JPH10114394A - 微量流体処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】対応する圧力変化を測定することにより、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
量流体処理装置の提供。 【解決手段】微量流体処理装置１０は、ガラス毛細管に
取り付けられた圧電変換器を使用するマイクロディスペ
ンサ１６と、マイクロディスペンサに移送流体を充填し
且つ同マイクロディスペンサから移送流体を吸引し、シ
ステム流体の圧力を制御し、移送と移送との間にマイク
ロディスペンサを洗浄する容積式ポンプ１２と、システ
ム流体の圧力を測定し且つ対応する電気信号を発する圧
力センサ１４と、を含んでいる。圧力信号は、分配され
る移送流体の体積を点検し且つ測定するため、及びマイ
クロディスペンサの自動化された調整及び診断のために
使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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１
００％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（ｐｏ
ｓｉｔｉｖｅ 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２
０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 Ｉｎｓ
ｔｒｕｍｅｎｔ， 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３
４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３，００
０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１
０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（Ｐａ
ｃｋａｒｄ 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３
０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３
６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３
４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 Ｐｒｏｄｕｃｔ
ｓ，Ｉｎｃ．，）によって作られた、内径が１．４９８
６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 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ
ｔ 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（Ｐ
Ｃ−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（Ｍｉｃｒｏｓ
ｗｉｔｃｈ， 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２
４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５
５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４
２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 Ｇ
ｍｂＨ）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（Ｎｏｒｄｅｒ
ｓｔｅｄｔ）Ｄ−２２８４４、ミューレンヴェグ（Ｍｕ
ｈｌｅｎｗｅｇ）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２
６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６
２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２
４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３０
μｍ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６
３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２
４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−Ｌ
ＰＭ−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（ｍｉｓｆｉｒｉｎ
ｇ）」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１１
０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６
２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２
１２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２１
２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２４
２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（Ｂｏ
ｉｌｌａｔ）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 Ｄｉｆｆｅｒ
ｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｌ
ｏｗ Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｏｒ Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｕｌａ
ｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｏｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」
という表題の出版番号０−７８０３−２５０３−６のＩ
ＥＥＥ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニコラス・エス・チブコス アメリカ合衆国イリノイ州60108，ブルー ミングデール，ビスケイン・ストリート 280 (72)発明者 レーラント・エフ・パペン アメリカ合衆国イリノイ州60187，ホイー トン，ジャスパー・ドライブ 1465 (72)発明者 ヴィルヘム・ヨット・メイヤー ドイツ連邦共和国デー−21255 トステッ ト，ヴァルトシュトラーセ １アー

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少量の流体を分配するための微量流体処
   理装置であって、 第１の流体を供給するポンプ装置と、 微量の第２の流体を分配するためのマイクロディスペン
   サ装置と、 前記第１及び第２の流体のうちの少なくとも一つにおけ
   る圧力変化を信号に変換するための圧力センサと、 前記ポンプを前記圧力センサに接続し且つ同圧力センサ
   を前記マイクロディスペンサ装置に接続するための管装
   置と、 前記信号を、分配される流体の量を示す指示値に変換す
   るための装置と、を含み、 前記第１の流体と第２の流体とは、圧縮領域によって分
