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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Biochip, ein System und ein Verfahren zur Prozessierung einer
Vielzahl von Biochips und die Verwendung dieses Verfahrens für die Individualisierung
einer Vielzahl von Biochips.
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Mikroarray Biochips oder Genchips
finden wachsende Anwendung in einer großen Zahl von chemischen und
biochemischen Tests oder Reaktionen. Das zugrundeliegende, generelle
Prinzip in der Mikroarray Technik (vgl. z.B. M. Schena (ed.), Microarray
Biochip Technology, Eaton Publishing, Natick MA, 2000) ist die Verwendung
von immobilisierten Sondenbiomolekülen, wie beispielsweise Nukleinsäuresequenzen
(die auch als Oligonukleotide oder (Poly)nukleotide bezeichnet werden),
Proteinen, Peptiden, Antikörpern,
Antigenen, Liganden, biologische Teilchen und ähnlichem auf Substraten zur
Untersuchung von biologischen und/ oder chemischen Wechselwirkungen
mit anderen Zielbiomolekülen.
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Zum Beispiel werden Biochips zur
Untersuchung von Genaktivität
und zur Identifizierung von Genmutationen verwendet, wobei eine
Hybridisierungsreaktion zwischen Oligonukleotidsequenzen auf dem
Mikroarray und einer Fluoreszenzprobe verwendet wird. Nach der Hybridisierung
werden die Chips mit Hochgeschwindigkeitsfluoreszenzdetektoren ausgelesen
und die Intensität
von jedem detektierten Punkt quantifiziert. Der Ort und die Intensität jedes
Spots gibt Aufschluss über
die Identität
und Menge jeder Sequenz, die sich in der Probe befindet.
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Andere Anwendungen umfassen die Wirkstoffentdeckung über High-Throughput-Screening von molekularen
und biologischen Bibliotheken, Kombinatorische Chemie usw.
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Die
US
6,215,894 offenbart Imaging- und Analyseexperimente, die
auf Mikroarraybiochips durchgeführt
werden, insbesondere für
die automatische Kontrolle von Mikroarray Scannern und Auswahl von
geeigneten Protokollen zur Analyse von Imagekarten, die vom Scanner
geliefert werden. Zu diesem Zweck wird ein Strichcode auf den Biochip aufgedruckt,
der bevorzugt von Menschen gelesen werden kann. Probleme entstehen
aufgrund der Abnutzung und teilweisen Zerstörung des Strichcodes durch
mechanische Beanspruchung oder Wechselwirkung mit den Proben. Sogar
ausgefeilte Schutzmaßnahmen,
die für
den Strichcode vorgesehen sind, können die Zerstörung über die
Lebenszeit eines Biochips hinweg nicht verhindern, was die Wiederverwendung
der Biochips verhindert. Weiterhin kann eine simultane Prozessierung
einer Vielzahl von Biochips nicht durchgeführt werden, da die Daten eines
jeden Biochips nicht individuell unterschieden werden können.
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Die WO 02/33123 beschreibt Biochips,
die einen Identifikationsbereich von Arrays umfasst, der z.B. die
Katalog Nummer, Gensequenznummer usw. beinhaltet und mit einem Computer
ausgelesen wird, sowie einen Teil, der einen oder mehrere Mikroarrays mit
Sondenmolekülen
umfasst. Der Identifikationsbereich ist als Strichcode zur digitalen,
optischen Erkennung durch einen Computer ausgebildet, der auf die Oberfläche des
Biochips, nach dessen Herstellung, aufgedruckt wird. Probleme entstehen,
wenn der Strichcode gegen äußere Abnutzung
geschützt
werden muss und wenn eine gleichzeitige Analyse einer Vielzahl von
Biochips durchgeführt
werden muss.
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Die WO 96/36436 beschreibt das Labeling von
Biomolekülbibliotheken
auf Biochips durch Anbringen von drahtlos ansteuerbaren Speichermitteln an
das immobilisierte Substrat, insbesondere Halbleiterspeichervorrichtungen.
Die Biochips finden Anwendung in der Kombinatorischen Chemie („Split-und-Pool" Synthese), wobei
bei jedem Schritt der Synthese Informationen vom Biochip an das
Datenspeicher- und Verwaltungssystem gesendet werden. Die Speichermittel
werden nach der Herstellung des Biochips auf der Oberfläche angebracht
oder in das Substrat eingebettet und die Kombination von Substrat
mit den Speichermitteln muss versiegelt und gegen äußere Einflüsse geschützt werden.
