JP6864377B2 - 分注用シリンダ、並びに、それを用いた分注装置および分注処理方法 - Google Patents
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Description
分注装置は、外部に設けられ検体、種々の試薬等を収容する複数の容器からなる容器群と、該容器内に挿入可能で、内部に液体試料を流入して所定量貯留し、かつ流出可能な使い捨ての分注チップと、該分注チップを着脱可能に装着されるノズルと、該ノズルと連通し、気体の吸引吐出が行われる分注シリンダとを有する。
さらには、1のシリンダで微小量にも大量にも対応する機構のシリンダを用いて微小量および大量の処理を行っていた。
また、「太軸」は「細軸」よりも太い軸を表す。ここで、「太軸部の行程」とは、該太軸部が上下運動を行うときの上死点(太軸部の上限の位置)と下死点(太軸部の下限の位置)との間の軸線方向に沿った距離(以下、「D」とする)をいい、前記大径領域の軸線方向に沿った全長(以下、「D0」とする)とは必ずしも一致しない。なぜならば、太軸部には厚みまたは軸線方向の長さ(該太軸部の先端からシール機能を有する部分までの最大の長さ、以下、「d1」または「d1'」とする)があり、また、太軸部の下死点と前記小径領域との境界までの間の距離(以下、「r0」という)は必ずしも0でないからである。すなわち、D≦D0−r0−d1である。「軸線」とは、前記空洞等を貫いて延びる「中心軸線」または「対称軸線」である。
例えば、図2に示すように、太軸部の外周面の一部にシール機能をもつ環状の部分(気密シール部材17b)を限定し、小径領域の内周面の一部にシール機能をもつ環状の部分(気密シール部材17a)を限定するとする。前記太軸部の下端面の下死点からの距離をd(d≦D≦D0−r0−d1)、前記小径領域および貫通孔の前記軸線に沿った長さの和をd2、前記細軸部の軸線方向に沿った長さをd3(またはd3'とする。微小量の液体の吸引吐出を行う際にシール機能を有しかつ小径領域内を摺動しながら通過する部分の太軸部の先端面側から測った最大の長さをいい、細軸部または小径領域にある気密シール部材の位置や小径領域の軸線方向に沿った長さに依存して定められる。例えば、細軸部の摺動部分の軸線方向に沿った長さが小径領域よりも長い場合であって、細軸部の摺動部分の全体が小径領域に挿入される場合には細軸部の摺動部分の長さに相当し、細軸部の摺動部分の長さが小径領域よりも短い場合であって、例えば、小径領域の全域について細軸部を摺動させる場合には小径領域の全長に相当する。)とする。その際に小径領域に挿入されずかつ通過しない部分(たとえ、摺動可能であっても)は細軸部とはいわないが、微小量の液体の吸引吐出を行う際に、小径領域に挿入されかつ通過する部分は、たとえ摺動しなくても細軸部という。大径領域に対する太軸部についても同様の関係を有する。なお、前記太軸部の先端から該細軸部の先端までの軸線方向に沿った長さはr0+d3ということになる。とすると、前記細軸部の先端はノズルから飛び出してはならないので、d3またはd3+r0はd2よりも短くなければならない。また、太軸部の下端面の下死点からの距離をdとした場合、細軸部についても、細軸部の下死点からの距離はdである。すると、太軸部が下死点に位置する場合には、細軸部についても、その下死点に位置することが好ましい。したがって、細軸部の軸線方向の長さd3は、細軸部の下死点の位置から小径領域の最上端までの長さに等しいことになる。一方、太軸部と同様細軸部の上死点は所定量により定まり、最も液量が大きくても、小径領域の上端であり(大径領域の場合はD0−d1)、細軸部が上死点に位置したとしても、太軸部は太軸部の上死点の手前に位置することになる。
なお、大量吸引吐出区間と微小量吸引吐出区間とは重複しないように設けられている。すなわち、大量吸引吐出区間では太軸部と大径領域とが摺動し、細軸部と小径領域とは摺動せず、微小量吸引吐出区間では、細軸部と小径領域とが摺動し、太軸部と大径領域は摺動しないように形成される。そのために大径領域と小径領域側との間に後述する遊動領域を設ける。
もし、太軸部の下死点の位置がr0≠0であって、r0がノズルの軸線方向の長さに相当するように設定する場合には、後述するように、前記プランジャを前記行程Dの下死点を越えて下げることが可能になるので、その動作を利用して分注チップを脱着させる機構を、該プランジャを駆動する機構を利用して該分注用シリンダの外部に設けることができる。この場合には、該プランジャ部分は前記小径領域を遊動可能となる外径(すなわち細軸部よりも細い外径)を有する必要がある。
