WO2022194543A1 - Vorrichtung und verfahren zum absetzen von flüssigkeit auf träger - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum absetzen von flüssigkeit auf träger Download PDF

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WO2022194543A1
WO2022194543A1 PCT/EP2022/055182 EP2022055182W WO2022194543A1 WO 2022194543 A1 WO2022194543 A1 WO 2022194543A1 EP 2022055182 W EP2022055182 W EP 2022055182W WO 2022194543 A1 WO2022194543 A1 WO 2022194543A1
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carrier
drops
detector
generator
drop
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PCT/EP2022/055182
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English (en)
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Inventor
Robin A. Krüger
Jan Van Aalst
Moritz Woller
Original Assignee
Lpkf Laser & Electronics Ag
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Priority to EP22709314.3A priority patent/EP4308938A1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/10—Storage, supply or control of liquid or other fluent material; Recovery of excess liquid or other fluent material
    • B05C11/1002—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves
    • B05C11/1034—Means for controlling supply, i.e. flow or pressure, of liquid or other fluent material to the applying apparatus, e.g. valves specially designed for conducting intermittent application of small quantities, e.g. drops, of coating material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N35/1009—Characterised by arrangements for controlling the aspiration or dispense of liquids
    • G01N35/1011—Control of the position or alignment of the transfer device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B05C5/002—Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the work consisting of separate articles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N2035/1027—General features of the devices
    • G01N2035/1034—Transferring microquantities of liquid

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for depositing liquid onto a carrier, and the use of the device as a metering device for liquid onto a carrier.
  • the liquid preferably contains at least one substance, which is preferably at least one type of particle or a mixture of at least two types of particles, which are in particular biological cells.
  • the particles, in particular biological cells are suspended in the liquid, preferably in the form of isolated cells.
  • Biological cells can be those of microorganisms, e.g. bacteria, yeast or fungi, plant or animal cells, in particular human cells, each from a culture or biological sample, e.g. a blood sample or from tissue.
  • the device and the method that can be carried out with it have the advantage of depositing drops of the liquid onto a carrier at high speed, with each drop being assigned the measured value at least one detection, so that each drop has its content of substance or particles or another property as a measured value is assigned.
  • the carrier preferably has cups and the The device is set up to deposit the drops, preferably individual drops or a predetermined number of drops, in individual cups.
  • EP 2 546656 B1 describes a device for ejecting drops with an optical detector which is aimed at a monitoring section of the device in which a liquid to be ejected is contained, with a control device which changes the state of particles in the monitoring section by controls an actuator for ejection.
  • EP 2 577254 B1 describes a device for depositing drops, which is driven to generate drops from a liquid with a piezo, which is controlled depending on the detection of the liquid in a channel section. Drops ejected from the channel are controllably directed to one of two positions.
  • DE 102015 000920 A1 describes the control of a positioning device, which is coupled to a dispensing unit, with two cameras that are intended to provide coordinates for the control of the positioning device.
  • DE 102015 202 574 A1 describes a nozzle in which a controlled sound generator can apply vibrations to liquid in a targeted manner in order to dispense individual drops.
  • WO 2007/102785 A1 describes a carrier with continuous bores that have a taper for receiving liquid droplets.
  • WO 2010/004627 A1 describes that, in order to deposit individual volumes, a liquid in a capillary can be irradiated with light and then deposited through a nozzle, with the deposited volume being controlled as a function of the concentration of particles.
  • the aforementioned devices have the disadvantage of a low settling rate of drops on a carrier.
  • the object of the invention is to provide an alternative device and an alternative method for depositing drops on a carrier in order to allow drops to be deposited more quickly.
  • the device and method are preferably set up such that the measured values for the particles contained in the drops are assigned to the drops.
  • the invention solves the problem with the features of the claims, in particular by providing a device for depositing drops of liquid onto a carrier, which has a drop generator which is set up for generating drops from a liquid, and a holding device which is set up for receiving a carrier , at least one detector which is set up to detect a signal for each liquid section from which the droplet generator forms a droplet and/or to detect a signal for each droplet produced and/or deposited droplet, e.g.
  • the at least one detector preferably being connected to a memory which is set up to assign signals recorded by the at least one detector to the areas relative to the holding device in which drops produced from liquid sections dismissed zt and/or are arranged on the carrier, the areas being, for example, spaced-apart surface areas of a carrier, in particular wells formed in a carrier,
  • a memory preferably an electronic memory, which is set up to assign signals from the at least one detector to the areas relative to the holding device in which the respective liquid sections or drops are arranged on a carrier,
  • the drop generator is preferably set up to generate drops independently of the detection
  • the droplet generator is preferably set up for the exclusively continuous generation of droplets, a transport device for the relative movement of the holding device to the droplet generator, preferably for relative movement with a distance between the holding device and droplet generator, the transport device for movement of the holding device or for moving the drop generator, and wherein the movement of the transport device is optionally controlled solely depending on the rate of drop generation and/or depending on the input of data for the arrangement of wells of a carrier to be arranged on the holding device, optionally with the control device connected to the transport device, which is set up to detect the relative position of the holding device to the droplet generator, in particular the relative position of a carrier arranged on the holding device to the droplet generator, and to control the transport device,
  • control device has a position detector directed towards the holding device, which is set up to detect the relative position of the holding device to the droplet generator and to control the position of the transport device depending on the detection, the transport device being set up in particular to control the holding device or the droplet generator to move in order to successively position regions that are spaced apart and in which wells of a carrier to be arranged on the holding device are preferably arranged, suitable for the droplet generator,
  • the droplet generator is controlled as a function of the at least one detector and the transport device, in particular a control device connected to it, is set up, the holding device or the To move the droplet generator only when the detector detects at least one, preferably exactly one, predetermined signal, has or consists of it.
  • the device is set up so that each individual drop or a plurality of drops are deposited individually on areas of a carrier, preferably in each case in an individual well of a carrier.
  • the device and method are set up such that the measured values for the substance contained in the drops are assigned to the drops and their arrangement on a carrier and this assignment is preferably stored in a memory.
  • the device can be set up such that the transport device moves the holding device or the droplet generator at least twice in order to match at least a proportion of the wells or all wells of the carrier at least twice to the Align drop generator and deposit at least one more drop of the same liquid in the portion of wells or in all wells.
  • the drop generator can generate single or multiple drops using any method. Without claiming completeness, the generation can take place electromechanically, piezoelectrically, by mechanical deflection, pneumatically, thermally by vapor formation, by thermal expansion, by electrostatic repulsion or attraction, acoustically, optically and/or by means of valves.
  • the transport device is set up for a relative movement of the holding device, on which a carrier is to be arranged, to the droplet generator.
  • the transport device can be set up to move the holding device and the droplet generator can be stationary, and/or the holding device can be stationary and the transport device can be set up to move the droplet generator.
  • both the holding device and the droplet generator can be arranged on a transport device for relative movement to one another.
  • the device can be set up to deposit at least one drop of at least one second liquid on each area of the holding device or of the carrier arranged thereon, on which at least one drop is deposited, before and/or after the drop has been deposited.
  • the second liquid has a different composition than the particle-containing liquid.
  • the second liquid can be, for example, a cultivation medium for cells, a liquid containing a reagent, a liquid containing a dye, a liquid containing a biomolecule or a plurality of different biomolecules.
  • the device can be set up to first deposit drops of a second liquid on areas, in particular wells, of a carrier, then deposit drops of the liquid containing particles, and optionally subsequently droplets of a third liquid on the same areas.
  • the third liquid may have the same composition as the second liquid or a different composition.
  • the device can be set up to deposit a second liquid and/or third liquid independently of one another in the same predetermined areas, in particular predetermined wells of a wearer, in the form of drops and in other areas, in particular wells, no second liquid and/or third liquid deposit in the form of drops.
  • the device can be set up to control each of the drop generators with a different frequency of drop generation and/or different pressurization. This is not limited to two or three liquids, but can be applied to any number of liquids.
  • the device in embodiments in which the device is set up to deposit a second and/or a third liquid in the form of droplets in addition to a particle-containing liquid in the same predetermined areas, in particular wells, it preferably has at least one separate second droplet generator for the second liquid and optionally a separate third drop generator for the third liquid.
  • the device can have additional droplet generators. All droplet generators, e.g. a second and/or a third droplet generator, can be spaced apart from one another, e.g. fixed at a distance from the droplet generator for the particle-containing liquid and optionally only movably guided together by the transport device or all stationary.
  • the device can be set up such that a second droplet generator and, optionally, a third droplet generator are moved at the same speed or at a different speed relative to the holding device or to the carrier arranged on it, are controlled for the same or different droplet generation frequencies, and/or is acted upon in each case with the same or different pressure.
  • the device can also optionally be set up to deposit a predetermined number of drops in each area of the holding device or a carrier arranged thereon, in particular in each cup, with the number being predetermined, e.g. as the total volume of this number of drops, which on average is at least or contains exactly one particle.
  • the device can be without a memory connected to the detector.
