DE10230320A1

DE10230320A1 - Programmierbare Beleuchtungsvorrichtung zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Systhese und Analyse von Microarrays

Info

Publication number: DE10230320A1
Application number: DE10230320A
Authority: DE
Inventors: Sven Krüger; Marcel Rogalla; Stephan Dr. Teiwes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Also published as: DE10392885D2; AU2003247254A1; WO2004004885A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine programmierbare Beleuchtungsvorrichtung zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Synthese oder Analyse von Mikroarrays. Die Qualität der Herstellung und Analyse von Mikroarrays und Biochips hängt bedeutend von der Qualität der Beleuchtungsmethoden, das heißt von deren Auflösungsvermögen, deren flexiblen Einsetzbarkeit und dem Grad der Parallelität bei der Erzeugung von Arraymustern, ab. DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht es, gemäß einer Spezifikation, zweidimensionale strukturierte Laserlicht-Punktmuster in einem Raum-, Zeit- und Wellenlängen-Multiplexverfahren zu erzeugen. Diese Punktmuster sind auf Rastern definiert, können leicht 10000 bis 100000 Lichtpunkte pro Quadratzentimeter haben und dafür genutzt werden, Substanzen an den beleuchteten Positionen der Lichtmuster auf festen Oberflächen ablagern zu lassen. Nach dem gleichen Schema kann die Beleuchtungseinrichtung auch genutzt werden, um Mikroarrays mit spezifizierten zeitlichen Abfolgen zweidimensionaler Laserlicht-Punktmuster mit verschiedenen Wellenlängen zu beleuchten und dadurch Fluoreszenzeffekte für Analyseverfahren zu erzeugen. DOLLAR A Die Erfindung beinhaltet die Realisation von digitalen Transmissionsfunktionen mittels elektrisch schaltbarer, mikrostrukturierter Optiken, welche durch Beleuchtung mit einer Laserlichtquelle und unter Ausnutzung des Beugungseffektes in einer definierten Bildebene spezifizierte Laserlicht-Punktmuster im Zeitmultiplex-Verfahren ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine programmierbare Beleuchtungsvorrichtung zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Synthese oder Analyse von Microarrays. Die Qualität der Herstellung und Analyse von Microarrays und Biochips hängt bedeutend von der Qualität der Beleuchtungsmethoden, das heisst von deren Auflösungsvermögen, deren flexiblen Einsetzbarkeit und dem Grad der Parallelität bei der Erzeugung von Arraymustern ab.
Die Erfindung ermöglicht es, gemäss eine Spezifikation zweidimensionale strukturierte Laserlicht-Punktmuster in einem Raum-, Zeit- und Wellenlängen-Multiplexverfahren zu erzeugen. Diese Punktmuster sind auf Rastern definiert, können leicht 10000 bis 100000 Lichtpunkte pro Quadratzentimeter haben, und dafür genutzt werden, Substanzen an den beleuchteten Positionen der Lichtmuster auf festen Oberflächen ablagern zu lassen. Nach dem gleichen Schema kann die Beleuchtungseinrichtung auch genutzt werden, um Microarrays mit spezifizierten zeitlichen Abfolgen zweidimensionaler Laserlicht-Punktmuster mit verschiedenen Wellenlängen zu beleuchten und dadurch Fluoreszenzeffekte für Analyseverfahren zu erzeugen.
Die Erfindung beinhaltet die Realisation von digitalen Transmissionsfunktionen mittels elektrisch schaltbarer, mikrostrukturierter Optiken, welche durch Beleuchtung mit einer Laserlichtquelle und unter Ausnutzung des Beugungseffektes in einer definierten Bildebene spezifizierte Laserlicht-Punktmuster im Zeitmultiplex-Verfahren erzeugen.
Hohe Auflösung, massive Parallelität und Programmierbarkeit der Beleuchtungsvorrichtung bergen ein hohes Potential für deutliche Verbesserungen im Herstellungsprozess von Microarrays, Biochips und anderen periodischen Microstrukturen. Durch die Eigenschaft der Erfindung, die Laserlicht-Punktmuster allein durch optische Effekte zu erzeugen, können mechanische Komponenten oder lichtablenkende Komponenten, wie sie zum Beispiel in Scanner-Technologien eingesetzt werden, eingespart werden.
Stand der Technik
Durch die Biochip-Technologie ist das Interesse an zweidimensionalen Mikroarraystrukturen stark gewachsen. Ein Biochip ist ein festes Substrat, auf welchem sich ein Microarray biochemischen Materials befindet. Als Microarray bezeichnet man eine hochgradig repetitive Anordnung von Substanzen, Molekülen oder Teilchen, wobei die Dimension der Strukturen im Mikrometerbereich liegen. Mit der Biochip-Technologie ist es möglich, simultan Tausende biologische, chemische oder physikalische Reaktionen auf mikroskopisch kleinem Raum simultan anzuregen. So lassen sich zum Beispiel hochgradig repetitive Laboraufgaben auf mikroskopisch kleinem Raum parallel, automatisiert und zu entsprechend niedrigen Kosten durchführen. Für die Weiterentwicklung der Biochip-Technologie sind die Optimierung der Synthese von Microarrays oder verbesserte Methoden zur Analyse von Arrayproben von hoher Bedeutung. In den letzten Jahren ist in diesem Zusammenhang die sogenannte DNA Microarray-Technologie entstanden mit dem Ziel, genetisches Material bezüglich Defekte oder Sequenzvariationen zu analysieren. Mit dieser Technologie ist es möglich, eine sehr grosse Anzahl von Genen simultan zu analysieren. Damit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Diagnose und Therapie in der Medizin und in der Medikamentenforschung.
