DE19922941A1 - Vorrichtung und Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen beschrieben, umfassend mindestens eine Lichtquelle, ein Lichtleiterbündel und eine Steuerungseinheit, wobei jeder der Lichtleiter unabhängig voneinander mit Licht ansteuerbar und/oder Licht in diesen einkoppelbar ist. DOLLAR A Die Vorrichtung ist insbesondere zur Belichtung von DNA-, PNA- oder Peptid-Chips geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen.

DNA-Chips sind kleinste, meist planare Oberflächen, auf welchen räumlich geordnet eine große Anzahl verschiedener Oligomere (kurze, einsträngige DNA-Moleküle) angebracht sind. Solche Chips werden beispielsweise zur parallelen Erkennung zahlreicher DNA-Sequenzen in einer präparierten Gewebeprobe verwendet. Dazu benetzt man die Chipoberflä­ che mit einer Lösung von einsträngigen DNA-Stücken aus der Gewebeprobe, worauf sich komplementär passende DNA- Stücke aus der Lösung an die entsprechenden, an die Chi­ poberfäche angebrachten Oligomere anlagern (Hybridisie­ rung). Danach bestimmt man mit einer geeigneten Methode wie z. B. Fluoreszenzmarkierung, an welchen Stellen auf dem Chip eine Hybridisierung stattgefunden hat. Wenn man weiss, wo auf dem Chip welche Oligomere angebracht sind, kann man somit Rückschlüsse auf DNA-Sequenzen in der Ge­ webeprobe machen. Dazu definiert man in der Regel auf der Chip-Trägerfläche ein dichtes rechtwinkliges Raster. Auf jedem Rasterpunkt ist in Form eines kleinen Flecks genau eine Sorte von Oligomer angebracht. Die maximal mögliche Anzahl von verschiedenen DNA-Sequenzen auf dem Chip ist demzufolge gleich der Anzahl der Rasterpunkte. Da man möglichst viele Sorten von Oligomeren auf einen Chip auf­ bringen will, die Chips aber gleichzeitig so klein wie möglich sein sollten, um effektiv hybridisiert werden zu können, ist es ein wichtiges Ziel bei der Herstellung von DNA-Chips, eine möglichst hohe Rasterdichte zu erreichen.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur DNA- Chip Herstellung bekannt.

1) Alle Oligomere werden auf herkömmliche Weise einzeln im Reagenzglas synthetisiert und danach an den vorgesehe­ nen Rasterpunkten auf den Träger aufpipettiert, typi­ scherweise von einer automatischen Micropipettieranlage. Diese Methode ist sehr aufwendig und teuer, da jedes Oli­ gomer einzeln hergestellt bzw. gekauft und von Hand der Pipettieranlage zugeführt werden muss. Die Rasterdichte ist durch die hohe Winkelungenauigkeit der heute verfüg­ baren, typischerweise piezoelektrischen Mikropipetten stark limitiert.

2) Die Oligomere werden mit Hilfe einer automatischen Mi­ kropippetieranlage direkt auf dem Chip synthetisiert. Auf jedem Rasterpunkt wird die dort vorgesehene Oligomerkette Baustein für Baustein (Nukleobasen) aufgebaut. Das chemi­ sche Verfahren ist grundsätzlich das selbe wie bei der herkömmlichen Oligomer-Synthese im Reagenzglas. Der Un­ terschied ist, dass alle Oligomere gleichzeitig, von ei­ ner einzigen automatischen Anlage direkt am vorgesehenen Bestimmungsort hergestellt werden. Die bei Methode 1) se­ paraten Arbeitsschritte Oligomer-Synthese und Micropipet­ tierung werden somit zu einem einheitlichen Arbeits­ schritt zusammengefasst. Diese in situ Synthese läuft normalerweise wie folgt ab: Auf einem vorpräparierten Substrat tropft der Pipettierautomat sequentiell auf je­ dem Rasterpunkt die dort vorgesehene erste Nukleobase auf. Dies ist mechanisch nicht sehr aufwendig, da es nur 4 verschiedene Nukleobasen (C, T, G, A) gibt. Man kann dafür z. B. 4 aneinandergekoppelte Micropipetten verwen­ den. Nach dem Auftragen des ersten Nukleosidbausteins auf jedem Rasterpunkt wird das Substrat gewaschen und nach einem "Capping Schritt" die Schutzgruppen an den 5'-OH Funktionen entfernt, um die Reaktion mit dem jeweils nachfolgenden Nukleosidbaustein zu ermöglichen. Danach wird an jedem Rasterpunkt die zweite Nukleobase aufpipet­ tiert. Das Substrat wird dann wieder gewaschen und ent­ schützt. Auf diese Weise baut man Schritt für Schritt auf jedem Rasterpunkt die jeweils erforderlichen Oligomerket­ ten auf. Diese Methode ist nicht besonders schnell, da nacheinander auf jedem Rasterpunkt für jede Nukleobase neu pipettiert werden muss. Wie bei Methode 1) ist die Rasterdichte durch die Ungenauigkeit der Micropipetten beschränkt. Die Ungenauigkeit wirkt sich hier noch schlimmer aus, da jeder Rasterpunkt mehrmals nacheinander auf möglichst identische Weise getroffen werden muss.

