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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Mikroarray-Spottinginstrumente
und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren
des Vorhandenseins von Nadeln an bestimmten Stellen in einem Druckkopf
eines solchen Instruments.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Wie
wohl bekannt ist (und z.B. in dem US-Patent Nr. 5.807.522, ausgestellt
an Brown u.a., und in „DNA
Microarrays: A Practical Approach", Schena, Mark, New York, Oxford University
Press, 1999, ISBN 0-19-963776-8 beschrieben wurde), sind Mikroarrays
Felder mit sehr kleinen Proben gereinigter DNA oder mit Protein-Zielmaterial,
die als ein Raster von hunderten oder tausenden kleiner Probenpunkte
(Spots) auf einem festen Träger
angeordnet sind. Wenn das Mikroarray einem ausgewählten Sondenmaterial
ausgesetzt wird, bindet das Sondenmaterial, durch einen Prozess,
der Hybridisierung genannt wird, selektiv nur dort an die Zielspots,
wo komplementäre
Bindungsstellen auftreten. Anschließend kann ein quantitatives
Scannen in einem Mikroarray-Fluoreszenzscanner verwendet werden,
um eine Bildpunktabbildung von Fluoreszenz-Intensitäten zu erzeugen
(siehe z.B. das US-Patent NR-5,895,915, ausgestellt
an DeWeerd u.a.). Diese Fluoreszenz-Intensitätsabbildungen können dann
mittels Quantisierungsalgorithmen für den jeweiligen Zweck analysiert werden,
welche die relativen Konzentrationen der fluoreszenten Sonde aufzeigen,
und damit das Niveau einer Genexpression, einer Proteinkonzentration, etc.,
die in den Zellen vorhanden ist, von welchen die Sondenproben entnommen
wurden.
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Das
Mikroarray-Trägermaterial
ist im Allgemeinen aus Glas erzeugt, welches chemisch behandelt
wurde, um für
ein molekulares Anhaften der Proben-Spots eines Mikroarray-Zielmaterials
zu sorgen. Das Mikroarray-Trägermaterial
weist im Allgemeinen dieselbe Größe und Form
auf, wie ein üblicher
Objektträger,
etwa 25mm × 75mm × 1mm Dicke.
Der Feldbereich kann sich bis etwa 1,5mm zu den Trägerkanten
hin erstrecken, oder er kann kleiner sein. Die Spots des Zielmaterials
(typischerweise DNA) sind annähernd
rund. In Abhängigkeit
der verwendeten Verteilungs- oder Spottingtechnik, variiert Der Spotdurchmesser üblicherweise
von etwa 75μm
bis etwa 500μm.
Der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt zwischen Spots fällt üblicherweise
in den Bereich von 1,5 bis 2,5 Spotdurchmesser.
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1A,
die nicht maßstäblich gezeichnet
ist, ist eine Draufsicht eines Mikroarrays 100 des Standes
der Technik. In dieser Zeichnung repräsentiert jeder der Kreise einen
winzigen Spot Zielmaterial, welches auf einem rechteckigen Glasträger 101 abgelagert
worden ist. Die Spots sind im Bezug auf den Träger 101 vergrößert dargestellt.
Aus Gründen
der Zweckmäßigkeit
der Darstellung sind nur ein paar Spots (ein Feld sechs mal sechs)
dargestellt, die einen kleinen Bereich des Trägers bedecken. In einem typischen
Mikroarray sind jedoch üblicherweise
tausende von Spots abgelagert, und die Spots können fast den ganzen Träger bedecken.
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Es
gibt einige wohlbekannte Verfahren zum Ablagern der Spots auf dem
Träger
eines Mikroarrays, und Instrumente, welche die Spots ablagern, werden
typischerweise als „Spottinginstrumente" bezeichnet. Ein
solches Instrument arbeitete ähnlich
einem Tintenstrahldrucker, wobei ein paar Mikroliter der Probe mittels
Vakuum aus einem Probenbehälter in
eine hohle Röhre
oder Nadel angesaugt werden. Dann werden ein oder mehrere Tröpfchen der
Probe von einer Düse
am Ende der Röhre
auf den Träger abgegeben,
um einen Spot zu bilden.
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Andere
Spottinginstrumente verwenden Nadeln als Spot-Abgabeeinheiten. Dieses
Spottingverfahren beinhaltet im Allgemeinen (1) das Eintauchen einer
Nadel in die flüssige
Probe in einem Probenbehälter,
wobei eine gewisse Menge durch Kapillarwirkung oder Oberflächenspannung
aufgenommen wird, (2) das Bewegen der Nadel zu einer vorbestimmten
Stelle oberhalb eines Mikroarray-Trägers (typischerweise unter
Verwendung eines Roboterarms), und (3) senken der Nadel, bis ihre
Spitze mit dem Träger
in Kontakt kommt. Ein Teil des Probenmaterials wird entweder aufgrund
der Trägheit
oder der Oberflächenspannung
auf den Träger übertragen,
um einen Mikroarray-Spot zu erzeugen.
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Nadeln
sind in verschiedenen unterschiedlichen Formen kommerziell verfügbar. Die
einfachsten Nadeln sind voll. 1B zeigt
ein Beispiel solch einer vollen Nadel 102 des Standes der
Technik, welche einen Nadelkopf 104 und einen Schaft 106 enthält. Sowohl
der Nadelkopf 104, als auch der Schaft 106 sind
im Allgemeinen zylindrisch und koaxial angeordnet. Der Durchmesser
des Schafts 106, der etwa 1mm beträgt, ist geringer als der Durchmesser des
Druckkopfes 104. Ein Ende oder die Spitze 107 des
Schafts 106 ist abgeschrägt oder geschärft, und das
andere Ende ist an den Druckkopf 104 angebracht oder mit
diesem einteilig ausgebildet. Die Spitze enthält typischerweise eine kleine
Abflachung, und die Fläche
der Abflachung (zusammen mit der Oberflächenbeschaffenheit der Probenflüssigkeit und
des Mikroarray-Trägers)
bestimmen die Größe des Spots,
den die Nadel ausbilden wird. Volle Nadeln sind einfach und robust,
sie nehmen jedoch, wenn sie in das Zielmaterial in einer Kammer
getaucht werden, typischerweise nur genug Material auf, um einen
Spot zu bilden. Daher muss das Spottinginstrument die Nadel für jeden
Mikroarray-Spot, der
gedruckt werden soll, einmal eintauchen.
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Andere
Arten bekannter Nadeln können
genug Zielmaterial von einem Probenbehälter enthalten um einige, möglicherweise
sogar hunderte von Spots zu bilden, bevor sie wieder in den Behälter getaucht werden
müssen.
Ein solcher Nadeltyp (nicht gezeigt) ist aus einer hohlen zylindrischen
Röhre ausgebildet, wobei
ein axialer Schlitz in die Spitze geschnitten ist (siehe z.B. das
US-Patent Nr. 5.770.151, ausgestellt an Roach u.a.). Diese Nadel
zieht durch Kapillarwirkung Probenflüssigkeit in die Röhre und
den Schlitz hoch, und lagert sie, aufgrund der Kapillarwirkung, bei
Kontakt mit dem Mikroarray-Träger
in kleinen Mengen auf dem Träger
ab. Das Aufnahmevolumen der Nadel reicht aus, um durch aufeinanderfolgende Kontakte
mit anderen Mikroarray-Trägern
in der Charge, die gerade bearbeitet wird, duzende von Spots auszubilden.
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Eine
andere Art einer Mehrspot-Verteilungsnadel ist eine volle „zweiteilige" Nadel (nicht gezeigt), welche
einen Spalt oder Schlitz an der Schaftspitze aufweist. Dies Nadelart
zieht Fluid durch Kapillarwirkung in den Spalt oder Schlitz, und
lagert es durch die Trägheit
des Fluids in kleinen Mengen auf dem Träger ab, wenn die Nadel beim
leichten Antippen auf den Träger
schnell abgebremst wird. Wiederum ist die Menge, die verteilt wird,
um einen Spot auszubilden, gering im Vergleich zum aufgenommenen
Probenvolumen, sodass durch jedes Eintauchen der Nadel in die Probenflüssigkeit
genug Probenmaterial aufgenommen wird, um duzende von Spots auszubilden.
