(57)【要約】【課題】  空気圧パルスの降圧時における瞬時的な吸込み圧の発生を抑制することが可能な注入装置及び注入方法を提供する。【解決手段】  マイクロインジェクション装置の吐出機構１０は、導入物質２が充填されたキャピラリ針１に空気圧パルスを印加することで導入物質２を導入対象３内に注入する。空気圧パルスは、キャピラリ針１が装着され該針１に連通するキャピラリ室１１とレギュレータ室１２との間で、バルブ１５を介して、空気を移動させることによって発生される。吐出機構１０は、キャピラリ室１１の空気圧を制御する吸込み圧抑制部２１を有する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入物質を導入対象内に注入する注入部と、
前記注入部に接続するキャピラリ室と、
前記キャピラリ室の空気圧を制御するレギュレータ室と、
前記キャピラリ室の空気圧を制御する吸込み圧抑制部と
を有することを特徴とする注入装置。
【請求項２】
前記吸込み圧抑制部は、前記キャピラリ室の容積を変化させる容積可変部を有することを特徴とする請求項１に記載の注入装置。
【請求項３】
更に、前記キャピラリ室と前記レギュレータ室との間にバルブを有し、前記吸込み圧抑制部は、前記バルブを複数回開閉することにより、前記キャピラリ室の空気圧を段階的に降圧することを特徴とする請求項１に記載の注入装置。
【請求項４】
前記バルブは、少なくとも一回目の開動作の後、前記キャピラリ室と前記レギュレータ室との間で空気が平衡状態に達する前に閉じられることを特徴とする請求項３に記載の注入装置。
【請求項５】
更に、前記キャピラリ室と前記レギュレータ室との間にバルブを有し、前記吸込み圧抑制部は、前記バルブのコンダクタンスを制御することを特徴とする請求項１に記載の注入装置。
【請求項６】
導入物質を導入対象内に注入する注入部と、
前記注入部に接続するキャピラリ室と、
前記キャピラリ室の空気圧を制御するレギュレータ室と
を有する注入装置を用いた注入方法であって、
前記注入部を用いて導入物質を導入対象内に注入する工程と、
前記レギュレータ室より前記キャピラリ室に空気を送る工程と、
吸込み圧抑制部より、前記キャピラリ室の空気圧を制御する工程と
を含むことを特徴とする注入方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導入物質を導入対象内に注入する注入装置、及びそれを用いた注入方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、主にライフサイエンス、再生医療、及びゲノム創薬の分野において、細胞などの導入対象内に例えば遺伝子、抗体、タンパク質といった生体分子や化合物などを導入するために、マイクロインジェクション装置などの注入装置が適用されている。マイクロインジェクション装置は、上記のような導入物質（injectant）が充填された微細な中空のガラス針（キャピラリ針）を導入対象に突き刺し、該キャピラリ針を介して導入対象内に導入物質を注入する。この手法は、導入物質と導入対象との組合せを選ばずに遺伝子、タンパク質、化合物などを細胞などに確実に導入することができ、遺伝子の導入による人工多能性幹細胞（ＩＰＳ細胞）の作成、タンパク質の導入による機能解析、化合物導入による薬物開発などへの応用が期待されている。
【０００３】
マイクロインジェクション装置は、所定量の導入物質をキャピラリ針から吐出するための吐出機構を有する。この吐出機構に関する技術として、プランジャ等の部品の前進によって導入物質への押圧力を生成する技術や、空気圧パルスを生成して導入物質に印加する技術が知られている。
【０００４】
空気圧パルスを用いる既知のマイクロインジェクション装置の吐出機構１００及び空気圧パルス生成方法を、それぞれ、図１及び図２に示す。吐出機構１００は、導入物質１０２を導入対象１０３に注入するキャピラリ針１０１が装着されるキャピラリ室１１１、及びレギュレータ１１３によって圧力制御されるレギュレータ室１１２を有する。レギュレータ室１１２は、充填バルブ１１４（Ｖ１）を介してレギュレータ１１３に、仕切りバルブ１１５（Ｖ２）を介してキャピラリ室１１１に接続され得る。レギュレータ１１３は正圧ポンプ１１６及び負圧ポンプ１１７に接続されている。吐出機構１００はまた、レギュレータ１１３、充填バルブ１１４（Ｖ１）及び仕切りバルブ１１５（Ｖ２）の動作を制御する制御装置１１８を有する。