3) Die Oligomere werden wie bei 2) direkt auf dem Träger synthetisiert, die gezielte Anbindung der richtigen Nu­ kleobasen an den richtigen Rasterpunkten geschieht jedoch durch eine vollkommen parallele, photolithographische Technik anstelle von sequenziellen, zielgenauen Pipettie­ rschritten. Das Verfahren basiert darauf, dass man mit Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt die 5'-OH Schutzgruppen von Oligonukleotiden entfernen kann. Durch geeignete örtliche Bestrahlungsmuster kann man somit Oli­ gonukleotid-Enden an genau jenen Rasterpunkten reaktions­ fähig machen, an denen man im nächsten Schritt eine neues Nukleosid anbringen will. Bei vollständiger Benetzung der Chipoberfläche mit einer Nukleotidbaustein-Lösung wird somit nur an den vorher belichteten Stellen ein Nukleo­ tidbaustein angebunden, alle unbelichteten Stellen blei­ ben unverändert. Die örtlichen Belichtungsmuster werden erzeugt, indem man eine microphotographische schwarz­ weiss Maske zwischen dem Substrat und der Lichtquelle po­ sitioniert, die alle Rasterstellen abdeckt, die nicht re­ aktionsfähig gemacht werden sollen. Die Verlängerung der Oligomer-Ketten auf allen Rasterpunkten um eine Nukleoba­ se geschieht demnach wie folgt: Mit Hilfe einer ersten Maske werden genau jene Rasterpunkte belichtet, welche um die erste der 4 möglichen Sorten von Nukleobasen (z. B. C) erweitert werden müssen. Danach wird der Chip mit einer Lösung des entsprechenden Nukleotidbausteins benetzt, worauf nur die belichteten Punkte um diese Base verlän­ gert werden. Da die neu angebundenen Basen noch alle über eine Schutzgruppe verfügen, werden sie in den folgenden Schritten nicht weiter reagieren, bis ihre Schutzgruppen durch eine weitere Belichtung abgespaltet werden. Nach diesem Reaktionsschritt wird der Chip gewaschen. Nun wer­ den mit Hilfe einer zweiten Maske genau jene Rasterstel­ len belichtet, welche um die zweite der 4 möglichen Sor­ ten von Nukleobasen (z. B. T) erweitert werden müssen. Darauf wird der Chip wiederum mit einer Lösung des ent­ sprechenden Nukleotidbausteins benetzt und die belichte­ ten Stellen dadurch um diese Base verlängert. Genauso verfährt man für die verbleibenden zwei Basen (z. B. G und A). Für die Verlängerung aller Oligomere um eine Nukle­ obase benötigt man demzufolge vier Belichtungsschritte bzw. 4 Photomasken. Diese Methode ist wegen der hohen Parallelität sehr effizient, zudem ist sie wegen der ho­ hen Präzision, die mit Photolithographie erreicht werden kann, geeignet, um sehr hohe Rasterdichten zu erzielen. Allerdings ist die Methode sehr aufwendig und somit teu­ er, da man für die Herstellung einer bestimmten Sorte von Chip zuerst eine grosse Anzahl von Photomasken erzeugen muss. Bei hohen Rasterdichten werden zudem hohe Anforde­ rungen an die Positionierungsgenauigkeit der Masken wäh­ rend der Belichtung gestellt, die effizient nur durch Verwendung von teuren Apparaturen erfüllt werden können.

