DE60225976T2

DE60225976T2 - Vorrichtung zur Aufnahme eines chipförmigen Trägers und Verfahren zum Zusammenbau mehrerer solcher Vorrichtungen

Info

Publication number: DE60225976T2
Application number: DE60225976T
Authority: DE
Inventors: Peter Vischer
Original assignee: Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2003130876A; US20030064506A1; EP1955769A2; CA2391045A1; EP1281440A1; EP1281440B1; US6756224B2; EP1955769B1; EP1281439A1; CA2391045C; US20040229383A1; EP1955769A3; ATE523253T1; ATE391555T1; DE60225976D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme eines chipförmigen Trägers, der auf einer Seite eine erste Oberfläche, die eine aktive Oberfläche, die mit einem Array von DNA-Bruchstücken oder Ähnlichem beschichtet ist, und eine zweite Oberfläche auf einer zweiten, der ersten gegenüber liegenden Seite sowie einen Rand mit einer peripheren äußeren Oberfläche umfasst, die sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die aktive Oberfläche dazu ausgebildet ist, mittels einer elektrooptischen Leseeinrichtung gelesen zu werden.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine analytische Kassette, die eine Chipaufnahmevorrichtung umfasst.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Assemblieren einer Mehrzahl von derartigen Chipaufnahmevorrichtungen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein System zum Ausführen von Auswertungs- und/oder Überwachungsverfahren, die einen elektrooptischen Lesevorgang an einer aktiven Oberfläche eines chipförmigen Trägers umfasst.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist ein chipförmiger Träger ein Substrat, insbesondere ein Glaschip von beispielsweise quadratischer Form mit einer Dicke von beispielsweise 0,7 oder 1,0 Millimeter und einer so genannten aktiven Oberfläche, die eine Oberfläche ist, die mit einem Array unterschiedlicher DNA-Bruchstücke, z. B. DNA-Oligonukleotid-Sonden, beschichtet ist, das an bekannten Positionen auf dieser Oberfläche lokalisiert ist. Diese DNA-Bruchstücke dienen als Sonden zum Detektieren von DNA-Fragmenten mit einer komplementären DNA-Sequenz.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines derartigen DNA-Chips insbesondere eine Einwegkassette, die aus einem plastischen Material gefertigt ist, und eine Kassette, die einen DNA-Chip unterbringt, wird als analytische Kassette bezeichnet.
DNA-Chips, die in derartigen Kassetten enthalten sind, haben einen breiten Anwendungsbereich. Sie können beispielsweise zum Untersuchen der Struktur-Aktivitäts-Beziehung zwischen unterschiedlichen biologischen Materialien oder zum Bestimmen der DNA-Sequenz eines unbekannten biologischen Materials verwendet werden. Die DNA-Sequenz von derartigem unbekanntem Material kann beispielsweise mittels eines Verfahrens bestimmt werden, das als Sequenzierung durch Hybridisierung bezeichnet wird. Bei einem Verfahren der Sequenzierung durch Hybridisierung werden Sequenzen verschiedener Materialien an bekannten Positionen auf einer Oberfläche eines Chips gebildet, und eine Lösung, die ein oder mehrere zu sequenzierende Targets enthält, wird auf diese Oberfläche aufgebracht. Die Targets binden oder hybridisieren nur mit komplementären Sequenzen auf dem Substrat. Die Positionen, an denen eine Hybridisierung erfolgt, werden mit geeigneten Detektionssystemen detektiert, indem die Targets mit einem fluoreszierenden Farbstoff, einem radioaktiven Isotop, einem Enzym oder einem anderen Marker markiert werden. Informationen über Targetsequenzen können den Daten entnommen werden, die mithilfe derartiger Detektionssysteme erhalten werden.
Durch Kombinieren verschiedener verfügbarer Technologien, wie etwa Photolithographie und Fertigungsverfahren, konnte ein wesentlicher Fortschritt bei der Fertigung und der Platzierung verschiedener Materialien auf Chips des oben erwähnten Typs erzielt werden. Beispielsweise können Tausende von unterschiedlichen Sequenzen auf einem einzelnen Substrat von etwa 1,28 Quadratzentimeter in nur einem geringen Bruchteil der Zeit gefertigt werden, die bei herkömmlichen Verfahren erforderlich ist. Derartige Verbesserungen machen diese Substrate für die Verwendung bei verschiedenen Anwendungen praktisch anwendbar, wie etwa in der biomedizinischen Forschung, in der klinischen Diagnostik und in anderen industriellen Märkten, sowie im aufstrebenden Gebiet der Genomik, die sich vor Allem mit der Bestimmung der Beziehung zwischen genetischen Sequenzen und der menschlichen Physiologie befasst.
Da die Vermarktung derartiger Chips an Verbreitung zunimmt, sind eine ökonomisch herstellbare Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme des Chips mit einem hohen Durchsatz wünschenswert.
Da die aktive Oberfläche des Chips, also dessen Oberfläche, die mit den oben erwähnten verschiedenen Sequenzen beschichtet ist, beispielsweise für optische Detektionsmittel, z. B. im Fall von Fluoreszenzmessungen, zugänglich sein muss, muss der Chip in eine Wand einer Einwegkassette eingesetzt werden, wobei seine aktive Oberfläche dem Inneren der so genannten Verarbeitungskammer innerhalb der Kassette zugewandt ist und wobei seine gegenüberliegende Oberfläche für die optischen Detektionsmittel zugänglich ist.
