分注装置
【課題】
ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、試薬やサンプル液、またはその混合物である液滴を、所定量だけ精度よく分注するとともに、分注を高速化する。
【解決手段】
分注装置では、表面に共通電極が配置された第１の基板２３と、表面に駆動電極列１２９が配置された第２の電極２１とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置する。第１の基板に形成した孔５３１に、液体が供給可能なノズル１３１を挿入する。第２の基板に配置した駆動電極列は、このノズルに最も近い電極５１の外周形状が、ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有する。
ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、試薬やサンプル液、またはその混合物である液滴を、所定量だけ精度よく分注するとともに、分注を高速化する。
【解決手段】
分注装置では、表面に共通電極が配置された第１の基板２３と、表面に駆動電極列１２９が配置された第２の電極２１とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置する。第１の基板に形成した孔５３１に、液体が供給可能なノズル１３１を挿入する。第２の基板に配置した駆動電極列は、このノズルに最も近い電極５１の外周形状が、ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置に係り、特にその化学分析装置が備える分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化学分析装置に用いるＥＷＯＤ（Electrowetting on Dielectric）方式の液滴移送装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の液滴移送装置では、液滴を挟持する２枚の面の一方にだけ電極を配置し、その面上を液滴が移送される。この場合、電極が配置された面と平行に他方の面を配置し、液滴を挟持する。そして面に埋め込まれたまたは含まれる電極が、定められた手順に従って連続的に電圧の印加または停止を繰り返すことにより、ＥＷＯＤ方式による液滴移送が実行される。この公報に記載の方法によれば、種々の液滴移送方法が可能であり、例えば、２つの液滴の結合や混合、複数の液滴への分離、連続的な液のサンプリングが可能になっている。
【０００３】
液滴移送の他の例が、非特許文献１に記載されている。この文献には、μＴＡＳ（マイクロ・トータル・アナリシス）を実行するときに必要なデジタル・マイクロ流体回路を構成するために、不可欠な流体の４種の変化形態が開示されている。それらは、（１）液滴の生成、（２）液滴の移送、（３）液滴の分離、（４）液滴の結合である。これらすべてを、ＥＷＯＤで実行するために、液滴を挟持する並行平板間距離を液滴材料に応じて規定している。
【０００４】
また、非特許文献２には、システムを汚染することなくチップ上でサンプルを注入、分配、混合することが記載されている。この文献では、電極間に液溜めを形成し、この液溜めに接続した電極列を構成する電極に順次電圧を印加している。そして、液滴を電極列に沿って引き伸ばしている。その際、数電極分引き伸ばしたら、液滴の最先端に位置する電極に電圧を印加する。それとともに液溜めに形成した半円状の大電極にも電圧を印加して、液滴を引き戻す。これにより、液滴にくびれが生じ、液滴の先端に位置する電極上に液滴を分注している。
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００４／０３０８２０号パンフレット
【非特許文献１】Cho et al, “Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 12, NO. 1, pp70-80, FEBRUARY 2003
【非特許文献２】Fair et al, “Electrowetting-based On-Chip Sample Processing for Integrated Microfluidics”, IEEE Inter. Electron Devices Meeting (IEDM) 2003, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１および非特許文献1に記載のＥＷＯＤ方式による液滴移送装置では、並行平板内に設けた電極列上で液滴を移動させるので、液の移動にポンプなどの機械要素を必要とせず、機構が簡素化する。所定量の液滴を分注するため、予め分析デバイス内部の電極上に液滴を載せ、液滴が載っている電極の下流側の電極列に順次電圧を印加している。特に非特許文献２に記載のように、液滴を引き伸ばした上で上流側の電極に電圧をかけて引き戻し液体を分割するものでは、分割されて電極上に残る液滴の体積がばらつくおそれがあり、高精度の分析に適用するのが困難であった。さらに、電圧を印加する電極を切り換える際に、電圧を数段階に切り換える必要があり、分注に要する時間および電極数が増加している。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、試薬やサンプル液、またはその混合物である液滴を、所定量だけ精度よく分注することにある。本発明の他の目的は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、分注の速度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の特徴は、表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える分注装置において、前記第１、第２の基板の一方に形成した孔に挿入され液体が供給可能なノズルを有し、前記第２の基板に配置した駆動電極列はこのノズルに最も近い電極の外周形状が、前記ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有することにある。
【０００９】
そしてこの特徴において、滑らかな曲線は、円または楕円または雫形であるのが望ましく、駆動電極列は、互いに隙間をおいて配置した複数のオーバーラップ円形状であってもよい。また、駆動電極列を前記ノズルと対称位置に複数設け、この電極の最もノズル孔に近い電極の形状を雫形にし、前記第２の基板に、前記電極の雫形状と合った形状をし僅かに雫形の電極と隙間を有して配置された補助電極を有するのが好ましい。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、表面に電極列が形成された２枚の平板を互いの電極列が対向するように平行に配置したＥＷＯＤ方式の分注装置において、前記各電極列上に絶縁体膜を形成し、前記対向する電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記２枚の平板間に液体を供給する液体供給手段とを設け、一方の前記電極列の少なくとも１個の電極の外形が、滑らかな曲線部を有することにある。
【００１１】
そしてこの特徴において、前記滑らかな曲線部は、円または楕円であるのがよく、前記滑らかな曲線部を有する電極は少なくとも２個あり、この滑らかな曲線部を有する電極を隣りあわせで配置し、それら電極の中心間距離を、電極半径または短径の１．５〜１．８倍とするのがさらに好ましい。また液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心から電極半径または短径の１．５〜１．８倍の倍数だけ離れた位置に配置されているのがよく、液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心側に開口部が形成されたノズルを備えるものであってもよい。さらに、液体供給手段は、一方の前記平板に形成した穴に挿入されるノズルを有することが望ましい。
【００１２】
