DE10232409A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln der Position einer Substanz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ermitteln der Position einer auf einer ersten Seite abzugebenden oder abgegebenen Substanz eines Substanzträgers (1, 13, 20) mit mindestens einem optischen Sensor (8) zur Erfassung der Position, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine optische Sensor (8) auf einer zweiten Seite des Substanzträgers (1, 13, 20) angeordnet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln der Position einer Substanz, insbesondere zur Überwachung der bevorzugt dosierten Abgabe einer Substanz.
• Das dosierte Aufbringen einer Substanz auf eine Oberfläche z. B. eines Substrats spielt in verschiedenen Bereichen eine große Rolle, wie z. B. bei der DNA-Massenspektroskopie, der Mikroarray-Herstellung z. B. im Rahmen der molekularen Biologie, der Feindosierung von Klebstoffen im Bereich der Mikrosystemtechnik oder dem Pipettieren von Polymeren zur Herstellung von elektronischen Baugruppen, wie z. B. Displays in der Polymerelektronik. Dazu werden häufig sogenannte Pipettier-Roboter mit Piezopipetten oder anderen Vorrichtungen zum Emittieren von Flüssigkeitstropfen oder zum Absetzen von Flüssigkeiten mit z. B. Nadeln verwendet, wobei sehr kleine Volumina im Nano- bis Femtoliter-Bereich bevorzugt kontaktfrei und mit regelmäßiger Anordnung auf die jeweils verwendeten Oberflächen aufgebracht werden können.
• Derzeit werden in der Biotechnologie zur Herstellung von DNA- bzw. Biochips überwiegend normale, transparente Mikroskopobjektträger verwendet, welche ca. 76 mm lang, 26 mm breit und 1 mm dick sind. Die Oberfläche der Mikroskopobjektträger wird z.B. chemisch behandelt, wonach sie als Biochipsubstrat zum Auftragen von z.B. DNA- oder Proteinproben zur Verfügung stehen. Diese Proben werden als sehr kleine Flüssigkeitstropfen, gewöhnlich mit einem Durchmesser von etwa 100 μm, auf die Substratoberläche abgegeben. Hierzu werden spezielle Pipettierwerkzeuge benötigt, welche zur genauen Positionierung der Tropfen auf der Substratoberfläche sehr dicht in einer Höhe von z.B. 0,5 bis 2 mm über die Substratoberfläche hinweg bewegt werden müssen. Diese Substrate oder Objektträger werden dabei auf Aluminiumplatten aufgelegt, wobei die positionsgenaue Fixierung der Objektträger problematisch ist, da aufgrund des geringen Ab standes der Pippetiervorrichtung zur Substratoberfläche die Substrathalterung nur geringfügig größer sein darf als der Objektträger selbst.
• Für automatisierte Pipettiervorgänge auf in ein oder mehrere Substrate ist eine in annähernd Echtzeit durchzuführende Kontrolle des Pipettierergebnisses wünschenswert, um z.B. Ausfälle der Pipettiervorrichtung, inhomogene Tropfengrößen, Satellitentropfen und andere die Pipettierqualtiät betreffende Parameter zu erkennen und gegebenenfalls geeignete Korrekturen durchzuführen.
• Aus der WO00/48736 ist ein Sensor zur Funktionskontrolle einer Mikropipette eines Nanoplotters bekannt, mit welchem eine exakte örtliche Tropfenablage bestimmt oder die Ausmaße eines Tropfens gemessen werden können, wobei auch Lageabweichungen von einem vorgesehenen Ablageort festgestellt werden können. Hierzu werden punkt-, linien- oder flächenförmig ausgestaltete Elektroden auf einem Messfeld angebracht, auf welchem ein Testtropfen von einer Mikropipette abgelegt wird, wobei die Elektroden mit einer Auswerteelektronik verbunden sind. Mit dieser Vorrichtung ist es jedoch nicht möglich die exakte Position einer auf einem beliebigen Substrat aufgebrachten Substanz zu bestimmen.
• Aus der US 6,094,966 und der US 4,405,344 sind Verfahren bekannt, um die Arbeitsweise einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung zu überprüfen, wobei ein Drucksignal verwendet wird, um das abgegebene Flüssigkeitsvolumen zu quantifizieren und eine Funktionskontrolle der Abgabevorrichtung durchzuführen.
