JP4161221B2 - Dispensing device, dispensing method, and biological sample-containing solution ejection failure detection method - Google Patents

Description

本発明は蛋白質、核酸などの生体試料を固相上にスポッティングするためのディスペンシング技術に関し、特に、マイクロチップの作製に好適な改良技術に関する。   The present invention relates to a dispensing technique for spotting biological samples such as proteins and nucleic acids on a solid phase, and particularly to an improved technique suitable for producing a microchip.

バイオテクノロジー技術の進展により、ヒトゲノムが解読され、遺伝子研究は蛋白質の構造解析及び機能解析の段階へ移行している。例えば、医薬品の研究などにおいては、どのような蛋白質が病状にどのように関係しているのか、さらには、その働きを抑制するにはどのような薬品を開発すればよいかなど、プロテオミクスの研究が重要となりつつある。このようなプロテオミクスの研究において、各種の蛋白質を基板上にスポッティングしたプロテインチップが利用されている。同チップの作製手法として、例えば、下記特許文献１（特開平１１−１８７９００）に開示されているように、インクジェットヘッドから各種の蛋白質含有溶液を吐出し、固相上へスポッティングする手法が知られている。
特開平１１−１８７９００号公報 With the development of biotechnology, the human genome has been decoded, and genetic research has shifted to the structural and functional analysis of proteins. For example, in the research of pharmaceuticals, research on proteomics such as what kind of protein is related to the pathology and what kind of drug should be developed to suppress its action Is becoming important. In such proteomics research, protein chips in which various proteins are spotted on a substrate are used. As a method for manufacturing the chip, for example, as disclosed in the following Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-187900), a method of discharging various protein-containing solutions from an inkjet head and spotting the solution onto a solid phase is known. ing.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-187900

しかし、一般的に蛋白質溶液の粘性は高く、また、種類によってその粘性も著しく異なることから、インクジェットヘッドを用いた固相へのスポッティングでは安定した吐出特性の実現が困難となる。特に、蛋白質溶液の飛行軌跡が不安定となると、クロスコンタミネーションが起きるため、良質なプロテインチップの作製が困難となる。さらに、従来の手法では、多種類の蛋白質から成るプロテインチップを作製するには時間を要し、生産効率が良くない上に時間の経過により蛋白質が失活し、プロテインチップの信頼性が低下する問題があった。このような問題はＤＮＡマイクロアレイを作製する場合にも生じていた。   However, generally, the viscosity of a protein solution is high, and the viscosity varies greatly depending on the type. Therefore, spotting on a solid phase using an inkjet head makes it difficult to achieve stable ejection characteristics. In particular, if the flight trajectory of the protein solution becomes unstable, cross contamination occurs, making it difficult to produce a high-quality protein chip. Furthermore, in the conventional method, it takes time to produce a protein chip composed of many kinds of proteins, the production efficiency is not good, and the protein is inactivated over time, and the reliability of the protein chip is lowered. There was a problem. Such a problem has also arisen when a DNA microarray is produced.

そこで、本発明は生体試料を固相上に確実にスポッティングできるディスペンシング技術を提案することを課題とする。さらには、本発明はマイクロチップ作製の高速化を実現することを課題とする。   Thus, an object of the present invention is to propose a dispensing technique that can reliably spot a biological sample on a solid phase. Furthermore, an object of the present invention is to realize a high speed microchip fabrication.

上記の課題を解決するため、本発明のディスペンシング装置は、生体試料含有溶液を吐出するための複数の吐出手段と、前記吐出手段における溶液吐出不良の有無を判別する判別手段と、前記判別手段による吐出不良判別の結果、吐出状態が不良でない吐出手段を選択して、生体試料含有溶液の吐出制御を行う制御手段を備える。   In order to solve the above-described problems, a dispensing apparatus according to the present invention includes a plurality of ejection units for ejecting a biological sample-containing solution, a determination unit that determines whether there is a solution discharge failure in the discharge unit, and the determination unit. As a result of the discharge failure determination by the above, a control unit is provided that selects a discharge unit whose discharge state is not defective and controls discharge of the biological sample-containing solution.

かかる構成により、吐出状態の正常な吐出手段を選択して、生体試料含有溶液を吐出できるため、生体試料を固相上に確実かつ安定にスポッティングすることができる。また、多種類の生体試料を複数の吐出手段から略同時に吐出することで、マイクロチップ作製の高速化を実現できる。   With such a configuration, since a biological sample-containing solution can be discharged by selecting a normal discharge means in a discharge state, the biological sample can be spotted reliably and stably on the solid phase. In addition, by discharging a large number of biological samples from a plurality of discharge means substantially simultaneously, it is possible to increase the speed of microchip fabrication.

本発明のディスペンシング装置は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して形成された複数の個別電極を有する電極基板と、前記電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出するための吐出機構を具備する加圧室基板と、前記ノズル孔から前記溶液を吐出するために、前記振動板と前記個別電極との間に所定波形の駆動電圧パルスを印加する駆動パルス発生回路と、前記駆動電圧パルスが印加されたときの前記振動板及び個別電極間に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出回路と、前記駆動電流検出回路によって検出された検出駆動電流に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別する判別手段と、前記判別手段による吐出不良判別の結果、吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、生体試料含有溶液の吐出制御を行う制御手段を備える。   The dispensing apparatus according to the present invention has an electrode substrate having a plurality of individual electrodes formed corresponding to a plurality of pressurizing chambers filled with a biological sample-containing solution, and is opposed to the electrode substrate with a minute gap. A discharge mechanism is provided for adjusting the pressure in the pressurizing chamber by a mechanical displacement of a diaphragm that is arranged and elastically deforms by an electrostatic force corresponding to a potential difference with the individual electrode, and discharges the solution from the nozzle hole. A driving pulse generation circuit that applies a driving voltage pulse having a predetermined waveform between the diaphragm and the individual electrode in order to discharge the solution from the pressure chamber substrate, the nozzle hole, and the driving voltage pulse applied A drive current detection circuit for detecting a drive current flowing between the diaphragm and the individual electrodes at the time, and a solution discharge failure based on the detected drive current detected by the drive current detection circuit. Discriminating means for discriminating whether the result of ejection failure determination by the determination means selects the discharge mechanism discharging state is not bad, a control means for controlling the ejection of the biological sample containing solution.

本発明によれば、吐出不良に起因して振動板と個別電極間を流れる駆動電流が変化する点に着目して、当該駆動電流を検出するための手段を設けることで、各々の吐出機構の吐出不良を判別することができる。   According to the present invention, paying attention to the fact that the drive current flowing between the diaphragm and the individual electrodes changes due to a discharge failure, by providing means for detecting the drive current, A discharge failure can be determined.

好ましくは、前記判別手段は、前記検出駆動電流の電流波形に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別する。   Preferably, the determination unit determines whether or not there is a solution discharge failure based on a current waveform of the detection drive current.

吐出状態が正常な場合と異常な場合とでは、検出駆動電流の波形が異なるため、両者の波形の相違を検出することで、吐出不良を判別できる。   Since the waveform of the detected drive current differs between when the ejection state is normal and when it is abnormal, it is possible to determine ejection failure by detecting the difference between the waveforms of the two.

好ましくは、前記判別手段は、前記検出駆動電流のピーク電流値に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別する。   Preferably, the determination unit determines whether or not there is a solution discharge failure based on a peak current value of the detection drive current.

吐出状態が正常な場合と異常な場合とでは、検出駆動電流のピーク電流値が異なるため、両者のピーク電流値の相違を検出することで、吐出不良を判別できる。   Since the peak current value of the detected drive current differs between when the discharge state is normal and when it is abnormal, it is possible to determine a discharge failure by detecting the difference between the two peak current values.

好ましくは、前記判別手段は、前記検出駆動電流の微分波形に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別する。   Preferably, the discriminating unit discriminates whether or not there is a solution ejection failure based on a differential waveform of the detection drive current.

検出駆動電流の微分波形を利用することで、駆動電流の変化を高感度に検出できるため、吐出不良判別の正確性を確保できる。   By using the differential waveform of the detected drive current, it is possible to detect a change in the drive current with high sensitivity, and thus it is possible to ensure the accuracy of ejection failure determination.

好ましくは、前記判別手段は、前記微分波形のピーク波形が正側に２回連続して現れるか否かにより前記判別を行う。   Preferably, the determination unit performs the determination based on whether or not the peak waveform of the differential waveform appears twice on the positive side.

吐出不良が生じている場合には、検出駆動電流の微分波形には正側にピーク波形が２回連続して現れる特性があるため、かかる特性を利用して吐出不良を判別できる。   When ejection failure has occurred, the differential waveform of the detected drive current has a characteristic in which a peak waveform appears continuously twice on the positive side. Therefore, ejection failure can be determined using such characteristics.

好ましくは、前記判別手段は、前記検出駆動電流波形の立下り時の直前において、前記微分波形に正側のピーク波形が現れるか否かにより前記判別を行う。   Preferably, the determination unit performs the determination based on whether a positive peak waveform appears in the differential waveform immediately before the detection drive current waveform falls.

吐出不良が生じている場合には、検出駆動電流波形の立下り時の直前において、前記微分波形に正側のピーク波形が現れる特性があるため、かかる特性を利用して吐出不良を判別できる。   When there is a discharge failure, since there is a characteristic that a positive peak waveform appears in the differential waveform immediately before the falling edge of the detected drive current waveform, the discharge failure can be determined using this characteristic.

好ましくは、前記駆動電流検出回路は、前記振動板が前記個別電極に向けて弾性変位する期間、或いは前記振動板が前記個別電極から離れる方向に弾性変位する期間における前記駆動電流を検出する。   Preferably, the drive current detection circuit detects the drive current during a period in which the diaphragm is elastically displaced toward the individual electrode or a period in which the diaphragm is elastically displaced in a direction away from the individual electrode.

上記の期間において、検出駆動電流の変化が大きくなるため、吐出不良の判別に好適である。   Since the change in the detection drive current increases during the above period, it is suitable for determining ejection failure.

好ましくは、前記判別手段は、前記検出駆動電流を、予め記憶されている正常駆動の際の駆動電流と比較することにより前記判別を行う。   Preferably, the determination unit performs the determination by comparing the detected drive current with a drive current stored in advance for normal driving.

吐出状態が正常な場合と異常な場合とでは、検出駆動電流の波形が異なるため、両者の波形の相違を検出することで、吐出不良を判別できる。   Since the waveform of the detected drive current differs between when the ejection state is normal and when it is abnormal, it is possible to determine ejection failure by detecting the difference between the waveforms of the two.