4) Es wird dasselbe Verfahren angewandt wie bei 3), nur verwendet man anstelle der grossen Zahl von photographi­ schen Masken eine einzige, transmissive Flüssigkri­ stallanzeige, die elektronisch angesteuert wird und als dynamische Maske dient. Diese Methode ist einfach und billig, da keine photographischen Masken erzeugt werden müssen und das Positionierungsproblem entfällt. Ein mög­ liches Problem dieser Methode ist der limitierte optische Kontrast der heute verfügbaren Flüssigkristallanzeigen (maximal 1 : 100). Das Lichtintensitätsverhältnis zwischen belichteten und abgedeckten Punkten wird dadurch redu­ ziert, was eine Ausbeuteverminderung bei der Oligomersyn­ these zur Folge haben kann.

Diese Methoden nach dem Stand der Technik weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Unter den oben beschriebenen Herstellungsmethoden für DNA-Chips ist die photolithogra­ phische Methode mit dynamischen Flüssigkristall-Masken die einzige, die eine einfache, billige und zuverlässige Herstellung von Chips mit hoher Rasterdichte erlaubt. Der mangelhafte Kontrast der Flüssigkristallanzeigen hat je­ doch eine Verminderung der Qualität der Oligomerpunkte zur Folge, was letztendlich die Detektionsempfindlichkeit des Chips vermindert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Eine weiter Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines weiteren Verfahrens zur photoli­ thographischen Belichtung biologischer Stoffe.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichneten Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von bio­ logischen Stoffen geschaffen wird, umfassend mindestens eine Lichtquelle, ein Lichtleiterbündel und eine Steue­ rungseinheit, wobei jeder der Lichtleiter unabhängig von­ einander mit Licht ansteuerbar und/oder Licht in diesen einkoppelbar ist.

Bevorzugt ist es dabei, daß die Lichtquelle monochromati­ sches oder kontinuierliches Licht in einem Wellenlängen­ bereich von 100 bis 800 nm aussendet. Besonders bevorzugt ist es, daß die Lichtquelle ein Laser, eine Leuchtdiode, eine Metalldampflampe, eine Gasentladungslampe, eine Gasanregungslampe, eine Glühfadenlampe oder eine Lichtbo­ genlampe ist.

Weiterhin vorteilhaft ist es, daß zur Ansteuerung der einzelnen Lichtleiter Leuchtdioden und/oder optische Schalter angeordnet sind.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, daß zu belichtende Stoffe direkt an den Enden der Lichtleiter aufgebracht sind. Bevorzugt ist es aber auch, daß zu belichtende Stoffe auf einem separaten Träger angeordnet sind.

Ganz besonders bevorzugt ist es, daß zu belichtende Stof­ fe auf einem separaten Träger angeordnet sind, wobei die­ ser Träger ein DNA-Chip, ein PNA-Chip oder ein Peptid- Chip ist.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung vorzugsweise zu­ sätzlich mindestens einen Detektor auf.

Bevorzugt ist dabei, daß mindestens einer der Detektoren derart angeordnet ist, daß dieser das zur Belichtung ver­ wendete Licht erfaßt und/oder mindestens ein Detektor derart angeordnet ist, daß dieser das von den belichteten Stoffen reflektierte und/oder durch Fluoreszenz erzeugte Licht erfaßt und daß zur Lichtführung für die Detektoren gegebenenfalls Lichtleiter und/oder Lichtleiterbündel vorgesehen sind. Insbesondere bevorzugt ist hierbei, daß die Detektoren CCD-Detektoren und/oder CCD-Kamera sind.

Ganz besonders bevorzugt ist es, daß zur Ansteuerung der einzelnen Lichtleiter eine dynamische Maske vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist es auch, daß zur Ansteuerung der einzelnen Lichtleiter ein Satz von statischen Masken vorgesehen ist.

Äußerst bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die Lichtquelle ein solches Spektrum von Wellenlän­ gen emittiert, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß zwischen dieser Lichtquelle und dem Substrat ein Bündel von Lichtleiterfasern angeordnet ist, in welche jeweils durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht einkop­ pelbar ist und daß hinter dem Lichtleiterbündel die Fest­ phase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, präzise und starr positioniert ist und daß die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer angeordnet ist, in die durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführbar sind.