【０００５】
吐出機構１００による空気圧パルスの生成は、図２のタイミングチャートに示すように、制御装置１１８により生成されるレギュレータ指示圧及びバルブ開閉信号によって制御される。先ず、バルブ１１５（Ｖ２）を閉鎖した状態でバルブ１１４（Ｖ１）を開放し、レギュレータ室１１２の圧力Ｐ１がレギュレータ１１３によるレギュレータ指示圧ＰＨに到達するまでレギュレータ室１１２を空気で充填し、その後、バルブＶ１を閉じる。この間、キャピラリ室１１１の圧力Ｐ２は導入物質を吐出しない圧力（以降、維持圧と称する）Ｐｃに維持される。維持圧Ｐｃは、非吐出時である待機状態においてキャピラリ針が毛細管現象によって細胞培地などを吸込むことを防止するため、一定の正圧に設定される。次に、バルブＶ２を開放し、キャピラリ室圧力Ｐ２を、導入物質を吐出する圧力（以降、吐出圧と称する）Ｐｉまで上昇させた後、バルブＶ２を閉じる。続いて、バルブＶ１を再び開放する。このとき、レギュレータ指示圧は維持圧Ｐｃ生成用圧力であるＰＬに設定されており、レギュレータ室１１２内の空気はバルブＶ１を介して排出され、レギュレータ室圧力Ｐ１はレギュレータ指示圧ＰＬまで低下する。次に、所定の吐出時間Ｔｉの経過に合わせて、バルブＶ１を再び閉鎖し、バルブＶ２を開放する。そして、キャピラリ室圧力Ｐ２及びレギュレータ室圧力Ｐ１が維持圧Ｐｃにて平衡した後、バルブＶ２を閉じる。これにより一度の吐出、すなわち、１つの空気圧パルスの生成が完了する。
【０００６】
このような空気圧パルスを用いる吐出機構は、高さ（吐出圧）及び持続時間（吐出時間）を規定した空気圧パルスを生成・印加することにより、例えばプランジャ等の部品を用いる機構などの他の吐出機構と比較して、高い精度で所望量の導入物質の吐出を行い得る。
【特許文献１】特公平６−４８９７５号公報
【特許文献２】特開２００７−３００８６８号公報
【特許文献３】特開２００８−０８６２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、斯くしてキャピラリ室１１１内に生成された空気圧パルスは、その昇圧部及び降圧部で減衰振動様の変化を有することが観測されている。図３は空気圧パルス波形の降圧部を拡大して示している。このような減衰振動する空気圧パルスは、培地などの吸込みを防止するために必要な維持圧Ｐｃ（例えば、図示の例では０．５ｋＰａ程度）を下回る圧力（以降、吸込み圧と称する）を、キャピラリ針１０１に瞬時的に印加することになる。
【０００８】
空気圧振動の周期は、レギュレータ室とキャピラリ室との容積比や合計容積に依存する。例えば、レギュレータ室容積が１０ｍＬであり且つキャピラリ室容積が３ｍＬである場合、空気圧振動の周期は約３０ｍｓとなる。振動の最大振幅は、空気圧パルス高さに依存し、図３に示すようにＰｉ＝１０ｋＰａの場合、約１ｋＰａに達し得る。吸込み圧発生期間は２０ｍｓ程度、吸込み量は数１０ｆＬ程度と考えられるが、キャピラリ針先端部内径はサブミクロンオーダ（例えば、０．５μｍ）と微細なため、針先端部から５０〜１００μｍのところまで培地が吸い込まれることになり、無視できないレベルである。
【０００９】
培地には、細胞培養の過程で発生する死細胞や細胞片などの種々のゴミが含まれている。また、マイクロインジェクションで使用されるキャピラリ針の先端部内径は上述のようにサブミクロンオ−ダと極めて微細である。従って、僅かな量の培地吸込みであっても、キャピラリ針先端部付近にゴミが付着し、針詰まりによる吐出不能の要因となる。
【００１０】
