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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Abgabe von Flüssigkeiten.
Insbesondere stellt die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Aufbringen von Flüssigkeitströpfchen auf
einem Substrat vor, wobei die Flüssigkeit
aus biologischen Proben oder Reagenzien bestehen kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
in einer Probe vorhandenen Zielverbindungen oder Analyten können oft
identifiziert werden, indem man die Probe einem geeigneten Prüfmittel aussetzt
mit anschließender
Erkennung der erfolgten Reaktion. Bei einer typischen Anordnung
wird eine Probe einer Testlösung,
die den interessierenden Analyten enthält, einem Prüfmittel
ausgesetzt, das einen erkennbaren Nachweisstoff enthält. Das
Prüfmittel
wird dabei so ausgewählt,
dass es spezifisch nur den Analyten bindet, z.B. durch Hybridisierung
komplementärer
Nukleotid-Sequenzen oder durch Antikörper-Antigen-Reaktionen. Nach
Entfernen des überschüssigen Prüfmittels,
z.B. durch Abwaschen, kann dann die spezifische Bindung des Prüfmittels
an den Analyten erkannt werden.
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Da
sich die Empfindlichkeit der analytischen Techniken ständig erhöht, empfiehlt
es sich zunehmend, solche Analysen mit sehr geringen Probe- oder
Reagens-Mengen durchzuführen.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die verwendeten Verbindungen kostspielig
sind. Demzufolge ist es heute üblich, solche
Flüssigkeiten
in sehr kleinen Mengen zu verwenden, die als "Tröpfchen" oder "Tupfen" auf einem Substrat,
wie etwa einem Objektträger,
einer Mikro-Karte oder einem Chip, abgelegt werden.
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Es
ist oft nicht nur wünschenswert,
sehr kleine Mengen der einzelnen Proben und/oder Reagenzien in Form
von Tupfen zu erhalten, sondern man möchte zunehmend eine Vielzahl
dieser Tupfen in geringem Abstand zueinander auf einem Substrat anordnen.
Im Labor möchte
man beispielsweise eine Probe auf das Vorhandensein einer breiten
Palette von biologischen und/oder chemischen Zielverbindungen untersuchen,
oder die Reaktion von vielen verschiedenen Proben mit einem oder
mehreren Reagenzien, wie z.B. markierte Proben, bestimmen. Diese
sehr dicht gepackten Anordnungen ermöglichen es, viele Reaktionen
im Wesentlichen gleichzeitig durchzuführen, wodurch sich Platz, Zeit
und Geld sparen lässt.
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Es
wurden sowohl manuelle als auch automatische Systeme zur Abgabe
von sehr geringen Flüssigkeitsmengen
entwickelt, wie z.B. Mikro-Pipetten, Pens, Federkiele oder Tintenstrahl-Vorrichtungen.
Diese Systeme eignen sich für
bestimmte Zwecke recht gut, sind aber mit Nachteilen behaftet. Beispielsweise
sind Mikro-Pipetten im Allgemeinen nicht geeignet, die extrem kleinen
Volumina von Flüssigkeiten
genau zu dosieren, die von den heutigen Prüfprotokollen verlangt werden.
Bezogen auf Pens und Federkiele, müssen mehrere Probleme gelöst werden,
hinsichtlich unterschiedlicher Größen und Formen der abgegebenen
Tupfen (was zu Unterschieden in der Signal-Intensität oder zu Überlappungen der
Tupfen führen
kann), durch "fehlende
Tupfen" (wo zu wenig
oder gar keine Probenflüssigkeit
auf die Oberfläche
abgegeben wurde), sowie durch Zusatzarbeiten für Reinigung und Nachfüllung. Tintenstrahl-Vorrichtungen
geben eine kontrollierte Menge Flüssigkeit auf dem Substrat ab,
indem sie in der Strahl-Patrone eine Druckwelle erzeugen. Dieses Verfahren
ist allerdings nicht akzeptabel für die Tröpfchenabgabe von Probeflüssigkeiten,
die relativ empfindliche Makromoleküle enthalten, da diese abgeschert
oder sonst wie beschädigt
werden können. Außerdem treten
bei Tintenstrahl-Vorrichtungen in großem Umfang Spritzer auf, was
zu einem hohen Kontaminationsrisiko führt, besonders bei eng beieinander
liegenden Tupfen.
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Ein
zusätzlicher
Nachteil ist, dass die meisten bekannten Betupfungsvorrichtungen
eine sehr genaue Positionierung des Betupfungskopfes in Bezug zur
Substratoberfläche
erfordern. Ungleiche Abstände
zwischen Betupfungskopf und Substratoberfläche können zu unregelmäßigen Tupfengrößen und/oder
zu fehlenden Tupfen führen.
Insbesondere kann es bei Vorrichtungen mit Abgabe durch Berührung dazu
kommen, dass die Tupferspitze bei zu geringem Abstand zum Substrat
mit der Substratoberfläche
kollidiert und dabei Kräfte
auftreten, die die Tupferspitze und/oder das Substrat beschädigen.
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Aus
dem oben Gesagten wird deutlich, dass ein Bedarf für eine Vorrichtung
und ein Verfahren besteht, mit denen eine kleinste Flüssigkeitsmenge schnell
und exakt auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden kann.
Diese Vorrichtung sollte vorzugsweise einfach zu benutzen und kostengünstig sein,
sowie einfach anpassbar an die Abgabe von Mikro-Anordnungen einer
Vielzahl von einzelnen Tupfen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung ist durch die Ansprüche
definiert. Gemäß einem
ihrer Aspekte stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
vor, mit der eine vorgegebene Menge Flüssigkeit auf eine Vielzahl
von benachbarten Regionen auf einem oder mehreren Substrat(en) durch
Mikro-Betupfung aufgetragen werden kann.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Vorrichtung ein Rohr, das so ausgelegt ist, dass sich eine ausgewählte Flüssigkeit,
wie etwa eine biologische Probe, ein Reagens oder ähnliches
in ihm befinden kann. Am unteren Ende dieses Rohrs befindet sich eine Öffnung mit
einem Durchmesser von weniger als ca. 1 mm. In einer beispielhaften
Ausführung
beträgt
dieser Durchmesser weniger als ca. 500 μm und vorzugsweise weniger als
200 μm.
In diesem Rohr ist eine längliche
Faser so angeordnet, dass sie sich zwischen einer angehobenen und
einer abgesenkten Stellung axial bewegen kann. Die Faser hat ein
freies unteres Ende und einen Durchmesser, der geringer ist als
der Innendurchmesser am unteren Ende des Rohrs. In einer beispielhaften
Ausführung
ist der Faserdurchmesser zwischen ca. 10 bis 100 μm geringer als
derjenige der Öffnung.
Beispielsweise kann man eine Faser mit einem Durchmesser von ca.
100 μm in einem
Rohr mit einem Innendurchmesser zwischen 110 bis 200 μm anordnen.
Für die
Halterung des oder der ausgewählten
Substrate während
der Betupfung kann man einen Werkstück-Halter benutzen. In angehobener
Stellung ist das freie Ende der Faser zur Substrat-Oberfläche beabstandet,
in abgesenkter Stellung berührt
das freie Ende der Faser die Substrat-Oberfläche.
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Um
die Faser zwischen ihrer angehobenen und abgesenkten Stellung zu
verschieben, sind Mittel zur Verschiebung vorgesehen, die mit der
Faser wirkend verbunden sind. Diese Mittel zur Verschiebung können zum
Beispiel ein Aktuator sein, wie etwa ein Linear- oder Vertikal-Aktuator
oder ähnliches.
Für die Po sitionierung
des Rohrs und der zugehörigen
Faser seitlich des Werkstück-Halters, auf bestimmten
Aufbring-Positionen auf dem Substrat, sind Mittel zur Positionierung
vorgesehen. Diese Mittel zur Positionierung können so ausgelegt sein, dass
sie das Substrat und/oder das Rohr mit seiner Faser und den Mitteln zur
Verschiebung bewegen. In einer Ausführungsform zum Beispiel sind
diese Mittel zur Positionierung ein X/Y-Koordinatenantrieb (z.B.
ein durch Roboter-Technik
gesteuerter, in X- und Y-Richtung beweglicher Arm), der wirkend
mit dem Rohr und den Mitteln zur Verschiebung verbunden ist.
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Mit
den Mitteln zur Verschiebung und zur Positionierung ist ein Steuergerät wirkend
verbunden, um nacheinander (i) das Rohr und die zugehörige Faser
auf eine ausgewählte
Aufbring-Position auf dem Substrat zu positionieren, und anschließend (ii)
die Faser in ihre abgesenkte Position zu verschieben, um eine ausgewählte Menge
Flüssigkeit
auf dem Substrat abzulegen. In einer vorzugsweisen Ausführungsform
ist (i) die Faser seitlich biegsam, jedoch (ii) im Wesentlichen
unkomprimierbar in ihrer Längsachse.
Geeignete Fasern, die solche Eigenschaften aufweisen, sind zum Beispiel
Glasfasern. Deren Eigenschaften ermöglichen es vorteilhafterweise,
einerseits die Bewegung von den Mitteln zur Verschiebung effektiv
auf die Faser zu übertragen
und anderseits die unterschiedlichen Abstände zwischen dem unteren Ende
des Rohrs und dem Substrat durch Biegung der Faser auszugleichen.
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In
einer Ausführungsform
ist die Vorrichtung für
den Gebrauch der Mikro-Betupfung
einer vorgegebenen Flüssigkeitsmenge
auf eine vorgewählte Stelle
auf jedem der Vielzahl von unterschiedlichen Substraten in dem Werkstück-Halter angepasst.
Bei dieser Ausführungsform
ist die Steuereinheit so ausgelegt, dass sie das Rohr nacheinander
auf jede der vorgewählten
Stellen auf jedem Substrat positioniert.
