JPH06331409A - 極微量液体高精度ハンドリング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微小液滴化した試料を取扱い単位とすること
で、ピコリットルオーダーの精度を持つ液体試料秤量技
術、取扱い技術を提供するもの。 【構成】 本装置はパルス状の高周波電流を圧電素子に
印加して圧電素子で挟まれた流路を通る液体を微小液滴
化する装置１、微小液滴化装置の駆動装置５、パルス電
流発生装置６、液体試料のリザーバー２、生じた液滴３
を帯電させる電極１１、偏向電極１２、液滴を減速させ
る電極１３、減速電極の制御装置１４、分取液体の受容
器４、秤量装置７及び制御装置８を構成手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は微量液体の取り扱い方法
及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】バイオテクノロジー分野、医療分野、或
は臨床検査分野において取り扱う液体試料は、それらが
貴重なものであったり、本質的に少量しか存在しない場
合が多い。そのため原試料に対し、複数段階のマイクロ
リットルオーダーの操作を行った結果得る分析結果には
高い不確実性の残ることが多く、分析精度の向上が望ま
れている。

【０００３】また上記の研究、産業分野においては総試
料量は充分あり、同様の操作を複数回繰り返すことで得
られる結果の精度を上げることの可能な場合もあるが、
試料採取に伴う測定対象系への擾乱の防止、患者の負担
の低減等の理由で採取試料量自体がなるべく少量である
ことが望まれることも多く、なるべく少量の試料で、精
度の高い結果を得ることが強く望まれている。

【０００４】これらの微量液体試料の計量、取り扱い方
法としてはキャピラリー、シリンジ等による吸引、射
出、或はピペッテイングが一般的であるが、最少取り扱
い量は0.5マイクロリットルが限度であり、精度も5％以
上を確保するためには高度の熟練を要し、一般的には極
めて困難であった。特に高い粘度を有する試料は吸引、
射出時の抵抗、或は使用する計量、取り扱い機器の器壁
に付着する性質が強く1マイクロリットル以下の少量の
試料を定量的に取り扱うことは著しく困難であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は液体試料の最
少取り扱い量を従来の方法に比べて２桁以上小さくする
とともに、取り扱い精度を１桁以上向上し、併せて液体
試料取り扱いの自動化を容易とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では液体試料の取
り扱いを従来のアナログ的方法から微小液体を取扱い単
位とするデジタル的方法に変更することで上記課題を解
決する。

【０００７】

【作用】本発明では試料に高周波電場あるいは超音波を
印加し、試料を均一なサイズの微小液滴とし、その個数
で取扱い量を制御する。計量精度は液滴サイズの均一性
と個数の制御の精度で決るが、何れも高い精度で実現で
きるので、全体としてもピペッテイング等の従来法に比
べて精度は飛躍的に向上する。たとえ、液滴のサイズに
多少のバラツキがあっても液滴数が多い場合には精度向
上が可能となる。

【０００８】

【実施例】

実施例１ 本発明の一実施例を図１を用いて説明する。本装置はパ
ルス状の高周波電流を圧電素子に印加して圧電素子で挟
まれた流路を通る液体を微小液滴化する装置１、液体の
リザーバー２、定量した液体の受容器４、微小液滴化装
置の駆動装置５、駆動装置５を制御するパルス電流発生
装置６、秤量装置７及び制御装置８を構成手段とする。

【０００９】一定量を分取したい液体をリザーバー２に
入れ微小液滴化装置１の流路を液体で満たした後、駆動
装置５を用いて液体をノズルから射出し微小液滴化す
る。微小液滴を３で示す。容器４でこれを受け、秤量装
置７で受容した液体量を定量する。制御装置８は秤量装
置７の出力を常時モニターし、分取したい量に達する時
間を見計らって、微小液滴化装置１のパルス電流発生装
置６に信号を送り、液体の射出を停止する。微小液滴化
装置１により生成される液滴のサイズは取り扱う液体の
表面張力、ノズル径、圧電素子の圧電係数、印加する高
周波電流の電圧、周波数に依存して変化するが同一の作
動条件中では一定である。

【００１０】例えば、表面張力＝2.5×10^-2N/mの液体に
対し、ノズル径＝100マイクロメ−トル、圧電素子の圧
電係数＝2×10^-10m/V、印加する電圧＝100V、周波数＝
1,000Hzとすればで液滴の大きさは0.5〜1.0ナノリット
ルとなる。