Biochips sind Microarray-Strukturen biochemischer Substanzen auf einem festen Trägermedium. Ein Microarray ist eine rechteckige Rasteranordnungen von äquidistanten Substanzflecken (Spots), oftmals mit nur wenigen Mikrometern Ausdehnung. Die Herstellung von Microarrays geschieht heute zumeist auf der Basis der drei Primärtechnologien Photolithographie, Tintenstrahl-Drucktechnik (Ink-Jetting) und mechanischem Mikro-Punktierung (Micro-Spotting). Im Fall der Lithographie werden Photomasken verwendet, um eine zweidimensionale, strukturierte Belichtung zu erzielen, gemäss derer sich Moleküle oder DNA-Basen an den definierten, beleuchteten Rasterposition auf dem Substrat abscheiden sollen. Durch die Tintenstrahl-Drucktechnik werden Moleküle über winzige Düsen auf eine Substratobertläche kontaktlos gedruckt. Um eine Array-Struktur zu erzielen, muss das Substrat dazu über ein XYZ-Micromechanik bewegt werden. Die Mikro-Punktierung ist dagegen eine kontaktbehaftete Technologie. Sie verwendet einen Druckkopf mit Micro-Pins oder Micro-Kapillaren, um darüber Substanzen bzw. Moleküle auf die Substratoberfläche zu fixieren. Aufgrund sehr unterschiedlicher Herstellungsanforderungen und dem Wunsch nach höherer Effizienz, Geschwindigkeit und Flexibilität haben die drei genannten Herstellungstechnologien, insbesondere aber auch neue konkurrenzfähige Technologien eine gute Chance, in Zukunft kommerziell eingesetzt zu werden.
Microarrays werden bei der Analyse einer Substanzprobe zur biochemischen Reaktion mit dieser Probe gebracht. Die Spots des Microarrays tragen anschliessend Informationen, welche Aufschluss über die Eigenschaften oder Funktion der analysierten Substanz geben. Besondere Vorteile für Geschwindigkeit und Qualität der Auswertung der Informationen von dem Microarray beinhaltet die Methode des „Fluoreszenz-Labeling". Dabei wird das Microarray mit fluoreszierenden Substanzen behandelt, deren fluoreszierende Moleküle sich an die Moleküle auf den Spots des Microarrays anlagern. Man spricht hier von der Fluoreszenz-Markierung der Spots. Nach dieser Behandlung wird ungebundenes Material in einem „Waschvorgang" entfernt. Mit Hilfe von Fluorenszenz-Detektionsverfahren können die einzelnen Microarray-Spots sichtbar gemacht werden.
Zur Microarray-Detektion werden heute konfokale Scanner und CCD-Kameras eingesetzt. Als Lichtquellen dienen Laser, aber auch Weisslichtquellen. Durch die Beleuchtung der Microarrays mit Licht definierter Wellenlängen, werden die fluoreszierenden Moleküle zur Emission angeregt. Im Fall des konfokalen Scanners wird jeweils nur eine sehr kleine Region von ca. 100 Quadratmikrometern des Microarrays beleuchtet und die lokale Resonanz durch einen Punktdetektor aufgezeichnet und in ein äquivalentes elektrisches Signal konvertiert. Beim konfokalen Scanning wird das Microarray Spot für Spot beleuchtet und die jeweilig resultierende Emission aufgezeichnet, so dass ein zweidimensionales Bild als Ergebnis des Analyseprozesses entsteht. Die CCD-Technologie erlaubt dagegen die simultane Auswertung grosser Bereiche von Microarrays. Dafür werden flächige Beleuchtungsquellen eingesetzt.
Die Verwendung zweidimensionaler Beleuchtungs- und Auswertungstechniken kann die Anwendung von Biochips weiter optimieren. Der Einsatz von Laserlichtquellen erlaubt dabei die kontrollierte Beleuchtung von Microarrays mit definierten Wellenlängen, die sich kontrolliert durchstimmen lassen. Grundsätzlich erlauben Laser damit die kontrollierte Durchführung von Analysen von Microchips unter spezifizierten Bedingungen. Weiterentwicklungen, welche das kontrollierte Multiplexen von strukturierten Beleuchtungsmustern und Wellenlängen ermöglicht oder vereinfacht, verbessern die Möglichkeiten zur Auswertung von Microarrays.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine programmierbare Beleuchtungsvorrichtung zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Synthese oder Analyse von Microarrays. Für beide Anwendungen ermöglicht die Beleuchtungsvorrichtung die unkomplizierte und flexible Realisierung hochauflösender Arrays mit Laserlichtpunkten. Diese Punktmuster sind auf exakt spezifizierte periodischen Rasterkoordinaten definiert und können leicht 10000 bis 100000 Lichtpunkte pro Quadratzentimeter aufweisen. Im Fall der Synthese von Microarrays können diese Arrays von Laserlichtpunkten dazu dienen, um auf Substratoberflächen definierte elektrische Potentialstrukturen zu erzeugen, gemäss derer Moleküle oder Teilchen absedimentieren und so Mikrostrukturen entsprechend der vordefinierten Potentialstrukturen bilden. Im Fall der Analyse werden hochauflösende Arrays von Laserlichtpunkten eingesetzt, um Proben von Microarrays an definierten Stellen mit vordefinierten zweidimensionalen Lichtmustern zu beleuchten, um zugleich eine hochgradige örtliche Parallelität der Beleuchtung und die Kontrolle der lokalen Beleuchtung von Mikrostrukturen für den Analyseprozess zu erzielen.
Eine Kernkomponente der Beleuchtungsvorrichtung ist eine elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte optische Optik, zum Beispiel realisiert durch elektrisch adressierbare, optische Lichtmodulatoren und optional diffraktive optische Elemente, in Verbindung mit Lasersystemen, um die geforderte Parallelität und Flexibilität der Beleuchtung für Microarrays zu erzielen. Optische Lichtmodulatoren und diffraktive optische Elemente sind Technologien, mit denen sich Laserlicht in spezifizierter Weise manipulieren lässt, so dass definierte Beugungsmuster entstehen können. Die Art der Manipulation des Laserlichts wird durch die optische Transmissionsfunktion bestimmt, welche durch einen optischen Lichtmodulator oder mehrere Lichtmodulatoren in Reihe und optional diffraktive optische Elemente realisiert wird.
Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Berechnung von digitalen diffraktiven Transmissionsfunktionen zur direkten Realisation mittels elektrisch adressierbarer, mikrostrukturierter Lichtmodulatoren, welche durch Beleuchtung mit einer Laserlichtquelle und unter Ausnutzung des Beugungseffektes in einer definierten Bildebene spezifizierte Laserlicht-Punktmuster im Orts- und Zeitmultiplex-Verfahren erzeugen. Die Laserlicht-Punktmuster müssen im allgemeinen spezifisch für die jeweilige Anwendung zur Synthese oder Analyse von Microarrays vordefiniert werden. Dies geschieht anhand von digital definierten Array-Mustern, wobei jedem Lichtpunktmuster genau ein korrespondierendes digitales Muster zugeordnet wird. In einem digitalen Muster repräsentieren Punkte logisch die Lichtpunkte des realen physikalischen Lichtpunktmusters, wobei die geometrischen Parameter der Positionen digitaler Punkte in direkter mathematischer Relation mit den geometrischen Position der physikalischen Lichtpunkten stehen. In die mathematische Relation fliessen die Gesetze der Beugungsoptik ein, dabei die Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes, die Brennweiten eingesetzter Objektive und die Grössen der Mikrostrukturen vennrendeter Lichtmodulatoren. Der Entwurf einer digitalen Transmissionsfunktion zur Erzeugung eines spezifizierten Lichtpunktmusters beginnt mit der Spezifikation des entsprechenden digitalen Musters. Die Transmissionsfunktion kann dann mit Methoden der numerischen Optimierung, zum Beispiel mit dem sogenannten iterativen Fouriertransformationsalgoritmus, durch ein Computerprogramm berechnet werden, so dass die Transmissionsfunktion die Modulationscharakteristik eines Lichtmodulators möglichst ideal erfüllt. Die so erzeugte Transmissionsfunktion wird digital durch eine Grauwert-Bildmatrix repräsentiert. Die digitalen Werte der Matrix können zur Ansteuerung eines elektrisch adressierbaren Lichtmodulators verwendet werden. Für die Erfindung besonders bedeutend ist, dass dieses Verfahren es ermöglicht, in sehr flexibler Weise Transmissionsfunktionen zur Generierung von hochauflösenden zweidimensionalen Lichtpunktmustern zu erzeugen. Im Zusammenhang mit der Verwendung elektrisch adressierbarer Lichtmodulatoren bedeutet dies die Möglichkeit der zeitlichen Schaltung von Beleuchtungsmustern durch die Schaltung von Transmissionsfunktionen und die Möglichkeit der einfachen Umprogrammierung der Beleuchtungsquelle durch den Austausch von Transmissionsfunktionen zur flexiblen Anpassung an die Anforderungen verschiedener Anwendungen.
Die Erfindung verwendet elektrisch adressierbare optische Lichtmodulatoren und optional diffraktive optische Elemente. Ein elektrisch adressierbarer optischer Lichtmodulator ist eine planate mikrostrukturierte Komponente mit einer Pixelmatrix optischer Zellen, deren optische Transmissionsfunktion sich elektronisch ansteuern und wechseln lässt. Auf dem Markt sind heute Lichtmodulatoren erhältlich, deren optische Fläche kleiner ist als ein Dia und die Standardauflösungsformate VGA, SVGA oder XGA haben. In Zukunft sind hier weitere technologische Verbesserungen zu erwarten. Allerdings sind diese Lichtmodulatoren oft für Standard-Videoanwendungen entwickelt worden. Entsprechend werden sie zumeist für die Helligkeitsmodulation von Weisslicht verwendet. Diffraktive Elemente sind dagegen statische, mikrostrukturierte optische Komponenten, die eine optische Funktion unter Ausnutzung des Beugungseffektes erzielen.
Es ist eine besondere Eigenschaft der Erfindung, dass eine elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik eingesetzt wird, die einfallendes Laserlicht örtlich in spezifizierter Weise moduliert. Beispielsweise haben die sogenannten Flüssigkristallichtmodulatoren solche modulierenden Eigenschaften. Oftmals werden Flüssigkristallichtmodulatoren für Videoanwendungen entwickelt und modulieren entsprechend bevorzugt die Intensität beziehungsweise die Amplitude einfallenden Lichts. Für die vorliegende Erfindung, die Laserlicht einsetzt, ist es hingegen erforderlich, die Amplitude und/oder Phase einfallenden Laserlichtes in spezifizierter Weise modulieren zu können. Es gibt Lichtmodulatoren, die dieses leisten. Dazu gehören unter anderem auch die Flüssigkristallichtmodulatoren.
Sind die Modulationscharakteristiken eines Lichtmodulators nicht ideal, so können sie oftmals durch eine Modifikation der elektrischen Ansteuerung der bildgebenden Parameter optimiert werden. Es gibt Lichtmodulatoren, die im einen Fall transmittiv und im anderen Fall reflektiv funktionieren. Dieser Unterschied hat keinen grundsätzlichen Einfluss auf die Funktionsweise und Anwendung einer solchen Komponente in der Beleuchtungsvorrichtung, aber auf die Architektur der Beleuchtungsvorrichtung.
Die optische Funktion eines elektrisch adressierbaren Flüssigkristallichtmodulators bestimmt sich durch die optische Transmissionsfunktion, die mittels elektrischer Adressierung realisiert wird. Die Transmissionsfunktion ist eine Bild-Pixelmatrix, die mit einem Computerprogramm berechnet wird. Dabei definiert jedes Pixel, auf dem Computer dargestellt durch einen Grauwert, entweder eine Amplitudendämpfung im Fall der Amplitudenmodulation oder eine Phasenverzögerung im Fall der Phasenmodulation, die das Laserlicht an der entsprechenden Position des Lichtmodulators erfahren soll. Die optische Funktion des Lichtmodulators, beziehungsweise die Transmissionsfunktion, kann durch die elektrische Ansteuerung dynamisch verändert werden. Dies geschieht, indem man mit dem Computer die gewünschten Transmissionsfunktionen im voraus oder direkt berechnet und den Lichtmodulator mit diesen Transmissionsfunktionen in einem flexibel gestaltbaren aber definiertem Schema elektronisch ansteuert.
