Trace amounts of fluid processing apparatus

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少量の流体を制御し、分配し、測定するための装置及び方法に関する。 より特定すると、本発明は、分配される流体の容積と適正な装置の機能とを確実なものとし且つ確保するために圧力の変化を検知する。
【０００２】
【従来の技術】
化学的及び生物学的プロセスを採用する工業における進歩により、営業的又は実験的な使用のために化学的又は生物学的に活性な物質を含む少量の流体を正しく且つ自動的に分配する能力の必要性が生じてきた。 分配される流体の量が正しいことは、所望の反応を生じさせる観点及び使用される物質の量を最小限にする観点の両方において重要である。
【０００３】
微量の流体を分配するための装置は、インクジェットの用途のために開発されたもののような技術によって実証されてきた。 しかしながら、インクジェット装置は、公知で且つ基本的には一定の粘度及びその他の物理学的特性の特定のインク（又はインクのセット）と共に動作するという利点を有する。 従って、使用されるインクの特性が知られているので、自動インクジェット装置は、特定された特定のインク用に設計することができる。 インクジェットにおける技術を関心のある特定の化学的及び生物学的物質を含む流体（以下、“移送流体”という）と共に直接使用することはより多くの問題を有する。 このような移送流体は、種々の粘度を有し且つ正しい微量分配を困難にさせるその他の物理学的特性を有している。 自動微量流体処理装置は、これらが分配しなければならない広範囲の物質に対応するために種々の粘度及びその他の特性の流体を処理できなければならない。 この問題の別の点は、はるかに少量の移送流体を正しく分配することを許容する必要があることである。 特に、生物学的物質の利用及び試験においては、コストを節約し且つ利用可能な少量の物質をより効率良く使用するためには、分配される移送流体の量を最小限にすることが望ましい。 生物学的物質を含む流体を微量だけ移送することが望ましいことは多いけれどもこれは難しい。 移送流体の各射出毎に分配された移送流体の量を知ることは、自動化された装置にとって有利である。
【０００４】
微量の移送量を分配することに対する別の困難な点は、流体を押し出すために採用される例えば直径が２０〜８０マイクロメータのような小さい孔によって起こる。 ノズルの苛酷な使用は、分配される流体内の物質によって望ましくない詰まりを促進する。 詰まりの問題を更に促進させることは、移送流体内において時々使用される物質の特性である。 押し出される孔に移送流体内の物質が詰まると、分配動作を停止させ又は正確さを著しく低下させる。 従って、詰まりを防止するか又は最小限にし、このような状態が起こっているときを検知し、且つこのような状態から自動的に回復できることが望ましい。 マイクロディスペンサ（微量分配器）の移送流体の正確な分配の不能状態は、他の要素、例えば分配ユニット内に存在する空気又はその他の圧縮可能なガスのような他の要素によって生じ得る。 微量の分配が全くなされないか又は所望する微量の分配がなされないとき（不発（ｍｉｓｆｉｒｉｎｇ））を検知し且つ指示することは望ましい。
【０００５】
種々の混合液又は溶液を分配のためにマイクロディスペンサ内に吸引することは常に必要であるかもしれない。 各流体は、後に使用される流体に対してマイクロディスペンサを汚染するかもしれないので、流体の種類が変更されたときにはマイクロディスペンサを完全に洗浄することが好ましい。 流体が充填されないときでさえ、マイクロディスペンサ内に物質の堆積を防止するために洗浄は必要である。 不幸にも、マイクロディスペンサを洗い流すためにポンプを使用することは常に１００％効果的であるという訳ではない。 従って、常に容易に且つ完全にマイクロディスペンサを洗浄できることが望ましい。
【０００６】
自動化された微量分配装置を実現するためには、ほぼ均一な移送液滴を迅速且つ正確に分配するために移送流体が関連あるシステム要素の何らかの所定の範囲内にあることを常に確保することが望ましい。 例えば、移送流体が目標表面に正しく蓄積されることを確保することが望ましい。 工業は、微量の移送流体を迅速に分配することを必要とするので、分配される移送流体の量を確認することができること、及びリアルタイムで分配において問題が生じたか否かを検知し且つ復帰できることも望ましい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、微量流体処理装置内の圧力の対応する変化を検知することによって、分配される微量の移送流体を正しく測定することができる微量流体処理装置を提供することである。
【０００８】
本発明はまた、粘度のような移送流体の特性に関係なく、分配された流体の量を正しく測定することができる微量流体処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、化学的又は生物学的活性物質を含む流体を、微量だけ移送することができる微量流体処理装置を提供することである。
【００１０】
本発明の更に別の目的は、詰まりを防止又は最小限にする微量流体処理装置を提供することである。
【００１１】
本発明の更に別の目的は、詰まり及び移送の失敗に伴う圧力変化を検知して、このような不適当な動作を指示することができる、微量流体処理装置を提供することである。
【００１２】
本発明の更に別の目的は、移送流体の微量を正しく分配し且つマイクロディスペンサの動作を理想的にするために、移送が雰囲気圧に対して所定の範囲の負の圧力に維持されていることを点検することができる、微量流体処理装置を提供することである。
【００１３】
