JP4833495B2 - インクジェットプリントヘッドによるマイクロアレイの高度平行構成体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生物マイクロアレイを形成するインクジェットプリンタの使用法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生物科学および化学薬品科学における進歩により同時に大量のサンプルの試験を行うことが要求されつつある。例えば、ヒトおよび動物のゲノム配列は発現研究を通してゲノムの機能を判定する必要性を創生してきた。この分野では、薬理ゲノム学および毒物学的スクリーニングにおいては、および多くのその他のアプリケーションにおいて、プローブとターゲット間の大量の相互作用を試験する必要がある。
【０００３】
この必要性に対処するため出現してきた技術がＤＮＡマイクロアレイまたはバイオチップとしても、かつその他の専門用語により知られているマイクロアレイである。これはプローブとして知られている生物学的または化学的サンプルの超小形アレイが固定される基質から成る。マイクロアレイは、プローブに対して試験されるべきターゲットとして知られているサンプルに露出される。相互作用が適切な計器によって記録され、かつデータが操作される。
【０００４】
マイクロアレイは現在、プローブの成分を加えてそれらをそのまま蓄積することによりプローブをアレイ上に合成するか、または予め合成したプローブをアレイ上に配置する２つの方法によって作成される。本発明は後者の方法に関する。
【０００５】
マイクロアレイに配置する作業は別々のリザーバから極めて少量の多くの異なる液体を、多数のマイクロアレイ上の密接して配置された位置へ移すステップから成る。一般的には多数の９６、３８４、または１５３６ウエルのマイクロタイタープレートに供給された、数十の異なる液体から何十万もの液体までどのようなものであってもよい。数十または数百の基質に各々の液体を配置する必要がある。一般的な配置容積はナノリットルの程度のものであり、かつスポットは数１００μｍだけ離される。
【０００６】
配置は現在では２つの主な方法によって行われる。第１の方法では、ピンをウエルの中に浸して液体のサンプルを引き上げ、その後３軸輸送装置上で移動して基質に触れさせ、かつ滴を堆積する。いくつかのピンを並列で使用して配置の速度を向上させる。
【０００７】
この技術には、液体の別の組のサンプルを引き上げる前にピンが洗浄され、かつ乾燥されるという問題がある。ピンは基質に接触する必要があるが、それは高精度を必要とし損傷の危険があり、かつ緩慢なものである。配置された液体の容積はやや多めであり、十分制御されずかつ容易に増減することができない。ピンを基質にすべて同時に接触させるため、マイクロアレイのスポット構成はウエルの液体の配置に対応する。各液体のかなりの部分が廃棄される。
【０００８】
第２の配置方法では接触させることなく空気を通して基質上に液体を投射する。インクジェットプリント技術は原理的には著しく適切なものであり、それは非常に再現性よく小さな滴を生成し、かつそれらを基質に正確に位置決めする。場合によっては、滴は十分小さく多数の滴を所定スポットに加えてその容積を増減することができる。インクジェットプリントは非常に高速であり、かつどの液体が基質のどこへ堆積されるかに関しては完全に順応性がある。
【０００９】
インクジェット技術の主な困難は、ある種のプリントヘッドには多数のノズルがあるが、それらが１または４色のインクをプリントするように作成されているのが一般的であることである。それらの吸入口は多くのチャンバに接続されるマニホルドにつながり、各々がノズルに結合されている。このようなプリントヘッドは通常マイクロアレイの製造に適用され、プロセスの速度が、一度にただ１つのまたは４つの液体が取り扱われるという事実によって制限されおよび多くのノズルがあるという事実はほとんど役に立たない。プリントそれ自体は非常に高速であり、全体的製造時間を決定するのはプリントヘッドを空にし、かつ再充填するプロセスである。
【００１０】
プリントヘッドのその他の困難は、あるものは滴を排出するため液体の局所的沸騰を使用しており、局所的沸騰の使用はある種の生物学的サンプルを損傷させることであり、その他はマイクロアレイ上にプリントされる化学薬品に適合しない材料から構成されていることであり、あるものは事務所プリンタ用に作成され、産業システムへの第３者の組み込みのためには不適当であり、その他は産業用途のため作成されているが動作させるのに大量の液体が必要とされることである。
【００１１】
上記に説明した理由によって、標準インクジェットプリントヘッドはマイクロアレイの製造には使用されず、むしろ適合プリントヘッドに類似のプリントヘッドまたは装置がその代わりに使用される。これらはインクジェット企業の製造能力を活用しておらず、大量の液体を取り扱えない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は標準インクジェットプリントヘッドを使用して色彩の数より大幅に多くの異なる液体を取扱える方法に関し、本発明はプリントされる液体を混合することなくプリントするように作成されている。