Bevorzugt ist es erfindungsgemäß hierbei, daß man als Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, ei­ nen separaten Träger anordnet. Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner, daß die Enden der Lichtleiterfasern selbst die Festphase zur Durchführung der Oligomersynthese sind.

Ein weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biolo­ gischen Stoffen, wobei man diese auf einer Oberfläche oder am Ende eines Lichtleiters anordnet und mittels Licht, welches durch Lichtleiter geführt ist und aus ei­ ner Lichtquelle stammt, welche am anderen Ende der Licht­ leiter angeordnet ist, belichtet, wobei man jeden Punkt, welcher einem Lichtleiterende gegenüberliegt, unabhängig von den anderen Punkten belichtet, wobei man das Belich­ tungsmuster mittels einer Steuerungseinheit vorwählt.

Bevorzugt ist es hierbei nämlich zur Belichtung von DNA- oder PNA-Chips, daß man Licht der Wellenlängen verwendet, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanalo­ ga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlänge­ rung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß man zwischen dieser Lichtquelle und dem Substrat ein Bündel von Lichtleiterfasern anordnet, in welche jeweils durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht eingekoppelt wird und daß man hinter dem Lichtleiterbündel die Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, präzise und starr positioniert und daß man die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer anordnet, in die man durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner, daß man nach er­ folgter Oligomerisierung auf den DNA- oder PNA-Chips wei­ terhin die nachfolgenden Hybridisierungen mit einer Ziel- DNA durchführt.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren, wobei man zur Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Vor­ richtung verwendet.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß die erfindungsge­ mäße Vorrichtung eine einfache und preiswerte photolitho­ graphische Herstellung von DNA-Chips hoher Rasterdichte mit einem Belichtungskontrast von weit über 1 : 100 ermög­ lichen. Dadurch wird erstmals die einfache Produktion von qualitativ hochstehenden DNA-Chips in jedem beliebigen Labor möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren lösen die gestellte Aufgabe auf völlig neuartige Art und Weise durch Kombination kommerziell erhältlicher Komponenten. Es ermöglicht die billige Herstellung von DNA-Chips in einer Qualität, wie sie vorher nicht möglich war.

Das grundlegende Konzept der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und des Verfahrens besteht darin, dass man ein be­ stimmtes Belichtungsmuster auf dem Substrat nicht durch gezielte Abdeckung von Rasterpunkten mit Hilfe einer sta­ tischen oder dynamischen Maske erzeugt, sondern indem man individuell jedem zu belichtenden Rasterpunkt das Licht direkt über einen optischen Lichtleiter zuführt. Es muss also über jedem Rasterpunkt das Ende einer optischen Lichtleiterfaser so angebracht sein, dass bei Lichtein­ kopplung in die Faser das am Ende austretendes Licht ge­ nau den entsprechenden Rasterpunkt beleuchtet. Es werden folglich genau so viele Lichtleiterfasern benötigt wie Rasterpunkte vorgesehen sind. Um so beliebige Belich­ tungsmuster erzeugen zu können, muss unabhängig für jede einzelne Lichtleiterfaser gesteuert werden können, ob ihr zu einem gegebenen Zeitpunkt Licht eingekoppelt wird oder nicht. Durch gezieltes Einkoppeln bzw. nicht Einkoppeln von Licht in die richtigen Fasern kann man somit bei je­ dem Belichtungsschritt ausschliesslich jene Rasterpunkte belichten, die aktiviert werden müssen, während man alle anderen unbelichtet lässt.