• Aus dem Artikel "Micro Dispensing of Adhesives and Other Polymers" von W. Meyer, ist es bekannt unterhalb einer Öffnung zur Abgabe eines Tropfens eine CCD-Kamera und eine Stroboskop-LED anzuordnen, wobei die CCD-Kamera auf die Flugbahn des Tropfens fokussiert ist, um einen Tropfen basierend auf einer Ja/Nein-Abfrage zu erkennen. Auftretende Satellitentropfen können mit einer solchen Anordnung jedoch nicht detektiert werden.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln der Position einer Substanz und ein hierfür geeignetes Substrat vorzuschlagen, mit welchen die Qualität eines Pipettiervorganges präzise überwacht werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der Position einer Substanz auf einem Substanzträger und/oder der Position eines Substanzträgers auf einer Auflage und bevorzugt zum präzisen und dosierten Abgeben einer Substanz auf eine Auflagefläche eines oder bevorzugt mehrerer Substanzträger oder Substrate, weist mindestens einen optischen Sensor auf, um z.B. eine Abgabevorrichtung zu überprüfen, insbesondere um den Vorgang der Abgabe der Substanz durch Erfassung geeigneter Parameter, insbesondere der Position der Substanz in der Abgabevorrichtung, nach der Abgabe in der Luft und/oder auf dem Substanzträger, zu überwachen und eventuell auftretende Fehlfunktionen oder Fehler zu erkennen, sodass bevorzugt eine Kontrolle des Abgabe- oder Pipettiervorgangs und/oder -ergebnisses durchgeführt werden kann. Weiterhin ist es möglich die korrekte Lage von Substanzträgern relativ zur Abgabevorrichtung zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist der optische Sensor, wie beispielsweise eine Kamera oder Fotodiode, auf einer anderen Seite eines Substanzträgers oder Objektes angeordnet, als die Seite, auf welche die Substanz aufgebracht wird. Z.B. wird die Substanz auf eine obere Oberfläche durch mindestens ein bevorzugt mindestens zum Teil transparentes Abgabeelement, wie beispielsweise eine Piezopipette, Nadeln oder ähnliches aufgebracht. Erfindungsgemäß kann der optische Sensor dann z.B. unterhalb eines Substanzträgers oder Substrats angeordnet sein, wenn die Substanz auf die Oberseite aufgebracht wird. Es sollte vorteilhaft mindestens ein Teilbereich des Substrats und/oder des Substanzträgers aus einem transparenten Material hergestellt und optisch durchlässig sein, damit die Position der Substanz ermittelt und insbesondere eine Überwachung der Abgabevorrichtung oder des Abgabevorganges durchgeführt werden kann. Durch die geeignete Einstellung der Fokussierebe nen können die Substanzpositionen vor, während und nach dem Abgabevorgang ermittelt werden.
• Vorteilhaft sind die Abgabevorrichtung, wie z.B. eine Pipette, und der optische Sensor, wie z.B. eine Kamera, in einer Linie angeordnet, d.h. die Kamera ist z.B. auf einer Linie angeordnet, welche die Pipettenachse verlängert.
• Die Anordnung des optischen Sensors auf einer von der Abgabevorrichtung abgewandten Seite eines Substanzträgers oder eines Substrats ermöglicht eine einfache und vielseitige Ausgestaltung der Abgabevorrichtung zur Abgabe von Substanzen mit unterschiedlichen physikalischen Parametern, wie z.B. Viskosität oder Oberflächenspannung, welche auf einer Seite eines Substrats oder einer bevorzugt zumindest zum Teil transparenten Substratauflage z.B. in einem relativ geringen Abstand von der Substratauflage frei bewegt werden kann, wobei Daten zum Abgabevorgang oder für die Positionierung der Abgabevorrichtung und/oder des Substrats einfach mit dem optischen Sensor erhalten werden können, welcher keine Behinderung für die Arbeitsweise, insbesondere die Anordnung oder Bewegung der Abgabevorrichtung darstellt. Wird der optische Sensor auf einer Seite des Substrats oder der Substratauflage angeordnet, welche von der Seite wegweist, auf welche die Substanz aufgebracht werden soll oder aufgebracht worden ist, kann der Vorgang der Abgabe der Substanz auch dann auf einfache Weise überwacht und kontrolliert werden, wenn sich z. B. die Substanz- oder Probenseite des Substrats in einer für das Kamerasystem schädlichen Atmosphäre mit z. B. hoher Luftfeuchtigkeit oder einem hohen Anteil an Lösungsmitteldämpfen befindet.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Position einer Substanz mit einem zur Überwachung und Kontrolle dienenden optischen Sensor, welcher die Lage der Substanz durch das Substrat hindurch erfassen kann, können auch bei einem sehr geringen Abstand zwischen der Abgabevorrichtung und der Oberfläche eines Substrats oder Objektträgers Flüssigkeitstropfen direkt auf dem Substrat oder Objektträger und auch während des gesamten Fluges des Flüssigkeitstropfens nach dem Ausstoß aus z. B. einer Pipette überwacht werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Ermitteln der Position eines Substanzträgers auf einer ersten Seite einer bevorzugt ganz oder zum Teil transparenten oder in Teilbereichen mit Löchern oder Aussparungen versehenen Auflage mit einem auf der zweiten Seite angeordneten optischen Sensor. Ein Substanzträger kann zur besseren Detektion z.B. optische Markierungen aufweisen, wie z. B. in der am 2. August 2001 eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen Nr. 101 37 864.5 beschrieben, deren diesbezügliche technische Lehre in diese Anmeldung aufgenommen wird.
