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Diese
Erfindung bezieht sich auf Arrays, speziell Polynukleotid-Arrays,
wie beispielsweise DNS-Arrays, die bei Diagnose-, Screening-, Genexpressionsanalysen-
und anderen Anwendungen nützlich
sind.
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Polynukleotid-Arrays
(wie beispielsweise DNS- oder RNS-Arrays) sind bekannt und werden beispielsweise
als Diagnose- oder Screening-Werkzeuge verwendet. Derartige Arrays
umfassen Regionen von Polynukleotiden einer üblicherweise unterschiedlichen
Sequenz, die in einer vorbestimmten Konfiguration auf einem Substrat
angeordnet sind. Diese Regionen (manchmal als „Merkmale" bezeichnet) sind an jeweiligen Stellen
(„Adressen") auf dem Substrat
positioniert. Wenn die Arrays einer Probe ausgesetzt bzw. einer
Probe gegenüber
freigelegt werden, weisen dieselben ein beobachtetes Bindungsmuster
auf. Dieses Bindungsmuster kann auf ein Abfragen des Arrays hin
erfasst werden. Beispielsweise können
alle Polynukleotidziele (z.B. DNS) in der Probe mit einer geeigneten
Markierung (z.B. einer Fluoreszenzverbindung) markiert werden und
das Fluoreszenzmuster auf dem Array kann auf ein Aussetzen bzw.
eine Freilegung gegenüber
einer Probe hin genauer beobachtet werden. Angenommen, dass die
Polynukleotide mit verschiedenen Sequenzen gemäß der vorbestimmten Konfiguration korrekt
aufgebracht wurden, gibt das beobachtete Bindungsmuster das Vorliegen
und/oder die Konzentration einer oder mehrerer Polynukleotidkomponenten
der Probe an.
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Biopolymer-Arrays
können
durch ein Aufbringen vorhergehend erhaltener Biopolymere (wie beispielsweise
aus einer Synthese oder natürlichen Quellen)
auf ein Substrat oder durch In-Situ-Syntheseverfahren gefertigt
werden. Verfahren zum Aufbringen erhaltener Biopolymere umfassen
ein Abgeben von Tröpfchen
zu einem Substrat von Spendern, wie beispielsweise Stiften oder
Kapillaren (wie es beispielsweise in der
US 5,807,522 beschrieben ist) oder
wie beispielsweise Pulsdüsen
(wie beispielsweise einem piezoelektrischen Tintenstrahlkopf, wie
es in den PCT-Veröffentlichungen
WO 95/25116 und WO 98/41531 und anderswo beschrieben ist). Für In-Situ-Fertigungsverfahren
werden unterschiedliche Reagenztröpfchen von Tropfenspendern
bei einer gegebenen Zielposition aufgebracht, um das endgültige Merkmal
zu bilden (daher wird eine Sonde des Merkmals auf dem Arraysubstrat
generiert. Die In-Situ-Fertigungsverfahren umfassen dieselben, die
in der
US 5,449,754 zum
Generieren von Peptid-Arrays beschrieben sind und in der WO 98/41531
und den hierin zitierten Referenzen für Polynukleotide beschrieben
sind. Das In-Situ-Verfahren zum Fertigen eines Polynukleotid-Arrays
folgt typischerweise bei jeder der mehreren unterschiedlichen Adressen,
bei denen Merkmale gebildet werden sollen, der gleichen herkömmlichen
iterativen Sequenz, die bei einem Bilden von Polynukleotiden aus
Polynukleosid-Reagenzien auf einem Träger mittels einer bekannten
Chemie verwendet wird. Diese iterative Sequenz ist wie folgt: (a)
Koppeln eines ausgewählten Nukleosids
durch eine Phosphit-Verbindung mit einem funktionalisierten Träger bei
der ersten Iteration oder einem Nukleosid, das mit dem Substrat
verbunden ist (d.h. dem nukleosid-modifizierten Substrat) bei nachfolgenden
Iterationen; (b) optional, aber vorzugsweise Blockieren nicht reagierter
Hydroxylgruppen auf dem substratgebundenen Nukleosid; (c) Oxidieren
der Phosphit-Verbindung von Schritt (a), um eine Phosphat-Verbindung
zu bilden; und (d) Entfernen der schützenden Gruppe („Deprotektion") von dem nun substratgebundenen
Nukleosid, das bei dem Schritt (a) gekoppelt wird, um eine reaktive
Stelle für
den nächsten
Zyklus dieser Schritte zu erzeugen. Der funktionalisierte Träger (bei
dem ersten Zyklus) oder das deprotektierte gekoppelte Nukleosid (bei
nachfolgenden Zyklen) stellt einen substratgebundenen Anteil mit
einer Verbindungsgruppe zum Bilden der Phosphit-Verbindung mit einem
nächsten Nukleosid
bereit, das bei dem Schritt (a) gekoppelt werden soll. Eine endgültige Deprotektion
von Nukleosid-Basen kann unter Verwendung von alkalischen Bedingungen,
wie beispielsweise Amonium-Hydroxid auf eine bekannte Weise erzielt
werden.
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Die
vorhergehende Chemie der Synthese von Polynukleotiden ist detailliert
beispielsweise in Caruthers, Science 230: 281–285, 1985; Itakura et al.,
Ann. Rev. Biochem. 53: 323–356;
Hunkapillar et al., Nature 310: 105–110, 1984; und in „Synthesis
of Oligonukleotide Derivatives in Design and Targeted Reaction of
Oligonukleotide Derivatives",
CRC Press, Boca Raton, Fla., Seiten 100 ff,
US 4,458,066 ,
US 4,500,707 .
US 5,153,319 ,
US 5,869,643 ,
EP 0294196 und anderswo beschrieben.
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Bei
einer Arrayfertigung sind die Mengen an verfügbarem Polynukleotid, ob durch
Aufbringung vorhergehend erhaltener Polynukleotide oder durch eine
In-Situ-Synthese, gewöhnlich
sehr klein und teuer. Zusätzlich
sind Probenmengen, die zum Testen verfügbar sind, gewöhnlich ebenfalls
sehr klein und somit ist es erwünscht,
die gleiche Probe bezüglich einer
großen
Anzahl unterschiedlicher Sonden an einem Array gleichzeitig zu testen.
Diese Bedingungen erfordern eine Verwendung von Arrays mit großen Anzahlen
sehr kleiner, eng beabstandeter Merkmale. Bei derartigen Arrays
ist wichtig, dass Merkmale tatsächlich
vorhanden sind, dass dieselben in dem erwünschten Zielmuster genau abgelegt
sind, die korrekte Größe aufweisen
und dass die DNS innerhalb des Merkmals einheitlich beschichtet
ist. Ein Nichteinhalten derartiger Qualitätsanforderungen kann schwerwiegende
Folgen für
eine Diagnose, ein Screening, eine Genexpressionsanalyse oder andere
Zwecke aufweisen, für
die das Array verwendet wird. Für
eine Massenproduktion von Arrays mit vielen Merkmalen jedoch ist
ein Abgabesystem erforderlich, das typischerweise viele Tropfenspender
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung erkennt, dass einer oder mehrere derartiger
Tropfenspender unter Fehlern leiden können, wie beispielsweise ein
Nichtabgeben eines Tropfens oder ein Nichtabgeben bei der korrekten
Position. Um Fehler bei Arrays zu reduzieren, die mit einer derartigen
Vorrichtung gebildet sind, können
nicht fehlerhafte Spender verwendet werden, um Tröpfchen abzugeben,
die anderweitig durch einen fehlerhaften Spender abgegeben worden
wären.
Dies kann jedoch mehrere zusätzliche Bewegungen
der Spender relativ zu dem Substrat betreffen, was eine weitere
Zeit benötigt
(und daher eine über
eine gegebene Zeit hinweg erzeugte Arraymenge bzw. Arraygröße verringern
kann) und zu weiteren Fehlern führen
kann.
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Es
wäre also
wünschenswert,
eine Einrichtung bereitzustellen, durch die Tropfen, die durch fehlerhafte
Spender abgegeben werden sollen, anstelle dessen durch nicht fehlerhafte
Spender abgegeben werden können,
während
ein relativ einfaches Bewegungsmuster der Tropfenspender relativ
zu einem Substrat beibehalten wird.
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Die
US-A-5,958,342 offenbart eine Vorrichtung für eine präzise Produktion von Arrays
von Mikroflecken. Bei einer Entdeckung eines Fehlers wird ein fehlerhaft
abgebender Kopf durch einen Ersatz ersetzt, der das gleiche flüssige Medium
enthält.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines
chemischen Arrays unter Verwendung folgender Merkmale vorgesehen:
eines
Kopfsystems mit mehreren Gruppen von Tropfenspendern, die sich im
Einklang bewegen, wobei jede Gruppe zwei oder mehr Reihen von Tropfenspendern
aufweist und wobei jede der Reihen zumindest einen ersten und einen
zweiten Tropfenspender aufweist, die mit dem gleichen Fluid geladen
sind;
eines Transportsystems, um das Kopfsystem mit Bezug auf
ein Substrat zu bewegen, wobei unterschiedliche Spender in der Reihe
jeder Gruppe jeweiligen Wegen folgen; und
eines Prozessors,
um zu bewirken, dass Spender Tröpfchen
in einem Muster entlang einem ausgewählten Weg für jede Gruppe während eines
Betriebs des Transportsystems abgeben, um das Array zu bilden;
dadurch
gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Identifizieren eines Fehlers bei dem ersten Tropfenspender
einer Gruppe; und
- b) Bewegen der Gruppe von Spendern, um Tröpfchen von dem zweiten Tropfenspender
der Gruppe abzugeben, entlang zumindest einem Teil des Wegs, der
für die
Gruppe ausgewählt
ist.
