注液を分注する貫通孔を含む分注基板とを備えた分注システムであって、極細管を分注基板に対して進退させるための進退手段と、進退手段により極細管が貫通孔に非接触で挿入され、非接触で引き抜かれることと、極細管が貫通孔に挿入されたときに極細管から分注液の吐出が開始され、その吐出と同時に極細管が貫通孔から引き抜かれるように分注液吐出手段と進退手段を制御するための制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、制御手段により進退手段が制御されて極細管が貫通孔に非接触で挿入される。このとき、制御手段により分注液吐出手段が制御されて極細管から分注液の吐出が開始されると、同時に制御手段により進退手段が制御されて貫通孔から極細管が引き抜かれ、それと共に貫通孔に分注液が受け入れられることになる。従って、貫通孔の容積を予め超微量に設定しておくことにより、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が容易に分注される。
【００１４】
上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、貫通孔が開口する分注基板の表面に撥水性コートを設けたことを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、分注基板の表面で分注液が撥水性コートにより弾かれて粒化するので、分注液が貫通孔の周囲へ拡がり難くなる。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
上記第３の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、予め親水性コートを設けた貫通孔を含む分注基板に対して極細管を前進させ、その極細管を貫通孔に非接触で挿入した後に極細管から分注液の吐出を開始し、その吐出と同時に極細管を分注基板に対して後退させて貫通孔から非接触で引き抜くことにより貫通孔に分注液を分注することを趣旨とする。
【００２３】
上記発明の構成によれば、極細管が貫通孔に非接触で挿入された後、極細管から分注液の吐出が開始され、その吐出と同時に貫通孔から極細管が非接触で引き抜かれると、貫通孔に分注液が受け入れられて分注される。従って、貫通孔の容積を予め超微量に設定しておくことにより、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が容易に分注される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の分注システム及び分注方法を具体化した第１の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１に、本実施の形態の分注システムの概略構成図を示す。この分注システムは、エア駆動タイプの液カートリッジ１と、その液カートリッジ１の下方に配置された分注基板２とを備える。液カートリッジ１は、分注液を貯留するキャビティ３を含む筐体４と、キャビティ３に貯留された分注液を吐出する極細管５とを備える。極細管５から吐出された分注液は、分注基板２に分注される。
【００２６】
この分注システムは、液カートリッジ１のキャビティ３に圧送用エアを供給するためのエア供給装置を備える。このエア供給装置は、エア配管６と、そのエア配管６の途中に設けられた電磁弁７及び圧力調整器８とを含んで構成される。電磁弁７をオン・オフすることにより、キャビティ３に対するエアの供給・停止が制御される。これら液カートリッジ１とエア供給装置とにより、分注液を極細管５から吐出させる本発明の分注液吐出手段が構成される。
【００２７】
この分注システムは、分注基板２を平面縦方向へ移動させるための縦フレーム９と、その縦フレーム９を駆動させるための縦用アクチュエータ１０と、分注基板２を平面横方向へ移動させるための横フレーム１１と、その横フレーム１１を駆動させる横用アクチュエータ１２とを備える。これら縦フレーム９、縦用アクチュエータ１０、横フレーム１１及び横用アクチュエータ１２は、分注基板２と極細管５を相対移動させるために、分注基板２を縦方向及び横方形へ移動させる移動手段に相当する。
【００２８】