  • the device in this embodiment can also be without a detector, so that the device is set up to deposit the predetermined number of drops on spaced areas of a holding device or on spaced areas of a carrier arranged on the holding device without having a detector and without one memory associated with the detector.
  • the device is set up to deposit drops at a high rate on a carrier, in particular on spaced areas of a carrier or in wells of a carrier, while the holding device on which the carrier is arranged and/or the droplet generator is moved by means of a transport device, in particular is moved relative to the positioning of the cups to the droplet generator. Since the device is set up to deposit all drops on a carrier, in particular in its cups, there is no need to move the nozzle over the carrier in a controlled manner depending on the detection of particles in the liquid, so that the device allows drops to be deposited quickly allows the carrier, in particular into wells of the carrier arranged on the holding device.
  • the transport device is controlled solely as a function of the rate of drop generation and/or optionally in addition to the deposition of a predetermined number of drops per area, the relative movement of the holding device or carrier arranged thereon to the drop generator depends on the result of the detection of a signal for each liquid section, from which the drop generator forms a drop, and/or a signal for each drop produced, preferably independently.
  • the transport device is particularly preferably controlled independently of the detection of substance in droplets.
  • the concentration of particles in the liquid, which is to be separated into drops and deposited on the carrier can be adjusted such that a predetermined number of particles, for example a maximum of accuracy, is statistically determined for each volume of a drop to be generated or for each predetermined number of drops 1 particle, for example statistically 0.2 to 0.9 particles, or exactly 2, 3, 4 or more particles.
  • the at least one detector which is set up to detect a signal for each liquid section from which the drop generator forms a drop and/or which is set up to detect a signal for each drop produced, is preferably directed at at least one area in which a liquid section has a continuous liquid phase is arranged, from which the droplet generator generates a droplet, e.g. an area in the inner volume, e.g is arranged in which drops are formed from a liquid, and/or which is an area in which drops are arranged on a carrier arranged on the holding device, eg on spaced surface areas of a carrier or drops arranged in wells of a carrier.
  • the signal can be specific to a substance contained in the liquid, which is in particular a particle, eg a cell or synthetic particle made of plastic, metal, ceramic or glass, and/or an added marking reagent.
  • a detector can be a photoelectric cell, a photo intensifier tube, a digital photo sensor, eg a digital camera, optionally with upstream optics, eg microscope optics.
  • the electronic memory can have a digital image processing unit, which is optionally coupled to the detector directly or via data transmission means.
  • the signal detected by the detector may correspondingly be the intensity of a particular wavelength, eg a wavelength at which a labeling reagent associated with a particle fluoresces or at which particles absorb or scatter light.
  • the signal detected by the detector can be a microscopic image, eg in bright field or phase contrast or fluorescence image or dark field.
  • the microscopic image can contain several wells at the same time.
  • the microscopic image can be composed of multiple images to obtain a 3D image of the contents of the wells.
  • a detector for recording microscopic images can be arranged below the carrier and used to image the contents of the wells after the method according to the invention has been carried out, preferably in comparison with or as a differential image with a microscopic image taken by the carrier before the method was carried out has been recorded.
  • the arrangement and orientation of a detector for liquid in a liquid section in which the liquid forms a continuous phase has the advantage that the detector on a quasi stationary area flowing liquid is directed.
  • the detector can be a conductivity sensor.
  • the transport device in particular a control device connected to it, can be set up to control the drop generator only move relative to the holding device or only move the holding device relative to the droplet generator when at least one a predetermined signal is preferably precisely detected, which indicates, for example, the presence of a particle, in particular a cell, in a drop.
  • Such a predetermined signal can be, for example, the presence of at least one particle which is a cell or a synthetic particle, the presence or absence of a labeling reagent or a labeled specific binding molecule, for example a labeled antibody or a labeled DNA or RNA molecule Cell wall or dye for color marking of cell organelles or the cytosol.
  • the device can optionally be without a memory configured to store signals from the at least one detector.
  • a detector is aimed at an area in which drops are arranged on a support arranged on the holding device, e.g Holding device or be directed to the carrier arranged thereon.
  • a detector can be aimed at the holding device or at a carrier arranged on a holding device from the direction from which the droplet generator has deposited liquid.
  • the detector may be aimed at a fixture in a direction in which the detector is aimed at that side of a carrier placed on the fixture from which cups extend into the carrier, or at the open cross-sections of the cups. This has the advantage that drops deposited in cups of the carrier can be detected by the detector directly or without being adversely affected by the material of the carrier.
  • the device can have an excitation light source which is directed onto the holding device or onto a carrier arranged thereon.
  • An excitation light source can be directed onto the holding device or onto a carrier arranged thereon from the same side as the detector, or from the side opposite the detector.
  • the device may have one detector or at least two or three detectors directed towards one of these areas.
  • the at least one detector and the preferably electronic memory connected to it are set up to assign the signals of the at least one detector to the position of the holding device relative to the droplet generator, in particular the signals of the assign at least one detector to the position of cups that are arranged on the holding device. This association can be made in relation to a reference point attached to the carrier.
  • the at least one detector can be an optical detector, preferably in combination with a light source that is set up to irradiate the area on which the detector is directed.
  • a detector may be a conductivity sensor arranged to measure changes in conductivity in the presence of a particle, e.g., when a liquid containing the particle passes through a portion of the drop generator.
  • a detector is generally preferably set up to determine the presence of a particle and/or the presence of a labeling reagent added to the liquid, which can be, for example, a labeled specific binding molecule, e.g.
  • the marking can generally be e.g. a nanoparticle, a dye or a functional group, regardless of the binding molecule or marking area, or the marking reagent can consist of a marking.
  • the detector can be set up to detect the arrangement of drops on the carrier and preferably to store the detected arrangement of drops on the carrier in a memory, more preferably additionally signals assigned to the drops for the presence of a substance contained in the drops.
  • the transport device can be set up to move the droplet generator or the holding device independently of the carrier and of the arrangement of wells on the carrier.
  • the drop generator is set up to deposit one or more drops independently of the carrier or wells on the carrier and the detector is set up to detect the position of the drop deposited on the carrier or the arrangement of the drops deposited on the carrier, this detected Assigning a position or arrangement to a reference point on the carrier and storing this data in a memory preferably also includes signals assigned to the drops for the presence of a substance contained in the drops.
  • the substance can be used for easier identification of these drops, for example in the form of a marking reagent, in particular a coloring agent.
  • each carrier can have a reference point, eg a code.
  • the reference point can be arranged on the carrier, on the holding device or at any desired location.
  • the position detector of the control device can be directed to an area of the holding device opposite the droplet generator or to an area of the holding device facing the droplet generator.
  • the control device is set up to determine the position of cups of a carrier arranged on the holding device and to control the transport device, e.g. to control that cups for receiving drops are positioned to match the drop generator or a drop generator is positioned to match the cups, in particular, only be positioned as a function of the frequency of drop generation.
  • the optional position detector can be set up to detect the position of the holding device, preferably a carrier arranged thereon, relative to the droplet generator, continuously during the movement of the transport device, at one interval or at least two time-spaced intervals, or only at the beginning of the operation of the droplet generator and /or record only at the beginning of the movement and/or at the end of the movement of the transport device.
  • An interval can be one or more time-spaced fixed time segments of the movement of the transport device and/or the operation of the drop generator, or a number of wells that are positioned appropriately for the drop generator.
  • the transport device can have a correction drive, eg piezo actuators, which is controlled by the position detector.
  • the movement of the transport device in particular by means of a correction drive, can be an acceleration or deceleration of the movement of the transport device and/or a movement orthogonal to the movement of the transport device, optionally parallel or orthogonal to the plane of the holding device or to the surface of a carrier to be arranged on it.
  • the correction drive acts on the transport device in order to control the movement of the holding device or the droplet generator depending on the position detector.
  • a correction drive can be fitted between the transport device and the holding device driven to move by it or the droplet generator.
  • the transport device can be set up to close one of the holding device and the droplet generator move and the correction drive can be set up to move the other of the holding device and droplet generator that is not moved by the transport device.
  • the movement of the transport device can be controlled in particular as a function of the position detector, e.g. when the position detector is set up for continuous detection of the position of the holding device or a carrier arranged on it relative to the droplet generator.
  • the transport device can be controlled depending on the position detector to move the holding device or the droplet generator.
  • the device has at least two droplet generators which are arranged at a distance from one another which is, for example, perpendicular or parallel to the direction of movement of the transport device.
  • the drop generator is located a distance from the support by which the drop generator is spaced from the support when a carrier is placed on the support such that liquid exiting the drop generator traverses the distance of the drop generator from the carrier as free falling drops.
  • the drop generator can be arranged at a distance from the holding device by which, when a carrier is arranged on the holding device, the drop generator is spaced from the latter such that liquid exiting the drop generator contacts the carrier before the liquid loses contact with the drop generator, e.g. in a distance equal to or less than the exiting liquid diameter.
  • the diameter of the exiting liquid or droplets can be determined depending on parameters such as surface tension, viscosity, temperature, pressure level in the droplet generator, size of the outlet opening, frequency and amplitude of the droplet-generating energy input of the droplet generator.