【００１３】
【発明を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、プリント装置がそれ自体が１つまたは多数のマニホルドを含むプリントヘッドを含み、かつプリントされるサンプルの数がマニホルドの数より多いことを特徴とするサンプルを混合することなく多数の異なるサンプルをプリントすることができるプリント装置が提供される。
【００１４】
マニホルドが２個以上のチャンバへ接続されることが好ましい。
各チャンバが１つまたは多数のノズルに結合されることが好ましい。
ノズルプレートに形成される多数のノズルが存在することが好ましい。
【００１５】
多数のノズルが各サンプルのため使用されることが最も好ましい。これにより多数の滴を単一パスでマイクロアレイの所定スポットに載置することが可能になる。代替ノズルが使用可能であり所定サンプルのプリントを確実にすることにより、それは汚れまたはその他の故障によるノズル閉塞の可能性に抗してプリントヘッドの有効寿命を延長する。
【００１６】
各チャンバがプリント中の液体の動く方向に対して垂直方向より、プリント中の液体の動く方向により長いことが好ましい。
【００１７】
各ノズルがサンプル滴を排出することができることが最も好ましい。
サンプル滴がノズルを介して導入されることが好ましい。
各ノズルが液体のチャンバの中への導入速度を制御する絞り弁として作用させるのは任意である。
プリントヘッドが最初に流体で満たされていることが好ましい。
流体が液体であることが最も好ましい。
あるいはまた、プリントヘッドが最初に固体で満たされていてもよい。
固体が変形可能な特性を有する柔弱な固体であることが好ましい。
【００１８】
プリント装置がノズルプレートに取付けられた接続ブロックを含むことが好ましい。
接続ブロックがプリントヘッドノズルに対して異なる液体を分離するように作用する封止を含むことが最も好ましい。
接続ブロックが積み重ね構造を有するようにするのは任意である。
接続ブロックがフィルタ層を含み汚れがプリントヘッドに入るのを防止することが好ましい。
プリントヘッドの中に取り込むのに先だってサンプルをプレート（例えば、マイクロタイタープレート）のウエルに保持させるのは任意である。
プリントヘッドを、サンプルをある箇所で引き上げかつ第２箇所で吐出させることを可能にする移動手段に取付けることが好ましい。
【００１９】
サンプルがある範囲の位置全体にわたってプリントされることが好ましい。
あるいはまた、プリントヘッドが静止し、かつプリントが行われるはずの基質がプリントヘッドに対して移動することができてもよい。
ノズルの列がプリント中動作の方向に対して平行になるようにプリントヘッドが位置決めされることが好ましい。あるいはまた、ノズルがプリント方向に対して垂直になるようにプリントヘッドを位置決めしてもよい。
【００２０】
動作に対して垂直な有効分解能を変更するためプリントヘッドに角度をつけるのは任意である。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様の装置を使用して多数の異なるサンプルをプリントする方法が提供される。
【００２１】
マニホルドの数より多くの、多数の異なる液体をノズルを介してチャンバの中に導入することが好ましい。
マニホルドに存在しがちな液体の混合物によってプリントされた液体が確実に汚染されないようにするため、各ノズルからプリントされた液体の容積がそのノズルに結合したチャンバの容積より小さいことが好ましい。
再度汚染を回避するため、各ノズルからプリントされた液体の容積がチャンバの中に導入された液体の容積より小さいことが最も好ましい。
【００２２】
汚染されることなくプリントされる液体の容積を最大にするため、各ノズルの中に導入された液体の容積がそのノズルに結合されたチャンバの容積より大きいことが好ましい。
それらのチャンバを接続するマニホルドを介していずれか他のチャンバから液体のあるいずれかのチャンバの液体を汚染する拡散のため費やされた時間より少ない、異なる液体の導入後の時間内でプリントが実行されることが好ましい。
【００２３】
ノズルを介して導入された液体がマニホルドに指向し、かつその中の最初の液体を置換することが好ましい。
マニホルドへの吸引を行うことにより液体をノズルの中に導入するのは任意である。ノズルが液体の導入速度を制御する絞り弁として作用する。
あるいはまた、液体を押し込むようにサンプルウエルに圧力を加えることにより液体をノズルの中に導入してもよい。
【００２４】
サンプルウエルに貫通可能封止が設けられることが好ましい。
ウエルが別々に各々加圧され、かつ異なる圧力が各ウエルに加えられることが好ましい。
ピストンを使用してウエルを加圧するのは任意である。
別の代替はプリントヘッドを逆に起動することにより液体をノズルの中に導入することである。
プリントされた各液体の容積がプリントヘッドの中に導入された容積の大部分であることが好ましい。
【００２５】
各ノズルからプリントされた液体の全量が
（ａ）第１組の液体を導入し、かつプリントするステップ、および