図２に、分注基板２を平面図に示す。分注基板２は、縦横規則的に配置された多数の貫通孔２ａを含む。各貫通孔２ａには、極細管５から吐出される分注液が分注される。図３に、分注基板２と極細管５の関係を拡大断面図に示す。極細管５と分注基板２とは、互いに近付けられて非接触に配置される。この実施の形態で、分注基板２は、正方形のアクリル板より形成され、縦横「５０ｍｍ×５０ｍｍ」の長さと、「１ｍｍ」の厚さを有する。分注基板２は、アクリル板以外に、紫外線硬化樹脂板により形成することもできる。この実施の形態で、貫通孔２ａの数は「１００００」である。各貫通孔２ａの内径Ｒ１は「０．１ｍｍ」であり、各貫通孔２ａのピッチＰ１は「０．５ｍｍ」である。この実施の形態で、各貫通孔２ａは、ドリルにより加工される。極細管５の外径は「１１００μｍ」であり、その内径は「２９０μｍ」である。
【００２９】
図１に示すように、電磁弁７、縦用アクチュエータ１０及び横用アクチュエータ１２は、それぞれコントローラ１３に接続される。コントローラ１３は、図３に示すように分注基板２の各貫通孔２ａを極細管５の真下に整合させるために、両アクチュエータ１０，１２をそれぞれ制御する。又、コントローラ１３は、各貫通孔２ａを極細管５に整合させた後、極細管５から１スポット分の分注液を吐出させるために、電磁弁７のオン・オフを制御する。
【００３０】
図４に、分注基板２及び極細管５を更に拡大して示す（分注基板２のみを断面図に示す。）。図４に示すように、各貫通孔２ａの内面には、親水性コート１４が設けられる。この実施の形態では、親水性コート１４が金（Ａｕ）より形成される。この親水性コート１４の厚みは「１０００Å」である。金よりなる親水性コート１４は、ニッケルカッパストライクメッキで置換されたものである。
【００３１】
この実施の形態では、各貫通孔２ａが開口する分注基板２の表面（上下両面）に、撥水性コート１５が設けられる。この実施の形態で、撥水性コート１５は、ポリイミド（ＰＩ）より形成される。この撥水性コート１５の厚みは「１μｍ」である。
【００３２】
この分注システムでは、上記構成において、極細管５から吐出される分注液が、その表面張力により分注基板２の表面に接触して各貫通孔２ａに受け入れられるようになっている。
【００３３】
ここで、上記の分注システムを使用して行われる分注方法を、図４〜図６に従って説明する。
【００３４】
先ず、コントローラ１３が縦用及び横用のアクチュエータ１０，１２を制御することにより、図４に示すように、極細管５を分注基板２の一つの貫通孔２ａに整合させる。
【００３５】
次に、コントローラ１３が電磁弁７を制御することにより、図５に示すように、極細管５から分注液１６を吐出させ、その吐出される分注液１６を、極細管５と非接触に近付けて配置された分注基板２の表面から、予め親水性コート１４を設けた貫通孔２ａに受け入れさせ、その貫通孔２ａに分注液を分注する。このとき、分注基板２の貫通孔２ａへ向けて極細管５から吐出される分注液は、その表面張力により分注基板２の表面に橋渡しされて接触する。ここで、貫通孔２ａの内面には、親水性コート１４が設けられることから、分注基板２の表面に接触する分注液１６は、毛細管現象で吸引されて貫通孔２ａに受け入れられる。
【００３６】
このようにすることにより、図６に示すように、１スポット分の分注液が、一つの貫通孔２ａの中に分注され、貫通孔２ａが分注液で満たされる。
【００３７】
以上説明したこの実施の形態の分注システム及び分注方法によれば、分注基板２の各貫通孔２ａの容積が予め超微量に設定され、その貫通孔２ａに毛細管現象により分注液が吸引されるので、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が各貫通孔２ａに容易に分注される。このため、「ｎｌ」レベルの超微量な分注液を１スポット分としてスムーズに分注基板２に分注することができる。
【００３８】
ここで、図７に、電磁弁７のオン時間と分注液のスポット量（貫通孔２ａに分注される分注液の量）との関係をグラフに示す。このグラフには、分注液の供給圧力を「０．１ＭＰａ，０．０５ＭＰａ，０．０２ＭＰａ」として計測したデータを示す。このグラフからも明らかなように、分注液のスポット量は、電磁弁７のオン時間の長さに比例して増大し、かつ、供給圧力が高いほど多くなることが分かる。
【００３９】
この実施の形態の分注システムの構成によれば、分注基板２の表面で分注液が撥水性コート１５により弾かれて粒化するので、分注液が各貫通孔２ａの周囲へ拡がり難くなる。このため、隣り合う貫通孔２ａの間で異なる種類の分注液が分注された場合でも、それら異なる分注液が接触して混じり合うことを防止することができる。