また上記特徴において、一方の基板に複数の電極列を形成し、前記液体供給手段をこの複数の電極列の中心部に配置し、この液体供給手段から複数の電極列に液体を供給するのが望ましく、複数の電極列は、前記液体供給手段から放射状に延びているのがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、分割される液滴の形状に応じた電極を分注部に設けたので、液滴の形状を同一化するのが容易になり、同一形状の液滴を分注できる。また、平行に配置した基板の対向する面を、サンプル液滴や試薬液滴に混じらない物質で覆ったので、分注後の洗浄が不要になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１３に、本発明に係る化学分析装置１００の一実施例の主要部を、斜視図で示す。本化学分析装置１００は、ＥＷＯＤ方式の医用自動分析装置である。ＥＷＯＤ方式では、矩形状の下部電極基板２１にほぼ平行に上部電極基板２３を配置し、下部電極基板２１と上部電極基板２３の間にわずかな隙間を形成する。そして、この隙間に導入した液滴を、電極列２１１、２１５〜２１７を駆動して移動させ、各種分析を実行する。下部電極基板２１には、矩形状の電極からなる駆動電極列２１１、２１５〜２１７が形成されている。下部電極基板２１及び上部電極基板２３は、分析デバイス２を構成する。
【００１５】
分析対象のサンプル１１を収容するサンプル収容部１５は、複数のサンプルカップ１０を有している。サンプルカップ１０は、円板状のホルダ１の外周付近に保持される。サンプルカップ１０内には、サンプル１１が収容されている。サンプル１１は、たとえば血清である。
【００１６】
サンプルホルダ１を回転駆動して、サンプル収容部１５の近傍に設けた回転ロッド３８２とアーム３８１を有するサンプル分注装置１６に、分析対象のサンプル１１が含まれたサンプルカップ１０を位置決めする。アーム３８１の先端には、ノズル３１が取り付けられており、回転ロッド３８２の回転と上下動とにより、ノズル３１がサンプルカップ１０に入り、ノズル３１に接続した図示しないポンプによりサンプル１１を吸引する。
【００１７】
サンプル１１を吸引し終えたら、回転ロッド３８２を回転させて、サンプル分注用電極２１５１上にノズル３１を位置決めし、サンプル１１を基板２１、２３間の隙間に分注する。サンプルを１回の分析に必要な量よりも多くノズル３１から吸引したとき等のために、サンプル１１注入用の電極２１５１からまっすぐに延びる搬送用の駆動電極列２１５と、この搬送用の駆動電極列２１５にほぼ平行に設けた保管用の駆動電極列２１６とが下部電極基板２１に形成されている。
【００１８】
矩形状の下部電極基板２１の一辺に沿って複数の密閉型の試薬タンク４２が配置されている。各試薬タンク４２の上部には、バルブ４４が取り付けられており、下部にはノズル４３が取り付けられている。ノズル４３は、試薬分注装置を構成する試薬４５搬送用の駆動電極列２１７付近に位置決めされている。ノズル４３から注入され電極２６２で分注されて液滴４５１となった試薬４５は、駆動電極列２１７上を移動して、電極素子２１１７に到達する。
【００１９】
一方、ノズル３１から注入されたサンプル１１は、電極２１５１で分注されて液滴となる。この液滴は、駆動電極列２１５上を移動して、駆動電極列２１５と交差する駆動電極列２１８に移り、電極２１１７上に到達する。これら２種の液滴は、電極２１１７上で混合し、四角枠状に形成されたループ電極列２１９上をたどることにより攪拌され、混合液滴４５２となって、図示しない検査部に送られる。検査部で所定の計測及び分析をした後、混合液滴４５２は排出部から廃棄される。なお、下部電極基板２１は、スペーサ２２２により複数の部分に区画され、各区画には同一の駆動電極パターンが形成されている。これにより、１対の電極基板２１、２３を使いながら、複数個のサンプルの計測及び分析が可能になる。スペーサは、電極基板２１、２３間の隙間を、所定隙間に保持するのにも使用される。また、各駆動電極列２１１、２１５〜２１９を構成する各電極には、図示しない電源から、電圧が個別に選択的に印加可能になっている。
【００２０】
このように構成した分析デバイス２の詳細を、図４に、縦断面で示す。上述したように、分析デバイス２は、２枚の光を透過する石英やガラスなどの電極基板２１、２３を有する。上側の電極基板２３には共通電極２１４が設けられており、下側の電極基板２１には、液滴駆動用の駆動電極列２１１が設けられている。駆動電極列２１１側には、絶縁薄膜としてParylen（商品名）やＳｉＯ２などの誘電体薄膜２１２を、ＣＶＤなどで形成する。この誘電体薄膜２１２の上にさらに撥水性を向上させるために、AF1601（商品名）などのフッ素系の撥水膜２１３をコーティングする。共通電極２１４側には、撥水膜２１３のみコーティングする。
【００２１】
本実施例の化学分析装置１００は、水などの誘電率の高い物質を主成分とする、たとえば血清のような液滴１２を取り扱う。この場合、液滴１２が接する駆動電極２１１１に隣り合う駆動電極２１１２に正の電圧を印加すると、液滴１２の一部がこの駆動電極２１１２上にあれば、隣の駆動電極２１１２上の液滴１２の接触角が減少する。そして、駆動電極２１１２側に液滴１２が引っ張られ、最終的に駆動電極２１１２上に液滴１２が移動する。
【００２２】
この過程を、順次隣り合う駆動電極２１１３、…で繰り返すと、液滴１２は図で左方にどんどん移動する。すなわち、液滴１２を移動させるには、各電極２１１１、２１１２、…のＯＮ／ＯＦＦを切り換えればよい。ここで、駆動電極２１１及び共通電極２１４の表面を、液滴１２の流れを円滑にするとともに、液滴１２に含まれる成分により分析デバイス２の内部が汚染されるのを防止するために、水と混じらないシリコンオイルなどのオイルで覆う。
【００２３】
ところで、サンプル液滴１１１や試薬液滴４５１を搬送するのには、矩形状の電極を使用する。ただし、試薬分注装置やサンプル分注装置にも矩形状の電極を使用すると、分注はできるものの、分注されて形成された液滴１１１、４５１の大きさを一様化するのが困難である。そこで、本発明では、電極列２１１、２１５を形成する一部の電極の外形形状を、円形とした。電極の外形形状を円形にすると、同一電極面積を有する種々の形状の電極の中では、電極の周囲長が最短になる。電圧を印加して液滴を電極上に保持する場合、液滴は電極の周囲に倣って位置しようとする。したがって、電極の周囲長が短いと、同一体積の場合、表面エネルギーが小さくなり液滴が安定する。
【００２４】
この原理を、図１を用いて説明する。同一面積でかつ正方形をした３個の駆動電極２１１５〜２１１７が、相隣り合って配置されている場合（同図（ａ））と、同一面積でかつ円形の３個の駆動電極２２１５〜２２１７が相隣り合って配置されている場合（同図（ｂ））に、液滴を分割する。両端の駆動電極２１１５、２１１７；２２１５、２２１７に電圧を印加し、中央の電極２１１６、２２１６には電圧を印加しない。両端の駆動電極２１１５、２１１７；２２１５、２２１７の濡れ性が向上して、図１でハッチングで示した部分に位置する液滴は、両端側に引き離されていく。この図１では、中央で液滴が分離する瞬間を模式的に示している。
【００２５】
液滴の周囲長は、円形電極の方が小さく表面エネルギーも小さい。一方、電極形状が円形から外れていくに従い、曲率の変化が生じて曲率変化が大きい部分で液滴の保持が難しくなる。液を導入または分割する場合に、液の形状が不安定になり、分割された液滴の液量がばらついて分注精度が低下する。
【００２６】
本発明者らが、円形の電極上で液滴を分割した結果を高速カメラで測定例を、図２に上面視で示す。同図（ａ）は、円形電極５１〜５３を直線状に配置した電極列上で、液滴が分割される瞬間の写真であり、同図（ｂ）は、分注が完了した後の写真である。ここで、隣り合う円形電極５１、５２；５２、５３の中心間の距離は、電極５１〜５３の外径の約０．７５倍である。隣り合う２つの円形電極５１、５２；５２、５３の重複部は、移動方向に平行に複数の櫛歯がかみ合って形成されている。この櫛歯部では、電極５１、５２；５２、５３間は数十μｍの隙間を設けている。したがって、電極５１、５２；５２、５３間では、導通していない。また、左側の円形電極５１と右側の円形電極５３に電圧を印加し、中央の円形電極５２には電圧を印加していない。
【００２７】
左右の円形電極５１、５３の濡れ性がよくなり、液体は左右に引き裂かれる。このとき、液体のくびれ部分１２１は、円形電極５２の中心とは異なる位置に位置している。くびれ部分１２１を含むくびれ部の外形は、円形電極５１〜５３と同じ外径の破線で示した円１２５、１２６に一致している。この仮想的な円１２５、１２６は、電極５１〜５３画形成する電極列の中心軸１２９で、接している。さらに、液体の外形をなぞった仮想的な円１２７、１２８を追加すると、この仮想的な円１２７、１２８は、それぞれ円１２５、１２６に外接する。