本範囲のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、本発明による装置を提供することによって、第１の好ましい実施形態において実現される。 本発明による装置は、ステッピングモーターによって作動される容積式ポンプ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｕｍｐ）と、ピエゾ抵抗圧力センサと、ガラス毛細管に結合された圧電変換器を利用した電気制御マイクロディスペンサと、を含む。 このマイクロディスペンサは、１ナノリットル（ｎｌ）以下の大きさの液滴を小さなノズルから強制的に射出させることによって迅速且つ正確に分配することができる。 この方法は、ドロップーオンーディマンド（ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ：必要に応じて滴下する）方法として知られている。 第１の実施形態は、４つの又は２〜３個のマイクロディスペンサが各々単一の容積式ポンプ及び圧力センサに結合されている場合により好ましい。
【００１５】
採用されているマイクロディスペンサの数が８個以上である場合により好ましい微量流体処理装置の第２の実施形態もまた、上記の目的を達成することができる。 この第２の好ましい実施形態は、（以下に述べる弁を含む）容積式ポンプ、ステッピングモーター及びピエゾ抵抗圧力センサが、システム流体を供給し且つシステム流体圧を制御するための圧力制御装置、流体の流れのみならず各マイクロディスペンサに結合されている接続管内に存在するシステム流体の圧力をも検知するための複数の流量センサ、各々が圧力制御装置内で各マイクロディスペンサをシステム流体貯蔵器に結合している複数の細かく組み立てられた弁によって置き換えられている以外は、第１の実施形態と類似している。
【００１６】
自動化された流体処理装置の機能を提供するために、第１及び第２の好ましい実施形態の両方におけるマイクロディスペンサが、所望の流体移送プロトコルを実行するのに必要とされる特定の位置にマイクロディスペンサを位置決めするのに使用される３軸ロボットシステム上に取り付けられる。
【００１７】
本発明は、システム流体と移送流体とを含み、移送流体は、システム流体内の圧力の小さな変化の測定を容易にして、分配される移送流体の体積と関連する公知の量の空気（“エアーギャップ”）によって分離される。 移送流体は分離される物質を含んでおり、一方、１つの好ましい実施形態においては、システム流体は脱イオン水である。 微量分配範囲の液滴が分配される毎に、移送流体は、毛管作用によってマイクロディスペンサの内部の以前の位置へと戻り、エアーギャップの特定の体積は、分配される移送流体の量に対応して増加するであろう。 このことは、感度の高いピエゾ抵抗圧力センサによって測定されるシステム流体ライン内の圧力を低下させる効果がある。 この圧力センサは、電気信号を制御回路に送り、制御回路は、電気信号をデジタル形式に変換し且つ分配される移送流体の対応する体積を示す指示値を発する。 本発明の利点は、移送流体の粘度に影響されないことである。 これは、分配される流体の粘度に依存することなく、システム流体内の圧力変化が分配される微量に対応するからである。 本発明は、微量流体処理における特有の機能を有する。 この装置は、自動的に、流体の表面を検知し、移送されるべき流体を吸引し、次いで、高い正確さ、速度及び確実さにより少量の流体を分配することができる。 この分配は、ディスペンサが目的容器又は内容物に触れることなく行われる。 本発明の特徴は、リアルタイム動作中に分配された流体の微少量を確実に検査することができることである。
【００１８】
本発明のもう一つの特徴は、マイクロディスペンサによって超音波周波数共鳴によって圧電変換器を作動させることによって、詰まりを防止し又は最小限にすることである。 移送流体をガラス毛細管内に吸引する際に、共鳴超音波周波数でマイクロディスペンサを振動させることによって、詰まりが防止され又は最小限にされる。 圧電変換器はまた、毛細管が洗浄されつつあるときに、同一の超音波共鳴周波数で作動せしめられる。 洗浄中に毛細管を共鳴振動させることによって、従来なされたよりもより清浄なガラス毛細管内部を達成できる。 詰まりを防止し、存在する詰まりを破壊し、及びマイクロディスペンサを洗浄するために、同じ構造が使用されるので、従来に可能であったよりもより高い効率が達成される。
【００１９】
本発明の更に別の特徴は、マイクロディスペンサを、微量滴定プレートのウエル（凹部）に対して高いレベルの正確さで位置決めすることができることである。 可視光線又は赤外線が、列状またはコラム状に整列されたウエルを含む微量滴定プレートの透明な底半分を介して伝達される。 光は、微量滴定プレートの不透明な頂半分を通過しない。 特定のマイクロディスペンサが、微量滴定プレートの不透明な頂半分より上方の位置から、同微量滴定プレートの透明な底半分の上方の位置まで移動せしめられると、光は、マイクロディスペンサ内のガラス毛細管の中を通過し、光は、そこで、ガラス毛細管と光学的に接触している光検知器によって検知される。 光検知器は、受け取った光の量に対応する電気信号を発する。 光検知器からの信号は、コンピュータに接続され、コンピュータは、この信号を利用してマイクロディスペンサを配置し且つ位置を検知する助けとする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は種々の変形を施すこと及び代替的な形態とすることができるけれども、ここでは、例示として特定の実施形態を図面に示し且つ以下において詳細に説明する。 しかしながら、本発明をここに開示した特定の形態に限定することは意図していないことは理解されるべきである。 本発明は、特許請求の範囲によって規定されている本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変形例、等価物及び代替例を包含するものである。
【００２１】