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Eine
Identifikation eines Fehlers bei einem der Spender kann beispielsweise
auf Daten, die spezifisch einen fehlerhaften Spender identifizieren,
(wie beispielsweise durch einen Operator bzw. eine Bedienperson
eingegebene Daten) oder auf Daten basieren, die von einem Sensor
wiedererlangt werden, der Spender auf einen Fehler hin überwacht
und entsprechende Daten zu dem Prozessor liefert (in welchem Fall
der Prozessor einen Fehler aus den empfangenen Daten identifizieren
kann).
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Bei
einem speziell bevorzugten Betrieb eines Verfahrens der vorliegenden
Erfindung, werden, wenn ein zweiter Spender einer zweiten Gruppe
zusätzlich
fehlerhaft ist, der erste und der zweite Spender jeder Gruppe abwechselnd
entlang dem ausgewählten
Weg für
diese Gruppe bewegt, während Tröpfchen von
nicht fehlerhaften Spendern der ersten und der zweiten Gruppe bei
zumindest einem Teil des Musters für den ausgewählten Weg
für die
jeweiligen Gruppen abgegeben werden. Diese gleiche Prozedur kann
auf den allgemeinen Fall erweitert werden, bei dem mehrere identifizierte
Spender einer unterschiedlichen Reihenfolge (einschließlich eines ersten oder
eines zweiten) in jeweiligen Gruppen fehlerhaft sind. Das heißt, die
entsprechenden nicht fehlerhaften Spender jeder Gruppe werden abwechselnd
entlang dem ausgewählten
Weg für
diese Gruppe bewegt, während
Tröpfchen
von den nicht fehlerhaften Spendern jeweils zumindest bei einem Teil
des Musters für
den ausgewählten
Weg für
die entsprechende Gruppe abgegeben werden. In jedem Fall würde typischerweise
das Muster für
den ausgewählten
Weg jeder Gruppe abgeschlossen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Fertigen eines chemischen Arrays vorgesehen, die folgende Merkmale
aufweist:
ein Kopfsystem mit mehreren Gruppen von Tropfenspendern,
die sich im Einklang bewegen, wobei jede Gruppe zwei oder mehr Reihen
von Tropfenspendern aufweist und wobei jede der Reihen zumindest
einen ersten und einen zweiten Tropfenspender aufweist, die mit
dem gleichen Fluid geladen sind;
ein Transportsystem, um das
Kopfsystem mit Bezug auf ein Substrat zu bewegen, wobei unterschiedliche Spender
in der Reihe jeder Gruppe jeweiligen Wegen folgen; und
einen
Prozessor, um zu bewirken, dass Spender Tröpfchen in einem Muster entlang
einem ausgewählten
Weg für
jede Gruppe während
eines Betriebs des Transportsystems abgeben, um das Array zu bilden;
dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
- a) eine Einrichtung zum Identifizieren eines
Fehlers bei dem ersten Tropfenspender einer Gruppe; und
- b) eine Einrichtung zum Bewegen der Gruppe von Spendern, um
Tröpfchen
von dem zweiten Tropfenspender der Gruppe abzugeben, entlang zumindest
einem Teil des Wegs, der für
die Gruppe ausgewählt
ist.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt
für eine
Verwendung bei einer Vorrichtung zum Fertigen eines chemischen Arrays
vorgesehen, die folgende Merkmale aufweist:
ein Kopfsystem
mit mehreren Gruppen von Tropfenspendern, die sich im Einklang bewegen,
wobei jede Gruppe mehrere Tropfenspender aufweist;
ein Transportsystem,
um das Kopfsystem mit Bezug auf ein Substrat zu bewegen, wobei unterschiedliche Spender
in der Reihe jeder Gruppe jeweiligen Wegen folgen; und
einen
Prozessor;
wobei das Computerprogrammprodukt ein computerlesbares
Speichermedium aufweist, auf dem ein Computerprogramm gespeichert
ist und das dadurch gekennzeichnet ist, dass, wenn dasselbe in den
Prozessor geladen ist, dasselbe folgende Schritte durchführt:
- a) Identifizieren eines Fehlers bei einem oder mehreren
Spendern;
- b) wenn ein Spender einer ersten Gruppe fehlerhaft ist, dann
Bewirken, dass das Transportsystem einen zweiten Spender jeder Gruppe
entlang einem ausgewählten
Weg für
die Gruppe desselben bewegt, während
bewirkt wird, dass das Leitsystem Tröpfchen aus zumindest dem zweiten Spender
der ersten Gruppe in zumindest einem Teil des Musters für den ausgewählten Weg
der ersten Gruppe abgibt.
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Optional
kann das Verfahren ferner ein Aussetzen des Arrays gegenüber einer
Probe und ein Abfragen des Arrays nach der Aussetzung und optional
ein Verarbeiten von Ergebnissen der Abfrage vorsehen. Ein derartiges
Abfrage- oder Verarbeitungsergebnis kann zu einer entfernten Position
weitergeleitet werden.
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Die
verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können irgendeinen
oder mehrere der folgenden und/oder andere nützliche Vorteile liefern. Zum
Beispiel können
Tropfen durch nicht fehlerhafte Spender abgegeben werden, während ein
relativ einfaches Bewegungsmuster des Tropfenspendersystems relativ
zu einem Substrat beibehalten wird. Ferner ist ein erneutes Laden
des Kopfsystems mit Fluiden, die abgegeben werden sollen, durch
Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, um einen
nicht fehlerhaften Spender anstelle eines fehlerhaften Spenders
Tropfen abgeben zu lassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 ein
Substrat darstellt, das mehrere Arrays trägt, wie dieselben beispielsweise
durch Verfahren der vorliegenden Erfindung gefertigt sein können;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts von 1 ist, die ideale Flecke oder
Merkmale zeigt;
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines Abschnitts des Substrats in 2 ist;
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4 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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6 ein
schematisches Diagramm einer Vorrichtung bei einem Benutzerort ist,
die ein Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen kann.
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Um
ein Verständnis
zu erleichtern, wurden identische Bezugszeichen verwendet, wo es
praktisch ist, um identische Elemente zu bezeichnen, die die Figuren
gemeinsam haben.
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Wenn
keine gegenteilige Absicht erscheint, beziehen sich bei der folgenden
Anmeldung die folgenden Ausdrücke
auf die angegebenen Charakteristika. Ein „Biopolymer" ist ein Polymer
eines oder mehrerer Typen von sich wiederholenden Einheiten. Biopolymere
sind typischerweise in biologischen Systemen zu finden (obwohl dieselben
synthetisch hergestellt sein können)
und umfassen insbesondere Peptide oder Polynukleotide, sowie derartige
Verbindungen, die aus Aminosäure-Analoga
oder Nicht-Aminosäuregruppen
oder Nukleotid-Analoga oder Nicht-Nukleotidgruppen gebildet sind
oder dieselben enthalten. Dies umfasst Polynukleotide, bei denen
die herkömmliche
Hauptkette mit einer nicht natürlich
auftretenden oder synthetischen Hauptkette ersetzt wurde, und Nukleinsäuren (oder
synthetische oder natürlich
vorkommende Analoga), bei denen eine oder mehrere der herkömmlichen
Basen mit einer Gruppe (natürlich
oder synthetisch) ersetzt wurde, die zum Teilnehmen an Wasserstoffbrückenbindungs-Interaktionen
vom Watson-Crick-Typ in der Lage ist. Polynukleotide umfassen ein-
oder mehrsträngige
Konfigurationen, wobei einer oder mehrere der Stränge eventuell
nicht vollständig
miteinander ausgerichtet sind. Ein „Nukleotid" bezieht sich auf eine Teileinheit einer
Nukleinsäure
und weist eine Phosphatgruppe, einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen
und eine stickstoffhaltige Base auf, sowie funktionelle Analoga
(ob synthetisch oder natürlich auftretend)
derartiger Teileinheiten, die sich in der Polymerform (als Polynukleotid)
auf eine sequenzspezifische Weise, die analog zu der von zwei natürlich auftretenden
Polynukleotiden ist, mit natürlich auftretenden
Polynukleotiden hybridisieren können. Ein „Biopolymer" umfasst beispielsweise
DNS (einschließlich
cDNS), RNS, Oligonukleotide und PNS und andere Polynukleotide, wie
es in der
US 5,948,902 und
hierin zitierten Referenzen (die alle hierin durch Bezugnahme aufgenommen
sind) beschrieben ist, ungeachtet der Quelle. Ein „Oligonukleotid" bezieht sich allgemein
auf ein Nukleotid-Multimer einer Länge von etwa 10 bis 100 Nukleotiden, während ein „Polynukleotid" ein Nukleotid-Multimer mit
irgendeiner Anzahl von Nukleotiden umfasst. Ein „Biomonomer" bezieht sich auf
eine einzige Einheit, die mit den gleichen oder anderen Biomonomeren verbunden
sein kann, um ein Biopolymer zu bilden (beispielsweise eine einzige
Aminosäure
oder ein Nukleotid mit zwei Verbindungsgruppen, von denen eine oder
beide entfernbare schützende
Gruppen aufweisen können).
