(57)【要約】    【課題】  本発明は、精度のよいマイクロアレイを安定して提供し得る液滴吐出装置を提供することを目的としている。    【解決手段】  液体を収容する液体収容部と、液体収容部より供給される液体を外部に吐出する液滴吐出手段と、液体収容部内に収容された液体を動かす流動手段と、を備える液滴吐出装置により、上記課題を解決する。このような流動手段は、例えば、液体収容部及び液滴吐出手段を運搬するキャリッジを回転又は振動させる回転子又は振動子であってもよい。また、液体収容部内に配置された撹拌子であってもよい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容する液体収容部と、
前記液体収容部より供給される液体を外部に吐出する液滴吐出手段と、
前記液体収容部内に収容された液体を動かす流動手段と、
を備えることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記流動手段が、前記液体収容部及び前記液滴吐出手段を運搬するキャリッジを回転又は振動させる回転子又は振動子である、請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記流動手段が、前記液体収容部内に配置された撹拌子である、請求項１又は請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記液体収容部が、弾性部材から構成され、密閉構造を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記液滴吐出手段が、液滴吐出ヘッドである、請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
前記液体収容部及び前記液滴吐出ヘッド内の液体に接触する部位が、生体親和性を有する材料により被覆されている、請求項５に記載の液滴吐出装置。
【請求項７】
前記液滴吐出ヘッドが、液滴を外部に吐出するための圧力を付与する加圧室と、前記加圧室から押出された液体を外部に吐出するノズルと、前記液体収容部から供給される液体を前記加圧室に供給する供給口とを有し、
前記ノズル穴及び前記供給口の口径が、１５μｍ〜１００μｍの範囲内である、請求項５又は請求項６に記載の液滴吐出装置。
【請求項８】
前記液体が、細胞又は粒子を分散させた液体である、請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項９】
前記液滴吐出装置が、細胞アレイ作製又は粒子アレイの作製に用いられる、請求項１乃至８のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の液滴吐出装置を用いて、細胞が分散された液体を基板上に吐出して細胞アレイを製造することを特徴とする細胞アレイの製造方法。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれかに記載の液滴吐出装置を用いて、粒子が分散された液体を基板上に吐出して粒子アレイを製造することを特徴とする粒子アレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式を利用した液滴吐出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＮＡの塩基配列の解読、及び遺伝子情報の機能解析を目的とした、遺伝子発現パターンのモニタリング、新規遺伝子のスクリーニングをするための技術として、ＤＮＡマイクロアレイが利用されている。このＤＮＡマイクロアレイの応用技術として、細胞マイクロアレイ及び粒子アレイといった技術が開発されており注目を集めている。このようなマイクロアレイは、例えばインクジェット方式を利用した液滴吐出装置により製造される。
【０００３】
例えば、特開２００２−３５５０２５号公報（特許文献１）には、微小液滴吐出手段によりベース基板上の所定領域に細胞スクリーニング物質を固定化し、異なる細胞スクリーニング機能を有する複数の領域を有する細胞アレイを製造する方法が開示されている。このような液滴吐出手段を用いると、細胞やマイクロビーズのような粒子を吐出することも可能であり、効率よく細胞アレイや粒子アレイを作製することができる。
【０００４】
しかしながら、試料溶液として粒子径の大きな細胞や粒子を含むものを用いるため、長時間使用しないと試料溶液を収容しているタンク内で沈降又は偏りが生じてしまう場合があった。このような試料溶液を用いた場合、溶液中に試料が均一に分散していないため、均一な密度のマイクロアレイを作製することが極めて困難であった。