図面に目を転じ、まず図１を参照すると、微量流体処理装置１０の第１の実施形態が図示されている。 微量流体処理装置１０は、容積式ポンプ１２、圧力センサ１４及びマイクロディスペンサ１６を含んでいる。 管１８は、容積式ポンプ１２を圧力センサ１４に接続し、且つ圧力センサ１４をマイクロディスペンサ１６に接続している。 容積式ポンプ１２は、システム流体２０を圧力センサ１４及びマイクロディスペンサ１６内を移動させる。 微量流体処理装置１０にシステム流体２０が装荷された後、公知の容積のエアーギャップ２２とある量の移送流体２４とが、以下に説明する方法でマイクロディスペンサ１６内に抜き取られる。 移送流体２４は、関心のある１以上の生物学的又は化学的活性物質を含んでいる。 １つの好ましい実施形態においては、マイクロディスペンサ１６は、極めて再現可能な１ナノリットル以下の大きさの液滴２６を押し出す（すなわち射出する）。 移送流体２４の押し出された液滴２６は、好ましい１つの実施形態においては液滴１つが０．４５ナノリットル程度であるが、５ピコリットルの大きさであってもよい。 例えば、移送流体２４を全体として９ナノリットルだけ押し出すことを望む場合には、マイクロディスペンサ１６は、２０個の液滴２６を押し出すように指示されるであろう。 液滴２６の大きさは、マイクロディスペンサ１６に適用される電気信号の大きさ及び印加時間を替えることによって変更することができる。 液滴の大きさに影響を与える他の要素としては、マイクロディスペンサの底部に設けられたノズル開口の大きさ、マイクロディスペンサ入口の圧力、及び移送流体の特性がある。
【００２２】
図１及び２を参照すると、１つの好ましい実施形態においては、容積式ポンプ１２は、カリフォルニア州、サニーヴェイル、ハンボルコート２４２にある、カーボ・サイエンティフィック・インストルメント・インク（Ｃａｒｖｏ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ， Ｉｎｃ．，）によって製造されたモジュラー型のデジタルポンプＸＬ３００である。 容積式ポンプ１２は、ステッピングモータ２８及び２９と、注射器３０とを含んでいる。 注射器３０は、ホウ珪酸ガラス管３２と、一連のギヤとベルト（図示せず）とを介してステッピングモータ２８に機械的に結合されているプランジャ３４とを含んでいる。 ステッピングモータ２８の動きは、ガラス管３２の内側において、プランジャ３４を特定の数の不連続なステップで上方又は下方へ移動させる。 プランジャ３４は、ガラス管３２と共に液密シールを形成している。 １つの好ましい実施形態においては、注射器３０は、プランジャ３４が一回の全ストロークにおいて送り出すことができるシステム流体２０の量である２５０マイクロリットルの使用可能な容量を有する。 選択された動作モードに応じて、ステッピングモータ２８は、プランジャ３４の全ストローク毎に３，０００又は１２，０００の不連続なストロークを形成することができる。 １つの好ましい実施形態においては、ステッピングモータ２８は、プランジャ３４の全ストローク毎に１２，０００のステップを作るようになされており、各ステップ毎に、約２０．８３ナノリットルのシステム流体２０を送り出す。 １つの好ましい実施形態においては、使用されるシステム流体は、脱イオン水である。
【００２３】
デジタルコード化されたコマンド（命令信号）が、容積式ポンプ１２内のステッピングモータ２８に、不連続な量の流体をマイクロディスペンサ１６内に吸引させ、流体の移送と移送との間にマイクロディスペンサ１６を洗浄させ、微量流体処理装置１０の動作のためのシステム流体２０のライン内の圧力を制御させる。 容積式ポンプ１２はまた、微量流体処理装置１０にシステム流体２０を充填し及びマイクロディスペンサ１６を介して多量の流体を分配して、希釈液を作ることができるようにするために使用される。 容積式ポンプ１２は、移送流体２４に直に作用することができる。 このように、所望ならば、移送流体２４は、微量流体処理装置１０全体を通してシステム流体２０として使用することができる。
【００２４】
微量流体処理装置１０に充填するために、制御論理４２は、最初に、電線５６を介して３軸ロボットシステム５８に、マイクロディスペンサ１６をロボットシステム５８上に含まれる洗浄ステーションの上に位置決めさせる。 １つの好ましい実施形態においては、微量流体処理装置１０が含み且つ同装置に装着される３軸ロボットシステムは、イリノイ州、ドウナーグローブにあるパッカード・インストルメント・カンパニー（Ｐａｃｋａｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ）によって製造されているマルチプローブＣＲ１０１００（ＭｕｌｔｉＰＲＯＢＥ ＣＲ１０１００）である。 容積式ポンプ１２は、システム流体貯蔵器４０を注射器３０に接続するための弁３８を含んでいる。 弁３８を回転させる制御論理４２によって、初期化制御信号が電線３６を介してポンプ１２に伝えられ、注射器３０をシステム流体貯蔵器４０に接続する。 制御信号はまた、ステッピングモータ２８にプランジャ３４をその最大上方位置（図２における位置１）まで移動させて、ホウ珪酸ガラス管３２内に位置させる。 制御論理４２からの次のコマンドによって、ステッピングモータ２８がプランジャ３４をガラス管３２の内側の最大下方位置（図２の位置２）まで移動させて、システム流体２０をシステム流体貯蔵器４０から抜き取る。 制御論理４２からの別のコマンドは、弁３８を再び回転させ、注射器３０を圧力センサ１４に接続された管１８と接続させる。 １つの好ましい実施形態においては、微量流体処理装置１０において採用されている管１８は、ニュージャージ州、ラリタンにあるゼウス・インダストリアル・プロダクツ・インク（Ｚｅｕｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．，）によって作られた、内径が１．４９８６ミリメートル（０．０５９インチ）であり、外径が２．４８９２ミリメートル（０．０９８インチ）である、自然色のテフロンチューブである。 制御論理４２からの容積式ポンプ１２への次のコマンドによって、注射器３０の内側のシステム流体２０が、微量流体処理装置１０内へと圧力センサ１４に向かって押し出される。 微量流体処理装置１０は、典型的には、約４ミリリットルのシステム流体が充填されることを必要とするので、微量流体処理装置１０を完全に充填するためには、上記した一連のステップが約１６回繰り返されなければならない。
【００２５】