Das gezielte Einkoppeln von Licht in die jeweils richti­ gen Fasern muss vollautomatisch elektronisch gesteuert werden können, damit die Methode einfach durchführbar ist. Eine mögliche technische Lösung ist, am Anfang jedes Lichtleiters eine eigene, elektrisch ein- und ausschalba­ re Lichtquelle (z. B. eine Laserdiode richtiger Wellenlän­ ge) anzubringen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwen­ dung von kommerziell erhältlichen, elektrisch ansteuerba­ ren optische Schaltern. Es handelt sich dabei um eine Hardware-Komponente mit 2 Anschlüssen für 2 Lichtleiter­ fasern und einem elektrischen Steuerungseingang. Durch ein elektrisches Signal am Steuerungseingang kann be­ stimmt werden, ob die beiden Lichtleiterfasern optisch verbunden werden sollen oder nicht. Für jeden Rasterpunkt benötigt man somit einen optischen Schalter und zwei Lichtleiterfasern. Dem freien Ende der ersten Faser kop­ pelt man permanent Licht ein, das freie Ende der zweiten Faser dient als Lichtausgang und wird über dem jeweiligen Rasterpunkt befestigt. Für die Lichteinkopplung genügt eine einzige Lichtquelle, wenn man alle Eingangsfasern entsprechend bündelt.

Für die elektrische Steuerung sind beide Methoden der ge­ zielten Lichteinkopplung gleichwertig. Man benötigt le­ diglich eine Ansteuerelektronik, die jeden Rasterpunkt individuell adressieren kann. Grundsätzlich spielt es keine grosse Rolle, ob man dabei Leuchtdioden oder opti­ sche Schalter ansteuert.

Eine weitere Möglichkeit zur gezielten Lichteinkopplung in die einzelnen Fasern des Lichtleiterfaserbündels ist die Verwendung von automatisch positionierten statischen Masken (z. B. Photo- oder Lochmasken) oder einer elektro­ nisch ansteuerbaren dynamischen Maske (z. B. LCD), welche man zwischen die Lichtquelle und die Eingangsseite des Faserbündels bringt. Mit den Masken kann man gezielt jene Fasereingänge verdecken, in die beim jeweiligen Belich­ tungsschritt kein Licht eingekoppelt werden soll. Die Masken können dabei geometrisch anders angeordnet und insbesondere viel größer sein als die zu belichtende Ar­ rayfläche, da auf der Einkopplungsseite das Lichtleiter­ bündel beliebig aufgefächert bzw. in die einzelnen Fasern aufgetrennt werden kann.

Für die maximal erzielbare Chip-Rasterdichte ist es grundsätzlich irrelevant, wieviel Platz das Lichteinkopp­ lungssystem (einzelne Lichtquellen, optische Schalter, statische oder dynamische Masken) beansprucht. Die Rasterdichte ist allein davon abhängig, wie dicht man die Faserenden bündeln kann, an denen das Licht austritt. Diese Möglichkeit der geometrischen Verdichtung stellt den wesentlichsten Nutzen der Erfindung dar. Bei einem typischen Faserdurchmesser um 100 Mikrometer kann man auf der Belichtungsseite ungefähr 10000 Rasterpunkte auf ei­ nem Quadratzentimeter erreichen, was für viele Anwendun­ gen hinreichend ist.

Falls es zu aufwendig ist, die über dem Substrat anzu­ bringenden Lichtleiterfaserenden in einem gleichmässigen, rechtwinkligen Gitterraster anzuordnen, kann man auch ein ungeordnetes Faserbündel über dem Substrat befestigen. Die Punkte auf einem so angefertigten Chip sind dann nicht mehr rasterförmig, sondern zufällig und unregelmä­ ßig angeordnet. Trotzdem sind bei allen Chips, die mit derselben Lichtleiteranordnung hergestellt worden sind, die Positionen der Punkte identisch. Grundsätzlich kann man wissen, welche Oligomersorte an welcher Stelle des Chips synthetisiert worden ist. Es genügt für eine gege­ bene Syntheseanordnung mit zufälliger Lichtfaserbünde­ lung, ein einziges Mal nacheinander jedem einzelnen Lichtleiter Licht einzukoppeln, und mit einem hochauflö­ sendem CCD-Detektor, der in die Substratebene gelegt wird, die Position der austretenden Lichtkegel festzu­ stellen. Auf diese Weise kann man eine vollständige Ta­ belle mit der Zuordnung aller Ansteuerungsadressen zu den entsprechenden x-y Substratpositionen erstellen. Diese Information verwendet man später bei der Auswertung aller Chips, die mit der entsprechenden Anordnung hergestellt werden.

