CN102791370B - 具有固定粒子的微阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微阵列，该微阵列包括载体基片（1）。为了尤其提高敏感性，所述微阵列包括大量的用于使捕集分子固定的固定粒子（2），所述固定粒子分别具有一个与所述载体基片（1）相连接的第一部分区段（2a）和一个敞开的第二部分区段（2b）。
Description
技术领域
本发明涉及一种微阵列、一种用于制造这样的微阵列的装置、一种用于制造这样的微阵列的方法及其使用。
背景技术
微阵列是生物分析的工具，用于通过在载体基片上的精确定义的点（Spots）上进行的特殊的钥匙-锁-结合从复杂的混合物中识别并且量化单个的分子组。微阵列用于核酸、蛋白质、细胞和较小的分子（英语：“small molecules”）的识别和量化。
依照传统来制造微阵列，方法是将溶解在液体中的捕集分子施加（点涂）到载体基片上并且随后比如在所述液体的干燥的情况下使其固定。所述捕集分子在此可以逐段地在所述载体基片上构成（在芯片上合成）或者在合成完毕之后印到所述载体基片上。在此所述捕集分子与所述载体基片的表面连接或者说被吸附在所述载体基片的表面上。这样的构造尤其称为生物芯片。
随后将有待检验的试样施加到所述捕集分子点上，其中有待探测的分子组结合到所述捕集分子点上并且将剩余的试样组成部分冲洗干净。随后通过探测方法比如荧光方法来读出结果。
依照传统，微阵列具有由玻璃或者塑料构成的载体基片并且用作一次性制品。但是，捕集分子不能直接结合到未经处理的玻璃或塑料表面上并且会在接下来的步骤中被冲走。因此玻璃载体基片或者塑料载体基片依照传统具有用于使捕集分子固定的全面状的表面功能化结构。
多气孔的微流体结构从DE 10 2007 036 906 A1中得到公开。
发明内容
本发明的主题是一种微阵列，该微阵列包括一个载体基片和大量的用于使尤其生物化学的捕集分子固定的固定粒子，其中所述固定粒子分别具有一个与所述载体基片相连接的第一部分区段和一个敞开的第二部分区段。
比如所述固定粒子比如可以通过氢桥键和/或疏水的相互作用来离子结合、共价结合或者吸附捕集分子。
所述按本发明的微阵列的优点是，可以放弃所述载体基片的麻烦的并且成本很高的表面功能化。
除此以外，通过所述载体基片的表面功能化的放弃可以实现这一点，即捕集分子和试样分子不是固定在所述载体基片的表面上而是仅仅局部固定在所述固定粒子上。因为所述捕集分子在固定粒子之外不会附着在所述载体基片上并且仅仅固定在所述固定粒子上，所以点大小基本上通过所述固定粒子的大小和固定方式来定义。这样做的优点是，在大量点涂（Spotten）并且随后洗涤微阵列时也可以使用具有较小的点涂精度的点涂设备。此外，通过这种方式可以在通过探测方法比如荧光方法来读出微阵列时降低背景噪声。
此外，通过所述固定粒子来扩大点表面并且可以每个表面结合更多的分子。因为比如荧光信号在读出微阵列时取决于所述点表面，所以通过这种方式可以在读出微阵列时实现更高的敏感性。
在所述按本发明的微阵列的一种优选的实施方式的范围内，所述第一部分区段嵌入尤其压入到所述载体基片中。尤其所述第一部分区段在此可以形状配合地与所述载体基片相连接或者说形状配合连接地嵌入到所述载体基片中。
在所述按本发明的微阵列的另一种优选的实施方式的范围内，所述第二部分区段从所述载体基片中伸出来。通过所述固定粒子的伸出或者说升高，所述点关于所述载体基片表面也是突出的。这样做的优点是，在信号平面中比如测量荧光，所述信号平面与所述载体基片的表面隔开，这引起背景信号的降低、真正的信号与背景噪声之间的比例的改进（英语：“Signal to noise ratio”）并且由此引起敏感性的进一步的提高。