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Noch
ein weiterer Typ von Mehrspot-Verteilungsnadeln, der zum Beispiel
von TeleChem International, Inc. verfügbar ist, sieht ähnlich aus,
wie die zweiteilige Nadel, arbeitet jedoch ein wenig unterschiedlich.
Diese Nadeln sind voll, mit einer pyramidenartigen Abschrägung an
der Spitze, die in einer kleinen, rechteckigen Abflachung endet.
Quer über die
Spitze ist ein kleiner Schlitz geschnitten, welcher einen Vorratsraum
zum Halten der Probenflüssigkeit bietet.
Die Nadelspitze wird dann zusammengedrückt oder leicht gebogen, um
die zwei Abschnitte der geschlitzten Spitze näher zusammenzubringen. Bei
der Verwendung werden diese geschlitzten Nadeln in eine Probenflüssigkeit
getaucht, wobei eine geringe Menge (z.B. ein Bruchteil eines Mikroliters) der
Probe durch Kapillarwirkung in den Schlitz aufgenommen wird. Die
bestimmte Geometrie und das Material der Nadel bewirken auch, dass
eine sehr kleine Menge der Flüssigkeit
in dem Schlitz auf die zwei Abschnitte der gespalteten Nadelspitze
aussickert. Dann wird die Nadel mit dem Mikroarray-Träger in Kontakt
gebracht, wobei die Kapillarwirkung den Teil der Probe, der sich
auf der Nadelspitze befindet, anzieht, und einen Spot ausbildet.
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Ein
weiterer Nadeltyp ist aus der PCT-Patentanmeldung WO 00/01798 bekannt,
welche eine keramische Spitze und einen Druckkopf mit wahlfreiem Zugriff
für den
Transfer mikrofluidischer Fluidmengen offenbart. Der Druckkopf kann
wahllos Fluidproben aufnehmen und ablagern, um die Proben von einer Quellenplatte
zu einem Ziel zu übertragen.
Der Druckkopf kann auch programmiert werden, um auf dem Ziel eine
direkte Abbildung der Fluidproben von der Quellenplatte zu erzeugen,
oder um irgendein gewünschtes
Muster oder einen Druck auf dem Ziel zu erzeugen. An jeder Nadelstelle
kann die Spitze für die
Aufnahme oder Ablagerung angehoben oder gesenkt werden. Optional
können
ein oder mehrere optische Sensoren verwendet werden, um die Ausrichtung
und die Positionierung der Spitzen im Bezug auf die Quelle und das
Ziel zu überwachen.
Die Spitze und der Druckkopf können
für eine
breite Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, wie etwa zur Bildung
von DNA-Mikroarrays und für
das Reformatieren von Verbindungen. In einer Ausführungsform wird
die Spitze als Kapillarnadel oder „Schwerkraftnadel" verwendet, um Quellenfluid
anzuziehen oder aufzunehmen, und um das Fluid über physischen Kontakt (Auslösen) auf
dem Ziel zu „spotten" oder abzulagern.
In einer weiteren Ausführungsform
wird die Spitze in Verbindung mit einem Ansaug-Verteilungssystem
verwendet, um Quellenfluid aktiv anzusaugen, und um das Fluid über einen
berührenden
oder berührungsfreien
Ansatz abzulagern.
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Jede
Nadelart muss mit sehr genauen Toleranzen gefertigt sein, um sicherzustellen,
dass jeder von der Nadel gebildete Spot eine vorgegebene Größe aufweist.
Aufgrund dieser anspruchsvollen Spezifikationen sind die Nadeln
teuer (z.B. kostet eine einzelne Nadel typischerweise einige hundert
Dollar). Auch sind, angesichts derartig kleiner und präzise geformter
Nadelspitzen, die Nadeln sehr zerbrechlich. Daher können die
Spitzen, um eine Beschädigung
zu vermeiden, nur einer sehr kleinen Kraft ausgesetzt werden, wenn
sie mit dem Träger
oder einem anderen festen Objekt in Kontakt gebracht werden.
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Spottinginstrumente
bilden typischerweise Mikroarrays in Chargen aus. In einem einzelnen „Durchlauf" kann ein Spottinginstrument
beispielsweise bis zu 100 identische Mikroarrays bilden. Nachdem
genügend
Spots ausgebildet wurden, um die Charge der zu spottenden Mikroarrays
fertigzustellen, müssen
die Nadeln im Allgemeinen gewaschen werden (um überschüssiges flüssiges Zielmaterial zu entfernen),
und dann getrocknet werden, bevor sie in einen weiteren Behälter mit
Zielmaterial getaucht werden. Somit beinhaltet das Verfahren zum Ausbilden
von Mikroarrays mit einem Spottinginstrument vom „Nadeltyp" die folgenden Schritte:
(1) Positionieren einer Nadel über
einem Behälter
mit Zielmaterial; (2) Eintauchen des spitzen Endes der Nadel in
den Behälter;
(3) Herausziehen des spitzen Endes der Nadel aus dem Behälter; (4)
Bewegen der Nadel über
eine ausgewählte
Stelle innerhalb des aktiven Bereichs eines Mikroarrays; (5) Senken
der Spitze, um das spitze Ende der Nadel in Kontakt mit dem Mikroarray-Träger zu bringen,
um einen einzelnen Spot vorgegebener Größe an der ausgewählten Stelle
zu bilden; (6) Anheben der Nadel, um das spitze Ende der Nadel von
dem Träger
zu lösen;
(7) Wiederholen der Schritte (4), (5) und (6), bis der Nadelvorrat
an Zielmaterial verbraucht ist, oder bis die gewünschte Anzahl an Spots auf
der Charge der gerade erzeugten Mikroarrays angeordnet worden sind;
(8) Waschen der Nadel, entweder indem die Nadel in einen Strom einer
Reinigungslösung
eingebracht wird, oder indem die Nadel in einen Behälter mit
Reinigungslösung
getaucht wird; und (9) Trocknen der Nadel. Das Spottinginstrument
wiederholt alle diese Schritte viele Male, um ein einzelnes Mikroarray
auszubilden.
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Da
Mikroarrays typischerweise tausende von Spots enthalten, währe es äußerst Zeitaufwändig, nur
eine einzelne Nadel zu verwenden, um das Mikroarray zu bilden. Dementsprechend
sind Spottinginstrumente typischerweise ausgebildet, um mehrere Nadeln
simultan zu handhaben. 1C, 1D und 1E zeigen
eine Seitenansicht, eine Draufsicht, bzw. eine Perspektivansicht
eines vereinfachten Druckkopfs 110, der bis zu sechzehn
Nadeln 102 gleichzeitig halten kann. Der Druckkopf 110 ist
ein Block aus einem Material, typischerweise Metall, der ein Feld
von sechzehn durchgehenden Löchern
oder Öffnungen 112 enthält. Die Öffnungen 112 sind
geringfügig
größer als
der äußere Durchmesser
der Nadelschäfte 106,
sodass die Schäfte
sich durch die Öffnungen 112 hindurch
erstrecken können.
Die Öffnungen 112 sind
auch kleiner als der äußere Durchmesser
der Nadelköpfe 104,
sodass der Druckkopf 104, wenn der Nadelschaft in eine
der Öffnungen 112 abgesenkt
wird, von der oberen Oberfläche
des Druckkopfes 110 gestützt wird. Die Nadeln sind dabei in
die Öffnungen
des Druckkopfes „gleitend
eingepasst". 1F und 1G zeigen
eine Seitenansicht, bzw. eine Draufsicht des Druckkopfes mit sechzehn
darin eingesetzten Nadeln.
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1H zeigt,
wie der Druckkopf 110 gesenkt wird, um die Spitzen der
Nadeln 102 in Kontakt mit dem Träger 101 zu bringen,
und dabei gleichzeitig sechzehn Spots des Zielmaterials auf dem
Träger
zu bilden. Wie gezeigt ist, wird der Druckkopf im Allgemeinen um
etwa 1 mm weiter gesenkt, als dies notwendig ist, um die Spitzen
der Nadeln in Kontakt mit dem Träger 101 zu
bringen. Die Gleitpassung erlaubt es, die obere Oberfläche des Druckkopfes
unter die Unterseite der Nadelköpfe
zu senken, ohne eine erhebliche Kraft auf die Nadelspitzen aufzubringen. Der
Druckkopf wird vorzugsweise ausreichend langsam gesenkt, sodass
die auf die Spitzen der Nadeln aufgebrachte Kraft (1) prinzipiell
durch das Gewicht der Nadel plus einer geringfügigen zusätzlichen Kraft, die auf die
Reibung der Gleitpassung zurückzuführen ist,
bestimmt wird, und (2) durch Trägheitskräfte nicht
wesentlich beeinträchtigt
ist. Die Tätigkeit des
Senkens des Druckkopfes, um die Nadelspitzen in Kontakt mit dem
Träger
zu bringen und dabei Spots auf dem Mikroarray auszubilden wird allgemein
als „Drucken" bezeichnet.