Beispielsweise umfasst bei dem oben erwähnten Verfahren der Sequenzierung durch Hybridisierung die Verarbeitung der Beschichtung auf der aktiven Oberfläche des Chips ein Fluten der Verarbeitungskammer der Kassette mit einer Lösung, die ein oder mehrere zu sequenzierende Targets enthält. Daher ist eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen dem Chip und der Einwegkassette notwendig. Bei einer bekannten Ausführungsform, die in der US-Patentschrift Nr. 5.945.334 beschrieben ist, wurde dies unter Reinraumbedingungen erzielt, indem der Chip an einer Ausnehmung der Kassette mithilfe eines Klebstoffs befestigt wurde, also dadurch, dass er in die Kassette eingeklebt wurde. Dieses bekannte Verfahren zum Verbinden des Chips mit der Kassette hat schwerwiegende Nachteile. Erstens ist die Fluoreszenz der verwendeten Klebstoffe so hoch, dass sie erheblich interferiert und an der aktiven Oberfläche der Chips durchgeführte Fluoreszenzmessungen stört, und kann sogar einen Sättigungseffekt bei einem Photomultiplier ausüben, der zum Durchführen der Fluoreszenzmessungen verwendet wird. Der Klebstoff muss mithilfe eines Verteilers aufgebracht werden, was nicht bei jedem Klebstoff möglich ist. Weiterhin neigen die bekannten Klebstoffe dazu, Gase zu entwickeln oder zu enthalten, die, wenn sie freigesetzt werden, die Reaktionen stören. Ein weiteres Problem wird durch im Klebstoff vorhandenes Lösemittel verursacht, da das Lösemittel mit den DNA-Proben auf der aktiven Oberfläche reagieren kann. Es wurde sogar festgestellt, dass Lösemittel die Eigenschaften der Glasoberfläche eines chipförmigen Trägers nachteilig beeinflusst, sie beispielsweise verschmiert.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahren zum Verbinden des Chips mit der Kassette besteht darin, dass es manuell ausgeführt wird und nicht dazu geeignet ist, mithilfe automatisierter Mittel ausgeführt zu werden, da ein sehr sorgfältiges Positionieren innerhalb des Aufnahmefensters der Kassette erforderlich ist. Weiterhin muss, da der Klebstoff danach aufgebracht wird, eine zweite Kontrolle vorgenommen werden, ob der DNA-Chip noch an seiner Position ist. Diese Vorgänge werden durch die relativ großen Toleranzen der Abmessungen der Chips und ihre ziemlich unebenen Ränder erschwert.
Ein erster Zweck der Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Chips des oben erwähnten Typs bereitzustellen, die mindestens einen und vorzugsweise sämtliche der oben erwähnten Nachteile vermeidet.
Ein zweiter Zweck der Erfindung besteht darin, eine analytische Kassette bereitzustellen, die eine erfindungsgemäße Chipaufnahmevorrichtung umfasst.
Ein dritter Zweck der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Assemblieren einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Chipaufnahmevorrichtungen mit einem hohen Durchsatz bereitzustellen.
Ein vierter Zweck der Erfindung besteht darin, ein System zum Ausführen von Auswertungs- und/oder Überwachungsverfahren bereitzustellen, die einen elektrooptischen Lesevorgang an einer aktiven Oberfläche eines chipförmigen Trägers einschließen, wobei mindestens einer der oben erwähnten Nachteile von Ausführungsformen nach dem Stand der Technik vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird der oben erwähnte erste Zweck mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 erzielt.
Die wesentlichen Vorteile einer erfindungsgemäßen Chipaufnahmevorrichtung rühren von der Tatsache her, dass die erforderliche flüssigkeitsdichte Verbindung des Chips mit der Kassette mittels eines festen Abdichtungsmaterials erzielt wird, das flüssig wird, wenn es über eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, und wieder fest wird, wenn es abgekühlt wird. Im festen Zustand bildet das Abdichtungsmaterial einen wesentlichen Teil der Wand eines Sitzes für einen innerhalb der Kassette gebildeten Chip und trägt dadurch dazu bei, die Position des Chips zu definieren, wenn er in den Sitz eingesetzt wird. Nachdem der Chip im Sitz positioniert ist, wird das Abdichtungsmaterial verflüssigt, indem es erhitzt wird, und füllt dann den Raum zwischen den festen Wänden des Sitzes und dem Chip. Da dies geschieht, wenn das Abdichtungsmaterial im flüssigen Zustand ist, beeinträchtigt irgendeine Unregelmäßigkeit der Ränder des Chips die Qualität der Abdichtung nicht.
Überraschenderweise bleibt der Chip, abhängig von der Beschaffenheit des Abdichtungsmaterials, auch dann flüssigkeitsdicht, wenn ein merklicher Überdruck aufgebracht wird, der z. B. durch eine in die Kammer der Kassette eingefüllte Flüssigkeit ausgeübt wird.
Ein bevorzugtes Abdichtungsmaterial ist ein Material, das geeignet ist, durch Zuführen von Wärme geschmolzen zu werden, und das wieder fest wird, wenn es abgekühlt wird. Ein bevorzugtes Abdichtungsmaterial ist ein Heißschmelzmaterial, insbesondere ein heißschmelzender Klebstoff, d. h. ein durch Wärme schmelzbarer Klebstoff, der auch als „thermoplastischer Klebstoff" bezeichnet wird.
Erfindungsgemäß wird der oben erwähnte zweite Zweck mit einer analytischen Kassette nach Anspruch 8 erzielt.
Erfindungsgemäß wird der oben erwähnte dritte Zweck mit einem Verfahren zum Assemblieren einer Mehrzahl von analytischen Kassetten nach Anspruch 10 erzielt.