Die Erfindung macht von der Beugungseigenschaft des Laserlichts, der Funktionsweise elektrisch adressierbarer optischer Lichtmodulatoren und dem computergestützten Entwurf Transmissionsfunktionen diffraktiver optischer Elemente Gebrauch. Mit diesen Methoden des computergestützten Entwurfs werden in sehr flexibler Weise digitale Transmissionsfunktionen zur Realisierung mittels optischer Lichtmodulatoren oder diffraktiver optischer Elemente berechnet. Zur Synthese oder Analyse von Microarrays werden insbesondere Array-Muster benötigt. Dabei handelt es sich um repetitive Muster, welche ein oder wenige Grundmuster wie zum Beispiel einen Punkt, ein Rechteck oder einen Kreis in einem Array auf einem vorgegebenen Raster repliziert haben. Mit Hilfe des computergestützten Entwurfs können Kombinationen aus digitalen Transmissionsfunktionen, welche Grundmuster holographisch und durch Beugung von Laserlicht erzeugen, und solche, welche durch Teilung eines einfallenden Laserstrahls definierte Punktmuster erzeugen, Array-Muster in sehr flexibler Weise generiert werden. Im ersten Fall spricht man von digitalen Hologrammen und im zweiten Fall von digitalen Strahlteilern. 1 zeigt Beispiele typischer Array-Muster, die auf die beschriebene Weise erzeugt werden können.
Die Transmissionsfunktionen der digitalen Hologramme und Strahlteiler werden durch optimierende Berechnungsmethoden den Modulationseigenschaften des jeweiligen eingesetzten optischen Lichtmodulators angepasst. Hierfür können iterative Algorithmen wie zum Beispiel der iterative Fourier- oder Fresnel-Transformationsalgorithmus verwendet werden. Aus technischer Sicht besonders vorteilhaft und für die meisten Anwendungen funktionsfähig sind Fourier-Transmissionsfunktionen, die im Beugungsfernfeld die spezifizierten Array-Muster erzeugen. Der Vorteil der Anwendung von Fourier-Transmissionsfunktionen besteht darin, dass sich Translationen der Transmissionsfunktionen gegenüber dem eingestrahlten Laserstrahlenbündel in keiner Weise auf die Position oder Energieverteilung des Array-Musters im Fernfeld auswirken, was die Justierung der Komponenten in der Beleuchtungsvorrichtung vereinfacht.
Um eine möglichst optimale Lichteffizienz zu erzielen, werden phasenmodulierende Transmissionsfunktionen berechnet und die Modulationseigenschaften des Lichtmodulators auch dahingehend möglichst weitgehend angepasst. Dies ist aufgrund technischer Eigenschaften heutiger Lichtmodulatoren nicht immer ideal möglich, doch in zumindest in guter Annäherung. Es besteht die Aussicht, dass die Eigenschaften optischer Lichtmodulatoren aufgrund neuer Techniken in dieser Hinsicht zusätzliche deutlichen Verbesserungen unterliegen wird. 2 zeigt als Beispiel eine berechnete optische Transmissionsfunktion, welche für einen phasenmodulierenden Lichtmodulator berechnet ist und in der definierten Beugungsebene ein Punktmuster erzeugt, wenn der Lichtmodulator mit dieser Transmissionsfunktion adressiert und mit Laserlicht beleuchtet wird. Die Grauwerte der berechneten Transmissionsfunktion repräsentieren den Grad für die Phasenverzögerung, den das Laserlicht an der jeweiligen Pixelposition des Lichtmodulators erfährt.
Es kann Anwendungen geben, die eine besonders exakte Wiedergabe eines definierten Array-Musters erfordern. Die Berechnung von Nur-Phasentransmissionsfunktionen, die eine besonders hohe Lichteffizienz ermöglichen und den Modulationseigenschaften einiger Lichtmodulatoren gut entsprechen, basiert zumeist auf numerischen Optimierungsverfahren, die nicht immer zu Ideallösungen bezüglich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses der erzeugten Laserlicht-Punktmuster führen. So kann es in Spezialfällen erforderlich sein, ein spezifiziertes Beugungsmuster durch eine komplexe Transmissionsfunktion realisieren zu müssen, um zu einer besseren Lösung zu gelangen. In diesem Fall kann man die Transmissionsfunktion beispielsweise durch zwei Lichtmodulatoren realisieren, wobei der eine die Phasentransmissionsfunktion und der andere die Amplitudentransmissionsfunktion umsetzt. Man kommt hierbei nicht mit einem Lichtmodulator aus, da es heute keinen Lichtmodulatortyp gibt, der kontrolliert und simultan Phase und Amplitude von Laserlicht modulieren können.
Die Flexibilität der Berechnung optischer Transmissionsfunktionen, gekoppelt mit der dynamischen Realisierung durch elektrisch adressierbare Lichtmodulatoren, verleihen der Erfindung besonders nützliche Eigenschaften für die Synthese oder Analyse von Microarrays:

– Es können sehr flexibel hochauflösende, zweidimensionale Array-Muster und auch andere hochauflösende Muster zur Beleuchtung von Proben erzeugt werden, ohne die optische Apparatur dazu mechanisch verändern zu müssen. Die Veränderung ergibt sich durch elektrische Schalten der Transmissionsfunktion eines elektrisch adressierbaren Lichtmodulators.
– Es können beliebig viele, verschiedene spezifizierte Array-Muster kontrolliert dynamisch geschaltet werden.