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Manchmal
bleiben Nadeln in einer „oberen" oder angehobenen
Position in dem Druckkopf stecken, d.h. in der in 1H gezeigten
Position. Die Nadeln wiegen im Allgemeinen 0,4-1,0 Gramm und sind
darauf angewiesen, dass die Schwerkraft sie herunterzieht, sodass
der Nadelkopf auf der oberen Oberfläche des Druckkopfes ruht, wenn
der Druckkopf angehoben wird (wie in 1F gezeigt).
Eine Reibung, die beispielsweise durch Verschmutzungen oder Fingerfett
auf dem Nadelschaft, oder durch einen leicht gebogenen Schaft entsteht,
kann die Nadel daran hindern, richtig in ihre Ruheposition hinabzufallen.
Wenn eine Nadel in der oberen Position stecken bleibt, ist sie nicht
für das
Drucken verwendbar. Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren
und eine Vorrichtung, um schnell und genau zu ermitteln, ob es irgendwelche
Nadeln in dem Druckkopf gibt, die in einer oberen Position stecken.
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Kommerziell
verfügbare
Druckköpfe
bieten zwischen 4 und 72 Öffnungen,
wodurch sie zwischen 4 und 72 Nadeln unterbringen. Kommerziell verfügbare Behälter bieten
eine Vielzahl an Kammern, oder individuellen Behältern, und ermöglichen,
dass jede Nadel, die in einem Druckkopf montiert ist, in eine eigene
Kammer eingetaucht wird. Zwei gängige
Behälter,
die für
die Herstellung von Mikroarrays verwendbar sind, sind die „96-Kammer
Platte" und die „384 Kammer
Platte". Jede dieser
Platten bietet ein rechteckiges Feld von Kammern, wobei jede Kammer
in der Lage ist, eine einzigartige Probe flüssigen Zielmaterials zu enthalten. 1I zeigt
eine Draufsicht einer 96-Kammer Platte. In 96-Kammer Platten sind die
Mitten der einzelnen Behälter
9,0 mm voneinander entfernt, und bei 384-Kammer Platten sind die Mitten
der einzelnen Behälter
4,5 mm voneinander entfernt. Die Mitten angrenzender Öffnungen
kommerziell verfügbarer
Druckköpfe
sind dementsprechend entweder 9,0 oder 4,5 mm voneinander entfernt.
Spottinginstrumente vom Nadeltyp enthalten im Allgemeinen Mechanismen,
um eine oder mehrere Platten (z.B. entweder mit 96-Kammern oder mit 384-Kammern)
zu halten oder zu handhaben, einen Druckkopf, einen Roboter-Manipulator,
um die Bewegung des Druckkopfes zu steuern, Mechanismen zum Halten
einer Vielzahl von Trägern,
einen Nadelwäscher
und einen Trockner.
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Bei
vielen Spottinginstrumenten kann der Benutzer leicht auf den Druckkopf
zugreifen, und der Benutzer konfiguriert den Druckkopf mit der gewünschten
Anzahl und Anordnung von Nadeln. Oft wird ein Druckkopf, der 32
oder mehr Nadeln aufnehmen kann, nur mit 4, 8, oder 16 Nadeln bestückt. Es kann
mehrere Gründe
geben, den Druckkopf nicht voll zu bestücken. Erstens könnte der
Benutzer ein kompaktes Spotmuster in dem fertiggestellten Mikroarray
wünschen.
Ein Feld, das beispielsweise mit einem voll bestückten 48-Nadel-Druckkopf hergestellt
wird, würde
wahrscheinlich eine Größe von 18mm × 54mm haben.
Diese Feldabmessung ist so groß,
dass es eine große
Menge an fluoreszentem Sondenmaterial erfordert, um es zu bedecken,
und dass es eine besondere Sorgfalt erfordert, um sicherzustellen,
dass die Hybridisierungsreaktion der Sonde einheitlich ist. Zweitens
kann es vorkommen, dass die Nadelabstände in dem Druckkopf nicht
mit den Abständen
der Kammern in den Kammerplatten übereinstimmen. 96-Kammer Platten
haben beispielsweise Kammern mit 9,0mm Mittenabständen, und
384-Kammer Platten haben Kammern mit 4,5mm Mittenabständen. Wenn
beim Spotten ein Druckkopf mit einem Nadelabstand von 4,5 mm mit einer
96-Kammer Platte verwendet wird, dann kann nur jedes vierte Loch
in dem Druckkopf mit einer Nadel bestückt sein, andernfalls werden
nicht alle Nadeln auf die Kammern in der Platte ausgerichtet sein. Drittens
kann es sein, dass der Benutzer nicht genügend Nadeln zur Verfügung hat,
um einen Druckkopf zu füllen.
Nadeln können
leicht beschädigt
werden, und sind teuer. Viele Benutzer investieren nicht in einen
vollständigen
Nadelsatz, wenn sie ihr Mikroarray-Verfahren anfänglich ausbilden, und/oder
es könnte
sein, dass sie eine beschädigte
Nadel nicht sofort ersetzen.
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Spottinginstrumente
enthalten Roboter-Manipulatorarme, welche durch einen oder mehrere Computer-Steuereinheiten
durch eine Abfolge von wiederholten Bewegungen geführt werden.
Der Druckkopf und/oder die Mikroarray-Probenplatten und/oder die
Mikroarray-Träger
werden durch Roboterarme in drei Dimensionen (z.B. in X-, Y- und Z-Achsen) im Bezug
aufeinander bewegt. Wie oben erwähnt,
beinhaltet ein Spotting-Durchlauf die Aufnahme einer Probe (Tauchen
der Nadeln in bestimmte Kammern einer bestimmten Platte), das Spotting (Ablagern
von Spots der Probe an bestimmten Stellen auf einem oder mehreren
Mikroarray-Trägern), und
dann das Waschen und Trocknen der Nadeln auf dem Druckkopf. Jeder
nachfolgende Druckdurchlauf wird durchgeführt, indem die Nadelpositionen
des Druckkopfes indiziert werden, um in die nächste Reihe von Kammern auf
der Platte (oder auf der nächsten
Platte) einzutauchen, und um auf die nächsten Spotpositionen auf einem
Träger
zu drucken. Die Steuereinheit des Instruments behält die Übersicht über die
Indexierung der Positionen für
die Probenaufnahme und die Druckbewegungen für jeden Durchlauf und steuert
diese.
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Um
diese Positionierungsaufgaben auszuführen, müssen bei kommerziell verfügbaren Spottinginstrumenten
vom Nadeltyp die Parameter, welche der Druckkopfpositionen mit Nadeln
besetzt sind, der Steuereinheit bekannt sein und in das Steuerungsprogramm
eingegeben werden. Bei bekannten Spottinginstrumenten wird diese
Information vom Benutzer manuell eingegeben, entweder als alphanumerische
Information oder unter Verwendung eines Displays mit einer graphischen
Benutzerschnittstelle. Wenn der Benutzer irrtümlich eine falsche Nadelanordnungs-Information
eingibt, können
Spottingfehler oder gar Schäden
an den Nadeln auftreten. Nadelanordnungen können üblicherweise leicht durch eine visuelle
Kontrolle ermittelt werden, wenn der Druckkopf klein ist und wenige
Nadeln enthält.
Bei einem Druckkopf mit einer Kapazität für 32 Nadeln oder mehr und bei
duzenden von Nadeln ist es jedoch mühsam und fehleranfällig, Nadelpositionen
zu ermitteln, und sie manuell in den Steuerungscomputer einzugeben.
Daher besteht ein Bedarf für
ein Verfahren und eine Vorrichtung um die Nadelpositionen in Spottinginstrumenten
vom Nadeltyp schnell und genau zu ermitteln.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Es
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für das automatische Abfühlen der
Gegenwart (oder Abwesenheit) von Spot-Abgabeeinheiten, wie etwa
Nadeln, in verschiedenen möglichen
Anbringungsstellen im Druckkopf eines Mikroarray-Spottinginstruments bereitgestellt.