• Bevorzugt ist ein Auflageelement für ein Substrat, das Substrat selbst, auf welches die Substanz aufgebracht wird, oder ein beliebiger anderer Substanzträger aus einem transparentem Material hergestellt, wobei es allgemein auch möglich ist nur Teilbereiche aus transparentem Material herzustellen, um eine Überwachung des Substanz-Abgabe Vorganges mit dem optischen Sensor durch das Substrat hindurch durchführen zu können.
• Als Abgabeelement können z. B. eine einzelne oder eine Mehrzahl von Pipetten oder Piezopipetten, ein Nadelarray oder eine oder mehrere Vorrichtungen verwendet werden, welche zum dosierten Abgeben von Substanzen z. B. über gesteuerte Druckimpulse geeignet sind.
• Vorteilhaft können eine oder mehrere Kameras als optischer Sensor verwendet werden, welche Informationen bezüglich des durchgeführten Abgabevorganges und eventuell auftretende Fehler liefert. Je nach Verwendungszweck können auch einfachere und kostengünstigere optische Sensoren, wie z. B. eine Fotodiode verwendet werden. Allgemein sollte der erfindungsgemäß verwendete optische Sensor in der Lage sein im einfachsten Fall das bevorzugt korrekte Durchführen oder Fehlen eines Pipettiervorganges durch eine Veränderung von optischen Signalen, wie z. B. der Veränderung eines von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtes, ggf. unter Verwendung von weiteren physikalischen und/oder chemischen Effekten, wie Streuung, Fluoreszenz, Reflexion oder Absorption durch die Substanz, zu erkennen.
• Bevorzugt ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit welcher die Fokusebene des optischen Sensors geändert werden kann. Dies kann z B. eine Vorrichtung zur Veränderung der relativen Lage zwischen Substrat oder Substanzträger und optischem Sensor durch Bewegen eines oder beider Elemente sein. Weiterhin ist es auch möglich ein Objektiv zu verwenden, mit welchem die Abbildungsebene des optischen Sensors verändert werden kann, sodass der optische Sensor beispielsweise durch das Substrat hindurch auf die Oberfläche des Substrats oder auf eine Abgabeelement der Abgabevorrichtung, wie z. B. eine transparente Pipette, fokussiert werden kann, um so die korrekte Arbeitsweise der Abgabevorrichtung überprüfen zu können.
• Vorteilhaft wird für die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Lichtquelle, beispielsweise eine Lampe oder eine Leuchtdiode, verwendet, welche Licht aussendet, das von der abzugebenden oder abgegebenen Substanz z. B. absorbiert und/oder gestreut und/oder reflektiert wird, um mit den so erzeugten optischen Signalen die Position der Substanz zu erkennen und insbesondere eine Kontrolle der Vorrichtung zur Abgabe der Substanz durchführen zu können. Die Lichtquelle kann auf der gleichen oder einer anderen Seite eines Substrats oder Substanzträgers angeordnet werden, auf welcher der optische Sensor angeordnet ist, d.h. diese kann z.B. an einer Pipettiervorrichtung oder einer Kamera angebracht sein.
