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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Auftragstift (Spotting
Pin) zum Auftragen von Biomoleküle
enthaltenden Lösungen
auf ein Substrat zum Herstellen von Biochips.
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2. Technischer Hintergrund
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Biochips
werden gewöhnlich
durch Auftragen von Biopolymere enthaltenden Lösungen, wie vielfache Artenvon
DNS, RNS, Proteinen oder Oligonukleotiden, auf einem Substrat, wie
einer gläsernen Gleitplatte
(im folgenden "Objektträger" genannt) oder einer
Nylonmembran, hergestellt. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren
werden Auftragstifte verwendet. Verschiedene Sorten von Auftragsstiften
sind entwickelt worden, einschließlich eines Auftragsstifts
des geschlitzten Typs, welcher für
sequentielle Auftragungsprozeduren basierend auf Kapillarwirkung,
wie derjenigen, die in einer Füllfederhalterspitze
beobachtet wird, geeignet ist. Ein weiteres Beispiel ist ein Auftragsstift
des kompakten Typs, auf welchem eine Auftragslösung veranlasst wird, an den Stift
vor jedem Stempeln anzuhaften. Der Auftragsstift des kompakten Typs
ist dadurch vorteilhaft, dass er einfach abzuspülen ist, und dass er weniger
Auftragslösung
vergeudet. Es war jedoch schwierig, aufeinander folgend einheitliche
Flecken (spots) zu erzeugen und große Mengen an Biochips von einheitlicher
Qualität
unter Verwenden des Auftragsstiftes des kompakten Typs herzustellen.
Dieses Problem wurde in den jüngsten
Jahren überwunden,
wie durch die
JP-Patentveröffentlichung
(Kokei) Nr. 2000-157272 A1 nachgewiesen ist. Diese beschreibt einen
Auftragsstift mit einem Stiftkopf, auf welchem eine kreuzförmige Furche
ausgebildet ist, um die Menge an Auftragslösung zu erhöhen, die am Stiftkopf anhaften
kann.
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12 ist
eine perspektivische Ansicht einer Spitze eines herkömmlichen
flach geschnittenen Stiftes, der parallel zur Kontaktoberfläche geschnitten ist.
Der flach geschnittene Stift wird verwendet, wenn eine Lösung auf
einem Wasser absorbierenden Substrat aufgetragen wird, wie zum Beispiel
einer Nylonmembran. Er hat das Problem, dass er keine Flecken mit
runden Rändern
und konstanter Form erzeugen kann, falls die Auftragsgeschwindigkeit
hoch ist. 13 ist eine perspektivische
Ansicht eines Kopfteils eines herkömmlichen Auftragsstiftes (V-förmig geschnittener
Stift), bei welchem V-förmige
Furchen in Gestalt eines Kreuzes im Kopfteil des Körpers ausgebildet
sind, welcher von annähernd
zylindrischer Ges talt ist, wobei jedes V einen Keilwinkel von 90° hat. Der
V-förmig
geschnittene Stift hat vier Vorsprünge 131 bis 134.
Die Vorsprünge
sind von annähernd dreieckiger
pyramidaler Gestalt, wobei jeder Vorsprung einen auf der äußeren Oberfläche des
im wesentlichen zylindrischen Körpers 130 befindlichen Scheitel
hat. Der V-förmig
geschnittene Stift erzeugt einen Fleck, der dazu neigt, wie ein
Quadrat auszusehen, wie in 14 gezeigt
ist, und seine Gestalt ist uneinheitlich. Falls identisch geformte
Flecken nicht erhalten werden können,
kann die Reproduzierbarkeit oder die Analyse eines Experiments unter
Verwendung eines Biochips leiden.
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Überdies
gibt es einen Bedarf für
eine Technik, die es ermöglicht,
Flecken nicht hoher Dichten auszubilden, weil viele Arten von Biomolekülen, die auf
engem Gebiet aufgebracht sind, es nicht nur ermöglichen würde, große Mengen der Genexpression auf
einmal zu analysieren, sondern auch helfen würde, die Anzahl an verwendeten
Proben zu verringern. Zu diesem Zweck wird ein Auftragsstift benötigt, der in
der Lage ist, kleine identisch gestaltete Flecken in einheitlicher
Art und Weise zu stempeln.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, einen Auftragsstift verfügbar zu
machen, der zur Ausbildung von Flecken mit gewünschten Durchmessern auf einem
Biochip-Substrat, wie einem Objektträger oder einer Nylonmembran,
sequentiell und gleichförmig fähig ist.
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Dieses
Ziel wird durch einen erfindungsgemäßen Auftragsstift erreicht,
bei welchem der Kopf des eine Lösung
enthaltenden Stifts vorteilhaft geformt ist.