  • the drop generator can be a duct with an orifice or a nozzle for generating drops, optionally with a transparent area at which an optical detector is directed.
  • the drop generator is connected to a source of liquid from which drops are to be generated.
  • the source can be pressurized or a pump can be placed in-line between the source and the drop generator.
  • the drop generator can have a vibration generator, for example one controlled with electrical voltage pulses activatable piezo crystal.
  • the vibration generator is set up to apply frequency, also referred to as rate, and amplitude of the droplet-generating energy input to the liquid flow in the droplet generator.
  • At least two droplet generators are connected to a source for liquid, with the droplet generators being directed towards a holding device and being set up to deposit drops of the liquid onto exactly one carrier, in particular into its wells, at the same time.
  • the holding device on which the carrier is to be arranged can be moved by the transport device and/or the correction drive in at least one direction, preferably in one plane, e.g. an XY table, or in three dimensions, e.g. an XYZ table .
  • the carrier preferably has a one-piece or multi-piece plate made of glass and/or silicon and/or plastic and/or metal and optionally has cups in a regular or irregular arrangement or has a flat surface on which drops can be deposited in spaced areas. or consists of it.
  • the wells Preferably have only one cross-sectional opening, alternatively the wells may be through-holes extending through the full thickness of the support and have a cross-section which retains droplets of settled liquid by capillary action, e.g., a circular cross-section of 10 to 500 ⁇ m in diameter .
  • the wells can be spaced from 5 pm to 500 pm or more.
  • the cups can have a depth of 15 pm to 500 pm or more. The ratio of depth to diameter can preferably be between 1 and 50.
  • the device can be set up to determine the number and/or sequence of the drops or arrangement of the wells for which the absence of a signal from the detector for the presence of a substance, in particular a particle, was detected and to assign the carrier as an identification pattern.
  • the transport device can have, for example, a reference switch and stepper motor, a mechanical stop and a motor for position determination and as a drive controlled servo motor, or a controlled glass scale, eg with electro-optical scanning, with linear axis drive.
  • control device can be set up such that data for the arrangement of wells can be entered and the control device moves the transport device for positioning the droplet generator or the holding device according to the arrangement entered.
  • the arrangement can be regular, e.g. a grid of the wells, or an irregular arrangement of the wells.
  • the device can have a sensor for inputting data for the arrangement of the wells, e.g coding e.g. a QR code on the carrier.
  • the coding is linked to data for the arrangement of the wells, it being possible for the data for this arrangement to be taken from a memory.
  • the control unit can be set up to control the drop generator, in particular its pressurization and/or its vibration generator, and/or the transport device depending on the entered arrangement of wells in order to drop drops in a targeted manner into the wells of the arrangement.
  • the droplet generator can be set up, in particular independently of signals from the detector for the presence of a substance in droplets, to generate a sequence of droplets in which at least two droplets are generated at a shorter time interval than a longer time interval to the subsequently generated droplet amounts to.
  • the transport device is set up to align the holding device and the drop generator relative to one another, so that a cup of a carrier to be arranged on the holding device is positioned to match the drop generator, in order to deposit the at least two drops therein within the shorter time interval, and the transport device is set up is to move the fixture and the drop generator relative to each other during the longer time interval to the subsequently generated drop in order to position another cup to match the drop generator.
  • the droplet generator is preferably set up to generate the sequence of droplets independently of the signal from a detector for the presence of a substance in droplets.
  • the drop generator can be set up to generate drops at a shorter time interval until at least one Signal for the presence of a substance is detected in a drop and to generate the immediately subsequent drop at a longer time interval.
  • the droplet generator for example its vibration generator or its application of pressure, can be controlled as a function of the signal from the detector for the presence of a substance.
  • the device can be set up, following a first movement of the transport device to align each cup of a carrier arranged on the holding device relative to the droplet generator, to position the droplet generator or the holding device again by means of the transport device exclusively with those cups suitable for the droplet generator for which the absence of the predetermined number of particles, in particular the absence of particles, has been detected by the detector.
  • the droplet generator can be moved, depending on the signals recorded by the detector, to match the wells for which the absence of the predetermined number of particles, in particular the absence of particles, has been detected.
  • the device is set up to terminate the method upon detection of a predetermined signal by a detector, e.g. upon detection of a signal indicating the absence of a carrier or wells, in order not to let any liquid escape if there is no carrier or a carrier in the wrong orientation is arranged on the holding device.
  • a signal upon detection of which the process is terminated may be one indicative of the absence of liquid in one of the drop generators, a signal indicative of a drop frequency outside a predetermined range, or a signal indicative of the presence of drops outside of wells of a carrier, e.g. a signal picked up by a detector or position sensor aimed at the carrier.
  • the method for depositing drops on a carrier that can be carried out using the device has the advantage of depositing drops at a high rate on a carrier arranged on the holding device, in particular depositing them in individual wells of a carrier, and the signal of the at least one detector detects the drops or to assign to the individual wells into which the drops are deposited.
  • the device produces an arrangement of drops, in particular of individual drops, on a carrier or in wells of a carrier, in each case with assignment of the signal from the detector to the drops or to the wells. Therefore, identification of the wells is easy, exactly one or one contain a predetermined number of drops with a substance generating a detector signal or with a particle.
  • the rate of settling of individual droplets in each individual well can be eg 1 to 6000 Hz, eg 20 to 200 Hz, eg 40 to 60 Hz and is preferably equal to the rate of generation of droplets.
  • the setup of the device or its parts describes the corresponding steps of the method.
  • the transport device can be set up for relative movement at the same speed between the drop generator and the holding device when a cup is positioned to match the drop generator and also when no cup is positioned to match the drop generator.
  • the transport device is set up for continuous movement at a constant speed and that the droplet generator is controlled during this movement for the continuous generation or depositing of drops.
  • the drop generator can be set up to deposit a predetermined number of drops at a higher rate in these wells when positioned appropriately than when positioned next to a well, e.g. for depositing drops at a higher rate in suitably positioned wells than when the drop generator is not positioned appropriately , especially when positioned next to wells.
  • the setting up of the device and the setting up of its elements also describes the method, and the method also describes the setting up of the device and its elements to the method steps.
  • the method has the steps of using a droplet generator, generating droplets from a liquid containing at least one substance, which are preferably particles, and depositing droplets on a carrier, preferably depositing individual droplets in individual wells of a carrier or on spaced-apart areas of a flat surface of a carrier while the carrier is arranged on a holding device,
  • detecting preferably by means of a position detector, the relative position of the carrier to the droplet generator and, by means of a transport device controlled by a control device, positioning or moving the carrier in order to position successively spaced surface areas, in particular cups of the carrier, to match the droplet generator, in particular positioning in each case a separate cup for each individual drop or for a predetermined number of drops, suitable for the drop generator,
  • a correction drive which is controlled as a function of a position detector, and positioning the carrier relative to the droplet generator, with the transport device moving one of the holding device or carrier and droplet generator and the correction drive moving the other of the holding device or carrier and To move drop generator, which is not moved by the transport device, or the correction drive is connected to the transport device, on or consists of.
  • the at least one detector may be directed at a portion of liquid from which a droplet is subsequently formed, eg a continuous portion of liquid within the droplet generator or within a section of conduit before its outlet opening or immediately adjacent to the outlet opening of the droplet generator.
  • the at least one detector can be aimed at an area that is arranged at a distance from the droplet generator and in which separate droplets, in particular as a free stream of droplets, are present or are moving in the direction of the carrier.
  • This embodiment has the advantage that the time interval between the detection and the depositing of the droplets on the carrier is shorter than when sections of the continuous liquid flow are detected within or directly adjacent to the droplet generator.
  • the at least one detector can be directed at an area in which the carrier is arranged on the transport device, or the detector can be directed at the carrier, eg on its upper side, from which wells extend into the carrier, or from the opposite underside, opposite the side onto which drops were deposited.
  • a detector directed at the carrier allows the detection and assignment of the detected signals with a time and space interval from the droplets being deposited on the carrier and in particular the detection and assignment of the detected signals without a time interval between the detection of drops and the Deposition of the drops on the carrier, so that the correctness of the assignment is increased, for example compared to detection in a continuous flow of liquid or in the free flow of drops.
  • a detector directed at the area where the top of a carrier placed thereon lies may be fixedly spaced from the drop generator and directed at the fixture or at a carrier thereon and further optionally by means of the transport means in parallel with the drop generator be movable.
  • the detector can control that the transport device only moves the carrier relative to the droplet generator when the detector detects a signal for at least one or exactly one particle or for a predetermined number of particles, e.g. for a labeling reagent, so that drops are deposited in an area, in particular in a well, of a carrier until the detector detects such a signal.
  • the transport device can be controlled by the control device depending on the detector for positioning the holding device relative to the droplet generator.
  • the device is preferably set up to control the transport device depending on the input of data for the arrangement of cups of a carrier to be arranged on the holding device and to arrange the cups of this arrangement directly one after the other to match the droplet generator.