（ｂ）第２の、かつ引き続く組の液体を導入かつプリントするステップ
によって結合したチャンバの容積より増加することが好ましい。
【００２６】
あるいはまた、続く組の液体が先の組の液体とは異なる場合、これがプリントされた異なる液体の数を、プリントヘッドのノズル数より多く増加させるかもしれない。
各組の液体のプリントと次の組の導入との間に、ノズルを介するかまたはマニホルドを介するかのいずれかによってプリントヘッドの中に中性液体を導入することによりプリントヘッドがクリーニングされることが好ましい。
【００２７】
本発明の商業的に有望なアプリケーションは、生物および化学マイクロアレイの生産のためピコリットルからナノリットルの容積のスポットとして基質に液体をプリントすることである。インクジェットプリントヘッドの利点はそれらがプリントヘッドと基質間の相対動作中にプリントでき、生産速度を向上させることができることである。
【００２８】
【発明を実施するための最良の形態】
次に、本発明の特定の実施形態を純粋に実施例として、添付図面を参照して説明する。
図１および２において、各ノズル１は下方構成部品３内に掘られた長く狭いチャンバ４に結合される。チャンバはその後部で多数のチャンバに各々につながるマニホルド５の中に広がる。各々がフィルタ６を介して供給品が流れ込む１つまたは４つのマニホルド５があるのが一般的である。
【００２９】
チャンバ４の間の壁がたわむと滴が排出され、チャンバ４内に圧縮波を生じさせる。上方構成部品２の切抜部によって形成されたチャンバ４の長さが排出される滴寸法を決定する。チャンバ４が長い場合（特定プリントヘッドで６ｍｍ）、その大きさはバイナリプリントおよびマイクロアレイの形成に適切な比較的大きな滴（一般的には５０ピコリットル）が排出される。チャンバ４が短い場合（別のプリントヘッドで１ｍｍ）、小さな滴（一般的には７ピコリットル）が生成され、多数の滴がグレイスケールプリントに、または制御可能な寸法のマイクロアレイスポットを生成するため使用される。
【００３０】
バイナリプリントヘッドの場合、チャンバ４はそれらの横方向寸法（一般的には、７５ミクロンｘ３９０ミクロン）と比較して長く、従ってプリントが進行するのにともなって、液体はチャンバ４に沿ってノズル１に向かって進む傾向がある。チャンバ４の後部の液体、またはマニホルド５からチャンバ４に入る液体がノズル１の近くの液体と混合する傾向はほとんどない。拡散のため接続マニホルド５を介して別のチャンバ４からチャンバ４の中に液体を導入する経路は長く、かつ混合するためには不都合である。従って、チャンバ４のほぼ全内容物がほかの場所からの液体による汚染なくプリントされる。
【００３１】
図３において、本発明の実施可能な実施形態には接続ブロック１０が含まれ、接続ブロックがプリントヘッド９とマイクロタイタープレート１１間に介在し多量の液体がノズル１を介してプリントヘッドの中に導入されるようになる。好ましい実施形態では、接続ブロック１０にはフィルタ層が含まれることになる。
【００３２】
接続ブロック１０には成形ゴム封止１２があり、成形ゴム封止は各々がいくつかのノズル１（一般的には、３つのノズルが封止１２によってブロックされた状態で、７個）を含むプリントヘッドの多数の領域１３（一般的には、数の上では４８）を分離する。
【００３３】
キャピラリ１４が領域１３からマイクロタイタープレートのウエル１５の中に下方へ突出する。ウエル１５のピッチ（一般的には、３８４ウエルプレートに対して４．５ｍｍ）は領域１３のピッチより大きく（一般的には、ノズルのピッチ１４１ミクロンの１０倍）、従って、キャピラリ１４の多数（一般的には、３個）の横列が必要とされる。図３には１つの横列のみを示す。
【００３４】
プリントヘッド９は最初に中性液体で満たされる。サンプルがプリントヘッド９の中に引き込まれるまで吸引が箇所８で対応チャンバを充填するよりわずかに強く行われる。ノズルが絞り弁として作用して充填中の流量を制御する。ノズルが内部よりそれらの退出面で小さな寸法で作られている場合、その後それらはノズルを遮るのに十分大きななんらかの汚れた粒子の流入に抵抗する。接続ブロック１０にはコースフィルタが装着され、プリントヘッド９に入る汚れた粒子の個体数を最小にする。
【００３５】
別の実施形態ではサンプルがウエル１５からノズル１の中に押し込まれることになる。これは自己整合形カバーを設けたウエル１５を加圧することにより行われ、その結果、液体がそれらの中からノズル１に押し込まれるか、あるいはまた、接続ブロックの下面の封止がウエル１５を遮断することになる。ウエル１５の封止は様々なウエル１５が様々な圧力下に置かれ、その結果、様々な量のサンプルがノズル１に押し込まれ、封止がプリントヘッドの中に入る雰囲気が汚れるのを防ぐこともできることになる利点を有する。サンプルがノズル１の中に押し込まれる別の方法は、サンプルを必要な場合リザーバの中からサンプルを押し出すピストンを装着したリザーバから構成される予め装着したカートリッジに入れることにより行うことである。
【００３６】