よって、空気圧パルスの降圧部における瞬時的な吸込み圧の発生を抑制することが可能な注入装置及び注入方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施の形態の一観点に従って提供される注入装置は、導入物質を導入対象内に注入する注入部と、注入部に接続するキャピラリ室と、キャピラリ室の空気圧を制御するレギュレータ室とを有する。当該注入装置は、更に、キャピラリ室の空気圧を制御する吸込み圧抑制部を有する。
【００１２】
本発明の実施の形態の他の一観点に従って、導入物質を導入対象内に注入する注入部と、注入部に接続するキャピラリ室と、キャピラリ室の空気圧を制御するレギュレータ室とを有する注入装置を用いた注入方法が提供される。当該注入方法は、注入部を用いて導入物質を導入対象内に注入する工程と、レギュレータ室よりキャピラリ室に空気を送る工程とを含む。当該注入方法は、更に、吸込み圧抑制部より、キャピラリ室の空気圧を制御する工程を含む。
【発明の効果】
【００１３】
ここで開示される実施形態によれば、空気圧パルスの降圧部において、瞬時的な吸込み圧の発生が抑制される。キャピラリ針の針詰まりが抑制されるため、キャピラリ針の交換頻度が低くなり、マイクロインジェクションの作業効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。図面全体を通して、対応する要素には同一あるいは類似の参照符号を付する。
【００１５】
先ず、図４を用いて、空気圧パルスを用いるマイクロインジェクション装置による導入対象内への導入物質の注入方法を説明する。図４の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、待機状態、吐出状態におけるキャピラリ針１を示している。キャピラリ針１内には、例えば遺伝子、抗体、タンパク質といった導入物質２が充填されている。図４（ａ）及び（ｂ）はまた、導入物質を注入される導入対象である細胞３を示している。細胞３はシャーレ４の底に付着している。シャーレ４は培地５を収容しており、培地５内には細胞培養の過程で発生する死細胞や細胞片などの種々のゴミ６が浮遊している。
【００１６】
待機状態において、キャピラリ針１は、対象とする細胞を選択する間、細胞が付着しているシャーレ４の底から数１０μｍ上方の培地５内で待機する。このとき、毛細管現象による培地５やゴミ６の吸い上げが発生しないように、吸い上げ圧力とバランスするような空気圧Ｐｃ（維持圧）をキャピラリ針１の内部に印加しておくことが好ましい。一般的に、毛細管現象による吸い上げ圧力は吸い上げる水柱高さｈ［ｍｍ］で表され、通常の環境下では、内径ｄ［ｍｍ］のガラス管と水の組み合わせに関してｈ〜２８／ｄで与えられる。例えば、典型的なキャピラリ針の根元部内径０．７ｍｍの場合、吸い上げ水柱高さｈは４０ｍｍ、圧力に換算して４００Ｐａとなる。従って、待機状態においてキャピラリ針１の内部に印加すべき維持圧Ｐｃは、吸い上げ圧力に導入物質２を吐出させない範囲の好適なマージンを加えた値とすることができ、上記の例では、４００Ｐａに１００Ｐａ程度のマージンを加えて５００Ｐａ程度とし得る。
【００１７】
待機状態から吐出状態への移行に際し、キャピラリ針１は典型的に、キャピラリ針１の先端部が細胞３に挿入されるまで図４（ａ）中に示すキャピラリ針１の軸方向（Ａ軸方向）に移動される。そして、吐出状態において、細胞３内に先端部が挿入されたキャピラリ針１の内部に、導入物質２を吐出するのに十分な吐出圧Ｐｉを印加する。キャピラリ針１内の空気圧は、吐出時間Ｔｉと称する或る一定の時間（例えば、１００ｍｓ程度）にわたって吐出圧Ｐｉに維持された後、再び維持圧Ｐｃまで低下され、キャピラリ針１は上述の待機状態の位置に移動される。
【００１８】
図４（ｃ）は、上述の一連の動作におけるキャピラリ針１の先端部のＡ軸座標と、生成される空気圧パルスの圧力変化とを概略的に示している。但し、Ａ軸座標はシャーレ４の底からキャピラリ針１を見た方向を正としている。この動作は、一般的に、対象とする多数の細胞に対して繰り返される。
【００１９】
斯くして生成される空気圧パルスを用いるマイクロインジェクション装置は、吐出圧Pｉと吐出時間Ｔｉとを適切に選択することにより、所望量の導入物質２を細胞３内に注入することが可能である。
【００２０】