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Die
EP 1048723 A1 offenbart einen Biochip, der
eine einheitliche Verwaltung der Informationen ermöglicht und
ein Verfahren zur Benutzung desselben. Ein immobilisiertes Glassubstrat,
das mit Biopolymeren, wie Nukleinsäuren oder Proteinen, gespottet
ist, wird extern mit einem Speichermedium versehen, um Informationen
in Bezug auf die Positionen der Spots auf dem Biochip und Informationen über die
gespotteten Biopolymere an jedem Ort zu speichern. Die gespeicherten
Daten können
auf Grundlage elektromagnetischer Wellen von einem Leser/Schreiber
ausgelesen werden, der nicht weiter spezifiziert wird. Die Herstellung
des kompletten Biochips ist hochkompliziert und beinhaltet die Herstellung
eines Glassubstrats, bei dem ein Chip in eine Aushöhlung eingepasst
werden muss, wobei diese aus dem Substrat herausgeätzt werden
muss. Eine simultane Herstellung des Chips zusamenn mit dem Substrat
zusammen ist unmöglich,
da die Gesamtproduktionskosten dadurch ansteigen. Deshalb ist eine
simultane Prozessierung einer Vielzahl von Biochips nicht möglich.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe bestand daher darin, einen Biochip mit einem Identifikationsbereich
bereitzustellen, der eine eindeutige Identifikation des Biochips
erlaubt, der einfach herzustellen und anzubringen ist und gegen
extern verursachte Zerstörung
geschützt
ist, so dass der Biochip gemäß der Erfindung
mehrere Male wiederverwendet werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch
einen Biochip gelöst,
der einen kontinuierlichen, festen Träger umfasst, wobei ein Array,
der eine Vielzahl von Elektroden zur Fixierung von Biomolekülen umfasst, auf
diesem festen Träger
angeordnet ist, dieser Biochip umfasst weiterhin einen Identifikationsbereich, der örtlich getrennt
von diesem Arraybereich ist, wobei dieser Identifikationsbereich
in Verbindung mit dem Übertragungsmittel
ist, das zum empfangen und übertragen
von RF-Signalen geeignet ist, und dieser Identifikationsbereich
umfasst weiterhin ein RF drahtlos ansteuerbares Speichermittel zum
Speichern einer Vielzahl von Daten, die sich auf die Identität des, oder
Informationen zu dem Biochip beziehen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind der Identifikationsbereich und die Übertragungsmittel
ein integraler Bestandteil des festen Trägers. Dies erlaubt insbesondere
die Herstellung des Biochip-Trägers
zusammen mit dem Identifikationsbereich und dem Übertragungsmittel im gleichen
Herstellungsverfahren und stellt weiterhin einen effizienten Schutz
des Identifikationsbereichs gegen extern verursachte Abnutzung,
so wie beispielsweise Abnutzung durch die Aussetzung gegenüber Licht,
Kratzen, mechanische Beanspruchung, usw. bereit. Im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck „integral", dass der Identifikationsbereich
und das Übertragungsmittel
ein unzertrennlicher Bestandteil des festen Trägers sind, die beide im gleichen
Verfahren hergestellt sind und nicht aus separaten Einheiten zusammengefügt sind.
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Bevorzugterweise umfasst der kontinuierliche
feste Träger
Silicium, da dies die Verwendung von bekannten Herstellungsprozessen
aus den IC-Leiterplattenprozessen und der Transistortechnologie
zur Herstellung von erfindungsgemäßen Biochips erlaubt. Es versteht
sich, dass auch Glas mit Siliciumträgern, dotierte Siliciummaterialien
usw. unter den Anwendungsbereich der Erfindung fallen. Andere Materialien,
die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, umfassen amorphes Silicium,
SOI (Silicon On Insulator), polymere Materialien, insbesondere organische
Polymere („Kunststoffe"). Es versteht sich,
dass diese Auswahl an geeigneten Materialien nicht einschränkend ist
und ein Fachmann andere Materialien, die für die gleiche Anwendung geeignet sind,
ebenfalls in Betracht zieht. Die Anwendung dieser im Wesentlichen
dem Fachmann bekannten Verfahren erlaubt die Herstellung jeder Komponente
im gleichen Herstellungsprozess, d.h. umfassend, aber nicht beschränkt auf
den Identifikationsbereich, das Übertragungsmittel
und den festen Träger.