Ein „Peptid" wird verwendet,
um sich auf ein Aminosäure-Multimer
irgendeiner Länge zu
beziehen (beispielsweise mehr als 10, 10 bis 100 oder mehr Aminosäure-Einheiten).
Ein Biomonomerfluid oder Biopolymerfluid bezieht sich auf eine Flüssigkeit,
die jeweils entweder ein Biomonomer oder Biopolymer (typischerweise
in Lösung)
enthält.
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Ein „Satz" oder „Teilsatz" irgendeines Elements
(wie beispielsweise eines Satzes von Düsen) kann lediglich eines der
Elemente, oder lediglich zwei oder drei oder irgendeine Anzahl mehrerer
Elemente enthalten. Wenn keine gegenteilige Absicht erscheint, umfasst
ein „Array" eine ein-, zwei- oder dreidimensionale
Anordnung von adressierbaren Regionen, die einen speziellen chemischen
Anteil oder Anteile (z.B. Biopolymere, wie beispielsweise Polynukleotid-Sequenzen) tragen,
die dieser Region zugeordnet sind. Ein Array ist dahingehend „adressierbar", dass dasselbe mehrere
Regionen unterschiedlicher Anteile (z.B. unterschiedliche Polynukleotid-Sequenzen)
aufweist, derart, dass eine Region (ein „Merkmal" oder „Fleck" des Arrays) bei einer speziel len vordefinierten
Position (einer „Adresse") an dem Array ein
spezielles Ziel oder eine Klasse von Zielen erfasst (obwohl ein
Merkmal gelegentlich Nicht-Ziele dieses Merkmals erfassen kann).
Array-Merkmale sind typischerweise durch dazwischenliegende Räume getrennt,
aber müssen
es nicht sein. In dem Fall eines Arrays wird das „Ziel" als ein Anteil in
einer mobilen Phase (typischerweise fluidisch) bezeichnet, der durch
Sonden („Zielsonden") erfasst werden
soll, die bei den verschiedenen Regionen mit dem Substrat verbunden
sind. Entweder das „Ziel" oder die „Zielsonden" können jedoch
das sein, was durch das andere ausgewertet werden soll (somit könnte eines
eine unbekannte Mischung aus Polynukleotiden sein, die durch ein
Verbinden mit dem anderen ausgewertet werden soll). Ein „Array-Layout" bezieht sich allgemein
auf eine oder mehrere Charakteristika der Merkmale, wie beispielsweise
eine Merkmalspositionierung, eine oder mehrere Merkmalsabmessungen
und eine bestimmte Angabe eines Anteils bei einer gegebenen Position. „Hybridisierend" und „bindend" werden mit Bezug auf
Polynukleotide austauschbar verwendet.
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Wenn
ein Element als von einem anderen „entfernt" angegeben ist, bezieht sich dies darauf, dass
sich die zwei Elemente zumindest in unterschiedlichen Gebäuden befinden
und zumindest eine Meile, 10 Meilen oder zumindest 100 Meilen beabstandet
sein können. „Kommunizieren" von Informationen
bezieht sich auf ein Übertragen
der Daten, die diese Informationen darstellen, als elektrische Signale über einen
geeigneten Kommunikationskanal (z.B. ein privates oder öffentliches
Netzwerk). „Weiterleiten" eines Elements bezieht
sich auf irgendeine Einrichtung zum Schaffen dieses Elements von
einer Position zu der nächsten,
ob durch ein physisches Transportieren dieses Elements oder anderweitig (wo
dies möglich
ist), und umfasst zumindest in dem Fall von Daten ein physisches
Transportieren eines Mediums, das die Daten trägt, oder ein Kommunizieren
der Daten.
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Es
ist ferner ersichtlich, dass überall
in der vorliegenden Anmeldung Wörter
wie beispielsweise „Ober-", „oberes" und „unteres" lediglich in einem
relativen Sinn verwendet werden. „Fluid" wird hierin verwendet, um sich auf
eine Flüssigkeit
zu beziehen. Ein Bezug auf ein Element im Singular umfasst die Möglichkeit,
dass mehrere des gleichen Elements vorhanden sind. Wenn ferner ein
Gegenstand bezüglich
eines anderen „bewegt" wird, „sich bewegt", „umpositioniert
wird", „abgetastet
wird" oder dergleichen, impliziert
dies lediglich eine Relativbewegung, derart, dass ein Gegenstand
oder beide tatsächlich
mit Bezug auf den anderen bewegt werden könnten. Wenn beispielsweise
Spender relativ zu einem Substrat „bewegt" werden, können tatsächlich entweder die Spender
oder das Substrat durch das Transportsystem in Bewegung versetzt
werden, während
das andere stillgehalten wird, oder es können beide in Bewegung versetzt
werden. Alle Patente und anderen zitierten Referenzen sind in diese
Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.
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Zuerst
unter Bezugnahme auf 1–3 erzeugen
oder verwenden typischerweise Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden
Erfindung ein zusammenhängendes
planares Substrat 10, das eines oder mehrere Arrays 12 trägt, die über eine
vordere Oberfläche 11a des
Substrats 10 angeordnet und durch Zwischenarraybereiche 13 getrennt
sind. Eine Rückseite 11b des
Substrats 10 trägt
keine Arrays 12. Die Arrays auf dem Substrat 10 können zum Testen
mit Bezug auf irgendeinen Typ einer Probe entworfen sein, ob eine
Versuchsprobe, eine Referenzprobe, eine Kombination derselben oder
eine bekannte Mischung von Polynukleotiden (in welchem letzteren
Fall die Arrays aus Merkmalen gebildet sein können, die unbekannte Sequenzen
tragen, die ausgewertet werden sollen). Während in 5 zehn
Arrays 12 gezeigt sind und die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele,
die unten beschrieben sind, Substrate mit speziellen Anzahlen von
Arrays verwenden können,
ist klar, dass das Substrat 10 und die Ausführungsbeispiele,
die mit demselben verwendet werden sollen, irgendeine Anzahl von
erwünschten Arrays 12 verwenden
können.
Gleichermaßen
kann das Array 10 irgendeine Form aufweisen und irgendeine
Vorrichtung, die bei demselben verwendet wird, demgemäss angepasst
sein. Abhängig
von einer beabsichtigten Verwendung können irgendwelche oder alle
der Arrays 12 die gleichen oder voneinander unterschiedlich
sein und enthalten jeweils mehrere Flecke oder Merkmale 16 von
Biopolymeren in der Form von Polynukleotiden. Ein typisches Array kann
mehr als zehn, mehr als einhundert, mehr als eintausend oder zehntausend
Merkmale oder sogar mehr als einhunderttausend Merkmale enthalten. Alle
diese Merkmale 16 können
unterschiedlich sein oder einige oder alle könnten die gleichen sein. In dem
Fall, in dem die Arrays 12 durch die herkömmliche
In-Situ- oder Aufbringung
vorhergehend erhaltener Anteile, wie es oben beschrieben ist, durch
ein Aufbringen eines Tröpfchens
einer Reagenz für
jedes Merkmal in jedem Zyklus, wie beispielsweise durch ein Verwenden
einer Pulsdüse,
wie beispielsweise eines Tintenstrahltyp-Kopfs gebildet sind, sind
typischerweise Zwischenmerkmalsbereiche 17 vorhanden, die
kein Polynukleotid tragen. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Zwischenmerkmalsbereiche 17 verschiedene
Größen und
Konfigurationen aufweisen könnten.
Es ist ferner ersichtlich, dass es keinen Raum geben muss, der die
Arrays 12 voneinander trennt. Jedes Merkmal trägt ein vorbestimmtes
Polynukleotid (was die Möglichkeit
von Mischungen von Polynukleotiden umfasst). Wie gewöhnlich stellen
A, C, G, T die üblichen
Nukleotide dar. Es ist klar, dass es ein Verbinder-Molekül bzw. Binder-Molekül (Linker-Molekül) (nicht
gezeigt) irgendwelcher bekannter Typen zwischen der vorderen Oberfläche 11a und dem
ersten Nukleotid geben kann.