Für eine Auswertung nach dem Fluoreszenzmarkierungsver­ fahren kann man optional die selbe ungerasterte Lichtlei­ teranordnung verwenden, die man bei der Herstellung ver­ wendet hat, nur dass man nun am anderen Faserende nicht Licht einkoppelt, sondern mit Photodetektoren das jetzt stellenweise auf der Substratseite eintretende Fluores­ zenzlicht misst. Dazu muss man an Stelle der Lichtquel­ le(n) an jedem Faserende einen separaten Photodetektor anbringen. Ein solches optisches Lesesystem mit Lichtlei­ tern kann die Chip-Detektion gegenüber der herkömmlichen Detektionsmethode mit CCD-Detektoren erhebliche vereinfa­ chen.

Eine sehr interessante und neuartige Anwendungsvariante des hier beschriebenen DNA-Chip Syntheseverfahrens ist die Synthese von Oligomeren direkt auf den Lichtleiteren­ den anstatt auf einem separaten Substrat. Dies kann er­ reicht werden, indem man die Lichtleiterfaser-Endflächen, durch die das Licht austritt, auf ähnliche Weise chemisch präpariert wie sonst bei herkömmlichen DNA-Chips Trägerfläche. Dadurch wird jedes Lichtleiterende selber zu einem kleinen, unabhängigen Träger, auf welchem man nun mit der üblichen photolithographischen Chemie genau eine Sorte von Oligomer synthetisieren kann. Das photoak­ tivierende Licht wird somit nicht mehr von aussen auf die Trägeroberfläche aufgestrahlt, sondern tritt direkt an der Trägeroberfläche aus dem transparenten, lichtleiten­ den Trägermaterial aus. Statt einer einzigen Trägerfläche mit vielen verschiedenen, kleinen Oligomerpunkten hat man nun eine Vielzahl von getrennten kleinen Trägerflächen mit je einer Sorte von Oligomer darauf. Wie bei den her­ kömmlichen Chips müssen die Oligomerpunkte dicht beiein­ ander liegen, damit sie für eine effiziente Hybridisie­ rung verwendet werden können. Dies kann wie oben be­ schrieben durch dichte Bündelung der Faserenden erreicht werden.

Bei einer solchen Synthese auf Lichtleiterenden bleibt die hergestellte Oligomerpunkteschar untrennbar mit der zur Herstellung verwendeten Vorrichtung verbunden. Hybri­ disierung und anschliessende Detektion werden dann eben­ falls an den Lichtleiterenden vorgenommen, wobei man für eine Fluoreszenzdetektion wieder die Lichtleiter in umge­ kehrter Richtung zum Auslesen der Fluoreszensignale ver­ wendet. Nach einem Synthese-Hybridisierung- Detektionszyklus kann man die Lichtleiterfaserspitzen chemisch reinigen und die Vorrichtung somit für eine Neue Synthese bereitmachen.

Die vorliegende Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Ansteuerung der Fasern durch optische Schalter darge­ stellt ist;

Fig. 2 den schematisch Aufbau einer zweiten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Ansteuerung der Fasern durch einzelne Lichtquellen darge­ stellt ist;

Fig. 3 den schematischen Aufbau während der Belichtung eines separaten Trägers (Chip) und

Fig. 4 den schematischen Aufbau während der Belichtung, wobei sich das Substrat direkt an den Faserenden befin­ det.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Aus der Licht­ quelle A wird mittels der Lichtleiter F das Licht über die elektrisch angesteuerten optischen Schalter B auf den Array-Träger C geleitet. Die Steuerung S, vorzugsweise ein Computer, sorgt für die entsprechende Ansteuerung der einzelnen Schalter B in vorgegebener Weise in Form einer dynamischen oder statischen Maske.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Aus einer Viel­ zahl von der Lichtquellen A wird mittels der Lichtleiter F das Licht auf den Array-Träger C geleitet. Die Steue­ rung S, vorzugsweise ein Computer, sorgt für die entspre­ chende Ansteuerung der einzelnen Schalter A in vorgegebe­ ner Weise. Auch hier kann die Ansteuerung in Form einer dynamischen oder statischen Maske erfolgen.

Fig. 3 zeigt im Detail, wie die einzelnen Substratpunkte E auf dem Array-Träger C durch die Lichtleiterfasern F belichtet werden.

In Fig. 4 ist gezeigt, daß die Substrate direkt an der Enden der Lichtleiterfasern F angeordnet sind.