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Gemäß einem
Aspekt schafft die Erfindung einen Auftragsstift, der einen stabförmigen Körper und
vier am Kopf des Körpers
ausgebildete Vorsprünge
umfasst, wobei jeder Vorsprung in Gestalt eines Oberteils einer
vierseitigen Pyramide ausgebildet ist. Die Scheitel der vierseitigen
Pyramiden, welche die Vorsprünge
bilden, befinden sich in einer virtuellen Ebene, welche von der
peripheren Wand des Körpers
ausgeht. Dieser Auftragsstift ermöglicht es, Auftragslösung, die
Biomoleküle
enthält,
auf einem Substrat, wie einem gläsernen
Objektträger
(Gleitglas) oder einer Nylonmembran, aufeinander folgend und einheitlich
aufzutragen und Flecken identischer Gestalt zu erzeugen.
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Die
Spitze jeder vierseitigen Pyramide, die einen Vorsprung bildet,
ist vorzugsweise derart geschnitten, dass sie in einer zur Mittelachse
des Körpers
senkrechten Ebene liegt. Durch einen derartigen Zuschnitt der Spitze
kann die Möglichkeit
verringert werden, dass der Auftragsstift und/oder das Substrat
beschädigt
werden, wenn ersterer in Kontakt mit dem letzteren kommt.
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Zwei
von mehreren Wandoberflächen,
welche zwei angrenzende Vorsprünge
besitzen, liegen nahe der Mitte des Körpers in einer ersten gemeinsamen
Ebene, während
zwei von der Mitte des Körpers entfernt
gelegene Wandoberflächen
in einer zweiten gemeinsamen Eben liegen.
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Die
erste gemeinsame Ebene schneidet vorzugsweise eine Ebene senkrecht
zur Mittelachse des Körpers
unter einem Winkel zwischen 30° und
60°. Die
zweite gemeinsame Ebene schneidet vorzugsweise die Ebene senkrecht
zur Mittelachse des Körpers
unter einem Winkel zwischen 30° und
60°. Der durch
die erste und die zweite gemeinsame Ebene gebildete Keilwinkel liegt
vorzugsweise im Bereich von 60° bis
120°. Der
Abstand zwischen den Scheiteln der vierseitigen Pyramiden, welche
die benachbarten Vorsprünge
bilden, kann im Bereich von 50 bis 205 μm liegen.
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Die
Biomoleküle,
die mit dem Auftragsstift der Erfindung aufgetragen werden können, sind
nicht auf DNS beschränkt.
Der erfinderische Auftragsstift kann verwendet werden, um jede Sorte
von Biomolekülen,
wie RNS, Proteine oder deren Mischungen, auf einem Substrat, wie
einem Objektträger
oder einer Nylonmembran, aufzutragen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1(a) und 1(b) zeigen
den Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen Auftragsstifts.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht, welche die Gestalt des Kopfes eines
W-förmig geschnittenen
erfindungsgemäßen Stifts
veranschaulicht.
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3 zeigt
eine Draufsicht des Kopfes des W-förmig geschnittenen erfindungsgemäßen Stifts.
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4 zeigt
eine Seitenansicht des W-förmig geschnittenen
Stifts aus Richtung des Pfeils A gesehen.
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5 zeigt
einen mit dem W-förmig
geschnittenen erfindungsgemäßen Stift
erzeugten Fleck (spot).
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6(a) und 6(b) zeigen
Stadien der von Auftragsstiften gehaltenen DNS-Lösung, wenn der Kopf von jedem
Auftragsstift in Kontakt mit einem Biochip-Substrat steht.
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7 zeigt
eine perspektivische Ansicht, welche die Gestalt des Kopfes eines
W-förmig abgeflacht
geschnittenen erfindungsgemäßen Stifts
veranschaulicht.
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8 zeigt
eine Draufsicht des Kopfes des W-förmig abgeflacht geschnittenen
erfindungsgemäßen Stifts.
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9 zeigt
eine Seitenansicht des W-förmig abgeflacht
geschnittenen Stifts aus Richtung des Pfeils B zu gesehen.
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10 zeigt
eine Fotografie des Kopfes des W-förmig abgeflacht geschnittenen
erfindungsgemäßen Stifts.
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11 zeigt
ein Beispiel einer Auftrage-Anlage.
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12 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen abgeflacht geschnittenen
Stifts, dessen Kopf parallel zur Kontaktebene geschnitten ist.
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13 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Kopfes eines herkömmlichen
Auftragsstifts (V-förmig
geschnittener Stift).