一実施形態に従ったマイクロインジェクション装置の吐出機構１０を図５に示す。吐出機構１０は、図４を用いて概略的に説明した空気圧パルスを用いて、注入部を成すキャピラリ針１から細胞などの導入対象３内に、例えば遺伝子、抗体、タンパク質といった生体分子や化合物などの導入物質２を吐出する。
【００２１】
吐出機構１０は、キャピラリ針１が装着され該針１と連通するキャピラリ室１１、及びキャピラリ室１１の圧力を制御するレギュレータ室１２を有する。レギュレータ室１２は、充填バルブ１４（Ｖ１）を介して、レギュレータ１３によって圧力制御される。レギュレータ室１２はまた、仕切りバルブ１５（Ｖ２）を介してキャピラリ室１１に接続され得る。レギュレータ１３は正圧ポンプ１６及び負圧ポンプ１７に接続されている。吐出機構１０はまた、レギュレータ１３、充填バルブ１４（Ｖ１）及び仕切りバルブ１５（Ｖ２）の動作を制御する制御回路１８を有する。
【００２２】
吐出機構１０による空気圧パルスの生成は、概して、図６のタイミングチャートに示すように、制御装置１８により生成されるレギュレータ指示圧及びバルブ開閉信号を用いて制御される。先ず、バルブ１５（Ｖ２）を閉鎖した状態でバルブ１４（Ｖ１）を開放し、レギュレータ室１２の圧力Ｐ１がレギュレータ１３によるレギュレータ指示圧ＰＨに到達するまでレギュレータ室１２を空気で充填し、その後、バルブＶ１を閉じる。この間、キャピラリ室１１の圧力Ｐ２は維持圧Ｐｃに維持される。次に、バルブＶ２を開放し、キャピラリ室圧力Ｐ２を吐出圧Ｐｉまで上昇させた後、バルブＶ２を閉じる。続いて、バルブＶ１を再び開放する。このとき、レギュレータ指示圧は維持圧Ｐｃ生成用圧力であるＰＬに設定されており、レギュレータ室１２内の空気はバルブＶ１を介して排出され、レギュレータ室圧力Ｐ１はレギュレータ指示圧ＰＬまで低下する。次に、所定の吐出時間Ｔｉの経過に合わせて、バルブＶ１を再び閉鎖し、バルブＶ２を開放する。そして、キャピラリ室圧力Ｐ２及びレギュレータ室圧力Ｐ１が維持圧Ｐｃにて平衡した後、バルブＶ２を閉じる。これにより一度の吐出、すなわち、１つの空気圧パルスの生成が完了する。
【００２３】
しかしながら、以上の制御で生成される空気圧パルスは、図３に示したように、減衰振動様の変化を有し、降圧部においてキャピラリ室圧力Ｐ２が維持圧Ｐｃ（例えば、上述の例では０．５ｋＰａ）に対して負の圧力（吸込み圧）となる期間を有し得る。この空気圧振動は、バルブＶ２の開放により、高圧Ｐｉのキャピラリ室１１から低圧ＰＬのレギュレータ室１２へと質量のある空気が高速に移動するため、慣性作用が働くことによると考えられる。
【００２４】
再び図５を参照するに、実施形態に係る吐出機構１０は更に吸込み圧抑制部２１を有する。吸込み圧抑制部２１は、制御回路１８に接続されるとともに、キャピラリ室１１、レギュレータ１３、充填バルブ１４（Ｖ１）、及び／又は仕切りバルブ１５（Ｖ２）に結合される。吸込み圧抑制部２１は、特に吐出時間Ｔｉに続く降圧期間（図６参照）において制御回路１８による制御下で作動し、キャピラリ室１１、レギュレータ１３、充填バルブ１４（Ｖ１）、及び仕切りバルブ１５（Ｖ２）のうちの少なくとも１つに作用を及ぼす。より具体的には、吸込み圧抑制部２１は、降圧期間中に上記の構成要素群の少なくとも１つに作用を及ぼすことにより、吸込み圧の発生を抑制あるいは回避するように、キャピラリ室１１とレギュレータ室１２との間での空気の移動を制御する。
【００２５】
なお、吸込み圧制御部２１は、レギュレータ指示圧及び／又はバルブ開閉信号を変化させ得るが、図６においてはそれらの変化は示していない。また、吸込み圧制御部２１は、降圧期間中に上記の構成要素群の少なくとも１つに作用を及ぼすことに備えて、降圧期間以外の期間においても作動してよい。
【００２６】
マイクロインジェクション装置の吐出機構１０は、吸込み圧抑制部２１の作用により、空気圧パルスの降圧部において、瞬時的な吸込み圧の発生を抑制することが可能である。それにより、キャピラリ針１の針詰まりが抑制されるため、キャピラリ針１の交換頻度が低くなり、マイクロインジェクションの作業効率が向上する。