Nadelstellendaten, die durch das Verfahren und die Vorrichtung erhalten werden,
werden der Computer-Steuereinheit des Instruments bereitgestellt,
welche die Daten verwendet, um die Bewegung des Druckkopfes während des Betriebs
des Instruments zu steuern. Eine Nadeldetektions-Vorrichtung gemäß der Erfindung
enthält
ein oder mehrere Sensorelemente, welche das Vorhandensein von Nadeln
in möglichen
Nadelstellen des Druckkopfes automatisch abfühlen. Die Sensorelemente können in
einem Feld angeordnet sein, welches dem Feld der Nadelstellen in
dem Druckkopf entspricht, sodass eine Nadeldetektion an jeder Nadelstelle
gleichzeitig ausgeführt
werden kann. Die Nadeldetektions-Vorrichtung kann ermitteln, ob
während
eines Druckbetriebs irgendwelche Nadeln in einer „oberen" Lage stecken.
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Es
können
verschieden Arten von Sensorelementen verwendet werden, um Nadeln
in einem Druckkopf gemäß der Erfindung
zu lokalisieren. Zum Beispiel können
Sensoren verwendet werden, die von dem Druckkopf entfernt oder an
diesem angebracht sind. Es können
Nadelsensoren verwendet werden, welche Nadelstellen von, bezogen
auf den Druckkopf, verschiedenen Positionen aus abfühlen, einschließlich von
oberhalb oder unterhalb des Druckkopfes. Auch kann das Abfühlen der
Nadeln gemäß der Erfindung
durch berührende
oder berührungsfreie
Mechanismen geschehen.
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Das
erfinderische Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen es, Nadelpositionen
in einem Druckkopf schnell und genau zu bestimmen, und ohne ein
erhebliches Risiko, die Nadeln, die zerbrechlich sind, zu beschädigen.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung klar werden,
in welcher Ausführungsformen
der Erfindung mittels einer Erläuterung
der besten Weise der Erfindung gezeigt und beschrieben sind. Es
wird zu erkennen sein, dass die Erfindung für andere und unterschiedliche Ausführungsformen
geeignet ist, und dass ihre besonderen Details auf verschiedene
Arten modifiziert werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollen die Zeichnungen
und die Beschreibung als Erläuterung
des Wesens gesehen werden, und nicht in einem einschränkenden oder
begrenzenden Sinn, wobei der Umfang der Anmeldung in den Ansprüchen angegeben
ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein vollständigeres
Verständnis
des Wesens und der Ziele der vorliegenden Erfindung sollte auf die
folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
verwiesen werden, wobei:
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1A eine
Draufsicht eines Mikroarrays des Standes der Technik ist.
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1B eine
Seitenansicht einer Nadel des Standes der Technik ist.
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1C, 1D und 1E eine
Seitenansicht, eine Draufsicht, bzw. eine Perspektivansicht eines
Druckkopfes des Standes der Technik ist.
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1F und 1G eine
Seitenansicht bzw. eine Draufsicht des in den 1C, 1D und 1E gezeigten
Druckkopfes ist, wobei sechzehn Nadeln darin angebracht sind.
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1H eine
Seitenansicht des in 1F und 1G gezeigten
Druckkopfes ist, der in einer auf den Träger abgesenkten Lage gezeigt
ist, um die in dem Druckkopf montierten Nadeln in Kontakt mit dem
Träger
zu bringen, um Spots eines Mikroarrays auszubilden.
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1I eine
Draufsicht einer 96-Kammer Platte des Standes der Technik ist.
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines Spottinginstruments gemäß der Erfindung
ist.
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3A eine
Unteransicht einer Nadeldetektionsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist.
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3B eine
Seitenansicht der Nadeldetektionsvorrichtung der 3A ist,
die im Einsatz gezeigt ist, wobei sie das Vorhandensein von Nadeln
in einem Druckkopf detektiert.
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4A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform
der Erfindung ist.
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4B eine
vergrößerte Perspektivansicht eines
Sensorelements der Vorrichtung der 4A ist.
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5A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche Dehnmesseinheiten
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung aufweist.
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5B eine
Seitenansicht der Nadeldetektionsvorrichtung der 5A ist,
die im Einsatz gezeigt ist, wobei sie das Vorhandensein von Nadeln
in einem Druckkopf detektiert.
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6A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche piezoelektrische
Sensorelemente gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung aufweist.
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6B eine
Seitenansicht der Nadeldetektionsvorrichtung der 6A ist,
die im Einsatz gezeigt ist, wobei sie das Vorhandensein von Nadeln
in einem Druckkopf detektiert.
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7A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche Mikroschalter-Sensorelemente gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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7B eine
Seitenansicht der Nadeldetektionsvorrichtung der 7A ist,
die im Einsatz gezeigt ist, wobei sie das Vorhandensein von Nadeln
in einem Druckkopf detektiert.
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8A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche kapazitive
Sensorelemente gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung aufweist.
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8B und 8C vergrößerte Perspektivansichten
von Beispielen kapazitiver Sensoren sind, die in den Vorrichtungen
der 8A verwendet werden können.
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9A eine
Draufsicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche induktive
Sensorelemente gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung aufweist.
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9B eine
vergrößerte Perspektivansicht eines
induktiven Sensors in der Vorrichtung der 9A ist.
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10 eine
vergrößerte Perspektivansicht eines
alternativen induktiven Sensors ist; der
in der Vorrichtung der 9A verwendbar ist.
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11 eine
Perspektivansicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche einen
Vakuummechanismus gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung verwendet.
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12 eine
Seitenansicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche optisches
Abfühlen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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13 eine
Unteransicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche optisches
Abfühlen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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14 eine
Seitenansicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche optisches
Abfühlen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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15 eine
Seitenansicht einer Nadeldetektionsvorrichtung ist, welche optisches
Abfühlen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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Ähnliche
Bezugszeichen bezeichnen in den Zeichnungen ähnliche Teile.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren und
eine Vorrichtung für
das automatische Abfühlen
des Vorhandenseins (oder der Abwesenheit) von Spot-Abgabeeinheiten,
wie etwa Nadeln, in verschiedenen möglichen Anbringungsstellen
im Druckkopf eines Mikroarray-Spottinginstruments. Nadelstellendaten,
die durch das Verfahren und die Vorrichtung erhalten werden, werden
einer Computer-Steuereinheit des Instruments bereitgestellt, welche
die Daten verwendet, um die Bewegung des Druckkopfes während des
Betriebs des Instruments zu steuern. Insbesondere verwendet die
Steuereinheit die Nadelstellendaten, um die richtigen Positionierungskoordinaten
für den
Druckkopf für
die nachfolgende Probenaufnahme und für den Vorgang des Mikroarray-Spotdrucks
für eine
oder mehrere Mikroarrays, die bedruckt werden, zu ermitteln. Nadelsensoren
können
dem Benutzer auch einen Fehlerzustand berichten.
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Ein
Abfühlen
der Nadelstellen gemäß der Erfindung
kann jederzeit während
der Benutzung des Instruments nach Bedarf durchgeführt werden.
Das System der Erfindung ist jedoch besonders nützlich für das automatisieren des Initialisierungsvorgangs für eines
Mikroarray-Spottinginstruments bei der Bearbeitung einer Charge
von Mikroarrays. Die Nadelstelle wird üblicherweise nur am Beginn
einer Drucktätigkeit
einer Charge von Mikroarrays bestimmt werden müssen, da nicht zu erwarten
ist, dass sich die Nadelkonfiguration in einem Druckkopf während des Bedruckens
der Charge ändert.
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Das
erfinderische Nadelabfühl-Verfahren und
die -Vorrichtung können
vorzugsweise auch verwendet werden, um zu ermitteln, ob irgendwelche Nadeln
in einer oberen oder angehobenen Position stecken (d.h. Nadeln,
die im Bezug auf den Druckkopf angehoben bleiben, wenn der Druckkopf
während
eines Druckvorgangs von einem Träger
weg angehoben wird). Wenn ermittelt wird, dass irgendwelche Nadeln
in einer oberen Position stecken, kann der Betrieb des Spottinginstruments
angehalten werden und/oder die Bedienperson des Instruments gewarnt
werden. Auch kann, wenn, wie unten erörtert, herausgefunden wird,
dass eine Nadel in einer oberen Position steckt, das Spottinginstrument
die Steuerungssequenz des Instruments automatisch rekonfigurieren,
um unter Verwendung eines Nadelhebe-Mechanismus zu vermeiden, dass
die steckende Nadel verwendet wird.
