JP3896283B2 - 複数の微小液滴を基板上に配置する装置、該装置に用いられるドージングヘッド及び該ドージングヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の微小液滴を基板上に配置する装置、特に、複数の微小液滴の同時配置を可能とするこのような装置、該装置に用いられるドージングヘッド及び該ドージングヘッドの製造方法に関する。さらに、本発明は、詳しくは、未知のサンプルに含まれる数種の物質を検知するために、複数の異なる解析試薬が基板上に配置されている、いわゆるバイオチップを製造するのに適する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と課題】
人間、動物及び植物のゲノム解読の躍進は、遺伝的病気の診断から薬学的観点から関心が持たれている物質の迅速な探索に及ぶ多数の新しい可能性を与える。前記バイオチップは、将来、例えば多数の可能な遺伝操作された成分に関して食物を調査するのに使用されるであろう。また別の応用分野では、このようなバイオチップは遺伝的病気の正確な遺伝的欠損を決定するのに使用でき、その病気の理想的な治療計画をそこから引き出すことができる。
【０００３】
このような応用分野での使用に適したバイオチップは、通常、キャリア材、つまり基板を有し、その上に、多数の異なる物質がラスターの形態で配置される。配列中の典型的なラスター間隔は１００μｍ〜１０００μｍの範囲である。一つのバイオチップ上の異なる物質、いわゆる解析試薬の数は、それぞれの使用の場合によって異なるが、一つの基板につき単に数種の異なる物質から数十万の異なる物質に及ぶ。これらの異なる解析試薬のそれぞれは、未知のサンプル内の特定の物質を検知するためのものである。
【０００４】
未知のサンプル液体がバイオチップに配置された場合、特定の解析試薬が反応する。このような反応は、適当な方法、例えば蛍光検知によって、認識され得るものである。バイオチップ上の異なる解析試薬の数は、各バイオチップを使用して同時に分析され得る未知のサンプル液体中の異なる成分の数に相当する。このようなバイオチップは、未知のサンプルの多数の成分に関して同時に目的にかなうように調査され得る診断器具である。
【０００５】
このようなバイオチップ作成のために基板上に解析試薬を配置する方法として、現在、原則的に異なる三つの方法が知られている。これらの方法は、要求されるバイオチップの数又は各チップに配置されるべき解析試薬の数によって、選択的に採用される。
【０００６】
第１の方法は「接触印刷」と呼ばれるものであり、異なる解析試薬が中に充填されている一束の鋼鉄製の毛細管が使用される。この一束の鋼鉄製の毛細管が基板上に型押しされる。この束が基板から離れたとき、解析試薬は微小液滴という形で基板上に残ることになる。しかしこの方法では、印刷パターンの質が毛細管作用によって大きく左右され、故に多数の重大なパラメータ、例えば、基板表面の質及びコーティング、ノズルの正確な位置、そして第１には使用される媒体によって左右される。その上、この方法は基板及びノズルの汚染に大きく影響を受ける。この方法は、一つの基板につき数百種類を超えない解析試薬を配置する場合に適している。
【０００７】
バイオチップ製造の第２の方法はいわゆる「スポッティング」であり、この方法においては、通常、インクジェットプリンタと同様に、相当する制御コマンドに応答して、液体の微小液滴を基板上に載せることができるいわゆるマイクロディスペンサを使用する。このような方法は「ドロップオンディマンド」と呼ばれている。この種のマイクロディスペンサは数社から市場に出ている。この方法の利点は、解析試薬が基板と接触することなしに、基板上に配置され得ることであり、毛細管作用の影響は無関係である。しかし、主な問題点は、非常に高価で、それぞれ異なる媒体を提供する多数のノズルを平行に又は一列に配置することはかなり難しいということである。ここで制限を与えている要因は、作動手段と、要望の程度にまで極小化できない媒体の補給作業である。
【０００８】
バイオチップ製造の第３の方法はいわゆる「合成方法」であり、通常、互いに接着した核酸の鎖からなる解析試薬が基板上で化学的に生成、つまり合成される。多種の解析試薬の空間的位置を区分するために、マイクロエレクトロニクスでよく知られているような方法、例えばマスク技術を用いたリソグラフィ法が使用される。この合成方法は前述した方法のうちで最も高価であるが、チップ上に最も多種の解析試薬、つまり一つの基板につき十万単位の異なる解析試薬を形成することができるものである。
【０００９】
本発明の目的は、基板上に複数の微小液滴を同時にそして規定のパターンに、相応のコストで正確に配置できる装置及び該装置に用いられるドージングヘッドを提供し、さらに、ドージングヘッドを製造するための方法を提供することである。
【００１０】
【発明の構成、作用及び効果】
この目的は請求項１に係る装置、請求項２０に係るドージングヘッド、及び請求項２２に係る方法により達成される。
【００１１】
本発明は複数の微小液滴を基板上に配置する装置であり、一つのドージングヘッドに複数のノズル口を有するものを提供する。さらに、供与されるべき媒体の液体柱を各ノズル口で規定する手段を備えている。緩衝媒体で満たされるようになっている圧力室が、その緩衝媒体が複数の液体柱のそれぞれのノズル口から離れた方の端部に同時に圧力を作用させることができるように配置されている。さらに、圧力生成手段が備えられ、複数の微小液滴が複数のノズル口を通って同時に基板上に配置されるように緩衝媒体に圧力を加える。圧力室は、ドージングヘッド内又は圧力生成手段内、あるいはドージングヘッド及び圧力生成手段の両方に設けられる。
【００１２】