【００２７】
続いて、実施形態に係る吐出機構の様々な実施例を説明する。
【００２８】
先ず、図７を用いて第１の実施例を説明する。本実施例に係る吐出機構３０は、図６に示したレギュレータ及びバルブＶ１及びＶ２の制御に変更はないが、図７（ａ）に示すように、吸込み圧抑制部として容積可変チャンバ３１を有する。容積可変チャンバ３１は、キャピラリ室１１と連通したサブチャンバ３２と、サブチャンバ３２の壁部に密着するように配置された圧電素子３３とを有する。圧電素子３３が配置されたサブチャンバ３２の壁部は機械的柔軟性を有する隔膜３４により形成され、サブチャンバ３２は、圧電素子３３による機械的な力に応じた隔膜３４の移動により縮小且つ／或いは拡張されることが可能である。従って、容積可変チャンバ３１は、キャピラリ室の実効的な容積をキャピラリ室１１自体の容積とサブチャンバ３２の容積とを足し合わせた値にし、且つ圧電素子３３の動作によりキャピラリ室の実効的な容積を変化させ得る。
【００２９】
図７（ｂ）は、本実施例で用いられるサブチャンバ３２の容積制御と、それによる吸込み圧抑制効果とを示している。サブチャンバ容積は、事前に取得されたサブチャンバ３２の容積制御を用いないときのキャピラリ室圧力波形（実線）の振動を打ち消すように制御される。すなわち、サブチャンバ容積（故に、キャピラリ室の実効的な容積）は、圧力Ｐ２が維持圧Ｐｃを下回るときには、容積を減少させて圧力を高め、逆に上回るときには、容積を増大させて圧力を下げるよう制御される。これにより、圧力Ｐ２の振動が補償され、吸込み圧が抑制されたＰ２波形（破線）が得られる。
【００３０】
この容積制御を実現するため、制御回路１８は、容積制御を用いないときのＰ２波形と位相の揃った減衰振動を有する駆動信号を圧電素子３３に供給する。圧電素子３３は、制御装置１８からの駆動信号を受けて、補償すべき圧力振動の大きさやキャピラリ室１１の容積に応じた所望のサブチャンバ容積変化をもたらす機械的な力を発生する。圧電素子はサブチャンバ３２の複数の壁部に配置されてもよく、且つ／或いは、１つの壁部当たり多数個の圧電素子が配置されてもよい。
【００３１】
なお、第１の実施例の以上の説明では、容積可変チャンバ３１の圧電素子３３は、事前に取得された容積制御を用いないときのＰ２波形に基づく信号で駆動されるものとして説明した。しかしながら、第１の実施例はそのような形態に限定されるものではなく、圧電素子３３は実時間測定されたキャピラリ室圧力Ｐ２に基づく信号で駆動されることも可能である。
【００３２】
図８は、キャピラリ室圧力の実時間測定に基づく、第１の実施例の変形例を示している。圧力センサ４１は、キャピラリ室１１の圧力Ｐ２を測定し、その測定値Ｐ２を出力する。差分回路４２は、第１の入力として圧力センサ４１からの測定値Ｐ２を、第２の入力として目標維持圧Ｐｃを受け取り、Ｐ２とＰｃとの間の偏差ΔＰを出力する。圧電素子駆動回路４３は、差分回路４２から偏差ΔＰを受け取り、ΔＰを低減させるように、すなわち、Ｐ２を目標維持圧Ｐｃに近付けるように、圧電素子４３を駆動する。このように偏差ΔＰをフィードバックすることによって、より高精度に吸込み圧の発生を抑制することが可能になる。なお、圧力センサ４１、差分回路４２及び圧電素子駆動回路４３は、制御回路１８の一部と見なすこともできる。
【００３３】
次に、図９を用いて第２の実施例を説明する。本実施例に係る吐出機構５０は、吸込み圧抑制部として、第１の実施例の容積可変チャンバ３１に代えて、機械的柔軟性を有する壁部を含むキャピラリ室１１’、及びキャピラリ室容積可変機構５１とを有する点を除いて、第１の実施例に係る吐出機構３０と同一である。なお、図９はキャピラリ針１とキャピラリ室１１’との太さや長さの関係を縮尺通りに示していない。例えば、キャピラリ針１は約１ｍｍの太さで数ｃｍの長さを有し、キャピラリ室１１’は約２ｍｍの太さで約１ｍの長さを有していてもよい。
【００３４】