好ましくは、前記判別手段は、複数組の振動板及び個別電極間に駆動電圧パルスを印加したときに得られる前記検出駆動電流の合成電流と、予め記憶されている、複数組の振動板及び個別電極を正常駆動する際の駆動電流の合成電流とを比較することにより前記判別を行う。   Preferably, the discriminating means includes a combined current of the detected drive current obtained when a drive voltage pulse is applied between a plurality of sets of diaphragms and individual electrodes, and a plurality of sets of diaphragms and individual stored in advance. The determination is made by comparing the combined current of the drive currents when the electrodes are normally driven.

かかる構成により、複数の吐出機構の吐出不良を一度に判別することができる。   With this configuration, it is possible to determine ejection failures of a plurality of ejection mechanisms at a time.

本発明のディスペンシング装置は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して形成された複数の個別電極を有する電極基板と、前記電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出するための吐出機構を具備する加圧室基板と、前記振動板と前記個別電極との間になだらかな立ち上がり勾配を有する台形波形の検査パルスを印加する検査パルス出力手段と、前記検査パルスが印加されたときの前記振動板及び個別電極間に流れる過度電流を検出する電流検出回路と、前記駆動電流検出回路によって検出された検出電流に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別する判別手段と、前記判別手段による吐出不良判別の結果、吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、生体試料含有溶液の吐出制御を行う制御手段を備える。   The dispensing apparatus according to the present invention has an electrode substrate having a plurality of individual electrodes formed corresponding to a plurality of pressurizing chambers filled with a biological sample-containing solution, and is opposed to the electrode substrate with a minute gap. A discharge mechanism is provided for adjusting the pressure in the pressurizing chamber by a mechanical displacement of a diaphragm that is arranged and elastically deforms by an electrostatic force corresponding to a potential difference with the individual electrode, and discharges the solution from the nozzle hole. A pressurizing chamber substrate, inspection pulse output means for applying a trapezoidal waveform inspection pulse having a gentle rising gradient between the diaphragm and the individual electrode, the diaphragm when the inspection pulse is applied, and A current detection circuit for detecting an excessive current flowing between the individual electrodes, and a determination means for determining the presence or absence of a solution discharge failure based on the detection current detected by the drive current detection circuit , The result of ejection failure determination by the determination means selects the discharge mechanism discharging state is not bad, a control means for controlling the ejection of the biological sample containing solution.

かかる構成により、なだらかな立ち上がり勾配を有する台形波形の検査パルスを利用することで、吐出状態が正常な場合と異常な場合とで、振動板と個別電極の間を流れる過度電流の変化をより大きくできるため、吐出不良を高感度に検出することができる。   With such a configuration, by using a trapezoidal waveform inspection pulse having a gentle rising slope, the change in the excessive current flowing between the diaphragm and the individual electrode is increased between when the ejection state is normal and when it is abnormal. Therefore, ejection failure can be detected with high sensitivity.

本発明のディスペンシング装置は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して形成された複数の個別電極を有する電極基板と、前記電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出するための吐出機構を具備する加圧室基板と、前記吐出機構を動作させたときにおける前記ノズル孔からの前記溶液の吐出の有無を光学的に検出する光学検出手段と、前記光学検出手段の検出結果から、溶液吐出不良の有無を判別する判別手段と、前記判別手段による吐出不良判別の結果、吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、生体試料含有溶液の吐出制御を行う制御手段を備える。   The dispensing apparatus according to the present invention has an electrode substrate having a plurality of individual electrodes formed corresponding to a plurality of pressurizing chambers filled with a biological sample-containing solution, and is opposed to the electrode substrate with a minute gap. A discharge mechanism is provided for adjusting the pressure in the pressurizing chamber by a mechanical displacement of a diaphragm that is arranged and elastically deforms by an electrostatic force corresponding to a potential difference with the individual electrode, and discharges the solution from the nozzle hole. A pressure chamber substrate, optical detection means for optically detecting whether or not the solution is discharged from the nozzle hole when the discharge mechanism is operated, and a detection result of the optical detection means, A discriminating unit that discriminates presence / absence; and a control unit that performs ejection control of the biological sample-containing solution by selecting an ejection mechanism that is not defective as a result of ejection failure discrimination by the discrimination unit.

かかる構成により、吐出不良を光学的に検出することができる。   With such a configuration, ejection failure can be detected optically.

好ましくは、前記光学検出手段は、レーザ光源と受光センサとから構成され、前記ノズル孔から液滴として吐出された前記溶液を透過するレーザ光線の受光強度の変化から前記溶液の吐出の有無を検出する。   Preferably, the optical detection means includes a laser light source and a light receiving sensor, and detects whether or not the solution is discharged from a change in received light intensity of a laser beam that passes through the solution discharged as a droplet from the nozzle hole. To do.

かかる構成により、受光センサの受光強度を基に吐出不良を光学的に検出できる。   With such a configuration, ejection failure can be detected optically based on the light reception intensity of the light receiving sensor.

好ましくは、前記光学手段は、ＣＣＤセンサから構成され、前記ノズル孔から液滴として吐出される前記溶液を光学的に検出する。   Preferably, the optical means includes a CCD sensor, and optically detects the solution discharged as a droplet from the nozzle hole.

好ましくは、吐出不良となった吐出機構を正常な状態に回復させるための回復手段をさらに備える。このような回復手段として、生体試料含有溶液吸引手段が好適である。   Preferably, recovery means for recovering the ejection mechanism that has caused ejection failure to a normal state is further provided. As such a recovery means, a biological sample-containing solution suction means is suitable.

かかる構成により、吐出不良の原因となる生体試料の変性、凝固、加圧室内への気泡の混入などを除去することができ、正常な吐出状態へ回復できる。   With such a configuration, it is possible to remove the denaturation and coagulation of the biological sample that causes the ejection failure, the mixing of bubbles in the pressure chamber, and the like, and the normal ejection state can be recovered.

前記生体試料として、蛋白質或いは核酸を用いることで、プロテインチップ或いはＤＮＡチップなどのマイクロアレイを作製できる。   By using a protein or nucleic acid as the biological sample, a microarray such as a protein chip or a DNA chip can be produced.

本発明の生体試料含有溶液吐出不良検出方法は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して個別に形成された複数の個別電極を有する電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出する吐出機構における溶液吐出不良を検出するための方法であって、前記ノズル孔から前記溶液を吐出するために、前記振動板と前記個別電極との間に所定波形の駆動電圧パルスを印加するステップと、前記駆動電圧パルスが印加されたときの前記振動板及び個別電極間に流れる駆動電流を検出するステップと、検出された駆動電流に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別するステップを含む。   The biological sample-containing solution ejection failure detection method of the present invention provides a minute gap with respect to an electrode substrate having a plurality of individual electrodes individually formed corresponding to a plurality of pressure chambers filled with a biological sample-containing solution. Solution discharge in a discharge mechanism that discharges the solution from the nozzle hole by adjusting the pressure in the pressurizing chamber by a mechanical displacement of a diaphragm that is arranged oppositely and elastically deformed by an electrostatic force corresponding to a potential difference with the individual electrode. A method for detecting a defect, the step of applying a drive voltage pulse having a predetermined waveform between the diaphragm and the individual electrode in order to discharge the solution from the nozzle hole, and the drive voltage pulse Detecting a drive current that flows between the diaphragm and the individual electrodes when a liquid is applied, and determining whether there is a solution ejection failure based on the detected drive current No.

かかる方法により、吐出不良に起因して振動板と個別電極間を流れる駆動電流が変化する点に着目して、当該駆動電流を検出することにより、各々の吐出機構の吐出不良を判別することができる。   With this method, focusing on the fact that the drive current flowing between the diaphragm and the individual electrodes changes due to a discharge failure, it is possible to determine the discharge failure of each discharge mechanism by detecting the drive current. it can.

本発明の生体試料含有溶液吐出不良検出方法は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して個別に形成された複数の個別電極を有する電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出する吐出機構における溶液吐出不良を検出するための方法であって、前記振動板と前記個別電極との間になだらかな立ち上がり勾配を有する台形波形の検査パルスを印加するステップと、前記検査パルスが印加されたときの前記振動板及び個別電極間に流れる過度電流を検出するステップと、検出された検出電流に基づいて、溶液吐出不良の有無を判別するステップを含む。   The biological sample-containing solution ejection failure detection method of the present invention provides a minute gap with respect to an electrode substrate having a plurality of individual electrodes individually formed corresponding to a plurality of pressure chambers filled with a biological sample-containing solution. Solution discharge in a discharge mechanism that discharges the solution from the nozzle hole by adjusting the pressure in the pressurizing chamber by a mechanical displacement of a diaphragm that is arranged oppositely and elastically deformed by an electrostatic force corresponding to a potential difference with the individual electrode. A method for detecting a defect, the step of applying a trapezoidal waveform inspection pulse having a gentle rising slope between the diaphragm and the individual electrode, and the vibration when the inspection pulse is applied. A step of detecting an excessive current flowing between the plate and the individual electrode, and a step of determining the presence or absence of a solution discharge failure based on the detected current detected.

かかる方法により、なだらかな立ち上がり勾配を有する台形波形の検査パルスを利用することで、吐出状態が正常な場合と異常な場合とで、振動板と個別電極の間を流れる過度電流の変化をより大きくできるため、吐出不良を高感度に検出することができる。   By using a trapezoidal waveform inspection pulse having a gentle rising slope by such a method, the change in the excessive current flowing between the diaphragm and the individual electrode is increased between the normal state and the abnormal state. Therefore, ejection failure can be detected with high sensitivity.

本発明の生体試料含有溶液吐出不良検出方法は、生体試料含有溶液を吐出する吐出手段における溶液吐出不良を検出するための方法であって、前記吐出手段を動作させたときにおける前記溶液の吐出の有無を光学的に検出するステップと、当該検出結果から、溶液吐出不良の有無を判別するステップを含む。   The biological sample-containing solution ejection failure detection method of the present invention is a method for detecting a solution ejection failure in an ejection means for ejecting a biological sample-containing solution, wherein the solution ejection when the ejection means is operated. The method includes a step of optically detecting the presence / absence and a step of determining the presence / absence of a solution ejection failure from the detection result.

かかる方法により、吐出不良を光学的に検出することができる。   By such a method, it is possible to optically detect a discharge failure.

本発明のディスペンシング方法は、生体試料含有溶液を基板上にスポッティングする前準備として、上述した本発明の方法で吐出機構の吐出不良を判別するステップと、吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、前記溶液を基板上にスポッティングするステップを含む。   In the dispensing method of the present invention, as preparation before spotting a biological sample-containing solution on a substrate, a step of determining a discharge failure of the discharge mechanism by the method of the present invention described above, and a discharge mechanism in which the discharge state is not defective are selected. Spotting the solution on the substrate.

