DE202017007583U1

DE202017007583U1 - Apparat zum Aufnehmen einer biologischen Probe

Info

Publication number: DE202017007583U1
Application number: DE202017007583.0U
Authority: DE
Original assignee: Isolation Bio Inc
Current assignee: Isolation Bio Inc
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: JP3241147U; JP7283846B2; SG11201909323YA; IL269847A; EP3610271A4; CN110520738A; WO2018190907A1; CA3057965A1; AU2017408813A1; JP2020516290A; EP3610271A1

Abstract

Ein Aufnahmeinstrument umfassend:
eine Aufnahmenadel, die eine distale Spitze und drei Freiheitsgrade hat und konfiguriert ist, sich in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen, wobei die x-, y-Richtungen eine x-y-Ebene darstellen;
eine Ladeplattform umfassend einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich konfiguriert ist, einen mikrofabrizierten Chip umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen unterzubringen und zu sichern;
wobei die Aufnahmenadel operabel mit einem Computer verbunden ist, wobei der Computer ein Computerprogrammprodukt umfasst, das die Bestimmung der Koordinaten mindestens eines ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips auf der x-y-Ebene relativ zu einer Position der Aufnahmenadel basierend auf einer Kalibrierung der Position des mikrofabrizierten Chips relativ zu einer Position der Aufnahmenadel ermöglicht, und es der Aufnahmenadel ermöglicht:
sich in eine Position über dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß in der Vielzahl der Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips zu bewegen;
eine in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen;
sich in eine vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu bewegen; und
die aufgenommene Probe an die vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu übertragen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der nichtvorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 15/135,377 , eingereicht am 21. April 2016, die die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/299,088 , eingereicht am 24. Februar 2016, der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/292,091 , eingereicht am 5. Februar 2016, und der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/150,667 , eingereicht am 21. April 2015 beansprucht. Diese Anmeldung beansprucht auch die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/484,395 , eingereicht am 12. April 2017. Die Offenbarung jeder dieser früher eingereichten Anmeldungen ist hierin vollständig eingegliedert.
Hintergrund
Mikrobielle Zellen wie Bakterien, Pilze, Archäen oder Viren werden in der Genforschung oft als Träger verwendet, um spezifische Gene oder Proteine zu replizieren oder zu exprimieren. Isolate bestimmter mikrobieller Spezies oder Varianten werden oft aus gemischten mikrobiellen Populationen isoliert. Wenn sie in Petrischalen gezüchtet werden, bilden mikrobielle Zellen gewöhnlich Kolonien. Die mikrobiellen Kolonien können von Hand mittels eines Sammlers wie etwa eines Zahnstochers aufgenommen und in einzelnen Vertiefungen einer Mikrotiterplatte für die nachfolgende Kultivierung platziert werden. Solche Aufnahme von Hand kann zeitraubend und langwierig sein.
Automatisierte Systeme zum Aufnehmen von Kolonien sind in den vergangenen Jahren verfügbar geworden. In diesen Systemen können mikrobielle Kolonien mittels Computerbilderfassungstechnologie identifiziert werden, und ein auf einem Roboterarm montierter Aufnehmer kann verwendet werden, um Material von ausgewählten Kolonien in Zielmikrotiterplatten (wie etwa 96-Loch-Platten oder 384-Loch-Platten) zu übertragen. Da jedoch die Größe der Kolonien ziemlich groß sein kann (zum Beispiel im Bereich von Millimetern) und die Kolonien von Interesse in unvorhersehbaren Positionen erscheinen können, benötigen diese automatisierten Systeme eine Analyse des Bildes des Kulturmediums zum Detektieren der richtigen Kolonie, aus der aufgenommen werden soll, was komplizierte optische Komponenten sowie Bildanalysesoftware erfordern kann. Außerdem kann die Genauigkeit des Aufnehmens niedrig sein.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Übertragen einer Probe aus mindestens einem ausgewählten Mikrogefäß eines mikrofabrizierten Chips umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen an eine vorbestimmte Position in einem Zielprobenhalter unter Verwendung eines Aufnahmeinstruments bereit. Das Aufnahmeinstrument umfasst eine Aufnahmenadel, die eine distale Spitze hat und drei Freiheitsgrade hat und konfiguriert ist, sich in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen, wobei die x-, y-Richtungen eine x-y-Ebene darstellen. Das Verfahren beinhaltet: Kalibrieren der Position des mikrofabrizierten Chips relativ zur Position der Aufnahmenadel; Bestimmen der Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips zum Aufnehmen auf der x-y-Ebene relativ zu einer Position der Aufnahmenadel; basierend auf einer gegenwärtigen Position der Aufnahmenadel und der bestimmten Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes, Bewegen der Aufnahmenadel in eine Position über der Position des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes; Eintauchen zumindest eines Teils der distalen Spitze der Aufnahmenadel in das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß, um eine in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen; und Bewegen der Aufnahmenadel und Übertragen der Probe an eine vorbestimmte Position in dem Zielprobenhalter.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst die Kalibrierung: Positionieren der Aufnahmenadel an einer ersten Position, so dass ihre distale Spitze über einem ersten Referenz-Mikrogefäß oder einem ersten Markierungszeichen ist, und Aufzeichnen der Koordinaten der ersten Position in einem Datenspeicher; Positionieren der Aufnahmenadel an einer zweiten Position, so dass ihre distale Spitze über einem zweiten Referenz-Mikrogefäß oder einem zweiten Markierungszeichen ist, und Aufzeichnen der Koordinaten der zweiten Position in dem Datenspeicher; und Berechnen der Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes basierend auf den aufgezeichneten Koordinaten der ersten und zweiten Position der distalen Spitze der Aufnahmenadel. Das Positionieren der Aufnahmenadel an der ersten und zweiten Position kann unter Beobachtung mit einer Bildaufnahmevorrichtung und mit Hilfe einer digitalen Anzeige durchgeführt werden, wobei die Bildaufnahmevorrichtung Bilder der Aufnahmenadel an der ersten und zweiten Position an die digitale Anzeige liefert.
In manchen Ausführungsformen umfasst die Kalibrierung das Kalibrieren der Koordinaten von einer oder mehr Markierungen, die während der Kalibrierung von der Aufnahmenadel erzeugt werden. Die Kalibrierung umfasst: Positionieren der Aufnahmenadel über der mikrofabrizierten Vorrichtung an bereitgestellten (z.B. vorher bekannten oder geschätzten) Koordinaten des mindestens einen Zielmikrogefäßes eines mikrofabrizierten Chips, Absenken der Aufnahmenadel, so dass die distale Spitze der Aufnahmenadel die mikrofabrizierte Vorrichtung berührt und mindestens eine Markierung erzeugt; Zurückziehen der Aufnahmenadel; Bestimmen des Abstands der Koordinaten der mindestens einen Markierung von den bereitgestellten Koordinaten des mindestens einen Zielmikrogefäßes (z.B. durch Untersuchen der Position der mindestens einen Markierung relativ zur Position des mindestens einen Zielmikrogefäßes unter einem Mikroskop); und Kalibrieren der Position des mikrofabrizierten Chips relativ zu der Position der Aufnahmenadel basierend auf dem berechneten Abstand. In solchen Ausführungsformen kann der in der Kalibrierung verwendete mikrofabrizierte Chip derselbe mikrofabrizierte Chip, auf dem sich das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß für die Aufnahme befindet, oder ein anderer mikrofabrizierter Chip mit denselben Spezifikationen oder anderen Spezifikationen sein.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst die Kalibrierung: (a) Verwenden einer Bildaufnahmevorrichtung, um ein oder mehr Bilder zumindest eines Teils des mikrofabrizierten Chips aufzunehmen, und Bestimmen der Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes basierend auf einer Analyse der ein oder mehr aufgenommenen Bilder; und (b) Verwenden eines optischen Ausrichters, um die Koordinaten der Position der Aufnahmenadel zu bestimmen. In manchen solchen Ausführungsformen umfasst der optische Ausrichter eine erste Lichtquelle, einen ersten Lichtdetektor, eine zweite Lichtquelle und einen zweiten Lichtdetektor, wobei die erste Lichtquelle und der erste Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der ersten Lichtquelle emittierter und vom ersten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der y-Richtung ist, und die zweite Lichtquelle und der zweite Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der zweiten Lichtquelle emittierter und vom zweiten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der x-Richtung ist, und wobei das Verwenden der optischen Ausrichters zum Bestimmen der Koordinaten der Position der Aufnahmenadel Folgendes umfasst: Verschieben der Aufnahmenadel entlang der x-Richtung und Detektieren der x-Koordinate der Aufnahmenadel, wenn der erste Lichtstrahl entlang der y-Richtung von der Aufnahmenadel blockiert ist, x0; Verschieben der Aufnahmenadel entlang der y-Richtung und Detektieren der y-Koordinate der Aufnahmenadel, wenn der zweite Lichtstrahl entlang der x-Richtung von der Aufnahmenadel blockiert ist, y0; und Bestimmen der Koordinaten der Position der Aufnahmenadel basierend auf ihrem Versatz in der x-Richtung relativ zu x0 und ihrem Versatz in der y-Richtung relativ zu y0.