【特許文献１】特開２００２−３５５０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、精度のよいマイクロアレイを安定して提供し得る液滴吐出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、液体を収容する液体収容部と、上記液体収容部より供給される液体を外部に吐出する液滴吐出手段と、上記液体収容部内に収容された液体を動かす流動手段と、を備えることを特徴とする液滴吐出装置である。
【０００７】
かかる構成によれば、液体収容部内にある液体を動かすことにより、液体中に含まれる成分を分散させることが可能となる。したがって、精度のよいマイクロアレイを安定して供給することが可能となる。
【０００８】
上記流動手段が、上記液体収容部及び上記液滴吐出手段を運搬するキャリッジを回転又は振動させる回転子又は振動子であることが好ましい。これによれば、液体を回転又は振動することにより、液体中に含まれる成分を分散させることが可能となる。
【０００９】
上記流動手段が、上記液体収容部内に配置された撹拌子であることが好ましい。これによれば、液体を効率よく撹拌することが可能となる。
【００１０】
上記液体収容部が、弾性部材から構成され、密閉構造を有することが好ましい。これによれば、液体収容部が密閉構造を有するので、液体を動かした場合においても、液体がこぼれることがなく、貴重な液体の損失を防止することが可能となる。
【００１１】
上記液滴吐出手段が、液滴吐出ヘッドであることが好ましい。これによれば、精度よく簡便に液体を吐出することが可能となる。
【００１２】
上記液体収容部及び上記液滴吐出ヘッド内の液体に接触する部位が、生体親和性を有する材料により被覆されていることが好ましい。これによれば、タンパク質、細胞等の生体試料を含む溶液を用いた場合においても、生体試料の変質等を防止することが可能となる。
【００１３】
上記液滴吐出ヘッドが、液滴を外部に吐出するための圧力を付与する加圧室と、上記加圧室から押出された液体を外部に吐出するノズルと、上記液体収容部から供給される液体を上記加圧室に供給する供給口とを有し、上記ノズル穴及び上記供給口の口径が、１５μｍ〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。例えば、試料に細胞又は粒子を用いる場合には、上記口径であると吐出ばらつきがなく良好に吐出し得る。
【００１４】
上記液体としては、例えば細胞又は粒子を分散させた液体が用いられる。本発明の液滴吐出装置は、このような粒子径の大きい成分を用いた場合に特に好適である。
【００１５】
上記液滴吐出装置は、細胞アレイ作製又は粒子アレイの作製に特に好適に用いられる。本発明の液滴吐出装置は、このような粒子径の大きい成分を用いた場合に特に好適である。
【００１６】
本発明の第２の態様は、上記いずれかに記載の液滴吐出装置を用いて、細胞が分散された液体を基板上に吐出して細胞アレイを製造することを特徴とする細胞アレイの製造方法である。これによれば、精度のよい細胞アレイを安定して提供し得る。
【００１７】
本発明の第３の態様は、上記いずれかに記載の液滴吐出装置を用いて、粒子が分散された液体を基板上に吐出して粒子アレイを製造することを特徴とする粒子アレイの製造方法である。これによれば、精度のよい粒子アレイを安定して提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
（第一の実施形態）  
【００１９】
図１は、第一の実施形態に係る液滴吐出装置を説明するための図である。
図１に示すように、本実施形態の液滴吐出装置１００は、液滴吐出ヘッドとタンクが一体的に形成されたカートリッジ２００、カートリッジ２００を運搬するキャリッジ３００、基板を載置するテーブル１０３、及び制御部４００を含み構成されている。なお、カートリッジ２００及びテーブル１０３は、例えば、タイミングベルト機構やボールネジ機構等を用いて数値制御方式等により移動させることができる。
【００２０】
本実施形態においては、液体を動かす流動手段がキャリッジ３００及びキャリッジ３００を支える支持部材３０１に取り付けられている。
【００２１】
カートリッジ２００は、液滴吐出手段としての液滴吐出ヘッドと液体を収容する液体収容部としてのタンクが一体的に構成された構造を有している。
【００２２】
図２に、本実施形態に用いられるカートリッジ２００の構造を示す。    
【００２３】
図２に示すように、カートリッジ２００は液体収容部２１０及び液滴吐出ヘッド２２０から要部が構成されている。
【００２４】
液体収容部（リザーバタンク）２１０は、液体収容部２１０内に収容された液体の動きによっても液漏れが起こらないように密閉された構造を有している。液体収容部２１０は、液体収容部２１０内の液の減少に伴って変形し得る素材より構成されていることが好ましい。具体的には、ゴム等の弾性部材から構成されることが好ましい。これによれば、収容する液体の減少に伴い形状を変形し得るので、内圧を一定に保ち、吐出量を安定化することが可能となる。