• Bevorzugt ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, welche die von dem optischen Sensor erfassten Signale auswerten kann und somit die Position einer Substanz auf einem Substrat und insbesondere das bestimmungsgemäße Funktionieren der Abgabevorrichtung überprüfen kann. Beispielsweise können während eines Pipettierprozesses zeitgleich oder zeitversetzt folgende qualitätsüberwachende Messungen durchgeführt werden und falls erforderlich Parameter des Pipettierprozesses abgeändert oder eingestellt werden:
• 1. Die prinzipielle Funktion der Abgabevorrichtung, wie beispielsweise einer Pipettiereinheit, kann durch Detektion der abgegebenen Substanz oder Flüssigkeit überprüft werden. Dies kann beispielsweise an der Abgabevorrichtung selbst oder auf dem Substrat mit einer einfache Ja/Nein-Abfrage erfolgen, wozu relativ einfach optische Elemente eingesetzt werden können. Alternativ können komplexere Einheiten zur Bilderfassung und Bildauswertung eingesetzt werden.
• 2. Die Durchmesser von Tropfen der abgegebenen Substanz sowie deren Rundheit können sowohl in der Luft als auch auf einer Oberfläche z.B. eines Substrats bestimmt werden, um die Qualität des Abgabevorgangs zu überprüfen.
• 3. Die Flugbahn oder Lage der Substanz bzw. eines Tropfens auf dem Substrat kann ermittelt werden und beispielsweise mit einer vorgegebenen Soll-Position verglichen werden, um eventuelle Abweichungen und somit Fehlfunktionen zu erkennen.
• 4. Wird das von dem optischen Sensor erfassbare Objektfeld hinreichend groß eingestellt können um die abgegebene Substanz herum eventuell vorhandene Satellitentropfen erkannt werden, woraus auf eine Fehlfunktion der Abgabevorrichtung geschlossen werden kann.
• 5. Werden Abweichungen der Flugbahn oder Lage der abzugebenen Substanz innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches detektiert, können bei geeigneter Wahl eines oder mehrerer Toleranzbereiche mehrstufige Fehlerwarnungen ausgegeben werden, wie z.B. Stufe 1 = alles in Ordnung, Stufe 2 = beginnende Abweichung der Messwerte und Stufe 3 = Fehler.
• 6. Sind auf oder in einem Substrat oder Substanzträger optisch erfassbare Markierungen angebracht, wie z.B. ein Datamatrix-Code, so kann dieser während des Abgabe- bzw. Pipettierprozesses von dem optischen Sensor eingelesen und von der Auswerteeinheit ausgewertet werden, um z.B. für Dokumentationszwecke verwendet zu werden, wodurch beispielsweise ein Qualitätsnachweis eines Pipettiervorgangs erbracht werden kann.
• 7. Die Lage eines Substrats oder Substanzträgers kann mit dem optischen Sensor und einer Auswerteeinheit bestimmt werden, so dass basierend auf der detektierten Lage des Substrats das oder die Abgabeelemente und/oder das Substrat geeignet positioniert werden können, um die auf das Substrat abzugebene Substanz an einer gewünschten Stelle auf dem Substrat aufzubringen. Hierdurch können beispielsweise Positionierhilfen für das Substrat oder einen Substanzträger entfallen und die einzelnen Substrate können z.B. einfach auf eine Substratauflage gelegt werden, was die Handhabung der gesamten Vorrichtung vereinfacht. Eine zur Verfügung stehende Arbeitsfläche kann somit optimal genutzt werden. Weiterhin ist es möglich, die Substanz an vorgegebenen definierten Stellen, Linien oder Flächen mit hoher Präzision auf eine Substratoberfläche aufzubringen bzw. zu Pipettieren.
• Somit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Funktionsüberwachung und Qualitätskontrolle einer Vorrichtung zur Abgabe einer Substanz während des gesamten Abgabevorgangs bzw. Pipettierprozesses durch das Ermitteln der Position der Substanz durchgeführt werden und das Pipettierergebnis kann direkt und ohne Zeitverzögerung kontrolliert werden. Damit kann beispielsweise ein Produktionsprozess vollautomatisch überwacht und im Fehlerfall sofort unterbrochen werden.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln der Position einer Substanz über oder auf einem Substanzträger, insbesondere zum Überwachen und/oder Kontrollieren der Arbeitsweise einer Vorrichtung zum Abgeben einer Substanz, wobei ein oder mehrere der oben beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt werden. Bevorzugt werden mehrere Positionen einer Substanz oder auch Pipettierereignisse nacheinander oder simultan erfasst. Diese Erfassungsvorgänge können z.B. mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, um die Arbeitsweise der Vorrichtung zu kontrollieren und falls erforderlich z.B. durch Veränderung von Abgabeparametern, wie z.B. einem Druckimpuls, zu korrigieren.
• Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Substrat, welches vorteilhaft in Verbindung mit der oben beschriebenen Vorrichtung verwendet werden kann und welches zumindest zum Teil aus einem transparenten Material hergestellt ist. Erfindungsgemäß ist eine Membran an mindestens einem Teilbereich einer Oberfläche des Substrats angebracht, welche eine abzugebende Substanz zumindest zum Teil aufnehmen kann und bevorzugt saugfähig ist. Vorteilhaft sollte die Membran so beschaffen sein, dass sie eine aufgetragene Substanz aufnimmt und aufgrund von Transmissions- bzw.
• Absorptionsunterschieden zur Umgebung der aufgenommen Substanz, oder aufgrund einer Fluoreszenz einen detektierbaren Fluoreszenz-, Farb- oder Kontrastunterschied erzeugt. Die Membran kann transparent oder zum Teil oder vollständig nicht transparent sein und ermöglicht vorteilhaft eine Positionsdetektion einer aufgebrachten Substanz auch von der Unterseite der Membran oder des Substrats.
• Nach einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Substrat, welches insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Vorrichtung oder dem Verfahren verwendet werden kann, wobei mindestens eine und bevorzugt mehrere oder alle Ecken und/oder Kanten des Substrats abgeschrägt sind. Dadurch können Substrate relativ eng nebeneinander gelegt und gegebenenfalls auch verschoben werden, ohne dass es an den Substratecken zu Verkantungen kommen kann.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen
• 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgabe einer Substanz mit einer erfindungsgemäß angeordneten Kamera;
• 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgabe einer Substanz mit einer erfindungsgemäß angeordneten Kamera; und
• 3 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abgabe einer Substanz mit einer erfindungsgemäß angeordneten Kamera.
• 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung eines Vorganges zum Auftragen von flüssigen Material auf ein Substrat 1. Das in 1 dargestellte Substrat 1 ist durch die Substrathalterung 2 definiert positioniert. Die Pipettiervorrichtung 3, wie sie z.B. von der Anmelderin „PicoRapid Technologie GmbH" hergestellt wird, ist über eine Halterung 10 mit einer x, y, z-Positioniereinheit 11 mechanisch verbunden und kann mit drei Freiheitsgraden über das Substrat 1 bewegt werden. Eine Positionierung der Pipettiervorrichtung 3 bezüglich des Substrats 1 kann auch durch die Bewegung von Pipettiervorrichtung 3 und Substrathalter 2 oder nur durch die Bewegung des Substrathalters 2 realisiert werden. Allgemein kann die Pipettiervorrichtung 3 auch seitlich oder unterhalb eines Substrats angeordnet sein, wobei die Position einer Kamera ebenfalls entsprechend verändert werden kann.
• Zur präzisen guten Detektion der Substanz oder Probe ist eine Beleuchtung 5 vorgesehen, welche bei Bedarf fluoreszenzanregend sein kann und beispielsweise ringförmig um die Pipettiervorrichtung 3 oder oberhalb, unter einen bestimmten Winkel bezüglich der Pipettierachse angeordnet ist. Die Beleuchtung kann auch kameraseitig positioniert werden, wie in der Ausführungsform von 2 gezeigt. Allgemein ist es vorteilhaft die Beleuchtung telezentrisch vorzusehen.
• 2 zeigt eine unter einer transparenten Auflage 14 vorgesehene Beleuchtungsquelle 15, welche durch einen Strahlteiler 16 hindurch auf einer transparenten Auflage 14 liegende Substrate 13 beleuchtet. Das von den Substraten 13 reflektierte Licht wird über den Strahlteiler 16 der Kamera 8 zugeführt.
• Da abgegebene Substanzen oder Proben während eines Fluges eine mittlere Geschwindigkeit von 1–8 m/s besitzen ist es vorteilhaft die Beleuchtung 5, 15 stroboskopisch mit einem Steuerelement 7 anzusteuern, um eine gute bildtechnische Erfassung zu ermöglichen.