In alternativen Ausführungsformen wird statt eines optischen Ausrichters ein Touchscreen verwendet, um die Koordinaten der Position der Aufnahmenadel zu bestimmen.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das Eintauchen der Aufnahmenadel Einführen der distalen Spitze der Aufnahmenadel in das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß, so dass die distale Spitze der Aufnahmenadel eine vorbestimmte Strecke in das Mikrogefäß hinein zurückgelegt hat; und Zurückziehen der distalen Spitze der Aufnahmenadel aus dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das Eintauchen der Aufnahmenadel Einführen der distalen Spitze der Aufnahmenadel in das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß; Bestimmen, ob die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat; und nach Bestätigung, dass die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat, Zurückziehen der distalen Spitze der Aufnahmenadel aus dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß. In manchen dieser Ausführungsformen kann das Bestimmen, ob die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat, auf einer in der z-Richtung von der Aufnahmenadel zurückgelegten Strecke basieren.
in manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das Aufnahmeinstrument weiter einen operabel mit der Aufnahmenadel gekoppelten Drucksensor zum Wahrnehmen einer Gegenkraft, die auf die Aufnahmenadel wirkt, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel ein Objekt berührt, und das Bestimmen, ob die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat, basiert auf einer detektierten Gegenkraft, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des mindestens einen ausgewählten Gefäßes berührt.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens umfasst das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß eine Ölschicht, die die Probe bedeckt, und das Eintauchen der Aufnahmenadel umfasst Hindurchschieben zumindest eines Teils der distalen Spitze der Aufnahmenadel durch die Ölschicht.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens ist die vorbestimmte Position im Zielprobenhalter ein Gefäß, das Kulturmedium enthält, und das Übertragen der Probe an die vorbestimmte Position im Zielprobenhalter umfasst mindestens eines von: (A) wiederholtes Vorschieben und Zurückziehen der Aufnahmenadel durch zumindest einen Teil des Kulturmediums, und (B) laterales Schwenken der distalen Spitze der Aufnahmenadel im Kulturmedium.
In manchen Ausführungsformen des Verfahrens wird nach dem Übertragen der Probe an eine vorbestimmte Position im Zielprobenhalter die Aufnahmenadel vom Zielprobenhalter wegbewegt und mit einer Sterilisierungsvorrichtung sterilisiert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Aufnahmeinstrument bereit, umfassend eine Aufnahmenadel, die eine distale Spitze und drei Freiheitsgrade hat und konfiguriert ist, sich in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen, wobei die x-, y-Richtungen eine x-y-Ebene darstellen; eine Ladeplattform umfassend einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich konfiguriert ist, einen mikrofabrizierten Chip umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen unterzubringen und zu sichern; und einen mit der Aufnahmenadel operabel verbundenen Computer, wobei der Computer einen Datenspeicher und einen Prozessor hat und ein Computerprogrammprodukt umfasst, das die Kalibrierung der Koordinaten mindestens eines ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips auf der x-y-Ebene relativ zu einer Position der Aufnahmenadel ermöglicht, und es der Aufnahmenadel ermöglicht: sich in eine Position über dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß in der Vielzahl der Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips zu bewegen; eine in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen; sich in eine vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu bewegen; und die aufgenommene Probe an die vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu übertragen.
In manchen Ausführungsformen ist der zweite Bereich des Aufnahmeinstruments konfiguriert, einen Zielprobenhalter zu sichern, der eine Vielzahl von Gefäßen hat, die größere Dimensionen als die Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips haben. In alternativen Ausführungsformen ist der zweite Bereich konfiguriert, einen anderen mikrofabrizierten Chip mit einer Vielzahl von Mikrogefäßen zu sichern.
In manchen Ausführungsformen des Aufnahmeinstruments wird die Bewegung der Aufnahmenadel von drei programmatisch kontrollierten Motoren angetrieben, wobei jeder Motor konfiguriert ist, die Aufnahmenadel in der x-, y- bzw. z-Richtung zu bewegen.
In manchen Ausführungsformen des Aufnahmeinstruments ist die Aufnahmenadel auf einer Feder montiert.
In manchen Ausführungsformen des Aufnahmeinstruments ist ein Drucksensor mit der Aufnahmenadel gekoppelt, wobei der Drucksensor konfiguriert ist, eine Gegenkraft wahrzunehmen, die auf die Aufnahmenadel wirkt, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel ein Objekt berührt.
In manchen Ausführungsformen umfasst das Aufnahmeinstrument weiter eine Kamera, die konfiguriert ist, zumindest einen Teil des mikrofabrizierten Chips aufzunehmen, wenn er auf die Ladeplattform geladen wird. Die Kamera kann in einem festen räumlichen Verhältnis zur Ladeplattform sein.
In manchen Ausführungsformen kann die Ladeplattform beweglich auf einer Schienenstruktur montiert sein.
In manchen Ausführungsformen umfasst das Aufnahmeinstrument weiter einen optischen Ausrichter, der konfiguriert ist, die Koordinaten der Aufnahmenadel zu bestimmen. In bestimmten dieser Ausführungsformen kann der optische Ausrichter eine erste Lichtquelle, einen ersten Lichtdetektor, eine zweite Lichtquelle und einen zweiten Lichtdetektor umfassen, wobei die erste Lichtquelle und der erste Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der ersten Lichtquelle emittierter und vom ersten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der y-Richtung ist, und die zweite Lichtquelle und der zweite Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der zweiten Lichtquelle emittierter und vom zweiten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der x-Richtung ist.
In manchen Ausführungsformen umfasst das Aufnahmeinstrument weiter eine Sterilisierungsvorrichtung, die die distale Spitze der Aufnahmenadel sterilisieren kann.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Aufnahmeinstruments wie hierin beschrieben wird auch bereitgestellt. Das Aufnahmeinstrument umfasst eine Aufnahmenadel, die eine distale Spitze und drei Freiheitsgrade hat und konfiguriert ist, sich in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen, wobei die x-, y-Richtungen eine x-y-Ebene darstellen; und eine Ladeplattform umfassend einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich konfiguriert ist, einen mikrofabrizierten Chip umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen unterzubringen und zu sichern, und der zweite Bereich konfiguriert ist, einen Zielprobenhalter unterzubringen und zu sichern. Die Aufnahmenadel ist operabel mit einem Computer verbunden, wobei der Computer ein Computerprogrammprodukt umfasst, das die Bestimmung der Koordinaten von mindestens einem ausgewählten Mikrogefäß des mikrofabrizierten Chips in der x-y-Ebene relativ zu einer Position der Aufnahmenadel basierend auf einer Kalibrierung der Position mindestens einer Markierung auf dem mikrofabrizierten Chip relativ zu einer Position der Aufnahmenadel ermöglicht. Der erste Bereich der Ladeplattform wird mit einem mikrofabrizierten Chip mit einer oberen Oberfläche, die eine Vielzahl von Mikrogefäßen definiert, beladen, und der zweite Bereich der Ladeplattform wird mit einem Zielprobenhalter beladen. In dem Verfahren wird die Position des mikrofabrizierten Chips relativ zu einer Position der Aufnahmenadel unter Verwendung irgendeiner der hierin beschriebenen Verfahren kalibriert. Die Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes (zum Aufnehmen einer Probe) des ersten mikrofabrizierten Chips in der x-y-Ebene relativ zur Position der Aufnahmenadel werden basierend auf der Kalibrierung bestimmt. Basierend auf den bestimmten Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips wird die Aufnahmenadel in eine Position über der Position des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips bewegt. Zumindest ein Teil der distalen Spitze der Aufnahmenadel wird in das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß des mikrofabrizierten Chips eingetaucht, um eine in dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen. Die Aufnahmenadel wird bewegt, um die aufgenommene Probe zu einer vorbestimmten Position im Zielprobenhalter zu übertragen.
In manchen Ausführungsformen umfasst das obige Verfahren weiter: Entfernen des ersten mikrofabrizierten Chips aus dem ersten Bereich der Ladeplattform; Laden eines zweiten mikrofabrizierten Chips in den ersten Bereich der Ladeplattform; ohne Durchführung weiterer Kalibrierung, Bestimmen der Koordinaten mindestens eines ausgewählten Mikrogefäßes des zweiten mikrofabrizierten Chips in der x-y-Ebene relativ zur Position der Aufnahmenadel. Das Verfahren kann weiter umfassen: basierend auf den bestimmten Koordinaten des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes des zweiten mikrofabrizierten Chips, Bewegen der Aufnahmenadel in eine Position über der Position des mindestens einen ausgewählten Mikrogefäßes des zweiten mikrofabrizierten Chips; Eintauchen zumindest eines Teils der distalen Spitze der Aufnahmenadel in das mindestens eine ausgewählte Mikrogefäß des zweiten mikrofabrizierten Chips, um eine darin enthaltene Probe aufzunehmen; und Bewegen der Aufnahmenadel, um die aufgenommene Probe zu einer vorbestimmten Position im gleichen oder einem anderen Zielprobenhalter zu übertragen.