在所述按本发明的微阵列的另一种优选的实施方式的设计方案的范围内，所述载体基片由塑料尤其热塑性的塑料构成，其中所述固定粒子分别具有一个由玻璃或者塑料比如热塑性的塑料构成的粒子核心。在所述按本发明的微阵列的这种另外的优选的实施方式的另一种设计方案的范围内，所述载体基片由玻璃构成，其中所述固定粒子分别具有一个由塑料比如热塑性的塑料构成的粒子核心。比如所述载体基片或者说所述固定粒子的粒子核心在此可以由聚碳酸脂（PC）、环烯烃聚合物（COP）或者环烯烃共聚物（COC）构成。通过这种方式可以有利地在所述固定粒子与所述载体基片连接时放弃胶粘剂。
在所述按本发明的微阵列的另一种优选的实施方式的一种设计方案的范围内，所述粒子核心的表面为了使捕集分子固定而被功能化。在所述按本发明的微阵列的这种实施方式的另一种设计方案的范围内，所述粒子核心分别具有一个用于使捕集分子固定的固定涂层。比如所述固定粒子可以是玻璃粒子（英语：“glas beads”），所述玻璃粒子可以通过与有机硅烷比如氨基脂（环基）硅烷、环氧基硅烷或者乙醛硅烷之间的反应来功能化或者具有功能化的涂层比如氨基脂硅烷、环氧基硅烷、乙醛硅烷或者硝化纤维涂层。这些涂层可以与核酸、缩氨酸、细胞和/或小分子（英语：“small molecules”）进行离子的、共价的或者说非共价的结合。在此非共价的结合是指吸附，尤其是通过氢桥键引起的结合和/或疏水的相互作用引起的结合。通过在功能化或者涂覆之前实施的腐蚀方法，可以扩大所述玻璃粒子的表面。
所述固定粒子可以构造为球形、纤维形或者碎石形。比如所述固定粒子可以具有处于≥20μm到≤500μm或者说≥100μm到≤500μm的范围内的平均的粒子大小。
在所述按本发明的微阵列的另一种优选的实施方式的范围内，在所述第二部分区段上固定了捕集分子。在此可以在不同的固定粒子上固定不同的捕集分子。
本发明的另一个主题是一种用于制造按本发明的微阵列的装置，该装置包括一个用于夹持载体基片的载体基片支架和至少一根能够运动的管针尤其多根能够运动的管针，所述管针用于接纳至少一个固定粒子并且用于将所述固定粒子输送给由所述载体基片支架所夹持的载体基片。
所述至少一根管针在此可以具有一个平坦的用于接纳一个或者多个固定粒子的接纳面。
在所述按本发明的装置的一种优选的实施方式的范围内，所述至少一根管针具有一个接纳面，所述接纳面则具有至少一个尤其多个用于接纳固定粒子的凹处。在此，所述至少一个凹处可以构造用于接纳一个固定粒子或者用于接纳多个固定粒子。优选所述至少一个凹处构造用于接纳一个固定粒子。在这种情况下，所述至少一个凹处的形状和大小可以大致相当于半个固定粒子的形状和大小。通过这种方式可以保证，在每个凹处中仅仅接纳一个固定粒子，将其输送给所述载体基片并且使其与所述载体基片相连接。
尤其所述至少一根管针可以具有一个拥有两个或者多个彼此隔开的凹处的接纳面。通过这种方式可以通过一根管针来同时接纳、输送多个相对于彼此以所定义的间距布置的固定粒子并且使其与所述载体基片相连接。
在所述按本发明的装置的另一种优选的实施方式的范围内，所述管针尤其所述管针的接纳面和/或所述载体基片支架能够加热。通过这种方式可以使固定粒子和载体基片以热塑性的方法连接，只要有待连接的元件中的至少一个元件基于热塑性的塑料。优选在此所述至少一根管针或者说所述载体基片支架能够加热到相应的温度，该温度足以高于所述固定粒子和/或载体基片的热塑性的塑料的玻璃转变温度（Tg）。比如所述至少一根管针能够加热到相应的温度，该温度至少比所述固定粒子和/或载体基片的热塑性的塑料的玻璃转变温度（Tg）高出20K比如20K到40K。比如所述玻璃转变温度（Tg）在使用聚碳酸脂的情况下大约为140℃并且在使用环烯烃共聚物的情况下大约为145℃。
优选所述载体基片支架定位或者能够定位在所述至少一根管针的上方（关于万有引力）。在此所述至少一根管针优选能够上下（关于万有引力）运动，其中所述至少一根管针的上面的表面（关于万有引力）是所述接纳面。