前記小径領域にあっては、筒状であって前記小径は、例えば1mm〜3mm、好ましくは例えば1.5mmで、細軸部の軸線方向の長さ(d3)は、例えば3mm〜30mmであり、好ましくは、例えば15.3mmであり、したがって、その容量は、約2μL〜約200μLである。後述するように、この量が閾値に相当するとすれば、微小量としては、この容量以下ということになる。好ましくは、例えば約26.5μL以下である。すると大量とは、例えば、約27μL〜約2000μLである。該分注用シリンダの素材は、ガラス、金属、樹脂等であって、例えば、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン(P.P)等である。
(1)の場合には、該遊動領域の軸線方向に沿った長さ(d0)は、気密シール部材の幅を無視すると、太軸部の先端面から太軸部の気密シール部材のシール位置までの軸線方向に沿った長さ(d1)と、太軸部の先端面から細軸部の前記気密シール部材のシール位置までの軸線方向に沿った長さ(d3')との和以上の長さを有することになる。すなわち、d0≧d1+d3'である。
(2)の場合には、該遊動領域の軸線方向に沿った長さ(d0)は、前記遊動領域の下端から小径領域の前記気密シール部材のシール位置までの距離をd5として、細軸部の摺動部分の軸線方向に沿った長さをd3とし、太軸部の先端面から気密シール部材のシール位置までの距離をd1とすると、d0+d5≧d1+d3である。なお、図2または図4にあっては、近似的にd5=0と考えると、ほぼd0=d1+d3となっている。
(3)の場合には、該遊動領域の軸線方向に沿った長さ(d0)は、前記遊動領域の上端から大径領域の前記気密シール部材のシール位置までの距離をd6とし、太軸部の摺動部分の軸線方向に沿った長さをd1'とし、太軸部の先端面から細軸部の気密シール部材によるシール位置までの距離をd3'とすると、d0+d6≧d1'+d3'となる。
(4)の場合には、該遊動領域の軸線方向に沿った長さ(d0)は、前記遊動領域の上端から大径領域の前記気密シール部材のシール位置までの距離をd6とし、遊動領域の下端から小径領域の気密シール部材のシール位置までの距離をd5とし、太軸部の摺動部分の軸線方向に沿った長さをd1'とし、細軸部の摺動部分の軸線方向に沿った長さをd3とすると、d0+d5+d6≧d1'+d3ということになる。なお、以上の説明では、r0=0とした。r0≠0の場合には、各不等式の右辺にr0が加えられることになる。
以上まとめると、次の関係式が得られることになる。
すなわち、
d4≠0の場合には、d2>r0+d3+d4、d3+d4>D>d3、
D0−r0−d1≧D>d3
d4=0の場合には、d2>r0+d3、D0−r0−d1≧D>d3
である。
ここで、「縦孔」は、前記一端付近で軸線方向に沿って形成された開口であり、「横孔」は、他端付近で軸線方向と垂直方向に沿って形成された開口である。したがって、前記案内部は、例えば、一端が前記細軸部の先端と連結して閉塞され他端が開口した中空の筒状体であって、前記細軸部と隣接する側面に横孔が穿設されたものである。
該微小量・大量判別指示手段は、例えば、CPU、ROM、RAM、各種外部メモリ、LAN等の通信機能、およびROM等に格納されたプログラム等からなるCPU+プログラム+メモリによって構成する。
ここで、前記分注チップには、大量用の分注チップと微小量用の分注チップとがある場合には、前記判別結果に基づいて該当する分注チップが装着されることになる。
なお、この場合、前述したように、前記大径領域の内周面または太軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように気密シール部材が設けられ、かつ、前記小径領域の内周面または細軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように気密シール部材が設けられ、前記遊動領域の長さは、少なくとも前記気密シール部材の設けられた位置に基づいて定められることになる。
本発明の第1の実施の形態に係る分注用シリンダ10を図1、図2に基づいて説明する。