Die wesentlichen Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Assemblieren einer Mehrzahl von Chipaufnahmevorrichtungen mit der von der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Struktur bestehen darin, dass ein derartiges Verfahren dazu ausgebildet ist, vollständig unter Verwendung üblicher automatisierter Mittel ausgeführt zu werden, und eine hohe Verarbeitungsmenge erzielt.
Erfindungsgemäß wird der oben erwähnte vierte Zweck mit einem System nach Anspruch 15 erzielt.
Der wesentliche Vorteil eines erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass es das Ausführen von Auswertungs- und/oder Überwachungsverfahren, die elektrooptische Lesevorgänge an einer aktiven Oberfläche eines chipförmigen Trägers des oben erwähnten Typs einschließen, ermöglicht und die oben erwähnten Nachteile von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vermeidet.
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, in der:
1 eine perspektivische Ansicht einer Chipaufnahmevorrichtung zeigt, die eine Kassette 12 umfasst;
2 im Querschnitt eine Einzelteildarstellung von Mitteln zeigt, die erfindungsgemäß zum Befestigen eines chipförmigen Trägers 21 an einem ersten Gehäuse 14 verwendet werden, das Teil einer Kassette 12 ist;
3 das Gleiche wie 2 zeigt, jedoch mit einem eingesetzten Chip und mit Energiequellen;
4 eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Mittel zeigt, nachdem sie erfindungsgemäß assembliert wurden;
5 eine Draufsicht auf die in 4 dargestellte Baueinheit zeigt;
6 einen Teil eines schematischen Querschnitts einer Kassette zeigt; und
7 eine Assemblierungslinie zur automatischen Aufnahme von Chips in Kassetten zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie mittels 1 gezeigt ist, umfasst eine erfindungsgemäße Chipaufnahmevorrichtung eine Kassette 12. Die Kassette 12 umfasst ein erstes Gehäuseteil 14 und ein zweites Gehäuseteil 15. Das Gehäuseteil 15 hat eine Öffnung 13 zum Einführen einer flüssigen Probe in die Kassette 12. Das Gehäuseteil 15 ist vorzugsweise aus einem optisch undurchlässigen Material gefertigt.
Wie anhand von 2 zu erkennen ist, hat das Gehäuseteil 14 eine äußere Oberfläche 16 und eine innere Oberfläche 17, eine erste Ausnehmung 18 zur Aufnahme eines chipförmigen Trägers 21, der im Folgenden der Einfachheit halber als Chip 21 bezeichnet wird, und eine zweite Ausnehmung 22, die ein Fenster bildet, das Zugang zu der ersten Ausnehmung 18 und dadurch zur aktiven Oberfläche 28 des chipförmigen Trägers 21 bietet. Diese Struktur ist lediglich ein Beispiel für Mittel, die visuellen Zugang zur aktiven Oberfläche 28 bieten.
Üblicherweise ist der Chip 21 aus Glas gefertigt, hat eine Dicke von 0,7 oder 1,0 Millimeter und hat im Wesentlichen die Form eines Quadrats. Da die Größe des Chips 21 in Länge und Breite eine relativ hohe Abmessungstoleranz von z. B. 0,0762 Millimeter aufweist, hat der in der Ausnehmung 18 zur Aufnahme und Positionierung des Chips 21 verfügbare Raum bei der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform einen entsprechenden Verbindungszwischenraum 20 (vgl. 3).
Der Chip 21 hat eine erste Oberfläche 61, von der ein Teil eine aktive Oberfläche 28 ist, die von Oligonukleotid-Sonden 32 bedeckt ist und keinesfalls berührt werden darf, damit jegliche Beschädigung der Sonden 32 vermieden wird.
Der Chip 21 hat eine zweite Oberfläche 62, die der ersten Oberfläche 61 gegenüberliegt, und einen Rand mit der peripheren Oberfläche 63, der sich zwischen der ersten Oberfläche 61 und der gegenüberliegenden Oberfläche 62 des Chips 21 erstreckt.
Die Ausnehmung 18 hat eine flache Bodenoberfläche 23 und Seitenwandoberflächen 24, die sich zwischen der äußeren Oberfläche 16 des Gehäuses 14 und der Bodenoberfläche 23 erstrecken. Wie mittels 2–6 gezeigt ist, ist an Seitenwandoberflächen 24 eine Schicht aus festem Heißschmelz-Abdichtungsmaterial 26 angeordnet. Das feste Heißschmelzmaterial ist durch Erhitzen, insbesondere durch Bestrahlung mit Laserlicht, schmelzbar und wird wieder fest, wenn es abgekühlt wird. Um das Einsetzen des Chips 21 zu erleichtern, können die inneren Oberflächen 29 der Heißschmelzmaterial-Schicht 26 geneigt sein, so dass eine Öffnung zur Bodenoberfläche 23 erhalten wird. Für diesen Zweck kann die Neigung ausreichen, die durch den Spritzguss dieses Teils verursacht wird.
Die Bodenoberfläche 23 hat eine Öffnung 25, die sich in die zweite Ausnehmung 22 öffnet.
Wie anhand von 2 und 3 zu erkennen ist, ist der Chip 21 in der Ausnehmung 18 des Gehäuseteils 14 positioniert. Das Heißschmelzmaterial 26 wird mittels Laserlicht 30 erhitzt, das von einer geeigneten Lichtquelle geliefert wird. Das Laserlicht wird nacheinander auf eine Anzahl von Punkten der Heißschmelzmaterial-Schicht 26 oder gleichzeitig auf die gesamte Heißschmelzmaterial-Schicht 26 gerichtet. Das erhitzte Heißschmelzmaterial 26 wird dann flüssig und füllt den Zwischenraum 20 zwischen den Wänden 24 und dem Rand des Chips 21. Offensichtlich haben Unregelmäßigkeiten in der Form des Rands 31 des Chips 21 keinen merklichen Einfluss auf dieses Verfahren und auch auf die Qualität der Verbindung zwischen dem Heißschmelzmaterial 26 und dem Chip 21. Vielmehr kann im Gegenteil erwartet werden, dass Unregelmäßigkeiten die mechanische Festigkeit verbessern.
Weitere Vorteile sind:

a) beim Erzeugen der Verbindung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Chip 21 tritt – im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, bei denen der Chip durch Klammerungsmittel gehalten wird – keine mechanische Spannung auf;
b) nach dem Positionieren des Chips muss kein Klebstoff aufgebracht werden, und der in der Einführung dargelegte Nachteil der bekannten Klebstoffe wird vermieden;
c) der Chip kann von der äußeren Oberfläche des Gehäuseteils 14 her eingesetzt werden;
d) das Festwerden des Heißschmelzmaterials, d. h. der Verbindungsvorgang, ist ein physikalisches Verfahren (Phasenübergang) und verläuft recht schnell;
e) das Heißschmelzmaterial kann vorzugsweise derart ausgewählt werden, dass es eine bestimmte Elastizität permanent beibehält;
f) das Heißschmelzmaterial beeinträchtigt Fluoreszenzmessungen nicht, d. h. es hat bei 633 nm eine geringe Fluoreszenzaktivität; und
g) die Lebensdauer ist relativ zu der bei herkömmlichen Klebstoffen verlängert.

Bei einer Ausführungsform wurden die folgenden Materialien verwendet:

• Chip 21: Glas;
• Heißschmelzmaterial-Schicht 26: Ecomelt P1 Ex318 (Collano Ebnöther AG, Schweiz): Erweichungstemperatur: 90°C (DIN 52011; ASTM D36/E28); Arbeitstemperaturbereich: 150–180°C, üblicherweise 160°C;
• Gehäuse 14 bzw. 15: Topas 6013 (Ticona GmbH, Deutschland): ein Copolymer aus Ethylen und Nobornen, allgemeiner ein cyclo-olefinisches Copolymer (COC); Formbeständigkeitstemperatur: 130°C.

