DE19932487A1

DE19932487A1 - Vorrichtung und Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen

Info

Publication number: DE19932487A1
Application number: DE19932487A
Authority: DE
Inventors: Aron Braun
Original assignee: Epigenomics AG
Current assignee: Epigenomics AG
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-02-08

Abstract

Beschrieben ist eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, umfassend mindestens eine Lichtquelle und ein modulierbares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelfläche, wobei die Spiegelfläche mittels an den Steuerelektroden angelegten elektrischen Spannungen gezielt lokal deformierbar 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 der Chip oberfäche 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 Positioniergenauigkeit der heute verfügba ren Pipettieranlagen und durch das minimale Abgabevolumen der 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 Pipet tierschritten. 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. Das Lichtintensitätsverhältnis zwischen belichteten und abgedeckten Punkten wird dadurch reduziert, was eine Aus beuteverminderung bei der Oligomersynthese zur Folge ha ben kann. Ausserdem liegt bei den meisten heute verfügba ren LCDs die Lichtausbeute unter 50% und ist zudem mei stens auf das sichtbare Licht optimiert. Viele LCDs ab sorbieren z. B. im für die Synthese besonders interessan ten UV-Bereich deutlich stärker als im sichtbaren be reich.
5. Man synthetisiert die Chips wie bei 3) und 4) nach dem photolithographischen Verfahren, erzeugt ein bestimmtes Belichtungsmuster auf dem Substrat jedoch nicht durch ge zielte Abdeckung von Rasterpunkten mit Hilfe einer stati schen oder dynamischen Maske, sondern indem man individu ell jedem zu belichtenden Rasterpunkt das Licht direkt über einen optischen Lichtleiter zuführt. Über jedem Ra sterpunkt wird das Ende einer optischen Lichtleiterfaser so angebracht, dass bei Lichteinkopplung in die Faser das am Ende austretendes Licht genau den entsprechenden Ra sterpunkt beleuchtet. Es wird also ein Faserbündel ver wendet, das aus genau so vielen Lichtleiterfasern besteht wie Rasterpunkte vorgesehen sind. Beliebige Belichtungs muster werden erzeugt, indem man jeder einzelnen Faser gezielt Licht einkoppelt oder nicht. Diese gezielte und unabhängige Lichteinkopplung in die einzelnen Lichtlei terfasern kann z. B. durch Leuchtdioden oder durch kommer ziell erhältliche, elektrisch gesteuerte optische Schal ter und einer Lichtquelle bewerkstelligt werden. Für jede Lichtleiterfaser wird dabei eine eigene, individuell an steuerbare Leuchtdiode bzw. Schalter benötigt. Der große Vorteil dieser Methode gegenüber Methode 4) ist der sehr hohe, (theoretisch unendliche) Kontrast, der er zielt werden kann, was eine deutliche Verbesserung der Syntheseausbeute ermöglicht. Es ist zudem eine sehr hohe Lichtausbeute möglich, da es heute zu allen wichtigen Wellenlängenbereichen Lichtleiterfasern gibt, welche im entsprechenden Wellenlängenbereich nur sehr schwach ab sorbieren. Der Nachteil der Methode ist, dass es sich so wohl bei den Leuchtdioden wie auch bei den optischen Schaltern um diskrete Bauteile einer gewissen Größe han delt. Da für die Synthese von Chips hoher Dichte eine große Zahl solcher Bauteile benötigt wird (für jeden Ra sterpunkt ein Bauteil), kann in solchen Fällen die Steu ereinheit eines solchen Systems sehr groß werden, was da zu führt, dass das System wegen seiner Größe in typischen Biochemielabors nicht problemlos eingesetzt werden kann.
6. Man synthetisiert die Chips wie bei 3), 4) und 5) nach dem photolithographischen Verfahren, belichtet hier aber die einzelnen Rasterpunkte mit Hilfe von Reflexion an kleinen, zwischen zwei Positionen hin- und herkippbaren Spiegeln. Dafür wird ein spezieller Typ von Siliziumchip verwendet, der kommerziell für die Verwendung in Video projektoren hergestellt wird. Es handelt sich bei diesem Chip um eine kleine (einige Quadratcentimeter große) Si liziumoberfläche, auf dem in einem rechtwinklige Raster eine große Zahl (z. B. 768 × 576) mikroskopisch kleiner, rechteckiger (z. B. 17 µm × 17 µm) Metallspiegel angebracht sind. Jeder der Spiegel ist bezüglich seiner Diagonalach se beweglich gelagert und kann in zwei stabile Positionen A und B gekippt werden, die sich um einige Winkelgrade unterscheiden. Welcher der Spiegel sich in welcher der beiden Positionen befindet, kann durch elektronische Si gnale an den Chipeingängen beliebig eingestellt werden. So ein Mikrospiegel-Chip ("micromirror device") wird zu sammen mit einer Lichtquelle, einer Optik und der zu be lichtenden Array-Oberfläche so angeordnet, dass jeder der Spiegel das reflektierte Licht in der Position A auf das Array wirft und in der Position B auf eine Lichtschluc kende Fläche neben dem Array. Dabei gehört zu jeder Ra sterposition auf dem zu belichtenden Array genau ein Spiegel, welcher Licht genau auf diese Rasterposition re flektiert, falls er sich in Position A befindet. Diese Methode ist vergleichbar mit der Methode 4), nur dass für die Lichtmustererzeugung statt einer transmissi ven dynamischen Maske ein reflektives dynamisches Lichtablenkungsbauteil verwendet wird. Das System ist ähnlich einfach und klein wie jenes mit LCDs, kann aber einen höheren Kontrast und eine höhere Lichtausbeute über einen größeren Wellenlängenbereich erreichen. Dies kann sich auf die Qualität des synthetisierten DNA-Arrays sehr vorteilhaft auswirken. Allerdings kommt auch diese Metho de in Sachen Kontrast und Lichtausbeute beiweitem nicht an Methode 5) heran. Der Kontrast wird durch die nicht völlig unterdrückbaren parasitären Streulichteffekte ver mindert. Die Lichtausbeute ist nicht maximal, weil die Spiegel einen gewissen Teil des Lichts absorbieren und weil der Füllfaktor der heute verfügbaren Mikrospiegel chips unter 90% liegt. Das kommt daher, dass sich aus herstellungstechnischen Gründen zwischen den einzelnen Spiegeln recht große Lücken befinden (gesamthaft über 10% der Chipfläche), wo kein Licht reflektiert wird.

