JP2003523276A - 配量システムとしてのマイクロ構造化ピペット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体と接触するピペットの表面が平均高さ５０ｎｍ〜１０μｍおよび平均間隔５０ｎｍ〜１０μｍを有する凸部および１９ｍＮ／ｍより小さい表面エネルギーを有することを特徴とする、構造化表面を有するピペット。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 液体の一定量の採取および分配のためにはしばしばピペットまたは類似の器具
を使用する。ピペットを用いて、一定量の液体を貯蔵容器から採取し、第２の容
器に移すことができる。実地においては、正確でかつ再現性のある液体量の送り
出しが使い捨てピペット先端部を用いて行われる。

【０００２】 特に、総合化学およびバイオテクノロジーにおいては、今日多くのピペット操
作工程を必要とする方法が使用される。このピペット操作工程はしばしばいわゆ
るピペットロボットにより完全自動化されており、このロボットは設定プログラ
ムに従って作動する。そのようなシステムで、試料の非常に高い装入量は達せら
れる。しかしながら、スクリーニングのために多数の異なる少量のバッチの使用
が増えているので、ますます少量の試料バッチが選択されなければならない。こ
のことは、小さいシステム中での高速のピペット操作速度をますます必要とする
。技術的に非常に困難であるのは、液体量が非常に僅かである場合、ピペット先
端部からピペット採取した液体を除去することである。技術的にはこの工程は今
日ピペット先端部を反応体積中に浸漬することにより実施している。この方法の
欠点はピペットの反応体積中への浸漬でピペット先端部の汚染が生じることであ
る。汚染が容認されない工程においては、ピペット先端部を交換することまたは
多くを費やす工程により清浄化することが必要である。この工程には非常に費用
および時間がかかる。今日実地においては、一回採取した溶液を同じ濃度の多く
の反応体積にピペットで装入する、ということで克服している。このいわゆるコ
ピーの設置は、実質的に全く汚染が生じないという利点を有する。しかしながら
、この方法の欠点は反応プレートの多くを費やす操作にある。

【０００３】 液滴が独自にピペット先端部から離れる場合、この前記問題は生じない。今日
市販の装置においては、この離脱は典型的には数μｌの範囲で生じる。９６個の
反応凹部（ウェル）を有する反応プレートにおいては、この反応体積は明らかに
１ｍｌを越えるので、このことは全く問題にならない。３４８または１５３６個
の反応凹部を有するシステムにおいては、ピペット操作体積は更に小さくなる、
それというのも本来の反応体積がここでは１０μｌまで低下するためである。そ
のような配合物においては、典型的には１０ｎｌ〜１μｌの体積をピペット操作
する。液滴の離脱はこの反応プレートにおいてピペット先端部の反応体積中への
浸漬によってのみ可能である。このことはすでに記載したピペット先端部もしく
は反応液の汚染に導く。

【０００４】 接着技術およびジェット−インク−テクノロジーの分野からは非常に小さな液
滴を表面に担持することのできる方法が公知である。ＤＥ２８１９４４０は放出
ノズルの上方に存在する貯蔵容器からチューブ状導管を介して液体を放出ノズル
に供給する方法を記載している。開口部に生じる液滴は圧縮ガスパルスにより引
き離される。この方法はピペット先端部から液滴を引き離すためにも利用するこ
とができ、非常に小さい液滴を表面上に担持することができるというという利点
を提供する。この方法の欠点は液滴の劣悪な再現性であり、かつ圧力パルスによ
り液体も窪みから押し出されることがあることである。

【０００５】 ＤＥ１９７４２００５中には、細い毛管から１００ｎｌより少量の体積も押し
出すことのできる方法が記載されている。この際、押し出された体積は毛管の直
径およびかけられた圧力パルスに依存する。この方法の欠点はひとつには非常に
費用のかかる加圧技術と液滴の大きさの劣悪な再現性にある。ＤＥ１９７４２０
０５にはこの方法の改良法が記載されている。圧電路に圧力が生じる方法も公知
である。ここでは、加圧容器は毛管に取り付けられた圧電モジュレータにより代
えられる。この方法の利点は改良されたパルスの再現性およびこれによる液滴の
大きさの再現性並びに簡単な電気的制御である。