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2 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Spottinginstruments 200 gemäß der Erfindung. Das
Instrument 200 enthält
eine Computer-Steuereinheit 210 (z.B. eine Mikroprozessor-Steuereinheit), einen
Druckkopf 110, einen Druckkopf-Positionierungsmechanismus 212 (z.B.
einen oder mehrere Roboter-Manipulatorarme), eine Nadeldetektionsvorrichtung 216,
eine Trägerstation 218 zum
Halten eines oder mehrerer Träger
eines Mikroarrays, und eine Kammerstation 220 zum Halten
eines oder mehrerer Behälter
eines flüssigen
Zielmaterials (z.B. eine 96-Kammer Platte). Die Roboter-Manipulatorarme 212 bewegen
den Druckkopf 110 (und die Vorrichtung 216, wenn
sie an den Druckkopf angebracht ist, wie unten beschrieben wird)
zu Stellen, die von der Steuereinheit 210 ausgewählt werden.
(Während
der Positionierungsmechanismus normalerweise den Druckkopf im Bezug
auf die Mikroarray-Träger
und Kammerplatten bewegt, sollte zu erkennen sein, dass der Druckkopf
stationär
gehalten werden könnte,
und die Träger
und Kammerplatten im Bezug auf den Druckkopf bewegt werden könnten. Alternativ könnten der
Druckkopf, die Träger
und die Kammerplatten alle bewegbar sein.)
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3A und 3B stellen
Unter- bzw. Seitenansichten einer Nadeldetektionsvorrichtung 300 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 300 weist eine Sensorplatte
auf, welche eine Vielzahl individueller Sensorelemente aufweist, nämlich die
elektrischen Kontakte 302. Die Sensorplatte kann beispielsweise
die Struktur einer Platine (PCB) aufweisen. Die elektrischen Kontakte 302 sind in
einem Feld angeordnet, welches dem Feld der möglichen Nadelstellen in einem
Druckkopf entspricht. (Beispielsweise kann, wie dargestellt, die Sensorplatte 16 Kontakte
aufweisen, die entsprechend der 16 Nadelöffnungen in einem Druckkopf
für 16
Nadeln angeordnet sind.) Bei der Verwendung wird, wie in 3B dargestellt,
der Positionierungsmechanismus (z.B. ein Roboter-Manipulatorarm 212) verwendet,
um den Druckkopf 110 unterhalb der Sensorplatte auszurichten,
sodass jeder der Kontakte in der Platte auf eine entsprechende Nadelöffnung in dem
Druckkopf 110 ausgerichtet ist. Dann wird die Oberseite
des Druckkopfes 110 mit einer Aufwärtsbewegung (d.h. in der Z-Achse)
des Positionierungsmechanismus zur Sensorplatte hin bewegt, um die Nadelköpfe 104 der
Nadeln 102 in dem Druckkopf 110 in Kontakt mit
den Kontakten 302 in der Sensorplatte zu bringen.
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Wie
vorher erwähnt
wurde, weisen die Druckköpfe
und die Nadeln typischer Weise ein leitfähiges Material auf, wie etwa
ein Metall. Dementsprechend kann das Vorhandensein von Nadeln in
jeder Nadelöffnung
in dem Druckkopf elektrisch abgefühlt werden. Gemäß der Erfindung
wird eine Spannung an den Druckkopf angelegt (und damit auf die Nadeln,
die in Kontakt mit dem Druckkopf sind). Die Kontakte in der Sensorplatte
sind geerdet. (Alternativ ist der Druckkopf geerdet, und eine Spannung
wird auf die Kontakte der Sensorplatte angelegt.) Die elektrische
Leitung wird an jedem Kontakt einzeln abgefühlt, um zu ermitteln, ob eine
Nadel an der entsprechenden Nadelstelle vorhanden ist. Es wird ein Signal
erzeugt, das anzeigt, ob eine Leitung an jedem Kontakt abgefühlt wird,
und dieses wird zu der Steuereinheit 210 übermittelt.
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Die
Spannungsquelle legt vorzugsweise Wechselstrom (AC) an den Druckkopf
(oder alternativ an die Kontakte der Sensorplatte) an. Wechselstrom
ist bevorzugt, da er wahrscheinlich bessere Ergebnisse bietet, als
Gleichstrom (DC), da ein gewisser Prozentsatz davon kapazitiv gekoppelt
sein kann, was bei einem schlechten elektrischen Kontakt zwischen
dem Kontakt und der Nadel, beispielsweise aufgrund einer Oxidation
der Teile, notwendig sein kann. Vorzugsweise wird Wechselstrom mit
einer Frequenz von 1-100kHz und einer Spannung von 5-10 Volt Peak-to-Peak
vorgesehen, um die Leitung durch die Oxidation hindurch zu verbessern.
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Die
Kontakte in der Sensorplatte sind ausgebildet, um verlässliche
elektrische Kontakte mit den Nadelköpfen bereitzustellen. Die Kontakte
sind vorzugsweise nachgiebig, um einen befriedigenden Kontakt quer über ein
ganzes Nadelfeld vorzusehen, da es sein könnte, dass die Höhe der Nadelköpfe nicht
innerhalb ausreichend enger Toleranzen gehalten werden kann, oder
leicht vertieft sein kann. Die Kontakte können z.B. Federnadeln, leitfähige Gummifelder,
oder eine andere Art von Elastomer beinhalten, wie etwa solche,
die in LCD-Anwendungen
verwendet werden.
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Ein
Vorteil der Sensorvorrichtung 300 ist, dass sie das Vorhandensein
oder die Abwesenheit von Nadeln 102 abfühlt, ohne die zerbrechlichen
Nadelspitzen 107 zu berühren.
Dadurch kann die Sensorvorrichtung 300 arbeiten, ohne zu
riskieren, die Nadeln zu beschädigen.
Da die Nadelköpfe 104 verhältnismäßig robust
sind, kann eine erhebliche Kraft von den Sensorelementen auf die
Nadelköpfe
aufgebracht werden.
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4A und 4B stellen
eine alternative Nadeldetektionsvorrichtung 400 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. 4A ist eine Draufsicht der Vorrichtung 400. Ähnlich der
Vorrichtung 300 weist die Vorrichtung 400 eine
Sensorplatte auf, welche eine Vielzahl von Kontakten 402 enthält, beispielsweise
in einer PCB-Struktur. Die Kontakte sind in einem Feld angeordnet,
welches den Stellen der Nadelöffnungen
in einem Druckkopf entspricht. Die Vorrichtung 400 soll
das Vorhandensein von Nadeln 102 in dem Druckkopf durch
einen Kontakt mit den Nadelspitzen 107 abfühlen. 4B ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Nadelspitze 107, die mit einem in Kontakt 402 in
der Sensorplatte im Eingriff ist. Wie dargestellt weist der Kontakt vorzugsweise
einen ringförmigen
Abfühlbereich
auf, der beispielsweise als ein Testloch vom Typ einer Platine ausgebildet
ist.
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Bei
der Verwendung wird der Positionierungsmechanismus (z.B. ein Roboter-Manipulatorarm 212)
verwendet, um den Druckkopf 110 oberhalb der Sensorplatte
auszurichten, sodass die Kontakte in der Platte jeweils auf eine
entsprechende Nadelöffnung
in dem Druckkopf 110 ausgerichtet sind. Dann wird der Druckkopf 110 mit
einer Abwärtsbewegung
des Positionierungsmechanismus zur Sensorplatte hin bewegt, um die
Spitzen 107 der Nadeln 102 in dem Druckkopf 110 in
Kontakt mit den Kontakten 402 in der Sensorplatte zu bringen.
Wie in 4B gezeigt ist, sind die Spitzen 107 in
die Löcher
in den Kontakten 402 eingesetzt.