制御論理４２は、電線４６を介して圧力センサ１４から信号を受け取る。 この信号は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ４４によってアナログ形式からデジタル形式へと変換され、処理及び分析のために制御論理４２によって使用される。 １つの好ましい実施形態においては、Ａ／Ｄコンバータは、テキサス州、オースチンにあるナショナル・インストルメント・コーポレーション（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたＰＣ−ＬＰＭ−１６マルチファンクションＩ／Ｏボード（ＰＣ−ＬＰＭ−１６ Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｉ／Ｏ Ｂｏａｒｄ）である。 ここに記載した流体移送プロセスにおける種々の点において、制御論理４２は、圧力センサ１４から信号を受け取り、コマンド信号を、ポンプ１２、マイクロディスペンサ電子回路５１、及び３軸ロボットシステム５８へ送る。 制御論理４２内には、ここに記載した特定の流体移送プロトコルのためのハードウエア（ロボットシステム５８、ポンプ１２及びマイクロディスペンサ電子回路５１）をシーケンス制御するコード化されたアルゴリズムが設けられている。 制御論理４２内にはまた、測定された圧力信号を処理して、マイクロディスペンサを点検し且つ測定し、微量流体処理装置の状態を診断し、選択された移送流体２４のためのマイクロディスペンサの調整を自動的に行う、コード化されたアルゴリズムも設けられている。
【００２６】
圧力センサ１４は、微量流体処理装置１０を充填し、ポンプ１２によって移送流体２４を吸引し、マイクロディスペンサ１６によって液滴２６を分配し、ポンプ１２を使用してマイクロディスペンサ１６を洗浄する際に生じる圧力の脈動を検知する。 １つの実施形態においては、圧力センサ１４は、イリノイ州、フリーポート、ウエストスプリングストリート１１にある、ハネウエル・インク（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ， Ｉｎｃ．，）の一部であるマイクロスイッチ・インク（Ｍｉｃｒｏｓｗｉｔｃｈ， Ｉｎｃ．，）によって製造されたピエゾ抵抗圧力センサの部品番号２６ＰＣＤＦＧ６Ｇである。 図１のブロック図に示された圧力センサ１４にはまた、圧力センサからのアナログ圧力信号を増幅するための電気回路も含まれている。 圧力センサ１４は、圧力を電気信号に変え、この電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ４４へと送られて制御論理４２によって使用される。 例えば、微量流体処理装置１０が充填されると、圧力センサ１４は電気信号を制御論理４２に送り、この電気信号は、制御論理４２によって分析されて、マイクロディスペンサ１６内に部分的又は完全な閉塞のような何らかの問題が生じたことを指示するべきか否かを判断する。
【００２７】
微量流体処理装置１０が一度充填されると、制御論理４２は、電線５６を介してロボットシステム５８に信号を送り、同ロボットシステムに移送流体２４の上方の空気内にマイクロディスペンサ１６を位置決めさせるように指示する。 制御論理４２は、ステッピングモータ２８に指示して、プランジャ３４を下方に移動させ、不連続な量の空気（エアーギャップ）例えば５０マイクロリットルの空気をマイクロディスペンサ１６内に吸引させる。 制御論理４２は、次いで、ロボットシステム５８に指示して、マイクロディスペンサ１６を同マイクロディスペンサ１６が移送流体２４の表面（図示せず）と接触するまで下方に移動させる。 マイクロディスペンサ１６の移送流体２４の表面との接触は、容量式の流体液面検知装置（米国特許第５，３６５，７８３号）によって判断される。 マイクロディスペンサは、電線５５によって流体液面検知電子回路５４に接続されている。 流体液面検知電子回路５４がマイクロディスペンサ１６が移送流体２４の表面と接触したことを検知すると、電線５３を介してロボットシステム５８に信号が送られて下方への移動が停止される。
【００２８】
制御論理４２は、次いで、ポンプ１２に指示して、移送流体２４をマイクロディスペンサ１６内へ吸引するために、プランジャ３４を下方へ移動させる。 吸引中に制御論理４２によって圧力信号が監視されて、移送流体２４がマイクロディスペンサ１６内へと十分に抜き取られつつあることが確認される。 マイクロディスペンサの部分的又は完全な詰まりによる異常な圧力低下のような問題が生じたことが検知されると、制御論理４２は、動作停止コマンドをポンプ１２に送る。 制御論理４２は、次いで、コード化された復帰アルゴリズムを作動させるであろう。 移送流体２４は、圧力センサ１４を汚染するおそれなく微量流体処理装置１０内の圧力センサ１４まで吸引される。 移送流体２４の毛管作用を増すために付加的な管を追加することができる。 一度、移送流体２４がマイクロディスペンサ１６内へ吸引されると、制御論理４２は、ロボットシステム５８に指示して、マイクロディスペンサ１６を選ばれた目標、例えば微量滴定プレートの上に再度位置決めさせる。
【００２９】
１つの好ましい実施形態においては、マイクロディスペンサ１６は、ドイツのノルダーステット（Ｎｏｒｄｅｒｓｔｅｄｔ）Ｄ−２２８４４、ミューレンヴェグ（Ｍｕｈｌｅｎｗｅｇ）１４３にあるマイクロドロップ・ゲーエムベーハー（ＭＩｃｒｏｄｒｏｐ ＧｍｂＨ）によって製造されたＭＤ−Ｋ−１３０マイクロディスペンサ・ヘッドである。
【００３０】
図３に示されているように、マイクロディスペンサ１６は、ガラス毛細管６２に結合された圧電セラミック管６０からなる。 この圧電セラミック管は、圧電セラミック管を収縮させるためのアナログ電圧パルスを受け取るための内側電極６６と外側電極６８とを備えている。 一度、ガラス毛細管６２が移送流体２４によって充填されると、制御論理４２は、電線５０を介してマイクロディスペンサ電子回路５１に指示し、電線５２によって圧電変換器６０にアナログ電圧パルスを送る。 好ましい実施形態においては、マイクロディスペンサ電子回路５１は、ドイツのノルダーステット（Ｎｏｒｄｅｒｓｔｅｄｔ）Ｄ−２２８４４、ミューレンヴェグ（Ｍｕｈｌｅｎｗｅｇ）１４３にあるマイクロドロップ・ゲーエムベーハーによって製造されたＭＤ−Ｅ−２０１駆動電子回路である。 マイクロディスペンサ電子回路５１は、アナログ電圧パルスの大きさと持続時間とを制御し、また、パルスがマイクロディスペンサ１６に送られる周波数をも制御する。 