かかる方法により、生体試料のスポッティングの前準備として吐出不良判別を行い、吐出状態が正常な吐出機構を利用してスポッティングを行うため、生体試料を固相上に確実にスポッティングできる。   According to such a method, since a discharge failure is determined as a preparation for spotting a biological sample and spotting is performed using a discharge mechanism with a normal discharge state, the biological sample can be reliably spotted on a solid phase.

好ましくは、前記生体試料含有溶液をアレイ状にスポッティングすることでマイクロアレイを作製する。   Preferably, the microarray is produced by spotting the biological sample-containing solution in an array.

かかる方法により、クロスコンタミネーションをできるだけ抑制し、高品質なマイクロアレイを作製できる。   By such a method, it is possible to produce a high-quality microarray while suppressing cross contamination as much as possible.

好ましくは、前記生体試料として多種類の蛋白質を使用し、プロテインチップを作製する。   Preferably, a protein chip is prepared by using many kinds of proteins as the biological sample.

かかる方法により、プロテオミクスの研究に好適な高品質のプロテインチップを作製できる。   By this method, a high-quality protein chip suitable for proteomics research can be produced.

発明の実施の形態１．
図１は本実施形態におけるプロテインディスペンシング装置の構成図である。 Embodiment 1 of the Invention
FIG. 1 is a configuration diagram of a protein dispensing apparatus according to this embodiment.

同装置１００は、異種蛋白質を略同時に吐出するためのマイクロディスペンサアレイ１０と、多種類の蛋白質を高密度なアレイ状にスポッティングしたプロテインチップ２０と、プロテインチップ２０を載置するためのステージ３０と、マイクロディスペンサアレイ１０とプロテインチップ２０とを相対的に移動させ、蛋白質溶液の吐出制御を行う駆動制御装置４０と、プロテインチップ２０上への蛋白質溶液の吐出状態を光学的に検出するＣＣＤセンサ５０を備えて構成されている。   The apparatus 100 includes a microdispenser array 10 for discharging different kinds of proteins substantially simultaneously, a protein chip 20 spotted with various types of proteins in a high-density array, and a stage 30 for mounting the protein chip 20. The drive control device 40 that controls the discharge of the protein solution by relatively moving the microdispenser array 10 and the protein chip 20, and the CCD sensor 50 that optically detects the discharge state of the protein solution onto the protein chip 20. It is configured with.

図２はマイクロディスペンサアレイ１０の構成図である。   FIG. 2 is a configuration diagram of the microdispenser array 10.

同アレイ１０は、ｉ行×ｊ列の位置にマイクロディスペンサ１０ａ−ｉｊをマトリクス状に配列した構成を備えている。同図においては、５行×５列の構成を例示している。各々のマイクロディスペンサ１０ａ−ｉｊからは互いに異なる蛋白質溶液が吐出されるように構成されている。同アレイ１０の行数及び列数並びにマイクロディスペンサ１０ａ−ｉｊの総数はスポッティングする蛋白質溶液の種類、吐出量などに応じて適宜定められる。例えば、多量の吐出量を予定する蛋白質溶液に対しては、複数のマイクロディスペンサ１０ａ−ｉｊが同一種類の蛋白質溶液を含むようにマイクロディスペンサアレイ１０を構成する。同図には図示してないが、各々のマイクロディスペンサ１０ａ−ｉｊは、隣接するマイクロディスペンサ１０ａ−（ｉ±１）（ｊ±１）との相対的な位置決めをするための係止機構を備えており、所定の収納容器に収められてディスペンサ間のピッチが等間隔になるように設計されている。   The array 10 has a configuration in which microdispensers 10a-ij are arranged in a matrix at positions of i rows × j columns. In the figure, a configuration of 5 rows × 5 columns is illustrated. Each microdispenser 10a-ij is configured to discharge different protein solutions. The number of rows and columns of the array 10 and the total number of microdispensers 10a-ij are appropriately determined according to the type of protein solution to be spotted, the discharge amount, and the like. For example, the microdispenser array 10 is configured so that a plurality of microdispensers 10a-ij contain the same type of protein solution for a protein solution that is expected to have a large discharge amount. Although not shown in the figure, each microdispenser 10a-ij includes a locking mechanism for relative positioning with the adjacent microdispenser 10a- (i ± 1) (j ± 1). It is designed to be stored in a predetermined storage container so that the pitch between the dispensers is equal.

図３はマイクロディスペンサ１０ａの構成図、図４は同ディスペンサ１０ａの分解斜視図である。説明の便宜上、一部透視図としている。   3 is a configuration diagram of the micro-dispenser 10a, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the dispenser 10a. For convenience of explanation, a partial perspective view is shown.

マイクロディスペンサ１０ａは、蓋１１と、ヘッドチップ１２と、タンク１３と、ケース１４とを備えて構成されている。蓋１１には蛋白質溶液を吐出させるための開口部１１２を具備する吐出口１１１が形成されている。ヘッドチップ１２は静電駆動タイプのヘッド構造を備えた積層基板構造体であり、タンク１３の中空部１３１内に貯蔵された蛋白質含有溶液を吐出するように構成されている。中空部１３１の容積は、例えば、１ｍｌである。蛋白質含有溶液を安定に吐出するには、中空部１３１内に充填される溶液の粘度は１ｍＮｓ／ｍ²〜２０ｍＮｓ／ｍ²、表面張力３０ｍＮ／ｍ〜５０ｍＮ／ｍとなる範囲が望ましい。ケース１４は中空部１４１内にヘッドチップ１２及びタンク１４を収容し、さらに中空部１４１の開口部を塞ぐように蓋１１が接着される。 The microdispenser 10 a includes a lid 11, a head chip 12, a tank 13, and a case 14. The lid 11 is formed with a discharge port 111 having an opening 112 for discharging the protein solution. The head chip 12 is a laminated substrate structure having an electrostatic drive type head structure, and is configured to discharge a protein-containing solution stored in the hollow portion 131 of the tank 13. The volume of the hollow part 131 is, for example, 1 ml. In order to stably discharge the protein-containing solution, it is desirable that the viscosity of the solution filled in the hollow part 131 is 1 mNs / m ^{2 to 20} mNs / m ² and the surface tension is 30 mN / m to 50 mN / m. The case 14 accommodates the head chip 12 and the tank 14 in the hollow portion 141, and the lid 11 is bonded so as to close the opening of the hollow portion 141.

蓋１１及びケース１４の構成素材としては、成型し易く適度の強度を備え、蛋白質含有溶液に対する耐食性のある材料であれば、特に限定されるものではないが、例えば、ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂、或いはガラス材料などが好適である。また、タンク１３の構成素材としては、充填する溶液に対する耐食性及び充填液に適度な内圧を加えてヘッドチップ１２に溶液を供給するための適度な弾力性を備えた材料であれば、特に限定されるものではないが、例えば、ブチルゴムなどが好適である。ヘッドチップ１２に対して安定した液供給を行うには、溶液を大気圧よりも小さな圧力（負圧）下で中空部１３１内に格納しなければならないが、ブチルゴムでタンク１３を構成すれば、液体や水蒸気の透過性が低いので、タンク内外へ気体や水蒸気が侵入したり液体が流出したりすることを防ぎつつ、所定の圧力条件を満たすことができる。また、タンク１３の構成素材として、収容する蛋白質を変性させたりする可能性があるものを予め除去することが好ましい。   The constituent material of the lid 11 and the case 14 is not particularly limited as long as it is a material that is easy to mold and has an appropriate strength and is corrosion resistant to the protein-containing solution. For example, synthetic resin such as polyvinyl chloride Or a glass material etc. are suitable. The constituent material of the tank 13 is not particularly limited as long as it is a material having corrosion resistance to the solution to be filled and appropriate elasticity for supplying the solution to the head chip 12 by applying an appropriate internal pressure to the filling solution. Although not intended, for example, butyl rubber is preferred. In order to perform stable liquid supply to the head chip 12, the solution must be stored in the hollow portion 131 under a pressure (negative pressure) smaller than atmospheric pressure, but if the tank 13 is composed of butyl rubber, Since the permeability of liquid and water vapor is low, a predetermined pressure condition can be satisfied while preventing gas or water vapor from entering or leaving the tank or liquid from flowing out. Moreover, it is preferable to remove beforehand the constituent material of the tank 13 that may denature the protein to be contained.

尚、同図に図示してないが、タンク１３には蛋白質含有溶液を充填するための充填口及びヘッドチップ１２への溶液の供給口以外を密封するためのパッキンを備えて密封処理が施されている。このように溶液の充填口を封止し、マイクロディスペンサ１０ａを使い捨て構造とすることで、他の生体分子とのクロスコンタミネーションを効果的に防止することができる。   Although not shown in the figure, the tank 13 is provided with a sealing port for sealing a portion other than the filling port for filling the protein-containing solution and the solution supply port for the head chip 12. ing. By thus sealing the solution filling port and making the microdispenser 10a a disposable structure, it is possible to effectively prevent cross-contamination with other biomolecules.

図５はヘッドチップ１２の分解斜視図、図６は図５におけるＡ−Ａ線断面図である。   5 is an exploded perspective view of the head chip 12, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

ヘッドチップ１２は加圧室基板２１０の表面及び裏面のそれぞれを電極基板２２０及び上部基板２３０により肉厚方向に挟持する方向に積層した構造を備えている。加圧室基板２１０はノズル２１１と、ノズル溝２１２と、加圧室２１３と、供給溝２１４と、リザーバ２１５を含む流路構造を備えて構成されており、シリコン基板を所定のパターンに凹陥状に食刻形成することにより得られる。加圧室基板２１０として用いられるシリコン基板としては、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、ＳＯＩ基板のいずれでもよい。シリコン基板の面方位を（１１０）とすると、水酸化カリウム水溶液で異方性エッチングすると、断面舟型の加圧室２１３及びリザーバ２１５が形成される。加圧室基板２１０は、図６に示すように、シリコン基板２１６の表面を熱酸化法、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、ゾル・ゲル法、ＣＶＤ法などで成膜したシリコン酸化膜２１７で被覆した構成を成している。加圧室基板２１０の表面をシリコン酸化膜２１７で被覆することにより、蛋白質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ、抗原抗体などの生体試料との親和性を高めることができ、プロテインディスペンサヘッドとして好適である。   The head chip 12 has a structure in which the front surface and the back surface of the pressurizing chamber substrate 210 are stacked in the direction of being sandwiched between the electrode substrate 220 and the upper substrate 230 in the thickness direction. The pressurizing chamber substrate 210 has a flow path structure including a nozzle 211, a nozzle groove 212, a pressurizing chamber 213, a supply groove 214, and a reservoir 215, and the silicon substrate is recessed in a predetermined pattern. It is obtained by etching. The silicon substrate used as the pressurizing chamber substrate 210 may be any of a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, and an SOI substrate. When the plane orientation of the silicon substrate is (110), when the anisotropic etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution, a cross-section boat-shaped pressurizing chamber 213 and a reservoir 215 are formed. As shown in FIG. 6, the pressure chamber substrate 210 is a silicon oxide film formed on the surface of the silicon substrate 216 by a thermal oxidation method, a sputtering method, a vapor deposition method, an ion plating method, a sol-gel method, a CVD method, or the like. The structure covered with 217 is formed. By covering the surface of the pressurizing chamber substrate 210 with the silicon oxide film 217, affinity with biological samples such as protein, DNA, RNA, PNA, and antigen-antibody can be increased, which is suitable as a protein dispenser head.