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Wie
bei der Vorrichtung 300 wird eine Spannung an den Druckkopf
angelegt (und damit auf die Nadeln, die in Kontakt mit dem Druckkopf
sind). Die Kontakte in der Sensorplatte sind geerdet. (Alternativ ist
der Druckkopf geerdet, und eine Spannung wird auf die Kontakte der
Sensorplatte angelegt.) Die elektrische Leitung wird an jedem Kontakt
einzeln abgefühlt,
um zu ermitteln, ob eine Nadel an der entsprechenden Nadelstelle
vorhanden ist. Es wird ein Signal erzeugt, das anzeigt, ob eine
Leitung an jedem Kontakt abgefühlt
wird, und dieses wird zu der Steuereinheit 210 übermittelt.
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Wie
bei der Vorrichtung 300 wird in der Spannungsquelle vorzugsweise
Wechselstrom verwendet, da Wechselstrom wahrscheinlich bessere Eigenschaften
bietet, als Gleichstrom, da ein gewisser Prozentsatz davon kapazitiv
gekoppelt sein kann, was bei einem schlechten elektrischen Kontakt,
beispielsweise aufgrund von Oxidation, notwendig sein kann. Vorzugsweise
wird Wechselstrom mit einer Frequenz von 1-100kHz und einer Spannung
von 5-10 Volt Peak-to-Peak vorgesehen, um die Leitung durch die Oxidation
hindurch zu verbessern.
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Die
Konfiguration der Kontakte 402 als ein Sonden-Abfühlbereich
ist vorteilhaft, um Schäden
an den zerbrechlichen Nadelspitzen zu reduzieren, da die Nadelspitzen
in Löchern
in den Kontakten 402 aufgenommen sind.
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5A und 5B stellen
eine Nadeldetektionsvorrichtung 500 gemäß einer weiteren alternativen
Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 500 weist eine Sensorplatte
auf, die eine Vielzahl von Dehnmesseinheiten 502 aufweist,
die einen physischen Kontakt mit den Nadeln in dem Nadelkopf detektieren.
Wie wohlbekannt ist, enthalten Dehnmesser ein auf Dehnung empfindliches
Element, wie etwa einen Metalldraht, der an einer Oberfläche fixiert
ist. Wenn die Oberfläche
gedehnt wird (zum Beispiel aufgrund eines Gewichts, das auf die
Oberfläche
aufgebracht wird), streckt sich der Draht, wobei er eine Änderung
des elektrischen Widerstandes erfährt, der Proportional zur Dehnungsänderung
ist. Zur Messung der Widerstandsänderungen
können Schaltungen,
wie etwa eine Wheatstone-Brückenschaltung,
verwendet werden.
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Die
Dehnmesseeinheiten 502 sind vorzugsweise in einem Feld
angeordnet, welches dem Feld der möglichen Nadelstellen in dem
Druckkopf 110 entspricht. Im Betrieb wird der Druckkopf
unter Verwendung des Positioniermechanismus 212 oberhalb der
Sensorplatte angeordnet und auf diese ausgerichtet. Der Druckkopf
wird dann auf die Nadel-Sensorplatte 500 gesenkt, sodass
die Spitzen 107 der Nadeln 102 in dem Druckkopf
in Kontakt mit entsprechenden Dehnmesseeinheiten in der Sensorplatte 500 sind,
und die Nadeln von dieser gestützt
werden. Durch das Nadelgewicht wird in jeder Dehnmesseeinheit, die
mit einer Nadelspitze in Kontakt ist, eine Spannung aufgebracht.
Das Vorhandensein einer aufgebrachten Spannung in einer gegebenen
Dehnmesseinheit zeigt dabei das Vorhandensein einer Nadel in einer
entsprechenden Nadelstelle im Druckkopf an.
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6A und 6B stellen
eine Nadeldetektionsvorrichtung 600 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 600 ist der Vorrichtung 500 dahingehende ähnlich, dass
sie eine Sensorplatte aufweist, die eine Vielzahl von Sensorelementen
enthält.
Anstatt jedoch ein Feld von Dehnmesseinheiten 502 zu verwenden, wird
ein Feld piezoelektrischer Sensorelemente 602 verwendet,
um das Vorhandensein von Nadeln in einem Druckkopf zu detektieren.
Wie wohlbekannt ist, erzeugen piezoelektrische Materialien eine
elektrische Ladung, wenn sie mechanisch belastet werden.
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Die
piezoelektrischen Sensorelemente 602 sind vorzugsweise
in einem Feld angeordnet, welches dem Feld der Nadelstellen in dem
Druckkopf 110 entspricht. Im Betrieb wird der Druckkopf 110 auf die
Sensorplatte 600 ausgerichtet und auf diese abgesenkt,
wodurch die Spitzen 107 der Nadeln 102 in dem
Druckkopf 110 in Kontakt mit entsprechenden piezoelektrischen
Sensorelementen 602 in der Sensorplatte 600 gebracht
werden. Durch das Nadelgewicht wird in jedem der piezoelektrischen
Sensorelemente 602, die mit einer Nadelspitze 107 in
Kontakt sind, eine Ladung erzeugt. Eine in einem piezoelektrischen
Sensorelement 602 detektierte Ladung wird dabei das Vorhandensein
einer Nadel 102 in einer entsprechenden Nadelstelle im
Druckkopf 110 anzeigen.
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7A und 7B stellen
eine Nadeldetektionsvorrichtung 700 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Nadeldetektionsvorrichtung 700 weist
eine Sensorplatte auf, die eine Vielzahl von Mikroschaltern 702 mit
niedriger Stellkraft aufweist, um das Vorhandensein von Nadeln in
einem Druckkopf zu detektieren.
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Die
Mikroschalter 702 sind vorzugsweise in einem Feld angeordnet,
welches dem Feld der Nadelstellen in dem Druckkopf 110 entspricht.
Im Betrieb wird der Druckkopf 110 auf die Nadel-Sensorplatte 700 ausgerichtet
und auf diese abgesenkt, wodurch die Spitzen 107 der Nadeln 102 in
dem Druckkopf 110 in Kontakt mit entsprechenden Mikroschaltern 702 in
der Sensorplatte 700 gebracht werden. Der mechanische Kontakt
zwischen einer Nadelspitze 107 und einem Mikroschalter 702 aktiviert
den Mikroschalter (auch bei einer geringen Kraft), wodurch das Vorhandensein
einer Nadel in einer entsprechenden Nadelstelle im Druckkopf angezeigt
wird.
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8A-8C stellen
eine Nadeldetektionsvorrichtung 800 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Nadeldetektionsvorrichtung 800 weist
eine Sensorplatte auf, die vorzugsweise eine PCB-Struktur hat und
mehrere Annäherungssensoren
enthält,
vorzugsweise kapazitive Sensoren 802, um das Vorhandensein
von Nadeln in einem Druckkopf zu detektieren. Die kapazitiven Sensoren 802 sind
in einem Feld angeordnet, welches dem Feld der Nadelstellen in einem
Druckkopf 110 entspricht. Die kapazitiven Sensoren 802 sind
in der Lage, abzufühlen,
wenn eine Nadelspitze 107 in der 0 Nähe des Sensors ist, auch wenn
die Nadelspitze nicht in Kontakt mit dem Sensor ist.
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Im
Betrieb wird ein Hochfrequenz-Wechselstromsignal (z.B. im Bereich
von 1-100 kHz) an den Druckkopf 110 angelegt. Der Druckkopf 110 wir
in eine Ausrichtung mit der Sensorplatte 800 und zu dieser
hin bewegt, wobei die Spitzen 107 der Nadeln 102 in
dem Druckkopf 110 in die Nähe der entsprechenden ringförmigen Sensoren 802 in
der Sensorplatte 800 gebracht werden. Jeder Sensor enthält einen
Oszillator, dessen Frequenz durch einen Induktions-Kapazitäts-(LC-)Schaltkreis
bestimmt ist, der an den Sensor angeschlossen ist. Wenn die Nadeln 102 in
dem Druckkopf 110 in die Nähe entsprechender Sensoren
bewegt werden, verändert
die gegenseitige Kapazität
die Oszillatorfrequenz. Die Detektion dieser Änderung wird das Vorhandensein
einer Nadel in einer entsprechenden Nadelstelle im Druckkopf 110 anzeigen.
Keine Veränderung
zeigt an, dass eine Nadel fehlt.
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8B und 8C zeigen
Beispiele unterschiedlicher Sensorformen (802 und 802'). Um die Sensorleistung
zu verbessern, ist der Sensor für
eine Verbesserung der dielektrischen Kopplung ausgelegt, wobei er
kleine Breiten für
den kapazitiven Spalt und/oder große Oberflächen für den kapazitiven Spalt aufweist.