【０００６】 ピペット操作するための液体を、しばしばウェルの窪み中にすでに存在する溶
液中に添加すべきである。窪みも存在する溶液も僅かな体積を有するのでピペッ
ト操作するための圧力パルスの使用は、窪みから反応溶液の一部が押し出される
危険と結びついている。ピペット採取した体積の正確さ、すなわちここでは液滴
の大きさは、液滴のピペット先端部からの離脱、もしくは液滴形成にも大きく依
存する。

【０００７】 液滴形成は従来物理的に十分に記載されていない。液体の液滴が切断する際に
は、液体の挙動を通常信頼できるように記載する流体力学的方程式は役に立たな
い。Ｓ. Ｎａｇｅｌは液滴形成をより正確に記載している（Physical Review Le
tters, 第83巻, 1999, p 1147 ff）。液滴が切り離れる直前には、液滴は著しく
細い液体糸にぶら下がっており、これは迅速に狭窄する。この狭窄は流動液体の
表面をできるだけ小さくする表面張力に起因する。この糸の切断の直前には、こ
の糸は液体の特性を失う。ここでは結果として流体力学的方程式は役に立たない
。Ｎａｇｅｌは適当な視覚化法により液滴の形成を非常に正確に記載することに
成功した。ＮａｇｅｌおよびＪ.Ｌｉｓｔｅｒの文献（Physical Review Letters
, 第83巻, 1999, p 1151 ff）に示されたこの観察の数学的な記載からは、迅速
な液滴の切り離しのための条件、例えばピペット先端部の幾何学的な付形に関す
る条件を誘導することは全く不可能である。

【０００８】 最新のピペット、ピペット先端部または液体を採取または分配するためのディ
スペンサーは以下の条件を満たすべきである： − １μｌより少量の液体量においても使用可能である、 − 圧力パルスの不使用、 − 抗菌材料の不使用、 − 例えばピペット先端部または毛管先端部の液体中への浸漬の際のこの液体
の残分による反応媒体の“随伴”なし。

【０００９】 従って、本発明の課題は液体を残留分なしに採取および分配可能であるピペッ
トまたはピペット先端部を提供することである。ピペットまたはピペット先端部
に、不純物として随伴されうるかまたはピペット採取すべき体積を減少させる液
体残分が残留すべきではない。

【００１０】 他の技術分野からは、構造化表面が撥液体性（fluessigkaitsabweisend）およ
び自浄性を有することが公知である。そのような表面およびその製法は、例えば
ＤＥ１９８０３７８７またはＤＥ１９９１４００７に開示されている。ここでは
構造化表面の液滴が如何に粒状になって滴り、その際に汚れを取り去ることがで
きるかが記載されている。

【００１１】 表面上の液滴の切り離れ挙動および転がり挙動は明らかに異なる。転がりの際
には常に重力の成分は表面の内側に作用する。重力が平行を示すかまたは表面か
ら離れる場合に、初めて液滴を切り離すことができる。更に、転がり挙動は主に
液体の内部摩擦により記載される。このことは液体の表面張力の機能および液体
と表面との間の界面張力の機能である。液滴の切り離しにおいては界面張力のみ
が重要な役割を果たす。しかしながら、正確な物理的記載は更に記載されている
（W. Zhang, Physical Review Letters, 第83巻, 1999, p 1151 ff）。

【００１２】 意外なことに、その構造が一定のアスペクト比、すなわち高さと平均値幅との
間の一定の比、を有する構造化表面が液滴の離脱または切り離しを改善するとい
ことが見いだされた。

【００１３】 従って、本発明の対象は液体と接触するピペットの表面が平均高さ５０ｎｍ〜
１０μｍおよび平均間隔５０ｎｍ〜１０μｍを有する凸部および１９ｍＮ／ｍよ
り小さい表面エネルギーを有する、構造化表面を有するピペットである。

【００１４】 本発明によるピペットは完全に構造化された表面または部分的に構造化された
表面を有していてよい。重要であるのは、液体と接触する表面が完全にまたは部
分的に構造化されているということである。

【００１５】 市販のピペットまたはピペット先端部は、液体の迅速な流出を可能にするため
に、内側および外側ができるだけ平坦である。本発明によるピペットは反対の処
置、すなわち表面の構造化により、ピペットのほぼ残留物なしの排出および十分
に噴霧のない切り離しを、非常に少量の液量においても、可能にする。