【００２８】
電極５１〜５３配置と液滴形成の関係を、図３を用いて説明する。この図３では、図２に示したように、電極５１〜５３を配置している。図では、電極の輪郭を実線で、液滴のくびれを含む円の形状を破線で示している。円形電極５１〜５３の輪郭を示す円１２７、１２４；１２４、１２８間の距離を、円形電極５１〜５３の半径の（√３倍）にしたときに、左右対称の安定な液滴分割が得られた。図２（ｂ）に示した写真では、液滴が直径４ｍｍの円形電極５１〜５３の形状にならって、正確に分注されている。この電極を用いた分注の繰り返し実験の結果では、画像で見る限り有意な液滴の大きさの差は見られない。
【００２９】
この実験結果からは、複数の同一外径の円形電極を用い、電極間の距離を電極外径の（√３）倍程度にすれば、正確で再現性よく分注できることが知られた。さらに、円形電極間の距離を電極外径の０．７５倍程度にしても、液を分注できることが知られた。これより、製作誤差などを考慮して、円形電極間の中心間距離を、電極外径（直径）の０．７５倍から０．９倍程度の範囲とするのが好ましい。本実施例では、液滴が切れるときの形状に沿う電極形状としているので、液滴の分割が容易になる。また、液滴の分割の再現性が向上する。
【００３０】
図５に、円形電極を用いて分注するときの分注装置における液滴の分注経過を、模式的に示す。同図（１）は、分注装置の拡大上面図であり、同図（２ａ）〜（２ｅ）は分注経過における液滴の様子を上面図で示している。ノズル１３１から、分注対象のサンプル液または試薬液が、ノズル１３１真下に位置する液引き戻し用電極５４と、この液引き戻し用電極５４の左側部に配置した半円形の半円電極５３上に注入される。液引き戻し用電極５４は、後述するその他の電極５１〜５２、５５〜５７よりは大径の円の一部を、削ぎとった形状をしている。液引き戻し用電極５４の右側部には、矩形状の排出用電極５５が液引き戻し用電極５４の内側に食い込んで配置されている。このため、液引き戻し用電極５４は、排出用電極５５とオーバーラップする部分を切り欠いている。排出用電極５５の中央部には、廃液を排出する孔５３２が形成されている。
【００３１】
半円電極と同一外形の２個の円形電極５１、５２が、半円電極５３の左側にそれぞれの外径よりも短いピッチで配置されている。したがって、円形電極５１、５２と半円電極５３は、オーバーラップ部を生じるので、半円電極５３及び円形電極５２は、オーバーラップ部を切り欠いて、２重にならないようにしている。円形電極５１のさらに左側には、円形電極の外径と辺の長さがほぼ同じ矩形電極５６、５７が配置されている。矩形電極５６と円形電極５１とのピッチは円形電極５１の外径よりも短いので、矩形電極５６は円形電極５１とオーバーラップする部分を切り欠いている。なお、各電極５１〜５７間には、わずかな隙間を形成して、互いを絶縁している。
【００３２】
半円電極５３の円の中心に対応する上側の電極基板２３（図４参照）に、貫通孔２３１を形成し、この孔２３１にノズル１３１を挿入する。ノズル１３１の先端は、上側の電極基板２１と下側の電極基板２３の間に位置する。上下の電極基板２１、２３間の隙間と円形電極５１の面積の積に２．５倍を乗じた量だけ、分注する試薬またはサンプルの液体１２を注入する。注入された液体１２は、ノズル１３１を中心に円形状に広がる（図５（２ａ））。
【００３３】
円形電極５１、５２に電圧を印加し、液体１２を左方に引き伸ばす（同図（２ｂ））。円形電極５２への電圧印加を中止する。それとともに、円形電極５１、半円電極５３および液引き戻し用電極５４に電圧を印加する。これにより円形電極５２の濡れ性が低下し、円形電極５２上で液体１２にくびれが生じる（同図（２ｃ））。この状態を継続すると、やがて液滴１２は分裂し、円形電極５１上に液滴１２１が残る（同図（２ｄ））。さらに矩形電極列５６、５７に順次電圧を印加すると、液滴１２１は左方に搬送される（同図（２ｅ））。
【００３４】
右側に残った液体１２２は、ノズル１３１に吸い戻される。もしくは、半円電極５３と液引き戻し用電極５４への電圧の印加を止め、排出用電極５５に電圧を印加する。この場合、液１２２は、排出用電極５５に引き込まれ、排出用電極５５に形成した孔２３２から外部に排出される。図示しない電極列を経由して、外部に通じる孔または電極基板２１、２３の端部に形成した液溜めから排出してもよい。本実施例によれば、残留した液体を外部に排出できるので、次に別の液体を分注するときに前の液体の混入を防止できる。なおその際、電極基板２１、２３の対向する面は、液体と混じらないオイル等で覆われているので、完全に前の液体が後の液体を汚染するのを防止できる。
【００３５】
図６に本発明に係る分注装置の他の実施例を、上面図で示す。本実施例が上記実施例と相違するのは、液戻し用電極及び排出用電極を省き、半円電極の代わりに円形電極５２と同形の円形電極５３を、円形電極５３に隣り合わせに配置したことである。上側電極基板２３では、半円電極の代わりの円形電極５３の中心に対応する位置に、ノズル１３１挿入用の孔５３１が形成されている。
【００３６】
分割された液滴１２１は、上記実施例と同様の方法（図６（２ａ）〜同図（２ｅ）参照）で生成される。一方、ノズル１３１が配置された円形基板５３上に残った液は、円形電極５３へ電圧を印加してノズル３１から吸い取る。この動作は、図６（２ｃ）の状態から開始する。このとき、円形電極５２の濡れ性が低下し、それとともに、基板２１、２３間の液量が減少して、円形電極５２で液体のくびれが促進される。本実施例によれば、ノズル１３１が残液を吸い込むので、分注に必要な電極数を少なくできる。また、分注速度が向上する。
【００３７】
本発明に係る分注装置のさらに他の実施例を、図７に上面図（同図（１））及び図７（１）のＡ−Ａ断面図（同図（２））で示す。図６に示した実施例において、ノズル１３１位置に対応する円形電極を省いている。ノズル１３１の先端の一方側にだけ切り欠き３１１を形成し、切り欠き３１１側を円形電極５２に向ける（同図（２）、（３ａ））。円形電極５２に電圧を印加すると共にノズル１３１から液体１２を注入する（同図（３ｂ））。ノズル３１から出た液体１２は徐々に円形電極５２を覆い、やがて円形電極５１に先端が及ぶ（同図（３ｃ））。このとき円形電極５１と上側電極基板２３に形成した共通電極間の静電容量を図示しない電気回路で測定する。
【００３８】
円形電極５１上の液体１２の面積に比例して静電容量が増加する。静電容量の値が設定値を超えたら、ノズル３１からの液体１２の注入を中止する。それとともに、円形電極５１に電圧を印加し、円形電極５２の電圧の印加を止める。これにより円形電極５２の濡れ性が低下し、円形電極５１に液体１２が引き付けられる。ノズル３１から液体１２が分離して液滴１２１となり円形電極５１上に残る。さらに左側の矩形電極に電圧を順次印加することにより液滴１２１を搬送し、図示しない他の箇所に搬送する。本実施例によれば、ノズルの下側の電極を省略できるので、分注に必要な電極数を少なくできる。また、分注速度を向上できる。
【００３９】
図８に、本発明に係る化学分析装置の分注装置のさらに他の実施例を、上面図（同図（１））及びＡ−Ａ断面図（同図（２））示す。図７の実施例において、さらにノズル１３１に近い側の円形電極５２を省いている。ノズル１３１の中心軸は、電極列１２９の中心線上にある。ノズル１３１の中心と、円形電極５１の中心との距離を、円形電極５１の半径の（√３）倍程度にする。図２、３で説明したように、ノズル１３１から流出した液体１２の液切れ性能が、向上する。
【００４０】
本実施例によれば、余分な液体を電極基板２１、２３間に供給することなく、液滴の分注精度を向上できる。また液滴分離時に、ノズル１３１側から余分な液体１２を吸引すれば、液滴１２１を確実に分離させることができる。さらに本実施例によれば、中央の円形電極５２を省略できるので、分注に必要な電極数が少なくて済む。また、分注速度が向上するとともに、形成される液滴と同程度の液体量だけ電極間に注入して分注するので、電極内への液体の汚染が最小限にとどめられる。
【００４１】