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In
einer Ausführungsform
hat das Rohr einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser und verfügt über einen
oberen Behälter
mit größerem Durchmesser,
um die Flüssigkeit
zu speichern. Rohr und Behälter
können
dabei getrennt geformt und anschließend zusammengefügt werden,
oder sie können
aus einem Stück
geformt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
verjüngt sich
der Innendurchmesser des Rohrs nach unten zunehmend bis auf einen
Rohrendbereich mit definiertem Inhalt, der den Durchmesser der Öffnung hat. Der
Durchmesser des Rohrendbereichs ist bei dieser Ausführungsform
im Wesentlichen derselbe wie derjenige der Faser. In der angehobenen
Stellung der Faser befindet sich deren Ende oberhalb des Rohrendbereichs,
so dass beim Verschieben der Faser von ihrer angehobenen in die
abgesenkte Stellung die im Rohrendbereich enthaltene Flüssigkeitsmenge
aus dem Rohr ausgestoßen
wird.
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Eine
Ausführungsform
der Vorrichtung, die besonders dazu geeignet ist, auf vorgewählten Aufbringbereichen
eines Substrats eine vorgegebene Menge einer oder mehrerer ausgewählter Flüssigkeiten
in Mikro-Tupfen gleichzeitig abzulegen, besitzt eine Vielzahl von
Rohren und zugehörigen
Fasern, sowie Mittel zu deren Verschiebung. Die Rohre können dabei
zum Beispiel die Form von Kanälen
in einem Verteilerblock annehmen. Die Biegung der Fasern gleicht
dabei die unterschiedlichen Abstände zwischen
dem unteren Ende des Rohrs und der entsprechenden Stelle auf dem
Substrat aus.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung vor, mit
der eine vorgegebene Menge Flüssigkeit
auf einem Substrat durch Mikro-Betupfung aufgetragen werden kann,
und die ein Rohr mit einem Innendurchmesser enthält, der sich nach unten zunehmend
bis auf einen Rohrendbereich mit definiertem Inhalt und einem im
Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser
von weniger als ca. 1 mm verjüngt.
Gemäß einer
Ausführungsform
ist der Innendurchmesser des Rohrendbereichs kleiner als ca. 500 μm und vorzugsweise
kleiner als ca. 200 μm. Das
Rohr ist so ausgelegt, dass es die gewählte Flüssigkeit durch Kapillarkräfte oder
Oberflächenspannung
einschließt.
Im Rohr ist eine längliche
Faser angeordnet, die einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser
hat wie der Rohrendbereich und die zwischen einer angehobenen und
einer abgesenkten Stellung axial verschiebbar ist. In angehobener
Stellung befindet sich das freie Ende der Faser über dem Rohrendbereich, in
abgesenkter Stellung unter diesem. Um die Faser zwischen der angehobenen
und der abgesenkten Stellung zu verschieben, und dadurch eine definierte
Menge im Rohrendbereich enthaltene Flüssigkeit aus diesem Rohr auszustoßen und
diese auf einem darunter befindlichen ausgewählten Substrat abzulegen, sind
Mittel zur Verschie bung (z.B. ein Aktuator, wie etwa ein Linear-
oder Vertikal-Aktuator oder ähnliches)
wirkend mit der Faser verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist (i) die Faser seitlich biegsam, jedoch (ii) im Wesentlichen
unkomprimierbar in ihrer Längsachse.
Die Faser kann zum Beispiel eine Glasfaser sein. Deren Eigenschaften
ermöglichen
es vorteilhafterweise, einerseits die Bewegung von den Mitteln zur
Verschiebung effektiv auf die Faser zu übertragen und anderseits die
unterschiedlichen Abstände
zwischen dem unteren Ende des Rohrs und dem Substrat durch Biegung
der Faser auszugleichen.
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In
einer Ausführungsform
berührt
die Faser das Substrat, wenn sie in ihre abgesenkte Stellung verschoben
wird.
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Die
Vorrichtung zur Mikro-Betupfung lässt sich dazu verwenden, ausgewählte Aufbring-Positionen
auf jedem einzelnen einer Vielzahl von Substraten mit einer vorgegebenen
Flüssigkeitsmenge
zu betupfen. In einer solchen Ausführungsform enthält die Vorrichtung
des weiteren Mittel, um das Rohr und die zugehörige Faser nacheinander auf
die vorgewählten
Aufbring-Positionen zu positionieren. Die Biegung der Faser gleicht
dabei unterschiedliche Abstände
zwischen dem unteren Ende des Rohrs und den verschiedenen Substrat-Positionen
aus.
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In
einer anderen Ausführungsform
dient die Vorrichtung dazu, auf mehreren vorgewählten Ablagebereichen eines
Substrats eine vorgegebene Menge einer oder mehrerer ausgewählter Flüssigkeiten
in Mikro-Tupfen gleichzeitig aufzubringen. In dieser Ausführungsform
verfügt
die Vorrichtung des weiteren über
eine Vielzahl von Rohren und zugehörigen Fasern, sowie Mittel
zu deren Verschiebung. In einer beispielhaften Anordnung haben die
Rohrendbereiche einen Durchmesser von weniger als ca. 200 μm, die Fasern
sind biegsam und sind so ausgelegt, dass sie in ihrer abgesenkten
Stellung das Substrat berühren.
Zusätzlich
gleicht die Durchbiegung der Fasern die unterschiedlichen Abstände zwischen
dem unteren Ende des Rohrs und den entsprechenden Stellen auf dem
Substrat aus.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Erzeugung
einer Anordnung von Flüssig-Reagens-Tupfen
auf einem Substrat vor.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Vorrichtung zur Erzeugung von Anordnungen einen Verteilerblock
oder Kanalblock mit einer Vielzahl von Kapillarkanälen, die
jeweils dazu dienen, eine ausgewählte
Flüssigkeit
zu speichern. Die Kanäle
verfügen über sich
gegenüberliegende
obere und untere Öffnungen,
und ihr Innendurchmesser verjüngt
sich auf dem Weg von der oberen zur unteren Öffnung. In dieser Ausführungsform
legen die unteren Öffnungen
das Aufbring-Muster
fest, d.h. den Mittenabstand oder das Rastermaß der Tupfen-Anordnung. Ein Träger kann
sich in Bezug zu diesem Verteilerblock zwischen einer angehobenen
und einer abgesenkten Stellung bewegen. Von diesem Träger hängen eine Vielzahl
von Fasern herab, die sich mit dem Träger bewegen. Jede dieser Fasern
kann sich in einem zugehörigen
Kanal längs
bewegen, wenn sich der Träger
zwischen der angehobenen und der abgesenkten Stellung bewegt. Durch
die Bewegung der Fasern von ihrer angehobenen in ihre abgesenkte
Stellung wird jeweils eine ausgewählte Flüssigkeitsmenge aus jedem Kanal
des Verteilerblocks abgelegt.
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Eine
Ausführungsform
verfügt
des Weiteren über
Mittel zur Verschiebung, die wirkend mit dem Träger verbunden sind, um diesen
zwischen der angehobenen und abgesenkten Stellung zu verschieben.
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Der
Abstand zwischen benachbarten oberen Öffnungen und unteren Öffnungen
im Verteilerblock kann derselbe oder er kann unterschiedlich sein.
In einer Ausführungsform
ist der Abstand zwischen benachbarten oberen Öffnungen wesentlich größer als der
zwischen benachbarten unteren Öffnungen.
Beispielsweise kann der Abstand zwischen den unteren Öffnungen
halb, oder ein Drittel oder ein Viertel so groß sein wie der Abstand zwischen
den oberen Öffnungen.
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In
einer Ausführungsform
sind die Fasern so ausgelegt, dass sie in der unteren Stellung des
Trägers
das darunter liegende Substrat berühren und dass Unterschiede
in der Länge
des Überstands
der Faser aus dem zugehörigen
Kanalende und ihrem Berührungspunkt
auf dem Substrat durch Biegung der Faser ausgeglichen werden.
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In
einer besonderen Konstruktion beträgt der Durchmesser der Kanäle an ihrem
unteren Ende weniger als ca. 200 μm
und ist ca. 10 bis 100 μm
größer als
der Durchmesser der zugehörigen
Faser.
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In
einer anderen beispielhaften Konstruktion hat jeder Kanal in seinem
unteren Endbereich einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser bis zu seinem
unteren Ende. Weiterhin ist der Durchmesser jedes Kanalendbereichs
im Wesentlichen derselbe wie derjenige der zugehörigen Faser. Ist die Faser
in angehobener Stellung, befindet sich ihr Ende oberhalb des Kanalendbereichs,
so dass beim Verschieben der Faser von ihrer angehobenen in ihre
abgesenkte Stellung die im Kanalendbereich enthaltene Flüssigkeitsmenge
ausgestoßen
wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Vorrichtung zur Dosierung einer
ausgewählten
Flüssigkeitsmenge
auf eine Substratoberfläche
benutzt. Diese Ausführungsform wird
im folgenden als Dosierapparat bezeichnet.
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In
einer Ausführungsform
enthält
dieser Dosierapparat einen Behälter
zur Speicherung einer ausgewählten
Flüssigkeit.
Aus diesem Behälter
erstreckt sich ein Rohr, das in einer unteren Öffnung endet, welche sich ihrerseits
in der Nähe
einer Ebene befindet, in der die Oberfläche eines ausgewählten Substrats
liegen kann. In dem Rohr ist eine Faser zwecks schwingender axialer
Bewegung in demselben angeordnet, wobei der untere Teil der Faser über die
Rohröffnung
hinausreicht. Der Innendurchmesser des Rohrs und der Durchmesser
der Faser sind so bemessen, dass ohne Schwingung der Faser keine Flüssigkeit
durch die Öffnung
hindurchfließen
kann. Mittel zur Schwingungserzeugung (z.B. eine Oszillator-Einheit)
sind wirkend mit der Faser verbunden, um diese in Schwingung zu
versetzen. Sie enthalten außerdem
eine Steuereinheit, welche die Schwingungsamplitude, deren Frequenz
und die Zeit bestimmt während
der die Faser in Schwingung versetzt wird, und dadurch die Flüssigkeitsmenge
festlegt, welche durch die Rohröffnung
hindurchfließen kann.
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Eine
Ausführungsform
dieses Dosierapparats enthält
weiterhin Mittel zur Positionierung, um das Rohr und die Faser in
Bezug auf das Substrat von einer gewählten seitlichen Stelle zur
nächsten
zu positionieren. In einer beispielhaften Anordnung sind diese Mittel
zur Positionierung wirkend mit dem Rohr, der Faser und den Mitteln
zur Schwingungserzeugung verbunden.