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Für die Zwecke
der Erörterungen
unten wird angenommen (wenn nicht das Gegenteil angegeben ist),
dass das Array, das in irgendeinem Fall gebildet wird, ein Polynukleotid-Array
ist, das durch die Aufbringung vorhergehend erhaltener Polynukleotide unter
Verwendung von Pulsdüsenaufbringungseinheiten
gebildet ist. Die Anwendbarkeit des Verfahrens auf Arrays anderer
Polymere oder chemischer Anteile im Allgemeinen jedoch, ob durch
Mehrfachzyklus-In-Situ-Verfahren
oder eine Aufbringung vorhergehend erhaltener Anteile oder unter
Verwendung anderer Typen von Spendern gebildet, ist aus diesen Erörterungen
ersichtlich.
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Mit
Bezug auf 4 ist ein Betrieb eines
Verfahrens der vorliegenden Erfindung dargestellt. 4 ist
eine Ansicht von oben nach unten blickend (unter Verwendung der
Ausrichtung von 6) zu einem Kopfsystem 210 und
dem Substrat 10 hin (in 4 zu
einer Klarheit nicht gezeigt), auf dem ein Array gefertigt werden
soll. Das Kopfsystem 210 weist zwei Köpfe 210a und 210b auf.
In 4 ist jeder Kopf 210a und 210b mit
fünfzehn
parallelen Zeilen und zwei Spalten (alle parallel) von Spendern
dargestellt. Wie es jedoch unten in Verbindung mit 6 beschrieben
ist, kann jeder Kopf in der Praxis viel mehr Zeilen und Spalten
aufweisen, obwohl die Anzahl von Zeilen und Spalten in 4 und 5 zu
Klarheitszwecken niedrig gehalten wurde. In 4 ist
jeder Spender durch den tropfenabgebenden Auslaß desselben (die Tropfenauslassöffnung beispielsweise
bei einer entsprechenden Pulsdüse),
der durch einen hohlen Kreis dargestellt ist. Aufgebrachte Tröpfchen sind
durch ausgefüllte
schwarze Kreise dargestellt. Da, wie es unten in Verbindung mit 6 beschrieben
ist, die Köpfe 210a und 210b beide
an dem gleichen Kopfhalter 208 befestigt sind, werden alle Tropfenspender
durch das Transportsystem (siehe 6) im Einklang
bewegt. Diese Tropfenspender sind als Gruppen A, B, C, D und E in 4 identifiziert, wobei jede Gruppe jeweils
drei Zeilen von Spendern x, y und z in vier Spalten 1, 2, 3 und
4 aufweist. Es ist jedoch klar, dass es möglich ist, dass jede Gruppe
lediglich eine Spalte von Spendern aufweisen kann (d.h. jede Gruppe
kann lediglich drei Spender aufweisen). Die Mitte-zu-Mitte-Beabstandung
von Zeilen von Spendern innerhalb einer Gruppe ist für alle Gruppen
gleich. Bei der Erörterung
von 4 und 5 ist
jeder spezielle Tropfenspender durch die Gruppennummer desselben
gefolgt durch eine Zeilen- und eine Spaltennummer bezeichnet. Zum Beispiel
bezieht sich ein Tropfenspender Ay1 auf
den Spender in der Gruppe A, der Zeile y, der Spalte 1 und bezieht
sich ein Tropfenspender By2 auf den Tropfenspender
in der Gruppe B, der Zeile y, der Spalte 2. Jede Gruppe A, B, C,
D, E weist vier Reihen von Spendern auf, wobei jede Reihe die drei
Spender in einer Spalte ist. Spender jeder Reihe kommunizieren mit
einem gemeinsamen Reservoir für
diese Reihe und somit sind in Betrieb Spender einer gleichen Reihe
mit dem gleichen Fluid geladen, wie es unten beschrieben ist.
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In
der folgenden Erörterung
wird die Zeile y jeder Gruppe als eine erste Zeile betrachtet, wobei die
Zeile x eine zweite Zeile in jeder Gruppe ist (und die Zeile z eine
dritte Zeile ist). Eine Bezeichnung von Zeilen als „erste", „zweite", „dritte" und dergleichen
ist jedoch lediglich eine beliebige Namensgebung lediglich zu Identifikationszwecken
und impliziert nicht, dass die Zeilen in der physischen Sequenz
von erste, zweite und dritte nacheinander sind. Eine derartige Namensgebung
impliziert auch nicht, dass während eines
Betriebs des Verfahrens die „erste" Zeile zuerst Tropfen
abgeben sollte, gefolgt durch die „zweite" Zeile. Anstelle dessen kann die Reihenfolge
eines Abgebens von den Zeilen in irgendeiner zweckmäßigen Reihenfolge
sein, wobei z.B. die „zweite" Zeile Tropfen vor
der „ersten" Zeile abgibt. Die
Identifikation von Zeilen impliziert jedoch, dass, wenn eine gegebene
benannte Zeile (oder ein Spender innerhalb einer Zeile) einer Gruppe
für eine
Bewegung entlang einem ausgewählten
Weg AS bis ES für diese
Gruppe ausgerichtet ist, die gleiche benannte Zeile (oder der Spender)
der anderen Gruppen simultan für
eine Bewegung entlang den jeweiligen ausgewählten Wegen für die Gruppen
derselben ausgerichtet sind. Wenn beispielsweise die zweite Zeile
der Gruppe A entlang dem ausgewählten
Weg AS für
die Gruppe A bewegt wird, wird die zweite Zeile der Gruppen B, C,
D und E simultan entlang den ausgewählten Wegen der jeweiligen
Gruppen derselben bewegt. Derartige ähnlich benannte Zeilen (oder
Spender) sind deshalb entsprechende Zeilen (oder Spender) unterschiedlicher
Gruppen. Ein Abgeben aller Tröpfchen
in dem erforderlichen Muster entlang aller ausgewählter Wege
resultiert in zumindest einem Abschnitt des Zielarrays. Gleichermaßen ist
ein Bezug auf eine Gruppe als die „erste", „zweite" oder dergleichen
lediglich eine beliebige Bezeichnung und impliziert nicht, dass
die Gruppen sich räumlich
mit Bezug aufeinander in irgendeiner Sequenz befinden.
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Wenn
das Transportsystem das Kopfsystem 210 in einer geraden
Linie in die Richtung irgendeines der parallelen Wege AS bis
ES bewegt, folgen in 4 die
unterschiedlichen Zeilen von Spendern jeweiligen parallelen Wegen über das
Substrat, die sich in die Richtung erstrecken. Während eines Betriebs des Transportsystems
gibt jedoch ein Prozessor 140 (6) lediglich
Tröpfchen
von Spendern (durch ein Steuern eines Spenderbetriebs) in einem Muster
entlang dem ausgewählten
Weg AS bis ES für jede Gruppe
ab. Der ausgewählte
Weg sind die Wege, die das Array bilden, wenn Tropfen entlang demselben
in dem erforderlichen Muster abgegeben werden. In 4A wurde
das Kopfsystem 210 anfänglich
positioniert, so dass die ersten Zeilen Ay,
By, Cy, Dy, Ey mit jeweiligen
ausgewählten
Wegen AS bis ES ausgerichtet
sind (d.h. dieselben werden entlang den Wegen AS bis
ES auf eine Aktivierung des Transportsystems
hin bewegt). Der Prozessor 140 hat jedoch einen Fehler
in einer ersten Zeile y der ersten Gruppe A identifiziert, während keine
Fehler bei irgendwelchen der Spender der zweiten Reihe identifiziert
wurden. Genauer gesagt gibt der Spender Ay1
kein Tröpfchen
ab, wenn derselbe dies tun soll. Bei der Position des Kopfsystems 210,
die in 4A gezeigt ist, wäre, falls
zwei Widerholungen eines Abgebens von dem Kopfsystem 210 während eines
Betriebs des Transportsystems durchgeführt werden sollten, das Ergebnis
ein Array, das in 4A gezeigt ist, mit zwei Sätzen von
aufgebrachten Tropfen (jeweils mit Spalten 1–4) und bei dem keine Tropfen
bei den zwei Positionen A1 aufgebracht wurden.
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Um
das vorhergehende Problem zu vermeiden, positioniert der Prozessor 140 das
Kopfsystem 210 vor einem Abgeben von Tropfen, wie es in 4B gezeigt
ist, wobei die zweiten Zeilen mit jeweiligen ausgewählten Wegen
AS bis ES ausgerichtet sind.
Der Prozessor 140 aktiviert dann das Transportsystem, derart,
dass die zweite Zeile x jeder Gruppe entlang dem ausgewählten Weg
für die
Gruppe derselben bewegt wird, während
Tröpfchen
von jeder zweiten Zeile x der Gruppen A, B, C, D und E in dem ganzen
Muster für
den ausgewählten
Weg der ersten Gruppe abgegeben werden. Wie in 4A können zwei
Widerholungen eines Abgebens von dem Kopfsystem 210 durchgeführt werden,
um das vollständige
Array zu erhalten, wie es in 4B dargestellt
ist. In 4B werden dann Tröpfchen von
jeder der zweiten Zeilen x jeder der Gruppen in dem kompletten Muster
für den
ausgewählten
Weg der entsprechenden Gruppe abgegeben. Dadurch, dass der Prozessor 140 nach
einem Identifizieren des Fehlers bei dem Spender Ay1
die zweiten Zeilen x entlang der ausgewählten Wege AS bis
ES bewegt, anstelle eines Verwendens der
ersten Zeilen y, werden Fehler in dem Array vermieden, die weitere
Durchläufe
des Kopfs 210 über
der gleichen Region des Substrats erfordern könnten, um zu korrigieren. Da
ferner Spender einer gleichen Reihe in jeder Gruppe mit dem gleichen
Fluid geladen sind, ist ein Neuladen des Kopfsystems nicht erforderlich,
um Spenderfehler zu kompensieren.