• Die bezogen auf das oder die Substrate 1, 13 an der zur Pipettiervorrichtung 3 erfindungsgemäß entgegengesetzten Seite angeordnete Kamera 8 erfasst eine von der Pipettiervorrichtung 3 abgegebene Substanz je nach Fokussierung vor, während oder nach dem Verlassen der Pipettiervorrichtung 3 und/oder beim oder nach dem Auftreffen auf ein Substrat 1, 13. Die Kamera 8 kann, wie in 1 dargestellt, senkrecht zum Substrat 1 in Richtung der Pipettierachse angebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, die Kamera 8 schräg bezüglich der Pipettierachse anzuordnen. Die Fokussierung der Kamera 8 kann beispielsweise durch die Positioniereinheit 12 oder ein geeignetes Objektiv (nicht gezeigt) eingestellt werden. Somit ist eine Beobachtung und Überwachung der Oberfläche oder der Abgabeöffnung der Pipettiervorrichtung 3, als auch eine Kontrolle und Vermessung der Substanz während der Flugphase und während oder nach dem Auftreffen auf dem Substrat 1, 13 möglich.
• Die Kamera 8 ist mit der Steuereinheit 9 verbunden, welche beispielsweise die x, y, z-Positionierachsen 11, die Positioniereinheit 12 zum Positionieren der Kamera 8, die Pipettierelektronik 4, die Stroboskopelektronik 7 und/oder auch die Bilderfassung und Bildauswertung steuern kann.
• Durch die Bilderfassung und eine anschließende Bildauswertung, wie beispielsweise eine Drop-Analyse, kann die Flugbahn der abgegebenen Substanz, der Durchmesser eines Substanz-Tropfens oder die mittlere Geschwindigkeit eines Substanz-Tropfens bestimmt werden. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit kann z.B. die Flugdauer zwischen der Abgabe der Substanz von der Pipettiervorrichtung 3 und dem Auftreffen der Substanz auf dem Substrat 1 oder 13 verwendet werden. Ist die Kamera 8 so positioniert und eingestellt, um einen geeigneten Objektausschnitt zu erfassen, so können auch um die gewünschte Position der Substanz auf dem Substrat 1 verteilte Satellitentropfen detektiert werden, welche sich meist unter einem größeren Winkel von der Pipettierachse wegbewegen. Satellitentropfen sind ein Zeichen für einen nicht optimalen Pipettiervorgang und sollten z.B. bei der Herstellung von Biochips vermieden werden.
• 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei mehrere Substrate 13 auf einer teilweise oder vollständig transparenten Auflage 14 unterhalb einer Pipettiervorrichtung 18 angeordnet sind, von welcher mehrere Substanzproben in Form eines Arrays simultan abgegeben werden können. Die Pipettiervorrichtung 18 ist an einer zusätzlichen Positionierungsachse 19 angebracht, mit welcher die Pipettiervorrichtung 18 um die Pipettierachse rotiert werden kann, wodurch die Lage leicht verdrehter Substrate 13 ausgeglichen werden kann.
• Auf oder in den Substraten 13 kann vorteilhaft eine Markierung 17, z.B. ein Datamatrix-Code zur Substratidentifikation, vorgesehen sein, welche ein festes definiertes Lageverhältnis zur Auftragsfläche des Substrats 13 besitzt. Anhand dieser Markierung 17 kann mit Hilfe der Bilderfassung und Bildauswertung eine eindeutige Position und Orientierung der auf der transparenten Auflage 14 liegenden Substrate 13 bezüglich eines festen Referenzpunktes erkannt werden. Hieraus können Parameter z.B. für die Ansteuerung der x, y, z-Positionierachsen 11 bestimmt werden, wodurch eine aufwendige Positionierung der Substrate 13 auf der Auflage 14 entfallen kann, so dass die Auflage 14 einfach z.B. als Glasplatte ausgebildet werden kann und Toleranzen für das Auflegen der Substrate 13 z.B. durch einen Roboter hinreichend groß sind.
• Die in 2 gezeigte Vorrichtung zum kontrollierten Aufbringen von Substanzen auf Substrate 13 ist aufgrund der nicht im Arbeitsbereich der Pipettiervorrichtung 18 liegenden Kamera 8 einfach zu bedienen, für Bestückungsroboter optimal zugänglich und flexibel bei Verwendung unterschiedlicher Substratgrößen und -formen.
• Sind mehrere Pipettiervorrichtungen in einer Pipettiereinheit vorgesehen, können mehrere Kameras oder auch optische Sensoren, wie z.B. Photodioden oder Fluoreszenzdetektoren eingesetzt werden. Es ist auch möglich, mehrere zu beobachtende Objektausschnitte verschiedener Pipetten auf einem einzigen Kamerachip abzubilden. Mehrere Pipettierereignisse können somit z.B. simultan erfasst und optional auch ausgewertet werden.