図９に、本発明に係る化学分析装置に用いる分注装置のさらに他の実施例を、上面図で示す。本実施例では、図２に示した写真から得られた液滴分離時の液滴形状に合わせて、電極５１、５２を形成している。すなわち、隣合う２個の５１ａ、５３ａ電極は、互いに所定間隔をおいて配置されており、その対向する側をしずく形状に延ばした円形電極となっている。２個の雫形電極５１ａ、５３ａの間では、電極５１ａ、５３ａの紙面上下方向の幅が急減し、液体が移動し難い。そこで、液体の移動をスムーズにするために、これら２個の雫形電極５１ａ、５３ａ間に、補助電極５２ａを配置する。補助電極５２ａは、雫形電極５１ａ、５３ａの雫形状に合わせている。
【００４２】
なお、補助電極５８は、雫形であることが液滴分離のためには最も望ましいが、電極５１ａ、５３ａ間を移動できる形状であれば、雫形に限るものではない。本実施例によれば、液滴が分離する寸前の形状に電極形状を合わせているので、液滴の分割が容易になる。また、再現性がよくなる。
【００４３】
液滴分離のさらに他の実施例を、図１０を用いて説明する。図１０は、分離装置のモデルである。分離用の電極は、円形電極ではなく楕円状の電極５１ｂ〜５３ｂである。電極列１２９ｂの方向に、楕円の短軸を配置する。楕円電極５１ｂ〜５３ｂを用いると、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂの中心間の距離は、楕円の短径ａの（√３）倍程度にする。なお、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂ間の距離を、楕円の短径の１．５倍程度まで狭めても、液を分割できることが知られたので、製作誤差などを考慮して、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂ間の距離を、楕円の短径の１．５倍から１．８倍程度にする。
【００４４】
本実施例によれば、楕円電極を用いても電極の曲率の変化を連続的に変化させることができ、液滴を分割するときの形状が滑らかになり、安定して分注できる。また、分注後に液滴が載った電極への電圧印加を中止すると、液滴の外形が円に戻り、隣り合う電極表面を覆う液滴の量が増す。隣り合う電極に液滴がスムーズに移行し、液滴の移動ミスが減少する。また、液滴の移動時間も短縮する。
【００４５】
本発明に係る化学分析装置に用いる分注装置のさらに他の実施例を、図１１に示す。本実施例は、図８に示した実施例を左右対称に形成するとともに、各雫形電極５１１、５１２の面積の和と上下の電極基板２３、２１間の隙間との積程度の液体１２を、ノズル１３１から注入する（図１１（２ａ）参照）。注入された液体１２は、ノズル１３１を中心に円形状に広がり、雫形電極５１１、５１２の表面の一部を覆う（同図（２ｂ））。雫形電極５１１、５１２に電圧を印加する。雫形電極の濡れ性が向上し、液体１２は左右に引き伸ばされ（同図（２ｃ））、中央で分離して２個の液滴１２１１、１２１２が生成される（同図（２ｄ））。
【００４６】
このとき、雫形電極５１１、５１２と上側電極基板２３の共通電極間の静電容量を図示しない電気回路で測定する。雫形電極５１１、５１２を覆う液体１２の面積に比例して、静電容量が増加する。静電容量の値が設定した値を超えたら、ノズル１３１からの液体１２の注入を中止する。余分な液体を供給せずに液滴を分注するので、分注精度が向上する。液滴分離時に、ノズル１３１から液体１２を吸引すれば、確実に液滴を分離できる。なお、各雫形電極５１１、５１２および矩形電極列の大きさを、左右の電極列１２９ｃ、１２９ｄで異ならせてもよい。
【００４７】
図１２に、ノズル１３１の回りに形成する電極列をさらに４個に増やした例を、上面図で示す。９０度ピッチで、４個の電極列１２９ｃ〜１２９ｆがノズル１３１回りに形成されている。ノズル１３１に最も近い電極は、雫形電極５１１〜５１４である。電極列１２９ｃは矩形電極５６１、５７１を、電極列１２９ｄは矩形電極５６２、５７２を、電極列１２９ｅは矩形電極５６３、５７３を、電極列１２９ｆは矩形電極５６４、５７４を有する。
【００４８】
本実施例によれば、１個のノズル１３１から複数方向の電極列に液滴を分注及び移動させるので、液滴の生成速度が速くなる。また、各電極列で電極サイズを変更すれば、体積の異なる液滴を生成できる。したがって、分析装置などでサンプルや試薬の混合比を容易に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】液滴の分離を説明する図。
【図２】液滴分離の実験結果を示す写真。
【図３】電極配置を説明する図。
【図４】本発明に係る化学分析装置の一実施例の縦断面図。
【図５】本発明に係る分注装置の一実施例の上面図。
【図６】本発明に係る分注装置の他の実施例の上面図。
【図７】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図及び縦断面図。
【図８】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図及び縦断面図。
【図９】本発明に係る分注装置に用いる電極の一実施例の上面図。
【図１０】電極配置を説明する図。
【図１１】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図。
【図１２】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図。
【図１３】本発明に係る化学分析装置の一実施例の主要部の斜視図。
【符号の説明】
【００５０】
１２…液滴、２１…下部電極基板、２３…上部電極基板、３１…ノズル、５１…円形電極、５２…円形電極、５３…円形電極、５３１…孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置に係り、特にその化学分析装置が備える分注装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の化学分析装置に用いるＥＷＯＤ（Electrowetting on Dielectric）方式の液滴移送装置の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の液滴移送装置では、液滴を挟持する２枚の面の一方にだけ電極を配置し、その面上を液滴が移送される。この場合、電極が配置された面と平行に他方の面を配置し、液滴を挟持する。そして面に埋め込まれたまたは含まれる電極が、定められた手順に従って連続的に電圧の印加または停止を繰り返すことにより、ＥＷＯＤ方式による液滴移送が実行される。この公報に記載の方法によれば、種々の液滴移送方法が可能であり、例えば、２つの液滴の結合や混合、複数の液滴への分離、連続的な液のサンプリングが可能になっている。
【０００３】
液滴移送の他の例が、非特許文献１に記載されている。この文献には、μＴＡＳ（マイクロ・トータル・アナリシス）を実行するときに必要なデジタル・マイクロ流体回路を構成するために、不可欠な流体の４種の変化形態が開示されている。それらは、（１）液滴の生成、（２）液滴の移送、（３）液滴の分離、（４）液滴の結合である。これらすべてを、ＥＷＯＤで実行するために、液滴を挟持する並行平板間距離を液滴材料に応じて規定している。
【０００４】
また、非特許文献２には、システムを汚染することなくチップ上でサンプルを注入、分配、混合することが記載されている。この文献では、電極間に液溜めを形成し、この液溜めに接続した電極列を構成する電極に順次電圧を印加している。そして、液滴を電極列に沿って引き伸ばしている。その際、数電極分引き伸ばしたら、液滴の最先端に位置する電極に電圧を印加する。それとともに液溜めに形成した半円状の大電極にも電圧を印加して、液滴を引き戻す。これにより、液滴にくびれが生じ、液滴の先端に位置する電極上に液滴を分注している。
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００４／０３０８２０号パンフレット
【非特許文献１】Cho et al, “Creating, Transporting, Cutting, and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation for Digital Microfluidic Circuits”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 12, NO. 1, pp70-80, FEBRUARY 2003