キャピラリ室１１’は、その壁部の少なくとも一部において、たわみやすい材料及び厚さを有する機械的に柔軟な壁部を含む。キャピラリ室容積可変機構５１は、キャピラリ室１１’の機械的柔軟性を有する壁部に密着するように配置された圧電素子５３を含む。キャピラリ室１１’は、例えば、キャピラリ針１と仕切りバルブ１５（Ｖ２）との間を接続するプラスチック配管とし得る。なお、キャピラリ室１１’（及び１１）の容積は、キャピラリ針１と仕切りバルブ１５（Ｖ２）との間に含まれる全容積を意味する。圧電素子５３は、プラスチック配管であるキャピラリ室１１’を取り囲むように配置されてもよい。圧電素子５３により発生された機械的な力を用いてプラスチック配管を押しつぶすことにより、キャピラリ室１１’の容積は減少する。従って、第１の実施例のサブチャンバ容積制御と同様の制御を行うことにより、空気圧振動を打ち消し、吸込み圧の発生を抑制あるいは回避することが可能である。
【００３５】
なお、第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、圧力センサを用いたフィードバック制御によって、より高精度に吸込み圧の発生を抑制することが可能である。
【００３６】
続いて、図１０−図１２を用いて第３の実施例を説明する。図１０に示すように、本実施例に係る吐出機構６０は、吸込み圧抑制部として、多段階降圧制御回路６１を有する。多段階降圧制御回路６１は、レギュレータ１３、充填バルブ１４（Ｖ１）、及び仕切りバルブ１５（Ｖ２）に結合され、図６に示した制御回路１８によるレギュレータ、バルブＶ１及びＶ２の制御に変更を加えて、キャピラリ室１１の圧力Ｐ２を多段階に分けて降圧する。なお、多段階降圧制御回路６１は、図１０においては制御回路１８と別個の回路として示されているが、制御回路１８と一体化されていてもよい。
【００３７】
図１１は、一例として、吐出圧Ｐｉにある圧力Ｐ２を二段階に分けて維持圧Ｐｃに低下させるための、第３の実施例に従ったタイミングチャートを示している。第１段階として、キャピラリ室１１の圧力Ｐ２が吐出圧Ｐｉにある吐出時間Ｔｉ中に、レギュレータ指示圧を維持圧Ｐｃ生成用圧力ＰＬより高いＰＬ’に設定することにより、レギュレータ室圧力Ｐ１をＰＬ’まで低下させる。そして、所定の吐出時間Ｔｉの経過に合わせて、バルブＶ１を再び閉鎖し、バルブＶ２を開放する。そして、キャピラリ室圧力Ｐ２及びレギュレータ室圧力Ｐ１が維持圧Ｐｃより高い圧力Ｐｃ’にて平衡した後、バルブＶ２を閉じる。次に、第２段階として、レギュレータ指示圧を維持圧Ｐｃ生成用圧力ＰＬに変更した上でバルブＶ１を開放することにより、レギュレータ室圧力Ｐ１をＰＬまで低下させる。そして、バルブＶ１を再び閉鎖し、バルブＶ２を開放する。そして、キャピラリ室圧力Ｐ２及びレギュレータ室圧力Ｐ１が維持圧Ｐｃにて平衡した後、バルブＶ２を閉じる。これにより一度の吐出、すなわち、１つの空気圧パルスの生成が完了する。
【００３８】
図１２は、図１１に従った二段階降圧時のキャピラリ室圧力Ｐ２の変化を例示している。Ｐ２を吐出圧ＰｉからＰｃ’まで降圧する第１段階においては、特にＰｃ’が維持圧Ｐｃに近いとき、かなりの減衰振動が発生するが、Ｐｃ’（故にＰＬ’）を適切に選択することにより、第１段階におけるＰ２の最小値を維持圧Ｐｃ以上にすることができる。例えば、振動の最大振幅が約１ｋＰａである図３の例においては、Ｐｃ’がＰｃ＋１ｋＰａ程度になるようにＰＬ’を選択し得る。一方、Ｐ２をＰｃ’から維持圧Ｐｃまで降圧する第２段階においては、特にＰｃ’が維持圧Ｐｃに近いとき、減衰振動の振幅は小さいものとなる。これにより、吸込み圧の発生を抑制あるいは回避することが可能である。
【００３９】
図１１及び図１２においては、空気圧パルスの降圧時のバルブＶ１及びＶ２それぞれの開閉動作を２回にする二段階降圧について説明したが、これをさらに三段階以上の多段階に増加させることにより、空気圧振動を更に低減することが可能である。
【００４０】
次に、図１３−図１５を用いて第４の実施例を説明する。図１３に示すように、本実施例に係る吐出機構７０は、吸込み圧抑制部として、図１０の多段階降圧制御回路６１とは異なる多段階降圧制御回路７１を有する。多段階降圧制御回路７１は、仕切りバルブ１５（Ｖ２）に結合され、図６に示した制御回路１８によるバルブＶ２の制御に変更を加えてバルブＶ２の短時間の開放と閉鎖とを繰り返すことにより、キャピラリ室１１の圧力Ｐ２を多段階に分けて降圧する。なお、多段階降圧制御回路７１は、図１３においては制御回路１８と別個の回路として示されているが、制御回路１８と一体化されていてもよい。