Dem Fachmann ist klar, wie die einzelnen Bauteile in ei­ ner erfindungsgemäßen Vorrichtung anzuordnen sind. Auch die entsprechende Programmierung der Steuerung mittels Computerprogrammen ist dem Fachmann an sich bekannt.

Bezugszeichenliste

A Lichtquelle
B elektrisch angesteuerter optischer Schalter
C Array-Träger
D Substrat an den Faserenden
E Substratpunkte auf dem Array-Träger
F Lichtleiterfaser
S Steuerung (Computer)

Claims (19)

1. Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, umfassend mindestens eine Lichtquelle, ein Lichtleiterbündel und eine Steue­ rungseinheit, wobei jeder der Lichtleiter unabhängig voneinander mit Licht ansteuerbar und/oder Licht in diesen einkoppelbar ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle monochromatisches oder kontinu­ ierliches Licht in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 800 nm aussendet.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser, eine Leuchtdiode, eine Metalldampflampe, eine Gasentladungslampe, eine Gasanregungslampe, eine Glühfadenlampe oder eine Lichtbogenlampe ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der ein­ zelnen Lichtleiter Leuchtdioden und/oder optische Schalter angeordnet sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu belichtende Stoffe di­ rekt an den Enden der Lichtleiter aufgebracht sind.

6. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu belichtende Stoffe auf einem separaten Träger angeordnet sind.

7. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu belichtende Stoffe auf einem separaten Träger angeordnet sind, wobei dieser Träger ein DNA-Chip, ein PNA-Chip oder ein Peptid- Chip ist.

8. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätz­ lich mindestens einen Detektor umfaßt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Detektoren derart angeordnet ist, daß dieser das zur Belichtung verwendete Licht erfaßt und/oder mindestens ein Detektor derart ange­ ordnet ist, daß dieser das von den belichteten Stof­ fen reflektierte und/oder durch Fluoreszenz erzeugte Licht erfaßt und daß zur Lichtführung für die Detek­ toren gegebenenfalls Lichtleiter und/oder Lichtlei­ terbündel vorgesehen sind.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektoren CCD- Detektoren und/oder CCD-Kameras sind.

11. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der ein­ zelnen Lichtleiter eine dynamische Maske vorgesehen ist.

12. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der ein­ zelnen Lichtleiter ein Satz von statischen Masken vorgesehen ist.

13. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein sol­ ches Spektrum von Wellenlängen emittiert, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß zwi­ schen dieser Lichtquelle und dem Substrat ein Bündel von Lichtleiterfasern angeordnet ist, in welche je­ weils durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht ein­ koppelbar ist und daß hinter dem Lichtleiterbündel die Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfin­ det, präzise und starr positioniert ist und daß die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfin­ det, in einer Kammer angeordnet ist, in die durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführbar sind.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß man als Festphase, auf der die Oligomersyn­ these stattfindet, einen separaten Träger anordnet.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Enden der Lichtleiterfasern selbst die Festphase zur Durchführung der Oligomersynthese sind.

16. Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, wobei man diese auf einer Ober­ fläche oder am Ende eines Lichtleiters anordnet und mittels Licht, welches durch Lichtleiter geführt ist und aus einer Lichtquelle stammt, welche am anderen Ende der Lichtleiter angeordnet ist, belichtet, wobei man jeden Punkt, welcher einem Lichtleiterende gegen­ überliegt, unabhängig von den anderen Punkten belich­ tet, wobei man das Belichtungsmuster mittels einer Steuerungseinheit vorwählt.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, nämlich zur Belichtung von DNA- oder PNA-Chips, dadurch gekennzeichnet, daß man Licht der Wellenlängen verwendet, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß man zwischen dieser Lichtquelle und dem Substrat ein Bün­ del von Lichtleiterfasern anordnet, in welche jeweils durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht eingekop­ pelt wird und daß man hinter dem Lichtleiterbündel die Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfin­ det, präzise und starr positioniert und daß man die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfin­ det, in einer Kammer anordnet, in die man durch wei­ tere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese not­ wendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Fest­ phase heranführt.

18. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man nach erfolgter Oligomerisierung auf den DNA- oder PNA-Chips weiterhin die nachfolgenden Hybridi­ sierungen mit einer Ziel-DNA durchführt.

19. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrich­ tung gemäß Anspruch 1 verwendet.