【非特許文献２】Fair et al, “Electrowetting-based On-Chip Sample Processing for Integrated Microfluidics”, IEEE Inter. Electron Devices Meeting (IEDM) 2003, 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１および非特許文献1に記載のＥＷＯＤ方式による液滴移送装置では、並行平板内に設けた電極列上で液滴を移動させるので、液の移動にポンプなどの機械要素を必要とせず、機構が簡素化する。所定量の液滴を分注するため、予め分析デバイス内部の電極上に液滴を載せ、液滴が載っている電極の下流側の電極列に順次電圧を印加している。特に非特許文献２に記載のように、液滴を引き伸ばした上で上流側の電極に電圧をかけて引き戻し液体を分割するものでは、分割されて電極上に残る液滴の体積がばらつくおそれがあり、高精度の分析に適用するのが困難であった。さらに、電圧を印加する電極を切り換える際に、電圧を数段階に切り換える必要があり、分注に要する時間および電極数が増加している。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、試薬やサンプル液、またはその混合物である液滴を、所定量だけ精度よく分注することにある。本発明の他の目的は、ＥＷＯＤ方式の化学分析装置において、分注の速度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の特徴は、表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える分注装置において、前記第１、第２の基板の一方に形成した孔に挿入され液体が供給可能なノズルを有し、前記第２の基板に配置した駆動電極列はこのノズルに最も近い電極の外周形状が、前記ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有することにある。
【０００９】
そしてこの特徴において、滑らかな曲線は、円または楕円または雫形であるのが望ましく、駆動電極列は、互いに隙間をおいて配置した複数のオーバーラップ円形状であってもよい。また、駆動電極列を前記ノズルと対称位置に複数設け、この電極の最もノズル孔に近い電極の形状を雫形にし、前記第２の基板に、前記電極の雫形状と合った形状をし僅かに雫形の電極と隙間を有して配置された補助電極を有するのが好ましい。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、表面に電極列が形成された２枚の平板を互いの電極列が対向するように平行に配置したＥＷＯＤ方式の分注装置において、前記各電極列上に絶縁体膜を形成し、前記対向する電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記２枚の平板間に液体を供給する液体供給手段とを設け、一方の前記電極列の少なくとも１個の電極の外形が、滑らかな曲線部を有することにある。
【００１１】
そしてこの特徴において、前記滑らかな曲線部は、円または楕円であるのがよく、前記滑らかな曲線部を有する電極は少なくとも２個あり、この滑らかな曲線部を有する電極を隣りあわせで配置し、それら電極の中心間距離を、電極半径または短径の１．５〜１．８倍とするのがさらに好ましい。また液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心から電極半径または短径の１．５〜１．８倍の倍数だけ離れた位置に配置されているのがよく、液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心側に開口部が形成されたノズルを備えるものであってもよい。さらに、液体供給手段は、一方の前記平板に形成した穴に挿入されるノズルを有することが望ましい。
【００１２】
また上記特徴において、一方の基板に複数の電極列を形成し、前記液体供給手段をこの複数の電極列の中心部に配置し、この液体供給手段から複数の電極列に液体を供給するのが望ましく、複数の電極列は、前記液体供給手段から放射状に延びているのがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、分割される液滴の形状に応じた電極を分注部に設けたので、液滴の形状を同一化するのが容易になり、同一形状の液滴を分注できる。また、平行に配置した基板の対向する面を、サンプル液滴や試薬液滴に混じらない物質で覆ったので、分注後の洗浄が不要になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１３に、本発明に係る化学分析装置１００の一実施例の主要部を、斜視図で示す。本化学分析装置１００は、ＥＷＯＤ方式の医用自動分析装置である。ＥＷＯＤ方式では、矩形状の下部電極基板２１にほぼ平行に上部電極基板２３を配置し、下部電極基板２１と上部電極基板２３の間にわずかな隙間を形成する。そして、この隙間に導入した液滴を、電極列２１１、２１５〜２１７を駆動して移動させ、各種分析を実行する。下部電極基板２１には、矩形状の電極からなる駆動電極列２１１、２１５〜２１７が形成されている。下部電極基板２１及び上部電極基板２３は、分析デバイス２を構成する。
【００１５】
分析対象のサンプル１１を収容するサンプル収容部１５は、複数のサンプルカップ１０を有している。サンプルカップ１０は、円板状のホルダ１の外周付近に保持される。サンプルカップ１０内には、サンプル１１が収容されている。サンプル１１は、たとえば血清である。
【００１６】
サンプルホルダ１を回転駆動して、サンプル収容部１５の近傍に設けた回転ロッド３８２とアーム３８１を有するサンプル分注装置１６に、分析対象のサンプル１１が含まれたサンプルカップ１０を位置決めする。アーム３８１の先端には、ノズル３１が取り付けられており、回転ロッド３８２の回転と上下動とにより、ノズル３１がサンプルカップ１０に入り、ノズル３１に接続した図示しないポンプによりサンプル１１を吸引する。
【００１７】
サンプル１１を吸引し終えたら、回転ロッド３８２を回転させて、サンプル分注用電極２１５１上にノズル３１を位置決めし、サンプル１１を基板２１、２３間の隙間に分注する。サンプルを１回の分析に必要な量よりも多くノズル３１から吸引したとき等のために、サンプル１１注入用の電極２１５１からまっすぐに延びる搬送用の駆動電極列２１５と、この搬送用の駆動電極列２１５にほぼ平行に設けた保管用の駆動電極列２１６とが下部電極基板２１に形成されている。
【００１８】
矩形状の下部電極基板２１の一辺に沿って複数の密閉型の試薬タンク４２が配置されている。各試薬タンク４２の上部には、バルブ４４が取り付けられており、下部にはノズル４３が取り付けられている。ノズル４３は、試薬分注装置を構成する試薬４５搬送用の駆動電極列２１７付近に位置決めされている。ノズル４３から注入され電極２６２で分注されて液滴４５１となった試薬４５は、駆動電極列２１７上を移動して、電極素子２１１７に到達する。
【００１９】
一方、ノズル３１から注入されたサンプル１１は、電極２１５１で分注されて液滴となる。この液滴は、駆動電極列２１５上を移動して、駆動電極列２１５と交差する駆動電極列２１８に移り、電極２１１７上に到達する。これら２種の液滴は、電極２１１７上で混合し、四角枠状に形成されたループ電極列２１９上をたどることにより攪拌され、混合液滴４５２となって、図示しない検査部に送られる。検査部で所定の計測及び分析をした後、混合液滴４５２は排出部から廃棄される。なお、下部電極基板２１は、スペーサ２２２により複数の部分に区画され、各区画には同一の駆動電極パターンが形成されている。これにより、１対の電極基板２１、２３を使いながら、複数個のサンプルの計測及び分析が可能になる。スペーサは、電極基板２１、２３間の隙間を、所定隙間に保持するのにも使用される。また、各駆動電極列２１１、２１５〜２１９を構成する各電極には、図示しない電源から、電圧が個別に選択的に印加可能になっている。
【００２０】
このように構成した分析デバイス２の詳細を、図４に、縦断面で示す。上述したように、分析デバイス２は、２枚の光を透過する石英やガラスなどの電極基板２１、２３を有する。上側の電極基板２３には共通電極２１４が設けられており、下側の電極基板２１には、液滴駆動用の駆動電極列２１１が設けられている。駆動電極列２１１側には、絶縁薄膜としてParylen（商品名）やＳｉＯ２などの誘電体薄膜２１２を、ＣＶＤなどで形成する。この誘電体薄膜２１２の上にさらに撥水性を向上させるために、AF1601（商品名）などのフッ素系の撥水膜２１３をコーティングする。共通電極２１４側には、撥水膜２１３のみコーティングする。