本発明は、それぞれのノズル口に位置する複数の液体柱に共通の緩衝媒体を介して同時に圧力を掛けることにより、複数の微小液滴を基板上に同時に配置することができるという知見に基づくものである。この緩衝媒体は好ましくは不活性なものであり、この緩衝媒体を介して付与された短い圧力パルスは全てのノズル口の液体柱に向かって均質的に進み、また、ノズル口に与えられた異なる媒体の混合を防止するようなものである。つまり、この緩衝媒体は供与媒体分離特性を有している。
【００１３】
本発明によると、これらのノズル口及びノズルは、互いの間隔が液滴が基板上に配置されるべき間隔と同じになるように設置されている。ノズルが互いに非常に密接して設置されている場合、各ノズルが別々の媒体ラインを介して、より大きな外側に位置する貯蔵漕に通じていることが好ましい。これらの貯蔵漕を介して、各ノズル及び各ノズル口に特定の液体が送られる。しかしノズル間の距離が、従来の方法で、例えば標準的な自動ピペット装置を使用してこれらのノズルに液体を送るに十分なものである場合、媒体ライン及び液体貯蔵漕は省略してもよいし、また、液体貯蔵漕をノズルの真上に直接設置してもよい。
【００１４】
緩衝媒体に圧力パルスを付与するために、本発明の好ましい実施形態においては、駆動部を備えたダイアフラムが使用される。しかし、圧力パルスは、他の考えられ得るいかなる方法でも形成できる。例えば、化学作用又は熱作用によって過剰な圧力を緩衝媒体が入っている圧力室内に生成してもよい。また、駆動部を有するタペットも使用できる。さらに、この圧力生成手段は、圧力室と流体接続している圧縮空気付与手段を含んでいてもよい。
【００１５】
本発明によると、生成された高速の圧力パルスは全てのノズルに均等に作用し、これらのノズル内の液体に加速度を与える。これにより、複数のノズル口から微小液滴が同時に排出される。さらに、緩衝媒体は、供与されるべき異なる媒体が一つの基板上に配置される場合、異なる媒体の混合を防止する。
【００１６】
本発明によると、ノズル口の液体柱は、好ましくは、そのノズル口が毛細管作用により充填されるチャンネルの外側端部であり、液体柱はこのチャンネル内で規定されるように形成される。このチャンネルは、チャンネルの毛細管充填が常に実行できるように、流体接続ラインを介して液体貯蔵漕に接続されていることが好ましい。
【００１７】
本発明は、微小液滴、特に生物学に関する物質の微小液滴が生成され、一つの基板上に一定のパターンで配置できる装置を提供することになる。さらに、本発明は、一つの基板上に複数の微小液滴を配置するこのような装置のドージングヘッドを提供し、また、このようなドージングヘッドの製造に有利に使用される方法を提供する。
【００１８】
本発明のさらなる展開部分は従属請求項に開示されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１に示されているように、複数の微小液滴を１枚の基板上に配置する装置を説明している実施形態は、パターン化されたシリコン基板２、シリコン基板２上に配置された中間プレート４、中間プレート４上に配置され、変位ダイアフラム８という形で形成された圧力生成装置を内包する層６からなる。
【００２１】
最初に、シリコン基板２の構造を、特に図２〜図４を参照して詳細に説明する。図２〜図４はそれぞれシリコン基板２の拡大図である。これらの図から明らかなように、下部ノズル開口１４を有する複数のノズルがシリコン基板２の下面に形成されている。これらのノズルは、好ましくは毛細管作用による充填が実行可能であるような大きさであり、また、周りのシリコン面に対して露出するようにチップ２の下面に微小なパターンで形成されている。図中、６本の並列するノズルが示されているが、図３はノズル口１４が形成されたシリコンチップ２の下面を示す底面図であり、ここから明らかなように、本実施形態は２４本のノズルを有している。また、これらのノズルは周りのシリコン面に対して露出しており、この周囲２４はシリコンチップ２の外周を形成している。これに関して、図３に示されている周囲は図１に比べて幅方向に縮尺されていることを指摘しておかねばならない。
【００２２】
ノズル口１４上にそれぞれチャンネル１５が配置され、これを通って液体柱が特定のノズル口１４上に形成される。各ノズルはシリコンチップ２の表面に形成された媒体貯蔵漕２８に、特に図４及び図２の拡大部分２２に示されている媒体ライン２６を介して接続されている。これに関して、図１及び図２の断面図では二つの媒体ライン２６のみが示されていることを指摘しておく。図４から明らかなように、２４個の媒体貯蔵漕２８が媒体ライン２６を介してシリコンチップ２のそれぞれのノズルに連結されている。
【００２３】
本実施形態において、媒体貯蔵漕２８は、ノズル開口１４とは対向するシリコンチップ面にパターン形成されている。媒体貯蔵漕２８は、標準的な自動ピペット装置によって自動的に液体が充填され得るように形成されていることが好ましい。この目的のために、これらの媒体貯蔵漕２８は、例えば同じ直径を有していてもよいし、従来知られている３４８個のウェルを有する微小力価平板のチャンバーのように、互いに等間隔で配置されていてもよい。媒体ライン２６は、液体が媒体貯蔵漕２８から媒体ラインを介してノズル口１４まで毛細管作用によって吸引されるように形成されていることが好ましい。互いに密な間隔で配置されたノズル口１４のチャンネル１５には、このようにして、より大きな貯蔵漕２８から媒体ライン２６を介して液体が供与される。このように、媒体貯蔵漕２８とノズル口１４の間で配列の変換が行われる。
【００２４】
ノズル口１４は例えば２００μｍの直径を有し、媒体ラインも２００μｍの幅を有していてもよい。図示されているような２４本のノズルの並びは、従って、簡単に互いの間隔が１ｍｍの配列とすることができる。一列に配置できるノズルの数を制限する要因はノズルと媒体貯蔵漕を相互接続する接続チャンネルの幅である。これらの接続チャンネルはノズルの間から外側へ導かれなければならない。これらのチャンネルの幅がさらに小さくなれば、一つのドージングヘッドに４８、９６又はそれ以上の数のノズルを配置することも可能である。
【００２５】