【００１１】また、本構成では微小液滴化装置１の動作
が終了した後でも微小液滴化装置１と受容器４との間の
液滴は受容器４に入ってしまうので予め設定した量だけ
分取するためには0.5マイクログラム以上の感度を有す
る秤量装置７の出力を常時モニターし、微小液滴化装置
１の電圧、周波数などの動作条件を自動校正すると共
に、分取したい量に達する時間を見積り、微小液滴化装
置１の動作を停止するか、受容器４への進入を妨げるシ
ャッター（図示しない）を微小液滴化装置１と受容器４
との間に設け、これを作動させる必要がある。

【００１２】制御装置８はまた分取作業の迅速化を図る
ために微小液滴化装置１の動作条件を変更して注入操作
初期には大粒径の液滴を、注入操作後期には小粒径の液
滴を発生するように制御することが出来る。本装置では
単一の微小液滴化装置を用いているのでこの様な制御方
式になるが、同時に様々なサイズの粒径の液滴を発生で
きるよう複数の射出口を具備する微小液滴化装置を装備
すれば、分取作業のより一層の迅速化を図ることができ
る。

【００１３】制御装置８はまた使用者が分取したい量を
容積で指示した場合には重量に変換して分取動作の開始
と終了を制御する。同一量を同一の条件で複数回分取す
る場合には一回毎にモニターする必要はなく、動作開始
後数回の分取作業の結果得られた条件から一定時間の微
小液滴化装置１の作動をもって一定量の液体を分取する
ものとしても良い。

【００１４】微小液滴化方法として本実施例ではマイク
ロリットル程度の液体を1ナノリットル程度の精度で取
り扱うことを目的としたので電圧を印加した時に生ずる
圧電素子の振動による方法を採用したが、分取すべき試
料がml程度であり、精度がマイクロリットル程度であれ
ば良い場合にはキャピラリーから一定の速度で液体を射
出し、一定サイズの液滴を形成させることも出来る。

【００１５】実施例２ 他の実施例を図２を用いて説明する。本装置では分取す
べき液体の量を実施例１で示したように秤量するのでは
なく、光学的な液滴数計測で制御する。即ち、微小液滴
化装置１で生成される微小液滴３のサイズは取り扱う液
体の粘度、表面張力、印加する高周波電流の電圧、周波
数に依存して変化するものの、同一の作動条件中ではほ
ぼ一定であるので、飛翔する微小液滴の個数を計数装置
９で計数し、それを基に制御装置８で予め設定した液量
になるように微小液滴化装置１の動作を停止するか、微
小液滴化装置１と受容器４との間に設けたシッター１０
を作動させて受容器４への注入動作を制御することで一
定量の液体試料の分取が可能となる。

【００１６】また、液滴数をモニターするので液滴化条
件の変動により単位時間当りの生成液滴数が変化した場
合には微小液滴化装置１にフィードバックをかけ生成速
度を制御できる。液滴数計数装置としては顕微鏡とカメ
ラの組み合わせの他、散乱光、反射光を利用した粒子計
測法の適用が可能である。光学装置９が液滴のサイズを
計測できる画像解析能力を具備している場合には液滴サ
イズに関しても微小液滴化装置１に対してフィードバッ
クをかけることができるので、より高精度な注入量制
御、および、大液滴と小液滴の組み合せによる迅速な分
取が可能となる。

【００１７】実施例３ 他の実施例を図３を用いて説明する。本装置では図１を
用いて説明した実施例１の構成に対し液滴の飛翔方向と
速度の制御を可能とする装置を増備したものである。即
ち、電極１１により液滴３を帯電させ、偏向電極１２に
より液滴の飛翔方向を変化させ、受容器４に注入する。

【００１８】実施例１では受容器４は液滴化装置１から
射出された液滴方向に設置される必要性があったが、本
実施例では任意の方向に液滴を飛翔させることが出来る
ので受容器４に対する位置の制約が無くなり取り扱いが
容易となる。受容器４の手前に減速用電極制御装置１４
で制御される減速用電極１３を設置することで、液滴の
飛翔速度を減少させ、注入時の衝撃に伴う試料の飛散、
秤量装置７に対するノイズを減少させることが出来る。

【００１９】本構成は、実施例１の構成をすべて含むの
で実施例１で述べた機能の全てが実施可能である。ま
た、本実施例で述べた減速用電極１３、及び減速用電極
制御装置１４を図２で説明した構成の内、液滴化装置１
と微小液滴光学計数装置９の中間に設置することにより
液滴の計数が正確に出来るようになるので液滴化装置１
による単位時間当りの液滴の生成量を増加でき、一定量
の試料の秤量の迅速化が可能となる。