Die Herstellung kann entweder simultan oder sequentiell für jede Komponente
durchgeführt
werden, oder es werden zwei oder mehr Komponenten im gleichen Herstellungsschritt
gefertigt und dann die verbleibenden Komponenten in einem der nachfolgenden
Herstellungsschritte. Die Wahl des besten Herstellungsmodus für jede oder
alle Komponenten hängt
von den spezifischen Herstellungserfordernissen ab.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Speichermittel passive Speichermittel. Der Ausdruck „Speicher" bedeutet in diesem
Zusammenhang eine Datenspeichereinheit oder ein Medium mit programmierbarem
Speicher, wobei ein nicht flüchtiger Speicher
bevorzugt ist. Passive Speichermittel enthalten keine unabhängige Stromquelle,
was eine weitere Miniaturisierung ermöglicht. Obwohl aktive Speichermittel
ebenfalls im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbar
sind, wäre
jedoch die zusätzlich
benötigte
Stromquelle für
derartige aktive Speichermittel eine unnötige Verkomplizierung des Biochip-Aufbaus.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass
die Speichermittel vom EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read-Only Memory) Typ oder Flash-Speicher sind, was die Erkennung
jedes einzelnen Biochips, sogar nach mehreren Benutzungszyklen,
erlaubt. Die Verwendung von EEPROM Mitteln ermöglicht weiterhin die Implementierung
von Sicherheits- und Zugriffsprotokollen, zu einem im voraus festgelegten
Zeitpunkt, vor der Benutzung des Biochips, die durch keine unautorisierten
Personen geändert
werden können.
Der Zeitpunkt zum Lesen und/oder Speichern der Daten auf dem EEPROM
ist frei wählbar.
Das Lesen der Daten kann bei jedem Schritt des Herstellungsprozesses
oder hinterher, während,
nachher oder kurz vor der Benutzung, abhängig von den spezifischen Kundenbedürfnissen, stattfinden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Speichermittel weiterhin Mittel zur Unterscheidung,
die die Identifikation eines einzelnen Biochips oder einer definierten
Gruppe von Biochips, aus einer Vielzahl von Biochips (Pool) heraus
erlaubt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der
Ausdruck „Einzelner
Biochip" auch als
Untergruppe (Teilmenge) aus zwei oder mehr Biochips, einer Vielzahl
(Gesamtmenge) an Biochips verstanden. Deshalb sind Lesemittel, die
Informationen lesen, die in den erfindungsgemäßen Speichermitteln gespeichert
sind, automatisch in der Lage, jeden einzelnen Chip oder eine Gruppe
von Biochips aus einer Vielzahl von Chips heraus, die zum selben
Zeitpunkt gelesen wurden, zu identifizieren. Die Mittel zur Unterscheidung
sind entweder als spezifisch angepasste Software oder Hardware oder
als Kombination aus beidem vorhanden. Der Ausdruck „Vielzahl
(oder Pool) von Biochips" bezeichnet
zwei oder mehr Biochips, normalerweise eine große Zahl. Die Biochips dieses „Pools" sind entweder gleich (d.h.
haben die gleichen Sondenbiomoleküle auf ihrer Oberfläche angebracht)
oder sind unterschiedlich (d.h. haben unterschiedliche Sondenbiomoleküle auf ihrer
Oberfläche
angebracht).
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
wird weiterhin durch das Bereitstellen eines Systems zur Prozessierung
einer Vielzahl von Biochips gelöst, wobei
dieses System umfasst:
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- 1. Eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Biochips,
- 2. Lesemittel zum Lesen der Daten die von dem Identifikationsbereich
der Biochips erhalten werden.
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Das System gemäß der Erfindung bietet die einzigartige
Möglichkeit,
einen einzelnen Biochip in einer Vielzahl von Biochips zu identifizieren,
insbesondere dann, wenn die Vielzahl von Biochips zum selben Zeitpunkt
prozessiert werden. Der Ausdruck „prozessieren", so wie er hier
verwendet wird, bedeutet z.B. die Identifikation und Analyse (quantitativ
und qualitativ) der Wechselwirkungen zwischen den immobilisierten
Sondenbiomolekülen
auf dem Biochip und den Zielbiomolekülen in einer Probe. Zum Beispiel
kann die Fluoreszenzdetektion von fluoreszenzmarkierten Zielbiomolekülen zur
gleichen Zeit für eine
Vielzahl von Biochips stattfinden, da der Identifikationsbereich
eines jeden Biochips die Unterscheidung eines jeden einzelnen Biochips
und die Zuordnung der Fluoreszenzdaten zu jedem einzelnen Biochip
erlaubt. Andere Detektionsverfahren umfassen, sind aber nicht beschränkt auf
Kolorimetrie, elektrische Detektion, Chemolumineszenz, elektrochemische
Detektion, z.B. Elektrochemolumineszenz. Es ist daher bevorzugt,
dass die Lesemittel weitere Mittel zum Lesen der Daten von jedem
einzelnen Biochip umfassen.