【００２１】
本実施例の化学分析装置１００は、水などの誘電率の高い物質を主成分とする、たとえば血清のような液滴１２を取り扱う。この場合、液滴１２が接する駆動電極２１１１に隣り合う駆動電極２１１２に正の電圧を印加すると、液滴１２の一部がこの駆動電極２１１２上にあれば、隣の駆動電極２１１２上の液滴１２の接触角が減少する。そして、駆動電極２１１２側に液滴１２が引っ張られ、最終的に駆動電極２１１２上に液滴１２が移動する。
【００２２】
この過程を、順次隣り合う駆動電極２１１３、…で繰り返すと、液滴１２は図で左方にどんどん移動する。すなわち、液滴１２を移動させるには、各電極２１１１、２１１２、…のＯＮ／ＯＦＦを切り換えればよい。ここで、駆動電極２１１及び共通電極２１４の表面を、液滴１２の流れを円滑にするとともに、液滴１２に含まれる成分により分析デバイス２の内部が汚染されるのを防止するために、水と混じらないシリコンオイルなどのオイルで覆う。
【００２３】
ところで、サンプル液滴１１１や試薬液滴４５１を搬送するのには、矩形状の電極を使用する。ただし、試薬分注装置やサンプル分注装置にも矩形状の電極を使用すると、分注はできるものの、分注されて形成された液滴１１１、４５１の大きさを一様化するのが困難である。そこで、本発明では、電極列２１１、２１５を形成する一部の電極の外形形状を、円形とした。電極の外形形状を円形にすると、同一電極面積を有する種々の形状の電極の中では、電極の周囲長が最短になる。電圧を印加して液滴を電極上に保持する場合、液滴は電極の周囲に倣って位置しようとする。したがって、電極の周囲長が短いと、同一体積の場合、表面エネルギーが小さくなり液滴が安定する。
【００２４】
この原理を、図１を用いて説明する。同一面積でかつ正方形をした３個の駆動電極２１１５〜２１１７が、相隣り合って配置されている場合（同図（ａ））と、同一面積でかつ円形の３個の駆動電極２２１５〜２２１７が相隣り合って配置されている場合（同図（ｂ））に、液滴を分割する。両端の駆動電極２１１５、２１１７；２２１５、２２１７に電圧を印加し、中央の電極２１１６、２２１６には電圧を印加しない。両端の駆動電極２１１５、２１１７；２２１５、２２１７の濡れ性が向上して、図１でハッチングで示した部分に位置する液滴は、両端側に引き離されていく。この図１では、中央で液滴が分離する瞬間を模式的に示している。
【００２５】
液滴の周囲長は、円形電極の方が小さく表面エネルギーも小さい。一方、電極形状が円形から外れていくに従い、曲率の変化が生じて曲率変化が大きい部分で液滴の保持が難しくなる。液を導入または分割する場合に、液の形状が不安定になり、分割された液滴の液量がばらついて分注精度が低下する。
【００２６】
本発明者らが、円形の電極上で液滴を分割した結果を高速カメラで測定例を、図２に上面視で示す。同図（ａ）は、円形電極５１〜５３を直線状に配置した電極列上で、液滴が分割される瞬間の写真であり、同図（ｂ）は、分注が完了した後の写真である。ここで、隣り合う円形電極５１、５２；５２、５３の中心間の距離は、電極５１〜５３の外径の約０．７５倍である。隣り合う２つの円形電極５１、５２；５２、５３の重複部は、移動方向に平行に複数の櫛歯がかみ合って形成されている。この櫛歯部では、電極５１、５２；５２、５３間は数十μｍの隙間を設けている。したがって、電極５１、５２；５２、５３間では、導通していない。また、左側の円形電極５１と右側の円形電極５３に電圧を印加し、中央の円形電極５２には電圧を印加していない。
【００２７】
左右の円形電極５１、５３の濡れ性がよくなり、液体は左右に引き裂かれる。このとき、液体のくびれ部分１２１は、円形電極５２の中心とは異なる位置に位置している。くびれ部分１２１を含むくびれ部の外形は、円形電極５１〜５３と同じ外径の破線で示した円１２５、１２６に一致している。この仮想的な円１２５、１２６は、電極５１〜５３画形成する電極列の中心軸１２９で、接している。さらに、液体の外形をなぞった仮想的な円１２７、１２８を追加すると、この仮想的な円１２７、１２８は、それぞれ円１２５、１２６に外接する。
【００２８】
電極５１〜５３配置と液滴形成の関係を、図３を用いて説明する。この図３では、図２に示したように、電極５１〜５３を配置している。図では、電極の輪郭を実線で、液滴のくびれを含む円の形状を破線で示している。円形電極５１〜５３の輪郭を示す円１２７、１２４；１２４、１２８間の距離を、円形電極５１〜５３の半径の（√３倍）にしたときに、左右対称の安定な液滴分割が得られた。図２（ｂ）に示した写真では、液滴が直径４ｍｍの円形電極５１〜５３の形状にならって、正確に分注されている。この電極を用いた分注の繰り返し実験の結果では、画像で見る限り有意な液滴の大きさの差は見られない。
【００２９】
この実験結果からは、複数の同一外径の円形電極を用い、電極間の距離を電極外径の（√３）倍程度にすれば、正確で再現性よく分注できることが知られた。さらに、円形電極間の距離を電極外径の０．７５倍程度にしても、液を分注できることが知られた。これより、製作誤差などを考慮して、円形電極間の中心間距離を、電極外径（直径）の０．７５倍から０．９倍程度の範囲とするのが好ましい。本実施例では、液滴が切れるときの形状に沿う電極形状としているので、液滴の分割が容易になる。また、液滴の分割の再現性が向上する。
【００３０】
図５に、円形電極を用いて分注するときの分注装置における液滴の分注経過を、模式的に示す。同図（１）は、分注装置の拡大上面図であり、同図（２ａ）〜（２ｅ）は分注経過における液滴の様子を上面図で示している。ノズル１３１から、分注対象のサンプル液または試薬液が、ノズル１３１真下に位置する液引き戻し用電極５４と、この液引き戻し用電極５４の左側部に配置した半円形の半円電極５３上に注入される。液引き戻し用電極５４は、後述するその他の電極５１〜５２、５５〜５７よりは大径の円の一部を、削ぎとった形状をしている。液引き戻し用電極５４の右側部には、矩形状の排出用電極５５が液引き戻し用電極５４の内側に食い込んで配置されている。このため、液引き戻し用電極５４は、排出用電極５５とオーバーラップする部分を切り欠いている。排出用電極５５の中央部には、廃液を排出する孔５３２が形成されている。
【００３１】
半円電極と同一外形の２個の円形電極５１、５２が、半円電極５３の左側にそれぞれの外径よりも短いピッチで配置されている。したがって、円形電極５１、５２と半円電極５３は、オーバーラップ部を生じるので、半円電極５３及び円形電極５２は、オーバーラップ部を切り欠いて、２重にならないようにしている。円形電極５１のさらに左側には、円形電極の外径と辺の長さがほぼ同じ矩形電極５６、５７が配置されている。矩形電極５６と円形電極５１とのピッチは円形電極５１の外径よりも短いので、矩形電極５６は円形電極５１とオーバーラップする部分を切り欠いている。なお、各電極５１〜５７間には、わずかな隙間を形成して、互いを絶縁している。
【００３２】
半円電極５３の円の中心に対応する上側の電極基板２３（図４参照）に、貫通孔２３１を形成し、この孔２３１にノズル１３１を挿入する。ノズル１３１の先端は、上側の電極基板２１と下側の電極基板２３の間に位置する。上下の電極基板２１、２３間の隙間と円形電極５１の面積の積に２．５倍を乗じた量だけ、分注する試薬またはサンプルの液体１２を注入する。注入された液体１２は、ノズル１３１を中心に円形状に広がる（図５（２ａ））。
【００３３】
円形電極５１、５２に電圧を印加し、液体１２を左方に引き伸ばす（同図（２ｂ））。円形電極５２への電圧印加を中止する。それとともに、円形電極５１、半円電極５３および液引き戻し用電極５４に電圧を印加する。これにより円形電極５２の濡れ性が低下し、円形電極５２上で液体１２にくびれが生じる（同図（２ｃ））。この状態を継続すると、やがて液滴１２は分裂し、円形電極５１上に液滴１２１が残る（同図（２ｄ））。さらに矩形電極列５６、５７に順次電圧を印加すると、液滴１２１は左方に搬送される（同図（２ｅ））。
【００３４】