ノズルピッチの好ましい距離は、蛋白質溶液とノズルヘッドとの接触角や、蛋白質溶液の表面張力などによって著しく異なるが、クロスコンタミネーションが生じにくい間隔であれば特に限定されるものではなく、例えば、０．５ｍｍ程度が好ましい。また、図５に示す例では、１チップあたり３ノズル系統の流路構造を採用する場合を例示しているが、これに限られるものではなく、圧力室基板２１０の面積や、蛋白質溶液の物性的特性（粘度、表面張力、接触角）などを基に最適な流路構造を決定すればよい。   The preferred distance of the nozzle pitch is remarkably different depending on the contact angle between the protein solution and the nozzle head, the surface tension of the protein solution, etc., but is not particularly limited as long as it is an interval at which cross-contamination is unlikely to occur. About 5 mm is preferable. Further, in the example shown in FIG. 5, the case of adopting a three-nozzle channel structure per chip is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the area of the pressure chamber substrate 210 and the physical properties of the protein solution are illustrated. What is necessary is just to determine the optimal flow-path structure based on physical characteristics (viscosity, surface tension, contact angle), etc.

電極基板２２０は、静電駆動タイプのヘッド構造において、電圧を印加するための個別電極（対向電極）２２２を収納するための基板であり、硼珪酸硝子基板などから構成される。硼珪酸硝子基板によれば、アルカリイオンを多く含み、熱膨張係数がシリコン基板とほぼ一致するため、加圧室基板２１０との陽極接合に好適である。陽極接合によれば、接着剤を使用しないため、生体試料に対して衛生的な接合を得ることが可能となる。また、加圧室基板２１０に貼り合わされた場合に、各々の加圧室２１３に対応する位置に凹部２２１が形成されている。各々の凹部２２１の底面には導電薄膜から成る個別電極２２２が成膜されており、配線２２３を通じて電源２４０に導通している。個別電極２２２として、例えば、スパッタ法で０．１μｍ程度の膜厚に成膜したＩＴＯなどが好適である。個別電極２２２と加圧室基板２１０間の微小ギャップは、静電駆動により溶液吐出が可能となる距離に選定することが好ましく、例えば、０．２μｍ程度が好適である。   The electrode substrate 220 is a substrate for housing an individual electrode (counter electrode) 222 for applying a voltage in an electrostatic drive type head structure, and is composed of a borosilicate glass substrate or the like. The borosilicate glass substrate is suitable for anodic bonding with the pressurizing chamber substrate 210 because it contains a large amount of alkali ions and has a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the silicon substrate. According to anodic bonding, since no adhesive is used, it is possible to obtain a hygienic bonding to a biological sample. In addition, when bonded to the pressurizing chamber substrate 210, a recess 221 is formed at a position corresponding to each pressurizing chamber 213. An individual electrode 222 made of a conductive thin film is formed on the bottom surface of each recess 221, and is electrically connected to the power supply 240 through the wiring 223. As the individual electrode 222, for example, ITO formed to a thickness of about 0.1 μm by sputtering is suitable. The minute gap between the individual electrode 222 and the pressurizing chamber substrate 210 is preferably selected to be a distance at which the solution can be discharged by electrostatic driving, and is preferably about 0.2 μm, for example.

共通電極として機能する加圧室基板２１０と、個々の個別電極２２２間に振幅０Ｖから３５Ｖの矩形波を印加すると、加圧室２１３の底面と個別電極２２２間に静電力が作用し、加圧室２１３の底面が凹部２２１側にわずかに撓み、弾性変形を起こす。このとき、加圧室２１３の底面は振動板２１８として機能する。次いで、矩形波の振幅を０Ｖにすると、静電力は解除され、振動板２１８の撓みは元に復元し、加圧室２１３内の圧力を瞬間的に高める。すると、ノズル２１１から蛋白質含有溶液が吐出される。加圧室２１３内に変形した振動板２１８はその反発力により再度、凹部２２１側に撓み、リザーバ２１５から加圧室２１３内へ１発分の蛋白質溶液が補給される。   When a rectangular wave having an amplitude of 0 V to 35 V is applied between the pressurizing chamber substrate 210 functioning as a common electrode and each individual electrode 222, an electrostatic force acts between the bottom surface of the pressurizing chamber 213 and the individual electrode 222, and pressurization is performed. The bottom surface of the chamber 213 is slightly bent toward the concave portion 221 to cause elastic deformation. At this time, the bottom surface of the pressurizing chamber 213 functions as the diaphragm 218. Next, when the amplitude of the rectangular wave is set to 0 V, the electrostatic force is released, the bending of the diaphragm 218 is restored to the original, and the pressure in the pressurizing chamber 213 is instantaneously increased. Then, the protein-containing solution is discharged from the nozzle 211. The diaphragm 218 deformed into the pressurizing chamber 213 is bent again toward the concave portion 221 by the repulsive force, and one protein solution is supplied from the reservoir 215 into the pressurizing chamber 213.

尚、上部基板２３０の構成素材としては、一定の剛性、蛋白質含有溶液に対する腐食性、コスト、視認性などを考慮すると、硼珪酸硝子などの硝子基板が好適である。   As a constituent material of the upper substrate 230, a glass substrate such as borosilicate glass is preferable in consideration of a certain rigidity, corrosiveness to a protein-containing solution, cost, visibility, and the like.

本実施形態においては、プロテインチップ２０を作製する前準備として、マイクロディスペンサアレイ１０を駆動し、ダミー領域２２に蛋白質溶液の試し打ちを試みることで、吐出状態が良好なノズル２１１を選択する。そのために、図１１に示すように、プロテインチップ２０を作製するための基板２１上に試し打ち用のダミー領域２２を設ける。溶液の吐出状態の良否を判別する手法としては、各種の手法が考えられるが、本実施形態においては、ヘッドチップ１２の蛋白質溶液吐出の際の駆動電流波形を基にして判別する。吐出状態が良好なノズル２１１が選定されたならば、当該選定されたノズル２１１から基板２１に蛋白質溶液を吐出してプロテインチップ２０を作製する。   In this embodiment, as a preparation for producing the protein chip 20, the microdispenser array 10 is driven, and a test 211 of the protein solution is tried in the dummy region 22 to select the nozzle 211 with a good discharge state. For this purpose, as shown in FIG. 11, a dummy area 22 for trial placement is provided on a substrate 21 for producing the protein chip 20. Various methods are conceivable as a method for determining the quality of the solution discharge state. In this embodiment, the determination is made based on the drive current waveform when the head chip 12 discharges the protein solution. When the nozzle 211 having a good discharge state is selected, the protein solution is discharged from the selected nozzle 211 onto the substrate 21 to produce the protein chip 20.

図７はヘッドチップ１２を駆動制御するための駆動制御回路の構成図である。   FIG. 7 is a configuration diagram of a drive control circuit for driving and controlling the head chip 12.

同制御回路は、ＣＰＵ３０３を中心に構成された制御部３０１と、ヘッドチップ１２を中心に構成された回路基板３０２を主要構成として備えている。制御部３０１はＣＰＵ３０３と、ＲＡＭ３０４と、ＲＯＭ３０５と、論理ゲートアレイ３０６と、駆動パルス発生回路３０７と、駆動電流検出回路３０８と、入出力インターフェース３０９と、ノズル不良判断回路３１０とを備えて構成されている。回路基板３０２は、コネクタ３１２と、ヘッドドライバＩＣ３１３と、ヘッドチップ１２とを備えて構成されている。   The control circuit includes, as main components, a control unit 301 configured with a CPU 303 as a center and a circuit board 302 configured with a head chip 12 as a center. The control unit 301 includes a CPU 303, a RAM 304, a ROM 305, a logic gate array 306, a drive pulse generation circuit 307, a drive current detection circuit 308, an input / output interface 309, and a nozzle failure determination circuit 310. ing. The circuit board 302 includes a connector 312, a head driver IC 313, and a head chip 12.

ＣＰＵ３０３は駆動制御装置４０からバス経由で出力されるヘッド駆動情報を受信すると、ＲＡＭ３０４をワークエリアとして使用し、ＲＯＭ３０５に格納されているプログラムに従って、ヘッドチップ１２の駆動用制御信号を生成する。当該駆動用制御信号は論理ゲートアレイ３０６及び駆動パルス発生回路３０７を介して、ヘッド駆動情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ３１２を経由してヘッドドライバＩＣ３１３に供給される。また、ヘッドドライバＩＣ３１３には、図９に示すように、基準駆動電圧パルス信号ＶＳと、制御信号ＬＰと、極性反転制御信号ＲＥＶとが各々供給される。これらの各信号は駆動パルス発生回路３０７及び論理ゲートアレイ３０６で生成される。   When the CPU 303 receives the head drive information output from the drive control device 40 via the bus, the CPU 303 uses the RAM 304 as a work area, and generates a drive control signal for the head chip 12 according to a program stored in the ROM 305. The drive control signal becomes a drive control signal corresponding to the head drive information via the logic gate array 306 and the drive pulse generation circuit 307 and is supplied to the head driver IC 313 via the connector 312. Further, as shown in FIG. 9, the reference driver voltage pulse signal VS, the control signal LP, and the polarity inversion control signal REV are supplied to the head driver IC 313, respectively. Each of these signals is generated by a drive pulse generation circuit 307 and a logic gate array 306.