Diese Methoden nach dem Stand der Technik weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Die beiden attraktivsten Metho den, um günstig und flexibel DNA-Arrays hoher Rasterdich te herzustellen, sind die Methode mit den Lichtleitern und die Methode mit den kippbaren Mikrospiegeln. Die Me thode mit den Lichtleitern erlaubt einen extrem hohen Kontrast und eine hohe Lichtausbeute in einem weiten Wel lenlängenbereich, und somit eine hohe Qualität des syn thetisierten DNA-Arrays. Mit zur Zeit erhältlichen Kompo nenten wird jedoch die benötigte Apparatur für die Her stellung von Chips mit vielen Rasterpunkten ziemlich au wendig und groß, und ist dadurch in vielen typischen La bors nicht problemlos einsetzbar. Die Methode mit den kippbaren Mikrospiegeln ist mit einer einfachen und klei nen Apparatur realisierbar, hat aber den Nachteil, dass die Mikrospiegel-Chips eine geringere Lichtausbeute und einen geringeren Kontrast erlauben als die Lichtleiter. Der Grund für den verminderten Kontrast ist der kompli zierte, durch viele verschieden orientierte Kanten, Flä chen und Spalten gekennzeichnete geometrische Aufbau der Mikrospiegel-Chips, der allerlei Streulichteffekte und damit einen nicht unterdrückbaren Grund-Strahlungspegel erzeugt. Auch die Stellen, die auf dem DNA-Chip jeweils nicht belichtet werden sollen, kriegen dadurch noch eine gewisse Restlichtmenge ab. Der Grund für die verminderte Lichtausbeute ist der grundsätzlich deutlich unter 100% liegende Füllfaktor des Mikrospiegelchips, bedingt durch die aus qualitätstechnischen Gründen unerlässlichen Spal ten zwischen den einzelnen Spiegeln, die nicht für ge zielte Spiegelung genutzt werden können.

Ein weiterer potentieller Nachteil der Mikrospiegel- Lösung ist die sehr hohe mechanische Komplexität und Emp findlichkeit der Mikrospiegel-Chips. Das Potential dieser Technologie für eine Weiterentwicklung, insbesondere eine weitere Miniaturisierung ist dadurch eingeschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ähnlich kompakt wie jene mit den Mikrospiegeln ist und den hohen Kontrast, die ho he Lichtausbeute und die Robustheit der Methode mit den Glasfasern erreicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines weiteren Verfahrens zur photoli thographischen Belichtung biologischer Stoffe.

Die Aufgabe wird durch die gekennzeichneten 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 und ein modulierbares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelfläche, wobei die Spiegel fläche mittels an den Steuerelektroden angelegten elek trischen Spannungen gezielt lokal deformierbar ist.