【００４０】
この実施の形態では、分注液を分注する多数の貫通孔２ａを備えた分注基板２において、各貫通孔２ａの内面に親水性コート１４が設けられるので、各貫通孔２ａで分注液が毛細管現象により吸引されて同孔２ａに受け入れられる。従って、多数の貫通孔２ａ毎に分注液が容易に受け入れられて分注される。このため、上記の分注システムに好適に使用することができ、超微量の分注液により１スポットをスムーズに形成することができる。
【００４１】
又、この実施の形態の分注基板２では、分注基板２の表面で撥水性コート１５により分注液１６が弾かれて粒化するので、分注液１６が各貫通孔２ａの周囲へ拡がり難くなる。従って、各貫通孔２ａに受け入れられる分注液が他の貫通孔２ａの分注液と混じり難くなる。このため、高精密な分注を行うことができる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の分注システム及び分注方法を具体化した第２の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。尚、本実施の形態を含む以下に説明する各実施の形態において、前記第１の実施の形態と同一の構成については、同一の符合を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
【００４３】
図８に本実施の形態の分注システムの概略構成図を示す。図９に、分注基板２と極細管１７の関係を拡大断面図に示す。この分注システムは、極細管５を分注基板２に対して進退させることにより、極細管５を各貫通孔２ａに挿入・引き抜きするようにした点で、前記第１の実施の形態と異なる。
【００４４】
即ち、この実施の形態の分注システムでは、極細管１７が、第１の実施の形態の極細管５より細く、貫通孔２ａに挿入可能な外径を有している。この実施の形態では、極細管１７の外径が「０．０５ｍｍ」に設定される。極細管１７と分注基板２とは、互いに近付けられて配置される。
【００４５】
この実施の形態の分注システムは、液カートリッジ１を上下動させるための上下フレーム１８と、その上下フレーム１８を駆動させるための上下アクチュエータ１９とを備える。これら上下フレーム１８及び上下アクチュエータ１９は、極細管１７を分注基板２に対して進退させるための本発明の進退手段に相当する。
【００４６】
この実施の形態の分注システムは、極細管１７を各貫通孔２ａに挿入すべく同管１７を特定の貫通孔２ａに位置決めするために、分注基板２の下方に確認用のカメラ２０が配置される。このカメラ２０はコントローラ１３に接続される。コントローラ１３は、カメラ２０で撮影される画像を処理し、縦用及び横用のアクチュエータ１０，１２を制御して分注基板２を移動させることにより、ある貫通孔２ａと極細管１７とを同一軸線上に整合させて位置決めするようになっている。コントローラ１３は、貫通孔２ａと極細管１７を位置決めした状態で、上下アクチュエータ１９を制御することにより、極細管１７を貫通孔２ａに挿入・引き抜きするようになっている。ここでは、カメラ２０の撮影画像を処理することにより、貫通孔２ａと極細管１７とを位置決めしているが、レーザセンシングにより両者２ａ，１７を位置決めするようにしてもよい。
【００４７】
この分注システムでは、上記構成において、上下フレーム１８及び上下アクチュエータ１９により、極細管１７が貫通孔２ａに非接触で挿入され、非接触で引き抜かれるようになっている。そして、極細管１７が貫通孔２ａに挿入されたときに、極細管１７から分注液の吐出が開始され、その吐出と同時に極細管１７が貫通孔２ａから引き抜かれるように、コントローラ１３が電磁弁７と上下アクチュエータ１９を制御するようになっている。この意味で、コントローラ１３は、電磁弁７と上下アクチュエータ１９を制御するための本発明の制御手段に相当する。
【００４８】
ここで、上記の分注システムを使用して行われる分注方法を、図１０〜図１３に従って説明する。
【００４９】
先ず、コントローラ１３が縦用及び横用のアクチュエータ１０，１２を制御することにより、図１０に示すように、極細管１７を分注基板２の一つの貫通孔２ａに整合させて位置決めする。
【００５０】
次に、コントローラ１３が上下アクチュエータ１９を制御することにより、分注基板２に対して極細管１７を前進させ、図１１に示すように、極細管１７を親水コート１４を設