本実施の形態に係る分注用シリンダ10は、内部に空洞(18,19,16)を有するシリンダ11の一端に設けられ先端にノズル吸引吐出口13aを有し前記空洞(18,19,16)と連通し前記空洞の軸線方向に沿って延びる貫通孔13bが設けられ外部に分注チップ(211,212)が装着可能な装着部13cを有するノズル13と、前記空洞(16,18,19)内を前記軸線方向に沿って摺動可能に設けられ、シリンダ11の外部側端部にステッピングモータ等の駆動部と連結するためのフランジ12aを有するプランジャ12とを有する。該ノズル13は、前記シリンダ11とは別体に形成され、前記一端と連結部11bを介して取り付けられている。
この図2(1)と図2(2)のd<d3が微小量吸引吐出区間に相当する。
本実施の形態に係る分注用シリンダ30は、内部に空洞(36,38,39)を有するシリンダ31の一端に設けられ先端にノズル吸引吐出口33aを有し前記空洞(36,38,39)と連通し前記空洞の軸線方向に沿って延びる貫通孔33bが設けられ外部に分注チップ(211,212)が装着可能な装着部33cを有するノズル33と、前記空洞(36,38,39)内を前記軸線方向に沿って摺動可能に設けられ、シリンダ31の外部側端部にステッピングモータ等の駆動部と連結するためのフランジ32aを有するプランジャ32とを有する。該ノズル33は、前記シリンダ31とは別体に形成され、前記一端と連結部31bを介して取り付けられている。
すなわち、d3+d4>Dである。一方、D>d3である。
なお、前記太軸部35の行程をD、太軸部35の最下端からの軸線方向に沿った距離をd、前記細軸部34の長さをd3、したがって、遊動領域19の長さd0をr0+d3またはr0+d3+d1(d1の長さが無視できない場合)以上であり、小径領域とノズルの貫通孔の長さの和をd2、前記案内部40の長さをd4とすると、前述したように、0≦d≦D、d3+d4+r0<d2、d3<D、d3+d4+r0>Dである(但し、図4に関してはr0=0である)。
この図4(1)と図4(2)のd≦d3が微小量吸引吐出区間に相当する。
前記各容器群20iには、温度制御が可能な反応容器および種々の試薬や検体、磁性粒子懸濁液等を収容可能な液収容部、および各分注チップ211iを前記ノズル13の先端に形成された装着部に装着可能な状態で収容するチップ収容部が設けられている。
図6は、本発明の実施の形態例に係る分注装置100の全体斜視図である。
ステップS1で、前記ステージ20上に検査対象の検体、各種洗浄液、各種試薬を予め供給し、また、試薬等がプレパックされた液収容部を装着しておく。
前記操作パネル64のタッチパネル等の操作により、分離抽出処理および増幅処理の開始を指示する。
その際、前記微小量・大量判別指示手段63は、前記所定量が大量であると判別されることになり、太軸部15が前記大量吸引吐出区間に位置されて、所定量に応じた距離Dで前記大径領域18を摺動させることになる。
ステップS12において、該ノズル13iに新たな微小量用分注チップ212iを装着し、前記第8の液収容部内に収容された核酸等を含有する溶液を吸引して、予め増幅用溶液234iが収容された前記PCR用チューブ231iにまで移送して吐出して該容器内に導入する。以下、所定の手順にしたがって、PCR用チューブ231i内で、前記核酸増幅制御部62による指示により前記温度制御器29はリアルタイムPCRによる温度制御のサイクル、例えば、該PCR用チューブ231iを96℃で5秒間加熱し、60℃で15秒間加熱するというサイクルを、例えば49回繰り返すように指示する。
その結果を以下に示す。
以上の変動係数を比較すると、明らかに、本実施の形態に係る分注用シリンダは、微小量の液体の分注であっても、変動係数が小さく、精度が高いことが示される。