Bevorzugt ist es, daß die Lichtquelle monochromatisches oder kontinuierliches Licht in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 800 nm aussendet. Besonders bevorzugt ist hierbei, daß die Lichtquelle ein Laser, eine Leuchtdiode, eine Metalldampflampe, eine Gasentladungslampe, eine Gasanregungslampe, eine Glühfadenlampe oder eine Lichtbo genlampe ist.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, daß zu belichtende Stoffe auf einem Träger angeordnet sind. Bevorzugt ist ferner, daß zu belichtende Stoffe auf einem Träger ange ordnet sind, wobei dieser Träger ein DNA-Chip, ein PNA- Chip oder ein Peptid-Chip ist.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, daß die ela stische Spiegelfläche ein viskoelastischer Flächenlicht modulator (surface light modulator, SLM) ist.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevozugt, daß die ela stische Spiegelfläche mittels mikrotechnischer Verfahren der klassischen Halbleitertechnik erhältlich sind.

Ganz besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß, daß die Steuerelektroden der elastischen Spiegelfläche mittels eines Computers elektronisch ansteuerbar sind.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß bevorzugt, daß die Vor richtung zusätzlich mindestens einen Detektor umfaßt. Hierbei ist ferner bevorzugt, daß mindestens einer der Detektoren derart angeordnet ist, daß dieser das zur Be lichtung verwendete Licht erfaßt und/oder mindestens ein Detektor derart angeordnet ist, daß dieser das von den belichteten Stoffen reflektierte und/oder durch Fluores zenz erzeugte Licht erfaßt und daß zur Lichtführung für die Detektoren gegebenenfalls Spiegel und/oder Anordnun gen von einzeln ansteuerbaren Spiegeln und/oder elasti schen Spiegelflächen und/oder Glasfaserbündel vorgesehen sind.

Vorzugsweise sind erfindungsgemäß die Detektoren CCD- Detektoren und/oder CCD-Kameras.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner, daß die Zielpunkte der elastischen Spiegelfläche auf Lichtleiter, nämlich je eine Glasfaser eines Glasfaserbündels gerichtet sind, welche dann je auf einen bestimmten Punkt des eigentli chen Trägers ausgerichtet sind.

Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß zur Abbil dung des von der elastischen Spiegelfläche erzeugten Lichtmusters auf dem Reaktionsträgers eine Optik zwischen die elastische Spiegelfläche und dem Träger angeordnet ist.

Es ist außerdem bevorzugt, daß die Lichtquelle ein sol ches Spektrum von Wellenlängen emittiert, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Pep tid-Nukleinsäure Bausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß der Strahlen gang zwischen Lichtquelle und Substrat über ein modulier bares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelflä che geleitet wird, die über an Steuerelektroden angelegte Spannungen gezielt lokal deformiert werden kann, um das Licht an diesen Stellen aus dem Strahlengang zum Substrat aus der O. Beugungsordnung heraus zu beugen, und somit gezielt unbelichtete Bereiche auf dem Substrat zu erzeu gen, auf dem die Oligomersynthese stattfindet, während die in der O. Beugungsordnung verbleibenden Lichtanteile die gezielt zu belichtenden Bereiche auf dem Substrat be strahlen, und die 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 not wendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführbar sind.

Vorteilhaft ist es ferner, daß man als Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, einen separaten Träger anordnet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, wobei man diese auf einer Oberflä che anordnet und mittels Licht, welches durch eine ela stische Spiegelfläche gezielt reflektiert wird und aus einer Lichtquelle stammt, welche auf die elastische Spie gelfläche - nicht aber die zu belichtende Oberfläche - gerichtet ist, belichtet, wobei man jeden Punkt, auf wel chen wahlweise von der elastischen Spiegelfläche Licht reflektiert werden kann, unabhängig von den anderen Punk ten belichtet, wobei man das Belichtungsmuster mittels einer Steuerungseinheit vorwählt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist hierbei nämlich zur Belich tung von DNA- oder PNA-Chips, daß man Licht der Wellen längen verwendet, welches die Entschützung von Nukleoti den, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren be wirkt und daß man im Strahlengang zwischen dieser Licht quelle und dem Substrat eine elastische Spiegelfläche an ordnet, wobei man durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht der O. Beugungsordnung von einzelnen Punkten der Spiegeloberfläche reflektiert auf zu belichtende Bereiche des Substrats lenkt und selektiv Licht höherer Beugungs ordnungen, welches man durch Verformung der elastischen Spiegelfläche erzeugt, aus dem Bereich des Substrats her auslenkt und daß man in Reflexionsrichtung die Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, präzise und starr positioniert und daß man die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer anord net, in die man durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzi en an diese Festphase heranführt.