本実施形態においては、中間プレート４がシリコンチップ２上に配置されている。この中間プレート４はノズルの上部に形成された凹部３０を有し、この凹部３０は緩衝媒体を格納するための圧力室３０として機能する。圧力室３０に収納される緩衝媒体は、好ましくは、混合ガス又は空気混合物である。
【００２６】
本実施形態において、中間プレート４は、さらに、シリコンチップ２に形成された媒体貯蔵漕２８の容量を増すための凹部３２を有し、これにより多量の液体３４を貯蔵することができる。本実施形態において、ダイアフラム８が圧力室３０の頂上に圧力生成装置として設置されている。このダイアフラム８により、過剰圧力が圧力室３０内で生成される。ダイアフラム８は、例えば、弾性ホイル又はシリコンからなる。製造を容易にするために、このダイアフラム８は中間プレート４上に設けられた層６の一部であってもよく、層６は、媒体貯蔵漕２８，３２への補給を可能にするために、これらの媒体貯蔵漕の部分に開口を有していることが好ましい。
【００２７】
変位ダイアフラム８に大きなそりを引き起こすために、機械的装置（図１には示されていない）を設けることが好ましい。この機械的装置は例えば、変位ダイアフラム８の上部にモジュラー部品として配置された空気圧ピストンとして構成することができる。図１の場合、この空気圧ピストンは装置のこの部分とは何ら固定的な接続はない。あるいは、この駆動部は、また、圧電素子又は純粋な機械構造、例えばスプリングを含んでいてもよい。
【００２８】
このような駆動素子は図５に概略的に図示され、符号４０により示されている。この駆動素子４０は圧力室３０内で圧力を生成するために矢印４２に沿った動きを生じさせる。図５にさらに示されているように、本実施形態では、吸気弁４４が変位ダイアフラム８に設置されており、この吸気弁は、変位ダイアフラム８が緩んだ際、ノズル内の液体に変位ダイアフラム８の方向に加速度を与えるのを防ぐためのものである。図５に示す実施形態では、この吸気弁４４は、変位ダイアフラム８が圧力室３０内に過剰圧力を生成するために変位する際には駆動素子４０自身によって閉じられ、一方、駆動素子４０の復帰動作の間には吸気のために開く能動バルブとして示されている。駆動スピードは、ダイアフラム８の緩みによって生じる変位ダイアフラム８の復帰スピードよりも速い。
【００２９】
以下に、本発明に係る装置の作動モードについて説明する。最初に、媒体貯蔵漕２８，３２を、基板上に載置されるべき異なる媒体で満たすことが好ましい。この充填は、前述したように、例えば周知の微小力価平板を使用して、標準的な自動ピペット装置によって実行される。本発明の好ましい実施形態においては、媒体ライン及びノズルは前述のような寸法であるので、媒体は毛細管作用によって自動的にノズルの下部開口１４まで充填される。圧力室３０は緩衝媒体、例えば空気混合物又は混合ガスで満たされる。この混合物は、雰囲気あるいは開口４２を通じて特別に導入された混合物であってもよい。いずれの場合にも、供与されるべき媒体が圧力室３０で混じり合わないように、緩衝媒体は供与されるべき液体に関して媒体分離特性を有している。この媒体分離特性を擁護するために、チップの上面は疎水層によって覆われていてもよい。これにより、異なる媒体ラインから供給された液体がノズル部分で混じることをより確実に防止できる。さらにまた、ノズル口が形成されているチップの下面をも疎水層で覆ってもよい。
【００３０】
ノズルが、好ましくは毛細管作用によって、その開口まで供与されるべき液体で満たされると、駆動素子４０によって圧力パルスが生成され、圧力室３０内で変位ダイアフラム８の機械的変位が生じる。これは、図１に矢印４６で示されているように、均質な圧力パルスが緩衝媒体を通じて圧力室３０内に広がるという効果をもたらす。生成された高速の圧力パルスは全てのノズルに均質に作用し、ノズル口１４の液体柱に加速度を与える。媒体ライン２６、つまり液体柱が配置されているチャンネル１５への流体並列回路を表しているが、このライン２６内の液体は、より高い流路抵抗のために、ノズル口の液体柱よりもかなり弱い加速度を受ける。従って、全てのノズル口１４から同時に液体が排出される。この排出は、変位動作によって圧縮された緩衝媒体は膨張しようとする特性があるために圧力室３０内で過剰圧力を形成するという状況によって引き起こされる。ノズルが空になると、あるいは緩衝媒体の過剰圧力が液体がもはやノズルから離れようとしない程度にまで下がると、媒体ライン２６内の毛細管作用により、ノズルは再度充填される。
【００３１】
これに引き続き、駆動素子４０を作動し、変位ダイアフラム８を元の位置に戻す。変位ダイアフラムの緩みによって引き起こされるかもしれない負圧を避けるために、吸気弁４４が圧力室３０に設置されている。この吸気弁は、ノズル内の液体が変位ダイアフラム８の方向への加速度を付与されないように、ダイアフラムの緩み動作の間、圧力室の吸気をする。変位ダイアフラム８が最初の位置に戻ると、次のドージング動作の実行が可能になる。
【００３２】
前述の能動的な吸気弁４４の代わりに、受動的なバルブが備えられていてもよい。例えば、非常に小さな吸気穴を圧力室３０の任意の位置に設けてもよい。この吸気穴は、変位ダイアフラムにだけでなく、ノズル側のシリコンチップにも設けられていることが好ましい。例えば複数の微小液滴を排出するために実行されるような種類の高速のダイアフラム動作の場合、この吸気穴による圧力補償は行われない。しかし、ダイアフラムがゆっくりと緩む場合、この吸気穴が圧力補償を可能にし、圧力室の負圧を防止し、ノズルに対する不利益な圧力変化が避けられる。
【００３３】
前記説明では、ノズル１４という表現は、外側に向いたノズル口及びこのノズル口の液体柱を規定するために、ノズル口の頂上に設けられた手段を定義するために使用されている。微小液滴を排出するために、緩衝媒体は、液体柱のノズル口から離れた方の端部に圧力を与える。ノズル内の液体量、つまり液体柱の容量を増すために、チャンネルが設けられているだけでなく、開放直立パイプがノズル口の頂上に軸に沿って配設されている。これらの直立パイプは、ノズル近傍でＴ型接続部品を介して媒体ラインに接続されている。媒体ラインは、前述のように、ノズルとそれぞれの媒体貯蔵漕を相互接続している。直立パイプには、毛細管作用のみによって媒体ラインから液体が充填される。この場合、緩衝媒体は、直立パイプのノズルから離れた方の端部に圧力を付与することになる。