  • the method can optionally run without a step of storing signals from the detector and/or without a step of assigning signals from the detector for positioning the carrier or the transport device.
  • data for the arrangement of cups can be entered into the control device and the control device moves the transport device for positioning the droplet generator or the holding device according to the arrangement entered.
  • the arrangement can be a regular one, for example a grid of wells be, or an irregular arrangement of the cups.
  • Data for the arrangement of the wells can be entered via a sensor, the sensor being a microscope, for example, which takes the arrangement of the wells as an image as input for data, or an optical sensor which is set up to detect a coding of carriers, where the coding is, for example, a QR code on the carrier.
  • the coding is coupled with data for the arrangement of the wells and the data for this arrangement can be taken from a memory.
  • the control unit can control the droplet generator, in particular its pressurization and/or its vibration generator, and/or the transport device depending on the entered arrangement of wells in order to deposit drops in a targeted manner into the wells of the arrangement.
  • the method is carried out without detection of the liquid, but the number of droplets is predetermined, which comprises a volume that contains a certain number of particles on statistical average, e.g. at least or exactly 1, 2, 3, 4, 5, 6 or more particles.
  • the number of drops for a volume comprising a predetermined number of particles can be predetermined from the concentration of the particles in the liquid.
  • the second liquid has a different composition than the particle-containing liquid.
  • the second liquid can be, for example, a culture medium for cells, a liquid containing a reagent, a liquid containing a dye, a liquid containing one or more different biomolecules.
  • drops of a second liquid can first be deposited on areas, in particular cups, of a carrier, then drops of the liquid containing particles, and optionally then drops of a third liquid.
  • the third liquid can have the same composition as the second liquid or have a different composition.
  • the transport device can be controlled to align a portion of the wells of a carrier to match at least one droplet generator until drops are deposited in this portion of the wells, while another portion of the carrier's wells are not is aligned to match the drop generator and no drop is deposited in it.
  • the carrier can have cups of different sizes, which also contain data on the arrangement of the cups and data on the different sizes of the cups, and the transport device can be controlled as a function of this.
  • the transport device can be controlled to align cups depending on their size to match the drop generator until a number of drops dependent on the size of the cup are deposited and/or additionally align them to match a second and/or third drop generator until one of the cup size dependent number of drops is deposited.
  • the drop generator can be controlled to generate drops with a different frequency depending on the size of the cups.
  • the position detection can be used in order to interrupt or cancel the process during execution if the deviations from a target position, which is determined by the position of the cups, are too great.
  • FIG. 1 shows an XY table as holding device 1, which can be moved in a controlled manner in the horizontal XY plane.
  • a carrier 2 for example made of plastic or glass or silicon or metal, which has cups 3 as spaced-apart surface areas, for example cups 3 arranged in rows and/or rows, which extend from only one side, here as Designated top 2a, as recesses in the carrier 2 extend.
  • a drop generator 4 in the form of a nozzle is arranged at a distance from the XY table such that when the carrier 2 is arranged on the XY table the nozzle as a drop generator 4 is spaced such that the liquid 5 exiting the nozzle is a free stream of droplets 6 forms, or that liquid 5 exiting the nozzle already comes into contact with the carrier 2 while it is still in contact with the nozzle.
  • the droplet generator 4 in the form of the nozzle has an optional vibration generator 7, for example a piezoelectric crystal to which voltage pulses are applied.
  • a position detector 10 is aimed at the holding device 1 or the XY table 1, in particular at that of the nozzle 4 facing upper side 2a of the carrier 2 or on the nozzle 4 opposite underside 2b of the carrier 2 in order to detect the position of the cups 3 and to position the cups 3 appropriately for the droplet generator 4.
  • the holding device 1 can be moved by means of a transport device 13a and is controlled by a control device 14 depending on the signal from the position detector 10 which records the position of the cups 3 in the carrier 2 .
  • the device has a transport device 13b, which is set up for the controlled movement of the droplet generator 4 along the holding device 1.
  • the device To enter data for the arrangement of wells 3 of a carrier 2 to be arranged on the holding device 1, the device has a sensor 15 which is set up to detect the arrangement of the wells 3 or to detect a coding 16 of a carrier 2 arranged on the holding device 1 .
  • the coding 16 is connected, for example, to a memory 17 which contains data linked to the coding 16 for the arrangement of wells 3 of a carrier 2 .
  • a light source 18 is directed onto the holding device 1 to illuminate the carrier 2 and, if applicable, a code 16 attached thereto.
  • the at least one detector 11a can be aimed at a liquid section 9 within the droplet generator 4 .
  • the detector 11a2 can be designed as a passage with a conductivity sensor in the inner volume of the nozzle 4 and be set up to determine a change in conductivity when a particle passes through as a signal.
  • the detector 11a can be an optical detector directed through an optically permeable wall section 4o of the nozzle 4 to its interior volume, optionally with an excitation light source directed to the same liquid section 9 or the same interior volume.
  • the at least one detector 1 lb can be directed to an area immediately adjacent to the outlet opening 4a of the nozzle 4, in which a continuous stream of liquid 5 emerges, or the detector 11c can be directed to an area downstream of the outlet opening 4a of the nozzle 4 , in which a free flow of drops 6 is formed.
  • the at least one detector 1 ld can be directed onto the carrier 2 or onto the cups 3, from the top 2a and/or from the underside 2b of the carrier 2.
  • each detector can be a source for illumination and/or excitation radiation or. Have excitation light, which is directed to the area to be detected.
  • the detectors 11a, 11b, 11c, 11d, 11a2 irradiated excitation radiation and detectable radiation that can be picked up by the detector and processed into a signal are shown as parallel arrows pointing in opposite directions.
  • Fig. 1 shows a correction drive 19 mounted on the one hand between the transport device 13a and the holding device 1 driven to move thereby, and on the other hand mounted between the transport device 13b and the droplet generator 4 driven to move thereby.
  • the correction drive 19 is controlled as a function of the position detector 10 .
  • Fig. 2 shows an embodiment which additionally has a second droplet generator 8a and a third droplet generator 8b, which are moved together with the droplet generator 4 by means of the transport device 13b along the holding device 1, or which are fixed in place together with the droplet generator 4 while the holding device 1 is moved by means of the transport device 13a.
  • cultivated individual animal cells suspended as particles in the culture medium were dropped onto a carrier 2 by means of a nozzle as a droplet generator 4 .
  • the suspended cells were conveyed from a reservoir at a flow rate through a nozzle that produced droplets each having a volume of about 100 to 50 pL at a rate of about 50 Hz, while below the nozzle by means of a controlled XY table, the formed the transport device 13a and the holding device 1, a glass plate with cups 3 as a carrier 2 was moved along.
  • the XY table was placed at a distance from the nozzle opening by spacing the glass plate about 50 to 150 gm from the nozzle opening.
  • the wells had an internal volume of approximately 200 pL and were arranged in a grid pattern.
  • the XY table was controlled so that a cup was positioned below the nozzle when a single droplet was deposited from the nozzle.
  • the wells of the glass plate were determined using a camera as a position detector, the signal from which was used to control the XY table to position the wells. With a concentration of one cell in only 20% of the deposited droplets at a droplet generation rate of 50 Hz, the output of individually deposited cells was 10 Hz, equivalent to 2500 wells with drops, of which 500 wells with isolated cells, within 50 s.
  • the proportion of isolated cells deposited in wells can be increased, or the proportion of wells without cells can be reduced.
  • Plant or animal cells cultured and suspended in medium or blood cells eg nucleated cells isolated from whole blood, were used as examples of cells.
  • aggregated cultured animal cells so-called cell clusters, have been used.
  • Cultivated E. coli was used as an example of bacteria.
  • Spherical glass or plastic particles with an average size of 15 ⁇ m were used as an example of synthetic particles.
  • the drop rate and drop volume were generated by the frequency of a Piezokri stable attached to the nozzle and by the flow rate and pressure of the liquid in the nozzle used as the drop generator.
  • the wells had an essentially cylindrical cross-section and were arranged in a grid arrangement in a plate-shaped support made of glass with a size of approx. 127 mm ⁇ 85 mm and a thickness of approx. 0.5 mm.
  • the proportion of wells with one cell according to the Poisson distribution indicates the statistical proportion of wells with one cell from the total number of wells.
  • the values according to the Poisson distribution as given in the table are theoretically calculated values and do not take into account the effects of real experiments, e.g. sedimentation of particles before droplets settle.
  • the transport device was controlled by the specified position detector and moved the carrier for example particles 1, 2 and 3 by moving an XY table, which formed the transport device, while the glass capillary used as a droplet generator was fixed in place above the XY table or the carrier was.
  • a print head for liquids (SiJet) that can be moved in a controlled manner in one plane was used as the nozzle, while the carrier was fixed in place underneath.
  • the detector with memory was set up to record the signals detected in the liquid area, to assign them to the respectively recorded position of the transport device or carrier and to store this assignment. This assignment made it easy to subsequently find wells that contained the desired number, eg exactly one particle.