Es wurde festgestellt, dass der Chip gegen einen Überdruck von 500 mbar bei 20°C sicher gehalten wurde und keine Leckage auftrat. Sogar bei 60°C hielt die Verbindung dem Druck einige Minuten lang stand. Ein Versagen bei 300 mbar Überdruck, der bei normalem Betrieb regelmäßig auftritt, ist daher ausgeschlossen.
4 und 5 zeigen den fixierten Zustand im Querschnitt bzw. in der Draufsicht. Insbesondere in 4 ist offensichtlich, dass das Heißschmelzmaterial 26 den Zwischenraum 20 vom Boden her ausgefüllt hat.
Wie anhand von 2 bis 5 zu erkennen ist, sind die Formen und die Abmessungen der Ausnehmung 18, des Chips 21, der Heißschmelzmaterial-Schicht 26 und der Öffnung 25 der Bodenoberfläche 23 der Ausnehmung 18 so gewählt, dass der Chip 21 in den durch die Heißschmelzmaterial-Schicht 26 begrenzten Raum hinein passt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, von der ein Teil mittels 6 schematisch gezeigt ist, hat der Chip 21 eine erste Oberfläche 61, von der ein Teil eine aktive Oberfläche 28 ist, die beschichtet ist mit einem so genannten Sondenarray 32, d. h. einem Array aus verschiedenen Sequenzen, z. B. DNA-Oligonukleotiden, die an bekannten Positionen auf dieser ersten Oberfläche 61 lokalisiert sind, und hat eine zweite Oberfläche 62, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt. Eine dritte Oberfläche 63, die sich zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche erstreckt, steht auf diesen Oberflächen senkrecht und ist die äußere Oberfläche der seitlichen Peripherie oder des Rands des Chips 21.
Da das Sondenarray 32 des Chips 21 beispielsweise für optische Detektionsmittel, z. B. zum Ausführen von Fluoreszenzmessungen, zugänglich sein muss, ist der Chip 21 in die äußere Wand der Kassette 12 eingesetzt, und seine erste Oberfläche 61 mit dem Sondenarray 32 darauf ist dem Inneren einer so genannten Verarbeitungskammer 33 innerhalb der Kassette 12 zugewandt.
Die geometrischen Spezifikationen beim Montieren des Chips 21 sind in 6 dargestellt, wobei sämtliche Abmessungen in Millimetern angegeben sind. Wie hierin angegeben, kann ein Chip 21 gewöhnlich drei Größen haben, die mit Nummern 100, 169 und 400 bezeichnet sind, und ist im Wesentlichen von quadratischer Form. Die Chipgröße 100 hat eine Seitenlänge 70 von 10,92 Millimeter. Die Chipgröße 169 hat eine Seitenlänge 70 von 8,153 Millimeter. Die Chipgröße 400 hat eine Seitenlänge 70 von 5,384 Millimeter. Die aktive Oberfläche der Chipgröße 100 hat eine Seitenlänge 71 von 9,5 Millimeter. Die aktive Oberfläche des Chips 21 der Größe 169 hat eine Seitenlänge 71 von 6,73 Millimeter Die aktive Oberfläche der Chipgröße 400 hat eine Seitenlänge 71 von 3,96 Millimeter. Die Dicke 73 des Chips 21 beträgt etwa 0,7 mm.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für eine automatisierte Assemblierung einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Chipaufnahmevorrichtungen.
7 zeigt schematisch die Struktur einer vollständig automatischen Assemblierungslinie zum Ausführen eines derartigen Verfahrens. Diese Assemblierungslinie umfasst einen Stapel 41 von Gehäuseteilen 14, 15 von Kassetten 12, eine erste Zuführvorrichtung 42, einen Plättchenverbinder 43, eine zweite Zuführvorrichtung 44 zum Befördern von blauen Bändern (blue tapes), die von einer Diamantsäge-Schneidmaschine kommen und die eine Mehrzahl von chipförmigen Trägern 21 tragen, eine Laserschweißmaschine 47, eine automatische Verpackungsvorrichtung 48 und einen Stapel von vollständig assemblierten Chipaufnahmevorrichtungen 49. Die Komponenten 42 bis 48 der Assemblierungslinie sind sämtlich übliche Vorrichtungen und sind Vorrichtungen, die für einen automatisierten Betrieb geeignet sind. Der Plättchenverbinder 43 umfasst eine Auflage 45 für blaues Band (blue tage) mit einem Expansionsmechanismus, einem Arbeitsrahmen 52, der in x- und in y-Richtung beweglich ist, und einen Werkzeughalter 53, der eine Plättchenhülse 46 hält. Der Werkzeughalter 53 ist mit dem Arbeitsrahmen 52 verbunden und ist dadurch in x- und in y-Richtung beweglich. Der Werkzeughalter 53 umfasst Mittel, z. B. eine Spindel, die es ermöglichen, die Plättchenhülse 46 in z-Richtung zu bewegen.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Assemblieren einer Mehrzahl von analytischen Kassetten, die Kassetten 12 umfassen, die folgenden Schritte:

(a) Zuführen einer Mehrzahl von Gehäusen 14 zu einer Eingabeseite der mittels 7 gezeigten automatischen Assemblierungslinie, wobei jedes der Gehäuse 14, wie oben beschrieben, eine Heißschmelzmaterial-Schicht 26 umfasst;
(b) Zuführen einer Mehrzahl von chipförmigen Trägern 21, von denen jeder eine aktive Oberfläche 28 aufweist, zu der Assemblierungslinie;
(c) Positionieren jedes der Träger 21 innerhalb der Ausnehmung 18 eines der Gehäuseteile 14 mittels eines automatischen Plättchenverbinders 43;
(d) Schmelzen der Heißschmelzmaterial-Schicht 26 in der Laserschweißmaschine 47, damit das verflüssigte Heißschmelzmaterial den Zwischenraum 20 zwischen den Seitenwänden 24 und dem Rand 63 des Chips 21 füllt.

Bei den oben erwähnten Verfahrensschritten (a) und (b) werden Gehäuse 14 vorzugsweise eines nach dem anderen über eine erste Zuführvorrichtung 42 von dem Stapel von Teilen 41 zum Plättchenverbinder 43 und von dort nacheinander zu den anderen Teilen der Assemblierungslinie übergeben, an denen ein Verarbeitungsschritt auszuführen ist. Auf eine ähnliche Weise und mit einer geeigneten Zeitgebung werden auch chipförmige Träger 21 über eine zweite Zuführvorrichtung 44 und eine Auflage 45 für blaues Band (blue tage) an den Plättchenverbinder 43 übergeben.
Bei allen oben erwähnten Verfahrensschritten werden die aktive Oberfläche 28 des Chips 21 und insbesondere die Sonden 32 darauf keinesfalls berührt, was sicherstellt, dass während des Assemblierungsprozesses keine Beschädigung dieser aktiven Oberfläche eintreten kann. Außerdem stellt das oben definierte Verfahren sicher, dass die Qualität des Schneidens des Chips 21 grundsätzlich unverändert bleibt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mindestens die folgenden der oben erwähnten Assemblierungsschritte in einem Reinraum ausgeführt:

– Positionieren jedes der Träger 21 innerhalb der Ausnehmung 18 und
– Schmelzen des Heißschmelzmaterials 26.