【００３４】
これらの直立パイプ又はノズル部分に、液体を周知の方法、例えば自動ピペット装置やマイクロディスペンサ等により、直接充填することが可能な場合、これらに接続された貯蔵漕や媒体ラインは省略できる。そうでない場合、図４の平面図に示されているような外側に配置された貯蔵漕が好ましい実施形態を象徴するものである。なぜなら、これらの貯蔵漕への充填は標準的な自動ピペット装置によって可能であり、また、直立パイプが配設されている場合には、これらの直立パイプへの充填がこれらの貯蔵漕によって毛細管作用により自動的に行われるからである。
【００３５】
好ましくは、本発明に係る複数の微小液滴を基板上に配置するための装置は、異なる液体をそれぞれのノズルによって基板上に配置するために使用される。しかし、複数のノズルが、共通の媒体ラインを介して同じ液体が送られてくる一つのノズル群を形成することも考えられる。
【００３６】
図４に示されている媒体ライン２６はシリコンチップ２の表面に並設されている。前述したように、媒体ラインの配列はノズルの配設密度を制限する。ノズルの配設密度の増加を可能にするために、複数のカバープレート及び／又は中間プレートを重ね合わせ、媒体ラインをいくつかの面に配分することも可能である。ラインが異なる面に配置された場合、見かけ上はこれらのラインが交差しているようでも、それぞれのラインの中の液体が混じり合うことはない。この点に関して、ノズル部分において媒体ラインは開放ラインとすることも可能であり、また、カバーで覆ってもよいことを指摘しておかねばならない。開放媒体ラインは、充填時間が短いことと汚染に対して抵抗力が強いという点に関して有利である。カバーをかけられた媒体ラインは、異なる媒体ライン間の相互汚染を排除しやすいという点において有利である。
【００３７】
前述したように、緩衝媒体に圧力パルスを付与できるものであれば、どのような圧力生成手段でも使用できる。この目的のために変位ダイアフラムを使用することが好ましく、この変位ダイアフラムは例えば空気圧ピストン、圧電素子又はスプリングなどの適当な駆動素子によって駆動される。ガスの圧縮性のために、必要な変位経路は、一方では緩衝媒体が収納されている容量に依存し、また他方ではノズルの大きさに依存する。変位経路は、駆動部の変更可能な作動経路によって調整可能でなければならない。変位ダイアフラムが導電体部品として設置される場合、駆動素子は電気接続を検知することでダイアフラムに関して特定の基準位置をとるように形成することもできる。
【００３８】
図６を参照して、変位圧力生成装置を備えた本発明に係る装置の他の実施形態について、以下に説明する。図６はドージングヘッド基板１０２を示す。この基板１０２の下面にノズル口１０４が形成され、このノズル口１０４は中間層１１０に形成された液体貯蔵漕１０８に流体ライン１０６を介して接続されている。この実施形態において、液体貯蔵漕１０８のための吸気穴１１４が形成されているカバープレート１１２が、中間層１１０上に配置されている。
【００３９】
図６に示されているように、各吸気穴１１４が複数の液体貯蔵漕のために設置されるように、カバープレート１１２にはそれぞれ凹部１１６が設けられている。これらの吸気穴が設置されているので、供与されるべき媒体の毛細管作用による補給動作の間、液体貯蔵漕１０８内で負圧が発生することはない。さらに、液体貯蔵漕１０８からの蒸発を抑えるために、吸気穴１１４は貯蔵漕開口よりも小さな断面積を有していることが好ましい。図６に示されているように、このことは、一つの吸気穴１１４が複数の液体貯蔵漕１０８に対して設置されることによって好適に達成できる。媒体の蒸発をさらに減じるために、カバープレート１１２をさらに冷却手段として設置することもできる。これは、このカバープレートを好ましくは高い熱導電性を有する材料で形成し、例えばペルチエ素子などの特別な冷却素子に機械的に接続するか、または、前もって冷却された液体をパターン形成されたチャンネルを通じてこのカバープレートに供給することによって達成できる。あるいは、さらにまた蒸発を抑えるために、吸気穴１１４を巻回したあるいは蛇行した形にすることも可能である。カバープレート１１２は、前述した蒸発を抑える効果を与えるとともに、ドーシングヘッドに機械的安定性をもたらす。なぜならば、駆動部によってもたらされる機械応力はこのカバープレートによって吸収されることになるからである。
【００４０】
図６に示されているように、圧力室１１８となる凹部が中間層１１０にノズル口１０４の上に形成されている。圧力室１１８内には緩衝媒体、本実施形態では空気が納められている。この点に関して、領域１２０で圧力室１１８に対して開口している流体ライン１０６は、供与されるべき液体は毛細管作用によりその中に保持されるが、空気はこれらの流体ラインに入って来ないように設置されていることが好ましい。
【００４１】