In jeglichen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren oder Aufnahmeinstrumente kann die Oberflächendichte der Vielzahl von Mikrogefäßen der mikrofabrizierten Vorrichtung oder Chips mindestens 150 Mikrogefäße pro cm², mindestens 250 Mikrogefäße pro cm², mindestens 400 Mikrogefäße pro cm², mindestens 500 Mikrogefäße pro cm², mindestens 750 Mikrogefäße pro cm², mindestens 1.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 2.500 Mikrogefäße pro cm², mindestens 5.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 7.500 Mikrogefäße pro cm², mindestens 10.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 50.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 100.000 Mikrogefäße pro cm², oder mindestens 160.000 Mikrogefäße pro cm² betragen. Jedes Mikrogefäß der Vielzahl von Mikrogefäßen der mikrofabrizierten Vorrichtung oder Chips kann einen Durchmesser von etwa 5 µm bis etwa 500 µm, von etwa 10 µm bis etwa 300 µm, oder von etwa 20 µm bis etwa 200 µm haben.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Aufnahmeinstruments in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm eines anderen beispielhaften Aufnahmeinstruments in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Abbildung eines beispielhaften mikrofabrizierten Chips mit einer Anordnung von Mikrogefäßen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Draufsicht eines Mechanismus zum Sichern eines beispielhaften mikrofabrizierten Chips in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Draufsicht eines Ausrichters zum Orten der Position einer Aufnahmenadel eines beispielhaften Aufnahmeinstruments in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Bild eines Bereichs eines mikrofabrizierten Chips umfassend eine Anzahl von Mikrogefäßen und eine Anzahl von durch eine Aufnahmenadel erzeugten Markierungen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Apparat (oder ein Aufnahmeinstrument) zum Übertragen einer Probe aus einem ausgewählten Mikrogefäß auf einer mikrofabrizierten Vorrichtung oder Chip an eine vorbestimmten Stelle in einem Zielprobenhalter bereitgestellt. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Verwendung des Aufnahmeinstruments zum Übertragen einer Probe aus einem ausgewählten Mikrogefäß auf einem Mikrochip bereitgestellt. Im Folgenden werden die Vorrichtung und das Verfahren in Verbindung miteinander beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Aufnahmeinstrument 100 ein Paar Schienen 11 a und 111 b (x-Schienen), die sich in einer x-Richtung erstrecken, und einen Block 120, der entlang der x-Schienen in x-Richtung gleiten kann. Block 120 umfasst eine y-Schiene 121, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Schienen 101 und 102 erstreckt. Y-Schiene 121 umfasst einen unteren Teil, der drehbar mit einer Schraube 113 verbunden ist, die auf einer Seite der Schiene 101 und in der x-Richtung installiert ist. Schraube 113 wird von x-Motor 115 angetrieben (gedreht), der Steuersignale von der x-Steuerung 117 erhält. Die Drehung der Schraube 113 bewegt die y-Schiene 121 (und den Block 120 als Ganzes) entlang der x-Richtung.
Eine Schraube 123, die sich entlang der y-Richtung erstreckt, ist in Block 120 installiert. Schraube 123 wird von y-Motor 125 angetrieben (gedreht), der Steuersignale von der y-Steuerung 127 erhält. Block 130 ist drehbar mit Schraube 123 gekoppelt, deren Drehung den Block 130 entlang der y-Richtung, die zur x-Richtung senkrecht ist, bewegt.
Ein z-Motor 135 ist mit Block 130 verbunden. Eine Aufnahmenadel 140, die eine distale Spitze (oder ein distales Ende) 142 hat, ist auf dem z-Motor 135 montiert, der die Aufnahmenadel 140 in der z-Richtung antreibt (die senkrecht zur x- und y-Richtung verläuft). Das proximale Ende der Aufnahmenadel 140 ist über eine Feder 144 mit dem z-Motor 135 gekoppelt. Obwohl nur eine Aufnahmenadel abgebildet ist, versteht es sich, dass auch eine Vielzahl von Aufnahmenadeln (z. B. in einem festen Abstand zueinander montiert) in Betracht gezogen wird. Für bestimmte hierin beschriebene Anwendungen ist der Bewegungsbereich der Aufnahmenadel 140 auf der z-Achse typischerweise viel kleiner als die Strecke, die sie entlang der x- oder y-Richtung zurücklegt. Daher kann die Aufnahmenadel 140 in einer Implementierung direkt mit z-Motor 135 gekoppelt sein (z. B. mit einem internen Schraubenkupplungsmechanismus im z-Motor 135) und nicht über eine extern montierte Schraubenkupplung. Jede der Motorsteuerungen 117, 127 und 137 ist mit einem Computer 500 zum Empfangen von Steuersignalen und Liefern von Rückmeldungen über die Positionsinformationen der jeweiligen Motoren operabel verbunden.
Wie auch in 1 dargestellt, umfasst das Aufnahmeinstrument 100 eine Ladeplattform 170. Die Ladeplattform kann eine feste unbewegliche Plattform oder auf einer Schienenstruktur beweglich sein, um Beladen und Entladen von einem oder mehr Probenhaltern zu erleichtern. Die Plattform 170 umfasst einen ersten Bereich (oder Ursprungsbereich) 172 und einen zweiten Bereich (oder Zielbereich) 174. Der erste Bereich 172 ist konfiguriert, einen mikrofabrizierten Chip umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen unterzubringen und zu sichern. Der zweite Bereich (Zielbereich) 174 kann konfiguriert sein, einen ähnlichen mikrofabrizierten Chip oder einen Probenhalter mit einer Vielzahl von Gefäßen, die größere Dimensionen haben als die Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips, unterzubringen und zu sichern. Zum Beispiel kann der Zielprobenhalter eine kommerziell erhältliche 96-Gefäß-Platte oder 384-Gefäß-Platte sein, wobei die Durchmesser der Gefäße in einem solche Halter von etwa 3 mm bis etwa 7 mm betragen können, und eine Tiefe von etwa ein paar Millimetern bis mehreren zehn Millimetern, z. B. von etwa 6 mm bis etwa 30 mm (oder mehr).
2 bildet ein beispielhaftes Aufnahmeinstrument 100' der vorliegenden Erfindung ab, wobei bestimmte Komponenten anders als in 1 angeordnet sind. Dieselben Referenznummern werden in 2 verwendet, um Elemente mit denselben oder ähnlichen Funktionen zu bezeichnen. Die Steuerungen, Steuerleitungen und Computer sind in 2 nicht explizit gezeigt. Das in 2 abgebildete Aufnahmeinstrument 100' hat eine schachtelartige Gesamtstruktur mit einem Skelettrahmen 101. Die Aufnahmenadel 140 mit einer distalen Spitze 142 ist auf z-Motor 135 montiert, der die Aufnahmenadel 140 entlang der z-Richtung antreibt, wohingegen die Bewegung der Aufnahmenadel 140 in x-, y-Richtung unabhängig vom x-Motor 115 entlang x-Schraube 113 bzw. y-Motor 125 entlang y-Schraube 123 angetrieben wird. Im in 2 dargestellten Aufnahmeinstrument 100' ist die Ladeplattform 170 auf einer Schienenstruktur umfassend zwei Schienen 178a und 178b beweglich. Aufnahmeoperationen können unterbrochen werden, wenn die Ladeplattform 170 herausgezogen wird, um Probenhalter zu beladen und zu entladen, und können fortgesetzt werden, wenn die Ladeplattform 170 in die Schachtel zurückgeschoben und an einer voreingestellten Position fixiert wird. Wie in 2 gezeigt, ist die Ladeplattform 170 mir einem ersten mikrofabrizierten Chip 172a, einem zweiten mikrofabrizierten Chip 174b und einer Mikroplatte 174a installiert. Entweder der erste mikrofabrizierte Chip 172a oder der zweite mikrofabrizierte Chip 172b können als die Quelle, aus der die Aufnahmenadel aufnimmt, oder als das Ziel, an dem die Aufnahmenadel das aufgenommene Material ablegt, verwendet werden. Die Mikroplatte 174a kann als ein Zielprobenhalter verwendet werden, um das von der Aufnahmenadel abgelegte aufgenommene Material zu empfangen. Die Kamera 180 ist fest am Skelettrahmen 101 des Aufnahmeinstruments 100' installiert.
Wie hierin verwendet, kann eine mikrofabrizierte Vorrichtung oder Chip eine Anordnung von Mikrogefäßen (oder experimentellen Einheiten) hoher Dichte definieren. Zum Beispiel kann ein mikrofabrizierter Chip, der eine „hohe Dichte“ von Mikrogefäßen umfasst, etwa 150 Mikrogefäße pro cm² bis etwa 160.000 Mikrogefäße pro cm² umfassen (zum Beispiel mindestens 150 Mikrogefäße pro cm², mindestens 250 Mikrogefäße pro cm², mindestens 400 Mikrogefäße pro cm², mindestens 500 Mikrogefäße pro cm², mindestens 750 Mikrogefäße pro cm², mindestens 1.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 2.500 Mikrogefäße pro cm², mindestens 5.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 7.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 10.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 50.000 Mikrogefäße pro cm², mindestens 100.000 Mikrogefäße pro cm² oder mindestens 160.000 Mikrogefäße pro cm²). Ein Substrat auf einem mikrofabrizierten Chip kann etwa oder mehr als 10.000.000 Mikrogefäße oder Positionen umfassen. Zum Beispiel kann eine Anordnung von Mikrogefäßen mindestens 96 Positionen, mindestens 1.000 Positionen, mindestens 5.000 Positionen, mindestens 10.000 Positionen, mindestens 50.000 Positionen, mindestens 100.000 Positionen, mindestens 500.000 Positionen, mindestens 1.000.000 Positionen, mindestens 5.000.000 Positionen oder mindestens 10.000.000 Positionen umfassen. Die Anordnungen von Mikrogefäßen können Rastermuster bilden und in separate Bereiche oder Sektionen gruppiert sein. Die Dimensionen eines Mikrogefäßes können im Bereich von nanoskopisch (z. B. ein Durchmesser von etwa 1 bis etwa 100 Nanometern) bis mikroskopisch sein. Zum Beispiel kann jedes Mikrogefäß einen Durchmesser von etwa 1 µm bis etwa 800 µm, einen Durchmesser von etwa 25 µm bis etwa 500 µm, oder einen Durchmesser von etwa 30 µm bis etwa 100 µm haben. Ein Mikrogefäß kann einen Durchmesser von etwa oder weniger als 1 µm, etwa oder weniger als 5 µm, etwa oder weniger als 10 µm, etwa oder weniger als 25 µm, etwa oder weniger als 50 µm, etwa oder weniger als 100 µm, etwa oder weniger als 200 µm, etwa oder weniger als 300 µm, etwa oder weniger als 400 µm, etwa oder weniger als 500 µm, etwa oder weniger als 600 µm, etwa oder weniger als 700 µm, oder etwa oder weniger als 800 µm haben. In beispielhaften Ausführungsformen kann der Durchmesser der Mikrogefäße etwa 100 µm oder kleiner oder etwa 50 µm oder kleiner sein. Ein Mikrogefäß kann eine Tiefe von etwa 25 µm bis etwa 100 µm haben, z. B. etwa 1 um, etwa 5 µm, etwa 10 µm, etwa 25 µm, etwa 50 µm, etwa 100 µm. Es kann auch eine größere Tiefe haben, z. B. etwa 200 µm, etwa 300 µm, etwa 400 µm, etwa 500 µm. Der mikrofabrizierte Chip kann zwei Hauptoberflächen haben: eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche, wobei die Mikrogefäße Öffnungen an der oberen Oberfläche haben. Jedes Mikrogefäß der Mikrogefäße kann eine Öffnung oder einen Querschnitt jeglicher Form haben, z. B. rund, sechseckig oder quadratisch. Jedes Mikrogefäß kann Seitenwände umfassen. Für Mikrogefäße, die in ihrer Öffnung oder ihrem Querschnitt nicht rund sind, bezieht sich der hierin beschriebene Durchmesser der Mikrogefäße auf den effektiven Durchmesser einer kreisförmigen Form mit derselben Fläche. Zum Beispiel hat, für ein Mikrogefäß quadratischer Form mit Seitenlängen von 10x10 Mikrometern, ein Kreis mit der gleichen Fläche (100 Quadratmikrometer) einen Durchmesser von 11,3 Mikrometern. Jedes Mikrogefäß kann eine Seitenwand oder Seitenwände umfassen. Die Seitenwände können ein Querschnittsprofil haben, das gerade, schräg und/oder gekrümmt ist. Jedes Mikrogefäß umfasst einen Boden, der flach, rund oder anders geformt sein kann. Der mikrofabrizierte Chip (mit den Mikrogefäßen darauf) kann aus einem Polymer hergestellt sein, z. B. einem zyklischen Olefinpolymer, mittels Präzisionsspritzgießen oder irgendeinem anderen Verfahren wie Prägen. Der Chip kann eine im Wesentlichen planare Hauptoberfläche haben. 3 zeigt eine schematische Abbildung eines mikrofabrizierten Chips, dessen Kanten im Wesentlichen parallel zu den Reihen und Spalten der Mikrogefäße auf dem Chip sind.