【００２５】
液滴吐出ヘッド２２０は、液体収容部２１０から供給される液体をノズルから液滴を外部に吐出するものである。液滴吐出ヘッド１２は、静電方式、圧電方式、サーマル方式のいずれの方式を採るものであってもよい。但し、生体試料を使用する場合には、生体試料への熱による影響を防止し得るという観点から、静電駆動方式または圧電方式を採用することが好ましい。これらの方式によれば、例えば、試料溶液中に熱により変性等しやすい生体分子等が含まれる場合にも、このような生体分子等にダメージを与えることなく、基板表面上に安定した吐出が可能となる。
【００２６】
図３に、本実施形態に用いられる液滴吐出ヘッドの一例を示す。図３（ａ）は、液滴吐出ヘッドの構造を説明するための分解斜視図であり、図３（ｂ）は、液滴吐出ヘッドの断面構造を説明するための図である。
【００２７】
図３に示すように、液滴吐出ヘッド２２０は、表面に電極が設けられた第一の基板２２１と、第一の基板２２１と接合される加圧室を有する第二の基板２２２と、第二の基板２２１の他面側に接合される第三の基板２２３とから要部が構成される。
【００２８】
液滴吐出ヘッド２２０は、第一の基板２２１上に設けられた電極の電位差に対応する静電力によって、第二の基板２２２に設けられた加圧室２２４底部に位置する振動板を変位させ、加圧室２２４内に圧力を付与することで液体を吐出する。
【００２９】
液滴を外部に吐出するノズル開口２２６及び液体収容部２１０から供給される液体を加圧室２２４に供給する供給口２２７の大きさ（口径）は、２μｍ〜１０μｍ程度の大きさの物質（例：細胞又は粒子）を吐出する場合には、１５μｍ〜１００μｍであることが好ましい。ノズル開口２２６及び供給口２２７が１５μｍより小さいと、細胞又は粒子がノズルに詰まり易くなる傾向にある。また、ノズル開口２２６及び供給口２２７が１００μｍより大きいと吐出量が多くなり微小なスポットの形成が困難となる傾向にある。
【００３０】
本実施形態に用いられる液滴吐出ヘッド２２０は、複数の加圧室、ノズル、及びこれらを繋ぐ流路を一の基板上に備えているので、一括して加工することができ、簡略な工程で得られるという利点がある。
【００３１】
本実施形態において用いられる液体が生体試料溶液である場合には、液体収容部２１０及び液滴吐出ヘッド２２０内の生体試料溶液と接触する部位には、生体試料の壁面への付着を防止し、生体試料の劣化等を防止し得るコーティング膜が形成されていることが好ましい。このようなコーティング膜としては、例えばポリエチレングリコール、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン等からなる親水性ポリマー材料を用いることができる。
【００３２】
キャリッジ３００は、カートリッジ２００を搭載してｘ軸方向に往復移動させるものである。キャリッジ３００には、カートリッジ２００内に収容された液体を流動化させ、液体中に含まれる生体試料などの成分を分散し得るように構成されている。具体的には、図４に示すような構造を有している。
【００３３】
図４に、キャリッジを回転させる方法を説明する図を示す。
【００３４】
キャリッジ３００は、キャリッジ３００をｘ軸方向に往復移動させるための図示しない移動手段に固定化された支持部材３０１に対して回転自在に取り付けられている。支持部材３０１上にはキャリッジ３００を回転させるための回転子（ロータ）を含むモータ３０２ａが取り付けられており、コンピュータ（ＣＰＵ）より構成される制御部４００によりモータ３０２ａの動作が制御される。
【００３５】
モータ３０２ａからの動力は、モータ３０２ａの出力軸３０３から図示しない歯車機構等の伝達手段を介してキャリッジ３００に伝えられる。
【００３６】
このようなキャリッジ３００の回転操作は、液滴吐出装置１００の吐出間の休止時に行われる。
【００３７】
このような液滴吐出装置１００を用い、種々の試料溶液をアレイ用基板に吐出することで種々のマイクロアレイを製造し得る。例えば、試料溶液として細胞を含む溶液を用いた場合には、細胞アレイを製造し得る。また、ポリスチレン、シリカ、ラテックス、磁性ビーズ等の粒子（ビーズ）を含む溶液を使用した場合には、粒子アレイを製造し得る。
【００３８】
なお、本例においては、液滴吐出ヘッド２２０は、静電駆動方式のものを挙げたが、これに限らず、ピエゾ方式を用いてもよい。この場合にも発熱を併有しないので、熱による試料溶液の変性等を防止し得る。
【００３９】
また、モータ３０２ａから動力を伝達する伝達手段としては歯車機構を挙げたが、これに限定されずベルト伝動によってもよい。
【００４０】