図６に示す実施形態において、圧力生成手段は圧縮空気供給ライン１２２を含む。このライン１２２はバルブ１２４を備え、緩衝媒体に圧力を与えるものである。本実施形態の圧縮空気供給ライン１２２は、保持装置１３０の一部であるハウジングプレート１２８に、例えばスクリュージョイント等の取付手段１２６によって、取付られている。圧縮空気供給ライン１２２は、圧力室１１８内で終わっている大きな断面領域１３２を有している。大きな断面領域は挿入部１３４によって規定される。挿入部１３４はカバープレート１１２に例えばＯリング等のシール１３６によって取り付られている。大きな断面を有する領域１３２によって、ある特定の圧力が圧力室の反対側に位置するノズル口１０４に与えられる。換言すれば、圧力生成手段は、液体柱のノズル口１０４から離れている方の端部に中間バルブ１２４を介して通じている供給ライン１２２を備えている。この供給ライン１２２が、最初は閉じた状態のバルブ１２４まで出力圧力下になった際、バルブを開くことによって、緩衝媒体、本実施形態においては空気の流入を引き起こし、液体柱の前述の端部で圧力を高める。この圧力増加はバルブ１２４が閉じられた時点で終わる。バルブ１２４の開閉動作時間によって、液体柱の一部のみ、又は最大限は液体柱の全容量が、この工程中の目標である基板（図示せず）上にノズル開口１０４を通じて排出される。バルブが閉じられると、付加的な吸気チャンネル（図６中図示せず）を開くことによって、一時的に圧力低下が促される。図６に、下のカバー層１３８が示されているが、微小液滴を配置すべき基板を、ドージング動作中、ノズル口１０４の面からできる限り短い距離に配置することができるように、このカバー層は通常非常に薄いものである。この下部カバー層はノズル口１０４の部分に開口を有し、流体ライン内に液体を保持するのに使用できると同時に、ノズル口を汚染及び破損から保護する。
【００４２】
保持装置１３０を配置する方法については図１０を参照して後述する。
図７は、本発明に係るさらに他の実施形態を示し、別の圧力生成手段が使用されている。図７において、図６と同じ部品には同じ符号を付し、これらについての説明はここでは省略する。
【００４３】
図７に示す実施形態では、圧力生成手段はタペット１４０及び作動的にそれに関連する駆動部１４２を備えている。タペット１４０は弾性密封リング１３６’を介してカバープレート１１２に取付られている。弾性密封リング１３６’は、外部から密封されている圧力室の容量を規定し、タペット１４０が駆動部１４２によって作動される際、圧力室１１８の上部で密閉される室容積を保障する。タペット１４０は駆動部１４２に機械的に固定されていてもよいし、あるいは図７に概略的に示されているように、何の固定接続部もなくてもよい。図７中、タペット１４０に設けられている吸気穴１４４が示されている。この吸気穴１４４は、図７に示されているような直線状のものでなくてもよく、圧力室１１８の吸気に適するものであればどのような形でもよい。
【００４４】
タペット１４０は、駆動部１４２によって非常に力学的な方法でノズル１０４の方向に押される。これにより、圧力室１１８の容積が小さくなり、その中の緩衝媒体、好ましい実施形態においては空気が圧縮され、圧力が高くなる。これによって、微小液滴がノズル口１０４から排出されるという効果をもたらす。微小液滴の排出後、変形したタペット１４０は、弾性密閉手段１３６’の復帰力のみによって元の位置に戻る。
【００４５】
タペット１４０を有する圧力生成手段は、図７に示すように、液体貯蔵漕１０８の容量が中間プレート１１０によって増大されているにも拘わらず、圧力室１１８の容積は非常に小さくてもよいという利点を有する。圧力室１１８内に緩衝気体が収納されている場合、圧縮容量比は圧力が形成される際のより小さな圧力室容積によって抑えることができる。このことは、駆動部１４２の一時的そり動作に基づいて、圧力室内の圧力が高まり、結果として液滴の速度を増すことになる。
【００４６】
図６及び図７から明らかなように、流体ライン１０６をドージングヘッド基板１０２の上面又は下面に導くために、ドージングヘッド基板にスルーホールが設けられている。図７中符号１４６で示されているように、流体貯蔵漕の真下に一つのスルーホールが配設されていてもよい。この場合、供与されるべき媒体は基板の下面に導かれることになる。
【００４７】
前述した本発明の実施形態は、ノズル口、流体ライン、流体貯蔵漕及び液体柱を規定する手段が、各ドージングヘッド基板（好ましくはシリコン基板）、中間プレート又はカバープレートに配置されている場合であるが、実現可能な方法で多様な部品を異なる層に配置することは当業者にとっては明らかなことである。
【００４８】
例えば、図８に、全ての媒体供給手段、つまり、ノズル口、流体ライン及び流体貯蔵漕が一つの基板内に配置され、いかなる種類のカバープレート、下部カバープレートだけでなく、上部カバープレートをも省略できる本発明の実施形態を示している。この場合、流体チャンネル１０６が高い毛細管作用を有し、この毛細管作用のみによってこれらのチャンネル内に供与されるべき液体を保持できるようなものでなくてはならない。これらの流体ライン１０６は、一方では基板２００に設けられた流体貯蔵漕２０２に接続され、他方ではこの基板２００に設けられたノズル口１０４に接続されている。図６及び図７と同様に、図８中でもそれぞれのノズルチャンネル２０４がノズル開口１０４上に設けられている。このノズルチャンネル２０４は直立パイプ２０６と共に各ノズル口から供与されるべき媒体の液体柱を規定する。あるいは、液体柱を限定する手段として、ノズルチャンネル２０４のみを設けてもよい。
【００４９】
流体ライン１０６、特に基板２００の下面及び上面に設けられた部分１０６’，１０６’’は、その中に含まれる液体が毛細管作用のみによってそこに保持される深さ及び幅を有している。これらの流体ライン１０６を、非常に小さい幅及びこの幅に比べて大きな深さを有するように設置することによって、流体ライン１０６の毛細管作用は充分に発揮される。
【００５０】
流体ライン１０６は上面及び下面に対して開口しているので、図８に示したようなタイプの基板の場合、圧力生成手段によって微小液滴がノズル開口のみから排出され、スルーホールや流体ライン１０６から排出されることがないようにするには、スルーホール２０８内の流体抵抗がノズル口１０４内の流体抵抗を十分な程度上回ることが必要である。スルーホール２０８内の非常に低い流体抵抗が、非常に高度な形成精度で実現されなければならない。スルーホール２０８を非常に高精度に形成する方法を示す実施形態については、図１２を参照して後述する。
【００５１】