此外，在所述按本发明的装置的另一种优选的实施方式的范围内，所述装置包括一个用于接纳大量的固定粒子的固定粒子补充区域，该固定粒子补充区域具有一个带有底部表面的底部。所述至少一根管针在此优选能够穿过所述底部从第一位置运动到第二位置中，其中在所述第一位置中所述管针的接纳面定位在所述底部表面的下方比如所述底部表面的下方以及所述底部的内部，并且在所述第二位置中所述管针的接纳面定位在所述底部表面的上方尤其所述底部表面的上方并且与由所述载体基片支架夹持在所述固定粒子补充区域上面的载体基片相邻。通过这种方式，在所述第一位置中固定粒子可以从所述固定粒子补充区域落到所述管针的接纳面上并且在所述第二位置中与所述载体基片相接触。优选所述至少一根管针的接纳面的无凹处的区域在所述第二位置中抵靠在所述载体基片上。通过这种方式，可以将所述固定粒子的第一部分区段嵌入尤其压入到所述载体基片中。通过所述至少一根管针的凹处的深度，在此可以调节所述固定粒子的在所述载体基片中的嵌入深度尤其压入深度或者说相应的高度，在此所述固定粒子以所述高度从所述载体基片中伸出来。
除此以外，所述装置可以具有一个固定粒子容器。通过该固定粒子容器可以向所述固定粒子补充区域输送更多的固定粒子。必要时所述固定粒子补充区域和/或所述固定粒子容器能够加热。
本发明的另一个主题是一种用于用所述按本发明的装置来制造微阵列尤其按本发明的微阵列的方法，该方法包括以下方法步骤：
a）通过所述至少一根活动的管针来接纳至少一个固定粒子；
b）将所述至少一个固定粒子输送给由所述载体基片支架所夹持的载体基片以及
c）使所述至少一个固定粒子与所述载体基片相连接。
在所述按本发明的方法中使用所述按本发明的装置，由此可以使固定粒子精确地比如定位在微阵列室中并且由此定义单个的点。
所述方法步骤a）到c）可以同时通过大量的活动的管针来实施。但是同样可以-在所述载体基片支架以及由此有待配备的载体基片的位置变化下-多次用一根或者多根活动的管针来重复所述方法步骤a）到c）。
比如所述至少一个固定粒子与所述载体基片之间的连接可以在方法步骤c）中如此进行，使得所述至少一个固定粒子具有与所述载体基片尤其形状配合地相连接的第一部分区段和敞开的尤其从所述载体基片中伸出来的第二部分区段。
在所述按本发明的方法的一种优选的实施方式的范围内，所述至少一个固定粒子与所述载体基片之间的连接在方法步骤c）中如此进行，使得所述至少一个固定粒子具有比如形状配合地嵌入/压入到所述载体基片中的第一部分区段和从所述载体基片中伸出来的第二部分区段。
所述连接必要时可以通过粘合来进行。但是，在通过粘合进行连接时，应该考虑到所述胶粘剂与特殊材料之间的兼容性、有待处理的分析试样等等。
为了避免这一点，在所述按本发明的方法的另一种优选的实施方式的范围内所述连接在方法步骤c）中通过将所述至少一个固定粒子压入到所述载体基片或者所述载体基片的能够变形的前置级中这种方式来进行。通过所述压入，可以围绕着所述固定粒子产生凸起部。所述固定粒子的压入具有这样的优点，即所述固定粒子-在不依赖于粒子直径的情况下-以相同的高度从所述载体基片中伸出来。由此为了读出所述微阵列，可以保证所定义的信号平面，这尤其对于荧光的读出方法来说具有决定性的意义。
在所述按本发明的方法的另一种优选的实施方式的范围内，通过以下方式来避免粘合，即所述连接在方法步骤c）中通过所述至少一个固定粒子与所述载体基片之间的热塑性的连接来进行。