– Durch die Verwendung von phasenmodulierenden Flüssigkristallichtmodulatoren oder phasenmodulierenden diffraktiven Elementen können qualitativ hochwertige Punktmuster flexibel erzeugt werden. Das heisst die Ausdehnung der Lichtpunkte kann minimiert, die Form der Punkte vereinheitlicht und die Uniformität der Energien in sehr guter Annäherung erzielt werden.
– Die Beleuchtungsmuster können den Dimensionen der zu befeuchtenden Proben angepasst werden. Die Anpassung geschieht einerseits über Parameter zur Berechnung der Transmissionsfunktionen und andererseits über justierbare optische Parameter der Beleuchtungsvorrichtung wie zum Beispiel die Objektivbrennweite.
– Die Dimension der Beleuchtungsmuster kann dem verwendeten Laserlicht angepasst werden. Die Anpassung geschieht einerseits über Parameter zur Berechnung der Transmissionsfunktionen und andererseits über justierbare optische Parameter der Beleuchtungsvorrichtung wie zum Beispiel die Objektivbrennweite.

So kann die Erfindung für die Synthese von Microarrays in mehrerlei Hinsicht eingesetzt werden. Zum einen kann die Sedimentierung von Molekülen oder Teilchen auf einem Substrat an den definierten Stellen eines Punktarrays hervorgerufen oder optimiert werden. Zum anderen können mögliche Verunreinigungen an Stellen, die frei bleiben sollen, nachträglich beseitigt werden. 3 verdeutlicht schematisch, welche Situationen hier entstehen können. Der Idealfall, in 3 links dargestellt, zeigt Teilchen, die sich gleichmässig in einem äquidistanten Punktarray auf einem Träger angeordnet haben. Abweichend davon findet man Situatsonen vor, wo Fehlstellen entstehen entweder dadurch, dass sich Teilchen nicht an den gewünschten Stellen ablagern, wie in 3 mitte gezeigt, oder an anderen nicht erwünschten Positionen, wie 3 rechts gezeigt. So kann die Qualität von Microarrays, angedrückt durch die Packungsdichte von Teilchen- oder Molekülspots, zum Beispiel durch die sequentielle Anwendung von Transmissionsfunktionen und die damit verbundene Erzeugung von Lichtmustern zur Auslösung der Sedimentierung von Substanzen an den definierten beleuchteten Positionen verwendet werden. Daneben kann auf gleiche Weise das Ablösen von Teilchen an beleuchteten Stellen ausgelöst werden. Vorgänge der Sedimentierung und Ablösung erfordern in der Regel unterschiedliche Laserenergien, Belichtungsdauern und Wellenlängen. Von daher ist in der Erfindung eine programmierbare Kopplung der jeweils spezifizierten Modulationsfunktion des Lichtmodulators mit der Energie des Laserlichts vorgesehen. Eine Optimierung kann auch durch die Anwendung von Transmissionsfunktionen geschehen, die Punktarrays mit optimalen Packungsdichten erzeugen, so insbesondere hexagonale Array-Muster.
Die Erfindung betrifft ein Gerät, dessen Aufbau in zwei Varianten in den 4 und 5 dargestellt sind. Die grundsätzliche Funktionsweise des Gerätes ist in beiden Varianten gleich. Die Unterschiede in der Architektur der Geräte ergibt sich aus den unterschiedlichen Lichtmodulatortechnologien. So sind transmittive und reflektive Lichtmodulatoren zu unterscheiden. Transmittive Lichtmodulatoren werden mittels Laserlicht durchleuchtet, wobei jedes optische Pixel des Modulators die Phasen- oder Amplitudeneigenschaft des Lichtes lokal, und entsprechend seiner elektrischen Ansteuerung, beeinflusst.
Bei reflektiven Lichtmodulatoren hat jedes Pixel eine abschliessende reflektierende Schicht, welche einfallendes Licht zurück reflektiert. Diese Technologie gewinnt stark an Bedeutung, da sie die Verlagerung der Ansteuerelektronik hinter die Pixels und damit bedeutend höhere Pixelauflösungen und eine höhere Energieausnutzung ermöglicht.
4 und 5 zeigen, dass die Erfindung aus mehreren Modulen besteht: dem Modul „Laser", dem Modul „Strahlaufweitung", dem Modul „Elektrisch schaltbare mikrostrukturierte Optik", dem Modul „Abbildungsoptik", dem Modul „Elektronische Steuerung" und dem Modul „Informationstechnisches System". Die Funktion der Erfindung entsteht durch das Zusammenwirken dieser Module. Die Lichtquelle ist ein Laser, dessen Strahl durch eine Strahlaufweitungsoptik expandiert wird. Dieses aufgeweitete Strahlenbündel trifft auf den elektrisch schaltbare mikrostrukturierte Optik, welche entsprechend der elektronischen Ansteuerung optische Transmissionsfunktionen realisiert. Je nach eingesetzter Lichtmodulatortechnologie wird das einfallende Laserstrahlenbündel entsprechend der realisierten Transmissionsfunktion moduliert und transmittiert oder reflektiert. Es ist auch möglich und für einige Anwendungen potentiell erforderlich die Transmissionsfunktion nicht mit einer, sondern durch Kopplung mehrerer optischer Komponenten zu erzielen. Dabei kann es sinnvoll sein, die Transmissionsfunktion zum Beispiel durch den Einsatz mehrerer adressierbarer Lichtmodulatoren oder die Kombination von adressierbarem Lichtmodulator mit statischen diffraktiven Elementen zu erzeugen. Das durch die elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik modulierte Laserstrahlenbündel wird durch eine Abbildungsoptik gelenkt, die das Beugungsbild in einer definierten Objektebene, wo sich zum Beispiel ein Substrat mit einem Microarray befindet, abbildet. Durch die elektronische Steuerung werden der Eigenschaften des Lichtmodulator, die der Laserlichtquelle und der Abbildungsoptik kontrolliert. Die elektronische Ansteuerung kann entweder eine integrierte Elektronik mit Rechenwerk, Speichereinheit und Steuerlogik oder ein Computer sein. Sie beinhaltet mindestens die das Importieren, Speichern, Löschen und Wiedergeben von Transmissionfunktionen auf dem elektrisch adressierbaren Lichtmodulator, der Parametrierung und Speicherung von Bildwiedergabeparametern und eine Kopplung zur Steuerung der Helligkeit und Wellenlänge der Laserlichtquellen. Auch die Einstellungen der Abbildungsoptik und möglicher zusätzlicher optischer Komponenten können hiermit kontrolliert werden.