ヘッドドライバＩＣ３１３では、上記の各信号及び電源回路３１４から供給される駆動電圧Ｖ_Pに基づき、共通電極（加圧室基板２１０）に印加すべき駆動電圧パルス信号をその出力端子ＣＯＭから出力し、各々の加圧室２１３内に設けられた個別電極２２２に印加すべき駆動電圧を出力端子ＳＥＧから出力する。ＣＯＭ出力とＳＥＧ出力の差（ＣＯＭ−ＳＥＧ電位差出力）が駆動電圧となって、各々の加圧室２１３に設けられた振動板２１８を弾性変形させ、加圧室２１３の内圧を加減する。溶液吐出時には、ＣＯＭ出力とＳＥＧ出力に所定の電位差を与えることで、蛋白質溶液を吐出させる一方で、溶液非吐出時には、ＣＯＭ出力とＳＥＧ出力を同一波形とすることで、電位差を０Ｖとしている。 The head driver IC 313 outputs a drive voltage pulse signal to be applied to the common electrode (pressurization chamber substrate 210) from its output terminal COM based on the above signals and the drive voltage V _P supplied from the power supply circuit 314. A drive voltage to be applied to the individual electrode 222 provided in each pressurizing chamber 213 is output from the output terminal SEG. A difference between the COM output and the SEG output (COM-SEG potential difference output) becomes a drive voltage, elastically deforms the diaphragm 218 provided in each pressurizing chamber 213, and adjusts the internal pressure of the pressurizing chamber 213. When discharging the solution, a predetermined potential difference is given to the COM output and the SEG output to discharge the protein solution. When the solution is not discharged, the COM output and the SEG output have the same waveform, so that the potential difference is set to 0V.

図９は、基準駆動電圧パルス信号ＶＳと、制御信号ＬＰと、極性反転制御信号ＲＥＶと、ＣＯＭ出力と、ＳＥＧ出力と、ＣＯＭ−ＳＥＧ電位差出力の各々の電圧波形を示している。同図に示す例では、２ショット（２回吐出）で１スポットを形成する場合を想定している。極性反転信号ＲＥＶは、連続する２ショットのためにＳＥＧ出力を反転させるための信号である。このように、ヘッドチップ１２を交流駆動することによって、個別電極２２２と共通電極間の残留電荷の蓄積に伴う静電気力の変動を抑制し、良好な吐出特性を確保できる。   FIG. 9 shows voltage waveforms of the reference drive voltage pulse signal VS, the control signal LP, the polarity inversion control signal REV, the COM output, the SEG output, and the COM-SEG potential difference output. In the example shown in the figure, it is assumed that one spot is formed by two shots (two discharges). The polarity inversion signal REV is a signal for inverting the SEG output for two consecutive shots. In this way, by driving the head chip 12 with alternating current, fluctuations in electrostatic force due to accumulation of residual charges between the individual electrodes 222 and the common electrode can be suppressed, and good ejection characteristics can be ensured.

図１０は２ショットで１スポットを形成するときの基準駆動電圧パルス信号ＶＳの電圧波形を示している。同図に示すように、基準駆動電圧パルス信号ＶＳの電圧波形の１周期分がＰｗｉａであり、一定の勾配で立ち上がる充電部分のパルス幅がＰｗｃａ１，Ｐｗｃａ２であり、立ち上がり後に一定電圧に保持された後における充電部分よりも急峻な勾配で立ち下がる放電部分のパルス幅がＰｗｄａ１，Ｐｗｄａ２であり、充電部分の開始時点から放電部分の開始時点までのパルス幅がＰｗａ１，Ｐｗａ２となっている。   FIG. 10 shows a voltage waveform of the reference drive voltage pulse signal VS when one spot is formed by two shots. As shown in the figure, one cycle of the voltage waveform of the reference drive voltage pulse signal VS is Pwia, and the pulse width of the charged portion rising at a constant gradient is Pwca1 and Pwca2, and held at a constant voltage after the rise. The pulse widths of the discharge portion falling at a steeper slope than the later charged portion are Pwda1 and Pwda2, and the pulse widths from the start time of the charged portion to the start time of the discharged portion are Pwa1 and Pwa2.

ここで、図７に戻って説明を続けると、制御部３０１は、基準駆動電圧パルス信号ＶＳの信号供給線３１１を流れる駆動電流Ｉを検出するための駆動電流検出回路３０８を備えている。駆動電流検出回路３０８は個別電極２２２と共通電極間に流れる駆動電流を検出すると、検出駆動電流の値をノズル不良判断回路３１０に供給する。ノズル不良判断回路３１０は検出駆動電流に基づいて、各ノズル２１１に溶液吐出不良が生じているか否かを判別する。   Here, returning to FIG. 7, the control unit 301 includes a drive current detection circuit 308 for detecting the drive current I flowing through the signal supply line 311 of the reference drive voltage pulse signal VS. When the drive current detection circuit 308 detects the drive current flowing between the individual electrode 222 and the common electrode, the drive current detection circuit 308 supplies the value of the detected drive current to the nozzle defect determination circuit 310. The nozzle failure determination circuit 310 determines whether or not a solution discharge failure has occurred in each nozzle 211 based on the detected drive current.

図８は基準駆動電圧パルス信号ＶＳを１パルス分印加したときに検出される駆動電流Ｉの波形を示している。より詳細には、同図（ａ）では、ヘッドチップ１２が計１２８個のノズル２１１を備えているとした場合において、全てのノズル２１１を駆動しないときに検出される駆動電流波形をＩ₀として表示し、全てのノズル２１１を駆動した場合において、全てのノズル２１１から正常に蛋白質溶液の吐出が行われたときに検出される駆動電流波形をＩ（１２８）として表示し、全てのノズル２１１を駆動した場合において、全てのノズル２１１から蛋白質溶液の吐出が行われなかったときに検出される駆動電流波形をＩ（０）として表示している。同図（ｃ）は１パルス分の基準駆動電圧パルス信号ＶＳの電圧波形である。 FIG. 8 shows the waveform of the drive current I detected when one pulse of the reference drive voltage pulse signal VS is applied. More specifically, in FIG. 4A, when the head chip 12 includes a total of 128 nozzles 211, the drive current waveform detected when not driving all the nozzles 211 is I _0. When all the nozzles 211 are driven, the drive current waveform detected when the protein solution is normally discharged from all the nozzles 211 is displayed as I (128). In the case of driving, the drive current waveform detected when the protein solution is not discharged from all the nozzles 211 is displayed as I (0). FIG. 4C shows a voltage waveform of the reference drive voltage pulse signal VS for one pulse.

これらの駆動電流波形Ｉ₀、Ｉ（１２８）、及びＩ（０）を比較してわかるように、ノズル２１１から蛋白質溶液が吐出されないときに検出される駆動電流波形Ｉ（０）は、ノズル２１１を駆動しないときに検出される駆動電流波形Ｉ₀、及び全てのノズル２１１から正常に溶液吐出が行われたときに検出される駆動電流波形Ｉ（１２８）の何れとも異なる。また、駆動電流波形Ｉ（０）は駆動電流波形Ｉ（１２８）よりもピーク波形部分のピーク電流値の絶対値が大きい。この点を詳細に説明すると、駆動電流波形Ｉのピークは、基準駆動電圧パルス信号ＶＳの立ち上がり終了時点の近傍及びその立下り終了時点の近傍において現れる。つまり、個別電極２２２と共通電極の間に基準駆動電圧パルス信号ＶＳを印加すると、これらの間に生じる静電吸引力により振動板２１８が弾性変形を開始して個別電極２２２に吸引され、その表面に吸着される。これら振動板２１８及び個別電極２２２間の静電容量は両者のギャップに反比例して変化し、駆動電流Ｉは静電容量の時間変化率に比例して変化する。従って、基準駆動電圧パルス信号ＶＳの立ち上がり時には急激に静電容量が減少するので、これに伴って駆動電流Ｉは正方向に立ち上がる。これとは逆に、基準駆動電圧パルス信号ＶＳの立ち下がり時には、静電吸引力が減少して、個別電極２２２に吸着している振動板２１８が弾性復元力により個別電極２２２から開放される。よって駆動電流Ｉは負方向に立ち下がる。 As can be seen by comparing these drive current waveforms I ₀ , I (128), and I (0), the drive current waveform I (0) that is detected when the protein solution is not discharged from the nozzle 211 is the nozzle 211 This is different from the drive current waveform I ₀ detected when not driving and the drive current waveform I (128) detected when the solution is normally discharged from all the nozzles 211. Further, the absolute value of the peak current value in the peak waveform portion of the drive current waveform I (0) is larger than that of the drive current waveform I (128). Explaining this point in detail, the peak of the driving current waveform I appears in the vicinity of the rising end time of the reference driving voltage pulse signal VS and in the vicinity of the falling end time thereof. That is, when the reference drive voltage pulse signal VS is applied between the individual electrode 222 and the common electrode, the diaphragm 218 starts to be elastically deformed by the electrostatic attraction force generated therebetween, and is attracted to the individual electrode 222, and the surface thereof To be adsorbed. The capacitance between the diaphragm 218 and the individual electrode 222 changes in inverse proportion to the gap between the two, and the drive current I changes in proportion to the rate of change in capacitance with time. Accordingly, since the electrostatic capacitance decreases rapidly when the reference drive voltage pulse signal VS rises, the drive current I rises in the positive direction accordingly. On the contrary, when the reference drive voltage pulse signal VS falls, the electrostatic attractive force decreases, and the diaphragm 218 adsorbed to the individual electrode 222 is released from the individual electrode 222 by the elastic restoring force. Therefore, the drive current I falls in the negative direction.

ここで、タンク１３内に気泡が混入して溶液吐出不良、或いは溶液吐出不能となっている場合には、中空部１３１内の蛋白質溶液の充填率が低いので、その分、振動板２１８の振動速度が高まる。その結果、静電容量の変化率が大きくなる。よって、駆動電流Ｉには、図８（ａ）における駆動電流波形Ｉ（０）のように、振動板２１８が個別電極２２２に吸着される時点及び個別電極２２２から開放される時点において、ピーク波形Ｉａ及びＩｂが現れ、これらは駆動電流波形Ｉ（１２８）の対応するピーク波形部分と比較すると、より急峻な波形となるとともに、ピーク電流値の絶対値も大きく異なる。ノズル不良判断回路３１０では、上述した駆動電流波形の特性変化に着目し、溶液吐出不良の有無を判断している。   Here, when bubbles are mixed in the tank 13 and the solution discharge is poor or the solution cannot be discharged, the filling rate of the protein solution in the hollow portion 131 is low, and accordingly, the vibration of the diaphragm 218 is reduced accordingly. Increases speed. As a result, the rate of change of capacitance increases. Therefore, the drive current I has a peak waveform at the time when the diaphragm 218 is attracted to and released from the individual electrode 222 as in the drive current waveform I (0) in FIG. Ia and Ib appear, and when compared with the corresponding peak waveform portion of the drive current waveform I (128), the waveform becomes steeper and the absolute value of the peak current value is greatly different. The nozzle failure determination circuit 310 determines whether or not there is a solution discharge failure by paying attention to the characteristic change of the drive current waveform described above.