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Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße System
ein Computersystem zum Speichern, Lesen und Verarbeiten von Daten,
erhalten von, betreffend den und gesendet an den Biochip. Das Computersystem
umfasst Daten, die z.B. von anderen externen Quellen, wie z.B. dem
Internet, gelesen werden können
und z.B. die Prozessierung und die Verwendung der erfindungsgemäßen Biochips
ermöglichen. In
bevorzugten Ausführungsformen
enthält
das Computersystem eine Bibliothek, die Daten umfasst, die die Identifizierung
von und Informationen in Bezug auf eine Vielzahl von Biochips betreffen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Computersystem Mittel, um Daten, die vom Identifikationsbereich
erhalten wurden, mit dieser Bibliothek zu vergleichen, und zur Zuordnung der
verglichenen Daten zu einem individuellen Biochip, so dass dadurch
jeder einzelne Biochip oder eine Gruppe von Biochips aus einer Vielzahl
von Biochips, die gleichzeitig prozessiert werden, unterschieden
werden kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zur Prozessierung von Biochips
gelöst,
wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
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- a) Bereitstellen einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Biochips,
- b) Anbringen einer Vielzahl von Sondenbiomolekülen an die
Vielzahl der Elektroden auf dem Array,
- c) Aufnehmen von Daten in ein Computersystem, betreffend die
Identifikation von und Informationen über einen Biochip und/oder
die Sondenbiomoleküle,
- d) Auslesen der Daten von einem Computersystem in ein Speichermittel,
- e) Speichern der Daten in diesem Speichermittel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, Daten
auf Biochips in Bezug auf die relevanten Informationen über den
Biochip (Produktionscharge, Herstellungsdatum, Art und Zahl der
Sondenbiomoleküle,
Kundendaten, Daten über
die Verwendung des Biochips usw.) zu speichern. Es ist bevorzugt, dass
die auf dem Biochip gespeicherten Daten ausschließlich Lese-Daten
(read-only) sind. Die Daten ermöglichen
das Verfolgen von Testprotokollen für jede Anwendung und den Bezug
der gespeicherten Informationen/Daten mit den Ergebnissen von Tests, chemischen
oder biologischen Reaktionen usw. Dies ermöglicht die Identifikation oder
das Wiedergewinnen eines spezifischen Biochips oder einer Gruppe von
Biochips in einem Pool von identischen oder unterschiedlichen Biochips.
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Nach der Durchführung der Tests, d.h. generell
gesagt nach dem in Kontakt bringen der Sondenbiomoleküle, der
Vielzahl von Biochips oder eines einzelnen Biochips mit der Probe,
die die Zielbiomoleküle
enthält,
was eine Wechselwirkung zwischen den Zielbiomolekülen und
den Sondenbiomolekülen erlaubt,
gefolgt von einer Detektion der Wechselwirkung dieser Sondenbiomoleküle mit den
Zielbiomolekülen,
werden die Daten gespeichert. Bevorzugt im Anschluss an oder zur
gleichen Zeit wie die Detektion stattfindet, werden die gespeicherten
Daten von dem Speichermittel zu der Bibliothek gesendet, wobei diese
die Daten einer Vielzahl von Biochips gemäß der Erfindung enthält. Bevorzugt
nach dem Vergleichen der gespeicherten Daten mit den Daten aus der
Bibliothek, werden die gespeicherten Daten einem einzelnen Biochip
oder zweien oder mehreren (z.B. einer spezifischen Gruppe) Biochips
aus einer Vielzahl (Pool) von identischen oder unterschiedlichen
Biochips zugeordnet.
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Ein Fachmann ist sich voll bewusst,
dass der Anwendungsbereich der Erfindung nicht nur die oben erwähnten Merkmale
allein, sondern auch Kombinationen davon umfasst und dass der Umfang
der Erfindung auch jedes einzelne Merkmal in Verbindung mit der
vorliegend beschriebenen Erfindung umfasst.
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Die Erfindung wird weiter im Detail
in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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1:
zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Biochips;
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2:
zeigt eine schematische Teilansicht eines Systems zur Prozessierung
von erfindungsgemäßen Biochips;
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3:
zeigt in 3a bis 3d unterschiedliche Anordnungen
der Antennen des Identifikationsbereichs in Bezug auf die Lesevorrichtung.
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Der Biochip 100 in 1 umfasst einen kontinuierlichen
festen Träger
101, im Wesentlichen bestehend aus Silicium oder dotiertem Silicium.