【００４１】
図１４は、一例として、吐出圧Ｐｉにある圧力Ｐ２を二段階に分けて維持圧Ｐｃに低下させるための、第４の実施例に従ったタイミングチャートを示している。第１段階として、所定の吐出時間Ｔｉが経過した時刻ｔ１にて、バルブＶ２を開放する。レギュレータ室圧力Ｐ１は吐出時間Ｔｉ中に維持圧Ｐｃ生成用圧力ＰＬに制御されており、このバルブＶ２の開放により、圧力Ｐ１及びＰ２のそれぞれは維持圧Ｐｃに向かって変化し始める。しかし、本実施例においては、Ｐ１及びＰ２がＰｃに達する前の時刻ｔ１にて、バルブＶ２を閉鎖する。次に、第２段階として、時刻ｔ２から或る一定時間（例えば、数１０ｍｓ）経過してＰ１及びＰ２がそれぞれの定常状態での圧力Ｐｃ１’及びＰｃ２’に達した時刻ｔ３にて、バルブＶ２を開放する。そして、キャピラリ室圧力Ｐ２及びレギュレータ室圧力Ｐ１が維持圧Ｐｃにて平衡した後の時刻ｔ４にて、バルブＶ２を再び閉鎖する。これにより一度の吐出、すなわち、１つの空気圧パルスの生成が完了する。
【００４２】
図１５は、図１４に従った二段階降圧時のキャピラリ室圧力Ｐ２の変化波形（実線）を例示している。図１５はまた、図３に示した吸込み圧抑制部を用いない場合のＰ２変化（破線）を示している。時刻ｔ１にて仕切りバルブＶ２を開放することにより、キャピラリ室圧力Ｐ２は低下し始める。Ｐ２が維持圧Ｐｃより高いレベルにある時刻ｔ２にてバルブＶ２を閉鎖することにより、吐出状態においてキャピラリ室内にあった空気は十分に流出しないうちにキャピアリ室１１に閉じ込められる。このとき、キャピラリ室１１とレギュレータ室１２との間での空気の往復移動は行われず、Ｐ２は大きな空気圧振動を伴うことなく維持圧Ｐｃより高い圧力Ｐｃ２’で定常状態となる。時刻ｔ３にて、再びバルブＶ２を開放することにより、Ｐ２はＰｃ２’から維持圧Ｐｃまで低下するが、このとき、降圧量は小さいため大きな空気圧振動は発生しない。これにより、吸込み圧の発生を抑制あるいは回避することが可能である。
【００４３】
図１４及び図１５においては、空気圧パルスの降圧時のバルブＶ２の開閉動作を２回にする二段階降圧について説明したが、これをさらに三段階以上の多段階に増加させることにより、空気圧振動を更に低減することが可能である。
【００４４】
第４の実施例に係る吐出機構７０は、仕切りバルブ１５（Ｖ２）の開閉のみを複数回にすればよく、第３の実施例に係る吐出機構６０と比較して制御が容易になり得る。また、吐出機構７０による空気圧パルスの降圧においては、途中段階（例えば、第１段階）にてレギュレータ室圧力Ｐ１とキャピラリ室圧力Ｐ２とがそれらの間での平衡状態に達する必要がなく、吐出機構６０による降圧と比較して降圧期間の増大を抑制することが可能である。
【００４５】
続いて、図１６−図１８を用いて第５の実施例を説明する。図１６に示すように、本実施例に係る吐出機構８０は、吸込み圧抑制部として、仕切りバルブ１５（Ｖ２）に対するコンダクタンス制御部８１を有する。本実施例は、下降期間の長さを除いて、図６に示したレギュレータ及びバルブＶ１及びＶ２の制御に対して変更を加えることなく、空気圧振動を抑制する。
【００４６】
図１７は、コンダクタンス制御部８１による仕切りバルブ１５（Ｖ２）のコンダクタンス制御と、そのときのキャピラリ室圧力Ｐ２の変化波形を示している。空気圧パルス降圧時のバルブＶ２のコンダクタンスを、昇圧時のコンダクタンスより小さく制御することにより、降圧時の空気圧変化の傾きを昇圧時の傾きより小さくすることができる。これは、キャピラリ室１１とレギュレータ室１２との間での単位時間当たりの空気の移動量が低減されることを意味する。従って、空気による慣性作用が緩和され、空気圧の減衰振動ひいては吸込み圧力の発生を抑制あるいは回避することが可能になる。
【００４７】