尚、図８においては、正常な溶液吐出が行われるときの駆動電流の波形と、溶液吐出が不良であるときの駆動電流の波形の相違を比較するため、駆動電流波形Ｉ（１２８）と、駆動電流波形Ｉ（０）とを示したが、両者の関係は、１個の正常なノズルから得られる駆動電流波形と、１個の不良ノズルから得られる駆動電流波形との間にも、変動値は少ないものの、同様に当てはまることが確認された。さらに、タンク１３内への気泡の混入だけでなく、蛋白質の変性や凝固などに起因して溶液吐出が不良となる場合にも、駆動電流波形の特性変化を検出することで、溶液吐出不良の有無を判断することができる。   In FIG. 8, in order to compare the difference between the waveform of the drive current when normal solution discharge is performed and the waveform of the drive current when solution discharge is defective, the drive current waveform I (128) The drive current waveform I (0) is shown, but the relationship between the two also fluctuates between the drive current waveform obtained from one normal nozzle and the drive current waveform obtained from one defective nozzle. Although the value is small, it was confirmed that the same applies. Further, not only when bubbles are mixed into the tank 13, but also when the solution discharge becomes defective due to protein denaturation or coagulation, the change in drive current waveform characteristics is detected, thereby preventing the solution discharge failure. The presence or absence can be determined.

溶液吐出不良の具体的な判別手法として、各種の手法が考えられるが、例えば、正常に溶液吐出できるノズルの駆動電流のピーク波形を予めメモリに記憶しておき、当該ピーク波形と、検出駆動電流Ｉのピーク波形とを比較し、両者の差が予め定められた閾値を超えた場合に、溶液吐出不良と判断できる。比較するピーク波形部分は、正側のピーク波形Ｉａと負側のピーク波形Ｉｂの何れでもよい。さらに、このような判別手法では、複数のノズルに順次に駆動電圧パルスを印加しながら、個別に吐出不良の有無を判別してもよく、同時に全てのノズルに駆動電圧パルスを印加した場合に得られる駆動電流を合成した合成波形を、予めメモリに記憶されている正常なノズルを同時に駆動した場合に得られる駆動電流を合成した合成波形と比較し、両者の差が予め定められた閾値を超えた場合に、吐出不良と判断するように構成してもよい。   Various methods are conceivable as specific methods for determining a solution discharge failure. For example, a peak waveform of a nozzle drive current that can normally discharge a solution is stored in a memory in advance, and the peak waveform and the detected drive current are stored. The peak waveform of I is compared, and when the difference between the two exceeds a predetermined threshold value, it can be determined that the solution discharge is defective. The peak waveform portion to be compared may be either the positive peak waveform Ia or the negative peak waveform Ib. Further, with such a discrimination method, it may be possible to individually determine the presence or absence of ejection failure while sequentially applying drive voltage pulses to a plurality of nozzles, which is obtained when drive voltage pulses are simultaneously applied to all nozzles. Compared with the combined waveform that combines the drive current obtained when driving the normal nozzles stored in the memory at the same time, the difference between the two exceeds the predetermined threshold In such a case, it may be determined that the discharge is defective.

他の判別手法として、検出駆動電流波形Ｉを微分処理することにより得られる微分波形に現れるピーク波形に基づいて吐出不良を判別することもできる。図８（ｂ）は、Ｉ（１２８）及びＩ（０）の駆動電流波形を微分処理した微分波形Ｄ（１２８）及びＤ（０）を示している。微分波形Ｄ（１２８）では、Ｉ（１２８）の電流波形の立ち上がり時と立ち下り時において、正側のピーク波形ｄ１及び負側のピーク波形ｄ２が現れる。これに対して、微分波形Ｄ（０）では、Ｉ（０）の電流波形が最初に立ち上がった後に、再度、同一方向に立ち上がってピーク波形が現れるので、正側のピーク波形ｄａ，ｄｂが連続して現われ、その直後に負側のピーク波形ｄｃが現れる。このような微分波形の特性の相違から、連続して正側にピーク波形が現れるか否かに基づき、吐出不良の有無を判別できる。或いは、検出駆動電流波形Ｉの立下り時の直前において、微分波形に正側のピーク波形が得られるか否かで吐出不良を判別できる。   As another discrimination method, ejection failure can be discriminated based on a peak waveform appearing in a differential waveform obtained by differentiating the detected drive current waveform I. FIG. 8B shows differentiated waveforms D (128) and D (0) obtained by differentiating the drive current waveforms of I (128) and I (0). In the differential waveform D (128), a positive peak waveform d1 and a negative peak waveform d2 appear when the current waveform of I (128) rises and falls. On the other hand, in the differential waveform D (0), since the current waveform of I (0) first rises and then rises in the same direction again, the peak waveform appears, so that the positive-side peak waveforms da and db are continuous. And a negative peak waveform dc appears immediately after that. From such a difference in the characteristics of the differential waveform, it is possible to determine the presence or absence of ejection failure based on whether or not a peak waveform continuously appears on the positive side. Alternatively, immediately before the detection drive current waveform I falls, the ejection failure can be determined by whether or not a positive peak waveform is obtained in the differential waveform.

微分波形に基づく吐出不良の判別手法は、検出駆動電流波形Ｉのピーク電流波形若しくはピーク電流値に基づく判別手法と比較して感度が高いという利点がある。また、この場合においても、吐出不良の判断は、各々のノズルに対して順番に駆動電圧パルスを印加しながら個別に吐出不良を判別してもよく、さらに、同時に全てのノズルに駆動電圧パルスを印加した場合に得られる駆動電流を合成した合成波形を微分することにより得られる微分波形に基づき判別してもよい。   The discharge failure determination method based on the differential waveform has an advantage of higher sensitivity than the determination method based on the peak current waveform or the peak current value of the detected drive current waveform I. Also in this case, the discharge failure may be determined by individually applying the drive voltage pulse to each nozzle in order, and the drive voltage pulse may be simultaneously applied to all the nozzles. You may discriminate | determine based on the differential waveform obtained by differentiating the synthetic | combination waveform which synthesize | combined the drive current obtained when it applies.

尚、吐出不良の有無を判別するには、ヘッドチップ駆動用として通常用いる基準駆動電圧パルス信号ＶＳとは異なる波形の検査パルスを印加するように構成してもよい。つまり、正常状態と異常状態において検出される過度電流波形の波形差はわずかであるので、判別の感度若しくは精度を高めるには、これらの電流波形の波形差が拡大するような検査パルスを印加することが好ましい。このようにするためには、立ち上がり勾配のなだらかな台形波形を検査パルスとして印加すればよい。言い換えれば、図１０のパルス幅Ｐｗｉａを長くし、若しくは検査パルスの振幅を下げればよい。検査パルスの電圧振幅を小さくすると、加圧室２０３内に所定量以上の気泡が混入している場合には、振動板２１８が個別電極２２２に吸着されるが、気泡のない正常状態では振動板２１８が個別電極２２２に吸着された状態とならない大きさの静電力を発生させることが可能となる。このような状態を形成できる検査パルスを用いると、正常な状態における過度電流の波形と不良な状態における過度電流波の形の相違が一層明確になるので、吐出不良の有無を高感度で検出することができる。   In order to determine the presence or absence of ejection failure, a test pulse having a waveform different from that of the reference drive voltage pulse signal VS normally used for head chip drive may be applied. In other words, since the waveform difference between the transient current waveforms detected in the normal state and the abnormal state is slight, in order to increase the sensitivity or accuracy of discrimination, an inspection pulse that increases the waveform difference between these current waveforms is applied. It is preferable. In order to do this, a gentle trapezoidal waveform with a rising slope may be applied as an inspection pulse. In other words, the pulse width Pvia in FIG. 10 may be increased or the amplitude of the inspection pulse may be decreased. When the voltage amplitude of the inspection pulse is reduced, the diaphragm 218 is adsorbed to the individual electrode 222 when a predetermined amount or more of bubbles are mixed in the pressurizing chamber 203, but in a normal state without bubbles, the diaphragm It is possible to generate an electrostatic force having a magnitude that does not cause 218 to be attracted to individual electrode 222. When an inspection pulse that can form such a state is used, the difference between the waveform of the excessive current in the normal state and the shape of the excessive current wave in the defective state becomes clearer, so the presence or absence of ejection failure is detected with high sensitivity. be able to.

図７の駆動パルス発生回路３０７から５Ｖ程度の振幅プローブ電圧波形を正弦波形として出力し、該プローブ電圧波形の周波数を例えば１ｋＨｚから１００ｋＨｚへ１ｋＨｚ毎に増加させてスイープして、駆動電流検出回路３０８によりプローブ電圧波形の周波数に対する電流値を検出し、ヘッドチップ１２の振動板２１８の共振周波数を検出して、これにより液滴吐出の可否を不良ノズル判断回路３１０により判断してもよい。駆動電流検出回路３０８で電流を検出することにより、電流値が最も高くなる周波数を共振周波数として検知することが可能となる。この場合、加圧室２１３に液滴吐出不良を招く気泡が混入していた場合には、共振周波数が正常時よりも高くなり、ノズル２１１近傍において蛋白質の凝固等により吐出不良を招く場合は共振周波数が正常時よりも低くなる。例えば、共振周波数が３３ｋＨｚの例においては、２５ｋＨｚ以上、４５ｋＨｚ以下を正常吐出として、ノズル不良判断回路３１０において液滴吐出の可否を判断する。   The drive pulse generation circuit 307 in FIG. 7 outputs an amplitude probe voltage waveform of about 5 V as a sine waveform, and sweeps the probe voltage waveform by increasing the frequency of the probe voltage waveform from 1 kHz to 100 kHz, for example, every 1 kHz. Thus, the current value with respect to the frequency of the probe voltage waveform may be detected, the resonance frequency of the diaphragm 218 of the head chip 12 may be detected, and thereby the defective nozzle determination circuit 310 may determine whether or not the liquid droplets can be discharged. By detecting the current with the drive current detection circuit 308, the frequency at which the current value becomes the highest can be detected as the resonance frequency. In this case, if bubbles that cause droplet discharge failure are mixed in the pressurizing chamber 213, the resonance frequency becomes higher than normal, and resonance occurs when discharge failure is caused by coagulation of protein in the vicinity of the nozzle 211. The frequency is lower than normal. For example, in an example where the resonance frequency is 33 kHz, the nozzle failure determination circuit 310 determines whether or not droplet discharge is possible, with 25 kHz or more and 45 kHz or less being normal discharge.

これらの方法では、より検出精度を上げることが可能であり、静電容量が振動振幅により変化して電流値が大きく変動する構造の静電駆動方式に好適な検出方法を提供できる。   In these methods, the detection accuracy can be further improved, and a detection method suitable for an electrostatic drive system having a structure in which the capacitance varies with the vibration amplitude and the current value largely fluctuates can be provided.