Die Mikrogefäße hoher Dichte auf dem mikrofabrizierten Chip können verwendet werden, um verschiedene Experimente durchzuführen, wie etwa Züchtung oder Kultivierung oder Screening verschiedener Spezies von Bakterien und anderen Mikroorganismen (oder Mikroben), wie etwa aeroben, anaeroben und/oder fakultativ aeroben Mikroorganismen. Die Mikrogefäße können verwendet werden, um Experimente mit eukaryotischen Zellen wie Säugerzellen durchzuführen. Auch können die Mikrogefäße verwendet werden, um verschiedene genomische oder proteomische Experimente durchzuführen, und können Zellprodukte oder -komponenten enthalten, oder andere biologische Substanzen oder Einheiten, wie etwa eine Zelloberfläche (z. B. eine Zellmembran oder -wand), einen Metaboliten, ein Vitamin, ein Hormon, einen Neurotransmitter, einen Antikörper, eine Aminosäure, ein Enzym, ein Protein, ein Saccharid, ATP, ein Lipid, ein Nukleosid, ein Nukleotid, eine Nukleinsäure (z. B. DNA oder RNA), usw. Daher kann eine aus einem Mikrogefäß aufgenommene Probe irgendeinen oder eine Mischung der obigen Mikroorganismen, eukaryotischen Zellen, biologischen Einheiten oder Substanzen umfassen, abhängig von dem in einem solchen Mikrogefäß durchgeführten Experiment.
Wie aus den in 1 und 2 gezeigten Schemata und der vorliegenden Beschreibung ersichtlich, hat die Aufnahmenadel 140 insgesamt drei Freiheitsgrade und ist konfiguriert, sich unabhängig in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen (x-, y- und z-Richtungen sind senkrecht zueinander). Vorzugsweise ist, wenn das Aufnahmeinstrument vor Ort installiert ist, die z-Richtung entlang der Richtung der Schwerkraft. Die x-, y-Richtungen stellen eine x-y-Ebene dar. Da sich die Aufnahmenadel vorwiegend entlang der x-y-Ebene bewegt, werden die Koordinaten der Mikrogefäße, Markierungszeichen und anderen Markierungen des mikrofabrizierten Chips hierin als eine Abkürzung verwendet, um sich auf die x-, y-Koordinaten dieser Objekte in der x-y-Ebene zu beziehen.
Die Aufnahmenadel 140 kann aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt sein. Obwohl sie mit einer länglichen, nadelähnlichen Form mit konstantem Durchmesser dargestellt ist, die sich entlang der z-Achse erstreckt, kann die Nadel einen Abschnitt oder Abschnitte mit anderen Formen und/oder Ausrichtungen aufweisen, z. B. eine gekrümmte oder schlangenförmige Form. Die distale Spitze der Nadel kann ebenfalls verschiedene Formen und Konfigurationen aufweisen. Zum Beispiel kann sie eine konische Form mit einem spitzen Ende, einem flachen Ende, einem runden Ende oder einem schräg geschnittenen Ende usw. haben. Wenn die Mikrogefäße von Interesse von einer Membranschicht bedeckt sind, kann die distale Spitze der Aufnahmcnadcl so konstruiert und konfiguriert sein, dass sie eine solche Membran durchstoßen kann. Die Nadel kann innen hohl sein, in welchem Fall sie an ihrem hinteren Ende mit einer Ansaugvorrichtung oder Pumpe verbunden sein kann, um eine Probe mithilfe eines Vakuums aufzunehmen (und die Freigabe der Probe kann durch Einblasen von Luft unterstützt werden, ähnlich wie bei einer Mikropipette). Die untere Oberfläche und/oder die Seitenfläche der distalen Spitze der Aufnahmenadel kann Muster wie Vertiefungen, Einschnitte, Prägungen oder Vorsprünge aufweisen, um die Reibung zu erhöhen, was für das Festhalten der Probe während der Aufnahme von Vorteil sein kann. Die distale Spitze der Aufnahmenadel kann ferner ein Material umfassen oder mit einem Oberflächenchemiemodifikator behandelt und/oder beschichtet sein, um Oberflächeneigenschaften zu erzielen, die das Anhaften von mikrobiellen Zellen oder anderen Substanzen von Interesse begünstigen. Der Durchmesser des Schaftteils der Aufnahmenadel 140 (oder ihre größte Querschnittsdimension) kann je nach Material und Konstruktion des Stifts etwa 100 Mikrometer bis zu einigen Millimetern betragen, und der Durchmesser des distalen Spitzenteils kann kleiner sein als der Durchmesser der Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips. Durch die Motoren und ihre assoziierten Steuerungen, die wiederum durch vom Computer 500 empfangene (und durch das Steuercomputerprogrammprodukt erzeugte) Steuersignale gesteuert werden, wird die Aufnahmenadel programmatisch so gesteuert, dass sie sich zu einer Position über einem ausgewählten Mikrogefäß in den Mikrogefäßen des mikrofabrizierten Chips bewegt, eine in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufnimmt, sich zu einer vorbestimmten Stelle am Zielprobenhalter bewegt und zumindest einen Teil der aufgenommenen Probe an die vorbestimmten Stelle am Zielprobenhalter überträgt oder abgibt. Wie weiter unten beschrieben wird, können die meisten Vorgänge des Aufnahmeinstruments, wie z. B. die Betätigung der Motoren und die Bewegung der Aufnahmenadel, letztlich von einem Computer über ein geeignetes Computerprogrammprodukt (oder eine Computersoftware) gesteuert werden, eine solche Steuerung kann durch die Verwendung geeigneter Adapter, Steuerungen und anderer Schnittstellenelemente erfolgen, die Daten zwischen dem Computer und verschiedenen Peripheriegeräten umwandeln und übertragen können, wie einem Fachmann bekannt ist. Der Computer stellt auch dem Benutzer eine Benutzerschnittstcllc zur Eingabe von Informationen bereit, z. B. die Identifizierung des/der ausgewählten Mikrogefäße(s) auf dem Chip, und führt die erforderlichen Datenspeicher-, Berechnungs-, Bildverarbeitungs- und sonstigen Funktionen wie hierin beschrieben aus, die für den Betrieb des Aufnahmeinstruments relevant sind.
In dem in 1 und 2 abgebildeten beispielhaften System wird die Bewegung der Aufnahmenadel von drei programmatisch gesteuerten Motoren angetrieben, wobei jeder Motor konfiguriert ist, die Aufnahmenadel in der x-, y- bzw. z-Richtung unabhängig zu bewegen. Die Operationen des Aufnahmeinstruments und der Aufnahmenadel werden unten weiter beschrieben.
Ein mikrofabrizierter Chip wie hierin beschrieben wird auf den ersten Bereich 172 der Ladeplattform 170 geladen. Vorzugsweise wird der Chip so geladen, dass seine Hauptoberfläche parallel zur x-y-Ebene des Aufnahmeinstruments liegt. Wie in 4, einer schematischen Draufsicht eines beispielhaften Mechanismus zur Sicherung des mikrofabrizierten Chips, dargestellt, wird der Chip durch eine Reihe von Fixierstiften 310 auf der Plattform (an der linken und oberen Seite des Chips dargestellt) und zwei Schrauben 320 an den gegenüberliegenden Seiten mit assoziierten elliptischen Kappen gesichert, deren Anziehen den Chip gegen die Fixierstifte drückt und so die Klemmkraft zur Sicherung des Chips an Ort und Stelle erzeugt. Wenn der Chip eine rechteckige Form hat und seine Reihen/Spalten von Mikrogefäßen parallel zu den Seitenkanten des Chips verlaufen, wird der Chip vorzugsweise so geladen, dass seine Seitenkanten entlang der x- und y-Richtung der Aufnahmenadel liegen, wie in 4 dargestellt.