【００１６】 非構造化材料で区切られる、構造化範囲の表面エネルギーは本発明のピペット
においては１９ｍＮ／ｍを下回り、有利には１０〜１８ｍＮ／ｍである。

【００１７】 本発明によるピペットに使用する構造化表面は著しく疎水性であり、従って強
く撥水性である。これは水に対して非常に高い接触角を有し、液滴の離脱もしく
は切り離しを有利にする。

【００１８】 接触角または表面エネルギーの測定は有利に平坦な非構造化表面により行われ
る。材料特性“疎水性”“撥液体性（fluessigkeitsabweisend）”または“液体
湿潤性”は表面の最上部の分子層の化学的組成によっても決定される。従って、
材料の高いまたは低い接触角または低いまたは高い表面エネルギーは被覆法によ
っても達成される。

【００１９】 こうして、表面の疎水特性は表面エネルギーによって定義することができ、こ
の際種々の液体の平坦な、すなわち非構造化材料への接触角は表面エネルギーの
ための尺度であり、これはｍＮ／ｍで示される。

【００２０】 本発明によるピペットのためには、凸部のその他の寸法を使用することもでき
る。有利には、凸部の平均高さが５０ｎｍ〜４μｍおよび平均間隔が５０ｎｍ〜
１０μｍである。更に選択的に、凸部の平均間隔５０ｎｍ〜４μｍにおいて凸部
の平均高さ５０ｎｍ〜１０μｍであってよい。特に有利には凸部が平均間隔５０
ｎｍ〜４μｍにおいて高さ５０ｎｍ〜４μｍを有する。

【００２１】 凸部の高さ対幅の比、すなわちアスペクト比がすでに記載したように、非常に
重要である。凸部は０.５〜２０のアスペクト比、有利には１〜１０、特に有利
には１〜５を有する。

【００２２】 更に、材料の最上部の単層（Monolage）の化学的組成が重要である。

【００２３】 化学的表面特性の変更のためには、表面上にラジカル位を生じさせる方法を挙
げることができる。構造化または非構造化材料をプラズマ、ＵＶ線またはガンマ
照射により、並びに特別な光開始剤の存在により処理することができる。表面の
そのような活性化の後、すなわち遊離基の形成の後、付加的にモノマーをその上
に重合することができる。そのような方法は化学的に特に耐性の被覆を生成する
。モノマーとしては、例えばアクリレート、メタクリレートおよびその他のビニ
ル誘導体、例えばポリフルオロヘキシルエチレンメタクリレートを挙げることが
できる。

【００２４】 表面の付形または構造化はエンボス／ローラーによりまたは対象物のマクロ的
な付形法、例えば注入成形、射出成形またはその他の付形法、と同時に行うこと
ができる。このためには所望の構造の相応するネガ型が必要である。本発明によ
るピペットの製造のためには有利に射出成形法が好適である。

【００２５】 例えば射出成形法のためのネガ型は工業的に、例えばリガ（Liga）技術（R.We
chsung, Mikroelektronik, 9, (1995) p 34 ff）により製造することができる。
ここでは最初に１種以上のマスクを所望の凸部の寸法に従って電子ビームリソグ
ラフィーにより製造する。このマスクをポジ型を得るためのＸ線深絞りリソグラ
フィー（Roentgentiefenlithographie）によるフォトレジスト層の照射のために
使用する。引き続き、フォトレジスト中の間隙は金属の電着により充填される。
このように得られた金属構造体は所望の構造のためのネガ型である。

【００２６】 本発明の他の実施形によれば、凸部は僅かに粗い超構造（Ueberstruktur）上
に配置されている。この凸部は前記の寸法を有し、平均高さ１０μｍ〜１ｍｍお
よび平均間隔１０μｍ〜１ｍｍを有する超構造上に設けられていてよい。この超
構造の凸部は同様に、リソグラフィー法によりまたは付形処理、例えば注入成形
または射出成形により型付けすることができる。凸部および超構造を同時にまた
は順次、すなわち最初に超構造、次いで凸部を、リソグラフィー法により、また
は例えば注入成形または射出成形のような付形加工により担持することができる
。