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In
einer Ausführungsform
sind die Mittel zur Schwingungserzeugung dazu geeignet, Schwingungen
mit einer Frequenz von mindestens ca. 10 Hertz und vorzugsweise
von mindestens ca. 100 Hertz zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform
sind die Mittel zur Schwingungserzeugung dazu geeignet, Schwingungen
mit einer Amplitude von mindestens ca. 10 μm und vorzugsweise von mindestens
ca. 100 μm
zu erzeugen.
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In
einer beispielhaften Konstruktion hat das Rohr des Dosierapparats
am unteren Ende einen Durchmesser von weniger als ca. 100 μm und das Spiel
zwischen Faser und Rohr an dessen unterem Ende beträgt weniger
als ca. 25 μm.
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Die
Faser des Dosierapparats ist dazu geeignet, das Substrat wenigstens
während
eines Teils ihres Schwingungszyklus zu berühren. In einer Ausführungsform
zum Beispiel bleibt die Faser während
des gesamten Schwingungszyklus in Kontakt mit dem Substrat.
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Gemäß einem
anderen ihrer Aspekte, stellt die Erfindung ein Verfahren vor, um
einen Reagens-Tupfen auf einem Substrat zu erzeugen. Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: (i) die Längs-Hin-
und -Herbewegung einer länglichen
Faser im Innern einer Kapillarröhre,
die eine ausgewählte
Flüssigkeit
enthält,
mit einer Frequenz und einer Amplitude, die ausreichend sind, um
einen Teil der Flüssigkeit
durch eine Öffnung am
unteren Ende des Rohrs nach außen
zu pumpen, so dass sich ein hängender
Tropfen bildet; und (ii) Positionierung des hängenden Tropfens auf einen ausgewählten Bereich
des Substrats.
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In
einer allgemeinen Ausführungsform
wird dieser hängende
Tropfen auf dem Substrat platziert, indem der Tropfen und/oder die
Spitze der Faser den ausgewählten
Bereich des Substrats berühren.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung verdeutlicht.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Der
Aufbau und die Betriebsweise der Erfindung, zusammen mit ihren weiteren
Zwecken und Vorteilen, werden am besten verständlich durch die nachfolgende
Beschreibung und Bezugnahme auf die folgenden beigefügten Zeichnungen.
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1 ist
eine teilweise schematische Seitenansicht einer Betupfungs-Vorrichtung
mit im Schnitt gezeigten Teilen, die entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.
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2 ist
eine teilweise schematische Ansicht von oben, die Bauteile einer
automatischen Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Aufbringen von Tupfen-Anordnungen zeigt.
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Die 3A bis 3C zeigen
eine Betupfungs-Vorrichtung und deren Benutzungsmethode, um gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge auf die Oberfläche eines
Substrats aufzubringen.
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Die 4A bis 4C zeigen
eine Betupfungs-Vorrichtung und deren Benutzungsmethode, um gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge auf die Oberfläche eines
Substrats aufzubringen.
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5 zeigt
ein berührungsloses
Aufbringverfahren, um mit dem in der vorliegenden Erfindung vorgestellten
Dosierapparat sehr kleine Flüssigkeitsmengen
aus einem Rohr auf die Oberfläche
eines Substrats zu übertragen.
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6 zeigt
ein Aufbringverfahren mit Berührung,
um mit dem in der vorliegenden Erfindung vorgestellten Dosierapparat
sehr kleine Flüssigkeitsmengen
aus einem Rohr auf die Oberfläche
eines Substrats zu übertragen.
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Die 7A bis 7E zeigen
eine Betupfungsvorrichtung und deren Benutzungsmethode, um gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sehr kleine Flüssigkeitsmengen auf die Oberfläche eines
Substrats aufzubringen.
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Die 8 und 9 sind
teilweise schematische Seitenansichten eines Betupfungskopfes, um gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine An ordnung von Flüssigkeitstupfen auf die Oberfläche eines
Substrats aufzubringen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
folgenden Erläuterungen
der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung haben lediglich Beispielcharakter. Dementsprechend schränken sie
den Umfang der Erfindung in keiner Weise ein.
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Gemäß einem
Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Abgabe einer geringen
Menge eines flüssigen
Reagens auf ein Substrat vor. Im Allgemeinen enthält die Vorrichtung
ein Rohr, das diese Flüssigkeit
enthält.
In diesem Rohr ist eine längliche Faser
so angeordnet, dass sie sich zwischen einer angehobenen und einer
abgesenkten Stellung axial bewegen kann. Durch Verschieben oder
Hin- und Herschwingen der Faser zwischen ihrer angehobenen und ihrer
abgesenkten Stellung kann ein Tupfen Flüssigkeit auf eine gewählte Position
des Substrats abgegeben werden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
der Betupfungs-Vorrichtung, im Allgemeinen mit 8 in 1 bezeichnet,
erstreckt sich eine mit 12 bezeichnete Faser längs des
mit 14 bezeichneten Rohrs, welches an seinem unteren Ende
eine Öffnung 16 besitzt.
Rohr 14 ist so ausgelegt, dass es ein flüssiges Reagens,
wie z.B. 18, enthalten kann, um es kontrolliert auf einem
Substrat abzugeben, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Rohr 14 kann
beispielsweise aus Metall, Kunststoff, Glas, Keramik oder anderen
von Fachleuten für
geeignet gehaltenen Werkstoffen geformt werden. Ein Behälter 20, der
in flüssiger
Verbindung zu Rohr 14 steht, ist so ausgelegt, dass er
einen Vorrat an flüssigem
Reagens aufnehmen und speichern kann. Aus dem Behälter 20 fließt flüssiges Reagens
in Rohr 14 sobald der Reagensvorrat im Rohr erschöpft ist.
In einer beispielhaften Ausführung
wird als Rohr eine Injektionskanüle
(⌀ 0,3
mm (Gauge 30), 0,64 cm (1/4 in) lang, 90° stumpfes Ende) und als Behälter der
zugehörige konische
Kunststoff-Stutzen (plastic luer hub) verwendet.
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Normalerweise
verhindern Kapillarkräfte oder
die Oberflächenspannung
das freie Abfließen des
flüssigen
Reagens aus der unteren Rohröffnung. Zu
diesem Zweck kann der untere Bereich des Rohrs kapillare Abmessungen
aufweisen, so dass die Kapillarkräfte das freie Abfließen des
flüssigen
Reagens 18 aus der Öffnung 16 verhindern.
Beispielsweise können Öffnung 16 und
der darüber
liegende Bereich des Rohrs 14 mit einem Innendurchmesser
von weniger als ca. 2 mm und vorzugsweise von weniger als ca. 1
mm hergestellt werden. In einer besonderen Konstruktion beträgt der Innendurchmesser
des unteren Bereichs von Rohr 14 weniger als ca. 200 μm. Um den
erwünschten
Kapillar-Effekt noch zu unterstützen,
kann der Bereich des Rohrs 14 mit kapillaren Abmessungen
auf seiner Innenseite eine hydrophile, d.h. benetzbare Oberfläche aufweisen.
Die Innenfläche
von Rohr 14 kann beispielsweise aus einem hydrophilen Werkstoff
gefertigt und/oder so behandelt sein, dass sie hydrophile Eigenschaften
aufweist. In einer Ausführungsform
besitzt die Innenfläche
originäre,
gebundene oder kovalent verbundene geladene Gruppen. Eine geeignete
Oberfläche
ist eine Glas-Oberfläche
mit einer absorbierten Schicht eines polykationischen Polymers,
wie zum Beispiel Poly-L-Lysin.
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Rohr 14 kann
mit einer hydrophoben Außenfläche gefertigt
werden, d.h. einer Fläche,
auf der darauf abgelegte Flüssigkeiten
Perlen bilden. Beispielsweise kann die Außenfläche von Rohr 14 aus einem
hydrophoben Werkstoff gefertigt und/oder so behandelt sein, dass
sie hydrophobe Eigenschaften aufweist. Dies kann z.B. nützlich sein,
um zu verhindern, dass ein Tropfen, der sich im Bereich der Öffnung 16 gebildet
hat, auf der Außenseite
des Rohrs verläuft.
Es kann weiterhin dazu beitragen, dass sich ein Flüssigkeitstropfen
als Kügelchen
am unteren Ende des Rohrs sammelt. Eine Vielzahl von bekannten hydrophoben
Polymeren, wie etwa Polystyrol, Polypropylen und/oder Polyethylen
können
zur Erzielung dieser gewünschten
hydrophoben Eigenschaften verwendet werden. Zusätzlich oder als Alternative
können
eine Vielzahl von Schmierstoffen oder andere übliche hydrophobe Beschichtungen
auf die Außenfläche des
Rohrs aufgebracht werden, insbesondere in seinem unteren Bereich,
nahe der Öffnung 16.
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Unter
weiterer Bezugnahe auf die Ausführungsform
der 1 ist der Durchmesser der Faser 12 um
ca. 10 bis 500 μm
kleiner als der Innendurchmesser des Rohrs 14. In diesem
Zusammenhang kann Faser 12 einen Durchmesser von ca. 25
bis zu 1,000 μm
haben. Gemäß einer
Ausführungsform
hat Faser 12 einen Durchmesser von weniger als ca. 200 μm und vorzugsweise
von weniger als 100 μm.
In einer besonderen Anordnung erstreckt sich eine Faser mit einem Durchmesser
von ca. 75 μm
längs in
einem Rohr mit einem Innendurchmesser von ca. 100 μm an seinem
unteren Endbereich und mit einem Außendurchmesser von ca. 200 μm. In einer
anderen Anordnung erstreckt sich eine Faser mit einem Durchmesser
von ca. 50 μm
längs in
einem Rohr mit einem Innendurchmesser von ca. 75 μm an seinem
unteren Endbereich und mit einem Außendurchmesser von ca. 200 μm.