  • the detector was not aimed at the free flow of drops or at a continuous flow of liquid in the drop generator, but after the drops had settled the detector was aimed at the support to detect the drops settled in the wells.

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Absetzen von Flüssigkeitstropfen auf einen Träger, die einen Tropfenerzeuger und eine Halteeinrichtung für den Träger aufweist, sowie einen Detektor, der zur Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt bzw. Tropfen eingerichtet ist, und eine Transporteinrichtung zur Relativbewegung der Halteeinrichtung zum Tropfenerzeuger und bevorzugt einen mit dem Detektor verbundenen Speicher aufweist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Absetzen von Flüssigkeit auf Träger
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Absetzen von Flüssigkeit auf einen Träger, sowie die Verwendung der Vorrichtung als Dosiervorrichtung von Flüssigkeit auf einen Träger. Die Flüssigkeit enthält bevorzugt zumindest eine Substanz, die bevorzugt zumindest eine Art von Partikeln oder eine Mischung von zumindest zwei Arten von Partikeln ist, die insbesondere biologische Zellen sind. Die Partikel, insbesondere biologische Zellen, sind in der Flüssigkeit suspendiert, bevorzugt in Form vereinzelter Zellen. Biologische Zellen können solche von Mikroorganismen, z.B. Bakterien, Hefe oder Pilze sein, pflanzliche oder tierische Zellen, insbesondere Humanzellen, jeweils aus einer Kultur oder biologischen Probe, z.B. einer Blutprobe oder aus Gewebe stammen.
Die Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren haben den Vorteil, mit hoher Geschwindigkeit Tropfen der Flüssigkeit auf einen Träger abzusetzen, wobei jedem Tropfen der Messwert mindestens einer Detektion zugeordnet wird, so dass jedem Tropfen sein Gehalt an Substanz bzw. Partikeln oder eine andere Eigenschaft als Messwert zugeordnet wird. Bevorzugt weist der Träger Näpfe auf und die Vorrichtung ist eingerichtet, die Tropfen, bevorzugt jeweils einzelne Tropfen oder eine vorgegebene Anzahl an Tropfen, in einzelne Näpfe abzusetzen.
Stand der Technik
Die EP 2 546656 Bl beschreibt eine Vorrichtung zum Ausstößen von Tropfen mit einem optischen Detektor, der auf einen Überwachungsabschnitt der Vorrichtung gerichtet ist, in dem eine auszustoßende Flüssigkeit enthalten ist, mit einer Steuervorrichtung, die den Zustand von Partikeln in dem Überwachungsabschnitt ändert, indem sie einen Aktuator zum Ausstößen ansteuert.
Die EP 2 577254 Bl beschreibt zum Absetzen von Tropfen eine Vorrichtung, die zum Erzeugen von Tropfen aus einer Flüssigkeit mit einem Piezo angetrieben ist, der abhängig von der Detektion der Flüssigkeit in einem Kanal ab schnitt gesteuert ist. Aus dem Kanal ausgestoßene Tropfen werden gesteuert an eine von zwei Positionen gelenkt.
Die DE 102015 000920 Al beschreibt zum Absetzen von Tropfen das Steuern einer Stelleinrichtung, die mit einer Dispensiereinheit gekoppelt ist, mit zwei Kameras, die Koordinaten für die Steuerung der Stelleinrichtung liefern sollen.
Die DE 102015 202 574 Al beschreibt zum gezielten Abgeben von Tropfen eine Düse, in der ein gesteuerter Schallgeber Flüssigkeit gezielt mit Schwingungen beaufschlagen kann, um einzelne Tropfen abzugeben.
Die WO 2007/102785 Al beschreibt zur Aufnahme von Flüssigkeitströpfchen einen Träger mit durchgehenden Bohrungen, die eine Verjüngung aufweisen.
Die WO 2010/004627 Al beschreibt, dass zum Absetzen einzelner Volumen eine Flüssigkeit in einer Kapillare mit Licht bestrahlt werden kann und anschließend durch eine Düse abgesetzt werden kann, wobei das abgesetzte Volumen abhängig von der Konzentration von Partikeln gesteuert wird.
Die vorgenannten Vorrichtungen haben den Nachteil einer geringen Absetzrate von Tropfen auf einem Träger. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine alternative Vorrichtung und ein alternatives Verfahren zum Absetzen von Tropfen auf einen Träger bereitzustellen, um ein schnelleres Absetzen von Tropfen zu erlauben. Bevorzugt sind Vorrichtung und Verfahren eingerichtet, dass die Messwerte für die in den Tropfen enthaltenen Partikel den Tropfen zugeordnet sind.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung löst die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche, insbesondere durch Bereitstellen einer Vorrichtung zum Absetzen von Flüssigkeitstropfen auf einen Träger, die einen Tropfenerzeuger, der zur Erzeugung von Tropfen aus einer Flüssigkeit eingerichtet ist, und eine Halteeinrichtung, die zur Aufnahme eines Trägers eingerichtet ist, zumindest einen Detektor, der zur Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem der Tropfenerzeuger einen Tropfen bildet, und/oder zur Detektion eines Signals für jeden erzeugten Tropfen und/oder abgesetzte Tropfen eingerichtet ist, z.B. eingerichtet ist, eine in Tropfen enthaltene Substanz, die bevorzugt ein Partikel aufweist oder ein Partikel ist, zu detektieren, wobei bevorzugt der zumindest eine Detektor mit einem Speicher verbunden ist, der eingerichtet ist, von dem zumindest einen Detektor aufgenommene Signale den Bereichen relativ zur Halteeinrichtung zuzuordnen, in denen aus Flüssigkeitsabschnitten erzeugte Tropfen abgesetzt und/oder auf dem Träger angeordnet sind, wobei die Bereiche z.B. voneinander beabstandete Oberflächenbereiche eines Trägers sind, insbesondere in einem Träger gebildete Näpfe,
- und optional einen Speicher, bevorzugt einen elektronischen Speicher, der eingerichtet ist, Signale des zumindest einen Detektors den Bereichen relativ zur Halteeinrichtung zuzuordnen, in denen die jeweiligen Flüssigkeitsabschnitte bzw. Tropfen auf einem Träger angeordnet sind,
- wobei der Tropfenerzeuger bevorzugt eingerichtet ist, Tropfen unabhängig von der Detektion zu erzeugen,
- wobei der Tropfenerzeuger bevorzugt zur ausschließlich kontinuierlichen Erzeugung von Tropfen eingerichtet ist, eine Transporteinrichtung zur Relativbewegung der Halteeinrichtung zum Tropfenerzeuger, bevorzugt zur Relativbewegung mit einem Abstand zwischen Halteeinrichtung und Tropfenerzeuger, wobei die Transporteinrichtung zur Bewegung der Halteeinrichtung oder zur Bewegung des Tropfenerzeugers eingerichtet ist, und wobei die Bewegung der Transporteinrichtung optional allein abhängig von der Rate der Tropfenerzeugung und/oder abhängig von der Eingabe von Daten für die Anordnung von Näpfen eines auf der Halteeinrichtung anzuordnenden Trägers gesteuert ist, optional eine mit der Transporteinrichtung verbundene Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, die Relativposition der Halteeinrichtung zum Tropfenerzeuger, insbesondere die Relativposition eines an der Halteeinrichtung angeordneten Trägers zum Tropfenerzeuger zu detektieren und die Transporteinrichtung zu steuern,
- wobei optional die Steuereinrichtung einen auf die Halteeinrichtung gerichteten Positionsdetektor aufweist, der eingerichtet ist, die Relativposition der Halteeinrichtung zum Tropfenerzeuger zu detektieren und abhängig von der Detektion die Position die Transporteinrichtung zu steuern, wobei die Transporteinrichtung insbesondere eingerichtet ist, die Halteeinrichtung oder den Tropfenerzeuger gesteuert zu bewegen, um nacheinander Bereiche, die beabstandet sind und in denen bevorzugt Näpfe eines auf der Halteeinrichtung anzuordnenden Trägers angeordnet sind, passend zum Tropfenerzeuger zu positionieren,
- wobei optional, insbesondere zusätzlich zu einem mit dem Detektor verbundenen Speicher oder ohne einen mit dem Detektor verbundenen Speicher, der Tropfenerzeuger abhängig von dem zumindest einen Detektor gesteuert ist und die Transporteinrichtung, insbesondere eine mit dieser verbundene Steuereinrichtung, eingerichtet ist, die Halteeinrichtung oder den Tropfenerzeuger erst dann zu bewegen, wenn vom Detektor zumindest ein, bevorzugt genau ein vorbestimmtes Signal detektiert ist, aufweist oder daraus besteht.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, dass jeder einzelne Tropfen oder eine Mehrzahl von Tropfen vereinzelt auf Bereiche eines Trägers, bevorzugt jeweils in einen einzelnen Napf eines Trägers abgesetzt werden. Vorrichtung und Verfahren sind eingerichtet, dass die Messwerte für die in den Tropfen enthaltene Substanz den Tropfen und deren Anordnung auf einem Träger zugeordnet sind und diese Zuordnung bevorzugt in einem Speicher gespeichert wird. Generell kann die Vorrichtung eingerichtet sein, dass die Transporteinrichtung die Halteeinrichtung oder den Tropfenerzeuger zumindest zweimal bewegt, um zumindest einen Anteil der Näpfe oder alle Näpfe des Trägers zumindest zweimal passend zum Tropfenerzeuger auszurichten und zumindest einen weiteren Tropfen derselben Flüssigkeit in den Anteil der Näpfe oder in alle Näpfe abzusetzen.