-
Das
in 4 dargestellte Verfahren stellt
den einfachen Fall dar, bei dem es keine fehlerhaften Spender in
allen der zweiten Zeilen Ax, Bx,
Cx, Dx und Ex gibt. Wenn es jedoch in der Praxis erwünscht ist, ein
Kopfsystem mit einer viel größeren Anzahl
von Zeilen zu verwenden, ist es weniger wahrscheinlich, dass alle
Spender in der entsprechenden Zeile keine Fehler aufweisen. Ein
Betrieb eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung in einer derartigen
Situation ist in 5 unter Verwendung
des gleichen Kopfsystems in 4 dargestellt.
Zur Einfachheit sind keine Aufbringungswiederholungen in 5 dargestellt. In 5 wurden
die folgenden Spender in den ersten Zeilen y als fehlerhaft identifiziert:
Ay1, By3, Cy2, Dy1, Ey1 und Ey3. Zusätzlich wurde
in 5 herausgefunden, dass zumindest
einer oder mehrere Spender in zumindest einer oder mehrerer der
zweiten Zeilen y zusätzlich
fehlerhaft sind, so dass es nicht möglich ist, das in Verbindung
mit 4 beschriebene Verfahren zu verwenden.
In dieser Situation, wie es in 5 dargestellt
ist, werden die erste Zeile y und die zweite Zeile x jeder Gruppe
A, B, C, D, E abwechselnd entlang dem ausgewählten Weg für diese Gruppe bewegt, während Tröpfchen von
nicht fehlerhaften Spendern der ersten und der zweiten Zeile jeder
Gruppe in unterschiedlichen Teilen des Musters für den ausgewählten Weg
für die
jeweiligen Gruppen abgegeben werden. Insbesondere sind in 5A die
ersten Zeilen Ay, By,
Cy, Dy, Ey mit den ausgewählten Wegen AS bis
ES ausgerichtet und werden entlang dieser
Wege mit Bezug auf das Substrat bewegt, während Tropfen von nicht fehlerhaften Spendern
in den ersten Zeilen der Gruppen gemäß einem Teil des Musters für diese
Gruppen abgegeben werden, wie es in 5A dargestellt
ist. Das Kopfsystem 210 kann dann neu positioniert werden, derart,
dass die zweiten Zeilen Ax, Bx,
Cx, Dx, Ex mit ausgewählten Wegen AS bis
ES ausgerichtet sind. Die zweiten Zeilen
Ax, Bx, Cx, Dx, Ex werden
dann entlang ausgewählter
Wege AS bis ES mit
Bezug auf das Substrat bewegt, während
Tropfen von nicht fehlerhaften Spendern in den zweiten Zeilen der
Gruppen gemäß einem
Teil des Musters für
diese Gruppen abgegeben werden, wie es in 5B dargestellt
ist.
-
Während in 5 lediglich erste und zweite Zeilen der
Gruppen verwendet werden, um das Muster für diese Gruppen abzuschließen, ist
es ersichtlich, dass dieses Konzept erweitert werden kann, um andere
zusätzliche
Zeilen zu verwenden, wenn fehlerhafte Spender identifiziert werden,
derart, dass die erste und die zweite Zeile nicht das Muster für alle Gruppen
abschließen
können.
-
Es
ist zu beachten, dass bei den Verfahren von 4 und 5 die Spalten aufgebrachter Tröpfchen 1–4 enger
aneinander beabstandet sind als die Spalten 1–4 jeweiliger Spender (die
abgegebenen Tropfenspalten sind relativ zu den jeweiligen Spendern „komprimiert"). Diese Verringerung
bei einer Beabstandung aufgebrachter Tropfen in eine Bewegungsrichtung
des Kopfsystems wird bei Pulsdüsenspendern
ohne weiteres dadurch erhalten, dass der Prozessor 140 eine
Spenderbetätigung
korrekt zeitlich steuert, wenn sich das Kopfsystem 210 über das Substrat
bewegt. Eine derartige Komprimierung ermöglicht, dass Arrays mit einer
Beabstandung aufgebrachter Tropfen in der Richtung einer Kopfbewegung
gemessen von der Beabstandung der jeweiligen Spender, die dieselben
aufbrachten, unabhängig sind.
-
Mit
Bezug auf 6 umfasst eine Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung eine Substratstation 20, an der
ein Substrat 10 befestigt sein kann. Stifte oder eine ähnliche
Einrichtung (nicht gezeigt) können an
der Substratstation 20 vorgesehen sein, durch die das Substrat 10 näherungsweise
zu einer Nominalposition an derselben ausgerichtet wird. Die Substratstation 20 kann
eine Vakuumeinspannvorrichtung umfassen, die mit einer geeigneten
Vakuumquelle (nicht gezeigt) verbunden ist, um ein Substrat 10 zu halten,
ohne zu viel Druck auf dasselbe auszuüben, da das Substrat 10 häufig aus
Glas hergestellt ist.
-
Ein
Abgabekopfsystem 210 ist durch einen Kopfhalter 208 gehalten.
Das Kopfsystem 210 kann bei irgendeiner Position, die dem
Substrat 10 zugewandt ist, mittels eines Transportsystems
positioniert werden. Das Transportsystem umfasst einen Wagen 62,
der mit einem ersten Transporter 60, der durch den Prozessor 140 durch
eine Leitung 66 gesteuert ist, und einem zweiten Transporter 100 verbunden ist,
der durch den Prozessor 140 durch eine Leitung 106 gesteuert
ist. Der Transporter 60 und der Wagen 62 werden
verwendet, um eine Einachsenpositionierung der Station 20 (und
daher des befestigten Substrats 10), die dem Abgabekopfsystem 210 zugewandt
ist, durch ein Bewegen derselben in die Richtung einer nominalen
Achse 63 auszuführen,
während
der Transporter 100 verwendet wird, um eine Einstellung
der Position des Kopfhalters 208 in eine Richtung der nominalen
Achse 204 bereitzustellen (und daher die Zeilen von Spendern
zu bewegen, wie es in Verbindung mit 4 und 5 beschrieben ist). Auf diese Weise kann
das Kopfsystem 210 Zeile für Zeile abgetastet werden durch
ein Abtasten entlang einer Linie über dem Substrat 10 in
die Richtung einer Achse 204 unter Verwendung des Transporters 100,
während
durch den Transporter 60 eine Bewegung des Substrats 10 Zeile
für Zeile
in eine Richtung der Achse 63 bereitgestellt wird. Das
Kopfsystem 210 kann ferner optional durch einen anderen
geeigneten Transporter (nicht gezeigt) in eine vertikale Richtung 202 bewegt
werden. Es ist jedoch ersichtlich, dass andere Abtastkonfigurationen
verwendet werden könnten.
Es ist jedoch ersichtlich, dass beide Transporter 60 und 100 oder
einer derselben bei einem geeigneten Aufbau verwendet werden könnte, um
das vorhergehende Abtasten des Kopfsystems 210 mit Bezug
auf das Substrat 10 durchzuführen. Wenn somit die vorliegende
Anmeldung auf ein „Positionieren" eines Elements (wie
beispielsweise des Kopfsystems 210) mit Bezug auf ein anderes
Element (wie beispielsweise eine der Stationen 20 oder
das Substrat 10) Bezug nimmt, ist klar, dass irgendein
erforderliches Bewegen durch ein Bewegen eines Elements oder einer
Kombination von beiden derselben erzielt werden kann. Ein Codierer 30 kommuniziert mit
dem Prozessor 140, um Daten über die exakte Position der
Substratstation 20 (und deshalb des Substrats 10,
falls dasselbe korrekt an der Substratstation 20 positioniert
ist) zu liefern, während
ein Codierer 34 Daten über
die exakte Position eines Halters 208 (und daher des Kopfsystems 210,
falls dasselbe korrekt an dem Halter 208 positioniert ist) liefert.