Die Beleuchungsvorrichtung hat eine spezifizierte Objektebene, in der Substrate mit Proben oder Microarrays oder geschlossene transparente Gefässe, in denen wiederum Substrate mit Proben oder Microarrays eingefasst sind, befestigt werden können. Damit ist ein flexibler Einsatz der Beleuchtungsvorrichtung für die Synthese und die Analyse von Microarrays möglich. Eine Methode für die Synthese von Microarrays verläuft in folgenden Schritten. Zunächst werden ein oder mehrere Substrate in einem transparenten und abgeschlossenen Behälter gefasst, welcher mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit oder das Gas unter anderem die Substanz enthält, die zur Abscheidung auf dem Substrat oder den Substraten gebracht werden soll. Anschliessend wird der Behälter mit dem Substrat oder den Substraten in die Objektebene eingeführt. Danach wird das Substrat beleuchtet, wodurch auf den beleuchteten Positionen eine elektrisches Potential entsteht, was die besagten Substanzen anregt, sich an den beleuchteten Positionen abzulagern. Diese oder auch andere Arten der Synthese können auch mit solchen Substraten durchgeführt werden, die bereits Microarrays, zum Beispiel mit einem Micro-Spotting-Verfahren erzeugt, auf sich tragen. So kann man z.B. auf den Strukturen eines Microarrays eine neue Substanz aufwachsen lassen oder die chemische Bindung von Substanzen durch den Einfluss des Laserlicht verursachen. Im Fall der Analyse wird das Substrat, welches das zu analysierende Microarray trägt, vor dem Analyseprozess mit einer fluoreszierenden Substanz behandelt. Der Schritt des Analysierens besteht darin, dass die Substanz zunächst an spezifizierten Positionen mit Laserlicht definierter Energie und Wellenlängen beleuchtet wird, wodurch die Fluoreszenzreaktion bei der Substanz an den beleuchteten Stellen ausgelöst wird. Anschliessend wird das Laserlicht abgeschaltet, so dass das Emissionsabbild der fluoreszierenden Substanz mit einem Detektor ausgezeichnet werden kann. Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen erklärt:
1 Beispiele für zweidimensionale Array-Muster, die mit der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden können,
2 Beispiel für eine Computer-generierte Transmissionsfunktion für einen phasenmodulierenden Lichtmodulator, die ein Punktarray als Beugungsbild erzeugt,
3 Schematische Darstellung der Situationen bei der Sedimentierung von Teilchen oder Molekülen auf Substraten,
4 Schematische Darstellung der Architektur der Beleuchtungsvorrichtung im Fall der Verwendung eines transmittiven Lichtmodulators,
5 Schematische Darstellung der Architektur der Beleuchtungsvorrichtung im Fall der Verwendung eines reflektiven Lichtmodulators.
1 zeigt mehrere Beispiele typischer zweidimensionaler Array-Muster, die als kohärente Beleuchtungsmuster mit der Beleuchtungsvorrichtung erzeugt werden können. Es handelt sich hier oft um reguläre Muster, die ein Grundmuster enthalten, welches auf Punktraster repliziert wird. Diese Muster sind geeignet, um die Sedimentierung von Teilchen oder Molekülen an beleuchteten Positionen auf Substraten anzuregen oder zu optimieren. Sie können auch eingesetzt werden, um Teilchen oder Moleküle an unerwünschten Stellen zu lösen.
2 zeigt ein Beispiel für eine _Computer-generierte Transmissionsfunktion für einen Flüssigkristallichtmodulator zur Erzeugung eines Punktarrays. Die Transmissionsfunktion ist eine Pixelmatrix, welche durch eine entsprechende Matrix von quantisierten Grauwerten definiert ist. Jeder Grauwert eines Pixels definiert die Phasenmodulationseigenschaft des zugehörigen Pixels des Flüssigkristallichtmodulators. Für die Beleuchtungsvorrichtung können in flexibler Weise die verschiedenen für eine Anwendung benötigten Transmissionsfunktionen im Voraus oder direkt berechnet werden, um den Lichtmodulator in damit anzusteuern. Die Ansteuerung kann gemäss eines definierten Zeitmultiplexverfahrens geschehen, wobei die Schaltgeschwindigkeit nur die maximale Schaltgeschwindigkeit des Lichtmodulators begrenzt ist. Durch die elektrische Adressierung des Lichtmodulators mit einer Transmissionsfunktion ergibt sich in der definierten Beugungsebene das entsprechende Laserlicht-Punktarray, welches die Transmissionsfunktion durch die Modulation des Laserlichts und unter Ausnutzung des Beugungseffektes erzeugt.
3 verdeutlicht schematisch typische Situationen, die sich bei der Synthese von Micioarrays ergeben können. Im dem Idealzustand, wie links gezeigt, lagern sich die Teilchen oder Moleküle auf dem Substrat in einem vorgegebenen Raster zu einem Array an. In Abweichung vom Idealzustand können beim Syntheseprozess Fehlstellen entstehen, wie in Bildmitte dargestellt, oder sich Teilchen an Positionen ablagern, die eigentlich nicht dafür vorgesehen sind. Letzterer Zustand ist in 3 rechts dargestellt. Fehlzustände können durch die Beleuchtungsvorrichtung mittels Anwendung geeigneter Transmissionsfunktionen entgegen gewirkt oder vermieden werden.