液体がプリントヘッド９の中に導入されるとすぐ、液体は接続ブロック１０から切り離なされ、Ｘ、Ｙ、Ｚ動作制御によって拭きとられそして位置決定されるマイクロアレイの方へ移動される。各ノズル１からプリントされる液体量は対応チャンバ４の容積より小さく、従って、マニホルド５の液体の混合物はプリントされない。プリントの時間スケール（秒）では、あるチャンバ４を別のチャンバからの液体で汚染する拡散は可能ではない。好ましい実施形態では、ノズル１の横列がプリント中の相対動作方向に対して平行であり、従ってこれにより１箇所に多数の滴を載置することが可能になり、その箇所での液体の量を増大する。
【００３７】
充填およびプリントが十分に制御されている場合、廃棄されるウエル１５から引出された液体の少部分は半分より少なくなければならない。
【００３８】
配置後、プリントヘッド９が充填ステーションに隠蔽され、かつ中性液体がノズルから引き込まれる。次に、別の組の液体がプリントヘッド９に充填され、かつ位置決定される。中性液体を使用すると、その中に以前に導入されていた液体が滞留して、チャンバ４の液体の汚染が防止される。そのノズル１を介して入る中性液体によるチャンバ４の液体の完全な置換は不可能であり、従って、各ノズル１の中に導入された中性液体の容積はそのノズル１に関連するチャンバ４の数倍の容積でなければならない。次の組の液体が導入されると、それらは各チャンバ４に存在する中性液体によってわずかに希釈されるが、希釈は非常にわずかでかつむらがない。
【００３９】
いかなる段階でもプリントヘッド９は乾燥されることはなく、かつ空気はプリントヘッド９に決して入ることはない。
【００４０】
各領域１３に１つのノズル１だけが液体をプリントするためあればよい。いくつかのノズル１が各液体で充填されるということは、時々のノズル閉塞またはその他の故障がシステムのプリントヘッド９の寿命を制限しないことを意味している。ノズル故障の自動化試験によりシステムが別のノズルに切換えさせることが可能になる。
【００４１】
（産業上の利用可能性）
通常の手段による複雑なマイクロアレイを位置決定するため費やされる時間はＸ、Ｙ、Ｚ動作およびプリントヘッドの装着の速度によって支配される。プリントヘッドが動作しながら、または基質がプリントヘッドに対して移動しながらインクジェットプリンタはプリントすることができ、かつ本発明によれば、プリントヘッドを空にすることなく、かつ乾燥させることなくプリントヘッドに多量の液体を充填することができる。これらの利点は機械式位置決定システムに対するかなりの速度向上をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 適切なインクジェットプリンタの側断面図。
【図２】 適切なインクジェットプリンタの正面断面図。
【図３】 接続ブロックによりマイクロタイターからプリントヘッドの中に導入される液体を示す図。

Claims (32)

1. 互いに混合させることなく多数の異なるサンプルを排出するサンプル排出手段を有するプリント装置であって、
   サンプル排出手段は、それぞれが少なくとも１つのノズルに結合する複数のチャンバに接続する少なくとも１つのマニホルドからなり、
   ノズルを通じてチャンバにサンプルを導く手段を備えるとともに、マニホルドの数よりも多くの多数の異なるサンプルを排出することを特徴とするプリント装置。
2. チャンバにおける、プリント中にサンプルが動く方向に沿う方向の長さが、プリント中にサンプルが動く方向に垂直な方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載のプリント装置。
3. サンプル排出手段が、プリントの初期において流体で満たされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント装置。
4. 流体が液体であることを特徴とする請求項３に記載のプリント装置。
5. サンプル排出手段が、プリントの初期において固体で満たされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプリント装置。
6. 固体が変形可能な特性を有する柔弱な固体であることを特徴とする請求項５に記載のプリント装置。
7. サンプル排出手段が、ノズルに取付けられた接続ブロックを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のプリント装置。
8. 接続ブロックが、異なるサンプルをノズルプレートに対して分離するように作用する封止を備えることを特徴とする請求項７に記載のプリント装置。
9. 接続ブロックがフィルタ層を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載のプリント装置。
10. サンプル排出手段が、第１の箇所においてサンプルをサンプル排出手段の中に取り込み、かつ第２の箇所又は複数の箇所で吐出させる移動手段に取付けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のプリント装置。