この理由は、微小量の液体の分注を行う場合と大量の分注を行う場合に、1の分注シリンダを用いて、同一の断面積をもつプランジャおよび空洞をもつ従来例に係る分注シリンダに対して、本実施の形態に係る分注用シリンダにあっては、1の分注用シリンダを用いるものの、微小量の液体の分注を行う場合には、前記断面積よりも十分小さい断面積の小さい細軸部を摺動させ、大量の液体の分注を行う場合には、前記断面積よりも十分大きい断面積をもつ太軸部を摺動させるからである。したがって、微小量の液体については、十分な摺動距離を確保することができるために精度の高い分注が可能となるだけでなく、大量の分注を行う場合には、摺動距離を削減することができるので、コンパクトな分注用シリンダを提供することができることになる。実際、本実施の形態に係る分注用シリンダにあっては、微小量(5μL)の場合であっても大量(100μL)の場合であっても、1mm程度の摺動距離であるので、高精度の測定が可能である。また。1000μLをカバーするには、せいぜい13mmの摺動距離があれば良い。一方、従来例に係る装置にあっては、小容量の場合には、約0.5mmの摺動距離に過ぎないが、大容量(100μL)の場合には、約9mmの摺動距離となり、1000μLまでをカバーするには、90mm程度の摺動距離となり、本実施の形態に比較して、装置規模の拡大を招くおそれがあることになる。
また、以上の説明で用いた数値、回数、形状、個数(例えば、分注装置で用いた分注用シリンダの個数は、8の場合に限られない)、量等についてもこれらの場合に限定されるものではない。
101〜10n 分注用シリンダ
11,31 シリンダ(本体)
12,32 プランジャ
13,33 ノズル
14,34 細軸部
15,35 太軸部
16,36 小径領域
17,37 気密シール部材
18,38 大径領域
19,39 遊動領域
20 ステージ
201〜20n 容器群
2111〜211n 大量用分注チップ
2121〜212n 微小量用分注チップ
40 案内部
41 通気孔(通気路)
42 横孔(通気路)
50 分注ヘッド
51 分注ヘッド移動機構(ノズル移動機構)
59 チップ脱着機構
60 CPU+プログラム+メモリ
100 分注装置
Claims (13)
- 内部に空洞を有するシリンダと、該シリンダの一端に設けられ前記空洞と連通し前記空洞の軸線方向に沿って延びる貫通孔が設けられ外部に分注チップが装着可能なノズルと、前記空洞内を前記軸線方向に沿って摺動可能に設けられたプランジャとを有し、前記空洞は、大径の内周面を有する大径領域、および該大径領域の前記ノズル側に設けられ小径の内周面を有する小径領域を有し、前記プランジャは、前記大径領域を摺動可能に設けられた太軸部、および該太軸部の先端から前記軸線方向に沿って突出しかつ前記小径領域を摺動可能に設けられた細軸部を有し、前記細軸部の軸線方向の長さは前記太軸部の行程よりも短く形成されるとともに、
前記空洞は、前記大径領域と前記小径領域との間に、前記太軸部が前記軸線方向に沿って遊動可能な遊動領域を設けた分注用シリンダ。 - 前記大径領域の内周面または太軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように気密シール部材が設けられ、かつ、前記小径領域の内周面または細軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように他の気密シール部材が設けられ、前記遊動領域の長さは、少なくとも前記気密シール部材の設けられた位置に基づいて定められる請求項1に記載の分注用シリンダ。
- 前記プランジャの前記細軸部の先端から軸線方向に沿って突出するように該細軸部と連結し前記小径領域内を摺動可能に設けられかつ前記太軸部が前記大径領域を摺動する際に前記ノズルの貫通孔と前記遊動領域とを連通させる通気路が形成された案内部をさらに有し、前記通気路またはその一部は前記案内部の軸線方向に沿って配設され、前記細軸部と前記通気路の軸線方向に沿った長さの和は前記太軸部の行程よりも長く形成された請求項1または請求項3に記載の分注用シリンダ。
- 前記通気路は、前記案内部の先端に穿設された縦孔を一端とし、前記細軸部と隣接する前記案内部の側面に穿設された横孔を他端とするように該案内部の内部を貫通する通気孔を有する請求項4に記載の分注用シリンダ。
- 前記プランジャの前記太軸部の先端から前記細軸部の開始位置に至るまでのプランジャ部分の軸線方向に沿った長さは、前記シリンダにおける前記太軸部の下死点から前記小径領域の開始位置までの軸線方向に沿った距離に等しい請求項1、請求項3、請求項4または請求項5のいずれかに記載の分注用シリンダ。