Nach dem Verbinden eines Chips 21 mit einem Gehäuseteil 14 werden dieses Gehäuseteil und ein komplementäres Gehäuseteil 15 an eine automatische Verpackungsvorrichtung 48 weitergegeben, wo sie zusammengesetzt werden, um eine vollständige Chipaufnahmevorrichtung, also eine Kassette 12 zu bilden, die einen chipförmige Träger 21 enthält.
Ein hervorstechender Vorteil der Vorrichtung und des Assemblierungsverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, dass sie eine Anpassung des seitlichen Einsetzzwischenraums ermöglichen, wenn der Chip in die Ausnehmung 18 des Gehäuseteils 14 eingesetzt wird. Diese Anpassungsmöglichkeit beseitigt einerseits die Notwendigkeit einer sehr genauen Positionierung des Chips 21 für dessen Montage sowie die Notwendigkeit relativ großer Kräfte zum Ausführen dieser Montage und ermöglicht andererseits die Verwendung kommerziell verfügbarer üblicher Vorrichtungen für die automatisierte Herstellung von integrierten Schaltkreisen.
Ein Beispiel für eine derartige übliche Vorrichtung ist z. B. ein Plättchenverbinder, der eine maximale Verbindungskraft von 10 Newton bereitstellen kann. Ein Plättchenverbinder wird üblicherweise zum Verbinden eines elektronischen Siliziumchips auf einem so genannten Leiterrahmen verwendet.
Der Vorteil einer derartigen automatisierten Assemblierungslinie besteht darin, dass sie es ermöglicht, eine Montagevorrichtung, die für die Verwendung in einem Reinraum geeignet ist, zu verwenden, und zwar den Plättchenverbinder, wobei die Entfernung des Chips 21 von einem so genannten „blauen Band" („blue tage") bereits integriert ist. Die Minimierung der Verbindungskraft, die zum Verbinden des Chips 21 und des Gehäuseteils 14 aufgebracht wird, wird durch ein Videosystem unterstützt.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System zum Ausführen von Auswertungs- und/oder Überwachungsverfahren, die einen elektrooptischen Lesevorgang an einer aktiven Oberfläche 28 eines chipförmigen Trägers 21 einschließen:

(a) eine Kassette 12 mit einer Öffnung 13 zum Einführen einer flüssigen Probe in die Kassette 12;
(b) ein in der Kassette 12 enthaltenes Gehäuseteil 14, das aufweist: (b.1) eine äußere Oberfläche 16 und eine innere Oberfläche 17, (b.2) eine erste Ausnehmung 18 zur Aufnahme eines chipförmigen Trägers 21, (b.3) Mittel 22, die einen Zugang zu der ersten Ausnehmung 18 und dadurch zu einer aktiven Oberfläche 28 des chipförmigen Trägers 21 bieten, wobei (b.4) die erste Ausnehmung 18 eine flache Bodenoberfläche 23 und Seitenwandoberflächen 24 aufweist, die sich zwischen der äußeren Oberfläche 16 des Gehäuseteils 14 und der Bodenoberfläche 23 erstrecken;
(c) eine auf die Seitenwände 24 der ersten Ausnehmung 18 aufgebrachte Heißschmelzmaterial-Schicht 26, wobei die inneren Wände 29 optional einen stumpfen Winkel mit dieser Bodenoberfläche 23 bilden, so dass sich die Ausnehmung 18 mit zunehmendem Abstand von der Bodenoberfläche 23 erweitert;
(d) einen chipförmigen Träger 21 mit einer aktiven Oberfläche 28, die dazu ausgebildet ist, mittels einer elektrooptischen Leseeinrichtung gelesen zu werden, und in der ersten Ausnehmung 18 des Gehäuseteils 14 positioniert ist;
(e) wobei die Form und die Abmessungen der ersten Ausnehmung 18, des chipförmigen Trägers 21 und des Heißschmelzmaterials 26 dergestalt sind, dass ein chipförmiger Träger 21 in den Raum hinein passt, der durch die Heißschmelzmaterial-Schicht 26 begrenzt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das oben beschriebene System ferner in 6 schematisch dargestellte elektrooptische Lesemittel 51 zum Lesen des Sondenarrays 32 des chipförmigen Trägers 21. Elektrooptische Lesemittel 51 sind z. B. ein Fluorimeter, d. h. eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle zum Bestrahlen einer aktiven Oberfläche 28 mit einem Anregungsstrahl sowie mit Lichtdetektionsmitteln zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, das vom Sondenarray 32 auf der aktiven Oberfläche 28 ausgestrahlt wird, ferner zum Bereitstellen eines entsprechenden Ausgangssignals und mit Mitteln zur Auswertung und/oder Überwachung dieses Ausgangssignals.
Abwandlungen und alternative Ausführungsformen der Erfindung sind dem Fachmann auf dem Gebiet angesichts der voranstehenden Beschreibung offenbar. Dementsprechend ist diese Beschreibung lediglich als veranschaulichend auszulegen und dient dem Zweck, den Fachmann auf dem Gebiet über die beste Betriebsart zum Ausführen der Erfindung zu unterrichten. Details der Vorrichtung und der Verfahren, die oben beschrieben wurden, können abgewandelt werden, ohne dass vom Geist der Erfindung abgewichen wird, und die ausschließliche Verwendung sämtlicher Abwandlungen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen, ist vorbehalten. Mögliche Abwandlungen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, sind wie folgt:

– Der Chip kann aus einem anderem Material als Glas gefertigt sein, in Übereinstimmung mit den Anforderungen, die durch das Verfahren der Beobachtung und/oder der Analyse des aktiven Oberflächengebiets des Chips, durch Druckbedingungen bei der Verwendung, durch chemische Stabilität usw. auferlegt werden.
– Es können andere Abdichtungsmaterialien in Betracht gezogen werden, die beim Erhitzen flüssig werden. Jedoch wird anhand des vorliegenden empirischen Wissens ein Material bevorzugt, das im Wesentlichen frei von Lösemittel ist.
– Anstelle von Laserlicht kann eine andere Energiequelle verwendet werden, vorzugsweise eine, deren Energie auf das Heißschmelzmaterial konzentriert werden kann, damit der Chip und insbesondere das Sondenarray auf der aktiven Oberfläche nicht angegriffen wird. Jedoch muss die Erhitzung, d. h. die Energiezufuhr, gesteuert werden, um zu vermeiden, dass das Material in einem Ausmaß erhitzt wird, bei dem es sich zu zersetzen beginnt. Eine Zersetzung kann nicht nur die Eigenschaften des Abdichtungsmaterials verschlechtern, sondern auch reaktive, möglicherweise flüchtige Moleküle erzeugen, die die DNA-Sonden angreifen können. Das Gleiche gilt selbstverständlich für das Material des Gehäuses, soweit es der Energiequelle ausgesetzt ist. Vorzugsweise sollte eine Energiequelle verwendet werden, die geeignet ist, exakt fokussiert zu werden, wie etwa ein Laser, damit eine Erhitzung des umgebenden Gehäuses vollständig vermieden werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Ultraschallwellen zum Erhitzen des Heißschmelzmaterials 26 verwendet. Diese Energieform hat den Vorteil, dass das Verfahren in kürzerer Zeit ausgeführt werden kann.
– Es ist nicht notwendig, dass das feste Heißschmelzmaterial 26 die gesamte Oberfläche der Seitenwände der Ausnehmung 18 vollständig bedeckt. Irgendwelche Lücken werden dann geschlossen, wenn sich das Heißschmelzmaterial während des Verbindungsprozesses verflüssigt.
– Die Kassette kann aus einem anderen Material, vorzugsweise einem polymeren Material gefertigt sein, das unter den Bedingungen der in der analytischen Kassette auszuführenden Reaktion oder Reaktionen inert ist.

Obwohl voranstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung bestimmter Begriffe beschrieben wurden, dient eine derartige Beschreibung lediglich veranschaulichenden Zwecken, und es ist selbstverständlich, dass Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Geist oder vom Umfang der nachfolgenden Ansprüche abgewichen wird.

12: Kassette
13: Öffnung (zur Einführung von Flüssigkeit)
14: erstes Gehäuseteil
15: zweites Gehäuseteil
16: äußere Oberfläche des Gehäuseteils 14
17: innere Oberfläche des Gehäuseteils 14
18: erste Ausnehmung des Gehäuseteils 14
20: Verbindungszwischenraum
21: Chip (chipförmiger Träger)
22: zweite Ausnehmung des Gehäuseteils 14
23: Bodenoberfläche der ersten Ausnehmung 18
24: Seitenwandoberflächen der ersten Ausnehmung 18
25: Öffnung in 23
26: Heißschmelzmaterial
28: aktive Oberfläche (vom Sondenarray 32 bedeckter Teil der ersten Oberfläche 61)
29: innere Oberfläche des Heißschmelzmaterials 26
30: Laserlicht
31: Rand des Chips 21
32: Sondenarray auf der ersten Oberfläche des chipförmigen Trägers 21
33: Verarbeitungskammer
41: Stapel von Gehäuseteilen 14, 15
42: erste Zuführvorrichtung
43: Plättchenverbinder
44: zweite Zuführvorrichtung (blaue Bänder (blue tapes))
45: Auflage für blaues Band (blue tage)
46: Plättchenhülse an 53
47: Laserschweißmaschine
48: automatische Verpackungsvorrichtung
49: Stapel von assemblierten Kassetten 12
51: elektrooptisches Lesesystem
52: Arbeitsrahmen von 43
53: Werkzeughalter von 43
61: erste Oberfläche von 21
62: zweite Oberfläche von 21
63: dritte Oberfläche von 21
70: Seitenlänge des Chips 21
71: Seitenlänge der aktiven Oberfläche 28 auf dem Chip 21
73: Dicke des Chips 21