Der Zielprobenhalter kann im zweiten Bereich 174 gesichert sein, unter Verwendung eines ähnlichen Mechanismus wie in 4 gezeigt. Falls der Zielprobenhalter eine kommerzielle 96-Gefäß-Ülatte oder 384-Gefäß Platte ist, kann der Sicherungsmechanismus jegliche im Stand der Technik bekannte Technik sein, abhängig von der speziellen Konfiguration des Probenhalters. Der Typ von Probenhalter und seine Dimensionen und anderen Konfigurationsparameter können in einem Datenspeicher des Computers 500 gespeichert werden, um die Koordinaten der Zielgefäße, in die das aufgenommene Material freigesetzt oder abgelegt werden soll, zu berechnen.
In manchen Ausführungsformen wurden vor dem Laden des Chips auf das Aufnahmeinstrument gewünschte Experimente in den Mikrogefäßen durchgeführt und die resultierenden Mikrogefäße wurden untersucht, z. B. unter einem Mikroskop, um ein oder mehr bestimmte Mikrogefäße auszuwählen, die eine Probe von Interesse für die Aufnahme (z. B. für weitere Züchtung, Analyse und Experimente) enthalten können. Eine solche Bestimmung kann anhand der Farbe oder anderer Erscheinungsmerkmale des Inhalts in den Mikrogefäßen erfolgen und könnte durch Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzemission unterstützt sein. Da die Mikrogefäße in sehr regelmäßigen Mustern, wie Arrays oder Matrizen, angeordnet sein können, kann die Auswahl auf der Zeilen- und Spaltennummer eines ausgewählten Mikrogefäßes oder anderen geometrischen Parametern, die dem Muster der Mikrogefäße auf dem Chip entsprechen, basieren. In alternativen Ausführungsformen kann die Bestimmung und Auswahl erfolgen, nachdem der Chip in das Aufnahmeinstrument geladen wurde, wobei eine (in das Aufnahmeinstrument eingebaute) Bordkamera zur Untersuchung des Chips verwendet werden kann, um die Auswahl zu treffen. Die Informationen über solche ausgewählte(n) Mikrogefäß(e) können im Datenspeicher des Computers für spätere Verwendung gespeichert werden (z. B. mithilfe einer grafischen Benutzeroberfläche auf dem Computer), wie unten weiter erläutert.
In manchen Ausführungsformen muss bei der Arbeit mit einem mikrofabrizierten Chip mit dicht gepackten Mikrogefäßen extrem kleiner Größe (z. B. mit Durchmessern von etwa 100 µm oder weniger) die Bewegung der Aufnahmenadel in der x-y-Ebene besonders präzise sein. Die x- und y-Motoren können so gewählt werden, dass sie bis in den Mikrometerbereich genau und reproduzierbar sind. Allerdings kann es bei jedem neu geladenen mikrofabrizierten Chip zu leichten Abweichungen in der Ladeposition und/oder -ausrichtung kommen, die Aufnahmenadel kann sich nach wiederholtem Gebrauch leicht verformen, und die Motorpositionen können im Laufe der Zeit allmählich abdriften. Daher ist es wichtig, die x- und y-Positionen der Mikrovertiefungen relativ zu derjenigen der Aufnahmenadel genau zu bestimmen oder zu kalibrieren, um einem solchen Präzisionsverlust im Laufe der Zeit oder des Gebrauchs entgegenzuwirken. Eine solche Kalibrierung stellt sicher, dass aus dem richtigen Mikrogefäß aufgenommen wird. Wenn viele Aufnahmevorgänge (oder Aufnahmezyklen) von demselben Chip benötigt werden, kann die Kalibrierung auch zwischen den Vorgängen durchgeführt werden.
Wenn ein bestimmter mikrofabrizierter Chip in das Aufnahmeinstrument geladen wird, können, da die Herstellungsspezifikationen oder Konfigurationsparameter des mikrofabrizierten Chips (z. B. Dimensionen der Mikrogefäße, Abstand zwischen den Mikrogefäßen, Anzahl der Reihen und Spalten der Mikrogefäße, Rastermuster der Mikrogefäße, Abstand der Referenzmikrogefäße von den Rändern oder Seiten des Chips) bekannt sind, die entsprechenden Daten in den Datenspeicher des Computers geladen oder gespeichert werden und für Kalibrierungszwecke verwendet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Kalibrierung durchgeführt werden, indem die distale Spitze der Aufnahmenadel in der z-Richtung direkt an einigen Referenzmikrogefäßen oder Markierungszeichen des mikrofabrizierten Chips ausgerichtet wird. Zum Beispiel kann die Aufnahmenadel zunächst an einer ersten Position positioniert werden, so dass sich ihre distale Spitze über einem ersten Referenzmikrogefäß befindet. Die Koordinaten dieser ersten Position können im Datenspeicher gespeichert (z. B. von einem Benutzer über eine grafische Benutzeroberfläche auf einer Anzeige des Computers eingegeben) werden. Dann wird die Aufnahmenadel in eine zweite Position bewegt, so dass sich ihre distale Spitze über einem zweiten Referenzmikrogefäß (das sich vom ersten Referenzmikrogefäß unterscheidet) befindet. Die Koordinaten dieser zweiten Position können ebenfalls im Datenspeicher gespeichert werden. Eine oder beide der ersten und zweiten in diesem Prozess verwendeten Referenzmikrozellen können das/die ausgewählte(n) Mikrogefäß(e) sein, für die festgestellt wurde, dass sie die Probe von Interesse enthalten, oder sie können jegliche anderen Mikrogefäße auf dem Chip sein. Zur breiteren Anwendbarkeit können das erste Referenzmikrogefäß und das zweite Referenzmikrogefäß auf dem Chip weit voneinander entfernt sein. Zum Beispiel kann sich das erste Referenzmikrogefäß in der oberen linken Ecke des Chips befinden und das zweite Referenzmikrogefäß kann sich in der unteren rechten Ecke des Chips befinden. Basierend auf den gespeicherten Koordinaten der ersten Position und der zweiten Position können die Koordinaten des/der ausgewählten Mikrogefäße(s) vom Computer unter Verwendung der Informationen über das Muster der Mikrogefäße auf dem Chip berechnet werden. Basierend auf dem Muster der Gefäße kann dieses Verfahren sogar zur Berechnung der Positionen aller Mikrogefäße auf dem Chip verwendet werden.
Das Positionieren oder Ausrichten der Aufnahmenadel an der ersten und der zweiten Position kann unter Beobachtung einer Bildaufnahmevorrichtung (z. B. einer Kamera oder eines Mikroskops) und mithilfe einer digitalen Anzeige erfolgen, wobei die Bildaufnahmevorrichtung als Quelle der auf der digitalen Anzeige dargestellten Bilder der Aufnahmenadel an der ersten und der zweiten Position dient. Die Bildaufnahmevorrichtung kann in einem Winkel zur z-Richtung montiert sein, um sowohl die distale Spitze der Aufnahmenadel als auch das Referenzgefäß zu erfassen. Um die Unsicherheit der Ausrichtung in z-Richtung entlang der Sichtlinie zu verringern, kann die Bilderfassungsvorrichtung in einige verschiedene Positionen bewegt werden, um die Positionierung der Nadel relativ zum Referenzgefäß aus verschiedenen Perspektiven zu erfassen, und die Nadelposition kann vom Benutzer zur besseren Ausrichtung eingestellt werden. Das oben erwähnte erste Referenzmikrogefäß und/oder zweite Referenzmikrogefäß kann auch durch ein Markierungszeichen (oder mehrere Markierungszeichen) auf dem Chip ersetzt werden. Da die Positionierung der Markierungszeichen relativ zu den Mikrogefäßen für einen gegebenen geladenen mikrofabrizierten Chip bekannt ist, können in einem solchen Fall die Positionen der ausgewählten Mikrogefäße (oder aller Mikrogefäße, falls gewünscht) durch die erste und/oder zweite Nadelposition, wenn die Nadel an dem/den Markierungszeichen ausgerichtet ist, und den Herstellungsspezifikationsparametern des mikrofabrizierten Chips berechnet werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Ausrichtung der Aufnahmenadel an einem dritten Referenzmikrogefäß oder Markierungszeichen verwendet werden, um die Genauigkeit der Kalibrierung weiter zu verbessern. Nehmen wir zum Beispiel an, das Mikrogefäßmuster des Chips sei ein Rastermuster mit 500 Zeilen x 1000 Spalten. Das erste Referenzmikrogefäß kann das erste Mikrogefäß der ersten Reihe (oder der ersten Spalte) sein, das zweite Referenzmikrogefäß kann die 500ste Reihe der ersten Spalte sein, und das dritte Referenzmikrogefäß kann die 500ste Reihe der 1000sten Spalte sein. Eine solche dreieckige Auswahl von Referenzmikrogefäßen kann dazu beitragen, jegliche Fehlausrichtung der Scitcnkanten des Chips zu korrigieren.