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9A und 9B stellen
eine Nadeldetektionsvorrichtung 900 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 900 weist eine Sensorplatte
auf (vorzugsweise mit einer PCB-Struktur), welche eine Vielzahl
induktiver Sensoren 902 enthält, um das Vorhandensein von Nadeln
in einem Druckkopf zu detektieren. Die induktiven Sensoren sind
vorzugsweise in einem Feld angeordnet, welches dem Feld der Nadelstellen
in dem Druckkopf 110 entspricht. Die induktiven Sensoren 902 fühlen das
Vorhandensein einer Nadelspitze ab, vorzugsweise ohne die Nadel
zu berühren.
Jeder induktive Sensor 902 beinhaltet vorzugsweise eine Luftkern-Induktionsspule,
wie zum Beispiel einen Kunststoff-Spulenkern, um den viele Wicklungen
eines magnetischen Drahtes oder dergleichen gewunden sind. Das Einsetzen
der Nadel 102 in die Mitte des Induktors 902 wird
dessen Induktivität
erheblich erhöhen,
was als Impedanzänderung
in einem Schaltkreis abgefühlt
wird, welcher Wechselstrom durch die Spule leitet.
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Im
Betrieb wird der Druckkopf 110 in eine Ausrichtung mit
der Nadel-Sensorplatte 900, und zu dieser hin bewegt, wobei
zumindest ein Teil der Spitzen 107 der Nadeln 102 in
dem Druckkopf 110 in die Mitte der entsprechenden induktiven
Sensoren 902 in der Sensorplatte 900 eingesetzt
werden. Induktivitätsänderungen
an einem induktiven Sensor 902 in der Sensorplatte 900 zeigen
das Vorhandensein einer Nadel 102 in einer entsprechenden
Nadelstelle in dem Druckkopf 110 an. Keine Veränderung
zeigt an, dass eine Nadel fehlt.
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10 stellt
einen alternativen induktiven Sensor 1002 dar, der in der
Sensorplatte 900 anstelle des Sensors 902 verwendet
werden kann. Der Sensor 1002 beinhaltet zwei nebeneinanderliegende
(jedoch getrennte) Spulen: Eine Ansteuerspule 1004 und
eine Sensorspule 1006. An die Ansteuerspule 1004 wird
Wechselstrom angelegt. Ohne das Vorhandensein einer Nadel 102 gäbe es nur
eine sehr geringe gegenseitige Induktionskopplung zwischen den Spulen 1004, 1006,
und durch die Sensorspule 1006 würde nur wenig Wechselstrom
fließen.
Wenn jedoch eine Metallnadel 102 von dem Druckkopf 110 durch
die Spulen eingesetzt ist, wie dies dargestellt ist, erhöht sich
die Kupplung stark, wodurch der Wechselstromfluss in der Sensorspule 1006 messbar erhöht wird.
Der gemessene Stromfluss in der Sensorspule 1006 zeigt
dabei das Vorhandensein einer Nadel 102 in dem Sensor 1002 an.
Keine Veränderung
zeigt an, dass eine Nadel fehlt.
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Die
induktiven Sensoren der 9B und 10 können als
einspulige oder zweispulige Spiral- oder spiralartige Konfigurationen
der ebenen Leiterbahnen auf einer Platine implementiert sein. Der zweispulige
Mechanismus ist bevorzugt, wobei jede Spule etwa drei Wicklungen
hat, wobei sich eine Spiralbahn-Spule mit drei Wicklungen auf jeder
Seite der Platine befindet. Das Ansteuern einer Spule mit Rechteckwellen
von einer Stromquelle mit etwa 10-100 kHz bei etwa 300-400 mA (Peak-to-Peak), führt zu einer
stabilen induktiven Detektion einer Nadel in der anderen Spule.
Dieser Mechanismus bietet eine Stabilität, ohne der Kosten und der
Komplexität, die
das Anbringen und Anschließen
mehrerer einzelner Drahtspulen auf Spulenkernen an einer Platine mit
sich bringen.
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11 stellt
eine Vakuum-Sensorvorrichtung 1100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung dar. Die Vorrichtung 1100 beinhaltet eine Sensorplatte
mit einer Vielzahl von Löchern 1102,
um die Spitzen 107 von Nadeln 102 in einem Druckkopf
aufzunehmen, und einen Vakuummechanismus 1104, um ein Vakuum
an die Löcher 1102 anzulegen.
Die Löcher 1102 sind
in einem Feld angeordnet, welches dem Feld möglicher Nadelstellen in dem
Druckkopf entspricht. Ein Druck-Messgeber 1106 ist an jedem
Loch vorgesehen, um Druckänderungen
zu detektieren.
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Im
Betrieb wird der Druckkopf in eine Ausrichtung mit der Nadel-Sensorplatte 1100,
und zu dieser hin bewegt, wobei die Spitzen 107 der Nadeln 102 in
dem Druckkopf 110 in entsprechende Löcher 1102 der Sensorplatte 1100 eingesetzt
werden. An jedem Loch, in das eine Nadelspitze eingesetzt worden
ist, behindert die Nadel zumindest teilweise den Fluss der Umgebungsluft
in die Öffnung
des Lochs. Infolgedessen nimmt das Vakuum in dem Loch 1102 zu
(und der Druck nimmt ab), und diese Druckänderung wird von dem entsprechenden
Druck-Messgeber 1104 abgefühlt, wodurch das Vorhandensein
einer Nadel 102 in einer entsprechenden Nadelstelle in dem
Druckkopf angezeigt wird.
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12 stellt
eine optische Nadelsensor-Vorrichtung 1200 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Vorrichtung 1200 beinhaltet eine
optische Emitterplatte 1202 und eine optische Detektorplatte 1204.
Die Emitterplatte 1202 enthält eine Vielzahl optischer
Emitter 1206, wie zum Beispiel Leuchtdioden (LED). Die
optischen Emitter 1206 sind in einem Feld angeordnet, das
den möglichen
Nadelstellen in einem Druckkopf 110 entspricht. Die optische
Detektorplatte 1204 enthält eine Vielzahl optischer
Detektoren 1208 (z.B. Photodioden und Phototransistoren),
die ebenfalls in einem Feld angeordnet sind, sodass jeder optische
Detektor 1208 auf einen optischen Emitter 1206 der
Emitterplatte 1202 ausgerichtet ist, und ein Lichtsignal
von diesem empfangen kann.
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Wie
in 12 gezeigt ist, sind die Emitter- und die Empfängerplatte 1202, 1204 an
gegenüberliegenden
Seiten eines Druckkopfes 110 (oberhalb und unterhalb des
Druckkopfes) angeordnet, sodass die entsprechenden Emitter, Detektoren
und Nadelöffnungen
aufeinander ausgerichtet sind. Wenn eine Öffnung leer ist (d.h. keine
Nadel enthält),
wird Licht von dem entsprechenden Emitter 1206 durch den Druckkopf 110 durch
gehen, und von dessen entsprechenden optischen Detektor 1208 detektiert
werden, wodurch ein Signal erzeugt wird, welches die Lichtdetektion
anzeigt. Wenn eine Nadel in der Öffnung
angeordnet ist, wird das Licht von dem Emitter nicht von dessen
entsprechendem optischen Detektor detektiert werden, und es wird
kein Signal ausgegeben. Auf diese Weise kann jede Öffnung in
dem Druckkopf 110 simultan untersucht werden, um das Vorhandensein
oder die Abwesenheit einer Nadel zu detektieren.
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Während es
bevorzugt ist, dass die verschiedenen oben beschriebenen Vorrichtungen
je ein Feld von Sensorelementen enthalten, um gleichzeitig das Vorhandensein
oder die Abwesenheit von Nadeln in allen Nadelstellen in dem Druckkopf
abzufühlen, könnte die
Vorrichtung auch mit einem oder nur wenigen solcher Sensorelemente
versehen sein, im Bezug auf die der Druckkopf bewegt wird, um nacheinander
abzufühlen,
ob eine Nadel in jeder Nadelstelle vorhanden ist.