Es kann irgendein geeigneter Codierer, wie beispielsweise ein optischer
Codierer verwendet werden, der Daten über eine lineare Position liefert. Eine
Winkelpositionierung der Substratstation 20 ist durch einen
Transporter 120 bereitgestellt, der die Substratstation 20 um
die Achse 202 unter einer Steuerung des Prozessors 140 drehen
kann. Typischerweise wird die Substratstation 20 (und daher ein
befestigtes Substrat) durch den Transporter 120 unter der
Steuerung des Prozessors 140 ansprechend auf eine beobachtete
Winkelposition des Substrats 10 gedreht, wie dieselbe durch
den Prozessor 140 durch ein Betrachten einer oder mehrerer
Justiermarken auf dem Substrat 10 (besonders Justiermarken 18)
mit einer Kamera (nicht gezeigt) bestimmt wird. Diese Drehbewegung
geht weiter, bis das Substrat 10 eine vorbestimmte Winkelbeziehung mit
Bezug auf das Abgabekopfsystem 210 erreicht hat. In dem
Fall eines quadratischen oder rechteckigen Substrats wird das befestigte
Substrat 10 typischerweise gedreht, um eine Kante (Länge oder
Breite) mit der Abtastrichtung des Kopfsystems 210 entlang
der Achse 204 auszurichten.
-
Das
Kopfsystem 210 kann einen oder mehrere (z.B. zwei) Köpfe aufweisen,
die an dem gleichen Kopfhalter 208 befestigt sind, jeder
derartige Kopf kann eines Typs sein, der häufig bei einem Tintenstrahltyp
eines Druckers verwendet wird, und kann z.B. 150 Tropfenabgabeöffnungen
in jeder von zwei parallelen Zeilen, sechs Kammern zum Halten einer
Polynukleotidlösung,
die mit den dreihundert Öffnungen
kommuniziert, und dreihundert Auswurfvorrichtungen aufweisen, die
in den Kammern gegenüber
einer entsprechenden Öffnung
positioniert sind. Jede Auswurfvorrichtung ist in der Form eines elektrischen
Widerstands, der als ein Heizelement unter der Steuerung des Prozessors 140 wirksam
ist (obwohl piezoelektrische Elemente anstelle dessen verwendet
werden könnten).
Jede Öffnung
mit der zugeordneten Auswurfvorrichtung derselben und einem Abschnitt
der Kammer definiert eine entsprechende Pulsdüse, wobei die Öffnung als
eine Düse wirkt.
Somit gibt es dreihundert Pulsdüsen
bei dieser Konfiguration, obwohl ersichtlich ist, dass das Kopfsystem 210 z.B.
mehr oder weniger Pulsdüsen
aufweisen könnte,
wie es erwünscht
ist (z.B. zumindest zehn oder zumindest einhundert Pulsdüsen). Auf
diese Weise bewirkt eine Anlegung eines einzigen elektrischen Pulses
an eine Auswurfvorrichtung, dass ein Tröpfchen von einer entsprechenden Öffnung abgegeben
wird. Bei der vorhergehenden Konfiguration geben typischerweise
etwa zwanzig Öffnungen
in jeder Gruppe von sechs Reservoiren (viele der Öffnungen
sind unbenutzt und mit Klebstoff zugestopft) das gleiche Fluid ab.
Somit weist jede „Reihe" bei einer derartigen
Konfiguration zwanzig Spender auf. Bestimmte Elemente jedes Kopfs
können
aus Teilen einer im Handel erhältlichen
thermischen Tintenstrahldruckkopfvorrichtung angepasst sein, die
von Hewlett-Packard Co. als ein Teil Nr. HP51645A erhältlich ist.
Das vorhergehende Kopfsystem 210 und andere geeignete Abgabekopfentwürfe sind
detaillierter in der US-Patentanmeldung
mit dem Titel „A
MULTIPLE RESERVOIR INK JET DEVICE FOR THE FABRICATION OF BIOMOLECULAR
ARRAYS", US-Patent Nr. 6,461,812,
eingereicht am 9. September 1998 beschrieben. Es können jedoch
andere Kopfsystemkonfigurationen verwendet werden.
-
Wie
es auf dem Tintenstrahldruckergebiet gut bekannt ist, kann die Menge
an Fluid, die bei einem einzigen Aktivierungsereignis einer Pulsdüse ausgestoßen wird,
durch ein Verändern
eines oder mehrerer einer Anzahl von Parametern gesteuert werden,
einschließlich
des Öffnungsdurchmessers, der Öffnungslänge (Dicke
des Öffnungsbauglieds
bei der Öffnung),
der Größe der Aufbringungskammer und
der Größe des Heizelements
unter anderem. Die Menge an Fluid, die während eines einzigen Aktivierungsereignisses
ausgestoßen
wird, liegt allgemein im Bereich von etwa 0,1 bis 1000 pL, gewöhnlich etwa
0,5 bis 500 pL und gewöhnlicher
etwa 1,0 bis 250 pL. Eine typische Geschwindigkeit, mit der das Fluid
aus der Kammer ausgestoßen
wird, beträgt mehr
als etwa 1 m/s, gewöhnlich
mehr als etwa 10 m/s und kann sogar 20 m/s oder mehr betragen. Wie es
ersichtlich ist, wird, falls die Öffnung sich mit Bezug auf die
Empfangsoberfläche
zu der Zeit, zu der eine Auswurfvorrichtung aktiviert wird, in Bewegung befindet,
der tatsächliche
Aufbringungsort des Materials nicht die Position sein, die in dem
Moment einer Aktivierung in einer Sichtlinienbeziehung zu der Öffnung steht,
sondern wird eine Position sein, die für die gegebenen Abstände und
Geschwindigkeiten voraussagbar ist.
-
Die
Größen der
Merkmale können
Breiten (d.h. Durchmesser für
einen runden Fleck) in dem Bereich von einem Minimum von etwa 10 μm bis zu einem
Maximum von etwa 1,0 cm aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen
sehr kleine Fleckgrößen oder
Merkmalsgrößen erwünscht sind,
kann ein Material gemäß der Erfindung
in kleinen Flecken aufgebracht werden, deren Breite in dem Bereich
von etwa 1,0 μm
bis 1,0 mm, gewöhnlich
etwa 5,0 μm
bis 500 μm
und gewöhnlicher
etwa 10 μm
bis 200 μm liegt.
Fleckgrößen können wie
gewünscht
durch ein Verwenden eines oder einer erwünschten Anzahl von Pulsen von
einer Pulsdüse
eingestellt werden, um die erwünschte
endgültige
Fleckgröße zu liefern.
-
Die
Vorrichtung umfasst ferner einen Sensor in der Form einer Kamera 304,
um Spender auf Fehler (wie beispielsweise ein Nicht-Abgeben von
Tröpfchen)
hin durch ein Überwachen
auf das Substrat 10 abgegebene Tropfen hin zu überwachen,
wenn dasselbe von einem Spender verlangt wird. Die Kamera 304 kommuniziert
mit dem Prozessor 140 und sollte eine Auflösung aufweisen,
die eine Pixelgröße von etwa
1 bis 100 Mikrometern und typischer etwa 4 bis 20 Mikrometern oder
sogar 1 bis 5 Mikrometern liefert. Irgendeine geeignete analoge
oder digitale Bildaufnahmeeinrichtung (einschließlich eines Linie-für-Linie-Scanners
bzw. Abtastgeräts)
kann für eine
derartige Kamera verwendet werden, obwohl, falls eine analoge Kamera
verwendet wird, der Prozessor 140 einen geeigneten Analog-/Digital-Wandler
umfassen sollte. Eine detaillierte Anordnung und Verwendung einer
derartigen Kamera, um auf Spenderfehler hin zu überwachen, ist in dem US-Patent Nr.
6,232,072 mit dem Titel „Biopolymer
Array Inspection" von
William D. Fisher beschrieben. Spezielle Beobachtungstechniken sind
z.B. in dem ebenfalls anhängigen
GB-Patent Nr. 2388601, eingereicht am 30. April 1999 von Caren et
al., das an die gleiche Anmelderin wie die vorliegende Erfindung übertragen ist,
beschrieben.
-
Alternativ
kann der Sensor ein Tropfendetektor sein, der eine elektrische Ladung
an einem abgegebenen Tropfen erfasst, gemäß den Vorrichtungen und Verfahren,
die in der US o9/558,532 mit dem Titel „Array Fabrication with Drop
Detection", eingereicht durch
Christopher A. Schantz u.a. beschrieben sind. Ein Überwachen
kann während
einer Bildung eines Arrays auftreten und die Informationen, die
während einer
Fertigung des Rests dieses Arrays oder eines anderen Arrays verwendet
werden, oder Testdruckmuster können
vor einer Arrayfertigung ausgeführt werden.
Eine Anzeige 310, ein Lautsprecher 314 und ein
Bedienperson-Eingabegerät 312 sind
ferner vorgesehen. Das Bedienperson-Eingabegerät 312 kann z.B. eine
Tastatur, eine Maus oder dergleichen sein. Der Prozessor 140 weist
einen Zugriff auf einen Speicher 141 auf und steuert das
Druckkopfsystem 210 (genauer gesagt die Aktivierung der
Auswurfvorrichtungen in demselben), einen Betrieb des Transportsystems,
einen Betrieb jeder Düse
in dem Druckkopfsystem 210, eine Aufnahme und Auswertung
von Bildern von der Kamera 304 und die Betriebsanzeige 310 und
den Lautsprecher 314. Der Speicher 141 kann irgendeine
geeignete Vorrichtung sein, in der der Prozessor 140 Daten
speichern und wiedererlangen kann, wie beispielsweise Magnet-, Optik-
oder Festkörperspeicherungsvorrichtungen
(einschließlich
Magnet- oder Optikplatten oder ein Band oder einen RAM oder irgendeine
andere geeignete Vorrichtung, entweder fest oder tragbar). Der Prozessor 140 kann
einen allgemeinen digitalen Mikroprozessor umfassen, der geeignet
von einem computerlesbaren Medium programmiert ist, das einen notwendigen Programmcode
trägt,
um alle die Funktionen auszuführen,
die von demselben verlangt werden, wie es unten beschrieben ist.