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14 zeigt
einen mit dem V-förmig
geschnittenen Stift erzeugten Fleck.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben.
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1(a) und 1(b) zeigen
den Gesamtaufbau von einem erfindungsgemäßen Auftragsstifts 10. 1(a) ist eine Seitenansicht und 1(b) ist ein Querschnitt. Der Auftragsstift 10 umfasst
einen stabförmig
gestalteten Plunger 11, an dessen Kopf eine Lösung aufgebracht
ist und welcher auf ein Biochip-Substrat aufgestempelt wird. Er umfasst
ebenfalls eine zylindrische Hülse 12 mit
einem geschlossenen Boden, in welche ein hinteres Ende des Plungers 11 eingeführt ist,
und eine innerhalb der Hülse 12 angeordnete
Feder 13 zum Ausschieben des hinteren Endes des Plungers 11.
Ein Fleck wird auf dem Substrat durch ein Kontaktieren des Kopfes
des Plungers 11, an welchem eine Auftragslösung aufgebracht
ist, mit dem Substrat und anschließendes Schieben der Hülse 12 zum
Substrat hin gegen die Kraft der Feder 13 erzeugt.
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Durch
Fertigen des Plungers 11 aus austenitischem rostfreien
Stahl kann sowohl erhöhte
Festigkeit als auch Beständigkeit
gegen Angriff von Säure und
anderen Chemikalien erhalten werden. Durch Diamantbeschichtung des
Inneren der Hülse 12 und Minimieren
der Kraft der Feder 13 kann eine glatte, reibungsarme Bewegung
des Plungers erreicht werden; und der Druck, unter welchem der Objektträger oder
die Nylonmembran zum Auftragen gestempelt werden, kann minimiert
werden. Dies trägt
dazu bei, dem Verschleiß des
Auftragsstifts vorzubeugen, so dass es möglich ist, identisch gestaltete
Flecken sequentiell und gleichförmig
zu erzeugen.
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Anhand
der 2, 3 und 4 wird die Gestalt
eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Auftragsstifts (im Folgenden
als W-förmig
geschnittener Stift bezeichnet) beschrieben. 2 zeigt
eine perspektivische Ansicht, welche den Kopf des W-förmig geschnittenen
Stifts veranschaulicht. 3 zeigt eine Draufsicht des
Kopfes des Stifts. 4 zeigt eine Seitenansicht des
Stifts gesehen aus Richtung des in den 2 und 3 gezeigten
Pfeils A. Der W-förmig
geschnittene Stift umfasst vier unabhängige vierseitige pyramidale
Vorsprünge.
Sie werden durch Schneiden von vier unabhängigen dreieckigen pyramidalen
Vorsprüngen
(und) durch Schneiden zweier V-förmiger
Nuten quer zueinander in den Kopf des annähernd zylindrischen Plungers 20 gebildet. Danach
wird das Äußere der
vier dreieckigen pyramidalen Vorsprünge diagonal in einer zu den
V-förmigen
Nuten geneigten Ebene geschnitten. Die vier vierseitigen pyramidalen,
auf dem Kopf des Plungers 20 ausgebildeten Vorsprünge werden
so voneinander durch die zwei V-förmigen Nuten getrennt. Jeder Vorsprung
umfasst einen Scheitel 21, zwei Ebenen 22 und 23,
die zwei geneigte Oberflächen
der zwei V-förmigen Nuten
senkrecht zueinander bilden, eine Ebene 24, welche eine
V-förmige
Nut 31 diagonal schneidet, und eine Ebene 25,
welche die andere V-förmige
Nut 32 diagonal schneidet.
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Zwei
benachbarte Vorsprünge,
wie der obere rechte Vorsprung (ein erster Vorsprung), und der obere
linke Vorsprung (ein zweiter Vorsprung) in 3 werden
betrachtet. Eine Wandoberfläche 23 des
ersten Vorsprungs und eine Wandoberfläche 43 des zweiten
Vorsprungs bilden eine der zwei Wände der V-förmigen Nut 31 und
sind daher koplanar. Eine Wandoberfläche 25 auf der Peripherie
des ersten Vorsprungs und eine Wandoberfläche 45 auf der Peripherie
des zweiten Vorsprungs sind in Bezug zu der V-förmigen Nut 32 diagonal
geschnitten und sind daher koplanar. Die einzelnen Wandoberflächen der
anderen zwei benachbarten Vorsprünge
haben ebenfalls ein ähnliches
Verhältnis
zu den Wandoberflächen 23 und 25 des
ersten Vorsprungs und den Wandoberflächen 43 und 45 des
zweiten Vorsprungs.