比如可以使用具有由热塑性的塑料构成的粒子核心的固定粒子和/或由热塑性的塑料构成的载体材料。在此可以仅仅所述载体材料、仅仅所述至少一个固定粒子或者不仅所述载体材料而且所述至少一个由热塑性的塑料构成的固定粒子都可以进行热塑性的变形。比如具有由玻璃构成的粒子核心的固定粒子可以压入到由塑料构成的载体基片中。或者具有由热塑性的塑料构成的粒子核心的固定粒子可以在所述粒子核心的热塑性的变形下与由玻璃构成的载体基片相连接。或者具有由热塑性的塑料构成的粒子核心的固定粒子可以在所述粒子核心和/或所述载体基片的热塑性的变形下与由热塑性的塑料构成的载体基片相连接。
在此将所述至少一根管针或者说所述载体基片支架优选加热到相应的温度，该温度（足以）高于所述载体基片和/或所述至少一个固定粒子的热塑性的塑料的玻璃转变温度（Tg）。比如可以将所述至少一根管针或者说所述载体基片支架加热到相应的温度，该温度比所述固定粒子和/或所述载体基片的热塑性的塑料的玻璃转变温度（Tg）至少高出20K比如20K到40K。
此外，在所述按本发明的方法的另一种优选的实施方式的范围内，所述方法尤其在最后一个方法步骤c）之后包括以下方法步骤：d）将捕集分子施加尤其逐点地施加（点涂）到所述固定粒子上。因为通过所述按本发明的方法没有对所述载体基片的完整的表面进行表面改性，所以捕集分子基本上仅仅固定在所述固定粒子上。这一方面可以有利地降低背景噪声。
另一方面，捕集分子的施加可以如此进行，从而施加一定量的捕集分子或者说一定量的由捕集分子构成的溶液，这个量大于为了对尤其敞开的固定粒子表面进行润湿所必需的量。必要时，除了所述固定粒子之外，可以通过尤其跟随在方法步骤d）后面的方法步骤：e）对载体基片尤其载体基片表面或者说微阵列尤其具有固定粒子的微阵列表面进行洗涤来将处于载体基片表面上的捕集分子从所述载体基片表面上除去。这样做的优点是，可以使用具有微小的点涂精度的点涂设备并且尽管如此也可以获得具有尤其通过所述固定粒子的大小和固定方法来定义的点大小的点。
除此以外，本发明涉及通过按本发明的方法制造的微阵列。
本发明的另一个主题是一种比如用于医学的应用情况比如分子的诊断学的微流体的系统尤其芯片实验室（英语：“Lab-on -a-chip device”），该微流体的系统包括按本发明的微阵列。
附图说明
按本发明的主题的其它优点和有利的设计方案通过附图来说明并且在接下来的说明中得到解释。在此要注意，附图只有描述性的特征并且不考虑用于以某种形式来限制本发明。附图示出如下：
图1a是按本发明的微阵列的一种实施方式的示意性的横截面；
图1b是在图1a中示出的具有固定在所述固定粒子上的捕集分子的微阵列的示意性的横截面；
图2a是按本发明的装置的一种实施方式的在所述按本发明的方法的第一方法步骤a）中的示意性的横截面；
图2b是在图2a中示出的装置的在第一方法步骤c）中的情况；
图2c是在图2a和2b中示出的装置的在第二方法步骤a）中的情况；
图3a是按本发明的装置的能够运动的管针的第一种实施方式的示意性的横截面；
图3b是按本发明的装置的能够运动的管针的第二种实施方式的示意性的横截面；并且
图3c是按本发明的装置的能够运动的管针的第三实施方式的示意性的横截面。
具体实施方式
图1a示出，所述微阵列包括一个载体基片1和大量的用于使捕集分子固定的固定粒子2，其中所述固定粒子2分别具有一个与所述载体基片1相连接的第一部分区段2a和一个敞开的第二部分区段2b。图1a表明，所述敞开的第二部分区段2b在此可以从所述载体基片1的外部来接近。图1a在此说明，所述固定粒子2以这种方式为有待固定的捕集分子提供局部的潜在的结合区。
此外，图1a示出，在此相应地所述第一部分区段2a形状配合连接地嵌入或者说压入到所述载体基片1中，其中所述第二部分区段2b从所述载体基片1中伸出来。如在图1a中示出的一样，所述固定粒子2如此嵌入到所述载体基片1中，使得球形的固定粒子的半球体嵌入到所述载体基片1中，其中所述固定粒子2的另一个半球体从所述载体基片1中伸出来。因此可以保证，所述信号平面D与所述载体基片1的表面隔开，其中在所述信号平面D中比如测量荧光。