電圧パルスの各々は、圧電変換器６０の収縮を生じさせ、この収縮は、次いでガラス毛細管６２を変形させる。 ガラス毛細管６２の変形によって、移送流体２４の中を進んでマイクロディスペンサのノズル６３に到達する圧力波が形成され、ノズル６３において、移送流体２４の一つの液滴２６が極めて高い加速度で射出される。 これらの液滴２６の大きさは、極めて再度製造可能なものとして示されたものである。 移送流体２４の高い加速度は、上記において移送流体２４の表面張力及び粘度によって生じる問題を最小限にするか又は排除して、極めて小さい液滴２６がノズルから射出されるのを可能にする。 例えば５ピコリットルの液滴２６が実証されている。 液滴２６をノズルから押し出すためにマイクロディスペンサ１６を使用することにより、非接触（ｔｏｕｃｈｏｆｆ）と称される流体移送技術において生じる問題をも排除する。 非接触技術においては、液滴２６は、ノズルの端部に保持され、液滴がマイクロディスペンサ１６からぶら下がっている間にこの液滴を目標表面と接触させることによって目標表面に堆積される。 このような接触過程は、目標表面の許容できない体積の変動を生じさせる、表面張力、粘度及びマイクロディスペンサ１６の濡れ特性により、難しいものとなる。 本発明は、液滴２６が秒速数メートルの速度でマイクロディスペンサ１６から射出されるので、このような接触過程における問題点を排除する。 本発明によれば、射出されるべき液滴２６の数を特定することにより、所望の合計体積の流体を分配することができる。 マイクロディスペンサ１６から一秒間に数千個の液滴２６を射出することができるので、所望の微量体積の移送流体２４が迅速に分配できる。
【００３１】
一つの好適な実施の形態においてハ、圧電変換器６０とノズル６３との間におけるガラス毛細管６２の下方部分は、白金又は金の何れかによる導電性材料でめっきされている。 このため、マイクロディスペンサ１６と流体液面検知回路５４との間に導電経路が形成される。 一つの好適な実施の形態においては、このガラス毛細管６２は、全長が７３ｍｍであり、ノズル６３の内径は７５μｍである。
【００３２】
極少量の移送流体２４を分配するため、アナログ電圧パルスがマイクロディスペンサ１６に送られて、液滴２６を発生させる。 移送流体２４に作用する毛管力によって、マイクロディスペンサ１６から供給されたある量の移送流体２４が管１８からの液体と置き換えられる。 しかしながら、移送流体／エアーギャップ・システムの液柱が容積式ポンプ内の閉塞端にて終端となっているため、エアーギャップ２２が膨張するに伴って、システム液体２０のライン内の圧力が低下する。 ５００ナノリットルの極少量の分配を行う間に測定される圧力プロファイルを示す、図４にこの状態が図示されている。 本発明にとって重要なことは、圧力低下の程度がエアーギャップ２２の寸法、及び分配される液体量の関数である点である。
【００３３】
既知の容積のエアーギャップ２２である場合、圧力センサ１４により検出される圧力変化は、分配される量に関係する。 このため、制御論理４２は、圧力センサ１４により測定された圧力変化を基にして分配された移送流体２４の量を判断する。 本発明の一つの好適な実施の形態においては、移送流体２４の特性に対応して、外気圧よりも約３０乃至４０ミリバール以上圧力が低下しないようにすることが好ましい。 分配された移送流体２４の量が３０乃至４０ミリバールを越える圧力低下を起こすのに十分である場合には、マイクロディスペンサ１６の両端における圧力差、即ち、ノズル６３に作用する外気圧と毛細管６２に作用する圧力との差は、移送流体２４を管１８内に上方に押し上げるのに十分なものとなる。 このことは、更なる分配を防止するであろう。 圧力の低下を補償すべく制御論理４２がポンプ１２に命令してプランジャ３４を前進させることが必要となる前に、分配することのできる移送流体２４の量が最大となる。 この最大の量は、所望の分配量、及びエアーギャップ２２の寸法により決まる。 これと逆に、エアーギャップ２２の寸法は、外気圧よりも３０乃至４０ミリバール以上低い圧力低下が生じないようにするため、所望の分配量に基づいて選択することができる。 また、マイクロディスペンサ１６が分配している間に、プランジャ３４を前進させて、これにより、マイクロディスペンサ１６が連続的に作用し得るようにシステム液体２０の管圧を再設定することも本発明の範囲に属する。
【００３４】
所望の量の移送流体２４が分配されたことを判断するために、システム流体２０の圧力変化が利用される。 分配された移送流体２４の量を確認する第二の方法は、注射器のプランジャ３４を位置１に向けて上方に進めるべくポンプ１２に命令する間に、制御論理４２がシステム流体２０のライン圧力を監視することにより行われる。 システム流体２０のライン圧が（分配前の）初期値に戻るまで、注射器のプランジャ３４を前進させる。 プランジャ３４が押し出す排出容積（ステッピンジモータ２８が１ステップ作動する毎に２０．８３ナノリットル）を追跡する制御論理４２により、分配された量の第二の確認が為され、このことは、システムの信頼性を更に高める。 このとき、多数回の分配手順が指定されるならば、システム流体２０のライン圧は、マイクロディスペンサ１６の次の正確な分配量に合ったものとなる。
【００３５】
移送流体の分配が完了したならば、制御論理４２は、ロボットシステム５８に命令して、マイクロディスペンサ１６を洗浄ステーションの上方の位置に位置決めする。 次に、この制御論理４２は、ポンプ１２及びロボットシステム５８に洗浄手順を命令する。 この手順において、マイクロディスペンサ１６内に残った全ての移送流体２４が排出され、ガラス毛細管６２の内面、及びノズル６３の外面（移送流体２４に露呈された面）が洗浄される。 この洗浄流体は、ロボットシステム５８のデッキ上に配分されたシステム流体２０、又はその他の任意の液体を使用することができる。 この洗浄手順は、その後の移送流体２４がその前に処理された移送流体で汚染されるのを最小にすることを目的とするものである。 この目的のため、マイクロディスペンサ１６を超音波洗浄することも可能である。 これは、制御論理４２によりマイクロディスペンサの電子回路５１に命令して、マイクロディスペンサに対して超音波の範囲の周波数の電気パルスを送るようにすることで行われる。 