4 und 5 zeigen zwei Architekturen zur Realisierung der Beleuchtungsvorrichtung. Diese unterscheiden sich nicht funktional, sondern nur in der Ausführung mit einem transparenten Lichtmodulator in 4 beziehungsweise einem reflektiven Lichtmodulator in 5. Dabei wird die Probe, eine Substrat, zur Synthese oder Analyse eines Microarrays mit einem zweidimensionalen Belichtungsmuster oder einer Sequenz solcher Belichtungsmuster, wie sie in 1 dargestellt sind, beleuchtet. Jedes Beleuchtungsmuster ist Ergebnis der Beugung eines kohärenten Wellenfeldes, dessen Phasenverteilung in der Ebene des Lichtmodulators durch dessen Transmissionsfunktion definiert wird. Die Transmissionsfunktion kann durch einen adressierbaren Lichtmodulator oder mehrere solcher Lichtmodulatoren oder die Kombination von Lichtmodulatoren mit statischen diffraktiven Elementen implementiert werden. Eine Abbildungsoptik dient dazu, das Beugungsbild des modulierten Laserlichts in eine definierte Beugungsebene zu bringen. Eine elektronische Ansteuerung sorgt für die Kontrolle des Lichtmodulators, oder optional mehrerer Lichtmodulatoren, der Laserlichtquelle und der Abbildungsoptik. Damit lassen sich die Transmissionsfunktionen und die Bildwiedergabeeigenschaften des Lichtmodulators steuern, die Eigenschaften der Lichtquelle und die optischen Abbildungsparameter. Die elektronische Ansteuerung ist kann mit einem Computer verbunden werden, um an sie Transmissionsfunktionen zu übertragen, die mit einem Programm auf dem Computer berechnet wurden. Wenn die elektronische Ansteuerung im Zeitmultiplexbetrieb eine Sequenz von Transmissionsfunktionen an den Lichtmodulator überträgt, so werden beim Beleuchten mit der Laserlichtquelle in der Objektebene, in welcher sich z.B. ein Substrat oder mehrere Substrate mit Microarrays befinden, die zugehörigen Beleuchtungsmuster erzeugt.

1: Laserlichtquelle(n)
2: Optik zur Aufweitung von Laserstrahlen
3: Elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik, z. B. ein oder mehrere elektrisch adressierbare Lichtmodulatoren
4: Abbildungsoptik
5: Elektronisches System
6: Informationstechnisches System
7: Substrat mit oder ohne Microarray(s)
8: Kohärentes Laserlicht
9: Aufgeweitetes Laserstrahlenbündel
10: Transmissionsfunktionen der elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik
11: Modulierte Lichtwelle
12: Beugungsbild
13: Substratebene
14: Verbindungskabel

Claims

Programmierbare Beleuchtungsvorrichtung zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Synthese oder Analyse von Microarrays, welche aus einer oder mehreren Laserlichtquellen (1), einer Optik (2) zur Aufweitung der Laserstrahlen, einer elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik (3) zur Modulation von Laserlicht mit einer digitalen Transmissionsfunktion (10), einer Abbildungsoptik (4) zur Abbildung von Beugungsbildern (12) in eine spezifizierte Substratebene (13), einem elektronischen System (5) zur Steuerung der elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik (3), welche zum Beispiel aus einem oder mehreren elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren besteht, und der Laserlichtquellen (1), einem informationstechnischen System (6) zur Berechnung digitaler Transmissionsfunktionen und zur Ansteuerung des elektronischen Systems (5), und einem oder mehreren Substraten (7), welches jeweils ein oder mehrere Microarrays trägt, in der Substratebene (13) besteht.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik (3) aus einem oder mehreren elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren besteht.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik (3) aus einer Kombination von einem oder mehreren elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren und optional einem oder mehreren diffraktiven optischen Elementen besteht.
Eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren (3) elektrisch steuerbare, pixelstrukturierte, transmittive Flüssigkristall-Minidisplays sind, welche die computerkontrollierte Schaltung von Transmissionsfunktionen mit definierbaren Taktraten ermöglichen.
Eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren (3) elektrisch steuerbare, pixelstrukturierte, reflektive Flüssigkristall-Minidisplays sind, welche die computerkontrollierte Schaltung von Transmissionsfunktionen mit definierbaren Taktraten ermöglichen.
Eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren (3) elektrisch steuerbare, pixelstrukturierte, reflektive Minispiegel-Displays sind, welche die computerkontrollierte Schaltung von Transmissionsfunktionen mit definierbaren Taktraten ermöglichen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Strahlengang eine Blende zum Abblocken der höheren Beugungsordnungen, die durch die Pixelstrukturierung der besagten Lichtmodulatoren im Beugungsbild (12) entstehen können, eingesetzt wird.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Strahlengang zusätzlich eine Blende zum Abblocken eines möglichen Energie-Peaks in der 0-ten Beugungsordnung, der durch einen zu hohen Gleichanteil in der physikalisch realisierten Transmissionsfunktion entsteht, eingesetzt wird.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das informationstechnische System (6) ein Mittel ist, um die Berechnung digitaler Transmissionsfunktionen durch Codierungsverfahren der diffraktiven Optik für die jeweilige Anwendung vorzunehmen, digitale Transmissionsfunktionen zu speichern und nach den Bedürfnissen für Anwendungen zusammenzustellen und zu verwalten.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Fall der Synthese ein oder mehrere Substrate (7) in einem transparenten und abgeschlossenen Behälter gefasst sind, welcher mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit oder das Gas unter anderem die Substanz enthält, die zur Abscheidung auf dem Substrat (7) oder den Substraten (7) gebracht werden soll.