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme und zum Halten eines chipförmigen Trägers (21), der ein Glassubstrat ist und der auf einer Seite eine erste Oberfläche (61) hat, die eine aktive Oberfläche (28) einschließt, welche mit einem Sondenarray (32) von unterschiedlichen Sequenzen, die an bekannten Positionen auf der ersten Oberfläche (61) lokalisiert sind, beschichtet ist, der eine zweite Oberfläche (62) auf einer zweiten der ersten gegenüberliegenden Seite hat und der einen Rand mit einer peripheren äußeren Oberfläche (63) hat, welche sich zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die aktive Oberfläche (28) dazu ausgebildet ist, mittels einer elektrooptischen Leseeinrichtung gelesen zu werden, wobei die Vorrichtung umfasst (a) eine Kassette (12) mit einer Öffnung (13) zum Einführen einer flüssigen Probe in die Kassette (12), (b) wobei die Kassette ein Gehäuseteil (14) hat, das eine innere Oberfläche (17) und eine äußere Oberfläche (16) aufweist, sowie eine erste Ausnehmung (18) zur Aufnahme des chipförmigen Trägers (21), wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst (c) eine Schicht aus einem Abdichtungsmaterial (26), welches mindestens einmal reversibel aus einem festen Zustand in einen fluiden Zustand transformierbar ist und welches in einer derartig ausreichenden Menge vorhanden ist, dass es eine flüssigkeitsdichte Bindung zwischen der inneren Oberfläche (24) der Seitenwände der ersten Ausnehmung (18) und der peripheren äußeren Oberfläche (63) des Randes des chipförmigen Trägers (21) bildet, wenn letzterer in der ersten Ausnehmung (18) platziert wird, wobei die Schicht (26) des Abdichtungsmaterials auf den gesamten inneren Umfang der inneren Oberfläche (24) der Seitenwände der ersten Ausnehmung (18) aufgebracht wird und sich über diesen erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Abdichtungsmaterial (26) flüssig wird, wenn es über eine bestimmte Temperatur hinaus erhitzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welchem das Abdichtungsmaterial (26) flüssig wird, wenn es durch Einstrahlung von Energie erhitzt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Abdichtungsmaterial (26) so ausgewählt ist, dass es nicht mit der optischen Beobachtungsmethode interferiert, die von der elektrooptischen Leseeinrichtung (51) durchgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Abdichtungsmaterial (26) eine Begrenzung der ersten Ausnehmung (18) bildet, die zu deren Boden (23) hin derartig geneigt ist, dass das Einsetzen des chipförmigen Trägers in die erste Ausnehmung (18) erleichtert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher am Boden der ersten Ausnehmung (18) eine Öffnung derartig vorgesehen ist, dass die aktive Oberfläche (28) eines in der ersten Ausnehmung (18) platzierten Chips (21) für eine optische Untersuchung zugänglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher das Abdichtungsmaterial ein Heißschmelzmaterial ist.
Analytische Kassette, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einen chipförmigen Träger (21), der in der ersten Ausnehmung (18) der Vorrichtung eingesetzt ist.
Analytische Kassette nach Anspruch 8, bei welcher als Mittel, durch welches ein Zugang der aktiven Fläche (28) des chipförmigen Trägers (21) möglich ist, eine Öffnung (25) in der ersten Ausnehmung (18) vorgesehen ist, wobei die Öffnung ein inneres Ende und ein äußeres Ende hat und wobei der Umfang des inneren Endes der Öffnung (25) die aktive Oberfläche (28) umschließt.
Verfahren zum Assemblieren einer Mehrzahl von analytischen Kassetten nach einem der Ansprüche 8 oder 9, umfassend: (a) Zuführen von einer Mehrzahl von Gehäuseteilen (14) zu einer automatischen Assemblierungslinie, (b) Zuführen einer Mehrzahl von chipförmigen Trägern (21), die jeweils eine aktive Oberfläche (28) haben, zu der Assemblierungslinie, (c) Positionieren von jedem der chipförmigen Träger (21) in der ersten Ausnehmung (18) von einem der Gehäuseteile (14) mittels einer ersten automatischen Apparatur (43), (d) Binden von jedem der chipförmigen Träger (21) in der ersten Ausnehmung (18) des Gehäuseteiles (14) durch selektives Bestrahlen mit einer Energieform und dadurch Verflüssigen des reversibel verflüssigbaren Abdichtungsmaterials (26).
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das reversibel verflüssigbare Abdichtungsmaterial mit Laserlicht bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das reversibel verflüssigbare Abdichtungsmaterial mit Ultraschallwellen bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 12, bei welchem die darin definierten Assemblierungsschritte vollautomatisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei welchem die folgenden Schritte in einem Reinraum ausgeführt werden: Positionieren von jedem der Träger (21) in der ersten Ausnehmung (18) von einem der Gehäuseteile (14), und Binden des Trägers (21) an das Gehäuseteil (14) durch Verflüssigen des Abdichtungsmaterials (26).
System zum Durchführen von Auswertungs- und/oder Überwachungsverfahren, die einen elektrooptischen Lesevorgang an einer aktiven Oberfläche eines chipförmigen Trägers (21) einschließen, wobei das System umfasst (a) eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Aufnahme und zum Halten eines chipförmigen Trägers, und (b) einen chipförmigen Träger (21) der eine aktive Oberfläche (28) hat, die dazu ausgebildet ist, mittels einer elektrooptischen Leseeinrichtung gelesen zu werden, wobei der chipförmige Träger in der ersten Ausnehmung (18) des Gehäuseteils (14) der Vorrichtung platziert ist, und wobei das Abdichtungsmaterial den Spalt zwischen den Seitenwänden (24) der ersten Ausnehmung (18) und dem chipförmigen Träger (21) füllt, so dass der chipförmige Träger fest und flüssigkeitsdicht in der Ausnehmung gehalten wird.
System nach Anspruch 15, bei welchen die aktive Oberfläche (28) des chipförmigen Trägers (21) mit einem Sondenarray von DNA-Oligonukleotiden beschichtet ist.
System nach Anspruch 15, bei welchem das System weiterhin Mittel (51) zum elektrooptischen Lesen der aktiven Oberfläche des chipförmigen Trägers (21) aufweist.