【００２０】さらに、本実施例においては試料の分取を
停止する際に液滴化装置１の停止、或は、シャッター１
０を駆動させる必要はなく、偏向電極１２への通電を停
止するだけで達成されるので動作が簡便である。もっと
も偏向電極１２への通電を停止した状態で飛翔する液滴
の受け口を設けることが必要であることは言うまでもな
かろう。

【００２１】実施例４ 他の実施例を図４を用いて説明する。本装置では第３図
を用いて説明した実施例３の構成の内、特に極微小の液
滴の生成が可能な滴化装置１を具備している。実施例１
に記載した液滴化条件のうち、ノズル径を30マイクロメ
−トル程度、印加電圧を50V程度に設定することによ
り、体積が0.5〜1.0ナノリットルの微小液滴と10〜100
ピコリットルの極微小液滴とを交互に発生させることが
出来る（特許1005702号）。２種類の液滴は重量が異な
るので、図４に示した通り偏向電極１２により２種類の
液滴を異なった方向に飛翔させることが出来るので、偏
向電極１２に印加する電圧を制御することにより２種類
の液滴の内、何れかを受容器４に導くと共に他方を液滴
回収装置１５により回収することが出来る。

【００２２】図４では小液滴を受容器４に導く状態を示
したが、逆も可能である。本装置により生成される極微
小液滴を操作単位とすることで10〜100ピコリットルの
精度で液量の制御が出来る。

【００２３】本装置では秤量により試料量を定量してい
るが実施例２に記載したように液滴数計測、液滴サイズ
計測による定量可能であるので実施例１、２、３に記載
した操作を実行することが出来る。即ち、受容器４重
量、飛翔液滴の計測、或は液滴サイズの計測結果を基に
微小液滴化装置１に対して単位時間当りの液滴生成数、
液滴サイズのフィードバックをかけることができるの
で、より高精度な注入量制御、および、大液滴と小液滴
の組み合せによる迅速な分取が可能となると共に、偏向
電極１２への印加電圧を制御することで容易に試料の分
取開始、及び停止を制御することが出来る。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば極微量液体も高精度で定
量、ハンドリングが出来る。また、本発明は自動化が容
易なので特にケミカルプロセスロボットに好適な技術を
提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】微小液滴化した試料を取扱い単位とする液体秤
量装置の構成図。

【図２】試料を微小液滴化した後、液滴の個数を計測す
ることで一定量の試料を分取する液体分取装置の構成
図。

【図３】微小液滴化した試料に電荷を与え、飛翔方向を
制御する液体秤量装置の構成図。

【図４】異なるサイズの微小液滴を電場にて選別する液
体秤量装置の構成図。

【符号の説明】

１：液体微小液滴化装置、２：リザーバー、３：微小液
滴、４：受容器、５：駆動装置、６：パルス電流発生装
置、７：秤量装置、８：制御装置、９：液滴計数装置、
１０：シャッター及びシャッター駆動装置、１１：液滴
帯電用電極、１２：偏向電極、１３：減速用電極、１
４：減速用電極制御装置、１５：液滴回収装置。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体を体積、或は重量の揃った極微小な液
   滴とした後、液滴を個別に操作することで微量の液体の
   定量的取り扱いを可能とする極微量液体高精度ハンドリ
   ング方法。
2. 【請求項２】液体を複数種類の体積、或は重量の揃った
   微小な液滴とした後、液滴を個別に操作することで微量
   の液体の迅速な定量的取り扱いを可能とする極微量液体
   高精度ハンドリング方法。
3. 【請求項３】液体の計量、或は運搬に用いることを特徴
   とする請求項１または請求項２記載の極微量液体高精度
   ハンドリング方法。
4. 【請求項４】パルス状の高周波電流を圧電素子に印加し
   て圧電素子で挟まれた流路を通る液体を微小液滴化する
   装置、前記微小液滴化装置の駆動装置、前記駆動装置を
   制御するパルス電流発生装置、前記微小液滴化装置への
   液体試料のリザーバー、前記微小液滴化装置からの液滴
   を受ける分取液体の受容器、前記受容器の重量を計測す
   る秤量装置及び秤量装置の出力に応じて前記パルス電流
   発生装置の出力を停止させる制御装置よりなることを特
   徴とする微量液体高精度取り扱い装置。
5. 【請求項５】秤量装置に代えて微小液滴の種類と個数を
   計測し、液量を計量することを特徴とする請求項４記載
   の微量液体の高精度取り扱い装置。
6. 【請求項６】圧電装置に代えて超音波装置によって液滴
   化することを特徴とする請求項４記載の微量液体の高精
   度取り扱い装置。
7. 【請求項７】液滴を帯電させ、液滴の方向及び速度を制
   御すること特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記
   載の微量液体の高精度取り扱い装置。