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Aus
noch einsichtig werdenden Gründen
ist die Faser 12 vorzugsweise so aufgebaut, dass sie seitlich
biegsam ist und in der Längsrichtung
unkomprimierbar. Zu den Werkstoffen, die sich zur Herstellung der
Faser 12 vorzugsweise eignen, gehören die üblicherweise zur Herstellung
von Lichtwellenleitern (optical fibers) verwendeten Werkstoffe,
wie z.B. Glas, Kunststoff, Silikat, Quarz und ähnliche. Geeignete Lichtwellenleiter
sind von vielen Lieferanten im Handel erhältlich. Eine im Einzelfall
bevorzugte Faser hat einen Durchmesser von ca. 0,002 in (d.h. ca. 50,8 μm) und wird
von Edmund Scientific Co. (Barrington, N.J.) unter der Katalog-Nr.
# F54014 angeboten.
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Wie
bereits ausgeführt,
ist die Faser 12 im Rohr 14 so angeordnet, dass
sie sich zwischen einer angehobenen und einer abgesenkten Stellung
axial bewegen kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist das freie Ende
der Faser oder ihre Spitze 12a in der angehobenen Stellung
zur Oberfläche
des gewählten
Substrats, wie etwa einem Objektträger 22, beabstandet.
Nach Verschiebung der Faser in die untere Stellung nähert sich
die Spitze 12a der Oberfläche von Substrat 22.
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Die
Mittel zur Verschiebung sind wirkend mit Faser 12 verbunden,
um diese zwischen ihrer angehobenen und ihrer abgesenkten Stellung
zu bewegen. Diese Mittel zur Verschiebung können beispielsweise einen Aktuator
einschließen,
der sich zwischen zwei Stellungen bewegen kann, wie etwa einen Linear-
oder Vertikal-Aktuator oder ähnliches.
In der Ausführungsform
gemäß 1 lässt sich
eine Spulenanordnung 24 so ansteuern, dass der kolbenförmige Spulenanker 26 nach
unten gezogen wird und danach wieder freigegeben, so dass er, z.B.
durch Federkraft, in seine normale angehobene Stellung zurückkehrt
(gestrichelt gezeichnet). Es gibt viele Lieferanten für derartige
Magnetspulen und geeignete Modelle können von mit dieser Technik
vertrauten Fachleuten sehr schnell ausgewählt werden. Eine besondere
Magnetspule, die für
die Benut zung in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen
wurde, ist von Jameco Electronics Components (Belmont Kalifornien)
unter Teile-Nr. # 145314 erhältlich
(Röhrenförmige 12
V Gleichstrom Vor/Zurück-Magnetspule).
In einer Ausführungsform
ist die Magnetspule so ansteuerbar, dass die Faser um ca. 1 mm angehoben bzw.
abgesenkt wird.
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Andere
Aktuatoren, die zur Verschiebung der Faser benutzt werden können, sind
beispielsweise pneumatische, hydraulische, magnetostriktive oder piezoelektrische
Aktuatoren, ebenso wie Motoranordnungen (wie z.B. Schrittmotoren),
die eine nach unten gerichtete Antriebskraft mit anschließender Richtungsumkehr
bewirken können.
Verschiedene besondere Vorrichtungen, die sich schnell an den hier
vorliegenden Einsatz als Mittel zur Verschiebung anpassen lassen,
sind in den U.S.-Patenten Nr. 3,164,304; 3,329,964; 3,334,345; 5,443,791; 5,525,515;
5,551,487; 5,601,980 und 5,807,522 offenbart.
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Mittel
zur Positionierung können
benutzt werden, um die Betupfungsvorrichtung linear oder in einer
X/Y-Ebene zu bewegen, um diese Vorrichtung auf eine ausgewählte Aufbring-Position
zu stellen. In diesem Zusammenhang verwenden bestimmte Ausführungsformen
eine Bewegung des Rohrs, während das
Ablage-Substrat still steht. Bei anderen Ausführungsformen bleibt das Rohr
in einer festen Stellung, während
das Substrat in Position gebracht wird. Weitere Ausführungsformen
verwenden sowohl eine Bewegung des Rohrs als auch des Ablage-Substrats, entweder
nacheinander oder gleichzeitig.
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In
einer beispielhaften Anordnung der Mittel zur Positionierung befindet
sich die Betupfungsvorrichtung auf dem Arm eines X/Y-Koordinatenantriebs. Bei
dieser Anordnung kann sich der Arm entweder linear oder entlang
der X/Y-Ebene bewegen, um die Betupfungsvorrichtung auf eine ausgewählte Aufbring-Position
zu stellen. Eine solche Bewegung lässt sich beispielsweise durch
eine Roboter-Einrichtung
oder ähnliches
erreichen. Beispielhafte Roboter-Einrichtungen sind etwa Roboter
mit elektronisch gesteuerten, verbundenen oder gekreuzten beweglichen
Armen, wie z.B. SCARA-, Portal- oder kartesische Roboter. Es versteht
sich von selbst, dass sich jede andere Roboter-Einrichtung im Rahmen
der vorliegenden Erfindung einsetzen lässt, solange sie im Wesentlichen
dieselben Zwecke erfüllt
und im Wesentlichen dieselben Ergebnisse erbringt. In diesem Zusammenhang
lassen sich also auch zylindrische Roboter, polare Ro boter, Gelenkarm-Roboter
oder ähnliche
verwenden. In einer Ausführungsform
enthalten die Mittel zur Positionierung einen angetriebenen Kreuzschlitten
oder eine X/Y-Schienen-Anordnung. Beispielsweise lässt sich
das Gerät
AUTOMOVE® 402,
erhältlich
bei Asymtek (Carlsbad, CA), für die
X/Y-Positionierung und die Spulenansteuerung verwenden.
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Der
Arm, der in der obengenannten Anordnung das Rohr trägt, kann
eine Zange enthalten, die das Rohr lösbar greifen kann. Durch diese
Anordnung lässt
sich das Rohr durch ein anderes auswechseln, das z.B. ein anderes
flüssiges
Reagens enthält.
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Ein
besonderes Mittel zur Positionierung, das in der vorliegenden Erfindung
benutzt werden kann, wird im Folgenden genauer beschrieben. Dieses
Gerät wird
in der Draufsicht in einer teilweise schematischen Darstellung in 2 dargestellt.
Eine Betupfungsvorrichtung 8 hat in diesem Gerät den oben
mit Bezug auf 1 beschriebenen Grundaufbau
und enthält
ein Rohr 14, das mit einer unteren Öffnung endet. Eine Faser 12 ist
axial in Rohr 14 der Betupfungsvorrichtung 8 angeordnet
und ist so angelegt, dass sie sich zur Oberfläche eines Substrats hin- oder
von ihr wegbewegen kann, um ein gewähltes Volumen einer flüssigen Probe
oder eines Reagens wie beschrieben aufzubringen. Eine Magnetspule 24 oder
andere Mittel zur Verschiebung führen diese
Bewegung aus. Die Magnetspule 24 wird von einer Steuereinheit 52 angesteuert,
deren Funktion weiter unten beschrieben wird.
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Die
Betupfungsvorrichtung ist an einem Arm 54 befestigt, der
seinerseits mit einem Gewinde auf der Gewindespindel 58 montiert
ist, die von dem ebenfalls durch die Steuereinheit 52 angesteuerten Schrittmotor 62 in
die gewünschte
Richtung angetrieben (gedreht) wird. An ihrem in der Figur linken
Ende ist diese Gewindespindel 58 in einer Buchse 64 gelagert,
um sich um ihre Achse drehen zu können. An ihrem anderen Ende
ist die Gewindespindel auf der Antriebswelle des Schrittmotors befestigt,
der seinerseits von Buchse 66 getragen wird. Die Betupfungsvorrichtung,
die Gewindespindel, die beiden Buchsen in denen die Gewindespindel
geführt
wird, sowie der Schrittmotor, mit dem die Vorrichtung in "X-Richtung" (horizontal) gemäß Zeichnung
bewegt wird, bilden was im Folgenden allgemein als Positionierschlitten 66 bezeichnet
wird.
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Dieser
Positionierschlitten ist so konstruiert, dass er hochgenaue Bewegungen
mit kleinster Schrittweite in Richtung der Gewindespindel, d.h. entlang
der X-Achse in der
Zeichnung ausführen kann.
In einer Betriebsart arbeitet der Positionierschlitten so, dass
die Betupfungsvorrichtung in der X-Achse mit einer gewählten Schrittweite
im Bereich von 5 bis 500 μm
bewegt wird. In einer anderen Betriebsart kann die Betupfungsvorrichtung
in genauen X-Achs-Inkrementen von einigen Tausendstel mm oder mehr
bewegt werden, um die Betupfungsvorrichtung auf zugehörige Positionen
von benachbarten Substraten zu stellen, wie nachfolgend beschrieben.
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Andererseits
ist der Positionierschlitten zur Bewegung in "Y-Richtung" (vertikal) gemäß Zeichnung, so aufgebaut,
dass er die Betupfungsvorrichtung auf eine gewählte Y-Achs-Position stellen
kann. Der Unterbau des Schlittens umfasst dazu einen festen Stab 68,
der unbeweglich zwischen das Paar Halteblöcke 70, 72 montiert
ist, sowie eine Gewindespindel 74, die drehbar zwischen
dem Paar Halteblöcke 76, 78 gelagert
ist. Die Gewindespindel wird von einem Schrittmotor 80 angetrieben
(gedreht), der durch Steuereinheit 52 angesteuert wird.
Wie gezeigt, ist der Motor an den Halteblock 76 angebaut.
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Der
oben beschriebene Aufbau mit Gewindespindel 74 und Schrittmotor 80 ist
so konstruiert, dass er hochgenaue Bewegungen mit kleinster Schrittweite
in Richtung der Gewindespindel, d.h. entlang der Y-Achse in der
Zeichnung ausführen kann.
Wie oben beschreiben, arbeitet der Aufbau in einer Betriebsart so,
dass die Betupfungsvorrichtung in der Y-Achse mit einer gewählten Schrittweite
im Bereich von 5 bis 500 μm
bewegt wird, und in einer anderen Betriebsart so, dass die Betupfungsvorrichtung
in genauen Y-Achs-Inkrementen von einigen Tausendstel mm oder mehr
bewegt wird, um diese Vorrichtung auf zugehörige Positionen von benachbarten
Substraten zu stellen.