Ein Verfahren zur hochauflösenden, massiv parallelen, räumlichen Synthese oder Analyse von Microarrays dadurch gekennzeichnet, dass kohärentes Laserlicht (8) spezifizierter Intensität und Wellenlängen durch eine oder mehrere Laserlichtquellen (1) erzeugt wird, das besagte Laserlicht (8) durch eine Optik zur Aufweitung der Laserstrahlen (2) zu einem aufgeweiteten Laserstrahlenbündel (9) transformiert wird, das besagte aufgeweitete Laserstrahlenbündel (9) auf eine elektrisch schaltbare, mikrostrukturierte Optik (3), zum Beispiel ein oder mehrere elektrisch adressierbare Lichtmodulatoren, trifft und durch deren Transmissionsfunktionen (10) in eine entsprechend der Transmissionsfunktionen (10) modulierte Lichtwelle (11) transformiert wird, die besagte modulierte Lichtwelle (11) sich im Raum ausbreitet, durch die Abbildungsoptik (4) das im Fernfeld entstehende Beugungsbild (12) auf ein Substrat (7) in der Substratebene (13) abgebildet wird, wodurch auf den beleuchteten Positionen elektrische Substratpotentiale erzeugt und dort Substanzen abgelagert werden oder wodurch die an den beleuchteten Positionen befindlichen Substanzen analysiert werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Transmissionsfunktionen (10) berechnet werden, gespeichert werden und zur Ansteuerung der elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik (3) verwendet werden.
Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12 dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der genannten digitalen Transmissionsfunktionen (10) die zu erzeugenden Beleuchtungsmuster als digitale Pixelmuster definiert werden, und die verwendeten Laserwellenlängen sowie die Modulationscharakteristiken der Lichtmodulatoren als physikalische Parameter definiert werden, und unter Einbezug dieser Parameter die Transmissionsfunktionen (10) mit Berechnungsverfahren der diffraktiven Optik berechnet werden.
Ein Verfahren nach dem Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) mit dem zu analysierenden Microarray mit einer fluoreszierenden Substanz behandelt wird.
Ein Verfahren nach Ansprüchen 11 und 14 dadurch gekennzeichnet, der Schritt des Analysierens darin besteht, dass die Substanz zunächst an spezifizierten Positionen mit Laserlicht definierter Energie und Wellenlängen beleuchtet wird, wodurch die Fluoreszenzreaktion bei der Substanz an den beleuchteten Stellen ausgelöst wird, anschliessend das Laserlicht abgeschaltet wird und das Emissionsabbild der fluoreszierenden Substanz mit einem Detektor ausgezeichnet wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektronischen System (5) die Intensitäten und die Wellenlängen der Laserlichtquellen (1) elektronisch den spezifizierten Parametern angepasst werden und die besagten Transmissionsfunktionen (10) aus dem Speicher des informationstechnischen Systems (6) geladen werden und als Steuerparameter zur Steuerung der elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik (3) verwendet werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das besagte aufgeweitete Laserstrahlenbündel (9) entweder durch die Transmissionsfunktion eines oder mehrerer aufeinander folgender elektrisch adressierbarer Lichtmodulatoren transformiert wird und als Resultat die modulierte Lichtwelle (11) entsteht.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das besagte aufgeweitete Laserstrahlenbündel (9) durch die Transmissionsfunktionen eines oder mehrerer elektrisch adressierbarer Lichtmodulatoren und durch die Transmissionsfunktionen eines oder mehrerer diffraktiver optischer Elemente transformiert wird und als Resultat die modulierte Lichtwelle (11) entsteht.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Transmissionsfunktionen (10) zunächst als ein digitales Hologramm, ein optischer Strahlteiler oder eine Kombination aus beiden berechnet werden und anschliessend mit einer elektrisch schaltbaren, mikrostrukturierten Optik (3) realisiert werden, so dass die Phase und/oder die Amplitude der Strahlen des aufgeweiteten Laserstrahlenbündels (9) moduliert werden, wodurch jeweils als Beugungsbild (12) ein definiertes, hochauflösendes, strukturiertes, zweidimensionales Muster aus Laser-Lichtpunkten entsteht.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die genannten digitalen Transmissionsfunktionenen (10) als digitale Fourierhologramme und Fourier-Strahlteiler berechnet werden, die im optischen Fernfeld jeweils ein definiertes, hochauflösendes, strukturiertes, zweidimensionales Muster aus Laser-Lichtpunkten generieren.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseigenschaften elektrisch adressierbarer Lichtmodulatoren (3) durch die elektronische Variation der bildgebenden elektronischen Parameter der besagten Lichtmodulatoren (3) so optimiert werden, dass ein Gleichanteil im Signal der durch die Lichtmodulatoren (3) realisierten Transmissionsfunktionen (10) minimiert wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische System (5) zur Steuerung der elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren (3) elektronisch konfiguriert wird, indem gemäss einer Spezifikation die Art, Anzahl, Reihenfolge und Darstellungsdauer der Transmissionsfunktionen (10) für einen dynamische Beleuchtungssequenz festgelegt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische System (5) zur Steuerung der elektrisch adressierbaren Lichtmodulatoren (3) elektronisch umprogrammiert wird, indem ein Parametersatz gemäss einer andere Spezifikation durch das elektronische System (5) neu geladen und aktiviert wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass auf das Substrat (7) bereits in einem vorausgehenden Prozessschritt an mehreren Positionen eine oder verschiedene Substanzen aufgebracht wurden, und das Substrat (7) in einem transparenten und abgeschlossenen Behälter gefasst wird, welcher mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit oder das Gas unter anderem eine neue Substanz enthält, die zur Abscheidung auf dem Substrat (7) gebracht werden soll, das Substrat beleuchtet wird, wodurch auf den beleuchteten Positionen die neuen Substanzen abgelagert werden.
Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (7) ein Microarray von Substanzen trägt, welches in einem Prozessschritt mit einem Micro-Spotting-Verfahren auf das Substrat gebracht wurden, und das Substrat (7) in einem transparenten und abgeschlossenen Behälter gefasst wird, welcher mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt ist, wobei die Flüssigkeit oder das Gas unter anderem eine neue Substanz enthält, die zur Abscheidung auf dem Substrat (7) gebracht werden soll, und das Substrat an spezifischen Positionen der Micro-Spots beleuchtet wird, wodurch auf den beleuchteten Positionen die neuen Substanzen abgelagert werden.