また、本例においては、キャリッジ３００を支持部材３０１を中心に回転させる例について挙げたが、これに限定されず支持部材３０１を中心に振り子状に揺動させてもよい。
【００４１】
また、液滴吐出装置１００の液体吐出時においては、製造するアレイの精度を高めるために液滴吐出ヘッド２２０は支持部材３０１に対し固定されていることが好ましい。したがって、液滴吐出時においては液滴吐出ヘッド２２０を支持部材３０１に対して固定化するロック機構を備えていることが好ましい。このようなロック機構としては、従来公知の技術が用いられる。
【００４２】
本実施形態によれば、液滴吐出装置の休止時にキャリッジを回転させることで、液体収容部内の液体を動かすことにより、液体中に含まれる成分を分散させることが可能となる。したがって、製造を一旦中断し、再開した場合においても液体中の成分の沈降等を防止することができるので、精度のよいマイクロアレイを安定して供給することが可能となる。本実施形態の液滴吐出装置は、細胞アレイ、粒子アレイの作製といった、溶液を長時間放置した場合に沈降し易い試料を用いるアレイの製造に特に好適である。また、液滴吐出ヘッドの流路内がコーティング膜で覆われていることで、液体に含まれる成分が流路内壁に付着するのを防止することが可能となる。また、液滴吐出ヘッドに静電駆動方式を採用しているため、生体試料を用いた場合においても熱による影響を与えることがない。また、液体収容部が弾性部材から構成された密閉構造を有するため、液体の漏れ及び外部からの影響がなく、さらに液体収容部内の圧力を容易に保持することが可能である。  
【００４３】
（第二の実施形態）
上記第一の実施形態では、収容部内の液体を動かす流動手段として回転子を利用したが、第二の実施形態では回転子の代わりに振動子を用いる。
【００４４】
図５は、キャリッジを振動させる方法を説明するための図である。
【００４５】
図５に示すように、キャリッジ３００の両端に振動子３０２ｂを設ける。このような振動子３０２ｂとしては、例えば圧電セラミック等の圧電素子を用いることができる。具体的には、圧電セラミックを貼り付けたステンレス等の弾性部材の一端をキャリッジ３００に固定し、他端に錘を設け、圧電セラミック部に電圧を印加することにより振動を起こす。圧電セラミック部で生じた振動により錘が振動し、この振動は弾性部材との固定部を介してキャリッジ３００に伝播される。圧電セラミック部への電圧印加の制御は、ＣＰＵより構成される制御部４００により行われる。
【００４６】
第二の実施形態によれば、キャリッジを振動させることで、液体収容部内の液体を流動化させ、また、液体中に含まれる試料を分散させることが可能となるので、精度のよいマイクロアレイを安定して提供し得る。  
【００４７】
（第三の実施形態）
上記第一の実施形態では、収容部内の液体を動かす流動手段として、キャリッジを支える支持部材を中心としてキャリッジを回転させる例について説明したが、第三の実施形態では回転させる代わりに、支持部材を中心としてキャリッジを左右に平行移動させる例について説明する。
【００４８】
図６は、キャリッジを左右に平行移動させる機構を説明するための図である。
【００４９】
図６に示すように、キャリッジ３００の支持部材３０１を取付ける側面にＸ軸方向に伸びた溝部を設け、この溝部内の両端に電磁石３０２ｃを設置する。各電磁石３０２ｃは各々支持部材３０１の先端と繋がれている。支持部材３０１は磁性体から構成されているか又は少なくとも先端部に磁性体が取付けられているものが用いられる。各電磁石３０２ｃに電流を流すことにより、キャリッジ３００は支持部材３０１を中心に左右に平行移動する。電磁石３０２ｃへの通電の制御は、ＣＰＵより構成される制御部４００により行われる。
【００５０】
第三の実施形態によれば、キャリッジを左右に揺動することが可能となるので、液体を流動化させ、また、液体中の成分を分散させることが可能となるので、精度のよいマイクロアレイを安定して提供し得る。  
【００５１】
（第四の実施形態）
上記第一の実施形態ではキャリッジを回転させることにより液体収容部内の液体の流動化を図ったが、第四の実施形態では液体収容部内の液体を撹拌することで流動化させる態様について説明する。
【００５２】
図７は、磁性ビーズにより液体収容部内を撹拌する機構を説明するための図である。
【００５３】
図７に示すように、液体収容部２１０内に一又は二以上の磁性ビーズなどの磁性体３０５を予め挿入しておく。液体収容部２１０の上下方向に電磁石３０２ｃを設置し、各電磁石３０２ｃに電流を流すことにより磁性ビーズ３０５を上下運動させることができる。電磁石３０２ｃへの通電の制御は、ＣＰＵより構成される制御部４００により行われる。
【００５４】