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Ein
Werkstück-Halter 82 wird
im Gerät
dazu benutzt, eine Vielzahl von Substraten zu halten, wie etwa die
Substrate 22, auf denen durch die Vorrichtung Mikro-Anordnungen
von Reagens-Bereichen aufgebracht werden sollen. Der Werkstück-Halter verfügt über eine
Anzahl Aussparungen, wie etwa Aussparung 86, in welche
die Substrate eingelegt werden und in welchen sie exakt auf vorgewählte Positionen
in Bezug auf die Halteblöcke,
auf denen die Mittel zur Positionierung der Betupfungsvorrichtung montiert
sind, gebracht werden.
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Wie
oben ausgeführt,
steuert die Steuereinheit die beiden Schrittmotoren und die Magnetspule mit
einer Befehlsfolge so an, dass das Gerät automatisch arbeitet, um
eine vorgewählte
Mikro-Anordnung von Reagens-Bereichen auf jedem einzelnen einer Vielzahl
von Substraten aufzubringen.
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Diese
Steuereinheit ist nach den herkömmlichen
Steuerprinzipien eines Mikroprozessors aufgebaut, um an die Magnetspule
und die Schrittmotoren geeignete Signale in einer bestimmten Reihenfolge und
mit der geeigneten Signaldauer abzugeben. Der Aufbau der Einheit
und die vom Benutzer zur Erzielung der gewünschten Tupfen-Anordnung zu
wählenden
Einstellungen werden durch die nachfolgende Beschreibung einer typischen
Gerätefunktion
verständlich.
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Zunächst werden
in eine oder mehrere Aussparungen des Werkstück-Halters eine oder mehrere Substrate
eingelegt. Die Motoren 62, 80 werden dann so betätigt, dass
die Betupfungsvorrichtung auf eine gewählte Anordnungs-Position des ersten
Substrats gestellt wird. Dann wird die Magnetspule aktiviert, um an
dieser Position den betreffenden Anteil der gewählten Flüssigkeitsmenge des jeweiligen
Reagens aufzubringen. Dieser Vorgang dient dazu, um beispielsweise
gewählte
Volumina von weniger als ca. 1 μl
(d.h. vorzugsweise zwischen ca. 2 pl und 2 nl) des flüssigen Reagens
aufzubringen.
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Die
Betupfungsvorrichtung wird nun an die entsprechende Stelle eines
benachbarten Substrats gefahren und an dieser Position wird eine ähnliche Menge
des flüssigen
Reagens aufgebracht. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis
das Reagens an dieser vorgewählten
Position auf jedem der Substrate aufgebracht wurde.
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Wenn
gewünscht
wird, ein einzelnes Reagens an mehr als zwei Anordnungs-Positionen auf einem
Substrat aufzubringen, kann die Betupfungsvorrichtung auf verschiedene
Positionen des Substrats gestellt werden, bevor sie zu einem neuen
Substrat bewegt wird, oder das flüssige Reagens kann auf einzelne
Positionen des Substrats auf einer ausgewählten Position aufgebracht
werden und danach wird der Zyklus für jede neue Anordnungs-Position
wiederholt.
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Um
das nächste
Reagens aufzubringen, wird die Betupfungsvorrichtung gegen eine
andere solche Vorrichtung ausgewechselt, die ein anderes ausgewähltes Reagens
enthält.
Der Vorgang zur Ablage des Reagens auf jeder der entsprechenden
zweiten Anordnungs-Positionen wird dann wie oben ausgeführt. Dieser
Vorgang wird so oft wiederholt bis eine vollständige Mikro-Anordnung flüssiger Reagenzien auf
jedem der Substrate erreicht wurde.
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Verschiedene
andere X/Y-Positionierschlitten, die sich schnell an den hier vorliegenden
Einsatz als Mittel zur Positionierung anpassen lassen, sind beispielsweise
in den U.S. Patenten Nr. 5,443,791; 5,551,487 und 5,587,522 offenbart.
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Wie
bereits oben gesagt, kann das Mittel zur Positionierung stattdessen
oder zusätzlich
so angepasst werden, dass das Substrat in die Betupfungs-Position
gebracht wird. In diesem Zusammenhang kann das Substrat an die Handhabung
durch eine Roboter-Vorrichtung angepasst werden, oder es kann auf
ein Förderband
oder auf eine in X/Y-Richtung bewegliche Platte oder Plattform gelegt
werden.
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Jedes
gewünschte
Substrat lässt
sich in der vorliegenden Erfindung benutzen, einschließlich Objektträgern, Karten,
Platten, Chips und ähnlichem.
In einer allgemeinen Ausführungsform
ist die Substratoberfläche
relativ hydrophil, d.h. benetzbar. Die Oberfläche kann originäre, gebundene
oder kovalent verbundene geladene Gruppen enthalten. Eine solche Oberfläche ist
etwa eine Glas-Oberfläche mit
einer absorbierten Schicht eines polykationischen Polymers, wie
zum Beispiel Poly-L-Lysin. In einer Ausführungsform wird zum Beispiel
die wässrige
oder vorwiegend wässrige
Reagens-Lösung
oder biologische Probe auf einen Objektträger-Halter mit hydrophiler Oberfläche getupft.
In einer anderen Ausführungsform
ist die Substratoberfläche
hydrophob oder so behandelt, dass sie hydrophobe Eigenschaften aufweist,
d.h. dass auf diese Oberfläche
aufgetragene wässrige
Medien Perlen bilden. Eine Vielzahl von bekannten hydrophoben Polymeren,
wie etwa Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen haben die gewünschten
hydrophoben Eigenschaften, ebenso wie eine Anzahl von Schmierstoffen
oder andere hydrophobe Beschichtungen, die auf die Substratoberfläche aufgebracht
werden können.
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In
einigen Fällen
möchte
man das Reagens in einer feuchten Umgebung ablegen, damit die Tröpfchen nicht
antrocknen bevor die Tupfen-Anordnung fertig ist.
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Einige
beispielhafte Vorrichtungen und Verfahren für das Betupfen eines Substrats
sind in den 3 bis 6 dargestellt.
Im Allgemeinen wird die erfindungsgemäße Betupfungsvorrichtung auf
einen gewählten
Bereich des Substrats positioniert. In einer typischen Arbeitsweise
erfolgt dies dadurch, dass der gewählte Substratbereich so auf
die Betupfungsvorrichtung ausgerichtet wird, dass der gewählte Bereich
die gedachte Verlängerung
der mittleren Längsachse
der Betupfungsvorrichtung schneidet. Eine längliche Faser, die an eine
axiale Bewegung innerhalb der Betupfungsvorrichtung angepasst ist,
wird nun zwischen ihrer angehobenen und abgesenkten Stellung so
verschoben oder schwingend bewegt, dass eine bestimmte Menge Flüssigkeit
aus dem Rohr auf den gewählten
Substratbereich aufgebracht wird. Anzumerken ist, dass jedes der
oben genannten Mittel zur Verschiebung oder Positionierung zusammen
mit jeder der folgenden Ausführungsformen eingesetzt
werden kann. Ebenso kann jede geeignete Steuereinheit, wie z.B. 52 in 2,
benutzt werden.
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Weiterhin
ist anzumerken, dass die Spitze der Faser bei ihrer Hin- und Herbewegung
zwischen der angehobenen und abgesenkten Stellung einen Weg zurücklegt,
der im Folgenden als "Hub" gezeichnet wird.
Bei ihrem Vorwärts-Hub
bewegt sich die Faserspitze von der angehobenen in die abgesenkte Endstellung,
bei ihrem Rückwärts-Hub
bewegt sich die Faserspitze von der abgesenkten in die angehobene
Endstellung zurück.
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In
einer in den 3A bis 3C gezeigten Ausführungsform
liegt Spitze 12a der Faser 12 bei Beginn des Hubs,
d.h. in ihrer angehobenen Endstellung, außerhalb des Rohrs 14,
so dass ein Querschnitt der Faser 12 die an Öffnung 16 durch
den Rand von Rohr 14 definierte Ebene schneidet. Ausgehend
von dieser in 3A dargestellten Anfangsstellung
wird die Faserspitze 12a nun zur Oberfläche eines ausgewählten Substrats,
wie etwa Objektträger 22,
bewegt, wobei sie, wie in 3B gezeigt,
in ihrer abgesenkten Endstellung gegebenenfalls den ausgewählten Substratbereich 22a berührt. Anzumerken ist,
dass Faser 12 dabei an ihrer Außenfläche einschließlich der
Oberfläche
von Spitze 12a eine Schicht von flüssigem Reagens 18 mit
sich führt.
Bei Berührung
des Sub strats wird eine geringe und kontrollierte Menge des flüssigen Reagens
von Spitze 12a auf den ausgewählten Bereich 22a von
Substrat 22 aufgebracht. Nach der Berührung mit Substrat 22 wird
die Faser 12 wieder in ihre angehobene Stellung zurück verschoben
und hinterlässt
auf der Oberfläche
des Substrats einen Tupfen Flüssigkeit,
wie in 28 dargestellt. Wenn gewünscht, kann die Betupfungsvorrichtung
nun auf einen anderen gewählten
Bereich positioniert werden, um dort einen weiteren Tupfen aufzubringen.
Die dafür
benutzte Wiederholrate kann einige wenige Hübe pro Sekunde betragen, z.B.
im Bereich von 1 Hz bis 10 Hz. In einer Ausführungsform beträgt diese
Wiederholrate ca. 5 Hübe pro
Sekunde.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Einhaltung einer exakten Toleranz
zwischen Betupfungsvorrichtung und Substrat für erfolgreiche Ergebnisse mit
der vorliegenden Erfindung nicht kritisch ist. Das bedeutet, dass
die Faser in ihre angehobene Stellung zurückgezogen werden kann, nachdem
sie die Substratoberfläche
kaum berührt
hat, oder die Faser kann weiter nach abgesenkt werden, als es für eine Kontaktaufnahme
mit der Substratoberfläche
notwendig ist. Wenn die Faser auf der Substratoberfläche auftrifft,
ermöglicht
die Biegsamkeit der Faser in vorteilhafter Weise eine Biegung oder
Krümmung
der Faser. Das bedeutet, dass eine Durchbiegung der Faser unterschiedliche
Abstände
zwischen unterem Ende der Betupfungsvorrichtung und Substratoberfläche ausgleichen
kann. 3B zeigt dies zur besseren Verdeutlichung
in übertriebener
Weise.