図８に示す圧力生成手段はタペット１４０’及びそれに関する駆動部１４２を含み、タペット１４０’は弾性密閉リング１３６’を介して基板２００に動作可能に接続されている。図８に示す実施形態において、圧力室１１８’の大部分はタペット１４０’に形成された凹部によって構成されている。圧力室１１８’を形成する凹部を囲む境界部２１０において、タペット１４０’は周状に延びる溝を有し、その中には弾性密閉リング１３６’が納められ、好ましくは位置決めされている。駆動部１４２によってタペット１４０’に力が与えられ、弾性密閉リング１３６’の圧縮によって圧力室１１８’内に過剰圧力が生成される。この過剰圧力はノズル開口１０４を通じて微小液滴を排出させる。ここで、圧力室１１８’はタペット１４０’の凹部によって全てが限定される必要はなく、任意に又は同時に、基板２００が圧力室の形成に寄与するように構成され得る。
【００５２】
図８に示す実施形態において、密閉リング１３６’を基板に接続する必要はなく、圧力生成手段及び基板２００は互いに完全に独立した別個の部品として設置してもよい。従って、複数のキャリア基板が一連の生産過程のうちに次から次へと与えられ、微小液滴が複数のキャリア基板上に配置される。これは図７に示す実施形態にも同様に応用できる。なぜならば、この実施形態の場合も、圧力生成手段とドージングヘッドの間の固定接続が存在しないからである。
【００５３】
図８に示すドージングヘッド基板２００は、従来のシリコンマイクロパターニングを利用して、しかし配置は、プラスティック材料の設置に適した特別なものによって製造できる。例えばエンボシング技術による製造が可能である。流体ラインが極度に毛管状であり、一方の側で開口しているので、チャンネルへのいかなる一時的な空気の含有をも防止する。さらに、開口したチャンネルは、クリーニングのための基板への直接的なアクセスを可能にする。
【００５４】
前述したように、圧力室は少なくとも部分的には基板内に形成可能であり、及び／又は図８を参照してタペット１４０’に関して説明したように、全体的にあるいは部分的に関連する駆動部のヘッド部分に形成することも可能である。本実施形態の場合、カバープレートを全く備えていないが、圧力パルスが付与された際、微小液滴がノズル口によってのみ排出されるように、流体ライン及びチャンネルの基板スルーホールがそれぞれノズルチャンネルよりも明らかに大きい流体抵抗を有している。図８に示す実施形態においては、故に、カバープレートは完全に省略されており、この実施形態の決定的な利点は、注入動作の間に起こるかもしれない空気混入が、基板のいかなる点においても毛細管作用によって防止され得ることである。これは、実質的に注入動作を容易にするであろう。
【００５５】
図９Ａ，９Ｂを参照して、ドージングヘッド基板の下面のノズルがどのように設置されているかを示す一実施形態を簡単に説明する。図９Ａは可能なノズル形成を示す底面図であり、図９Ｂはその概略断面図である。ノズル口１０４は、ここに示されている実施形態の場合には、ドージングヘッド基板の下面２２２から突出している境界部２２０によって囲まれている。図９Ａ，９Ｂからさらに明らかなように、トレンチ構造２２４がドージングヘッド基板の下面２２２に形成されている。このトレンチ構造はノズル開口１０４あるいはむしろその境界部２２０を完全に囲んでいる。このトレンチ構造２２４は、その構造深さのために、ノズル開口１０４に生じる余分な媒体を毛細管作用によって結合することができるように、ノズル開口１０４から所定の距離だけ離れて配置されている。ノズルを囲むこれらのトレンチはまた、毛細管作用によって余分な液体がノズル部分から除去され、ドージングヘッドの外側の部分に運ばれるように、相互接続されていてもよい。
【００５６】
図１０を参照して、図６中ａの部分を詳述する。図１０はドージングヘッドの下側部分に設けられた凹部２３０を示し、この凹部２３０を介して保持装置１３０はドージングヘッドに取り付けられる。図１０に示すように、本実施形態において、この凹部はドージングヘッドに周状に延びる凹部又はそのある部分に沿う凹部であるが、これは、中間基板１１０をドージングヘッド基板１０２及び下面カバー層１３８から突出させることで実現できる。支持面はこのように、保持装置１３０上に載る中間層１１０の下面部分２３２に形成され、ノズル口（図１０では図示せず）の面が、その下に配置され、微小液滴を供与されるキャリア基板から可能な限り短い距離で位置決めされる。これにより、キャリア基板がノズル口から非常に近い距離で、しかしこれらのノズル口と接することはなく、ドージングヘッドの下で自由に動くことができる。保持装置１３０は複数のドージングヘッドを保持可能なように設計することも可能である。この場合、目的のドージング動作を行うために使用される各ドージングヘッドは、保持装置を操作することによって、駆動部の下で簡単に動かすことができる。また、保持装置は、例えば力価平板のような貯蔵手段から保持装置内に載置されたドージングヘッドの液体貯蔵漕へ媒体を運ぶための挿入装置として使用してもよい。ドージングヘッドへの充填及び満杯のドージングヘッドの圧力生成手段への導入は、保持装置の操作のみによって実行できる。
【００５７】
生物学的液体は通常ピペットシステムによって、例えば力価平板等の初期配列から最終配列に変換される。供与されるべき媒体つまり液体２４０は毛細管２４２に貯蔵される。従って、ドージングヘッドの液体貯蔵漕１０８の間に毛細管中間橋部２４６を設けることは有利である。このようなドージングヘッドの一部は、例として図１１に符号２４４で示されている。液体を毛細管２４２に貯蔵するためには、その毛細管は親水性のものでなければならない。それが親水性である場合、毛細管２４２の端部で流体メニスカスが外側に曲がり、ピペットの毛細管２４２が接触される際、毛細管中間橋部が貯蔵されたドーシング媒体２４０の表面を破壊することになる。故に、毛細管中間橋部をドージングヘッド２４４の表面から突出させる必要がない。このようにして表面張力を乗り越え、媒体２４０は毛細管作用を生み出す貯蔵漕構造２４６に引き入れられる。特にマルチチャンネルシステムが採用されている場合、例えば９６のピペット毛細管を含む針の並びが採用されている場合、ドージングヘッドの全ての貯蔵漕が、前述の方法で毛細管作用によって同時に充填され得る。