尚、図７において、ヘッドドライバＩＣ３１３は省略してもよい。ヘッドドライバＩＣ３１３を省略すれば、直接ヘッドチップ１２に入出力される電流を検出することが可能となるので、検出精度を上げることが可能となる。   In FIG. 7, the head driver IC 313 may be omitted. If the head driver IC 313 is omitted, the current input / output directly to the head chip 12 can be detected, so that the detection accuracy can be increased.

本実施形態においては、図７の想像線で記したように、ノズルの吐出不良を回復するための機構を追加するのが好ましい。同図において、ポンプ制御回路３１５は液体吸引ポンプ３１７を作動させ、ノズルヘッドにキャッピング可能なヘッドキャップ３１６を介して吐出不良のノズル２１１から蛋白質溶液を吸引し、廃液用のタンク３１８に貯蔵する。吐出不良のノズル２１１には、加圧室２１３内に気泡が混入していたり、或いは蛋白質が変性若しくは凝固している可能性があるので、かかる吸引動作により、吐出不良を改善できる。   In the present embodiment, it is preferable to add a mechanism for recovering a nozzle ejection failure, as indicated by an imaginary line in FIG. In the figure, a pump control circuit 315 operates a liquid suction pump 317 to suck a protein solution from a nozzle 211 with poor ejection through a head cap 316 that can be capped on the nozzle head, and stores the protein solution in a waste liquid tank 318. Since there is a possibility that bubbles are mixed in the pressurizing chamber 213 or the protein is denatured or coagulated in the nozzle 211 with poor discharge, such a suction operation can improve the discharge failure.

以上、説明したように、本実施形態によれば、ノズルの駆動電流波形から吐出不良を判別し、吐出状態が良好なノズルを選択してプロテインチップを作製するため、多種類の蛋白質を安定して吐出することができ、プロテインチップの作製を高速化することができる。さらに、蛋白質溶液の吐出特性が安定することにより、液滴の飛散によるクロスコンタミネーションの発生を効果的に抑制でき、高品質のプロテインチップを作製できる。
発明の実施の形態２．
本実施形態においては、ノズルの吐出不良を判別する手法として、液滴吐出を光学的に検出する手法を採用する。図１２は液滴吐出を光学的に検出するための構成図であり、１２はヘッドチップ、２１はスポッティング用の基板、７０は蛋白質含有液滴、７１は液滴の飛行軌跡、６１はレーザ光源、６２は受光センサ、６３はレーザ光線を示している。ヘッドチップ１２からは基板２１へ向けて液滴７０が吐出される。液滴の飛行軌跡７１とレーザ光線６３が交差する位置にレーザ光源６１及び受光センサ６２を設置すれば、液滴７０がレーザ光線６３と交わるときに、受光センサ６２の検出感度が変化し、液滴７０が吐出されたことがわかる。つまり、液滴７０の吐出タイミングにおいて、受光センサ６２の検出感度が１回変化すれば、１滴の液滴７０が吐出されたことが判別できるため、ノズルの吐出不良を光学的に検出することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to discriminate ejection failure from the driving current waveform of the nozzle and select a nozzle having a good ejection state to produce a protein chip. The protein chip can be produced at high speed. Furthermore, since the discharge characteristics of the protein solution are stabilized, the occurrence of cross-contamination due to droplet scattering can be effectively suppressed, and a high-quality protein chip can be produced.
Embodiment 2 of the Invention
In the present embodiment, a method of optically detecting droplet discharge is adopted as a method of determining a discharge failure of a nozzle. FIG. 12 is a block diagram for optically detecting droplet ejection, wherein 12 is a head chip, 21 is a spotting substrate, 70 is a protein-containing droplet, 71 is a droplet flight trajectory, and 61 is a laser light source. , 62 are light receiving sensors, and 63 is a laser beam. A droplet 70 is ejected from the head chip 12 toward the substrate 21. If the laser light source 61 and the light receiving sensor 62 are installed at a position where the flight trajectory 71 of the droplet intersects with the laser beam 63, the detection sensitivity of the light receiving sensor 62 changes when the droplet 70 intersects with the laser beam 63, and the liquid It can be seen that the droplet 70 has been ejected. In other words, if the detection sensitivity of the light receiving sensor 62 changes once at the discharge timing of the droplet 70, it can be determined that one droplet 70 has been discharged. Is possible.

基板２１上にスポッティングされた蛋白質含有溶液は基板２１上に化学的に吸着することで、プロテインチップが形成される。蛋白質を含む溶媒として、基板２１上に付着させたときのスポット形状が略円形となり、かつ吐出スポットが広がることによって隣接する吐出スポット同士のクロスコンタミネーションが生じないような溶媒を用いるのが望ましい。このような溶媒として、蛋白質を変性させるものでなく、安定した吐出特性を得られるものであれば、特に限定されるものではない。安定した液滴吐出を可能ならしめるには、粘度１ｍＮｓ／ｍ²〜２０ｍＮｓ／ｍ²、表面張力３０ｍＮ／ｍ〜５０ｍＮ／ｍとなる範囲が望ましい。 The protein-containing solution spotted on the substrate 21 is chemically adsorbed on the substrate 21 to form a protein chip. As the solvent containing protein, it is desirable to use a solvent that has a substantially circular spot shape when deposited on the substrate 21 and does not cause cross-contamination between adjacent discharge spots due to the expansion of the discharge spots. Such a solvent is not particularly limited as long as it does not denature proteins and can provide stable ejection characteristics. In order to enable stable droplet discharge, it is desirable that the viscosity is 1 mNs / m ^{2 to 20} mNs / m ² and the surface tension is 30 mN / m to 50 mN / m.

但し、上記の手法において、飛行軌跡７１を予め正確に予測することは困難であるから、ヘッドチップ１２から液滴７０が吐出された場合でも、飛行軌跡７１とレーザ光線６３とが交差する位置にレーザ光源６１及び受光センサ６２を設置しなければ、吐出不良を判別できない。このような場合を想定して、レーザ光源６１及び受光センサ６２の相対的位置関係を保持したまま、両者を紙面に直交する向きに往復動させ、なるべく飛行軌跡７１とレーザ光線６３とが交差するように工夫するのが好ましい。   However, in the above method, it is difficult to accurately predict the flight trajectory 71 in advance, so even when the droplet 70 is ejected from the head chip 12, the flight trajectory 71 and the laser beam 63 intersect at a position. If the laser light source 61 and the light receiving sensor 62 are not installed, it is not possible to determine the ejection failure. Assuming such a case, while keeping the relative positional relationship between the laser light source 61 and the light receiving sensor 62, they are reciprocated in a direction orthogonal to the paper surface, and the flight trajectory 71 and the laser beam 63 intersect as much as possible. It is preferable to devise as follows.

液滴７０の吐出を光学的に検出する手段として、上述の例の他に、例えば、ダミー領域２２に液滴を試し打ちし、ＣＣＤセンサ５０（図１参照）で液滴７０の吐出の有無を検出することもできる。このようにして光学的に吐出不良の有無を判断したならば、吐出状態が良好なノズルを選択してプロテインチップを作製する。   As a means for optically detecting the discharge of the droplet 70, in addition to the above-described example, for example, a droplet is tried on the dummy region 22 and whether or not the droplet 70 is discharged by the CCD sensor 50 (see FIG. 1). Can also be detected. In this way, when it is optically determined whether or not there is a discharge failure, a nozzle with a good discharge state is selected to produce a protein chip.

尚、上記の説明においては、プロテインチップの作製を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、あらゆるマイクロチップを作製するための生体試料のディスペンシングに応用できる。例えば、ヘッドチップから一本鎖ＤＮＡを基板上に吐出し、スポットをアレイ状に形成することで、ＤＮＡマイクロアレイを作製することができる。ＤＮＡマイクロアレイを作製するには、スポッティングの対象となるＤＮＡ鎖末端にチオール基を導入しておく一方で、基板２１の表面にマレイミド基を導入しておくことで、両者の結合を介してプローブＤＮＡを安定的に固定することができる。   In the above description, the production of a protein chip has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to dispensing of a biological sample for producing any microchip. For example, a DNA microarray can be produced by discharging single-stranded DNA from a head chip onto a substrate and forming spots in an array. In order to prepare a DNA microarray, a thiol group is introduced to the end of a DNA chain to be spotted, while a maleimide group is introduced to the surface of the substrate 21 so that the probe DNA is bonded via the binding between the two. Can be stably fixed.

また、この場合においえ、プローブＤＮＡとなる一本鎖ＤＮＡとしては、ターゲットＤＮＡと相補的な塩基配列を有するもの、例えば、生体材料から抽出したＤＮＡ鎖を制限酵素で切断し、電気泳動による分解などで精製した一本鎖ＤＮＡ若しくは生化学的に合成したオリゴヌクレオチド、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）産物、cＤＮＡなどを用いることができる。一方、ターゲットＤＮＡとしては、生物材料から抽出したＤＮＡ鎖を遺伝子分解酵素若しくは超音波処理で分解したもの、又は特定のＤＮＡ鎖からＰＣＲによって増幅させた一本鎖ＤＮＡ等を用いることができる。   In this case, the single-stranded DNA used as the probe DNA is a DNA having a base sequence complementary to the target DNA, for example, a DNA strand extracted from a biological material is cleaved with a restriction enzyme and subjected to electrophoresis. Single-stranded DNA purified by degradation or the like, biochemically synthesized oligonucleotides, PCR (polymerase chain reaction) products, cDNA, and the like can be used. On the other hand, as the target DNA, a DNA strand extracted from a biological material by digestion with a gene degrading enzyme or ultrasonic treatment, a single-stranded DNA amplified by PCR from a specific DNA strand, or the like can be used.

また、溶液吐出不良を判別する手段として、光学的検出手段を用いる場合には、生体試料含有溶液吐出手段として、上述の静電駆動方式に限らず、ピエゾ素子等の電気機械変換素子に投入された電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、振動板の変位によって加圧室内に充填された溶液の内部圧力を加減し、オリフィスを通じてノズル孔から液滴を吐出するピエゾジェット方式でもよく、さらには、発熱抵抗体に投入された電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、溶液中に気泡を発生させてオリフィスを通じてノズル孔から液滴を吐出するバブルジェット（登録商標）方式でもよい。生体試料に与える影響を考慮すると、瞬間的な発熱を併有しない静電駆動方式若しくはピエゾジェット方式が好ましい。また、本発明は、プローブアレイの製造だけでなく、各ノズルから相異なる複数の試薬を固相表面上に吐出して所望の検査キット等を製造する場合にも応用できる。   Further, when an optical detection means is used as a means for discriminating a solution discharge failure, the biological sample-containing solution discharge means is not limited to the electrostatic drive system described above, but is applied to an electromechanical conversion element such as a piezo element. The piezo-jet method may be used in which the electrical energy converted into mechanical energy, the internal pressure of the solution filled in the pressurized chamber is adjusted by the displacement of the diaphragm, and droplets are ejected from the nozzle holes through the orifice. A bubble jet (registered trademark) system may be used in which electric energy input to the resistor is converted into thermal energy, bubbles are generated in the solution, and droplets are ejected from the nozzle holes through the orifices. Considering the influence on the biological sample, the electrostatic drive method or the piezo jet method that does not have instantaneous heat generation is preferable. The present invention can be applied not only to the production of a probe array, but also to the production of a desired test kit or the like by discharging a plurality of different reagents from each nozzle onto the solid surface.