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Ebenso
ist zu berücksichtigen,
dass die Unkomprimierbarkeit der Faser in Längsrichtung für eine wirksame Übermittlung
der Bewegung der Mittel zur Verschiebung zur Faserspitze hin sorgt.
Diese Eigenschaft ermöglicht
vorteilhafterweise die Verwendung von Fasern unterschiedlicher Längen, einschließlich relativ
langer Fasern (z.B. 10, 20, 30 cm lang oder noch mehr).
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In
den 4A bis 4C ist
ein weiteres Betupfungsverfahren gezeigt. Zu Beginn der Faser-Verschiebung,
d.h. in ihrer angehobenen Endstellung, befindet sich die Spitze 12a der
Faser 12 noch im Rohr 14, oberhalb der an Öffnung 16 durch den
Rand von Rohr 14 definierten Ebene. Ausgehend von dieser
in 4A dargestellten Ausgangsstellung wird die Faserspitze
nun in Richtung der ausgewählten
Substratoberfläche,
z.B. des Objektträgers 22,
verschoben. Die plunger- oder kolbenähnliche Aktion der Faserspitze 12a bewirkt
das Ausstoßen
einer bestimmten Menge flüssigen
Reagens 18 aus dem unteren Endbereich des Rohrs 14.
Die Menge der auf diese Weise ausgestoßenen Flüssigkeit hängt teilweise von der Menge
Flüssigkeit
ab, die sich im Bereich unter der Spitze 12a befand, als
die Spitze 12a gegen das Substrat 22 verschoben
wurde. Die obere Endstellung der Faserspitze im Rohr ergibt sich
daher bei dieser Ausführungsform
zumindest teilweise aus der Menge Flüssigkeit, die man auf das Substrat
auftupfen möchte.
Weitere Variablen, durch deren Beeinflussung sich die aufgetupfte
Flüssigkeitsmenge
bei dieser Ausführungsform
steuern lässt,
sind z.B. die Größe der Oberfläche von
Spitze 12a und der Abstand zwischen Faser und Innenseite des
Rohrs.
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Wenn
die Faserspitze 12a in Richtung des Substrats verschoben
wird, kann sie gegebenenfalls das Substrat 22 in ihrer
unteren Endstellung berühren.
Nach Berühren
des Substrats 22 wird die Faser 12 wieder in ihre
angehobene Stellung zurück
verschoben und hinterlässt
dabei, wie in 4C an Stelle 28 dargestellt,
einen Flüssigkeitstupfen
auf der Substratoberfläche.
Die Betupfungsvorrichtung kann nun an eine andere ausgewählte Position
bewegt werden, um bei Bedarf einen weiteren Tupfen aufzubringen.
Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform kann die Wiederholrate
einige wenige Hübe
pro Sekunde betragen, etwa im Bereich zwischen ca. 1 Hz bis 10 Hz.
In einer Ausführungsform beträgt diese
Wiederholrate ca. 5 Hübe
pro Sekunde.
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Es
ist zu beachten, dass die kolbenähnliche Aktion
von Faser 12, wie oben beschrieben, im Bereich des unteren
Faserendes zur Ausbildung einer dickeren Flüssigkeitsschicht führt als
bei der Ausführungsform
gemäß den 3A bis 3C.
Aus diesem Grunde ist davon auszugehen, dass die obige Ausführungsform
für die
Erzeugung von Reagenstupfen mit größerem Volumen eingesetzt wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erzeugt einen Dosierapparat, der zur Abgabe
einer vorgewählten
Menge Flüssigkeit
auf einer Substratoberfläche
benutzt werden kann. In einer in den 5 und 6 dargestellten
Ausführungsform
steht ein Rohr 14 an seinem oberen Ende in Verbindung mit
einem Reagens-Vorratsbehälter 20 und
endet in einer unteren Öffnung 16 ganz ähnlich zu
den bereits oben beschriebenen Betupfungsvorrichtungen. Ei ne Faser 12 ist
hier für
eine schwingende Axial-Bewegung innerhalb von Rohr 14 angeordnet.
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Der
Innendurchmesser des Rohrs 14 und der Außendurchmesser
der Faser 12 sind so bemessen, dass ohne Schwingung der
Faser ein Abfließen
der Flüssigkeit
durch Öffnung 16 verhindert
wird. In einer Ausführungsform
zum Beispiel hat Rohr 14 am unteren Ende einen Durchmesser
von weniger als ca. 200 μm,
vorzugsweise ca. 100 μm,
und das Spiel zwischen Faser und Rohr an dessen unterem Ende beträgt weniger
als ca. 50 μm,
vorzugsweise sogar weniger als ca. 25 μm.
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Mittel
zur Schwingungserzeugung sind wirkend mit Faser 12 verbunden,
um diese in Schwingung zu versetzen. Die Mittel zur Schwingungserzeugung
umfassen zum Beispiel eine Schwingeinheit mit einer Steuereinheit
zur Festlegung der Schwingungsamplitude, der Schwingfrequenz und
der Schwingdauer der Faser, und damit der Flüssigkeitsmenge, die durch Öffnung 16 austreten
kann. Die Schwingeinheit kann jede Art Vorrichtung umfassen, die
die Faser axial im Rohr in eine derart gesteuerte Schwingung versetzen
kann. Geeignete Schwingeinheiten können beispielsweise Vorrichtungen
mit Magnetspulen oder Motorantrieben umfassen, ebenso pneumatische,
hydraulische, magnetostriktive oder piezoelektrische Aktuatoren.
In einer Ausführungsform
ist die Schwingeinheit so ausgelegt, dass sie eine Schwingfrequenz
von mindestens ca. 10 Hz und vorzugsweise von mindestens ca. 100
Hz erzeugt. Die Schwingeinheit ist weiter so ausgelegt, dass sie
eine Schwingungsamplitude von mindestens ca. 10 μm und vorzugsweise von mindestens
ca. 100 μm
erzeugt.
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Dieser
Dosierapparat kann weiterhin Mittel zur Positionierung umfassen,
um das Rohr und die Faser in Bezug zu einem Substrat von einer vorgewählten seitlichen
Position auf eine andere zu positionieren. In einer Ausführungsform
ist das Mittel zur Positionierung wirkend mit dem Rohr, der Faser
und dem Mittel zur Schwingungserzeugung verbunden. Das Mittel zur
Positionierung kann Vorrichtungen umfassen wie oben im Hinblick
auf die Betupfungsvorrichtung ausgeführt.
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Im
Betrieb kann die Faser 12 in einer Hin- und Her-Bewegung
axial innerhalb des die Flüssigkeit
enthaltenden Rohrs bewegt werden. Diese Schwingbewe gung findet bei
einer Frequenz, einer Amplitude und während einer Dauer statt, die
ausreichend sind, um durch die Öffnung 16 am
unteren Ende des Rohrs 14 eine gewählte Menge flüssiges Reagens 18 zu
pumpen, so dass sich dort ein hängender
Tropfen bildet, wie in 5 an Position 18a dargestellt.
Dieser hängende
Tropfen kann auf einen gewählten
Bereich eines Substrats aufgebracht werden, indem der Tropfen 18a mit
dem gewählten
Substratbereich in Kontakt gebracht wird. Die Faserspitze 12a wird
dazu bewegt, bis sie das Substrat berührt. Diese Berührung kann
periodisch sein, d.h. einmal pro Schwingung der Faser erfolgen,
oder sie kann dauernd sein, dergestalt, dass die Faser während ihres
ganzen Schwingungszyklus das Substrat berührt. Es ist zu beachten, dass
die Ausbildung einer solchen "Flüssigkeitsbrücke" wie in 6 gezeigt,
die Erzeugung von relativ großen
Reagens-Tupfen ermöglicht.
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In
den 7A bis 7E ist
eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Betupfungsvorrichtung dargestellt. Ähnlich wie
bei den vorhergehenden Ausführungsformen
erstreckt sich längs
innerhalb eines Rohrs 14 mit der unteren Öffnung 16 eine
biegsame Faser 12. In dieser Ausführungsform verjüngt sich
allerdings der Innendurchmesser des Rohrs 14 zunehmend
nach unten bis auf einen Rohr-Endbereich mit definiertem Volumen,
der allgemein mit 14a bezeichnet wird und im Wesentlichen
einen gleichmäßigen Durchmesser
aufweist. Der Durchmesser des Rohr-Endbereichs 14a ist
vorzugsweise im Wesentlichen derselbe wie der Durchmesser der Öffnung 16.
Weiterhin liegt der Innendurchmesser entlang des Rohr-Endbereichs 14a in
der Nähe
der Öffnung 16 sehr
nahe (z.B. innerhalb 10 μm)
beim Durchmesser der Faser 12 und ist vorzugsweise im Wesentlichen
zu ihm identisch. In einer Ausführungsform
zum Beispiel sind sowohl der Durchmesser der Faser und der Innendurchmesser
des Rohrs längs des
Bereiches 14a geringer als ca. 200 μm und betragen vorzugsweise
ca. 100 μm.
In einer anderen Ausführungsform
betragen beide Werte ca. 50 μm. Der
obere Teil des Rohrs mit größerem Durchmesser kann
als Vorratsbehälter 20 dienen,
um während
des Betupfungsvorgangs flüssiges
Reagens in den unteren Teil des Rohrs zu leiten.
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Mittel
zur Verschiebung sind wirkend mit Faser 12 verbunden, um
die Faser von ihrer angehobenen in ihre abgesenkte Stellung zu verschieben.