Es ist jedoch klar, dass, wenn auf einen „Prozessor" wie beispielsweise den Prozessor 140 überall in
dieser Anmeldung Bezug genommen wird, derart irgendeine Hardware-
und/oder Softwarekombination umfasst, die die erforderlichen Funktionen
durchführt.
Eine geeignete Programmierung kann entfernt zu dem Prozessor 140 geliefert werden
oder vorhergehend in einem Computerprogrammprodukt gesichert werden,
wie beispielsweise dem Speicher 141 oder einem gewissen
anderen tragbaren oder festen computerlesbaren Speicherungsmedium,
das irgendeine dieser Vorrichtungen verwendet, die unten in Verbindung
mit dem Speicher 141 erwähnt sind. Zum Beispiel kann
eine Magnet- oder eine Optikplatte 324 die Programmierung
tragen und kann durch einen Plattenleser 326 gelesen werden.
-
Ein
Betrieb der Vorrichtung von 6 gemäß einem
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zuerst
wird angenommen, dass der Speicher 141 ein Zieltreibermuster
hält. Dieses
Zieltreibermuster ist die Anweisungen zum Treiben der Vorrichtungskomponente,
wie es erforderlich ist, um das Zielarray (das Zielpositionen und
eine Abmessung für
jeden Fleck umfasst) auf dem Substrat 10 zu bilden, und
umfasst z.B. Bewegungsbefehle zu den Transportern 60 und 100 sowie
Abfeuerungsbefehle für
jede der Pulsdüsen
in dem Kopfsystem 210 koordiniert mit der Bewegung des
Kopfsystems 210 und des Substrats 10 sowie Anweisungen
dafür,
welche Polynukleotidlösung
(oder Vorläufer)
in jeder Pulsdüse
geladen werden solle (d.h. das „Lademuster"). Dieses Zieltreibermuster
basiert auf dem Zielarraymuster und kann entweder von einer geeigneten Quelle
(wie beispielsweise dem Eingabegerät 312, einem tragbaren
magnetischen oder optischen Medium oder von einem entfernten Server,
die jeweils mit dem Prozessor 140 kommunizieren) eingegeben worden
sein oder kann durch den Prozessor 140 basierend auf einem
eingegebenen Zielarraymuster (unter Verwendung irgendeiner der vorhergehend
erwähnten
geeigneten Quellen) und der vorhergehend erwähnten Nominalbetriebsparameter
der Vorrichtung bestimmt worden sein. Ferner wird angenommen, dass
Tropfen eines unterschiedlichen Biomonomers oder Biopolymers, das
Fluide (oder andere Fluide) enthält,
bei jeweiligen Regionen einer Ladestation (nicht gezeigt) platziert
wurden. Ein Betrieb der folgenden Sequenzen wird nach einer anfänglichen Bedienperson-Aktivierung durch
den Prozessor 140 gesteuert, wenn keine gegenteilige Angabe
erscheint.
-
Für irgendein
gegebenes Substrat 10 ist der Betrieb im Grunde wie folgt:
(i) ein Zieltreibermuster bestimmen (falls nicht bereits bereitgestellt),
um ein Zielarraymuster zu erhalten, basierend auf Nominalbetriebsparametern
und einem Ziel-Polynukleotid-Arraymuster; (ii) Daten von dem Sensor
auf Fehler bei dem Betrieb der Spender hin auswerten (z.B. ein Spender
gibt auf einen Befehl hin keinen Tropfen ab); (iii) falls es keinen
Fehler bei einem oder mehreren Betriebsparametern gibt, dann wird
die Vorrichtung gemäß dem Zieltreibermuster
betrieben; (iv) falls es einen Fehler bei einem oder mehreren Spendern gibt,
dann leitet der Prozessor 140 basierend auf dem Fehler
ein korrigiertes Treibermuster von den Zielmustern ab, derart, dass
ein Abfeuern durch fehlerhafte Spender durch ein Abfeuern von nicht
fehlerhaften Spendern gemäß den bereits
oben beschriebenen Verfahren ersetzt wird. Es ist zu beachten, dass
ein korrigiertes Treibermuster entweder anfänglich vor einem Abgeben von
Tröpfchen,
um das Array zu fertigen, bestimmt werden kann, oder während einer
Bildung eines Arrays, wenn unterschiedliche Spenderfehler erfasst
werden, bestimmt (und kontinuierlich korrigiert) werden kann. Das
Zieltreibermuster kann in einem Speicher gesichert werden oder nur während der
tatsächlichen
Arrayfertigung abgeleitet werden und als Anweisungen direkt zu den
Vorrichtungskomponenten gesendet werden.
-
Es
ist ersichtlich, dass irgendeine Diskrepanz zwischen einem Nominalspenderparameter und
einem tatsächlichen
Parameter optional lediglich als ein „Fehler" klassifiziert werden kann, falls dieselbe
einen vorbestimmten Schwellenwert einhält oder überschreitet. Spezielle Beispiele
von Spenderfehlern, die bei der Vorrichtung von 6 auftreten
können,
umfassen eines oder mehrere der Folgenden:
- 1.
Ein Spender feuert auf einen Befehl hin nicht ab oder gibt einen
Tropfen ab, der ein unzufriedenstellendes Volumen aufweist.
- 2. Ein Spender gibt einen Tropfen bei einer fehlplatzierten
Position ab (z.B. aufgrund dessen, dass der Spender in einem Winkel
von der erwarteten Bahn abfeuert).
-
Die
Vorrichtung wird dann wie folgt betrieben: (a) das Kopfsystem 210 mit
einem ersten Satz eines Polynukleotids laden, das Lösungen oder
die Vorläufer
derselben enthält
(z.B. kann ein gegebener Kopf in der Lage sein, n unterschiedliche
Bauglieder zu halten); (b) Tröpfchen
von dem Kopfsystem 210 auf das Substrat 10 oder
einen Satz von Substraten gemäß dem Ziel-
oder korrigierten Treibermustern abgeben, um das Zielarraymuster
für den
ersten Satz an jedem von mehreren Arrays 12 bereitzustellen; und
(c) die vorhergehende Sequenz beginnend bei dem Schritt (i) mit
einem zweiten Satz und nachfolgenden Sätzen eines Polynukleotids,
das Lösungen oder
die Vorläufer
derselben enthält,
wiederholen, bis alle erforderlichen Lösungen auf das Substrat 10 abgegeben
wurden (falls jedes Array beispielsweise m·n Bauglieder aufweist und
vorgenerierte Polynukleotide abgegeben werden, dann wird die Sequenz m-Mal
wiederholt.
-
Eine
Ladesequenz für
das Kopfsystem 210 ist in den ebenfalls anhängigen Patentanmeldungen „FABRICATING
BIOPOLYMER ARRAYS" durch
Caren u.a., dem US-Patent Nr. 6,323,043 und „PREPARATION OF BIOPOLYMER
ARRAYS" durch A. Schleifer
et al., US-Patent Nr. 6,242,266, beide eingereicht am 30. April
1999 und beide an die gleiche Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung übertragen,
und den in denselben zitierten Referenzen vollständiger beschrieben, einschließlich der
Möglichkeit eines
Verwendens einer flexiblen Mikrotiterplatte, wie es in „Method
and Apparatus for Liquid Transfer", US-Patent Nr. 6,689,323 beschrieben
ist.
-
Es
ist zu beachten, dass, da die Spender jeder Reihe mit dem gleichen
entsprechenden Reservoir für
diese Reihe kommunizieren, die Spender einer gegebenen Reihe wirksam
mit dem gleichen Polynukleotid-Fluid geladen sind. Der Prozessor 140 kann
einen Druck innerhalb des Kopfsystems 210 steuern, um jede
Polynukleotidlösung
durch ein Ziehen derselben durch die Öffnungen in die Kammern in
dem Kopf zu laden, wie es in einer oder mehreren der vorhergehenden
Anmeldungen beschrieben ist.
-
Das
Substrat 10 wird entweder manuell durch eine Bedienperson
oder optional durch einen geeignet automatisierten Treiber (nicht
gezeigt), der beispielsweise durch den Prozessor 140 gesteuert ist,
auf die Substratstation 20 geladen.
-
Die
Aufbringungssequenz wird dann eingeleitet, um die erwünschten
Arrays eines Polynukleotids, das Fluidtröpfchen enthält, auf das Substrat aufzubringen,
um Tropfen auf dem Substrat gemäß dem Zielmuster
jeweils mit jeweiligen Merkmalspositionen und -abmessungen bereitzustellen.