- 種々の試薬や検体を収容可能な液収容部および分注チップを収容するチップ収容部を有する容器群と、請求項1に記載の1または2以上の分注用シリンダと、該分注用シリンダの各ノズルに着脱可能に装着された1または2以上の分注チップと、前記1または2以上の分注用シリンダのノズルが配列されたノズル配列部、および該分注用シリンダのプランジャを上下方向に沿って移動させて前記分注チップに対して液体の吸引吐出を行う吸引・吐出駆動部を有する分注ヘッドと、前記ノズルを前記容器群に対し相対的に移動可能とするノズル移動機構と、前記分注チップに対する所定量の液体の吸引吐出の指示があった場合に、該所定量が微小量か大量かを判別し、該判別結果が微小量の場合には、前記分注用シリンダのプランジャの細軸部が小径領域内を摺動可能な微小量吸引吐出区間内に位置させて前記所定量に応じた距離を摺動させ、前記判別結果が大量の場合には、前記プランジャの太軸部が大径領域内を摺動可能な大量吸引吐出区間内に位置させて前記所定量に応じた距離を摺動させるように前記吸引・吐出駆動部に対して指示する微小量・大量判別指示手段とを有する分注用シリンダを用いた分注装置。
- 前記大径領域の内周面または太軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように気密シール部材が設けられ、かつ、前記小径領域の内周面または細軸部の外周面の周方向に沿って軸線を囲むように他の気密シール部材が設けられ、前記遊動領域の長さは、少なくとも前記気密シール部材の設けられた位置に基づいて定められる請求項7に記載の分注用シリンダを用いた分注装置。
- 前記分注用シリンダの前記プランジャの前記細軸部の先端から軸線方向に沿って突出するように該細軸部と連結し前記小径領域内を摺動可能に設けられかつ前記太軸部が前記大径領域を摺動する際に前記ノズルの貫通孔と前記遊動領域とを連通させる通気路が形成された案内部をさらに有し、前記通気路またはその一部は前記案内部の軸線方向に沿って配設され、前記細軸部と前記通気路の軸線方向に沿った長さの和は前記太軸部の行程よりも長く形成された請求項7または請求項9に記載の分注用シリンダを用いた分注装置。
- 前記吸引・吐出駆動部は、液体の吸引吐出用動作において該分注用シリンダのプランジャの前記太軸部を下死点に位置させたときの前記吸引・吐出駆動部の高さより下側に下降することが可能であり、それによって前記分注用シリンダのノズルに装着した分注チップを取り外し可能とするチップ脱着機構をさらに有する請求項7、請求項9または請求項10のいずれかに記載の分注用シリンダを用いた分注装置。
- 前記分注チップへの所定量の液体の吸引または吐出の指示があった場合には、所定量が微小量か大量かを判別する判別工程と、
請求項1に記載の分注用シリンダのノズルに分注チップを装着する装着工程と、
前記所定量が微小量と判別された場合には、前記分注用シリンダのプランジャの細軸部が小径領域内を摺動可能な微小量吸引吐出区間内に位置させて前記所定量に応じた距離を摺動させることで前記分注チップに対して前記微小量の液体を吸引吐出させる微小量吸引吐出工程と、
前記所定量が大量と判別された場合には、前記プランジャの太軸部が大径領域内を摺動可能な大量吸引吐出区間内に位置させて前記所定量に応じた距離を摺動させることで、前記分注チップに対して前記大量の液体を吸引吐出させる大量吸引吐出工程とを有する分注用シリンダを用いた分注処理方法。 - 前記微小量吸引吐出工程にあっては、前記太軸部は前記遊動領域内を移動する請求項12に記載の分注用シリンダを用いた分注処理方法。
- 前記分注用シリンダの前記プランジャに設けた前記細軸部の先端から軸線方向に沿って突出するように前記細軸部と連結し前記小径領域内を摺動可能に設けられかつ前記太軸部が前記大径領域を摺動する際に前記ノズルの貫通孔と前記遊動領域とを連通させる通気路が形成された案内部をさらに有し、前記通気路またはその一部は前記案内部の軸線方向に沿って配設され、前記細軸部と前記通気路の軸線方向に沿った長さの和は前記太軸部の行程よりも長く形成され、前記大量吸引吐出工程にあっては、前記案内部が前記小径領域内を摺動する請求項12または請求項13に記載の分注用シリンダを用いた分注処理方法。
- 前記プランジャを上下方向に沿って移動させる吸引・吐出駆動部を、前記微小量吸引吐出工程において前記プランジャの太軸部を下死点に位置させたときの前記吸引・吐出駆動部の高さよりも下に下降させることで、該分注用シリンダのノズルに装着した分注チップを取り外すチップ脱着工程をさらに有する請求項12乃至請求項14のいずれかに記載の分注用シリンダを用いた分注処理方法。
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