【００２７】 表面の付形または構造化は超構造を有する表面においては、凸部のみを有する
表面と同様に有利に一工程で実施する。すでに生じた二重構造化表面の後からの
化学的修飾はもちろん同様に可能である。

【００２８】 非構造化表面上にまたは構造化表面上の非構造化部分領域上に構造を付与する
ための機械的方法は例えば、予め製造した型またはスタンプ（針）でのエンボス
法またはスタンプ法である。リソグラフィー法は例えばリガ法、Ｘ線リソグラフ
ィーまたは除去法、例えばレザー照射での除去法である。

【００２９】 同様に、好適な表面エネルギーは塗料またはその他の被覆材料の担持によって
も作製することができる。表面エネルギーはこの工程でまたは後から所望の値に
調節することもできる。この方法のための前提条件はピペット操作する液体に対
する被覆の不活性挙動である。

【００３０】 本発明によるピペットの構造化はもちろん液体と接触する部分のみが必要であ
る。例えばピペット先端部の簡単な製造工程のためには、全ピペット表面を構造
化することもできる。

【００３１】 構造化、すなわち凸部はピペットの内側（図１中のａ）または外側（図２中の
ｂ）に担持することもできる。ピペット先端部、すなわちピペット出口にのみ構
造化を担持させる（図３のｃ）ことも可能である。

【００３２】 本発明によるピペットに使用する材料は非構造化状態で表面エネルギーに必要
な値を有していなければならない。例えば、ポリ（テトラフルオロエチレン）、
ポリ（トリフルオロエチレン）、ポリ（ビニリデンフルオリド）、ポリ（クロロ
トリフルオロエチレン）、ポリ（ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（ペルフル
オロプロピレンオキシド）、ポリ（２,２,３,３−テトラフルオロオキセタン）
、ポリ（２,２−ビス（トリフルオロメチル）−４,５−ジフルオロ−１,３−ジ
オキソール、ポリ（フルオロアルキルアクリレート）、ポリ（フルオロアルキル
メタクリレート）、ポリ（ビニルペルフルオロアルキルエーテル）または他のポ
リフルオロアルコキシ化合物からのポリマー、ポリ（エチレン）、ポリ（プロピ
レン）、ポリ（イソブテン）、ポリ（イソプレン）、ポリ（４−メチル−１−ペ
ンテン）、ポリ（ビニルアルカノエート）およびポリ（ビニルメチルエーテル）
をホモ−またはコポリマーとしておよび他の熱可塑性加工可能なプラスチックを
使用することができる。

【００３３】 実施例： ピペットを例えば、ＬＩＧＡ−法により製造した従来の射出成形用金型と組み
合わせて製造することができる。このＬＩＧＡ−法はＸ線リソグラフィー、電気
メッキ、および型付け（Roentgen-LIthographie, Galvanik und Abformung）を
基礎工程とする構造化法である。この方法は、構造が基材中に腐食法により生じ
るのではなく、金型により安価に型付けすることができるということによりマイ
クロメカニックとは異なる。本願の場合には、ＬＩＧＡ−法が金型を製造するた
めに使用される。リソグラフィーによるレジスト照射（感光性ポリマー）および
現像の後、このように生じた塗料の構造を電気メッキ法のための型として使用し
、この際空いている間隙中に金属合金は析出する。引き続き、塗料構造を取り除
き、後に残った金属構造を型付け金型として利用する（G. Gerlach, W.Doezel "
Grundlagen der Mikrostystemtechnik" Carl Hanser Verlag Muenchen, 1997, p
60f）。

【００３４】 マイクロ構造化表面を前記の金型により出口末端に有する、ピペット体積０.
５〜１０μｌのポリ（プロピレン）からなるピペット先端部を射出成形により製
造した（図３参照）。ここでは凸部の間隔は平均して４μｍであり、高さは少な
くとも４μｍであり半値幅（Halbwertsbreite）は２μｍである。構造要素は幾
何学的には円錐の形を有した。