In manchen Ausführungsformen kann die Kalibrierung durch separates Lokalisieren der Mikrogefäße auf dem mikrofabrizierten Chip und der Aufnahmenadel durchgeführt werden, ohne dass eine direkte Ausrichtung der Nadel an den Mikrogefäßen (oder Markierungszeichen) des Chips durchgeführt wird. Dies kann auf folgende Weise geschehen. Eine Bildaufnahmevorrichtung wird verwendet, um ein oder mehr Bilder eines geladenen mikrofabrizierten Chips (oder eines Teils davon) aufzunehmen. Die Bildaufnahmevorrichtung, z. B. eine Kamera, kann ein integraler Bestandteil des Aufnahmeinstruments sein. Zum Beispiel kann, wie in 1 dargestellt, eine Kamera 180 an einem Tragarm 188 montiert und in einem vorgegebenen Abstand und Winkel zur Ladeplattform 170 positioniert sein. Die Kamera kann programmiert sein, ein oder mehr Bilder aufzunehmen (z. B. eine oder mehr Draufsichten des geladenen mikrofabrizierten Chips oder eines Teils davon, mit oder ohne einen Teil der Plattform oder eines anderen unbeweglichen Teils des Aufnahmeinstruments) und das/die Bild(er) an Computer 500 zu senden. Der Computer führt Bildverarbeitung und -erkennung an dem/den Bild(em) durch und bestimmt die Koordinaten der ausgewählten Mikrogefäße (oder aller Mikrogefäße auf dem Chip) im Instrumentenraum. Dies kann auf der Bilderkennung der Mikrogefäße selbst basieren oder auf der Bilderkennung bestimmter Markierungszeichen auf dem mikrofabrizierten Chip, die sich von den Gefäßen unterscheiden (z. B. bestimmten Markierungen, die sich von den Gefäßen entfernt befinden, z. B. in der Nähe der Kanten des Chips) basieren. Da sich die Kamera 180 in einer bekannten Konfiguration in Bezug auf die Ladeplattform 170 befindet, können die Dimensionen und Positionen der auf den Bildern identifizierten Mikrogefäße oder Markierungszeichen direkt korreliert und in physische Positionen im Instrumenten- oder Systemraum umgewandelt werden. Auf diese Weise können die genauen physischen Positionen oder Koordinaten der ausgewählten Mikrogefäße oder aller Mikrogefäße des Chips bestimmt werden. Die in 2 dargestellte Kamera 180, die etwas anders als die in 1 installiert ist, kann in ähnlicher Weise wie oben beschrieben verwendet werden (der Computer und die Steuerleitung, die die Kamera und den Computer verbindet, sind nicht dargestellt).
Zusätzlich zur Lokalisierung der Position(en) des/der ausgewählten Mikrogefäß(e) wird auch die Position der Aufnahmenadel lokalisiert. Dies kann mithilfe eines optischen Ausrichters erfolgen (wie in 1, 2 und 5 gezeigt). 5 veranschaulicht eine Implementierung eines solchen Ausrichters. Ausrichter 190 umfasst eine Lichtquelle 192a (z. B. einen Laser oder eine LED), die einen Lichtstrahl auf einen Lichtdetektor 192b richtet, und eine Lichtquelle 194a, die einen Lichtstrahl auf einen Lichtdetektor 194b richtet. Die Lichtquelle 192a und der Detektor 192b sind so angeordnet, dass die optische Achse des von der Lichtquelle 192a emittierten und vom Detektor 192b detektierten Lichtstrahls in y-Richtung verläuft. Die Lichtquelle 194a und der Detektor 194b sind so angeordnet, dass die optische Achse des von der Lichtquelle 194a emittierten und vom Detektor 194b detektierten Lichtstrahls in x-Richtung verläuft. Um eine aktuelle x- und y-Position der Aufnahmenadel zu ermitteln, wird die distale Spitze der Nadel zwischen diese beiden Paaren von Lichtquellen und Detektoren (192a, 192b) und (194a, 194b) bewegt, um diese beiden Lichtstrahlen zu unterbrechen. Da die Positionen der Lichtquelle 192a, des Detektors 192b, der Lichtquelle 194a und des Detektors 194b fest und bekannt sind (und relevante Daten im Computerspeicher gespeichert werden können), sind sowohl die x-Koordinate, an der die Aufnahmenadel den x-Strahl blockieren würde, als auch die y-Koordinate, an der die Aufnahmenadel den y-Strahl blockieren würde, bekannt und werden im Folgenden als x0 bzw. y0 bezeichnet. Die durch (x0, y0) markierte Position ist auch der Punkt, an dem sich die beiden Lichtstrahlen kreuzen, und wird in 5 als P(x0,y0) gezeigt.
Der in 1, 2 und 5 gezeigte optische Ausrichter 190 kann wie folgt betrieben werden, um die Aufnahmenadel zu lokalisieren. Um die Aufnahmenadel in x-Richtung genau zu lokalisieren, kann die Aufnahmenadel 140 zunächst an einer Ausgangsposition in der Nähe des Ausrichters 190 positioniert werden (dies kann durch Eingabe von Befehlen oder Parametern durch den Benutzer auf einer Benutzerschnittstelle erfolgen, um die Bewegung der Nadel an eine Ausgangsposition in der Nähe des Ausrichters zu bewirken, oder durch automatische Bewegung der Nadel an die Ausgangsposition unter Verwendung von im Computerprogramm vorgegebenen Bewegungsparametern), dann wird die Nadel langsam in x-Richtung zwischen der Lichtquelle 192a und dem Detektor 192b bewegt. Die Intensität des vom Detektor 192b erfassten Lichts wird als Funktion der Position des x-Motors (die von der Steuerung des x-Motors verfolgt und an den Computer wcitcrgclcitct wird) überwacht oder aufgezeichnet. Wenn das von Detektor 192b erfasste Licht ein Minimum erreicht, ist die entsprechende Position des x-Motors eine Referenzposition des x-Motors, bei der die x-Koordinate des Aufnahmenadel x0 ist. Da jede Position des x-Motors relativ zu dieser Referenzposition des x-Motors von der x-Steuerung genau verfolgt werden kann, kann jede aktuelle Position der Aufnahmenadel in x-Richtung basierend auf der Position von x0 und der entsprechenden Position des x-Motors relativ zur Referenzposition des x-Motors bestimmt werden (die Differenz zwischen jeglicher Position des x-Motors und der Referenzposition des x-Motors kann basierend auf einem für den x-Motor spezifischen Umrechnungsfaktor leicht in eine physische Distanz umgerechnet werden). Ähnlich wird zur Kalibrierung der Position der Aufnahmenadel 140 in y-Richtung die Nadel langsam in y-Richtung zwischen der Lichtquelle 194a und dem Detektor 194b bewegt, und die Intensität des vom Detektor 194b detektierten Lichts wird überwacht, um festzustellen, wann die y-Koordinate der Nadel mit y0 übereinstimmt. Da die Position der Aufnahmenadel entlang der y-Richtung relativ zu y0 von der y-Steuerung genau verfolgt werden kann, lässt sich so jede aktuelle Position der Aufnahmenadel in y-Richtung bestimmen.
In einer anderen Ausführungsform kann ein druckempfindlicher Touchscreen oder ein Touchpad anstelle eines optischen Ausrichters als Ausrichter verwendet werden, um die (x,y)-Koordinaten der Nadel zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Touchscreen in dem Bereich installiert werden, in dem der optische Ausrichter (190 in 1) installiert ist. Der Touchscreen kann eine ausreichende Auflösung haben, um den Stift im Raum genau zu lokalisieren. Zum Beispiel kann ein Touchscreen mit einer Auflösung von 4096 DPI, was etwa 6 Mikrometer pro Pixel entspricht, verwendet werden. Zur Verwendung des Touchscreens kann die Aufnahmenadel an eine Stelle in der x,y-Ebene über dem Touchscreens mit einer von mit dem Motor assoziierten optischen Encodern bekannten Motorposition bewegt werden. Die Nadel kann dann in z-Richtung abgesenkt werden, bis sie den Touchscreen berührt. Das vom Touchscreen erzeugte Berührungssignal kann an den Computer übertragen werden, um zu berechnen, wo sich die Nadel im Raum befindet, und sie mit den Motorpositionen zu verknüpfen.
Nach Abschluss der obigen zwei Schritte (die Reihenfolge der Schritte hat keine Bedeutung), d.h. (1) Orten des/der ausgewählten Mikrogefäße(s) auf dem mikrofabrizierten Chip mittels der Bildaufnahmevorrichtung und (2) Orten der Aufnahmenadel, z.B. unter Verwendung des Ausrichters oder des digitalen Touchscreens, kann die x- und y-Entfernung, die von der Nadel zurückgelegt werden muss, um sich von ihrer gegenwärtigen Position zu dem/den ausgewählten Mikrogefäß(en) zu bewegen, berechnet werden, worauf basierend die Nadel zu dem/den ausgewählten Mikrogefäß(en) verschoben werden kann, um eine Probe aufzunehmen.
Die Nadelposition in z-Richtung kann auch vor Aufnahmevorgängen kalibriert werden. Bei vielen Anwendungen muss der Nadelweg in z-Richtung jedoch nicht so genau kontrolliert werden wie in x- und y-Richtung. Zum Beispiel kann vor der Aufnahme die distale Spitze der Aufnahmenadel mit der horizontalen oberen Oberfläche eines geladenen mikrofabrizierten Chips in Kontakt gebracht werden (z. B. mittels einer visuellen Hilfe wie einem Mikroskop oder einer Kamera). Diese z-Position kann als eine Referenz verwendet werden, um die zusätzliche vorbestimmte Entfernung festzulegen, die die Nadel in z-Richtung zurücklegen muss, um eine Probe aus einem Mikrogefäß aufzunehmen, basierend auf der Tiefe der Mikrogefäße. Zum Beispiel kann die vorbestimmte Entfernung so festgelegt werden, dass die distale Spitze der Aufnahmenadel innerhalb eines Grenzabstands vom Boden des Mikrogefäßes ist, oder sie kann so festgelegt werden, dass die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des Mikrogefäßes berührt. Wenn der Stift mit einem Drucksensor ausgestattet ist (wie weiter unten beschrieben), kann der Kontakt mit dem Boden des Mikrogefäßes automatisch vom Computer bestimmt werden, in welchem Fall die Kalibrierung basierend auf der zurückgelegten Strecke entfallen kann.