Generell kann der Tropfenerzeuger einzelne oder eine Mehrzahl von Tropfen mit einem beliebigen Verfahren erzeugen. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit kann die Erzeugung elektromechanisch, piezoelektrisch, durch mechanische Auslenkung, pneumatisch, thermisch durch Dampfbildung, durch thermische Ausdehnung, durch elektrostatische Abstoßung oder Anziehung, akustisch, optisch und/oder mittels Ventilen stattfinden.
Generell ist die Transporteinrichtung für eine Relativbewegung der Halteeinrichtung, auf der ein Träger anzuordnen ist, zu dem Tropfenerzeuger eingerichtet. Dabei kann die Transporteinrichtung zur Bewegung der Halteeinrichtung eingerichtet und der Tropfenerzeuger ortsfest sein, und/oder die Halteeinrichtung kann ortsfest und die Transporteinrichtung zur Bewegung des Tropfenerzeugers eingerichtet sein. Alternativ können sowohl Halteeinrichtung als auch Tropfenerzeuger an einer Transporteinrichtung zur relativen Bewegung zueinander angeordnet sein.
Generell kann die Vorrichtung eingerichtet sein, an jedem Bereich der Halteeinrichtung bzw. des darauf angeordneten Trägers, an dem zumindest ein Tropfen abgesetzt wird, vor und/oder nach dem Absetzen von Tropfen zumindest einen Tropfen zumindest einer zweiten Flüssigkeit abzusetzen. Die zweite Flüssigkeit weist dabei eine andere Zusammensetzung als die partikelhaltige Flüssigkeit auf. Die zweite Flüssigkeit kann z.B. ein Kultivierungsmedium für Zellen, eine ein Reagenz enthaltende Flüssigkeit, eine einen Farbstoff enthaltende Flüssigkeit, eine ein Biomolekül oder mehrere verschiedene Biomoleküle enthaltende Flüssigkeit sein. Dabei kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zunächst Tropfen einer zweiten Flüssigkeit auf Bereiche, insbesondere Näpfe, eines Trägers abzusetzen, anschließend Tropfen der Flüssigkeit, die Partikel enthält, abzusetzen, und optional anschließend Tropfen einer dritten Flüssigkeit auf dieselben Bereiche abzusetzen. Die dritte Flüssigkeit kann dieselbe Zusammensetzung aufweisen wie die zweite Flüssigkeit oder eine andere Zusammensetzung aufweisen. Generell kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine zweite Flüssigkeit und/oder dritte Flüssigkeit unabhängig voneinander in dieselben vorbestimmten Bereiche, insbesondere vorbestimmte Näpfe eines Trägers, in Form von Tropfen abzusetzen und in übrigen Bereichen, insbesondere Näpfen, keine zweite Flüssigkeit und/oder dritte Flüssigkeit in Form von Tropfen abzusetzen. Dabei kann die Vorrichtung eingerichtet sein, jeden der Tropfenerzeuger mit unterschiedlicher Frequenz zur Tropfenerzeugung und/oder unterschiedlicher Druckbeaufschlagung zu steuern. Dies ist nicht auf zwei oder drei Flüssigkeiten beschränkt, sondern kann auf beliebig viele Flüssigkeiten angewendet werden.
In Ausführungsformen, in denen die Vorrichtung eingerichtet ist, zusätzlich zu einer partikelhaltigen Flüssigkeit noch eine zweite und/oder eine dritte Flüssigkeit in dieselben vorbestimmten Bereiche, insbesondere Näpfe, in Form von Tropfen abzusetzen, weist sie bevorzugt jeweils zumindest einen separaten zweiten Tropfenerzeuger für die zweite Flüssigkeit und optional einen separaten dritten Tropfenerzeuger für die dritte Flüssigkeit auf. Optional kann die Vorrichtung weitere Tropfenerzeuger aufweisen. Alle Tropfenerzeuger, z.B. ein zweiter und/oder ein dritter Tropfenerzeuger, können voneinander beabstandet, z.B. in einem Abstand zum Tropfenerzeuger für die partikelhaltige Flüssigkeit fixiert sein und optional nur gemeinsam durch die Transporteinrichtung beweglich geführt oder alle ortsfest sein. Alternativ kann die Vorrichtung eingerichtet sein, dass ein zweiter Tropfenerzeuger und weiter optional ein dritter Tropfenerzeuger mit derselben oder jeweils unterschiedlicher Geschwindigkeit relativ zur Halteeinrichtung bzw. zum darauf angeordneten Träger bewegt wird, für jeweils dieselbe oder jeweils unterschiedliche Frequenzen der Tropfenerzeugung gesteuert wird, und/oder mit jeweils demselben oder unterschiedlichem Druck beaufschlagt wird.
Dabei kann die Vorrichtung weiter optional eingerichtet sein, jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Tropfen in jedem Bereich der Halteeinrichtung bzw. eines darauf angeordneten Trägers, insbesondere in jedem Napf, abzusetzen, wobei die Anzahl z.B. als das Gesamtvolumen dieser Tropfenanzahl vorbestimmt ist, das im Mittel zumindest oder genau einen Partikel enthält. In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung ohne einen mit dem Detektor verbundenen Speicher sein. Optional kann die Vorrichtung in dieser Ausführungsform auch ohne einen Detektor sein, so dass die Vorrichtung eingerichtet ist, die vorbestimmte Anzahl von Tropfen auf beabstandete Bereiche einer Halteeinrichtung bzw. auf beabstandete Bereiche eines auf der Halteeinrichtung angeordneten Trägers abzusetzen, ohne einen Detektor aufzuweisen und ohne einen mit dem Detektor verbundenen Speicher.
In jeder Ausführungsform ist die Vorrichtung eingerichtet, Tropfen mit einer hohen Rate auf einen Träger, insbesondere auf beabstandete Bereiche eines Trägers bzw. in Näpfe eines Trägers abzusetzen, während die Halteeinrichtung, auf der der Träger angeordnet ist, und/oder der Tropfenerzeuger mittels einer Transporteinrichtung bewegt wird, , insbesondere relativ zur Positionierung der Näpfe zum Tropfenerzeuger bewegt wird. Dadurch, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, alle Tropfen auf einem Träger, insbesondere in dessen Näpfe, abzusetzen, entfällt das abhängig von der Detektion von Partikeln in der Flüssigkeit gesteuerte Bewegen der Düse über dem Träger, so dass die Vorrichtung ein schnelles Absetzen von Tropfen auf den Träger erlaubt, insbesondere in Näpfe des auf der Halteeinrichtung angeordneten Trägers. Dadurch, dass die Transporteinrichtung allein abhängig von der Rate der Tropfenerzeugung und/oder optional zusätzlich zum Absetzen einer vorbestimmten Anzahl Tropfen je Bereich gesteuert ist, ist die Relativbewegung von Halteeinrichtung bzw. daran angeordnetem Träger zum Tropfenerzeuger vom Ergebnis der Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem der Tropfenerzeuger einen Tropfen bildet, und/oder eines Signals für jeden erzeugten Tropfen bevorzugt unabhängig. Insbesondere bevorzugt ist die Transporteinrichtung unabhängig von der Detektion von Substanz in Tropfen gesteuert. Im Verfahren kann in der Flüssigkeit, die in Tropfen vereinzelt und auf dem Träger abgesetzt werden soll, die Konzentration von Partikeln so eingestellt werden, dass je Volumen eines zu erzeugenden Tropfens oder je vorbestimmte Anzahl von Tropfen statistisch eine vorbestimmte Anzahl von Partikeln, z.B. maximal genau 1 Partikel, z.B. statistisch 0,2 bis 0,9 Partikel, oder genau 2, 3, 4 oder mehr Partikel enthalten sind.