In einer anderen Ausführungsform
umfasst der Träger
Glas mit Silicium. Aber auch übliche
Träger,
wie sie aus der Transistor-Technologie bekannt sind, insbesondere
auf dem Gebiet der bedruckten Leiterplatten, wie amorphes Silicium,
dotiertes Silicium, Siliciumnitride, SOI (Silicon On Insulator),
Plastikmaterial usw., und im Wesentlichen dem Fachmann bekannt,
können
für den
Zweck der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Der feste Träger 101 umfasst einen
Array 102 aus regelmäßig angeordneten
Elektroden 103 zur Fixierung von Sondenbiomolekülen. Die
Form des Arrays 102 und die exakte räumliche Anordnung der Elektroden 103 kann
vom Fachmann gemäß der speziellen
Anforderungen und des spezifischen Systemaufbaus frei gewählt werden.
In einer bevorzugten Anordnung ist das Elektrodenmaterial Gold.
Es versteht sich, dass jedes andere elektrisch leitende Metall,
wie Silber oder Kupfer oder entsprechende Legierungen, ebenfalls
vom Umfang der Erfindung umfasst sind; an die Metallelektrode wird
ein elektrisch leitendes Polymer, so wie beispielsweise Polypyrrol,
Polythiophen oder ähnliches
angebracht, wobei aber auch andere Materialien, die für den beabsichtigten
Zweck geeignet sind, verwendet werden können. Das Anbringen von elektronisch
leitenden Polymerfilmen oder Polymersträngen/-ketten ist optional und
wird gemäß der spezifischen
Anforderungen von Fall zu Fall entschieden.
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An den Elektroden 103 sind
Sondenbiomoleküle
angebracht, die in der Lage sind, selektiv mit Zielmolekülen in einer
zu untersuchenden Probe wechselzuwirken. Beispielhafte Biomoleküle umfassen,
sind aber nicht beschränkt
auf natürliche
und künstliche
Oligonukleotidsequenzen (Nukleinsäuresequenzen), Peptide, Proteine,
Antikörper
usw., die wiederum derivatisiert sein können, um eine bessere Fixierung
auf den Elektroden 103 zu ermöglichen. Die Fixierung/Immobilisierung
wird auf eine Anzahl unterschiedlicher Wege erreicht, z.B. durch
Bildung von kovalenten Bindungen, Adsorptionsphänomenen, ionischen Bindungen,
Wirt-Gast-Wechselwirkungen und ähnlichem
und hängen
von der Art der Elektroden und Sondenbiomolekülen ab, die dort angebracht
werden. Die Fixierung kann entweder direkt oder indirekt über Linker, über magnetische
(die wiederum magnetisch an dem Träger gebunden sein können) oder
nicht magnetische Kügelchen
erfolgen. Eine erschöpfende Übersicht über die
im Wesentlichen jedem Fachmann bekannten Verfahren zur Fixierung
von Biomolekülen
auf Substraten wird in der WO 96/36436 gegeben.
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Der feste Träger
101 umfasst weiterhin
einen Identifikationsbereich
104, der ein integraler Teil
des festen Trägers
101 ist
und während
des gleichen Herstellungsprozesses wie der feste Träger
101 gefertigt wird.
Wie vorstethend erwähnt,
ist dieses Herstellungsverfahren ein Verfahren, das für sich genommen
von den üblichen
Herstellungsverfahren bei IC-Leiterplatten
und aus der Mikroelektronik bekannt ist. Der Identifikationsbereich
umfasst das drahtlos ansteuerbare RF Speichermittel zum Speichern
von Daten. Für
typische Identifikationsbereiche und ihre Herstellung, wie sie für den Zweck
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
geeignet sind, wird auf die
EP 1093636 und
EP 1030314 verwiesen, auf
deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich
Bezug genommen wird. Diese Herstellungsverfahren sind nur als erläuternde
Beispiele zu verstehen und es ist offensichtlich, dass ein Fachmann
jedes andere geeignete Verfahren zu diesem Zweck verwenden wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Speichermittel vom
EEPROM Typ sind, so dass die Daten, die in dem Speichermittel enthalten
sind, nicht von einer unauthorisierten Person verändert werden
können. Diese
Daten sind z.B. Daten bezüglich
der Identifikation des einzelnen Chips, z.B. Herstellungsdatum, spezifische
Charge usw., die Art und Identität
der Sondenbiomoleküle,
die an den Elektroden fixiert sind (z.B. Oligonukleotid- oder Peptidsequenzen usw.).