Falls der Zielprobenhalter auch ein mikrofabrizierter Chip mit einer Anordnung von Mikrogefäßen hoher Dichte ist, können die Koordinaten der vorbestimmten Position, an der die aufgenommene Probe im Zielprobenhalter abgelegt werden soll, in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben kalibriert werden.
Nachdem die Kalibrierung durchgeführt ist, wird die Aufnahmenadel basierend auf den kalibrierten Koordinaten des ausgewählten Mikrogefäßes in eine Position über der Position des ausgewählten Mikrogefäßes bewegt. Dann wird die Aufnahmenadel in das ausgewählte Mikrogefäß eingeführt und wieder herausgezogen, um eine im ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen. Die Probe kann an der Aufnahmenadel haften bleiben. Beim Eintauchvorgang kann die Aufnahmenadel um eine vorbestimmte Strecke in das ausgewählte Mikrogefäß abgesenkt werden, basierend auf der anfänglichen z-Position der Spitze der Aufnahmenadel und der Tiefe des ausgewählten Mikrogefäßes. Ein solcher Abstand sollte ausreichen, um sicherzustellen, dass die Aufnahmenadel die in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe berührt. In einigen Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass die distale Spitze der Aufnahmenadel sich über den Boden der Mikrovertiefung hinausbewegt (und diesen leicht eindrückt). Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Chips ungleichmäßig sind oder wenn der Chip nicht ganz flach gesichert ist, und der zusätzliche Weg, den die Nadel zurücklegt, kann helfen, diese Unregelmäßigkeiten auszugleichen. Die Nadelmontierung mit der Feder kann ein gewisses Zurückstoßen von den Böden der Mikrogefäße zulassen, ohne sie zu beschädigen oder ihre Ausrichtung mit den Motoren zu verlieren. In solchen Ausführungsformen wird während des Eintauchvorgangs festgestellt, ob die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat (basierend auf der zurückgelegten z-Distanz), und nach Bestätigung, dass die distale Spitze den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat, wird die Aufnahmenadel aus dem Mikrogefäß zurückgezogen. Das Sicherstellen, dass die Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt, kann durch Einstellen eines z-Bewegungsabstands der Aufnahmenadel von der Öffnung des Mikrogefäßes nach unten so, dass er geringfügig über der Nenntiefe des Mikrogefäßes liegt (je nach Herstellervorgaben), erfolgen.
In weiteren Ausführungsformen kann ein Drucksensor (nicht dargestellt) am proximalen Ende der Aufnahmenadel (z. B. an der Feder 144) angebracht sein, um eine Gegenkraft zu erfassen, die die Aufnahmenadel erfährt, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel ein Objekt, z. B. den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes, berührt. Hierbei kann die Feststellung, ob die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Mikrogefäßes berührt hat, auf einer erfassten Gegenkraft basieren, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel den Boden des ausgewählten Gefäßes berührt. Ist die erfasste Gegenkraft größer als ein vorgegebener Schwellenwert, kann davon ausgcgangcn werden, dass der Kontakt stattgefunden hat. Der Drucksensor kann mit einem geeigneten Adapter gekoppelt sein, der die detektierte Kraft in digitale Signale umwandeln kann, die dem Computer zugeführt werden, auf dem das Computerprogramm für den Betrieb des Instruments läuft.
Nach Zurückziehen der Aufnahmenadel aus dem ausgewählten Mikrogefäß des mikrofabrizierten Chips wird die Aufnahmenadel dann in eine Position bewegt, in der sich die distale Spitze der Aufnahmenadel über der vorbestimmten Stelle des Zielprobenhalters befindet. Diese Stelle kann ein Gefäß des Probenhalters sein. Das Gefäß kann Kulturmedien oder andere Substanzen für weitere Tests an der entnommenen Probe enthalten. In solchen Fällen kann die Aufnahmenadel dann in das Medium eingetaucht werden, so dass die an der Aufnahmenadel haftende Probe freigegeben und im Medium abgelegt werden kann. Der Weg in der x-y-Ebene von dem ausgewählten Mikrogefäß zur Freisetzungsstelle sowie der Weg in z-Richtung der Aufnahmenadel können ebenfalls vom Computer gesteuert werden, basierend auf den Koordinaten der Zielstelle relativ zu den Koordinaten des ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips sowie der Höhe des Zielprobenhalters, der Tiefe des Gefäßes des Zielprobenhalters und des Füllstands des Mediums im Gefäß des Zielprobenhalters usw.
In manchen Ausführungsformen kann der zuvor beschriebene Kalibrierungsprozess auch durch die Durchführung einer oder mehr „Testaufnahmen“ auf einem mikrofabrizierten Chip durchgeführt werden (ohne dass aufgenommenes Material an einer Zielstelle abgelegt werden muss). Zu diesem Zweck können der Aufnahmenadel ein oder mehr Zielmikrogefäße zur Verfügung gestellt werden, aus denen basierend auf vorgegebenen Koordinaten (z. B. zuvor bekannten oder geschätzten Koordinaten) der Zielmikrogefäße testweise aufgenommen werden kann. Dies kann zum Beispiel durch Eingabe der relativen Position der Zielmikrogefäße im Rastermuster oder der physischen Koordinaten erfolgen. Dann wird, ähnlich wie bei eigentlicher Aufnahme, die Aufnahmenadel in eine Position entsprechend den eingegebenen Koordinaten des/der Zielmikrogefäße(s) bewegt, und die Aufnahmenadel wird so abgesenkt, dass die distale Spitze der Aufnahmenadel die mikrofabrizierte Vorrichtung berührt und eine Markierung (eine physische Delle) erzeugt. Anschließend wird die Aufnahmenadel wieder zurückgezogen. Der mikrofabrizierte Chip kann dann herausgenommen werden (oder die Ladeplattform wird, wie in 2 gezeigt, aus dem Gehäuse des Aufnahmcinstrumcnts herausgezogen), und die Markierung(en) werden unter einem Mikroskop beobachtet, das über eine ausreichende Vergrößerung und Messmöglichkeiten verfügt, um den Versatz der von der Aufnahmenadel erzeugten Markierung(en) vom Ziel- oder vorgesehenen Mikrogefäß genau zu bestimmen. Basierend auf dem ermittelten Versatz kann die Position des mikrofabrizierten Chips als Ganzes und aller Merkmale des Chips, z. B. etwaiger Mikrogefäße, Markierungszeichen usw., relativ zur Position der Aufnahmenadel bestimmt werden. Danach wird bei einem eigentlichen Aufnahmevorgang die Position der Aufnahmenadel in der x-, y-Ebene um diesen Versatz korrigiert, so dass die Nadel genau zu dem/den ausgewählten Mikrogefäß(en) für die Aufnahme bewegt werden kann.
Zur Veranschaulichung dieses Kalibrierungsverfahrens zeigt 6 einen Teil eines Rastermusters von Mikrogefäßen auf der oberen Oberfläche eines mikrofabrizierten Chips, der einige Markierungen enthält, die während eines Kalibrierungslaufs durch die Aufnahmenadel verursacht wurden, beobachtet unter einem Mikroskop. Die Zielmikrogefäße sind E5, E7, E9, E11 und E13 (auf dem Rastermuster). Die Aufnahmenadel hat eine Reihe von Markierungen M1, M2, M3, M4 und M5 vorgenommen, basierend auf den angenommenen Koordinaten der entsprechenden Zielmikrogefäße (diese Koordinaten können zuvor durch Gerätespezifikationen oder frühere Kalibrierungen usw. bekannt sein). Basierend auf dem Versatz (sowohl in x- als auch in y-Richtung) der Positionen dieser während der Kalibrierung vorgenommenen Markierungen relativ zu den entsprechenden beabsichtigten oder anvisierten Mikrogefäßen, wie sie unter dem Mikroskop beobachtet werden, kann ein Versatz bestimmt und in einem Datenspeicher des Computers gespeichert werden, wie hierin beschrieben. Danach kann der Versatz bei einem tatsächlichen Aufnahmevorgang verwendet werden, die Koordinaten der Aufnahmenadel zu kompensieren oder anzupassen, um die ausgewählten Mikrogefäße für die Aufnahme genau zu lokalisieren. Wenn der Versatz sehr gering ist, ist es möglich, dass die Aufnahmenadel während dieser Kalibrierung den Boden der Zielmikrogefäße berührt und Markierungen direkt in den Zielmikrogefäßen erzeugt. Das Ausmaß bzw. die Tiefe der von der Aufnahmenadel erzeugten Dellen oder Markierungen kann durch die Einstellung der Parameter des Drucksensors auf der Rückseite der Aufnahmenadel gesteuert werden.
Um das Ergebnis der Kalibrierung zu bestätigen, wurde ein weiterer Durchlauf von „Testaufnahmen“ auf demselben mikrofabrizierten Chip durchgeführt. Diesmal wurden die Zielmikrogefäße F5, F7, F9, F11 und F13 festgelegt. Der im vorherigen Kalibrierungslauf ermittelte Versatz wurde verwendet, um die Koordinaten der Aufnahmenadel anzupassen. Wie in 6 zu sehen ist, befanden sich die von der Aufnahmenadel erzeugten Markierungen M1', M2', M3', M4', M5' in diesem Lauf innerhalb der entsprechenden vorgesehenen Mikrogefäße, was bedeutet, dass die Kalibrierung erfolgreich war.