Der zumindest eine Detektor, der zur Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem der Tropfenerzeuger einen Tropfen bildet, und/oder der zur Detektion eines Signals für jeden erzeugten Tropfen eingerichtet ist, ist bevorzugt auf zumindest einen Bereich gerichtet, in dem ein Flüssigkeitsabschnitt einer kontinuierlichen Flüssigkeitsphase angeordnet ist, aus dem der Tropfenerzeuger einen Tropfen erzeugt, z.B. ein Bereich im Innenvolumen, z.B. einem Leitungsabschnitt, des Tropfenerzeugers ist oder ein kontinuierlicher Flüssigkeitsabschnitt, der sich unmittelbar am Tropfenerzeuger ausbildet, oder der ein Bereich ist, der in einem Abstand vom Tropfenerzeuger angeordnet ist, in dem aus einer Flüssigkeit Tropfen gebildet sind, und/oder der ein Bereich ist, in dem auf einem an der Halteeinrichtung angeordneten Träger Tropfen angeordnet sind, z.B. auf beabstandeten Oberflächenbereichen eines Trägers oder in Näpfen eines Trägers angeordnete Tropfen. Generell kann das Signal spezifisch für eine in der Flüssigkeit enthaltene Substanz sein, die insbesondere ein Partikel, z.B. Zelle oder synthetischer Partikel aus Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas, und/oder ein zugesetztes Markierungsreagenz ist. Ein Detektor kann eine photoelektrische Zelle, eine Photoverstärkerröhre, ein digitaler Photosensor, z.B. eine Digitalkamera, sein, optional mit vorgeschalteter Optik, z.B. einer Mikroskopoptik. Der elektronische Speicher kann eine digitale Bildverarbeitungseinheit aufweisen, die optional unmittelbar oder durch Datenübertragungsmittel mit dem Detektor gekoppelt ist. Das vom Detektor detektierte Signal kann entsprechend die Intensität einer bestimmten Wellenlänge sein, z.B. einer Wellenlänge, bei der ein mit einem Partikel verbundenes Markierungsreagenz fluoresziert oder bei der Partikel Licht absorbieren oder streuen. Das vom Detektor detektierte Signal kann ein mikroskopisches Bild sein, z.B. im Hellfeld oder Phasenkontrast oder Fluoreszenzbild oder Dunkelfeld. Das mikroskopische Bild kann mehrere Näpfe gleichzeitig enthalten. Das mikroskopische Bild kann aus mehreren Bildern zusammengesetzt sein, um ein 3D-Abbild des Inhalts der Näpfe zu erhalten. Ein Detektor zur Aufnahme von mikroskopischen Bildern kann unterhalb des Trägers angeordnet sein und genutzt werden, um nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Inhalt der Näpfe abzubilden, bevorzugt im Vergleich mit oder als Differenzbild mit einem mikroskopischen Bild, das vom Träger vor der Durchführung des Verfahrens aufgenommen wurde.
Die Anordnung und Ausrichtung eines Detektors auf Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsabschnitt, in dem die Flüssigkeit eine kontinuierliche Phase bildet, der insbesondere ein Bereich innerhalb des Tropfenerzeugers oder stromabwärts von dessen Auslassöffnung in einem Bereich kontinuierlicher Flüssigkeit ist, hat den Vorteil, dass der Detektor auf einen quasi stationären Bereich strömender Flüssigkeit gerichtet ist. Insbesondere in dieser Ausführungsform kann der Detektor ein Leitfähigkeitssensor sein. Bei Ausrichtung eines Detektors auf einen Bereich innerhalb des Tropfenerzeugers, z.B. durch dessen optisch transparente Wandbereiche, ergibt sich der Vorteil, dass die Brechung von Anregungsstrahlung, die in den Tropfenerzeuger eingestrahlt wird, mittels der Wandbereiche eingestellt werden kann.
In Ausführungsformen, in der die Vorrichtung zusätzlich zu einem mit dem Detektor verbundenen Speicher oder ohne einen mit dem Detektor verbundenen Speicher der Tropfenerzeuger abhängig von dem zumindest einen Detektor gesteuert ist, kann die Transporteinrichtung, insbesondere eine mit dieser verbundene Steuereinrichtung, eingerichtet sein, den Tropfenerzeuger erst dann relativ zur Halteeinrichtung oder die Halteeinrichtung erst dann relativ zum Tropfenerzeuger zu bewegen, wenn zumindest ein, bevorzugt genau ein vorbestimmtes Signal detektiert ist, das z.B. die Anwesenheit eines Partikels, insbesondere einer Zelle, in einem Tropfen anzeigt. Ein solches vorbestimmtes Signal kann z.B. die Anwesenheit zumindest eines Partikels, der eine Zelle oder ein synthetischer Partikel ist, die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Markierungsreagenzes oder ein markiertes spezifisches Bindemolekül sein, z.B. ein markierter Antikörper oder ein markiertes DNA- oder RNA-Molekül, eine markierte Zellwand oder Farbstoff für eine farbliche Markierung von Zellorganellen oder dem Zytosol. In diesen Ausführungsformen kann die Vorrichtung optional ohne einen Speicher sein, der zur Speicherung von Signalen des zumindest einen Detektors eingerichtet ist.
In der Ausführungsform, in der ein Detektor auf einen Bereich gerichtet ist, in dem auf einem an der Halteeinrichtung angeordneten Träger Tropfen angeordnet werden, z.B. auf beabstandeten Oberflächenbereichen eines ebenen Trägers oder in Näpfen eines Trägers angeordnete Tropfen, kann der Detektor unabhängig vom Tropfenerzeuger auf die Halteeinrichtung bzw. auf den darauf angeordneten Träger gerichtet sein. Dabei kann ein Detektor aus der Richtung auf die Halteeinrichtung bzw. auf einen auf einer Halteeinrichtung angeordneten Träger gerichtet sein, aus der der Tropfenerzeuger Flüssigkeit abgesetzt hat. Z.B. kann der Detektor in einer Richtung auf eine Halteeinrichtung gerichtet sein, in der der Detektor auf die Seite eines auf der Halteeinrichtung angeordneten Trägers gerichtet ist, von der sich Näpfe in den Träger erstrecken, bzw. auf die offenen Querschnitte der Näpfe. Dies hat den Vorteil, dass in Näpfen des Trägers abgesetzte Tropfen unmittelbar bzw. ohne Beeinträchtigung durch Material des Trägers vom Detektor erfasst werden können. Zur Anregung von Strahlung, die von Tropfen bzw. darin enthaltenen Substanzen abgegeben wird, kann die Vorrichtung eine Anregungslichtquelle aufweisen, die auf die Halteeinrichtung bzw. auf einen darauf angeordneten Träger gerichtet ist. Eine Anregungslichtquelle kann von derselben Seite wie der Detektor auf die Halteeinrichtung bzw. auf einen darauf angeordneten Träger gerichtet sein, oder von der dem Detektor gegenüberliegenden Seite.
Die Vorrichtung kann einen Detektor oder zumindest zwei oder drei Detektoren aufweisen, die auf einen dieser Bereiche gerichtet sind.
Optional ist der zumindest eine Detektor und der mit diesem verbundene, bevorzugt elektronische Speicher eingerichtet, die Signale des zumindest einen Detektors der Position der Halteeinrichtung relativ zum Tropfenerzeuger zuzuordnen, insbesondere die Signale des zumindest einen Detektors der Position von Näpfen zuzuordnen, die an der Halteeinrichtung angeordnet sind. Diese Zuordnung kann in Bezug zu einem auf dem Träger angebrachten Referenzpunkt erfolgen.
Der zumindest eine Detektor kann ein optischer Detektor sein, bevorzugt in Kombination mit einer Lichtquelle, die eingerichtet ist, den Bereich zu bestrahlen, auf den der Detektor gerichtet ist. Alternativ kann ein Detektor ein Leitfähigkeitssensor sein, der eingerichtet ist, Änderungen der Leitfähigkeit bei Anwesenheit eines Partikels zu messen, z.B. bei Durchgang einer partikelhaltigen Flüssigkeit durch einen Abschnitt des Tropfenerzeugers. Generell bevorzugt ist ein Detektor eingerichtet, die Anwesenheit eines Partikels zu bestimmen und/oder die Anwesenheit eines der Flüssigkeit zugesetzten Markierungsreagenzes, das z.B. ein markiertes spezifisches Bindemolekül sein kann, z.B. ein markierter Antikörper oder ein markiertes DNA- oder RNA-Molekül, eine markierte Zellwand oder Farbstoff für eine farbliche Markierung von Zellorganellen oder dem Zytosol sein kann, wobei unabhängig vom Bindemolekül oder Markierungsbereich die Markierung generell z.B. ein Nanopartikel, ein Farbstoff oder eine funktionelle Gruppe sein kann, oder das Markierungsreagenz aus einer Markierung bestehen kann.
Der Detektor kann eingerichtet sein, die Anordnung von Tropfen auf den Träger zu detektieren und bevorzugt die detektierte Anordnung von Tropfen auf dem Träger in einem Speicher abzulegen, weiter bevorzugt zusätzlich den Tropfen zugeordnete Signale für die Anwesenheit einer in Tropfen enthaltenen Substanz. Dabei kann die Transporteinrichtung eingerichtet sein, den Tropfenerzeuger oder die Halteeinrichtung unabhängig von dem Träger und von der Anordnung von Näpfen auf dem Träger zu bewegen. In dieser Ausführungsform ist der Tropfenerzeuger eingerichtet, einen oder mehrere Tropfen unabhängig vom Träger oder von Näpfen auf dem Träger abzusetzen und der Detektor ist eingerichtet, die Position des auf dem Träger abgesetzten Tropfens oder die Anordnung der auf dem Träger abgesetzten Tropfen zu detektieren, diese detektierte Position oder Anordnung einem Referenzpunkt des Trägers zuzuordnen und diese Daten in einem Speicher abzulegen, bevorzugt zusätzlich den Tropfen zugeordnete Signale für die Anwesenheit einer in Tropfen enthaltenen Substanz. Die Substanz kann zur einfacheren Identifikation dieser Tropfen dienen, z.B. in Form eines Markierungsreagenzes, insbesondere eines Färbemittels. Generell kann jeder Träger einen Referenzpunkt aufweisen, z.B. eine Kodierung. Generell kann der Referenzpunkt auf dem Träger, auf der Halteeinrichtung oder an einer beliebigen Stelle angeordnet sein.