Dies erlaubt die Identifizierung und Verfolgung jedes einzelnen
Biochips über
seine gesamte Lebensdauer hinweg. Die entsprechenden Daten können zu
jeder Zeit während
des Herstellungsprozesses oder, falls erwünscht, hinterher in den Speichermitteln
gelesen oder aufbewahrt werden. Die Speichermittel umfassen weiterhin Mittel,
die zur Unterscheidung dienen, um gleichzeitig Daten von einer Vielzahl
von Biochips lesen zu können,
aber in der Lage zu sein, jeden einzelnen Biochip von den anderen
unterscheiden zu können,
sogar dann, wenn die Vielzahl von Biochips identisch oder jeder
der Biochips von den anderen verschieden ist. Diese Mittel, die
entweder Software, Hardware oder eine Kombination aus beidem sein
können,
können
als ein „Anti-Kollisions"-Protokoll bezeichnet
werden, so wie es z.B. in der
US
5,528,221 offenbart ist.
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Mit dem Identifikationsbereich sind Übertragungsmittel 105 verbunden,
die Daten von und zu dem in 1 nicht
gezeigten Sender/Empfänger empfangen
und übertragen.
Die Übertragungsmittel werden
gewöhnlich
als „Antennen" bezeichnet. Die Anordnung
in 1 bedient sich der
Antenne 105, die als „ Spule
auf dem Chip" bezeichnet
wird und die die letzte Metallschicht auf dem festen Träger 101 ist. Jedes
Metall oder jede metallische Legierung, für den beabsichtigten Zweck
geeignet ist, kann dazu verwendet werden. Die Antenne 105 kann
nicht sichtbar, d.h. eingebettet in eine innere Schicht des Trägers 101 oder
sichtbar auf der Oberfläche
des festen Trägers 101 angeordnet
sein. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Antenne 105 eine Spirale aus Kupfer
oder Kupferlegierung mit einer üblichen
Dicke von ungefähr
10 um und einem Durchmesser von bis zu dem Durchmesser des Biochips, z.B.
bis zu 4 mm. Die Kupferspirale oder jedes andere Teil, das durch
die so genannte integrierte Schaltkreistechnik hergestellt wird,
ist ebenfalls in der inneren Schicht des festen Trägers eingebettet.
In noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist die Antenne 105 eine Antenne, die eine
auf eine bedruckte Leiterplatte gedruckte Kupferspirale ist. In diesem
Fall ist die Antenne mit dem Identifikationsbereich durch Bonding-Techniken
verbunden, wobei z.B. Golddrähte
oder die Flip-Chip-Technik verwendet werden, die Verbindungen mit
geringerem Widerstand und besserer Bandweite zur Verfügung stellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens wird nicht nur ein Biochip separat hergestellt,
sondern eine Vielzahl von bevorzugt untereinander verbundenen Biochips
gleichzeitig hergestellt. Eine detaillierte Beschreibung eines Beispiels
eines Herstellungsverfahrens für
ein derartige Vielzahl von untereinander verbundenen Biochips ist
in der
EP 0774662 und
EP 0774780 offenbart, wobei
auf den Inhalt dieser Dokumente hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
Ein aus geeignetem Material hergestellter Wafer, und bevorzugt Silicium
umfassend, umfasst die Biochips und wird nach der Herstellung der
Biochips in einzelne Biochips geschnitten. Ein „Pick-und-Place" System erlaubt das Positionieren eines
einzelnen Biochips auf dem Boden der Vertiefungen einer Mikroplatte.
Das „Pick-und-Place"-System umfasst im
Wesentlichen eine Vorrichtung, die normale adhäsive Mittel dispensiert, z.B.
Klebstoffe oder andere im Wesentlichen dem Fachmann bekannte geeignete
Mittel. Parallel zum Dispenz der adhäsiven Mittel nehmen Trägermittel
den einzelnen Biochip z.B. mit einer Zange oder durch Ansaugen auf
und positionieren ihn in den Vertiefungen einer üblichen Mikroplatte.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Systems 200 zur Prozessierung
einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Biochips.
Das System 200 umfasst einen Teil 201, an dem
die Detektion und Identifikation der spezifischen Wechselwirkungen zwischen
den Sondenbiomolekülen
und den Zielbiomolekülen
auf dem Array von Biochip 210 (oder einer Vielzahl von
Biochips 210) stattfindet. Diese Wechselwirkungen werden
durch den Leser 202 detektiert. Die Art der Wechselwirkungen
variiert gemäß der Art der
ausgewählten
Sonden- und Zielbiomoleküle.