所述载体基片1为此优选由塑料构成。所述固定粒子2在此优选相应地具有一个由玻璃构成的粒子核心，该粒子核心具有用于使捕集分子固定的固定涂层或者说其表面为了使捕集分子固定而被功能化。
图1b示出了图1a的微阵列的在将捕集分子3施加尤其点涂（Spotten）到所述固定粒子2上之后的情况并且表明，捕集分子3固定在所述第二部分区段2b上。
图2a到2c示出了按本发明的用于制造按本发明的微阵列的装置的一种实施方式，该装置包括一个用于夹持载体基片1的载体基片支架（未示出）和大量的能够运动的管针4尤其四根能够运动的管针4，所述管针具有用于接纳固定粒子2并且用于将其输送给由载体基片4夹持的载体基片1的平坦的接纳面5。为了给由热塑性的塑料构成的载体基片1进行装备，所述管针4优选能够被加热。为了给载体基片1的能够变形的前置级进行装备，所述管针4可以为未经加热。此外，所述装置包括一个用于接纳大量的固定粒子2的固定粒子补充区域7。图2a到2c示出，所述固定粒子补充区域7具有一个带有底部表面9的底部8，其中所述管针4能够穿过所述底部8从第一位置运动到第二位置中，其中在所述第一位置中所述管针4的接纳面5定位在所述底部表面9的下方，并且在所述第二位置中所述管针4的接纳面5定位在所述底部表面9的上方并且与由所述载体基片支架夹持在所述固定粒子补充区域7上面的载体基片1相邻。
此外，图2a到2c说明了所述按本发明的制造方法的一种实施方式。图2a示出，在方法步骤a）中所述管针4定位在所述第一位置中，在该方法步骤a）中将固定粒子2接纳在所述管针4的接纳面5上。尤其在此所述固定粒子2从所述固定粒子补充区域7滑到所述管针4的更深地定位的接纳面5上。换句话说，所述管针4在所述第一位置中相对于周围的固定粒子补充区域7向下移动，以便在移入所述管针4时新的固定粒子接着掉落。按所述管针4和固定粒子2的大小和形状，在此可以接纳并且输送单个的固定粒子2或者一堆固定粒子并且使其与所述载体基片1相连接。玻璃粒子容器在此用于不断地补充固定粒子2。
图2b表明，所述管针4向上运动到所述第二位置中。在此将所接纳的固定粒子2输送给所述载体基片并且通过将所述固定粒子2压入到所述载体基片1或者所述载体基片1的能够变形的前置级中这种方式使其与所述载体基片1相连接。图2b表明，所述连接在此如此进行，使得所述固定粒子2具有形状配合连接地压入到所述载体基片1中的第一部分区段2a和从所述载体基片1中伸出来的第二部分区段2b。
图2c示出，所述管针随后又向下运动到所述第一位置中，在所述第一位置中新的固定粒子2滑到或者落到所述管针4的接纳面5上。
图3a到3c示出了按本发明的装置的能够运动的管针5的第一种、第二种和第三种实施方式。在图3a所示出的第一种实施方式的范围内，所述管针5具有一个平坦的接纳面5。在图3b所示出的第二种实施方式的范围内，所述管针4具有一个拥有用于接纳固定粒子2的凹处6的接纳面5。在图3c所示出的第三种实施方式的范围内，所述管针4具有一个拥有三个分别用于接纳一个固定粒子2的彼此隔开的凹处6的接纳面5。图3c示出，在此所述凹处的形状和大小大致相当于半个固定粒子2的形状和大小。通过这种方式可以保证，在每个凹处中仅仅接纳一个固定粒子2，将其输送给所述载体基片1并且使其与所述载体基片相连接，其中所述固定粒子2相对于彼此以所定义的间距来定位。
Claims (15)
1.微阵列，包括
-一个载体基片（1）以及
-大量的用于使捕集分子（3）固定的固定粒子（2），
其中所述固定粒子（2）分别具有一个与所述载体基片（1）相连接的第一部分区段（2a）和一个敞开的第二部分区段（2b），所述第一部分区段（2a）被压入到所述载体基片（1）中，所述第一部分区段可以形状配合地与所述载体基片相连接。