右側に残った液体１２２は、ノズル１３１に吸い戻される。もしくは、半円電極５３と液引き戻し用電極５４への電圧の印加を止め、排出用電極５５に電圧を印加する。この場合、液１２２は、排出用電極５５に引き込まれ、排出用電極５５に形成した孔２３２から外部に排出される。図示しない電極列を経由して、外部に通じる孔または電極基板２１、２３の端部に形成した液溜めから排出してもよい。本実施例によれば、残留した液体を外部に排出できるので、次に別の液体を分注するときに前の液体の混入を防止できる。なおその際、電極基板２１、２３の対向する面は、液体と混じらないオイル等で覆われているので、完全に前の液体が後の液体を汚染するのを防止できる。
【００３５】
図６に本発明に係る分注装置の他の実施例を、上面図で示す。本実施例が上記実施例と相違するのは、液戻し用電極及び排出用電極を省き、半円電極の代わりに円形電極５２と同形の円形電極５３を、円形電極５３に隣り合わせに配置したことである。上側電極基板２３では、半円電極の代わりの円形電極５３の中心に対応する位置に、ノズル１３１挿入用の孔５３１が形成されている。
【００３６】
分割された液滴１２１は、上記実施例と同様の方法（図６（２ａ）〜同図（２ｅ）参照）で生成される。一方、ノズル１３１が配置された円形基板５３上に残った液は、円形電極５３へ電圧を印加してノズル３１から吸い取る。この動作は、図６（２ｃ）の状態から開始する。このとき、円形電極５２の濡れ性が低下し、それとともに、基板２１、２３間の液量が減少して、円形電極５２で液体のくびれが促進される。本実施例によれば、ノズル１３１が残液を吸い込むので、分注に必要な電極数を少なくできる。また、分注速度が向上する。
【００３７】
本発明に係る分注装置のさらに他の実施例を、図７に上面図（同図（１））及び図７（１）のＡ−Ａ断面図（同図（２））で示す。図６に示した実施例において、ノズル１３１位置に対応する円形電極を省いている。ノズル１３１の先端の一方側にだけ切り欠き３１１を形成し、切り欠き３１１側を円形電極５２に向ける（同図（２）、（３ａ））。円形電極５２に電圧を印加すると共にノズル１３１から液体１２を注入する（同図（３ｂ））。ノズル３１から出た液体１２は徐々に円形電極５２を覆い、やがて円形電極５１に先端が及ぶ（同図（３ｃ））。このとき円形電極５１と上側電極基板２３に形成した共通電極間の静電容量を図示しない電気回路で測定する。
【００３８】
円形電極５１上の液体１２の面積に比例して静電容量が増加する。静電容量の値が設定値を超えたら、ノズル３１からの液体１２の注入を中止する。それとともに、円形電極５１に電圧を印加し、円形電極５２の電圧の印加を止める。これにより円形電極５２の濡れ性が低下し、円形電極５１に液体１２が引き付けられる。ノズル３１から液体１２が分離して液滴１２１となり円形電極５１上に残る。さらに左側の矩形電極に電圧を順次印加することにより液滴１２１を搬送し、図示しない他の箇所に搬送する。本実施例によれば、ノズルの下側の電極を省略できるので、分注に必要な電極数を少なくできる。また、分注速度を向上できる。
【００３９】
図８に、本発明に係る化学分析装置の分注装置のさらに他の実施例を、上面図（同図（１））及びＡ−Ａ断面図（同図（２））示す。図７の実施例において、さらにノズル１３１に近い側の円形電極５２を省いている。ノズル１３１の中心軸は、電極列１２９の中心線上にある。ノズル１３１の中心と、円形電極５１の中心との距離を、円形電極５１の半径の（√３）倍程度にする。図２、３で説明したように、ノズル１３１から流出した液体１２の液切れ性能が、向上する。
【００４０】
本実施例によれば、余分な液体を電極基板２１、２３間に供給することなく、液滴の分注精度を向上できる。また液滴分離時に、ノズル１３１側から余分な液体１２を吸引すれば、液滴１２１を確実に分離させることができる。さらに本実施例によれば、中央の円形電極５２を省略できるので、分注に必要な電極数が少なくて済む。また、分注速度が向上するとともに、形成される液滴と同程度の液体量だけ電極間に注入して分注するので、電極内への液体の汚染が最小限にとどめられる。
【００４１】
図９に、本発明に係る化学分析装置に用いる分注装置のさらに他の実施例を、上面図で示す。本実施例では、図２に示した写真から得られた液滴分離時の液滴形状に合わせて、電極５１、５２を形成している。すなわち、隣合う２個の５１ａ、５３ａ電極は、互いに所定間隔をおいて配置されており、その対向する側をしずく形状に延ばした円形電極となっている。２個の雫形電極５１ａ、５３ａの間では、電極５１ａ、５３ａの紙面上下方向の幅が急減し、液体が移動し難い。そこで、液体の移動をスムーズにするために、これら２個の雫形電極５１ａ、５３ａ間に、補助電極５２ａを配置する。補助電極５２ａは、雫形電極５１ａ、５３ａの雫形状に合わせている。
【００４２】
なお、補助電極５８は、雫形であることが液滴分離のためには最も望ましいが、電極５１ａ、５３ａ間を移動できる形状であれば、雫形に限るものではない。本実施例によれば、液滴が分離する寸前の形状に電極形状を合わせているので、液滴の分割が容易になる。また、再現性がよくなる。
【００４３】
液滴分離のさらに他の実施例を、図１０を用いて説明する。図１０は、分離装置のモデルである。分離用の電極は、円形電極ではなく楕円状の電極５１ｂ〜５３ｂである。電極列１２９ｂの方向に、楕円の短軸を配置する。楕円電極５１ｂ〜５３ｂを用いると、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂの中心間の距離は、楕円の短径ａの（√３）倍程度にする。なお、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂ間の距離を、楕円の短径の１．５倍程度まで狭めても、液を分割できることが知られたので、製作誤差などを考慮して、楕円電極５１ｂ、５２ｂ；５２ｂ、５３ｂ間の距離を、楕円の短径の１．５倍から１．８倍程度にする。
【００４４】
本実施例によれば、楕円電極を用いても電極の曲率の変化を連続的に変化させることができ、液滴を分割するときの形状が滑らかになり、安定して分注できる。また、分注後に液滴が載った電極への電圧印加を中止すると、液滴の外形が円に戻り、隣り合う電極表面を覆う液滴の量が増す。隣り合う電極に液滴がスムーズに移行し、液滴の移動ミスが減少する。また、液滴の移動時間も短縮する。
【００４５】
本発明に係る化学分析装置に用いる分注装置のさらに他の実施例を、図１１に示す。本実施例は、図８に示した実施例を左右対称に形成するとともに、各雫形電極５１１、５１２の面積の和と上下の電極基板２３、２１間の隙間との積程度の液体１２を、ノズル１３１から注入する（図１１（２ａ）参照）。注入された液体１２は、ノズル１３１を中心に円形状に広がり、雫形電極５１１、５１２の表面の一部を覆う（同図（２ｂ））。雫形電極５１１、５１２に電圧を印加する。雫形電極の濡れ性が向上し、液体１２は左右に引き伸ばされ（同図（２ｃ））、中央で分離して２個の液滴１２１１、１２１２が生成される（同図（２ｄ））。
【００４６】
このとき、雫形電極５１１、５１２と上側電極基板２３の共通電極間の静電容量を図示しない電気回路で測定する。雫形電極５１１、５１２を覆う液体１２の面積に比例して、静電容量が増加する。静電容量の値が設定した値を超えたら、ノズル１３１からの液体１２の注入を中止する。余分な液体を供給せずに液滴を分注するので、分注精度が向上する。液滴分離時に、ノズル１３１から液体１２を吸引すれば、確実に液滴を分離できる。なお、各雫形電極５１１、５１２および矩形電極列の大きさを、左右の電極列１２９ｃ、１２９ｄで異ならせてもよい。
【００４７】
図１２に、ノズル１３１の回りに形成する電極列をさらに４個に増やした例を、上面図で示す。９０度ピッチで、４個の電極列１２９ｃ〜１２９ｆがノズル１３１回りに形成されている。ノズル１３１に最も近い電極は、雫形電極５１１〜５１４である。電極列１２９ｃは矩形電極５６１、５７１を、電極列１２９ｄは矩形電極５６２、５７２を、電極列１２９ｅは矩形電極５６３、５７３を、電極列１２９ｆは矩形電極５６４、５７４を有する。
【００４８】
本実施例によれば、１個のノズル１３１から複数方向の電極列に液滴を分注及び移動させるので、液滴の生成速度が速くなる。また、各電極列で電極サイズを変更すれば、体積の異なる液滴を生成できる。したがって、分析装置などでサンプルや試薬の混合比を容易に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】液滴の分離を説明する図。
【図２】液滴分離の実験結果を示す写真。
【図３】電極配置を説明する図。