11. サンプル排出手段上のノズルが、プリント中の動作に対して平行になるように位置決めされることを特徴とする請求項１０に記載のプリント装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のプリント装置を使用することを特徴とする異なるサンプルのプリント方法。
13. マニホルドの数よりも多くの多数の異なるサンプルを、サンプル排出手段内においてノズルを通じてチャンバへ導入することを特徴とする請求項１２に記載の異なるサンプルのプリント方法。
14. それぞれのノズルからプリントされたサンプルの容積が、ノズルに結合するチャンバの容積よりも小さいことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の異なるサンプルのプリント方法。
15. それぞれのノズルからプリントされたサンプルの容積が、チャンバに導入されたサンプルの容積よりも小さいことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
16. それぞれのノズルの中に導入されたサンプルの容積が、ノズルに結合するチャンバの容積よりも大きいことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
17. 一方のチャンバから他方のチャンバへ、それらのチャンバに接続するマニホルドを通じてサンプルの汚染が拡散するよりも短い時間内で、異なるサンプルの導入後にプリントが実行されることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
18. ノズルを通じて導入されたサンプルが、ノズル内に最初に貯留していた流体を置換してからマニホルドに向かうことを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
19. サンプルが、マニホルドへの吸引を行うことによりノズル内に導入されることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
20. サンプルが、ノズルにおいて又は接続ブロックに対して、圧力を加えることによりノズル内に導入されることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
21. 貫通可能封止が設けられたサンプルリザーバを備えることを特徴とする請求項２０に記載の異なるサンプルのプリント方法。
22. サンプルのウエルがそれぞれ別個に加圧されることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の異なるサンプルのプリント方法。
23. サンプルリザーバがピストンを用いて加圧されることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
24. サンプル排出手段を逆に動作させることにより、サンプルがノズル内に導入されることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
25. プリントされたそれぞれのサンプルの容積が、チャンバに導入された容積の大部分であることを特徴とする請求項１２〜２４のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
26. プリントされた所定のサンプルの全容積が、（ａ）第１組のサンプルを導入及びプリントし、かつ（ｂ）第２組及びそれ以降の組のサンプルを導入及びプリントする、ことにより、サンプル排出手段内に導入されたサンプルの容積よりも増加するようにしたことを特徴とする請求項１２〜２５のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
27. プリントされる異なるサンプルの数が増加して、サンプル排出手段内のチャンバの数よりも多くなるように、連続する組のサンプルを異ならせることを特徴とする請求項１２〜２６のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
28. 第１組のサンプルのプリントと、次の組のサンプルの導入との間に、サンプル排出手段内に中性液体を導入することによりサンプル排出手段がクリーニングされることを特徴とする請求項２７に記載の異なるサンプルのプリント方法。
29. プリント装置内に導入されたサンプルの大部分がプリントされることを特徴とする請求項１２〜２８のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
30. サンプル排出手段が動作している間に、サンプルがプリントされることを特徴とする請求項１２〜２９のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
31. マイクロアレイを生産するために用いられる請求項１２〜３０のいずれかに記載の異なるサンプルのプリント方法。
32. マイクロアレイを生産するために使用される請求項１〜１１のいずれかに記載のプリント装置。

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