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13 stellt
eine optische Sensorvorrichtung 1300 gemäß nach einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. 13 ist eine Unteransicht des
Druckkopfes 110, wobei ein optischer Emitter 1302 und
ein optischer Detektor 1304 der Vorrichtung 1300 gezeigt
sind, welche Nadeln in dem Nadelkopf horizontal scannen. Der Emitter
und der Detektor sind an gegenüberliegenden
Seiten des Nadelfeldes angeordnet. Licht, das vom Emitter ausgestrahlt
und von dem Detektor empfangen wird, wird entlang einer Linie (d.h.
einer „Sichtlinie") verlaufen, welche
durch die Strichlinie 1306 dargestellt ist, die in einem
vorbestimmten Winkel im Bezug auf die X- und Y-Achse des Druckkopfes
verläuft,
sodass einzelne Nadeln getrennt detektiert werden können. Bei
der Verwendung werden der Druckkopf und/oder das Emitter/Detektorpaar
entlang der X- oder Y-Achse relativ zueinander bewegt. Jede Nadel
in dem Druckkopf für sich
kann das Licht zwischen dem Emitter/Detektorpaar zu einer vorbestimmten
Zeitperiode während des
Scannens unterbrechen. Dementsprechend kann jede Nadelstelle einzeln
auf das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Nadel untersucht
werden.
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14 stellt
eine optische Sensorvorrichtung 1400 gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
Erfindung dar. Die Vorrichtung 1400 untersucht die Nadelköpfe 104 der
Nadeln 102 in einem Druckkopf 110, um das Vorhandensein
von Nadeln zu ermitteln. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist
das Spottinginstrument mit einer Prüfstufe 1402 ausgerüstet. Der
Druckkopf 110 wird angehoben und gesenkt, um nacheinander
jede Nadelöffnung über der Prüfstufe 1402 zu
positionieren. Wenn in der Öffnung eine
Nadel vorhanden ist, wie in 14 gezeigt,
wird der Nadelkopf 104 im Verhältnis zu den anderen Nadeln
und dem Druckkopf 110 angehoben. Die Vorrichtung 1400 enthält einen
optischen Emitter 1404 und einen optischen Detektor 1406,
die oberhalb des Druckkopfes angeordnet sind, wobei sie das Vorhandensein
oder die Abwesenheit einer Nadel in der Öffnung basierend darauf detektieren,
ob das Lichtsignal von dem Emitter zu dem Detektor unterbrochen ist
oder nicht.
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Obwohl
dies nicht dargestellt ist, könnte
die Vorrichtung 1400 mit mehreren Emitter/Detektorpaaren
ausgestattet sein, um eine ganze Nadelreihe in dem Druckkopf gleichzeitig
zu untersuchen. In diesem Fall könnte
die Prüfstufe
ausgebildet sein, um die gesamte Reihe zu stützen. Die Emitter/Detektorpaare
werden optische Signale entlang Linien übermitteln und empfangen, die
im Rechten Winkel auf die Reihen der Nadeln stehen, die untersucht
werden.
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Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung könnte
ein nichtoptischer Sensor anstatt der in 14 gezeigten
optischen Sensorvorrichtung 1400 verwendet werden. Ein
solcher Sensor könnte
eine Luftkern-Induktionsspule (ähnlich
der oben im Zusammenhang mit 9A und 9B beschriebenen)
als Induktionssensor oberhalb des Druckkopfes beinhalten. Der Sensor
könnte oberhalb
des Druckkopfes angeordnet und über
die Nadelöffnung
gesenkt werden, die untersucht wird. Wenn eine Nadel in der Öffnung vorhanden
ist, wird der Nadelkopf der Nadel angehoben (da die Nadel von der
Prüfstufe
gestützt
wird) und in den Kern der Luftkern-Spule eingesetzt. Das Vorhandensein
des Nadelkopfes in dem Kern würde
die Induktivität
der Spule erheblich erhöhen,
was als Impedanzänderung
in einer Schaltung, welche Wechselstrom durch die Spule leitet,
abgefühlt
werden könnte.
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In
einer weitem alternativen Ausführungsform
könnten
andere Arten induktiver Sensoren anstatt der Luftkern-Spulensensoren
verwendet werden. Beispielsweise könnte ein zweispuliger Induktionssensor
von der Art, wie sie oben in 10 beschrieben
ist, verwendet werden. Zusätzlich
könnten Sensoren
verwendet werden, die sich von induktiven Sensoren unterscheiden.
Es könnte
beispielsweise ein Mikroschalter (ähnlich dem oben in 7A und 7B beschriebenen)
oder ein Halleffekt-Sensor verwendet werden, um einen angehobenen
Nadelkopf zu detektieren.
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15 stellt
eine Sensorvorrichtung 1500 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung dar. Diese Vorrichtung enthält einen optischen Emitter 1502 und
einen optischen Detektor 1504, die angeordnet sind, um
eine Nadelspitze 107 zu detektieren, die zwischen einem
Paar Prüfstufen 1506 angeordnet
ist. Demgemäß wird der
Druckkopf 110 im Bezug auf die Prüfstufen 1506 angehoben und
gesenkt, um nacheinander jede Nadelöffnung in dem Druckkopf 110 an
eine Stelle oberhalb des Abfühlbereichs
(d.h. zwischen den zwei Prüfstufen)
zu positionieren. Wenn eine Nadel 102 in der Nadelöffnung angeordnet
ist, wird die Nadelspitze 107 den optischen Strahl oder
das Signal von dem Emitter 1502 zu dem Detektor 1504 unterbrechen,
und dadurch abgefühlt
werden. Ein Vorteil des Sensormechanismus 1500 ist, dass
auf dem Druckkopf selbst keine Verkabelungen oder Mechanismen erforderlich sind.
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Es
können
auch andere Arten optischer Sensoren verwendet werden, um Nadeln
in einem Druckkopf zu detektieren, einschließlich z.B. optischer Reflexionssensoren.
Ein optischer Reflexionssensor strahlt ein Lichtsignal aus, und
detektiert eine Reflexion des Signals von dem Objekt, dass abgefühlt wird.
Solch ein optischer Sensor würde
in der Nähe der
Nadelöffnung
angeordnet werden, die abgefühlt werden
soll. Wenn in der Öffnung
eine Nadel angeordnet ist, empfängt
und detektiert der Sensor ein reflektiertes optisches Signal. Wenn
keine Nadel in der Öffnung
vorhanden ist, empfängt
der Sensor kein reflektiertes Signal. Ein optischer Reflexionssensor könnte in
jeder der oben beschriebenen optischen Sensorvorrichtungen verwendet
werden.
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Die
gleichzeitig anhängige
US-Patentanmeldung Serial-Nummer 09/527,893 mit dem Titel „METHOD
AND APPARATUS FOR PRODUCING COMPACT MICROARRAYS" (Attorney-Docket-Nr. GSI-002) beschreibt
verschiedene Nadelhebe-Mechanismen, die verwendet werden können, um
kompakte Mikroarrays zu erzeugen. Mikroarray-Spottinginstrumente, die gemäß der Erfindung
konstruiert sind, können
diese Nadelhebe-Mechanismen
in Verbindung mit den Sensorvorrichtungen verwenden, die in der
vorliegenden Erfindung beschrieben sind, um die Erzeugung von Mikroarrays
zu erleichtern. Wenn beispielsweise der Sensor detektiert, dass
in einer bestimmten Nadelöffnung
im Druckkopf keine Nadel montiert ist, wird das Spottinginstrument
wissen, dass der Nadelheber für
diese Öffnung
nicht aktiviert werden muss. Es könnten auch Sensoren verwendet
werden, um zu detektieren, welche Nadeln innerhalb der Gruppe von Öffnungen
montiert sind, die von einem Nadelheber angesteuert werden, und ob
es überhaupt
welche gibt. Auch wenn gemäß der Erfindung
die Nadeldetektionsvorrichtung abfühlt, dass eine Nadel in einer
oberen (d.h. angehobenen) Position steckt, kann das Spottinginstrument
die Steuerungsabfolge des Instruments automatisch rekonfigurieren,
um zu vermeiden, dass die steckenden Nadeln vom Nadelheber verwendet
werden. Der Nadelheber hat vorzugsweise ein ausreichendes Spiel,
um zu vermeiden, dass die Nadel in die Probe getaucht wird, vorzugsweise
zumindest 5 min.
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Da
gewisse Änderungen
an der obigen Vorrichtung durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der hieran beteiligten Erfindung abzuweichen, ist beabsichtigt,
dass alle Gegenstände,
die in der obigen Beschreibung enthalten, oder in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt sind, in einem erläuternden
und nicht in einem einschränkenden
Sinn ausgelegt werden sollen.