【図４】本発明に係る化学分析装置の一実施例の縦断面図。
【図５】本発明に係る分注装置の一実施例の上面図。
【図６】本発明に係る分注装置の他の実施例の上面図。
【図７】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図及び縦断面図。
【図８】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図及び縦断面図。
【図９】本発明に係る分注装置に用いる電極の一実施例の上面図。
【図１０】電極配置を説明する図。
【図１１】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図。
【図１２】本発明に係る分注装置のさらに他の実施例の上面図。
【図１３】本発明に係る化学分析装置の一実施例の主要部の斜視図。
【符号の説明】
【００５０】
１２…液滴、２１…下部電極基板、２３…上部電極基板、３１…ノズル、５１…円形電極、５２…円形電極、５３…円形電極、５３１…孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える分注装置において、前記第１、第２の基板の一方に形成した孔に挿入され液体が供給可能なノズルを有し、前記第２の基板に配置した駆動電極列はこのノズルに最も近い電極の外周形状が、前記ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有することを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記滑らかな曲線は、円または楕円または雫形であることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項３】
前記駆動電極列は、互いに隙間をおいて配置した複数のオーバーラップ円形状であることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項４】
前記駆動電極列を前記ノズルと対称位置に複数設け、この電極の最もノズル孔に近い電極の形状を雫形にし、前記第２の基板に、前記電極の雫形状と合った形状をし僅かに雫形の電極と隙間を有して配置された補助電極を有することを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項５】
表面に電極列が形成された２枚の平板を互いの電極列が対向するように平行に配置したＥＷＯＤ方式の分注装置において、前記各電極列上に絶縁体膜を形成し、前記対向する電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記２枚の平板間に液体を供給する液体供給手段とを設け、一方の前記電極列の少なくとも１個の電極の外形が、滑らかな曲線部を有することを特徴とする分注装置。
【請求項６】
前記滑らかな曲線部は、円または楕円であることを特徴とする請求項５に記載の分注装置。
【請求項７】
前記滑らかな曲線部を有する電極は少なくとも２個あり、この滑らかな曲線部を有する電極を隣りあわせで配置し、それら電極の中心間距離を、電極半径または短径の１．５〜１．８倍としたことを特徴とする請求項６に記載の分注装置。
【請求項８】
前記液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心から電極半径または短径の１．５〜１．８倍の倍数だけ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項９】
前記液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心側に開口部が形成されたノズルを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項１０】
前記液体供給手段は、一方の前記平板に形成した穴に挿入されるノズルを有することを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項１１】
前記一方の基板に複数の電極列を形成し、前記液体供給手段をこの複数の電極列の中心部に配置し、この液体供給手段から複数の電極列に液体を供給することを特徴とする請求項５に記載の分注装置。
【請求項１２】
前記複数の電極列は、前記液体供給手段から放射状に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の分注装置。
【請求項１】
表面に共通電極が配置された第１の基板と、表面に駆動電極列が配置された第２の電極とを、電極面を内側に互いにほぼ平行に配置したＥＷＯＤ方式の化学分析装置が備える分注装置において、前記第１、第２の基板の一方に形成した孔に挿入され液体が供給可能なノズルを有し、前記第２の基板に配置した駆動電極列はこのノズルに最も近い電極の外周形状が、前記ノズル用孔に向けて滑らかな曲線部を有することを特徴とする分注装置。
【請求項２】
前記滑らかな曲線は、円または楕円または雫形であることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項３】
前記駆動電極列は、互いに隙間をおいて配置した複数のオーバーラップ円形状であることを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項４】
前記駆動電極列を前記ノズルと対称位置に複数設け、この電極の最もノズル孔に近い電極の形状を雫形にし、前記第２の基板に、前記電極の雫形状と合った形状をし僅かに雫形の電極と隙間を有して配置された補助電極を有することを特徴とする請求項１に記載の分注装置。
【請求項５】
表面に電極列が形成された２枚の平板を互いの電極列が対向するように平行に配置したＥＷＯＤ方式の分注装置において、前記各電極列上に絶縁体膜を形成し、前記対向する電極列間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記２枚の平板間に液体を供給する液体供給手段とを設け、一方の前記電極列の少なくとも１個の電極の外形が、滑らかな曲線部を有することを特徴とする分注装置。
【請求項６】
前記滑らかな曲線部は、円または楕円であることを特徴とする請求項５に記載の分注装置。
【請求項７】
前記滑らかな曲線部を有する電極は少なくとも２個あり、この滑らかな曲線部を有する電極を隣りあわせで配置し、それら電極の中心間距離を、電極半径または短径の１．５〜１．８倍としたことを特徴とする請求項６に記載の分注装置。
【請求項８】
前記液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心から電極半径または短径の１．５〜１．８倍の倍数だけ離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項９】
前記液体供給手段は、前記滑らかな曲線部を有する電極の中心側に開口部が形成されたノズルを備えることを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項１０】
前記液体供給手段は、一方の前記平板に形成した穴に挿入されるノズルを有することを特徴とする請求項６または７に記載の分注装置。
【請求項１１】
前記一方の基板に複数の電極列を形成し、前記液体供給手段をこの複数の電極列の中心部に配置し、この液体供給手段から複数の電極列に液体を供給することを特徴とする請求項５に記載の分注装置。
【請求項１２】
前記複数の電極列は、前記液体供給手段から放射状に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の分注装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−３１７３６４（Ｐ２００６−３１７３６４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４２０７６（Ｐ２００５−１４２０７６）
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１６日（２００５．５．１６）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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