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Eine
von den Wandoberflächen 23 und 43 gebildete
Ebene schneidet eine senkrecht zur Mittelachse des Stempels 20 liegende
Ebene unter einem Winkel θ1. Bei der vorliegenden Ausführungsform
beträgt
der Winkel θ1 ungefähr
45°. Der
Winkel sollte vorzugsweise eine Größe von 30° bis 60° haben. Wenn θ1 kleiner als 30° ist, kann keine ausreichende Lösungsmenge
auf den Stiftkopf aufgebracht werden. Wenn θ1 größer als
60° ist,
kann die auf den Stiftkopf aufgebrachte Lösung nicht korrekt auf das Substrat übertragen
werden.
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Eine
durch die Wandoberflächen 25 und 45 gebildete
Ebene schneidet eine senkrecht zur Mittelachse des Stempels 20 liegende
Ebene unter einem Winkel θ2. In der vorliegenden Ausführungsform
beträgt
der Winkel θ2 ungefähr
45°. Der
Winkel sollte vorzugsweise eine Größe von 30° bis 60° haben. Falls der Winkel kleiner
als 30° oder
größer als
60° ist,
können
keine einheitlich runden Flecken erhalten werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
beträgt
ein durch eine erste gemeinsame Ebene und eine zweite gemeinsame
Ebene gebildeter Keilwinkel θ3 ungefähr
90°. Der
Winkel θ3 sollte vorzugsweise eine Größe von 60° bis 120° haben. Falls
der Winkel kleiner als 60° ist,
kann die Haltbarkeit kompromittiert werden. Falls der Winkel größer als
120° ist,
können keine
etwa runden Flecken erhalten werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen den Scheiteln der vierseitigen Pyramiden, welche
die benachbarten Vorsprünge
bilden, 100 μm.
Der Abstand kann abhängig
von der gewünschten
Größe der Flecken
etwa im Bereich von 50 bis 250 μm
eingestellt werden.
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Wenn
DNS-Lösung
unter Verwendung des oben beschriebenen W-förmig geschnittenen Stifts aufgetragen
wurde, wurden sequentiell und gleichförmig runde Flecken erhalten,
wie in 5 gezeigt. Da der Spitzenwinkel der Vorsprünge verglichen
mit einem V-förmig
geschnittenen Stift stumpf ist, ist es unwahrscheinlicher, dass
der Auftragsstift zerbricht. Ferner muss der W-förmig geschnittene Stift zu
seinem Kopf hin nicht so schmal wie der V-förmig
geschnittene Stift sein, so dass sein Bearbeiten leichter ist.
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Ein
mit einem V-förmig
geschnittenen Stift erzeugter Flecken neigt zu einer Verformung
zu einem Rechteck, während
ein mit dem W-förmig
geschnittenen Stift erzeugter Flecken rund ist. Dies ergibt sich vermutlich
aus den folgenden Gründen. 6(a) und 6(b) zeigen
schematisch die Zustände
der auf den Auftragsstift aufgebrachten DNS-Lösung, wenn dessen Kopf in Kontakt
mit einem Biochip-Substrat 61 steht. 6(a) zeigt den W-förmig geschnittenen Stift der
Erfindung. 6(b) zeigt einen herkömmlichen
V-förmig
geschnittenen Stift 130.
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Wie
in 6(b) gezeigt, trägt der herkömmliche
V-förmig
geschnittene Stift 130 die DNS-Lösung 66 auf das Substrat 61 auf,
während
die Lösung
in den vier Vorsprüngen 65 an
seinem Spitzenkopf gehalten wird. Dadurch bedingt neigt die Fleckenform dazu,
sich von den vier Scheiteln der Vorsprünge 65 her auszudehnen,
so dass ein rechteckiger Fleck entsteht, wie in 14 gezeigt
ist. Andererseits liegt die DNS-Lösung 64 bei einem
erfindungsgemäßen W-förmig geschnittenen
Stift sowohl außerhalb
als auch innerhalb der vier Vorsprünge 63 des W-förmig geschnittenen
Stifts 20 vor, wie in 6(a) gezeigt ist.
Deshalb kann der W-förmig
geschnittene Stift 20 einen verhältnismäßig runden Fleck auf dem Substrat 61 erzeugen,
wie in 5 gezeigt ist.