この周波数は、例えば、マイクロディスペンサ１６／移送流体２４のシステムの共鳴周波数に一致する、１２−１５キロヘルツ（好適な共鳴周波数は、約１２キロヘルツであると考えられる）とする。 圧電変換器６０をマイクロディスペンサ１６のガラス毛細管６２と共に共鳴超音波周波数にて作動させると、ガラス毛細管６２の内面が激しく振動する。 第一及び第二の実施形態の双方において、圧電変換器６０が共鳴周波数にて作動される間に、システム流体２０、又は特殊な洗浄流体及び／又は中立化流体を使用して、マイクロディスペンサ１６の洗浄を行う。 共鳴超音波励起により洗浄する方法は、マイクロディスペンサ１６に付着する物質を遥かに効果的に分離し且つ除去するという効果がある。 例えば、多数の試験ケースにおいて、超音波の励起は、超音波励起を利用せずに洗浄する場合と比べて、マイクロディスペンサ１６内に残る物質量が（汚染の程度によって）２００％乃至５００％、減少することが確認されている。
【００３６】
また、マイクロディスペンサのノズルの詰まりを最小にし、又は緩和するためにもこのマイクロディスペンサ１６の共鳴超音波励起が使用される。 例えば、移送流体がマイクロディスペンサ１６内に吸引されつつあるとき、この移送流体は、ガラス毛細管６２の比較的細いノズル６３を通らなければならない。 移送流体２４内の物質がノズル６３の表面と接触して、その接触の性質に対応して、その物質がノズル６３に付着する可能性がある。 生物化学の適用例においては、移送流体２４への添加物に広く採用されている物質は、ポリスチレン球である。 これらの球は、典型的に、１μｍ乃至３０μｍであり、磁性フェライト、抗原又はその他の物質で被覆されることもあるが、被覆されない場合もある。 ノズル６３の直径に対してポリスチレン球は比較的大径であるため、時として粘着性である被覆と組み合わさって作用し、それらの球がノズル６３に付着する可能性がある。 マイクロディスペンサ１６が充填される間に（即ち、移送流体２４がマイクロディスペンサ１６内に吸引されるとき）、圧電変換器６０をマイクロディスペンサ１６の超音波共鳴周波数で励起させるならば、ノズルの詰まりが防止され、又は詰まる可能性が少なくなることが確認されている。 このように、マイクロディスペンサ１６の超音波励起は、移送流体２４内の物質がノズル６３に詰まるのを防止し、又は少なくする働きをする。
【００３７】
溶融し又は懸濁した物質を含む移送流体２４がノズル６３を通り抜けるとき、詰まりが生じる可能性がある。 従って、上述したように、移送流体２４をマイクロディスペンサ１６内に吸引する間の詰まりが問題となるのみならず、マイクロディスペンサ１６から移送流体を分配するときにも問題が生じる。 圧電変換器により液滴を分配する間に、マイクロディスペンサ１６を共鳴超音波で周期的に励起させると、ノズル６３に対する物質の堆積量を少なくし、場合によって、詰まりを防止できることも分かった。 相当な詰まりが生じた場合であっても、圧電変換器６０によってマイクロディスペンサ１６を共鳴超音波励起させれば、ノズル６３に詰まった物質を実質的に除去することができる。 この場合の重要な利点は、ノズル６３の詰まりを防止し又は解消することにより、余分な洗浄工程及びその工程に伴う遅れを生じることなく、微量流体処理装置１０がその作用を続けることができることである。 要するに、装置の不稼働時間が短くなり、これにより、この微量流体処理装置１０がより効率的なものとなるのである。
【００３８】
本発明の上記の説明において、このマイクロディスペンサ１６の制御は、各々が移送流体２４の液滴２６を発生させることができる特定数の電気パルスを、マイクロディスペンサの電子回路５１送ることにより行われる。 また、リアルタイムにて圧力センサ１４の信号を監視し且つ所望の圧力変化になる迄、電気パルスを送り続けることにより、マイクロディスペンサ１６を制御することも本発明の範囲に属する。 この動作モードにおいては、Ａ／Ｄコンバータ４４を内蔵するＰＣ−ＬＰＭ−１６マルチファンクションＩ／Ｏボードが制御論理４２により命令されて、マイクロディスペンサの電子回路５１に電気パルスを送る。 マルチファンクションＩ／Ｏボードによって送られた一つのパルスにより、１つの電気パルスがマイクロディスペンサの電子回路５１によりマイクロディスペンサ１６に送られ、移送流体２４の１つの液滴２６を放出させる。 この制御論理４２は、マイクロディスペンサ１６による分配が行われる間に、圧力センサ１４の信号を検出し、所望の圧力変化が達成されたならば、この制御論理４２は、マルチファンクションＩ／Ｏボードに命令して、電気パルスの供給を停止させる。 この動作モードは、制御論理４２によりマイクロディスペンサ１６の「誤作動（ｍｉｓｆｉｒｉｎｇ）」が検出されたときに、採用される。
【００３９】
微量流体処理装置１０はまた、性質の異なる移送流体２４を移送するため、放出される液滴２６のサイズを自動的に設定（較正）することも、本発明の範囲に属する。 上述したように、放出された液滴２６のサイズは、移送流体２４の性質により影響を受ける。 このため、ユーザが移送量の全量を特定し、また、装置１０がユーザの要求を満足させるのに十分な数の放出液滴を設定し得るようにするため、放出される液滴２６のサイズを自動的に設定することが望ましい。 コード化した自動較正アルゴリズムにおいて、装置１０が励起され、エアーギャップ２２及び移送流体２４が吸引されたならば、制御論理４２は、マイクロディスペンサの電子回路５１に命令して、例えば、１０００といった特定数の電気パルスをマイクロディスペンサ１６に送ることができる。 制御論理４２が圧力センサ１４からの信号の低下を利用して、分配された移送流体２４の量が測定される。 この分配された量の測定は、制御論理４２がプランジャ３４の動きにより押し出された容積を追跡し、装置の液体２０の管圧を分配前の値に回復させることにより行われる。
【００４０】