   離されているようになされた装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記マイクロディスペンサ装置は、容積が１ナノリット
   ル未満の不連続で実質的に再現可能な大きさの液滴を形
   成することができる、装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記ポンプ装置が、前記圧力センサを注射器に接続する
   ための弁を更に含み、同注射器は、前記第１の流体を前
   記圧力センサ及び前記マイクロディスペンサ装置内へ注
   入することができる、装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記圧力センサが、圧力を電気信号に変換することがで
   きるピエゾ抵抗要素を含む、装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記マイクロディスペンサ装置が、毛細管と、同毛細管
   の一部分にほぼ径方向で接触している圧電変換器とを更
   に含む、装置。
6. 【請求項６】 液滴を分配するための装置であって、 毛細管と、同毛細管の射出端部に設けられた射出ノズル
   と、前記射出端部と反対側の入口端部と、前記ガラス毛
   細管に取り付けられ圧電セラミックと、を含むマイクロ
   ディスペンサと、 圧力センサと、 前記マイクロディスペンサの前記入口端部を前記圧力セ
   ンサに接続するための第１の管と、 第２の管と、 前記第２の管によって前記圧力センサに接続し、且つポ
   ンプへの前記圧力センサの接続及びシステム流体貯蔵器
   への前記ポンプの接続を択一的に行う弁と、 制御論理と、を含み、 前記圧力センサは、同圧力センサ内に存在する流体の圧
   力に比例するアナログ信号を形成することができる少な
   くとも一つのピエゾ抵抗要素を更に含み、同アナログ信
   号は前記制御論理に送られ、 前記制御論理は、前記アナログ信号をデジタル信号に変
   換するアナログ／デジタル・コンバータを含み、且つ前
   記デジタル信号によって、前記マイクロディスペンサか
   ら分配される流体の容積の指示値を形成する、装置。
7. 【請求項７】 少量の流体を分配するための微量流体処
   理装置であって、 第１の流体の圧力及び流量を制御するためのポンプ装置
   と、 微量の第２の流体を分配するためのマイクロディスペン
   サ装置と、 前記第１の流体及び前記第２の流体のうちの少なくとも
   一つの中の圧力の変化を信号に変換するためのセンサ
   と、 前記ポンプ装置を前記センサに接続し、且つ同センサを
   前記マイクロディスペンサ装置に接続するための管装置
   と、 前記信号を、分配される流体の容積を指示する指示値に
   変換する装置と、含み、 前記第１の流体と前記第２の流体とは圧縮可能な領域に
   よって互いに分離されており、 前記マイクロディスペンサ装置は、同マイクロディスペ
   ンサ装置を、同マイクロディスペンサ装置に付着した異
   物を脱離させるのに十分な高さの周波数で振動させる振
   動装置を更に含む、装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記周波数が超音波周波数である、装置。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の微量流体処理装置であ
   って、 前記周波数が、前記マイクロディスペンサ装置の共鳴周
   波数である、装置。
10. 【請求項１０】 液滴を分配するための毛細管部分と、
    同毛細管部分を収縮させる収縮部分と、を有するマイク
    ロディスペンサを含む微量流体処理装置を洗浄する方法
    であって、 前記収縮部分を、前記毛細管部分の内面に付着している
    異物が前記毛細管部分の中の流体内へと脱離されるのに
    十分な超音波周波数で作動させる、段階と、 前記毛細管部分の中の前記流体に正圧をかけて、前記脱
    離された異物を前記マイクロディスペンサの前記毛細管
    部分から前記流体内へ洗い流す段階と、 を含む方法。
11. 【請求項１１】 ノズルから液滴を分配するための毛細
    管部分と、同毛細管部分を収縮させる収縮部分と、を含
    む微量流体処理装置の詰まりを防止する方法であって、 前記ノズルと、異物を含む移送流体の供給源と、を作動
    可能な接触状態にする段階と、 前記ノズルから、前記移送流体を前記マイクロディスペ
    ンサ装置の前記毛細管部分内へと吸引する段階と、 前記収縮部分を、前記毛細管部分の前記ノズルに付着し
    つつある前記異物を脱離させるのに十分な超音波周波数
    で作動させる段階と、 を含む方法。
12. 【請求項１２】 ノズルから液滴を分配するための毛細
    管部分と、同毛細管部分を収縮させる収縮部分と、を含
    む微量流体処理装置の詰まりを防止する方法であって、 前記収縮部分を、前記毛細管部分の前記ノズルに付着し
    つつある前記異物を脱離させるのに十分な共鳴周波数で
    作動させる段階を含む方法。
13. 【請求項１３】 少量の流体を分配するための微量流体
    処理装置であって、 システム流体を含むシステム流体貯蔵器と、 同システム流体貯蔵器内の前記システム流体の圧力を増
    加させ又は減少させることができるポンプを備えた圧力
    制御装置と、 前記圧力制御装置を前記システム流体貯蔵器に接続して
    いる中空の管と、 少なくとも一つの部分を有する分配管と、 ノズルから移送流体の液滴を分配するための毛細管部分
    と、同毛細管部分を収縮させるための収縮部分と、を有
    するマイクロディスペンサと、 第１の端部が前記分配管の前記一つの部分を介して前記
    システム流体貯蔵器に接続され、第２の端部が前記マイ
    クロディスペンサに接続されている弁と、 前記分配管の前記一つの部分に結合されて、前記分配管
    の中のシステム流体の圧力又は流量の少なくともどちら
    か一方を検知し、それに対応する信号を発生するセンサ
    と、 前記弁に結合されて同弁を制御し、且つ前記センサに結
    合されて前記信号を受け取り、且つ前記圧力制御装置に
    結合されて同圧力制御装置に前記システム流体内の圧力
    を増加させ又は減少させるように指示し、且つ前記収縮
    部分に結合されて同収縮部分を作動させる、システムコ
    ントローラと、 を含む装置。
14. 【請求項１４】 少量の流体を分配するための微量流体
    処理装置であって、 ウエル（凹部）の列が内部に配設された微量滴下プレー
    トであって、同ウエルは、同ウエルの底壁を形成してお
    り且つ光を透過させる底部分と、前記ウエルの側壁を形
    成している空隙を有し且つ光を透過させない頂部分とを
    有する、微量滴下プレートと、 前記微量滴下プレートの前記底部分に隣接した位置に光
    を射出して、同光が前記透明な底部分の中を通り且つ前
    記微量滴下プレートの前記頂部分内の前記空隙の中を通
    るようにする、光源と、 ノズルを介して移送流体の液滴を分配するための毛細管
    部分と、同毛細管部分を収縮させる収縮部分と、を有す
    るマイクロディスペンサと、 前記マイクロディスペンサに結合され、同マイクロディ
    スペンサを前記微量滴下プレートの前記頂部分に隣接し
    た位置へと移動させるロボットと、 前記微量滴下プレートの前記ウエルの中を通過する前記
    光を検知して、検知した光に対応する光信号を形成する
    光センサと、 同光センサに電気的に結合されて前記光信号を受け取
    り、前記ロボットに電気的に結合され、前記光信号に応
    答して同ロボットに命令し、前記マイクロディスペンサ
    を前記微量滴下プレートの前記頂部分の上方の所望の位
    置に位置決めさせ、前記マイクロディスペンサの前記ノ
    ズルから１以上の液滴を前記ウエルのうちの一つ内へと
    分配する、システムコントローラと、を含む装置。