第四の実施形態によれば、磁性ビーズ３０５により液体収容部２１０内の液体を撹拌することで、液体中に含まれる生体試料等の成分を均一に分散することが可能となる。したがって、精度のよいマイクロアレイを安定して提供し得る。
【００５５】
なお、本実施形態においては、液体収容部２１０の上下方向に電磁石を設置した例を挙げたが、これに限らず、例えば、液体収容部２１０の左右方向に電磁石を配置してもよい。
【００５６】
また、棒状の磁性体（撹拌子）を液体収容部２１０内に装入し、例えば液体収容部２１０の下方に配置された磁石を回転させることで、液体収容部２１０内の撹拌子を回転させ、液体収容部２１０内を撹拌してもよい。  
【００５７】
［実施例］
このような液滴吐出装置１００を用いたアレイの製造方法を、細胞アレイの製造方法を例に採り以下に説明する。  
【００５８】
（実施例１）
下記のように、細胞を含む試料溶液を調製した。ここで、使用する細胞としては牛由来の継体培養株の血管内皮細胞を用いた。
【００５９】
まず、シャーレで培養した培養細胞をトリプシンで処理した後、遠心分離で濃縮して全量１ｍＬの細胞浮遊液を得た。細胞係数装置を用いてこの細胞浮遊液の細胞数をカウントし、このカウントされた細胞数より希釈率を計算し、培養液で希釈して１０〜２０万個／ｍＬの濃度に調整した。
【００６０】
第一の実施形態と同様の液滴吐出装置１００を用いて、上記方法により調製した細胞浮遊液をアレイ用基板上に吐出した（図１参照）。この際、ノズル穴の口径は、最大幅が５０μｍのものを使用した。このときの液滴の大きさは、約１００〜２００ｐＬであった。１スポットに付き、１０ショットの吐出を行ったところ、細胞の数は１スポットに付き１〜５個であった。
【００６１】
その後、液滴吐出ヘッドのノズル開口面をキャップしてキャリッジを鉛直方向を含む面内で６回転／ｍｉｎの速度で回転させた。１時間後に吐出を再開したところ、１スポットあたり２〜６個の細胞が入っていることが確認できた。  
【００６２】
（比較例１）
実施例１において、キャリッジを回転させずに、液滴吐出ヘッドのノズル開口面をキャップした状態で１時間放置した。その後、吐出を再開したところ、吐出が停止してしまった。
【００６３】
液滴吐出ヘッドを構成するガラス基板を通して加圧室内部を観察したところ、細胞が沈降してノズルを塞いでいた。  
【００６４】
（実施例２）
実施例１において、細胞浮遊液の代わりにビーズを分散した懸濁液を用いた以外は実施例１と同様の方法で行った。
【００６５】
吐出する粒子は、Ｄｕｋｅ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製の粒径２μｍのホウ珪酸ガラスビーズを用いた。このビーズをリン酸緩衝液に体積比で１％分散した懸濁液を調製した。１スポットあたり１００〜１５０個のビーズが吐出されていることが確認できた。
【００６６】
その後、液滴吐出ヘッドのノズル開口面をキャップしてキャリッジを鉛直方向を含む面内で６回転／ｍｉｎの速度で回転させると同時に静電アクチュエータを振動させた。
【００６７】
１時間後に吐出を再開したところ、ビーズの数は吐出休止前とほぼ同様の範囲であった。  
【００６８】
（比較例２）
実施例２において、キャリッジを回転させずに、液滴吐出ヘッドのノズル開口面をキャップした状態で１時間放置した。その後、吐出を再開したところ、ビーズの吐出量は１０００〜２０００個に増加した。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、第一の実施形態に係る液滴吐出装置を説明するための図である。
【図２】図２は、カートリッジ２００の構造の一例を示す図である。
【図３】図３は、液滴吐出ヘッドの一例を示す図である。
【図４】図４は、キャリッジの回転方法を説明するための図である。
【図５】図５は、キャリッジを振動させる方法を説明するための図である。
【図６】図６は、キャリッジを左右に平行移動させる機構を説明するための図である。
【図７】図７は、磁性ビーズにより液体収容部内を撹拌する機構を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７０】
１００・・・液滴吐出装置、１０３・・・テーブル、２００・・・カートリッジ、２１０・・・液体収容部、２２０・・・液滴吐出ヘッド、２２１・・・第一の基板、２２２・・・第二の基板、２２３・・・第三の基板、２２４・・・加圧室、２２６・・・ノズル開口、２２７・・・供給口、３００・・・キャリッジ、３０１・・・支持部材、３０２・・・モータ、３０２・・・流動手段、３０３・・・出力軸、３０５・・・磁性ビーズ、４００・・・制御部
【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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