Weiterhin kann die Vorrichtung Mittel zur Positionierung umfassen,
um das Rohr und die Faser in Bezug zu einem Substrat von einer vorgewählten seitlichen
Position auf eine andere zu positionieren. In einer Ausführungsform
ist das Mittel zur Positionierung wirkend mit dem Rohr, der Faser
und dem Mittel zur Schwingungserzeugung verbunden. Das Mittel zur
Verschiebung und das Mittel zur Positionierung können Vorrichtungen umfassen
wie oben ausgeführt.
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Die
Schritte beim typischen Betrieb der Vorrichtung sind in zeitlicher
Reihenfolge in den 7A bis 7E dargestellt.
Zu Anfang verschieben die (hier nicht gezeigten) Mittel zur Verschiebung
die Faser 12 von ihrer angehobenen Stellung in 7A in Richtung
zu einem Substrat, wie z.B. Objektträger 22. Solange sich
Faser 12 in ihrer angehobenen Stellung befindet, liegt
ihre Spitze 12a oberhalb des Rohr-Endbereichs 14a.
Wird Faser 12 nun von ihrer angehobenen in ihre abgesenkte
Stellung verschoben, so wird das im Rohr-Endbereich 14a befindliche flüssige Reagens-Volumen 18,
wie in 7B dargestellt, aus dem Rohr 14 gedrückt. Hat
die Faser ihre abgesenkte Stellung erreicht, wie in 7C gezeigt, wird
das herausgedrückte
flüssige
Reagens an einen ausgewählten
Bereich 22a des Substrats 22 übertragen. Wenn Faser 12,
wie in den 7D und 7E gezeigt,
wieder in die angehobene Stellung zurück verschoben wird, verbleibt
auf der Oberfläche
von Substrat 22 ein Tupfen flüssigen Reagens 28.
Wenn die Faser völlig
in den Flüssigkeitsbehälter (7E) zurückgezogen
ist, kann auf Wunsch ein neuer Aufbring-Zyklus ablaufen.
-
Wie
bei den vorherigen Ausführungsformen, bei
denen zwischen Faser und Substrat eine Berührung stattfand, ist zu beachten,
dass die Einhaltung einer exakten Toleranz zwischen Betupfungsvorrichtung
und Substrat für
erfolgreiche Ergebnisse mit der soeben beschriebenen Betupfungsvorrichtung
nicht kritisch ist. Ihre Biegsamkeit ermöglicht es der Faser, sich in
vorteilhafter Weise zu biegen oder zu krümmen wenn die Spitze auf die
Substratoberfläche
auftrifft, wie in 7C zur besseren Verdeutlichung
in übertriebener
Weise gezeigt. Das bedeutet, dass eine Durchbiegung der Faser unterschiedliche
Abstände
zwischen unterem Ende der Betupfungsvorrichtung und Substratoberfläche ausgleichen
kann. Ebenso ist zu berücksichtigen,
dass die Unkomprimierbarkeit der Faser in Längsrichtung für eine wirksame Übermittlung
der Bewegung der Mittel zur Verschiebung zur Faserspitze hin sorgt.
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Gemäß einem
anderen ihrer Aspekte stellt die vorliegende Erfindung einen Betupfungskopf
zum Aufbringen einer Anordnung von Tupfen eines flüssigen Re agens
auf einem Substrat vor. Wie unten näher ausgeführt, kann der erfindungsgemäße Betupfungskopf
eine große
Anzahl von Tupfen aufbringen, z.B. Hunderte oder Tausende Tupfen
pro Sekunde.
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Die 8 zeigt
eine Ausführungsform
des Betupfungskopfes. Bei dieser Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung
mit Kanälen 101,
die im Folgenden auch Verteilerblock genannt wird, eine Vielzahl
von Kanälen,
wie z.B. 114a–114b.
Jeder Kanal 114a, 114b hat obere und untere Öffnungen,
wie in der Zeichnung mit 115a–115b und 116a–116b bezeichnet.
Diese Kanäle
stehen in fester, räumlicher Anordnung
zueinander. Bei einer Ausführungsform haben
die Kanäle
die Form von Röhren,
Fässern oder
Trichtern, die auf einem Rahmen oder Gestell befestigt sind (z.B.
durch Einklipsen). Bei einer anderen Ausführungsform sind die Kanäle aus einem
Teil gefertigt. Die Kanal-Anordnung kann beispielsweise durch ein
Spritzgussverfahren aus einem Stück Kunststoff
gefertigt werden, oder jeder Kanal kann durch eine Bohrung in einem
Block aus Metall oder einem anderen Werkstoff, wie z.B. Glas, Kunststoff, oder ähnlichem
hergestellt werden.
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Der
Innendurchmesser jedes Kanals verjüngt sich auf dem Weg von der
oberen zur unteren Öffnung.
Die Kanäle
können
z.B. eine konische oder hornartig gebogene Form haben. Die Längsachse der
Kanäle
kann gerade abgewinkelt oder gebogen sein, oder eine andere geeignete
Form aufweisen. Zur Verdeutlichung wird auf die im allgemeinen S-förmigen Kanäle gemäß 8 verwiesen.
-
Jeder
Kanal mündet
am unteren Ende in einen Bereich oberhalb der Öffnung mit kapillaren Abmessungen,
dergestalt dass eine sich im Kanal befindende Flüssigkeit, z.B. eine biologische
Probe oder eine Reagens-Lösung,
durch die Kapillarkräfte
normalerweise darin zurückgehalten
wird. Im Rahmen der Erfindung kann hierzu jeder Innendurchmesser verwendet
werden, der den gewünschten
Kapillareffekt hervorruft. Für
den kapillaren Bereich können beispielsweise
Innendurchmesser von weniger als ca. 1 mm und vorzugsweise von weniger
als ca. 200 μm
benutzt werden. Um den Kapillareffekt noch weiter zu unterstützen, lässt sich
die Innenseite des kapillaren Bereichs in jedem Kanal mit einer
hydrophilen Oberfläche
versehen.
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In 8 sind
lediglich sechs nebeneinander in einer Reihe angeordnete Kanäle gezeigt,
es ist jedoch völlig
einsichtig, dass jede vernünftige
Anzahl von Kanälen
in jeder gewünschten
räumlichen
Konfiguration angeordnet werden kann. Der Verteilerblock kann beispielsweise
24, 48, 96, 384, 1024, 1536 Kanäle
oder noch mehr umfassen. Bei einer solchen Aufteilung werden die Öffnungen
an den oberen und unteren Kanalenden üblicherweise nach einem regelmäßigen Muster
angeordnet, z.B. als 8 × 12-,
16 × 24-,
32 × 32-
oder 32 × 48-Matrix,
wobei andere Anordnungen jederzeit möglich sind.
-
Der
mit 105 bezeichnete Träger
ist für
eine Bewegung zwischen einer angehobenen und einer abgesenkten Stellung
im Verteilerblock 101 ausgelegt. In der in 8 gezeigten
Ausführungsform
besteht die Anordnung aus einem Rahmen, wie z.B. 107, mit
einer Führung,
die aus parallelen, zueinander beabstandeten linearen Schienenabschnitten, bezeichnet
mit 109a und 109b, besteht, in denen der Träger 105 geführt wird.
Träger 105 kann
beispielsweise an jedem seiner Seitenteile in der Nähe der Schienenführungen 190a, 109b mit
einer (hier nicht gezeigten) Nut oder einem Schlitz versehen sein,
in welchen die jeweilige Schienenführung gleitend eingreift.
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Bewegung
und Positionierung des Trägers 105 in
den Führungen
kann durch manuelle oder automatische Mittel zur Verschiebung erfolgen.
Durch zusätzliche
Bezugnahme auf 9 ist ersichtlich, dass eine
Antriebseinheit 121 über
die Steuerung 123 mit einer Stromversorgung 125 in
Verbindung steht. Ein biegsamer Draht oder Leitung 127 erstreckt sich
zwischen Antrieb 121 und Träger 105. Ein Ende des
Drahts 127 ist an der Oberseite von Träger 105 befestigt.
Das andere Ende des Drahts 127 ist an einer Trommel (hier
nicht gezeigt) befestigt, die ihrerseits durch Antrieb 121 in
Drehung versetzt werden kann. In einer Betriebsart kann die Antriebseinheit 121 die
Trommel so drehen, dass der Draht 127 auf sie aufgewickelt
und dadurch Träger 105 in
seinen Führungen
nach oben verschoben wird (8). In einer
anderen Betriebsart dreht die Antriebseinheit 121 die Trommel
in Abwickelrichtung, so dass der Draht länger wird und sich der Träger in seinen
Führungen in
die abgesenkte Stellung bewegt. Anstelle eines Drahts sehen andere
Ausführungsformen
für die
mechanische Verbindung zwischen Antrieb und Träger den Einsatz eines Getriebes
vor. Hierbei ist anzumerken, dass andere automatische Mittel zur
Verschiebung, wie etwa hydraulische oder pneumatische Aktuatoren,
ebenfalls hierfür
verwendet werden können.
Alternativ kann der Träger 105 auch
manuell verschoben werden.
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Am
Träger 105 sind
eine Vielzahl von Fasern, wie etwa die Lichtwellenleiter 112a–112b,
befestigt, um sich mit ihm zu bewegen. Diese Fasern lassen sich
in jeder geeigneten Weise am Träger
befestigen. Beispielsweise kann der obere Endbereich jeder Faser
in eine entsprechende Bohrung an der Unterseite von Träger 105 eingesteckt
werden. Das obere Ende jeder Faser kann dann zum Beispiel durch
Reibkräfte
und/oder durch herkömmliche
Klebstoffe in der Bohrung festgehalten werden. Die Fasern sind so
angeordnet, dass der Abstand benachbarter Fasern im Wesentlichen
mit dem Abstand benachbarter oberer Öffnungen am Verteilerblock 101 übereinstimmt,
so dass jeweils eine Faser in den Kanal eindringt, wenn Träger 105 in
seine abgesenkte Stellung verschoben wird. In einer typischen Anordnung
sind die Fasern in einem regelmäßigen Muster angeordnet.
Der Durchmesser der sich vom Träger 105 erstreckenden
Fasern ebenso wie der Innendurchmesser des kapillaren Bereiches
in jedem Kanal können ähnlich sein,
wie die bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschriebenen.