けた貫通孔２ａに非接触で挿入する。
【００５１】
その後、コントローラ１３が電磁弁７を制御することにより、図１２に示すように、極細管１７から分注液の吐出を開始し、その吐出と同時にコントローラ１３が上下アクチュエータ１９を制御することにより、極細管１７を分注基板２に対して後退させて貫通孔２ａから非接触で引き抜く。このとき、貫通孔２ａの内面には、親水性コート１４が設けられることから、極細管１７から吐出される分注液１６は、毛細管現象で吸引されて貫通孔２ａに受け入れられる。又、極細管１７が引き抜かれながら分注液１６が吐出されるので、貫通孔２ａの中で極細管１７が分注液１６に浸ることがない。
【００５２】
このようにすることにより、図１３に示すように、１スポット分の分注液が、一つの貫通孔２ａの中に分注され、貫通孔２ａが分注液で満たされる。
【００５３】
以上説明したこの実施の形態の分注システム及び分注方法によれば、分注基板２の各貫通孔２ａの容積が予め超微量に設定され、その貫通孔２ａに対して極細管１７が挿入・引き抜きされて同管１７から分注液１６が吐出される。ここで、吐出される分注液１６は、毛細管現象により吸引されて貫通孔２ａに受け入れられるので、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が各貫通孔２ａに容易に分注される。このため、「ｎｌ」レベルの超微量な分注液を１スポット分としてスムーズに分注基板２に分注することができる。
【００５４】
［第３の実施の形態］
以下、本発明の分注システムを具体化した第３の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００５５】
図１４に本実施の形態の分注システムの概略構成図を示す。この分注システムは、分注液を極細管５から吐出させる分注液吐出手段の構成の点で、第１の実施の形態の分注システムと構成が異なる。
【００５６】
この実施の形態では、第１の実施の形態におけるエア配管６、電磁弁７、圧力調整器８及びエア供給が削除され、それに代わって、液カートリッジ１にピエゾアクチュエータ２１が設けられる。液カートリッジ１は、ピエゾアクチュエータ２１に対応する部分が可撓部材により構成される。この可撓部材の部分が、ピエゾアクチュエータ２１の歪み動作に基づいて変形することにより、キャビティ３に貯留された分注液が極細管５から吐出されるようになっている。ピエゾアクチュエータ２１は、縦用及び横用のアクチュエータ１０，１２と同様、コントローラ１３に接続される。コントローラ１３は、極細管５からの分注液の吐出タイミングを制御するために、ピエゾアクチュエータ２１の動作を制御するようになっている。
【００５７】
以上説明した本実施の形態の分注装置でも、内管３の吐出口３ａから分注液が自重で滴下する以前に、外管２の吐出口２ａから搬送用エアが吐出されるので、内管３の吐出口３ａに導かれた分注液が、その外周に作用する搬送用エアにより、表面張力等に打ち勝って吹き落とされる。従って、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が基板４に分注される。このため、「ｎｌ」レベルの超微量な分注を行うことができるようになる。
【００５８】
しかも、この実施の形態では、液カートリッジ１のキャビティ３に貯留された分注液をピエゾアクチュエータ２１の歪み動作により極細管５から吐出させる。従って、エア供給により分注液を吐出する第１の実施の形態における分注システムに比べ、エア配管６、電磁弁７、圧力調整器８及びエア供給が除かれた分だけ、システムの構成が簡略化される。
このため、分注システムをコンパクトなものにすることができる。
【００５９】
尚、この発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００６０】
（１）前記各実施の形態では、図４〜６，１０〜１３に示すように、分注基板２の表面（上下両面）に撥水性コーティング１５を設けたが、この撥水性コーティング１５を省略することもできる。
【００６１】
（２）前記各実施の形態では、分注基板２を水平に配置して極細管５，１７から分注液を吐出させるように構成したが、分注基板を垂直に配置して極細管から分注液を吐出させるようにしてもよい。
【００６２】