• 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer Pipettiervorrichtung 3 und einer Bilderfassungseinheit. Ein Substrat 20 ist mit einer Rotationseinheit 21 verbunden, welche eine definierte Drehbewegung des Substrates 20 ermöglicht. Die Pipettiereinheit 3 befindet sich erfindungsgemäß auf der Seite des Substrats 20, auf welcher die Kamera 8 nicht angeordnet ist. Die Pipettiereinheit 3 und die Kamera 8 sind an einer linearen Positioniereinheit 22 angebracht, mit welcher diese über die Oberfläche des Substrats 20 bewegt werden können. Die rotierende Bewegung des Substrates 20 und die Bewegung der Pipettiervorrichtung 13 in Verbindung mit der Kamera 8 ermöglichen die Positionierung der Pipettiervorrichtung 3 und der Kamera 8 an jedem beliebigen Ort des Substrats 20, so dass ein überwachter Pipettiervorgang auf dem Substrat 20 oder al ternativ (nicht gezeigt) auf dem Substrat 20 aufliegenden einzelnen Substratträgern durchgeführt werden kann.
• So können z.B. einzelne Substrate, wie z.B. Objektträger, auf einer Substrataufnahme positioniert werden, welche mit der Rotationseinheit 21 verbunden ist und gedreht werden kann. Die Substratauflage kann entweder transparent sein oder an den Substratpositionen so ausgestaltet sein, dass die Substrate z.B. an ihrem Umfang lediglich auf einem schmalen Rand von beispielsweise 1 mm aufliegen, wodurch der Bereich, in welchem die Proben auf das Substrat aufgetragen werden können, von der darunter angeordneten Kamera 8 erfasst werden kann.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Ermitteln der Position einer auf einer ersten Seite eines Substanzträgers (1, 13, 20) abzugebenden oder abgegebenen Substanz mit mindestens einem optischen Sensor (8) zur Erfassung der Position, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine optische Sensor (8) auf einer zweiten Seite des Substanzträgers (1, 13, 20) angeordnet ist.
2. Vorrichtung zum Ermitteln der Position eines oder mehrerer Substanzträger (1, 13, 20) auf einer ersten Seite einer Auflage (14) mit mindestens einem optischen Sensor (8), welcher auf einer zweiten Seite der Auflage (14) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Substanzträger (1, 13, 20) zumindest teilweise aus einem transparenten Material hergestellt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei mindestens ein bevorzugt teilweise transparentes Abgabeelement (3), insbesondere eine Pipette oder eine Nadel, zur Abgabe der Substanz vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine optische Sensor eine Kamera (8), ein Fluoreszenzdetektor oder eine Fotodiode ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vorrichtung zur Einstellung der Fokusebene des optischen Sensors (8) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Lichtquelle (5, 15) zur Beleuchtung des Substanzträgers (1, 13, 20) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von dem optischen Sensor (8) erfassten Signale vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Steuereinheit zur Steuerung der Position des mindestens einen Abgabeelements (3), der Position eines Substanzträgers (1, 13, 20) und/oder der Position des optischen Sensors (8) vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Ermitteln der Position einer Substanz über oder auf einem Substanzträger (1, 13, 20), wobei die Position mit einem optischen Sensor (8) ermittelt wird, welcher relativ zum Substanzträger (1, 13, 20) auf der dem Abgabeelement (3) oder der Substanz gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Positionen mehrerer Substanzen über oder auf dem Substanzträger (1, 13, 20) erfasst werden.
12. Verfahren zum Ermitteln der Position eines oder mehrerer Substanzträger (1, 13, 20) auf einer ersten Seite einer Auflage (14), wobei die Positionsermittlung mit mindestens einem optischen Sensor (8) auf einer zweiten Seite der Auflage (14) durchgeführt wird.
13. Substrat, welches mindestens zum Teil aus transparentem Material hergestellt ist und eine Membran aufweist, welche eine Substanz aufnehmen kann, wobei der die Substanz aufnehmende Teil optisch von einem die Substanz nicht aufnehmenden Teil unterschieden werden kann.
14. Substrat, welches insbesondere in Verbindung mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet werden kann und mindestens eine abgeschrägte Ecke aufweist.