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

Außerdem ist es erfindungsgemäß bevorzugt, daß man zur erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens eine erfin dungsgemäße Vorrichtung verwendet.

Die Aufgabe wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen geschaffen wird, umfassend minde stens eine Lichtquelle und eine dynamische Maske, beste hend aus einem mikrotechnisch hergestellten Flächenlicht modulator (surface light modulator, SLM), wie er heute von einigen Forschungsinstituten routinemässig herge stellt und wohl bald auch kommerzialisiert wird. Der Flä chenmodulator ist durch eine viskoelastische Steuer schicht realisiert, die eine deformierbare Spiegelanord nung bildet. Diese besteht aus einem Array unabhängig adresseirbarer Steuerelektroden auf einer darunterliegen den aktiven CMOS-Ansteuermatrix, die mit einem Silikon- Gel beschichtet ist. Darauf ist eine dünne Aluminium schicht aufgebracht, die eine geschlossene Spiegelober fläche mit hoher Reflektivität in den benötigten Wellen längenbereichen bildet. Durch geeignetes Ansteuern der Steuerelektroden können gezielt Abschnitte der Spiege loberfläche zu einem Phasengitter deformiert werden, wel ches auftreffendes Licht aus der nullten in höhere Ord nungen beugt. Die Spiegelfläche wird so angeordnet, daß sie im planen Zustand das Licht der Lichtquelle auf den biologischen Stoff reflektiert. Wird das Licht durch De formation der Spiegeloberfläche aus der nullten Ordnung herausgebeugt, so soll es den biologischen Stoff nicht erreichen. Durch diese Anordnung hat man die Möglichkeit, definierte Bereiche des biologischen Stoffes gezielt von der Belichtung auszuschließen, in dem man die korrespon dierenden Bereiche der Spiegeloberfläche entsprechend de formiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine einfa che, platzsparende und preiswerte photolithographische Herstellung von DNA-Chips hoher Rasterdichte mit höherer Lichtausbeute, höherem Kontrast und basierend auf einer deutlich einfacheren, robusteren und entwicklungsfähige ren Technologie, als die bisher bekannten Vorrichtungen in dieser Größenordnung. Der Grund dafür ist die sehr einfach beschaffene geschlossene Spiegeloberfläche, die nur sehr wenig unerwünschtes Streulicht erzeugt, einen Füllfaktor von annähernd 100% erlaubt und mechanisch viel einfacher und weniger empfindlich ist als ein Mikrokipp spiegel-Chip.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren lösen die gestellte Aufgabe auf völlig neuartige Art und Weise durch Kombination kommerziell erhältlicher Komponenten mit einer nach dem heutigen Stand der Technik herstellba ren mikromechanischen Komponente. Es ermöglicht die ein fache, billige und platzsparende 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 für die Erzeugung bestimmter Belichtungsmuster auf biologischen Stoffen eine mikrotechnisch hergestellte elastische Spie gelfläche verwendet, die über an Steuerelektroden ange legte elektrische Spannungen gezielt lokal deformiert werden kann und in planem Zustand das Licht der Licht quelle auf den biologischen Stoff reflektiert. Werden Ab schnitte der Spiegelfläche geeignet deformiert, so wird das Licht an diesen Stellen aus der nullten Ordnung her aus gebeugt, und es entstehen korrespondierende unbelich tete Bereiche auf dem biologischen Stoff, der nur von der nullten Ordnung erreicht werden soll. Damit können genau so viele Punkte auf dem Chip unabhängig voneinander be lichtet werden, wie durch die Steuerelektrodenstruktur gegebene individuell deformierbare Bereiche auf der Spie gelfläche vorhanden sind.

Die Herstellung von elastischen Spiegelflächen mit einem Raster von 256 × 256 individuell ansteuerbaren Abschnit ten mit 20 m × 20 m Fläche pro Abschnitt ist in der Pra xis am Frauenhofer Institut für Mikroelektronische Schal tungen und Systeme in Dresden bereits erfolgreich demon striert worden. Bei der Einfachheit und Robustheit dieser Technologie ist zu erwarten, daß die Anzahl der ansteur baren Abschnitte noch wesentlich gesteigert werden kann.