2.按权利要求1所述的微阵列，其特征在于，所述第二部分区段（2b）从所述载体基片（1）中伸出来。
3.按权利要求1或2所述的微阵列，其特征在于，
-所述载体基片（1）由塑料构成并且所述固定粒子（2）分别具有一个由玻璃或者塑料构成的粒子核心，或者
-所述载体基片（1）由玻璃构成并且所述固定粒子（2）分别具有一个由塑料构成的粒子核心。
4.按权利要求3所述的微阵列，其特征在于，
-所述粒子核心的表面为了使捕集分子（3）固定而被功能化，并且/或者
-所述粒子核心分别具有一个用于使捕集分子（3）固定的固定涂层。
5.按权利要求1或2所述的微阵列，其特征在于，捕集分子（3）固定在所述第二部分区段（2b）上。
6.按权利要求1或2所述的微阵列，其特征在于，所述固定粒子（2）以相同的高度从所述载体基片中伸出来。
7.用于制造按权利要求1到6中任一项所述的微阵列的装置，该装置包括
-一个用于夹持载体基片（1）的载体基片支架以及
-至少一根用于接纳至少一个固定粒子（2）并且将所述固定粒子（2）输送给由所述载体基片支架夹持的载体基片（1）的能够运动的管针（4）。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述至少一根管针（4）具有一个拥有至少一个用于接纳固定粒子的凹处（6）的接纳面（5）。
9.按权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述管针（4）和/或所述载体基片支架能够加热。
10.按权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置此外包括一个用于接纳大量的固定粒子（2）的固定粒子补充区域（7），其中所述固定粒子补充区域（7）具有一个拥有底部表面（9）的底部（8），其中所述至少一根管针（4）能够穿过所述底部（8）从第一位置运动到第二位置中，其中在所述第一位置中所述管针（4）的接纳面（5）定位在所述底部表面（9）的下方，并且在所述第二位置中所述管针（4）的接纳面（5）定位在所述底部表面（9）的上方并且与由所述载体基片支架夹持在所述固定粒子补充区域（7）上面的载体基片（1）相邻。
11.用按权利要求7到10中任一项所述的装置来制造微阵列的方法，该方法包括以下方法步骤：
a）通过所述至少一根活动的管针（4）来接纳至少一个固定粒子（2）；
b）将所述至少一个固定粒子（2）输送给由所述载体基片支架所夹持的载体基片（1）以及
c）使所述至少一个固定粒子（2）与所述载体基片（1）相连接。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个固定粒子（2）与所述载体基片（1）之间的连接在方法步骤c）中如此进行，使得所述至少一个固定粒子（2）具有压入到所述载体基片（1）中的第一部分区段（2a）和从所述载体基片（1）中伸出来的第二部分区段（2b）。
13.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述连接在方法步骤c）中通过将所述至少一个固定粒子（2）压入到所述载体基片（1）或者所述载体基片（1）的能够变形的前置级中这种方式来进行。
14.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述连接在方法步骤c）中通过所述至少一个固定粒子（2）与所述载体基片（1）之间的热塑性的连接来进行。
15.按权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法另外包括以下方法步骤
d）：将捕集分子（3）施加到所述固定粒子（2）上。
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