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Anhand
der 7 bis 10 ist eine weitere Ausführungsform
(„W-förmig abgeflacht
geschnittener Stift")
des erfindungsgemäßen Auftragsstifts
beschrieben. Der W-förmig
abgeflacht geschnittene Stift ist eine Variante des W-förmig geschnittenen Stifts,
bei welchem der Kopf zusätzlich
parallel zur Kontaktebene geschnitten wurde. 7 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Kopfes des W-förmig abgeflacht geschnittenen
Stifts. 8 zeigt eine Draufsicht des
Stiftkopfes. 9 zeigt eine Seitenansicht aus
Richtung des Pfeils B. 10 zeigt eine Fotografie des
Kopfes des W-förmig
abgeflacht geschnittenen Stifts. In den 7 bis 9 sind
Teile, die zu jenen in den 2 bis 4 gezeigten
gleichartig sind, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, um eine
unnötige
Wiederholung zu vermeiden.
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Bei
einem W-förmig
geschnittenen Stift ist jeder Scheitel der vierseitigen Pyramiden,
welche die vier auf dem Kopf des Stifts ausgestalteten Vorsprünge bilden,
scharf zugespitzt. Bei dem W-förmig
abgeflacht geschnittenen Stift ist dagegen der Scheitel jedes Vorsprungs
abgestumpft. Weil die Vorsprungspitzen 81 des W-förmig abgeflacht
geschnittenen Stifts parallel zur Kontaktoberfläche (d.h. eine senkrecht zur
Mittelachse liegende Ebene) liegen, kann daher, wenn der Kopf des
Stifts in Kontakt mit einem Support kommt, eine Beschädigung der
Vorsprünge
verhindert werden. Ferner kann der W-förmig abgeflacht geschnittene
Stift verwendet werden, um auf einem filmartigen Substrat Flecken
zu erzeugen, wie auf einer Nylonmembran, welche Probleme verursachen kann,
falls der Kopf des Stifts scharf zugespitzt ist.
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11 zeigt
ein Beispiel einer Auftrags-Anlage zum Herstellen eines Biochips
durch Auftragen einer DNS-Lösung
oder dergleichen auf einem Substrat unter Verwendung des Auftragsstifts.
Die Auftrags-Anlage umfasst einen Stiftkopf 112 auf dessen Unterseite
Auftragsstifte 111 gefestigt sind, einen X-Motor 113X zum
Antreiben des Stiftkopfes 112 in Richtung der X-Achse,
einen Z-Motor 113Z zum Antreiben des Stiftkopfes in Richtung
der Z-Achse, eine Basis 114 und einen Y-Motor 113Y zum
Antreiben der Basis 114 in V-Richtung. Auf der Basis 114 ist
ein Objekttisch 116 befestigt, welcher eine Mehrzahl an
Biochip-Substraten 115, zum Beispiel Objektträger oder
Nylonmembranen, aufnimmt. Eine Mikroplatte 118, welche
Lösungen
von Biomolekülen,
wie verschiedene Arten von DNS, enthält, ist ebenfalls auf der Basis 114 befestigt.
Als Auftragsstifte 111 wird eine erfindungsgemäße Ausführung, wie
sie oben beschrieben wurde, verwendet.
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Die
Positionen des Stiftkopfes 112 in X- und Z-Richtung werden
genau durch die entsprechenden X- und Z-Motoren 113X und 113Z gesteuert.
Die Position der Basis 114 in Y-Richtung wird genau durch den
Y-Motor 113Y gesteuert. Dadurch bedingt können gleiche
Mengen der verschiedenen Arten von Biomolekül-Lösungen nacheinander auf mehreren Sub straten 115 aufgetragen
werden. Falls eine gesonderte, auf der Mikroplatte 118 enthaltene
Sorte Biomolekül-Lösung daran
anschließend
unter Verwendung derselben Auftragsstifte aufgetragen werden soll,
werden die Auftragsstifte in einer Waschvorrichtung 119 gewaschen,
bevor sie mit der nächsten
Biomolekül-Lösung beladen
werden, um eine Verunreinigung der Lösung zu verhindern. Der Waschvorgang
wird unter Verwendung einer Kombination aus Ultraschallwaschen und
Vakuumtrocknen ausgeführt.
Genauer gesagt werden die Stifte nach Verwendung einmal vakuumgetrocknet,
mit Ultraschall gewaschen und danach noch einmal vakuumgetrocknet.
Dies verhindert eine Verunreinigung der Lösung und ermöglicht,
verschiedene Sorten von Biomolekül-Lösungen auf
dem Substrat 115 nacheinander aufzutragen. Deshalb können in Übereinstimmung
mit der Erfindung Auftragslösungen,
welche Biomoleküle
enthalten, wie verschiedene Arten von DNS, RNS oder Proteinen, auf
einem Substrat, wie einem Objektträger oder einer Nylonmembran,
sequentiell und gleichförmig
aufgetragen werden, und es können
Flecken von gewünschter
Gestalt erhalten werden.