【００５８】
最後に、本発明に係る装置の前述のドージングヘッドに備えられているような基板スルーホールを形成するのに使用される好ましい方法を、図１２を参照して説明する。図１２は、基板２５０の断面を概略的に示し、その上面２５２には第１トレンチ２５４が形成され、その下面２５６には第２トレンチ２５８が形成されている。トレンチ２５４と２５８は特定の角度で交差している。トレンチ２５４，２５８の深さは、基本的に、狭いチャンネル２５４，２５８の幅及びチャンネル２５４，２５８の交差角度により決定される開口幅を有する基板スルーホール２６０が、その交差部分で形成されるように、選択される。小さくて特定の開口幅を有する基板スルーホールがこの方法により有利に形成され得る。このような方法の利点は、小さな構造体、つまり狭く深いチャンネルがただ一つの寸法に形成されるという事実である。このようなチャンネルを二つ形成することによって、これらの深さの合計は基板の厚さよりも大きくなければならないが、小さくそして二方向の寸法によって規定された開口幅を有するスルーホール２６０が得られる。小さな基板スルーホールを形成するためのこの方法は、基板スルーホールが、基板の表面及び裏面への配置エラーに関して許容が大きいというさらなる利点を有している。これら二つの構造体のわずかな配置エラーは、単に基板スルーホールの局部的ずれを引き起こすのみであり、開口幅を変化させるものではない。
【００５９】
前述の方法は、特に周知のフォトリゾグラフィ技術を用いてシリコン基板に基板スルーホールを形成するのに適している。また、例えばプラスティック、セラミック等の他の材料からなる基板に対して、トレンチを形成するのに適する任意の方法で基板スルーホールを形成することも可能である。
【００６０】
前述した本発明の好ましい実施形態では、ドージングヘッドのノズル口を有する部分がシリコン基板にマイクロメカ的に形成されているが、ドージングヘッド、つまりドージングヘッド基板及び種々の中間層やカバー層も、他の適当な材料から適当な形成技術によって形成されていてもよい。例えば、基板は、プラスティック材料又はセラミック材料から射出成形技術又はエンボシング技術を用いて形成され得る。また、基板は、金属、ガラス又はガラス−シリコン構造からなるものであってもよい。カバー層及び中間層は、例えばパイレックス（登録商標）ガラスなどの透明ガラスからなるものであれば、有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置の一実施形態の概略断面図である。
【図２】 図１の装置に使用されているシリコン基板の概略断面図である。
【図３】 図２に示す基板の概略底面図である。
【図４】 図２に示す基板の上面図である。
【図５】 本発明に係る装置の他の実施形態を説明するための概略断面図である。
【図６】 本発明に係る装置の他の実施形態の概略断面図である。
【図７】 本発明に係る装置のさらに他の実施形態の概略断面図である。
【図８】 本発明に係る装置のさらに他の実施形態の概略断面図である。
【図９】 ノズル口の実施形態の説明図であり、Ａは概略底面図、Ｂは概略断面図である。
【図１０】 図６中の部分ａの概略拡大図である。
【図１１】 本発明の一実施形態である液体貯蔵漕の概略図である。
【図１２】 流体基板の前部から後部へ通じる流体開口を形成するための本発明に係る方法を示す概略図である。

Claims (22)

1. 複数の微小液滴を基板上に配置するための装置において、
   ドージングヘッドの第１面に貯蔵槽開口部を有し、配置されるべき媒体（３４）のための液体貯蔵漕（２８，３２，１０８，２０２）と、
   前記ドージングヘッドの第１面と対向する第２面に設けた複数のノズル口（１４，１０４）と、
   前記液体貯蔵槽（２８，３２，１０８，２０２）と流体接続し、各ノズル口（１４，１０４）で供与されるべき媒体（３４）の液体柱を規定する手段と、
   緩衝媒体が充填されるようになっており、該緩衝媒体が液体柱のノズル口（１４，１０４）から離れた方の端部に圧力を同時に与えることができるように配置された圧力室（３０，１１８，１１８’）と、
   複数の微小液滴が複数のノズル口（１４，１０４）を通じて同時に基板上に配置されるように緩衝媒体に圧力を与えるための圧力生成手段（８，１２２，１２４，１３２，１３４，１４０，１４２，１４０’）と、を備え、
   前記圧力室（３０，１１８，１１８’）は、前記緩衝媒体が前記貯蔵槽開口部を介して液体貯蔵槽（２８，３２，１０８，２０２）内の液体に圧力を与えないように設置されていること、
   を特徴とする装置。
2. 前記圧力生成手段は変位ダイアフラム（８）とその駆動部（４０）によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記緩衝媒体は空気であり、前記圧力生成手段は、バルブ（１２４）を備え、かつ、圧力室（１１８）と流体接続している圧縮空気供給装置（１２２）を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記圧力生成手段はタペット（１４０，１４０’）及び駆動部（１４２）を含み、駆動部（１４２）によってタペット（１４０，１４０’）が作動されることにより緩衝媒体に圧力を与えることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. 各ノズル口（１４，１０４）での液体柱を規定する手段は、各ノズル口（１４，１０４）に通じ、毛細管作用によって充填されるチャンネル（１５，２０４）を含むことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の装置。