【００３５】 引き続き、ピペット先端部に２分間、２５４ｎｍのＵＶ−照射を行った。この
ようにして活性化した表面上に熱的にフルオロアルキルアクリレートをグラフト
した（Grafting-from）。この方法により、表面エネルギーは約２８ｍＮ／ｍか
ら１５ｍＮ／ｍより低く減少した。構造化しておらず、かつ疎水性化していない
ピペット先端部は液滴をピペット体積（Pipettenvolumen）１.５ｍｌで初めて切
り離す。本発明によりマイクロ構造化しかつ疎水性化したピペット先端部はこれ
がすでに２００ｎｌより少量で達成される。このことは異なる表面張力および粘
土を有する液体、例えば完全脱塩水、ヘキサデカン、１０％アルブミン水溶液お
よびＤＭＳＯで証明することができた。

【００３６】 このようにして製造したピペットは自動ピペットシステムまたはディスペンサ
ーにおいて使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 内側を構造化したピペットを概略的に示す断面図。

【図２】 外側を構造化したピペットを概略的に示す断面図。

【図３】 ピペット先端部にのみ構造化を有するピペットを概略的に示す断面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト シュライヒ ドイツ連邦共和国 レックリンクハウゼン ヒンデミトヴェーク ２ (72)発明者 ラルフ−ペーター ペータース ドイツ連邦共和国 ベルギッシュ−グラー トバッハ ツム ヴァッシュバッハ 23ア ー (72)発明者 ホルガー バルトス ドイツ連邦共和国 ドルトムント クライ ネ シュヴェルター シュトラーセ 27ア ー (72)発明者 イン ユウ ドイツ連邦共和国 ドルトムント グロー テンバッハシュトラーセ 35 エー Ｆターム(参考） 4G057 AB11 【要約の続き】

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体と接触するピペットの表面が平均高さ５０ｎｍ〜１０μ
   ｍおよび平均間隔５０ｎｍ〜１０μｍを有する凸部および１９ｍＮ／ｍより小さ
   い表面エネルギーを有することを特徴とする、構造化表面を有するピペット。
2. 【請求項２】 凸部が平均高さ５０ｎｍ〜４μｍを有する、請求項１記載の
   ピペット。
3. 【請求項３】 凸部の平均間隔が５０ｎｍ〜４μｍを有する、請求項１記載
   のピペット。
4. 【請求項４】 凸部が平均高さ５０ｎｍ〜４μｍおよび平均間隔５０ｎｍ〜
   ４μｍを有する、請求項１記載のピペット。
5. 【請求項５】 凸部が０.５〜２０のアスペクト比を有する、請求項１から
   ４までのいずれか１項記載のピペット。
6. 【請求項６】 凸部が１〜１０のアスペクト比を有する、請求項５記載のピ
   ペット。
7. 【請求項７】 凸部が１〜５のアスペクト比を有する、請求項５記載のピペ
   ット。
8. 【請求項８】 凸部が、平均高さ１０μｍ〜１ｍｍおよび平均間隔１０μｍ
   〜１ｍｍを有する超構造の上に施されている、請求項１から７までのいずれか１
   項記載のピペット。
9. 【請求項９】 ピペットの内側表面に凸部が施されている、請求項１から８
   までのいずれか１項記載のピペット。
10. 【請求項１０】 ピペットの外側表面に凸部が施されている、請求項１から
    ９までのいずれか１項記載のピペット。
11. 【請求項１１】 ピペットの出口部に凸部が施されている、請求項１から８
    までのいずれか１項記載のピペット。
12. 【請求項１２】 ピペットが完全にまたは部分的に、ホモ−またはコポリマ
    ーとしてのポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（トリフルオロエチレン）、
    ポリ（ビニリデンフルオリド）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリ（
    ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（ペルフルオロプロピレンオキシド）、ポリ
    （２,２,３,３−テトラフルオロオキセタン）、ポリ（２,２−ビス（トリフルオ
    ロメチル）−４,５−ジフルオロ−１,３−ジオキソール、ポリ（フルオロアルキ
    ルアクリレート）、ポリ（フルオロアルキルメタクリレート）、ポリ（ビニルペ
    ルフルオロアルキルエーテル）またはその他のペルフルオロアルコキシ化合物か
    らのポリマー、ポリ（エチレン）、ポリ（プロピレン）、ポリ（イソブテン）、
    ポリ（イソプレン）、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、ポリ（ビニルアルカ
    ノエート）およびポリ（ビニルメチルエーテル）からなる、請求項１から１１ま
    でのいずれか１項記載のピペット。