本発明によれば、吐出状態の正常な吐出手段を選択して、生体試料含有溶液を吐出できるため、生体試料を固相上に確実かつ安定にスポッティングすることができる。また、多種類の生体試料を複数の吐出手段から略同時に吐出することで、マイクロチップ作製の高速化を実現できる。さらに、本発明によれば、溶液吐出不良に起因して振動板と個別電極間を流れる駆動電流が変化する点に着目して、当該駆動電流を検出するための手段を設けることで、各々の吐出機構の吐出不良を正確に判別することができる。   According to the present invention, it is possible to select a normal discharge means in a discharge state and discharge the biological sample-containing solution, so that the biological sample can be spotted reliably and stably on the solid phase. In addition, by discharging a large number of biological samples from a plurality of discharge means substantially simultaneously, it is possible to increase the speed of microchip fabrication. Furthermore, according to the present invention, paying attention to the fact that the drive current flowing between the diaphragm and the individual electrodes changes due to defective solution discharge, each means is provided by detecting means for detecting the drive current. It is possible to accurately determine the discharge failure of the discharge mechanism.

プロテインディスペンシング装置の構成図である。It is a block diagram of a protein dispensing apparatus. マイクロディスペンサアレイの構成図である。It is a block diagram of a micro dispenser array. マイクロディスペンサの構成図である。It is a block diagram of a micro dispenser. マイクロディスペンサの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a microdispenser. ヘッドチップの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of a head chip. ヘッドチップの断面図である。It is sectional drawing of a head chip. ヘッドチップの制御回路の構成図である。It is a block diagram of the control circuit of a head chip. 検出駆動電流の波形変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the waveform change of a detection drive current. ヘッドチップの各種駆動制御信号の波形図である。It is a wave form diagram of various drive control signals of a head chip. 基準駆動電圧パルス信号の波形図である。It is a wave form diagram of a reference drive voltage pulse signal. プロテインチップの説明図である。It is explanatory drawing of a protein chip. 吐出不良を光学的に検出する手段の説明図である。It is explanatory drawing of the means to optically detect discharge failure.

符号の説明Explanation of symbols

１０…マイクロディスペンサアレイ、１０ａ…マイクロディスペンサ、１１…蓋、１２…ヘッドチップ、１３…タンク、１４…ケース、２０…プロテインチップ、３０…ステージ、４０…駆動制御装置、１００…プロテインディスペンシング装置、２１０…加圧室基板、２１１…ノズル、２１２…ノズル溝、２１３…加圧室、２１４…供給溝、２１５…リザーバ、２１６…シリコン基板、２１７…シリコン酸化膜、２１８…振動板、２２０…電極基板、２２１…凹部、２２２…個別電極、２２３…配線、２３０…上部基板、２４０…電源、３０１…制御部、３０２…回路基板、３０３…ＣＰＵ、３０４…ＲＡＭ、３０５…ＲＯＭ、３０６…論理ゲートアレイ、３０７…駆動パルス発生回路、３０８…駆動電流検出回路、３０９…入出力インターフェース、３１０…ノズル不良判断回路、３１１…信号供給線、３１２…コネクタ、３１３…ヘッドドライバＩＣ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Micro dispenser array, 10a ... Micro dispenser, 11 ... Cover, 12 ... Head chip, 13 ... Tank, 14 ... Case, 20 ... Protein chip, 30 ... Stage, 40 ... Drive control apparatus, 100 ... Protein dispensing apparatus, 210 ... Pressure chamber substrate, 211 ... Nozzle, 212 ... Nozzle groove, 213 ... Pressure chamber, 214 ... Supply groove, 215 ... Reservoir, 216 ... Silicon substrate, 217 ... Silicon oxide film, 218 ... Vibration plate, 220 ... Electrode Substrate, 221 ... concave portion, 222 ... individual electrode, 223 ... wiring, 230 ... upper substrate, 240 ... power supply, 301 ... control unit, 302 ... circuit board, 303 ... CPU, 304 ... RAM, 305 ... ROM, 306 ... logic gate Array, 307, drive pulse generation circuit, 308, drive current detection circuit, 309, input / output interface Face, 310 ... nozzle failure judging circuit, 311 ... signal supply line, 312 ... connector 313 ... head driver IC

Claims (10)

生体試料含有溶液を吐出するための複数の吐出手段と、
前記吐出手段からの前記溶液の吐出の有無を光学的に検出する光学検出手段と、
前記光学検出手段の検出結果から、溶液吐出不良の有無を判別する判別手段と、
前記判別手段による吐出不良判別の結果、吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、生体試料含有溶液の吐出制御を行う制御手段を備え、
前記光学検出手段は、レーザ光源と受光センサと、さらに、前記レーザ光源及び前記受光センサの相対的位置関係を保持したまま、前記溶液の吐出面に直交する向きに往復動させる手段を有し、
前記ノズル孔から液滴として吐出された前記溶液を透過するレーザ光線の受光強度の変化から前記溶液の吐出の有無を検出する、ディスペンシング装置。 A plurality of discharge means for discharging the biological sample-containing solution;
Optical detection means for optically detecting whether or not the solution is discharged from the discharge means;
From the detection result of the optical detection means, a determination means for determining the presence or absence of a solution ejection failure;
The determination means results in ejection failure determination by, select the discharge mechanism discharging state is not bad, a control means for controlling the ejection of the biological sample solution containing,
The optical detection means has a laser light source and a light receiving sensor, and further means for reciprocating in a direction orthogonal to the solution ejection surface while maintaining the relative positional relationship between the laser light source and the light receiving sensor.
A dispensing apparatus that detects the presence or absence of ejection of the solution from a change in received light intensity of a laser beam that passes through the solution ejected as droplets from the nozzle hole . 前記吐出手段は、生体試料含有溶液を充填する複数の加圧室毎に対応して形成された複数の個別電極を有する電極基板と、
前記電極基板に対して微小ギャップをおいて対向配置され、前記個別電極との電位差に対応する静電力によって弾性変形する振動板の機械的変位により前記加圧室内の圧力を加減し、前記溶液をノズル孔から吐出するための加圧室基板を含んで構成される、請求項１に記載のディスペンシング装置。 The discharge means includes an electrode substrate having a plurality of individual electrodes formed corresponding to a plurality of pressure chambers filled with a biological sample-containing solution,
The pressure in the pressurizing chamber is increased or decreased by mechanical displacement of a diaphragm that is arranged to face the electrode substrate with a minute gap and elastically deforms by an electrostatic force corresponding to a potential difference from the individual electrode, The dispensing apparatus according to claim 1, comprising a pressurizing chamber substrate for discharging from a nozzle hole. 吐出不良となった吐出機構を正常な状態に回復させるための回復手段をさらに備える、請求項１又は２に記載のディスペンシング装置。 Further comprising recovery means for recovering the discharge mechanism became ejection failure to the normal state, the dispensing device according to claim 1 or 2. 前記回復手段は、生体試料含有溶液吸引手段である、請求項３に記載のディスペンシング装置。 The dispensing apparatus according to claim 3 , wherein the recovery means is a biological sample-containing solution suction means. 前記生体試料は蛋白質である、請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のディスペンシング装置。 The dispensing apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the biological sample is a protein. 前記生体試料は核酸である、請求項１乃至請求項４のうち何れか１項に記載のディスペンシング装置。 The dispensing apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the biological sample is a nucleic acid. 生体試料含有溶液を吐出する吐出手段における溶液吐出不良を検出するための方法であって、
前記吐出手段を動作させたときにおける前記溶液の吐出の有無を光学的に検出するステップであって、
レーザ光源と受光センサと、さらに、前記レーザ光源及び前記受光センサの相対的位置関係を保持したまま、前記溶液の吐出面に直交する向きに往復動させる手段を有する光学検出手段によって、
前記レーザ光源及び前記受光センサの相対的位置関係を保持したまま、前記溶液の吐出面に直交する向きに往復動させつつ、前記ノズル孔から液滴として吐出された前記溶液を透過する前記レーザ光線の受光強度の変化を検出するステップと、
前記検出結果から、溶液吐出不良の有無を判別するステップを含む、生体試料含有溶液吐出不良検出方法。 A method for detecting defective solution discharge in a discharge means for discharging a biological sample-containing solution,
Optically detecting the presence or absence of ejection of the solution when the ejection means is operated ,
By an optical detection means having a laser light source and a light receiving sensor, and further a means for reciprocating in a direction perpendicular to the solution ejection surface while maintaining a relative positional relationship between the laser light source and the light receiving sensor .
The laser beam passing through the solution ejected as a droplet from the nozzle hole while reciprocating in a direction perpendicular to the ejection surface of the solution while maintaining the relative positional relationship between the laser light source and the light receiving sensor. Detecting a change in received light intensity of
A biological sample-containing solution ejection failure detection method comprising a step of determining whether or not there is a solution ejection failure from the detection result. 生体試料含有溶液を基板上にスポッティングする前準備として、請求項７の方法で吐出機構の吐出不良を判別するステップと、
吐出状態が不良でない吐出機構を選択して、前記溶液を基板上にスポッティングするステップを含む、ディスペンシング方法。 As a preparation prior to spotting a biological sample-containing solution on a substrate, the step of determining a discharge failure of a discharge mechanism by the method of claim 7 ;
A dispensing method, comprising: selecting a discharge mechanism that is not in a defective discharge state and spotting the solution on a substrate. 前記生体試料含有溶液をアレイ状にスポッティングすることでマイクロアレイを作製する、請求項８に記載のディスペンシング方法。 The dispensing method according to claim 8 , wherein a microarray is produced by spotting the biological sample-containing solution in an array. 前記生体試料として多種類の蛋白質を使用し、プロテインチップを作製する、請求項９に記載のディスペンシング方法。 The dispensing method according to claim 9 , wherein a protein chip is prepared by using various types of proteins as the biological sample.

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