図１に図示した微量流体処理装置１０は、単一のマイクロディスペンサ１６と、圧力センサ１４と、ポンプ１２とを備えている状態で図示されている。 多数（例えば、４、８、９６個）のマイクロディスペンサ１６と、圧力センサ１４と、ポンプ１２とを有する微量流体処理装置の実施の形態を含めることも本発明の範囲に属するものである。 また、多数のマイクロディスペンサ１６と、圧力センサ１４と、弁３８と、１つ又は２以上のポンプ１２とを備える微量流体処理装置の実施の形態を含むことも本発明の精神及び範囲に属するものである。
【００４１】
次に、図５、図６、図７を参照すると、正確な量の移送流体２４を微量滴定プレート１１０のウエル列（その内容を引用して本発明の一部に含めた、米国特許第５，４５７，５２７号に記載されているウエル列）内に滴下する、ドロップ・オン・ディマンド型の極少量流体分配の１つの用途が示されている。 この微量滴定プレート１１０は、２つの成形プラスチックプレート１１１、１１２により形成される。 上方プレート１１１は、微量滴定プレートの多数ウエルの側壁１１３を形成し、図示した実施例において、これらのウエルは、その他の寸法のマトリックスも本発明に関して作用可能ではあるが、８×１２のマトリックスにて配置されている。 底部プレート１１２は、マトリックスウェブの底部ウエル１１４を形成し、その２つのプレートを相互に溶着させることにより、上方プレートの下面に取り付けられる。 この上方プレート１１１は、光が透過し得ないように不透明のポリマー材料で形成されている。 上方プレート１１１と異なり、下方プレート１１２は、透明なポリマー材料で形成されており、各試料ウエルのための透明な底部壁１１４を形成する。 このことは、底部壁１１４を通じて試料材料を観察することを可能にし、また、放出される光を底部壁を通じて測定することも可能にする。 また、この透明な底部壁１１４は、最大の検出面積が得られるように、ウエルの頂部は遮蔽されずに、試料を外部励起源からの光に露呈させることを可能にする。
【００４２】
本発明の微量流体処理装置１０は、極く少量の流体を分配することができることを１つの理由として、対応して小さい寸法の微量滴定アレー１１０を利用することが可能である。 ウエルの寸法が１ｍｍ程度に近づくにつれて、各ウエルの真上にノズル６３を位置決めすることが益々難しくなる。 １ｍｍの直径のウエルの場合、正確な液滴の注入が可能であるようにノズル６３をウエルの中心から１５０μｍの範囲内に位置決めすることが望ましい。 本発明は、微量滴定プレートアレー１１０の透明な底部分１１２を利用する。 このことは、微量滴定プレートアレー１１１の不透明な側壁１１３と、透明な底部アレー１１２の透明な底部壁１１４とにより形成されたウエル内に可視範囲の赤外光が微量滴定アレー１１０の底部を貫通して進むことを可能にする。 一つの実施の形態において、赤外光は、微量滴定プレートアレー１１０の透明な底部分１１２を貫通してマイクロディスペンサ１６のガラス毛細管６２に達する。 このマイクロディスペンサ１６で受け取った光は、ガラス毛細管６２を通って進み、ガラス毛細管６２に取り付けられた適当な赤外線検出器（図示せず）に達する。 この赤外線の光源は、細いウエル構造体と組合わさって、細い赤外線ビーム（各ウエルを貫通して上方に進むが、ウエルの間の不透明な材料は貫通しないビーム）を発生させる。 マイクロディスペンサが一方のウエルから他方ウェルに動かされるとき、そのマイクロディスペンサは、ディスペンサがウエルの間の位置にあることを示す比較的暗い領域に出会い、その後、次のウエルの端縁がその真下にあることを示す比較的明るい領域に出会う。 次に、位置決めロボットがこれらの案内手段を使用して、マイクロディスペンサに達し且つその位置を確認する。
【００４３】
別の好適な実施の形態においては、上述した赤外線光に代えて可視光が使用される。 例えば、ウエルに液体が無い場合又は透明な液体を有する場合、任意の可視波長の光を使用することができ、また、赤外線検出器に代えて、マッチング検出器が使用される。 ウエル内に濁った液体又は不透明な液体が存在する場合、微量滴定プレート１１０を通じて３００ｎＭの緑色光をその濁り液体に導入することができる。 ウエル中に存在する液体に添加された陰性化合物がその緑色光による励起に応答して蛍光を発する。 この陰性物質は、赤色光に相当する約６２０乃至６５０ｎＭの蛍光を発する。 赤外線検出器に代えて、こうした赤色波長を検出する検出器が使用される。
【００４４】
次に、図７を参照すると、微量流体処理装置の第二の好適な実施形態２１０が図示されている。 マイクロディスペンサ２１２の数が増すに伴いより経済的となるから、この第二の好適な実施形態は、８つ又はそれ以上の数のマイクロディスペンサ２１２を使用する場合により望ましい。 採用されるマイクロディスペンサ２１２の数が少ない場合には第一の実施形態の方がより経済的であるので、採用されるマイクロディスペンサ２１２の数が４つ又はそれ以下である場合、第一の好適な実施形態の方が第二の好適な実施形態よりも好ましい。 第二の好適な実施形態においては、全てのマイクロディスペンサ２１２にシステム流体２０を供給するために一つのシステム流体貯蔵器２１４が使用されるためにバランスが採られており、これにより、第一の好適な実施形態における各マイクロディスペンサ２１２に対する別個のポンプ及び圧力センサが不要となる。 しかしながら、このシステム流体貯蔵器２１４を採用することは、より費用がかかるので、４つ又はそれより少ない数のマイクロディスペンサが採用されるとき、第一の実施形態を採用する方がより経済的である。 本明細書に記載した点以外の、構造及び作用の点では第一及び第二の好適な実施形態は同一である。 採用されるマイクロディスペンサの正確な数は、ユーザの分配の必要性に応じた関数である。
【００４５】