In einer bevorzugten Anordnung können
diese Wechselwirkungen zu einer neuen chemischen Einheit führen, die
zusätzlich
mit Markersubstanzen gekennzeichnet werden können, um die Wiedererkennung dieser
chemischen Einheit zu erleichtern. Diese sind von dem Leser 202 detektierbar,
z.B. durch Fluoreszenz oder elektrochemische Verfahren. Aber auch
jedes andere bekannte Verfahren auf diesem Gebiet ist verwendbar.
Zum Zeitpunkt der Detektion der Wechselwirkungen mit der Lesevorrichtung 202,
oder vorher oder nachher, wird jeder einzelne Biochip 210 (oder
eine Gruppe von Biochips) durch die Lesevorrichtung 203 identifiziert,
die mit dem Identifikationsbereich des Biochips über RF in Kontakt tritt und
die Daten von jedem einzelnen Biochip erhält und so die Identifikation
ermöglicht.
Die Lesevorrichtung 203 wird typischerweise als „abgleichender
Sender/Empfänger" bezeichnet und wird
im Folgenden detaillierter beschrieben. Die Lesevorrichtung 203 und
der Leser 202 können
im gleichen Teil 201 oder an unterschiedlichen Orten angeordnet
sein. Für
den Zweck der vorliegenden Erfindung kann die Reihenfolge von Leser 202 und
Lesevorrichtung 203 variieren. Dies bedeutet, dass in einem
ersten Schritt der Leser 202 die Wechselwirkung zwischen
den Sonden- und Zielmolekülen
detektiert , gefolgt von der Identifikation des einzelnen Biochips 210 oder
einer Vielzahl von Biochips 210 durch die Lesevorrichtung 203 oder
andersherum.
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Es ist bevorzugt, dass die Detektion
und Identifikation bei einer Vielzahl von Biochips zur gleichen
Zeit stattfindet, und somit ein High-Throughput-Screening einer
großen
Zahl von Biochips zur gleichen Zeit ermöglicht. Die Daten von Leser 202 und
Lesemittel 203 werden an ein Computersystem 204 gesendet,
wo die Daten weiterverarbeitet werden, d.h., die gesendeten Daten
werden mit einer Bibliothek von Daten in Bezug auf eine Vielzahl
von Biochips verglichen und nachfolgend jedem einzelnen Biochip
zugeordnet.
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3 zeigt
in den
3a bis
3d unterschiedliche Anordnungen
der Übertragungsmittel
311,
321,
331 und
341, im Weiteren auch als „Antennen" eines Biochips in
Bezug auf die Lesevorrichtung
314,
324,
334 und
344 bezeichnet.
Die Lesevorrichtungen umfassen Lesemittel
312,
322,
332 und
342, die
auch als „abgleichende Sender-/Empfängerantennen" bezeichnet werden.
Weiterhin umfassen die Lesevorrichtungen abgleichende Sender-/Empfängermittel
313,
323,
333 und
343 zum
Senden und Empfangen von Daten und/oder Signalen an und von den Übertragungsmitteln
311,
321,
331 und
341 über Lesemittel
312,
322,
332,
342.
Die Kombination der Lesemittel
312,
322,
332 und
342 mit
der Lesevorrichtung
314,
324,
334 und
344 ist
beispielhaft in der
EP 0942385 und
der
EP 0301127 offenbart,
auf deren Offenbarungsgehalt hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Die einzelnen Biochips sind in den 3a bis 3d nicht gezeigt. Die Vielzahl von einzelnen
Biochips ist miteinander verbunden oder bildet einen regulären Array
von einzelnen, isolierten Biochips. Die Vielzahl von Biochips bildet
eine so genannte Mikroplatte 310, 320, 330 und 340.
Alternativ dazu kann jeder Biochip in eine Vertiefung einer Mikroplatte 310, 320, 330, 340 gesetzt
werden. Die Form, das Material und die Erscheinung der Vertiefungen
und Mikroplatten sind dem Fachmann im Wesentlichen bekannt. Die
Herstellung einer Vielzahl von untereinander verbundenen Biochips
wurde vorstehend beschrieben. Es sollte angemerkt werden, dass jeder einzelne
Biochip die gleichen oder unterschiedliche an seiner Oberfläche angebrachte
Sondenbiomoleküle
umfassen kann.