Sollten die Abmessungen der Spiegelfläche und/oder der einzelnen Abschnitte derselben ungünstig sein, so kann durch eine geeignete Optik zwischen Spiegelfläche und Trägeroberfläche und/oder zwischen Lichtquelle und Spie gelfläche eine Anpassung erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher das Licht der Lichtquelle A durch eine Filter- und/oder Kollimationsoptik B geleitet wird. Nach dem Durchtritt durch diese Optik B trifft das Licht auf den elektrisch ansteuerbaren elastischen Spiegel H. Die Spiegeloberflä che des Spielgel H wird mittels einer Computersteuerung, welche auf die Steuerelektroden des Spiegels H wirkt, derart verformt, daß verformte Bereiche der Spiegelober fläche K und nicht verformte Bereiche der Spiegeloberflä che J gebildete werden und daß die zuvor festgelegten zu belichtenden Stellen D oder nicht zu belichtende Stellen E auf dem DNA-Chip-Träger C entsprechend belichtet wer den. Dies bedeutet, daß die reflektierten Strahlen O. Beugungsordnung F auf die zu belichtenden Stellen D des Chips C treffen, während die Reflexionen höherer Beu gungsordnungen G aus dem Bereich des Chips herausgelenkt werden.

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 Kollimationsoptik und Filter
C DNA-Chip Träger
D Belichtete Stelle auf dem Chip
E Unbelichtete Stelle auf dem Chip
F Reflektierter Strahl O. Beugungsordnung
G Reflektierter Strahl höherer Beugungsordnung
H Elektrisch ansteuerbarer elastischer Spiegel
J nicht verformte Spiegeloberfläche
K verformte Spiegeloberfläche

Claims

1. Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, umfassend mindestens eine Lichtquelle und ein modulierbares Phasengitters in Form einer elastischen Spiegelfläche, wobei die Spie gelfläche mittels an den Steuerelektroden angelegten elektrischen Spannungen gezielt lokal deformierbar 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 zu belichtende Stoffe auf einem Träger angeordnet sind.

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

6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Spiegel fläche ein viskoelastischer Flächenlichtmodulator (surface light modulator, SLM) ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Spiegel fläche mittels mikrotechnischer Verfahren der klassi schen Halbleitertechnik erhältlich sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der elastischen Spiegelfläche mittels eines Computers elektronisch ansteuerbar sind.

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

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, 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 Spiegel und/oder Anordnungen von einzeln ansteuerbaren Spiegeln und/oder elastischen Spiegelflächen und/oder Glasfaserbündel vorgesehen sind.

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

12. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielpunkte der ela stischen Spiegelfläche auf Lichtleiter, nämlich je eine Glasfaser eines Glasfaserbündels gerichtet sind, welche dann je auf einen bestimmten Punkt des eigent lichen Trägers ausgerichtet sind.

13. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung des von der elastischen Spiegelfläche erzeugten Lichtmusters auf dem Reaktionsträgers eine Optik zwischen die elasti sche Spiegelfläche und dem Träger angeordnet ist.

14. 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-Nukleinsäure Bausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß der Strahlengang zwischen Lichtquelle und Substrat über ein modulierbares Phasengitter in Form einer elasti schen Spiegelfläche geleitet wird, die über an Steue relektroden angelegte Spannungen gezielt lokal defor miert werden kann, um das Licht an diesen Stellen aus dem Strahlengang zum Substrat aus der O. Beugungsord nung heraus zu beugen, und somit gezielt unbelichtete Bereiche auf dem Substrat zu erzeugen, auf dem die Oligomersynthese stattfindet, während die in der O. Beugungsordnung verbleibenden Lichtanteile die ge zielt zu belichtenden Bereiche auf dem Substrat be strahlen, und die präzise und starr positioniert ist und daß die Festphase, auf welcher die Oligomersyn these 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.

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

16. Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, wobei man diese auf einer Ober fläche anordnet und mittels Licht, welches durch eine elastische Spiegelfläche gezielt reflektiert wird und aus einer Lichtquelle stammt, welche auf die elasti sche Spiegelfläche - nicht aber die zu belichtende Oberfläche - gerichtet ist, belichtet, wobei man je den Punkt, auf welchen wahlweise von der elastischen Spiegelfläche Licht reflektiert werden kann, unabhän gig von den anderen Punkten belichtet, 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 im Strahlengang zwischen dieser Lichtquelle und dem Substrat eine elastische Spiegelfläche anordnet, wo bei man durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht der O. Beugungsordnung von einzelnen Punkten der Spiege loberfläche reflektiert auf zu belichtende Bereiche des Substrats lenkt und selektiv Licht höherer Beu gungsordnungen, welches man durch Verformung der ela stischen Spiegelfläche erzeugt, aus dem Bereich des Substrats herauslenkt und daß man in Reflexionsrich tung 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 Syn these notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase 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.