第二の好適な実施形態に関して、システム流体貯蔵器２１４は、キャップ（特に図示せず）を保持する吸入管２１６を通じてシステム流体２０（典型的に、脱イオン水）を受け取る。 吸入管２１６のキャップを取り外したとき、密封したシステム流体貯蔵器２１４がシステム流体２０を受け取り、また、キャップを取り付けたとき、システム流体貯蔵器２１４を密封して、システム流体貯蔵器２１４を所望の圧力に保つことができる。 システム流体貯蔵器２１４内の圧力は、圧力制御管２２０を通じて圧力制御システム２１８により保たれる。 この圧力制御システム２１８は、システム流体貯蔵器２１４内の圧力を正確に増圧し又は減圧することができる電気制御ポンプを含む。 システム流体貯蔵器２１４に取り付けられた圧力センサ２２２がシステム流体貯蔵器２１４内の圧力を検出し、その圧力を示す電気信号を導電体２２６を通じてシステム制御装置２２４に送る。 システム制御装置２２４は、デジタル信号処理装置と、各種の電気信号の監視、制御ソフトウェアコードの実行、微量流体処理装置２１０の制御を可能にする、その他の電子機器（図示せず）とを内蔵している。 システム制御装置２２４は、導電体２２８を通じて圧力制御装置２１８を電気的に制御しシステム流体２０の圧力を調節し、これに応じて、移送流体２４の圧力を調節する。 圧力逃がし弁２３０がシステム流体のリザーバ２１４に取り付けられている。 該圧力逃がし弁２３０は、圧力が所定の安全な閾値を越えたときに、システム流体のリザーバ２１４から圧力を逃がす。 一つの実施形態においては、圧力逃がし弁２３０は、ライン２３２によリ圧力逃がし弁２３０に接続されたシステム制御装置２２４により開くこともできる。
【００４６】
作動中、システム制御装置２２４は、システム流体貯蔵器２１４内にて外気圧力に関して３つの異なる圧力を保ち得るように圧力制御装置２１８に命令する。 これらの３つの圧力値の各々が、微量流体処理装置２１０の作動の異なる段階に対応する。 これらの３つの異なる圧力値は、正圧力、高負圧、及び低負圧である。 分配する前に、上述した方法にてマイクロディスペンサ２１２を共鳴超音波励起させることと組み合わせて、マイクロディスペンサからあらゆる異物を洗い流すため、正圧力値を使用して洗浄を行う。 マイクロディスペンサ２１２が比較的清浄になったならば、外気圧力よりも約２００ミリバール低い高負圧を使用して、移送流体２４をマイクロディスペンサ２１２内に吸引する。 移送流体２４がマイクロディスペンサ２１２内に吸引されたならば、約マイナス１５ミリバールの低負圧を使用して、マイクロディスペンサ２１２内の移送流体２４に背圧を供給して、液滴が分配され、それ以上、マイクロディスペンサ２１２から出て行く移送流体２４がないようにする。
【００４７】
システム流体貯蔵器２１４内のシステム流体２０は、図７に示すように、複数の部分２３６に仕切られた分配管２３４（その１つの部分２３６は、各マイクロディスペンサ２１２に接続されている）を通じて、マイクロディスペンサ２１２に結合されている。 マイクロ弁２４２及び流量センサ２４４が分配管の部分２３６の各々に取り付けられている。 該マイクロ弁２４２は、微量流体処理装置２１０に容易に嵌まるのに十分に小さい寸法であるという主たる利点を有するマイクロ電子機械式マシーン（「ＭＥＭＳ」）である。 マイクロ弁２４２は、システム流体２０の動き、従って、分配される移送流体２４の量を制御するために使用される高精密弁である。 システム制御装置２２４は、電気接続部２４６を通じてマイクロ弁２４２を制御する電気信号を送る。 流量センサ２４４と関係付けられた各マイクロディスペンサに吸引される液体の量を判断するため、各分配管の部分２３６に流量センサ２４４が取り付けられている。 この流量センサ２４４は、各マイクロディスペンサ２１２に出入りするシステム流体２０の量を検出する。 流量センサ２４４の各々は、導電体２４８を通じてシステム制御装置２４４に接続されている。 導電体２４８は、液体の流量のみならず、分配管２３４内の圧力をも表示する電気信号を各流量センサ２４４から送る。 また、これらの流量センサ２４４は、微量流体処理装置２１０に容易に嵌まるのに十分に小さい寸法であるという主たる利点を有するＭＥＭＳである。 該センサは、例えば、その内容を引用して本明細書に加えた、Ｍ． ボイラット（Ｂｏｉｌｌａｔ）及びその他の者による「流量の調節及び投与装置に対する差圧液体流量センサ（Ａ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｏｒ Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｏｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」という表題の出版番号０−７８０３−２５０３−６のＩＥＥＥ論文、ＭＥＭＳ１９９５に記載された、流量センサ２４４とすることができる。
【００４８】
第一の好適な実施形態におけるように、マイクロディスペンサ２１２に物理的に接続された分配管２３４を３軸線ロボット２３８に取り付け、該ロボットは、これに対応してマイクロディスペンサ２１２を異なる微量滴定プレート１１０のウエルの上方の位置に再配置する。 各ウエル内に所望の数の液滴が分配された後、ロボット２３８は、更に分配を行うため、マイクロディスペンサ２１２を次の組のウエルまで動かす。 ロボット２３８の動きを正確に調和させることは、底部の微量滴定プレート１１２を透過する光を使用することに関して上述した方法にて行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微量流体処理装置の第１の実施形態を示したブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の特徴を示す容積式ポンプの斜視図である。
【図３】圧電変換器を含むマイクロディスペンサの側面図である。
【図４】本発明の動作を示すマイクロディスペンサによる分配中の装置ラインの圧力を示すグラフである。
【図５】本発明において使用されている、結合される前の滴定プレートの２つの半部分を示す分解斜視図である。
【図６】本発明によって結合された後の滴定プレートの２つの半部分を示す側方断面図である。
【図７】本発明の微量流体処理装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 微量流体処理装置、 １２ 容積式ポンプ、 １４ 圧力センサ、
１６ マイクロディスペンサ、 １８ 管、 ２０ システム流体、
２２ エアーギャップ、 ２４ 移送流体、 ２６ 液滴、
２８ ステッピングモータ、 ３８ 弁、 ４０ システム流体貯蔵器、
４２ 制御論理、 ４４ Ａ／Ｄコンバータ、
４６，５０，５２，５３，５５，５６ 電線、
５１ マイクロディスペンサ電子回路、 ５４ 流体液面検知回路、
５８ ロボットシステム