Der für diese Kalibrierung verwendete mikrofabrizierte Chip kann derselbe mikrofabrizierte Chip sein, auf dem nachfolgende Aufnahmevorgänge durchgeführt werden, oder ein anderer mikrofabrizierter Chip. Im letzteren Fall wird nach Abschluss der Kalibrierung der mikrofabrizierte Chip entfernt und der mikrofabrizierte Chip mit den Mikrogefäßen, die die aufzunehmende Probe enthalten, eingesetzt. Auf Grund der hohen Fertigungspräzision des mikrofabrizierten Chips und der präzisen Positionierung der Ladeplattform würde das Einsetzen eines neuen mikrofabrizierten Chips keine nennenswerten Fehler bei der Positionierung verursachen. Daher kann diese Kalibrierung einmal an einem mikrofabrizierten Chip durchgeführt und für viele weitere Chips verwendet werden. Diese mikrofabrizierten Chips können dieselben oder andere Spezifikationen haben, solange die Schlüsselparameter der Rastermuster zu Beginn des Aufnahmevorgangs in den Computer eingegeben werden (z. B. das Rastermuster selbst, der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Mikrogefäßen, die Positionierung des Mikrogefäßes der ersten Spalte und ersten Reihe relativ zum oberen und linken Rand des mikrofabrizierten Chips usw.), dann können die entsprechenden Parameter für die Aufnahme automatisch vom Computer berechnet und angepasst werden, ohne dass ein ähnlicher Kalibrierungsprozess durchlaufen werden muss.
Wenn Proben aus mehr als einem Mikrogefäß des mikrofabrizierten Chips in einen Zielprobenhalter aufgenommen werden müssen, muss die Aufnahmenadel nach dem Ablegen der aufgenommenen Probe im Zielprobenhalter gereinigt und/oder sterilisiert werden, um eine Kreuzkontamination der als nächstes aufzunehmenden Probe mit dem zuvor aufgenommenen Material zu vermeiden. Die Aufnahmenadel kann in einen bestimmten Bereich gebracht werden, in dem eine solche Sterilisation möglich ist. Wie in 1 und 2 dargestellt, kann die Sterilisation über eine Sterilisationsvorrichtung 185 erfolgen (z. B. eine Heizspirale, in die die Aufnahmenadel kurz hinabgesenkt werden kann, wo sie schnell eine Temperatur von mehr als 150 Grad Celsius erreicht). Darüber hinaus müssen von Zeit zu Zeit auch andere Komponenten des Aufnahmeinstruments sterilisiert werden. Verschiedene Sterilisationsverfahren können hierfür verwendet werden, z. B. UV-Bestrahlung, Bleiche und Ethanol-Reinigung.
Es gibt bestimmte Erwägungen, die helfen können, Aufnahmeeffizienzen zu verbessern. Zum Beispiel kann bei einem Probenhalter mit Gefäßen, die ein Kulturmedium enthalten, die aufgenommene Probe im Zielgefäß abgelegt werden, indem die distale Spitze der Nadel für längere Zeit im Kulturmedium verbleibt, indem die Aufnahmenadel wiederholt durch zumindest einen Teil des Kulturmediums (an denselben oder leicht unterschiedlichen Stellen) vor- und zurückbewegt wird und/oder indem die Aufnahmenadel geschwenkt (seitlich bewegt) wird, während sich die distale Spitze im Kulturmedium befindet. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, die in den Mikrogefäßen des mikrofabrizierten Chips enthaltenen Proben bei längeren Aufnahmeprozessen hydratisiert zu halten. Zum Beispiel kann eine dünne Ölschicht auf die Mikrogefäße des Chips getropft werden, um Feuchtigkeit auf den Chips zu halten. Das Öl ist für die Aufnahmenadel leicht zu durchdringen.
Es versteht sich, dass ein Computer wie hierin beschrieben in einer beliebigen einer Anzahl von Formen vorliegen kann, z. B. als ein Rack-Computer, ein Desktop-Computer, ein Laptop-Computer oder ein Tablet-Computer. Darüber hinaus kann ein Computer in eine Vorrichtung eingebettet sein, die im Allgemeinen nicht als Computer angesehen wird, aber geeignete Verarbeitungsfunktionen hat, einschließlich eines intelligenten Mobiltelefons, eines Tablets oder einer anderen geeigneten tragbaren oder stationären elektronischen Vorrichtung. Ein Computer kann auch ein oder mehr Eingabe- und Ausgabevorrichtungen haben. Diese Vorrichtungen können unter anderem dazu verwendet werden, eine Benutzeroberfläche darzustellen. Beispiele für Ausgabevorrichtungen, die zur Bereitstellung einer Benutzerschnittstelle verwendet werden können, umfassen Drucker oder Bildschirme für die visuelle Darstellung von Ausgaben und Lautsprecher oder andere tonerzeugende Geräte für die akustische Darstellung von Ausgaben. Beispiele für Eingabevorrichtungen, die für eine Benutzerschnittstelle verwendet werden können, umfassen Tastaturen und Zeigegeräte wie Mäuse, Touchpads und Digitalisiertablets. Als ein weiteres Beispiel kann ein Computer Eingabeinformationen durch Spracherkennung oder in einem anderen hörbaren Format empfangen. Solche Computer können durch ein oder mehr Netzwerke in jeder geeigneten Form miteinander verbunden sein, einschließlich eines lokalen Netzwerks oder eines Weitverkehrsnetzwerks, wie etwa eines Unternehmensnetzwerks, eines intelligenten Netzwerks (IN) oder des Internets. Solche Netzwerke können auf jeder geeigneten Technologie beruhen und nach jedem geeigneten Protokoll arbeiten und können drahtlose Netzwerke, drahtgebundene Netzwerke oder Glasfasemetzwerke umfassen. Die verschiedenen hierin umrissenen Verfahren oder Prozesse können als Software kodiert werden, die auf einem oder mehr Prozessoren ausführbar ist, die irgendeine einer Vielzahl von Betriebssystemen oder Plattformen verwenden. Darüber hinaus kann eine solche Software unter Verwendung einer beliebigen einer Anzahl geeigneter Programmiersprachen und/oder Programmier- oder Skripting-Tools geschrieben sein, und kann auch als ausführbarer Maschinensprachcode oder Zwischencode kompiliert sein, der auf einem Framework oder einer virtuellen Maschine ausgeführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15135377 [0001]
US 62/299088 [0001]
US 62/292091 [0001]
US 62/150667 [0001]
US 62/484395 [0001]

Claims

Ein Aufnahmeinstrument umfassend: eine Aufnahmenadel, die eine distale Spitze und drei Freiheitsgrade hat und konfiguriert ist, sich in x-, y- und z-Richtungen zu bewegen, wobei die x-, y-Richtungen eine x-y-Ebene darstellen; eine Ladeplattform umfassend einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich konfiguriert ist, einen mikrofabrizierten Chip umfassend eine Vielzahl von Mikrogefäßen unterzubringen und zu sichern; wobei die Aufnahmenadel operabel mit einem Computer verbunden ist, wobei der Computer ein Computerprogrammprodukt umfasst, das die Bestimmung der Koordinaten mindestens eines ausgewählten Mikrogefäßes des mikrofabrizierten Chips auf der x-y-Ebene relativ zu einer Position der Aufnahmenadel basierend auf einer Kalibrierung der Position des mikrofabrizierten Chips relativ zu einer Position der Aufnahmenadel ermöglicht, und es der Aufnahmenadel ermöglicht: sich in eine Position über dem mindestens einen ausgewählten Mikrogefäß in der Vielzahl der Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips zu bewegen; eine in dem ausgewählten Mikrogefäß enthaltene Probe aufzunehmen; sich in eine vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu bewegen; und die aufgenommene Probe an die vorbestimmte Position am Zielprobenhalter zu übertragen.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, wobei der zweite Bereich konfiguriert ist, einen Zielprobenhalter zu sichern, der eine Vielzahl von Gefäßen hat, die größere Dimensionen als die Mikrogefäße des mikrofabrizierten Chips haben.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, wobei der zweite Bereich konfiguriert ist, einen anderen mikrofabrizierten Chip mit einer Vielzahl von Mikrogefäßen zu sichern.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, wobei die Bewegung der Aufnahmenadel von drei programmatisch kontrollierten Motoren angetrieben wird, wobei jeder Motor konfiguriert ist, die Aufnahmenadel in der x-, y- bzw. z-Richtung zu bewegen.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 4, wobei die Aufnahmenadel auf einer Feder montiert ist.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, weiter umfassend einen mit der Aufnahmenadel gekoppelten Drucksensor, wobei der Drucksensor konfiguriert ist, eine Gegenkraft wahrzunehmen, die auf die Aufnahmenadel wirkt, wenn die distale Spitze der Aufnahmenadel ein Objekt berührt.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, weiter umfassend eine Kamera, die konfiguriert ist, zumindest einen Teil des mikrofabrizierten Chips aufzunehmen, wenn er auf die Ladeplattform geladen wird.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, wobei die Kamera in einem festen räumlichen Verhältnis zur Ladeplattform ist.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, weiter umfassend einen optischen Ausrichter, der konfiguriert ist, die Koordinaten der Aufnahmenadel zu bestimmen.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 9, wobei der optische Ausrichter eine erste Lichtquelle, einen ersten Lichtdetektor, eine zweite Lichtquelle und einen zweiten Lichtdetektor umfasst, wobei die erste Lichtquelle und der erste Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der ersten Lichtquelle emittierter und vom ersten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der y-Richtung ist, und die zweite Lichtquelle und der zweite Lichtdetektor so angeordnet sind, dass ein von der zweiten Lichtquelle emittierter und vom zweiten Lichtdetektor empfangener Lichtstrahl entlang der x-Richtung ist.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, weiter umfassend eine Sterilisierungsvorrichtung, die die distale Spitze der Aufnahmenadel sterilisieren kann.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, weiter umfassend einen Touchscreen zum Bestimmen der Koordinaten der Aufnahmenadel.
Das Aufnahmeinstrument aus Anspruch 1, wobei die Ladeplattform beweglich auf einer Schienenstruktur montiert ist.