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Außer den in den 3a bis 3d gezeigten der
unterschiedlichen Anordnungen, ist es offensichtlich, dass der Fachmann
auch den einfachsten Fall erwägt,
in dem eine Antenne des Biochips durch eine Lesevorrichtung gelesen
wird, respektive von deren Lesemitteln, die nur in der Lage sind,
den Inhalt, der von einer einzigen Antenne übertragen wird, zu detektieren
und zu lesen. Dies bedeutet, dass die Größe der Antenne des Biochips
und die Größe der Lesemittel
nahezu gleich ist. Im Falle, dass eine Mikroplatte eine Vielzahl
von untereinander verbundenen oder an ihr angebrachten einzelnen
Biochips umfasst, müssen
sich die Lesemittel 312, 322, 332, 342 und/oder
abgleichende Sender-/Empfängermittel 313, 323, 333, 343 bewegen,
um jede einzelne Antenne von jedem Biochip lesen zu können.
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Die Antennen 311, 321, 331 und 341 sind, wie
vorstehend beschrieben, Kupferspiralen. Das Material der Biochips
und/oder Mikroplatten 310, 320, 330 und 340 umfasst
Silicium oder jedes andere geeignete Plastikmaterial oder Kombinationen
davon.
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Unter Bezug auf alle 3a bis 3d ist
es offensichtlich, dass nicht nur die Mikroplatten, sondern auch
die Lesemittel und/oder abgleichende Sender- /Empfängermittel auf beweglichen
Mitteln angeordnet oder angebracht sind, z.B. einem im Wesentlichen
dem Fachmann bekannten Stepper, um jede einzelne Komponente in Bezug
zu den anderen zu bewegen.
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3a zeigt
eine Mikroplatte 310 mit 16 Biochips, die nicht in 3a gezeigt sind. Jeder Biochip ist
mit einer Antenne 311 verbunden. Wenn die Daten durch die
abgleichenden Sender-/Empfängermittel 313 in 3a gelesen werden, besteht
eine Möglichkeit
für das
Lesemittel 312, darin zuerst eine Spalte des Biochiparrays
zu lesen und sich dann von einer Spalte zur nächsten zu bewegen, um die Information von
jeder Antenne jedes Biochips zu lesen.
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Alternativ dazu kann sich die Mikroplatte
bewegen und der abgleichende Sender/Empfänger 312 bleibt am
Platz. In einer weiteren Anordnung bewegen sich Mikroplatte 310 und
abgleichender Sender-/Empfänger
senkrecht zueinander. Aus dem Vorhergegangenen wird offensichtlich,
dass es möglich ist
und im Anwendungsbereich der Erfindung liegt, anstelle des Lesens
von einer Spalte nach der anderen, eine Zeile des Biochiparrays
nach der anderen zu lesen.
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3b zeigt
eine andere Anordnung für
das Lesemittel 322 in Bezug auf eine Vielzahl von Antennen 321 auf
einer Mikroplatte 320, die 16 unterschiedliche oder identische
Biochips umfasst. Im Fall von 3b können die
Lesemittel 322 vier rechteckig angeordnete Antennen 321 auf
einmal lesen. Das Lesemittel und/oder Mikroplatte 320 müssen sich
auch bewegen, um alle Informationen aller Biochips, die in den zugehörigen Biochips
gespeichert sind, lesen zu können.
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3c zeigt
eine andere Anordnung, bei der das Lesemittel 332 jeden
einzelnen Biochip, der eine Antenne 331 besitzt und auf
der Mikroplatte 330 angeordnet ist, zum gleichen Zeitpunkt
lesen kann. In diesem Fall ist es besonders wichtig, Anti-Kollisionsmittel
zur Verfügung
zu stellen, um zwischen den Informationen unterscheiden zu können, die
von jedem Biochip zur gleichen Zeit erhalten werden. Das Lesemittel 332 ist
auch mit dem abgleichenden Sender-/Empfängermittel 333 verbunden.
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3d zeigt
noch eine andere Anordnung für
das Lesemittel 342 in Verbindung mit dem abgleichenden
Sender-/Empfängermittel 343 in
Bezug auf einen Array von 8 × 12
Biochips (96 pro Mikroplatte). Das Lesemittel 342 liest
alle 96 Antennen des Biochips aus, die nicht auf der Mikroplatte 340 gezeigt sind.
Es ist offensichtlich, dass jede andere geometrische Anordnung der
Antennen 342 ebenfalls dem Zweck der vorliegenden Erfindung
dienen kann. Deshalb muss nur eine sehr eingeschränkte Bewegung von
Mikroplatte 340 und/oder dem abgleichenden Sender-/Empfängermittel 343 und/oder
Lesemittel 342 stattfinden, um alle Informationen von jedem
Biochip individuell detektieren zu können. Im Fall von 3d ist es auch ein kritisches
Merkmal, Anti-Kollisionsmittel aufzuweisen, um jeden Biochip individuell unterscheiden
zu können,
wenn die Biochips gleichzeitig vom Lesemittel 342 gelesen
werden.