In einer beispielhaften Anordnung beträgt der Durchmesser jedes Kanals
weniger als 200 μm
und jeder Kanal ist zwischen ca. 10–100 μm größer als die zugehörige Faser.
In einer anderen Anordnung ist der Innendurchmesser im unteren Endbereich
jedes Kanals im Wesentlichen gleich dem zugehörigen Faserdurchmesser.
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Bei
Bewegung des Trägers 105 in
seine untere Stellung bewegt sich die untere Spitze jeder Faser
durch den entsprechenden Kanal im Verteilerblock 101 und
erreicht dabei eine Ebene, in der sich ein Substrat befinden kann.
Wenn sich, wie in 9 gezeigt, ein Substrat wie
z.B. Objektträger 22,
in dieser Ebene befindet, berührt
die Spitze der Faser das Substrat an dieser Stelle. Auf diese Weise
kann jede Faser eine abgezählte
Menge flüssigen
Reagens aus ihrem zugehörigen
Kanal auf die Substratoberfläche übertragen.
Anzumerken ist, dass die Anordnung der unteren Öffnungen am Verteilerblock 101 die
Anordnung der Tupfen auf Substrat 22 definiert.
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Wie
am besten in 8 ersichtlich, haben nicht alle
sich vom Träger 105 erstreckenden
Fasern dieselbe Länge.
Sie sind im Gegenteil so abgeschnitten, dass sie beim Absenken durch
ihre jeweiligen Kanäle
hindurch alle etwa zur selben Zeit das darunter liegende Substrat
berühren,
oder zumindest kurz hintereinander. Die jeweils geeignete Faserlänge lässt sich
finden, indem die Fasern durch ihre Kanäle hindurch gesteckt und anschließend auf
derjenigen Ebene abgeschnitten werden, in der sich später die Oberfläche eines
Substrats befindet. Für
die einwandfreie Funktion der Erfindung ist es nicht erforderlich,
dass die verschiedenen Fasern mit hoher Genauigkeit auf der Substratebene
abgeschnitten werden, da sich Unterschiede zwischen der aus dem Kanalende überstehenden
Faserlänge
und dem Berührungspunkt
auf dem Substrat durch Biegung der Faser ausgleichen lassen.
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Für Anwendungen,
bei denen eine Anordnung von Reagens-Tupfen mit identischem Mittenabstand
oder mit einem Rastermaß zwischen
benachbarten Tupfen und damit zwischen benachbarten Fasern der Faser-Anordnung
erforderlich ist, kann das Rastermaß sowohl zwischen den oberen
als auch den unteren Öffnungen
etwa gleich groß gemacht werden.
In einer Ausführungsform
kann beispielsweise (i) die Faseranordnung, (ii) die Anordnung der oberen Öffnungen
und (iii) die Anordnung der unteren Öffnungen jeweils im Wesentlichen
denselben Mittenabstand aufweisen. Für Anwendungen bei denen die
Anordnung der Reagens-Tupfen ein geringeres Rastermaß als die
Faser-Anordnung aufweisen muss, ist es dagegen vorteilhaft, eine
Vorrichtung mit Kanälen
zu verwenden, bei denen sich das Rastermaß der oberen und unteren Öffnungs-Anordnungen ebenfalls
unterscheidet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform dieser Art hat die
Anordnung der unteren Öffnungen
einen geringeren Mittenabstand als die Anordnung der oberen Öffnungen.
Die 8 und 9 zeigen beispielsweise eine
Ausführungsform bei
der der Mittenabstand der unteren Öffnungen wesentlich kleiner
ist als derjenige der oberen Öffnungen.
Das Rastermaß des
Mittenabstands bei den unteren Öffnungen
kann beispielsweise ca. 1/2 bis 1/4 so groß sein wie dasjenige der oberen Öffnungen. Bei
einer bestimmten Ausführungsform
ist der Mittenabstand der unteren Öffnungen ca. 1/3 so groß wie derjenige
der oberen Öffnungen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird eine Vielzahl von Substraten nacheinander unter den Betupfungskopf
transportiert. Beispielsweise kann ein Förderband eine Anzahl von paarweise
nebeneinander liegenden Substraten auf einem Transportweg unter
einem Verteilerblock hindurch transportieren. In den Kanälen des
Verteilerblocks kann sich eine Art von Reagens-Flüssigkeit
oder können sich
verschiedene Arten von Reagens-Flüssigkeiten befinden. Sobald
ein Substrat unter dem Verteilerblock positioniert ist, kann das
Förderband
anhalten. Nun können die
Fasern zwischen ihren angehobenen und ihren abgesenkten Stellungen
verschoben werden, um auf dem Substrat eine Anordnung von Tupfen
abzulegen. Falls gewünscht,
kann die Faserbetätigung
einmal oder mehrmals wiederholt werden, um zusätzliche Flüssigkeit auf das Substrat aufzubringen.
Diese zusätzliche
Flüssigkeit
kann auf die bereits vorhandenen Tupfen aufgebracht werden oder
durch eine inkrementelle Lateralbewegung des Substrats unter dem
Verteilerblock auf bisher unbetupfte Bereiche des Substrats. Das
derart betupfte Substrat kann nun unter dem Verteilerblock wegtransportiert
werden und ein neues, vorgelagertes, Substrat kann der Betupfung
zugeführt
werden. Falls gewünscht,
lassen sich mehrere Betupfungsköpfe
entlang eines Transportweges an entsprechenden Positionen anordnen. Bei
einer Ausführungsform
transportiert ein Förderband
eines oder mehrere Substrate auf einem Transportweg, der unter verschiedenen
Betupfungsköpfen entlang
läuft,
die jeweils seitlich gegeneinander versetzt sind. Mit dieser Anordnung
lässt sich
eine sehr enge Anordnung von Tupfen auf einem bestimmten Substrat
erreichen, obwohl die von einem einzelnen Kopf aufgebrachten Tupfen
einen größeren Abstand zueinander
hatten.
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Das
Auswechseln eines Satzes von flüssigen
Reagenzien gegen einen anderen oder der Tausch eines leeren Verteilerblocks
gegen einen gefüllten
lassen sich schnell und effizient durchführen. Beispielsweise kann ein
Bediener oder ein Roboter den aktuellen Verteilerblock einfach herausnehmen und
einen anderen dafür
einsetzen. Zu diesem Zweck kann der Verteilerblock so konstruiert
sein, dass er in den Rahmen lösbar
einrastet. Wird ein Verteilerblock mit einem ersten Satz flüssiger Reagenzien
gegen einen Verteilerblock mit einem zweiten unterschiedlichen Satz
solcher Reagenzien ausgetauscht, lässt sich auch die Faseranordnung
einfach austauschen. Zu diesem Zweck lässt sich auch der Faser-Träger so konstruieren,
dass er in den Rahmen lösbar
einrastet.
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Das
Nachfüllen
teil- oder ganz entleerter Kanäle
im Verteilerblock lässt
sich ebenfalls schnell vornehmen. Zu diesem Zweck können die
oberen Öffnungen
der Kanäle
so groß bemessen
werden (z.B. Durchmesser > 3
mm), dass sie für übliche Mittel
zur Befüllung
mit Flüssigkeiten,
wie etwa Pipetten oder Spritzen, leicht zugänglich sind.
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In
einer Ausführungsform
sind sowohl der Verteilerblock als auch der Faser-Träger aus
relativ kostengünstigen
Werkstoffen, wie z.B. Kunststoff, Metall oder Glas, mit üblichen
Bearbeitungs- und/oder Gussverfahren gefertigt. Indem man Bauteile-Kosten
niedrig hält,
kann es kosteneffektiv sein, den gesamten Faser-Träger (mit
den Fasern) und/oder den Verteilerblock wegzuwerfen, wenn auf einen
neuen Satz flüssiger
Reagenzien umgestellt werden soll. Das Wegwerfen eines oder beider
Bauteile, anstatt sie zu reinigen und wiederzuverwenden, verhindert
eine mögliche
Kontaminationsursache. Außerdem
spart man durch den Einsatz von Wegwerfartikeln Zeit, Geräte und Laborkosten,
die für Reinigung
und Trocknung anfallen würden.
Im Gegensatz dazu müssen
die meisten herkömmlichen Betupfungssysteme,
wie etwa Federkiele, Pens oder Tintenstrahl-Vorrichtungen, gereinigt
werden, bevor man eine neue Flüssigkeit
verwenden kann.
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Die
oben beschriebenen Betupfungsvorrichtungen und -verfahren ermöglichen
eine Flüssigkeits-Aufbringung
mit relativ wenig Energie. Der Betupfungskopf kann beispielsweise
in großem
Umfang parallel arbeiten, so dass viele Tupfen (z.B. hundert oder
tausend) pro Sekunde aufgebracht werden. Das Aufbringen eines einzelnen
Tupfens ist ein relativ langsamer Vorgang. Beispielsweise kann eine
einzelne Faser nur einen oder nur wenige Tupfen pro Sekunde aufbringen.
Infolgedessen lassen sich die mit energiereichen Betupfungsverfahren
verbundenen Probleme, wie etwa Spritzer oder ein falsch gerichteter
Strahl (Satellitenbildung) und die sich daraus ergebende Kontaminierung
durch die vorliegende Erfindung vermeiden.
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Die
hier beschriebenen Betupfungsvorrichtungen ermöglichen auch geringere Reagens-Verluste
als die meisten herkömmlichen
Aufbringsysteme. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die auf ein Substrat aufzubringenden Flüssigkeiten
direkt aus dem Rohr oder dem Kanal auf der Substratoberfläche abgelegt,
ohne Benutzung eines Zwischenbehältnisses.
Es ist zu berücksichtigen,
dass solche Zwischenbehältnisse
normalerweise immer eine Vergeudung der Flüssigkeit bedeuten, da an ihnen
anhaftende Reste und Rückstände nicht
vermeidbar sind. Für
Anwendungen, die eine sehr geringe Flüssigkeitsmenge erfordern (z.B.
ein Mikroliter oder noch weniger) können die Zwischenbehältnisse,
wie etwa die Vorratsbehälter
von Tintenstrahl-Systemen oder der Schlitz in Federkielen eine unzulässig große Menge
Flüssigkeit
vergeuden.