なお、コンダクタンス制御部８１は、図１６においては仕切りバルブ１５（Ｖ２）と別個の要素として示されているが、仕切りバルブＶ２と一体化されていてもよい。図１８は、コンダクタンス制御部８１と仕切りバルブＶ２とが、コンダクタンス可変バルブ１５’として一体化された場合の一例を示している。図１８に示したコンダクタンス可変バルブ１５’は具体的にはニードルバルブである。ニードルバルブ１５’（Ｖ２）のコンダクタンスは、ニードル８２をアクチュエータ８３によって移動させることで制御することができ、ニードル８２は空気圧パルスの降圧時において、空気の通路を昇圧時においてより狭くする位置に移動される。また、ニードルバルブ１５’のコンダクタンスをゼロにすること、すなわち、該バルブを閉鎖することも可能である。
【００４８】
様々な実施例により説明したように、実施形態によれば、空気圧パルスの降圧時の瞬時的な吸込み圧の発生が抑制あるいは回避され、キャピラリ針への培地又はゴミの吸込みによる針詰まりの問題が緩和あるいは解消される。そのため、針の交換頻度が低下することから、多数の細胞への連続的なマイクロインジェクションが可能となり、マイクロインジェクションの作業効率が向上する。
【００４９】
以上、実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。例えば、第１及び第２の実施例に関して説明された吸込み圧抑制部は、圧電素子に代えて、機械的な力を生成するミリ秒（ｍｓ）オーダーの制御が可能な素子又は装置を有することができる。また、様々な実施例にて説明された種々の吸込み圧抑制部は、組み合わせて使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】既知のマイクロインジェクション装置の吐出機構を示す図である。
【図２】既知の空気圧パルスの生成を説明するタイミングチャートである。
【図３】空気圧パルスの降圧部における空気圧振動及び吸込み圧を説明する圧力波形である。
【図４】空気圧パルスの吐出によるマイクロインジェクションを説明する図である。
【図５】実施形態に従ったマイクロインジェクション装置の吐出機構を示す図である。
【図６】実施形態に従った空気圧パルスの生成を説明するタイミングチャートである。
【図７】第１の実施例に係る吐出機構及び容積制御を示す図である。
【図８】第１の実施例の変形例を示す図である。
【図９】第２の実施例に係る吐出機構の一部を示す図である。
【図１０】第３の実施例に係る吐出機構を示す図である。
【図１１】第３の実施例による空気圧パルスの生成を説明するタイミングチャートである。
【図１２】第３の実施例に係る空気圧パルスの降圧部を示す図である。
【図１３】第４の実施例に係る吐出機構を示す図である。
【図１４】第４の実施例による空気圧パルスの生成を説明するタイミングチャートである。
【図１５】第４の実施例に係る空気圧パルスの降圧部を示す図である。
【図１６】第５の実施例に係る吐出機構を示す図である。
【図１７】第５の実施例に係るバルブのコンダクタンス制御を示す図である。
【図１８】コンダクタンス可変バルブの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    キャピラリ針
２    導入物質
３    導入対象
４    シャーレ
５    培地
６    ゴミ
１０、３０、５０、６０、７０、８０    吐出機構
１１、１１’    キャピラリ室
１２    レギュレータ室
１３    レギュレータ
１４    充填バルブ
１５、１５’    仕切りバルブ
１６    正圧ポンプ
１７    負圧ポンプ
１８    制御回路
２１、３１、５１、６１、７１、８１    吸込み圧抑制部
３２    サブチャンバ
３３、５３    圧電素子
３４    隔壁
４１    圧力センサ
８２    ニードル
８３    アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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