Wie bereits erwähnt,
betreibt bei dieser Sequenz der Prozessor 140 die Vorrichtung
gemäß dem Ziel-
oder korrigierten Treibermuster durch ein Bewirken, dass das Transportsystem
das Kopfsystem 210 der Substratstation 20 und
besonders dem befestigten Substrat 10 zugewandt positioniert
und wobei sich das Kopfsystem 210 in einem geeigneten Abstand
von dem Substrat 10 befindet. Der Prozessor 140 bewirkt dann,
dass das Transportsystem das Kopfsystem 210 über das
Substrat 10 Linie für
Linie (oder in einem gewissen anderen erwünschten Muster) abtastet, während eine
Aktivierung der Auswurfvorrichtungen in dem Kopfsystem 210 koordiniert
wird, um Tröpfchen
wie oben beschrieben abzugeben. Falls es nötig oder erwünscht ist,
kann der Prozessor 140 die Lade- und Abgabesequenz einmal
oder mehrmals wiederholen, bis das Kopfsystem 210 Tröpfchen abgegeben
hat, um die Zielarrays 12 zu erhalten, die auf dem Substrat 10 gebildet
werden sollen. Die Anzahl von Flecken in irgendeinem Array 12 kann
z.B. zumindest zehn, zumindest einhundert, zumindest eintausend
oder sogar zumindest einhunderttausend betragen.
-
An
diesem Punkt ist die Tröpfchenabgabesequenz
abgeschlossen.
-
Wenn
ein Benutzer ein Array empfängt,
das durch eine Vorrichtung oder ein Verfahren der vorliegenden Erfindung
hergestellt ist, wird dasselbe typischerweise einer Probe ausgesetzt
und das Array wird nach einer Aussetzung abgefragt. Eine Abfrage wird
gewöhnlich
durch eine geeignete Abtastvorrichtung erzielt, die die Position
und die Intensität
einer Fluoreszenz bei jedem Merkmal eines Arrays nach einer Aussetzung
gegenüber
einer fluoreszenzmarkierten Probe (wie beispielsweise einer Polynukleotid enthaltenden
Probe) lesen kann. Eine derartige Abtastvorrichtung kann beispielsweise
der GENEARRAY-Abtastvorrichtung ähnlich
sein, die von Hewlett-Packard, Palo Alto, CA erhältlich ist. Ergebnisse aus
der Abfrage können
beispielsweise durch ein Ablehnen einer Ablesung für ein Merkmal,
das unter einer vorbestimmten Schwelle liegt, und oder ein Bilden
von Schlussfolgerungen basierend auf dem Muster, das von dem Array
gelesen wird, verarbeitet werden (wie beispielsweise ob eine spezielle
Zielsequenz eventuell in der Probe vorhanden war oder nicht). Die
Ergebnisse der Abfrage oder Verarbeitung können (beispielsweise durch
eine Kommunikation) zu einer entfernten Position falls erwünscht für eine weitere
Verwendung weitergeleitet werden.
-
Die
vorliegenden Verfahren und Vorrichtungen können verwendet werden, um Biopolymere oder
andere chemische Anteile auf Oberflächen irgendeines einer Vielfalt
unterschiedlicher Substrate aufzubringen, einschließlich sowohl
flexibler als auch starrer Substrate. Bevorzugte Materialien liefern
eine physische Unterstützung
für das
aufgebrachte Material und halten den Bedingungen des Aufbringungsprozesses
und irgendeiner nachfolgenden Behandlung oder Handhabung oder Verarbeitung
stand, die bei der Verwendung des speziellen Arrays eventuell angetroffen
werden. Das Arraysubstrat kann irgendeine einer Vielfalt von Konfigurationen
annehmen, die zwischen einfach und komplex liegen. Somit könnte das
Substrat eine allgemein planare Form aufweisen, wie beispielsweise
eine Objektträger- oder
Plattenkonfiguration, wie beispielsweise ein Rechteck oder ein Quadrat
oder eine Scheibe. Bei vielen Ausführungsbeispielen ist das Substrat
allgemein als ein rechteckiger Festkörper geformt, mit einer Länge in dem
Bereich von etwa 4 mm bis 1 m, gewöhnlich etwa 4 mm bis 600 mm,
gewöhnlicher
etwa 4 mm bis 400 mm; einer Breite in dem Bereich von etwa 4 mm
bis 1 m, gewöhnlich
etwa 4 mm bis 500 mm und gewöhnlicher
etwa 4 mm bis 400 mm; und einer Dicke in dem Bereich von etwa 0,01
mm bis 5,0 mm, gewöhnlich
von etwa 0,1 mm bis 2 mm und gewöhnlicher
von etwa 0,2 mm bis 1 mm. Es können
jedoch größere Substrate
verwendet werden, insbesondere wenn dieselben nach einer Fertigung
in Substrate kleinerer Größe geschnitten
werden, die eine kleinere Gesamtanzahl von Arrays 12 tragen.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung kann irgendeine andere einer Vielfalt
von Geometrien von Arrays auf einem Substrat 10 als die
geradlinigen Zeilen und Spalten der Arrays 12 von 1 gefertigt sein.
Zum Beispiel können
die Arrays 12 in einer Sequenz krummliniger Zeilen über die
Substratoberfläche
(z.B. eine Sequenz konzentrischer Kreise oder Halbkreise von Flecken)
und dergleichen angeordnet sein. Gleichermaßen kann das Muster von Merkmalen 16 von
den geradlinigen Zeilen und Spalten von Flecken in 2 variiert
sein, um beispielsweise eine Sequenz krummliniger Zeilen über die
Substratoberfläche
(z.B. eine Sequenz konzentrischer Kreise oder Halbkreise von Flecken)
und dergleichen zu umfassen. In derartigen Fällen kann die Anordnung von Spendern
bei dem Kopfsystem 210 demgemäss geändert sein. Die Konfiguration
der Arrays und der Merkmale derselben kann gemäss Herstellungs-, Handhabungs-
und Verwendungserwägungen
ausgewählt
sein.
-
Die
Substrate können
aus irgendeinem einer Vielfalt von Materialien gefertigt sein. Bei
bestimmten Ausführungsbeispielen,
wie beispielsweise wenn einer Produktion von Verbindungspaararrays
für eine Verwendung
bei einer Forschung und verwandten Anwendungen erwünscht ist,
sollten die Materialien, aus denen das Substrat eventuell gefertigt
wird, idealerweise einen niedrigen Pegel einer nicht spezifischen
Bindung während
Hybridisierungsereignissen aufweisen. In vielen Situationen ist
es auch bevorzugt, ein Material einzusetzen, das für sichtbares und/oder
UV-Licht transparent ist. Für
flexible Substrate umfassen interessierende Materialien: Nylon, sowohl
modifiziert als auch unmodifiziert, Nitrocellulose, Polypropylen
und dergleichen, wobei eine Nylon-Membran, sowie Derivate derselben
bei diesem Ausführungsbeispiel
besonders nützlich
sein können.
Für starre
Substrate umfassen spezifische interessierende Materialien: Glas;
Kunststoffe (z.B. Polytetrafluorethylen, Polypropylen, Polystyren,
Polykarbonat und Mischungen derselben und dergleichen); Metalle
(z.B. Gold, Platin und dergleichen).
-
Die
Substratoberfläche,
auf die die Polynukleotid-Zusammensetzungen
oder andere Anteile aufgebracht wird, kann glatt oder im Wesentlichen
planar sein oder Unregelmäßigkeiten
aufweisen, wie beispielsweise Vertiefungen oder Erhöhungen.
Die Oberfläche
kann mit einer oder mehreren unterschiedlichen Schichten von Verbindungen
modifiziert sein, die dazu dienen, die Eigenschaften der Oberfläche in einer
erwünschten
Weise zu modifizieren. Derartige Modifikationsschichten liegen allgemein,
wenn dieselben vorhanden sind, in einer Dicke in einem Bereich von
einer mononuklearen Dicke bis etwa 1 mm, gewöhnlich von einer mononuklearen
Dicke bis etwa 0,1 mm und gewöhnlicher
von einer mononuklearen Dicke bis etwa 0,001 mm. Interessierende
Modifikationsschichten umfassen: anorganische und organische Schichten,
wie beispielsweise Metalle, Metalloxide, Polymere, kleine organische
Moleküle
und dergleichen. Interessierende Polymerschichten umfassen Schichten
aus: Peptiden, Proteinen, Polynukleinsäuren oder Nachbildungen derselben
(z.B. Peptid-Nukleinsäuren
und dergleichen); Polysaccharide, Phospholipide, Polyurethane, Polyester,
Polykarbonate, Polyharnstoffe, Polyamide, Polyethylenamine, Polyarylen-Sulfide, Polysiloxane,
Polyimide, Polyacetate und dergleichen, wobei die Polymere hetero- oder
homopolymerisch sein können
und getrennte funktionale Anteile aufweisen können oder nicht, die an denselben
angebracht sind (z.B. konjugiert).