（３）前記第１及び第２の実施の形態では、液カートリッジ１の極細管５，１７からの分注液の吐出を制御するために電磁弁７を使用したが、電磁弁以外の流量制御弁を使用してもよい。
【００６３】
【発明の効果】
【００６４】
請求項１に記載の発明の構成によれば、貫通孔の容積を予め超微量に設定しておくことにより、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が容易に分注される。このため、「ｎｌ」レベルの超微量な分注を行うことができるという効果を発揮する。
【００６５】
請求項２に記載の発明の構成によれば、分注基板の表面で分注液が撥水性コートにより弾かれて粒化するので、分注液が貫通孔の周囲へ拡がり難くなる。このため、請求項１に記載の発明の効果に加え、隣り合う貫通孔の間で分注液が接触して混じり合うことを防止することができる。
【００６６】
【００６７】
【００６８】
【００６９】
請求項３に記載の発明の構成によれば、貫通孔の容積を予め超微量に設定しておくことにより、自重で滴下するときの容量より少ない超微量の分注液が容易に分注される。このため、「ｎｌ」レベルの超微量な分注を行うことができるという効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の分注システムを示す概略構成図である。
【図２】 分注基板を示す平面図である。
【図３】 分注基板と極細管の関係を示す拡大断面図である。
【図４】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図５】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図６】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図７】 電磁弁オン時間と分注液スポット量との関係を示すグラフである。
【図８】 第２の実施の形態の分注システムを示す概略構成図である。
【図９】 分注基板と極細管の関係を示す拡大断面図である。
【図１０】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図１１】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図１２】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図１３】 分注基板と極細管を拡大して示す断面図（分注基板のみ断面図）である。
【図１４】 第３の実施の形態の分注システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 液カートリッジ
２ 分注基板
２ａ 貫通孔
５ 極細管
６ エア配管
７ 電磁弁
８ 圧力調整器
９ 縦フレーム
１０ 縦用アクチュエータ
１１ 横フレーム
１２ 横用アクチュエータ
１３ コントローラ
１４ 親水性コート
１５ 撥水性コート
１６ 分注液
１７ 極細管
１８ 上下フレーム
１９ 上下アクチュエータ
２１ ピエゾアクチュエータ

Claims (3)

1. 分注液を極細管から吐出させる分注液吐出手段と、前記吐出された分注液を分注する貫通孔を含む分注基板とを備えた分注システムであって、
   前記貫通孔の内面に親水性コートが設けられることと、
   前記極細管を前記分注基板に対して進退させるための進退手段と、
   前記進退手段により前記極細管が前記貫通孔に非接触で挿入され、非接触で引き抜かれることと、
   前記極細管が前記貫通孔に挿入されたときに前記極細管から分注液の吐出が開始され、その吐出と同時に前記極細管が前記貫通孔から引き抜かれるように前記分注液吐出手段と前記進退手段を制御するための制御手段と
   を備えたことを特徴とする分注システム。
2. 前記貫通孔が開口する前記分注基板の表面に撥水性コートを設けたことを特徴とする請求項１に記載の分注システム。
3. 予め親水性コートを設けた貫通孔を含む分注基板に対して極細管を前進させ、前記極細管を前記貫通孔に非接触で挿入した後に前記極細管から分注液の吐出を開始し、その吐出と同時に前記極細管を前記分注基板に対して後退させて前記貫通孔から非接触で引き抜くことにより前記貫通孔に分注液を分注することを特徴とする分注方法。

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