6. 前記液体貯蔵漕（２８，３２，１０８，２０２）は流体ライン（２６，１０６）を介して液体柱を規定する手段に接続されており、流体ライン（２６，１０６）は液体柱を規定する手段の毛細管作用による充填を可能にするように設置されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５記載の装置。
7. 前記液体貯蔵漕（２８，３２，１０８，２０２）の開口部はドージングヘッドの第１面に第１パターンで形成され、ノズル口（１４，１０４）はドージングヘッドの第１面とは対向する第２面に第２パターンで形成されており、第１パターンと第２パターンは、液体貯蔵漕（２８，３２，１０８，２０２）とノズル口（１４，１０４）の間での配列変換を引き起こす差異を有していることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. さらに、前記圧力室（３０，１１８，１１８’）の圧力が解除される際に、前記圧力室（３０，１１８，１１８’）に空気を導入する吸気手段（４４，１４４）を含むことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７記載の装置。
9. 前記液体貯蔵漕（１０８）のための単一又は複数の吸気穴（１１４）を有するカバープレート（１１２）がドージングヘッドの第１面上に配置され、吸気穴（１１４）の断面積は液体貯蔵漕（１０８）の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７記載の装置。
10. さらに、前記液体貯蔵漕（１０８）内の液体を冷やす冷却手段を含むことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９記載の装置。
11. ドージングヘッドのノズル口（１０４）が形成されている面には、ノズル口（１０４）の領域に開口を有するカバー層（１３８）が設けられていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９又は請求項１０記載の装置。
12. ドージングヘッドのノズル口（１０４）が形成されている面の水平端部に凹部を有し、この凹部は保持装置（１３０）と係合していることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０又は請求項１１記載の装置。
13. 前記保持装置（１３０）は、さらに、前記液体貯蔵漕（１０８）に液体を充填するための貯蔵手段として設置されていることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. さらに、各ノズル口（１０４）を囲むトレンチ構造（２２４）を含み、このトレンチ構造（２２４）はノズル口（１０４）が形成されている面上の余分な液体を毛細管作用により集中させるために設置されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２又は請求項１３記載の装置。
15. 複数のノズル口（１４，１０４）及び液体柱を規定する手段は、シリコン基板（２，１０２，２００）に微細加工技術によって形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３又は請求項１４記載の装置。
16. 前記液体貯蔵漕（２８，３２，１０８，２０２）及び流体ライン（２６，１０６）は、少なくとも部分的にはシリコン基板（２，１０２，２００）に形成されていることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 前記圧力室（３０，１１８）はシリコン基板（２，１０２）に設けられた中間プレート（４，１１０）に形成された凹部（３０）によって構成されていることを特徴とする請求項１５又は請求項１６記載の装置。
18. 前記中間プレート（４，１１０）は、さらに、液体貯蔵漕（２８，３２，１０８）の容量を増すためにパターン化されていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 前記液体貯蔵漕（１０８）は毛細管構造（２４６）を有していることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６記載の装置。
20. 請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の装置のためのドージングヘッドであり、
    第１面に複数の液体貯蔵槽（２０２）の開口部を有し、第１面と対向する第２面に複数のノズル口（１０４）を有し、各ノズル口（１０４）を各液体貯蔵漕（２０２）に接続する流体ライン（１０６）を有する基板（２００）を備え、
    流体ライン（１０６）の少なくとも一部は前記第１面又は第２面に形成されている開口トレンチ（１０６’，１０６”）によって構成され、このトレンチは液体が毛細管作用のみによってその中に保持される深さ及び幅を有していること、
    を特徴とするドージングヘッド。
21. 前記流体ライン（１０６）は、その流体抵抗がノズル口（１０４）によって規定される流体抵抗よりも小さい開口（２０８）を有していることを特徴とする請求項２０記載のドージングヘッド。
22. 請求項２１記載のドージングヘッドの基板（２００，２５０）に所定の断面積を有するスルーホール（２０８，２６０）を形成する方法において、
    基板（２５０）の第１面（２５２）に、所定の幅及び深さを有する第１の細長いトレンチ構造（２５４）を形成するステップと、
    基板（２５０）の第１面に対向する第２面（２５６）に、所定の幅及び深さを有する第２の細長いトレンチ構造（２５８）を、第１及び第２のトレンチ構造（２５４，２５８）が交差するように形成し、所定の断面積を有する開口（２６０）が交差位置に形成されるステップと、
    を備えたことを特徴とする方法。

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