Der Positionsdetektor der Steuereinrichtung kann auf einen dem Tropfenerzeuger gegenüberliegenden Bereich der Halteeinrichtung oder auf einen dem Tropfenerzeuger zugewandten Bereich der Halteeinrichtung gerichtet sein. Generell ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, die Position von Näpfen eines auf der Halteeinrichtung angeordneten Trägers zu bestimmen und die Transporteinrichtung zu steuern, z.B. zu steuern, dass Näpfe zur Aufnahme von Tropfen passend zum Tropfenerzeuger oder ein Tropfenerzeuger passend zu Näpfen positioniert werden, insbesondere nur abhängig von der Frequenz der Tropfenerzeugung positioniert werden.
Der optionale Positionsdetektor kann eingerichtet sein, die Position der Halteeinrichtung, bevorzugt eines darauf angeordneten Trägers relativ zum Tropfenerzeuger, während der Dauer der Bewegung der Transporteinrichtung kontinuierlich, in einem Intervall oder zu zumindest zwei zeitlich beabstandeten Intervallen, oder nur zu Beginn des Betriebs des Tropfenerzeugers und/oder nur zu Beginn der Bewegung und/oder zum Ende der Bewegung der Transporteinrichtung aufzunehmen. Dabei kann ein Intervall ein oder mehrere, zeitlich beabstandete festgelegte zeitliche Abschnitte der Bewegung der Transporteinrichtung und/oder des Betriebs des Tropfenerzeugers sein, oder eine Anzahl von Näpfen, die passend zum Tropfenerzeuger positioniert sind.
Die Transporteinrichtung kann einen Korrekturantrieb aufweisen, z.B. Piezoaktoren, der vom Positionsdetektor gesteuert ist. Dabei kann die Bewegung der Transporteinrichtung, insbesondere mittels eines Korrekturantriebs, ein Beschleunigen oder Abbremsen der Bewegung des Transporteinrichtung und/oder eine Bewegung orthogonal zur Bewegung der Transporteinrichtung sein, optional parallel oder orthogonal zur Ebene der Halteeinrichtung oder zur Oberfläche eines darauf anzuordnenden Trägers. Dabei wirkt der Korrekturantrieb auf die Transporteinrichtung, um die Bewegung der Halteeinrichtung oder des Tropfenerzeugers abhängig vom Positionsdetektor zu steuern. Ein Korrekturantrieb kann zwischen der Transporteinrichtung und der davon zur Bewegung angetriebenen Halteeinrichtung oder dem Tropfenerzeuger angebracht sein. Alternativ kann der die Transporteinrichtung eingerichtet sein, eines von Halteeinrichtung und Tropfenerzeuger zu bewegen und der Korrekturantrieb kann eingerichtet sein, das andere von Halteeinrichtung und Tropfenerzeuger zu bewegen, das nicht von der Transporteinrichtung bewegt wird.
Die Bewegung der Transporteinrichtung kann insbesondere abhängig vom Positionsdetektor gesteuert sein, z.B. bei Einrichtung des Positionsdetektors zur kontinuierlichen Detektion der Relativposition der Halteeinrichtung bzw. eines daran angeordneten Trägers zum Tropfenerzeuger. Die Transporteinrichtung kann abhängig vom Positionsdetektor gesteuert sein, die Halteeinrichtung oder den Tropfenerzeuger zu bewegen.
Optional weist die Vorrichtung zumindest zwei Tropfenerzeuger auf, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der z.B. senkrecht oder parallel zur Bewegungsrichtung der Transporteinrichtung liegt.
Bevorzugt ist der Tropfenerzeuger in einem Abstand zur Halteeinrichtung angeordnet, um den der Tropfenerzeuger bei Anordnung eines Trägers auf der Halteeinrichtung von dieser beabstandet ist, dass aus dem Tropfenerzeuger austretende Flüssigkeit den Abstand des Tropfenerzeugers vom Träger als frei fallende Tropfen queren. Alternativ kann der Tropfenerzeuger in einem Abstand von der Halteeinrichtung angeordnet sein, in dem der Tropfenerzeuger bei Anordnung eines Trägers auf der Halteeinrichtung von dieser beabstandet ist, dass aus dem Tropfenerzeuger austretende Flüssigkeit den Träger kontaktiert, bevor die Flüssigkeit den Kontakt zum Tropfenerzeuger verliert, z.B. in einem Abstand gleich dem oder kleiner als der Durchmesser austretender Flüssigkeit. Der Durchmesser austretender Flüssigkeit bzw. von Tropfen kann abhängig von Parametern wie der Oberflächenspannung, der Viskosität, Temperatur, dem Druckniveau im Tropfenerzeuger, der Größe der Auslassöffnung, der Frequenz und Amplitude des tropfenerzeugenden Energieeintrags des Tropfenerzeugers bestimmt werden.
Der Tropfenerzeuger kann eine Leitung mit einer Auslassöffnung oder eine Düse zur Erzeugung von Tropfen sein, optional mit einem transparenten Bereich, auf den ein optischer Detektor gerichtet ist. Der Tropfenerzeuger ist mit einer Quelle für die Flüssigkeit verbunden, aus der Tropfen erzeugt werden sollen. Dabei kann die Quelle mit Druck beaufschlagt sein oder eine Pumpe kann in der Leitung zwischen der Quelle und dem Tropfenerzeuger angeordnet sein. Zur Erzeugung von Tropfen kann der Tropfenerzeuger einen Schwingungserzeuger aufweisen, z.B. einen gesteuert mit elektrischen Spannungsimpulsen beaufschlagbaren Piezokristall. Der Schwingungserzeuger ist eingerichtet, Frequenz, auch als Rate bezeichnet, und Amplitude des tropfenerzeugenden Energieeintrags auf den Flüssigkeitsstrom im Tropfenerzeuger aufzubringen.
Optional sind zumindest zwei Tropfenerzeuger mit einer Quelle für Flüssigkeit verbunden, wobei die Tropfenerzeuger auf eine Halteeinrichtung gerichtet sind und eingerichtet sind, gleichzeitig Tropfen der Flüssigkeit auf genau einen Träger, insbesondere in dessen Näpfe, abzusetzen.
Die Halteeinrichtung, an der der Träger anzuordnen ist, kann durch die Transporteinrichtung und/oder den Korrekturantrieb in zumindest einer Richtung, bevorzugt in einer Ebene gesteuert verfahrbar sein, z.B. ein XY-Tisch, oder in drei Dimensionen verfahrbar sein, z.B. ein XYZ-Tisch.
Der Träger weist bevorzugt eine einteilige oder mehrteilige Platte aus Glas und/oder Silizium und/oder Kunststoff und/oder Metall auf und hat optional in regelmäßiger oder unregelmäßiger Anordnung Näpfe oder weist eine ebene Oberfläche auf, auf die in beabstandeten Bereichen Tropfen abgesetzt werden können, oder besteht daraus. Bevorzugt haben die Näpfe nur eine Querschnittsöffnung, alternativ können die Näpfe Durchgangslöcher sein, die sich durch die vollständige Dicke des Trägers erstrecken und weisen einen Querschnitt auf, der Tropfen aus der abgesetzten Flüssigkeit durch Kapillarkräfte hält, z.B. einen runden Querschnitt von 10 bis 500 pm Durchmesser. Die Näpfe können einen Abstand von 5 pm bis 500 pm oder mehr haben. Die Näpfe können eine Tiefe von 15 pm bis 500 pm oder mehr haben. Das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser kann bevorzugt zwischen 1 und 50 sein.
Optional kann die Vorrichtung eingerichtet sein, die Anzahl und/oder Abfolge der Tropfen bzw. Anordnung der Näpfe, für die die Abwesenheit eines Signals des Detektors für die Anwesenheit einer Substanz, insbesondere eines Partikels detektiert wurde, zu bestimmen und dem Träger als Identifikationsmuster zuzuordnen.
Die Transporteinrichtung kann zur Positionsbestimmung und als Antrieb z.B. einen Referenzschalter und Schrittmotor aufweisen, einen mechanischen Anschlag und einen gesteuerten Servomotor, oder einen geregelten Glasmaßstab, z.B. mit elektrooptischer Abtastung, mit Linearachsenantrieb.
Generell kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, dass Daten für die Anordnung von Näpfen eingegeben werden können und die Steuereinrichtung die Transporteinrichtung zur Positionierung des Tropfenerzeugers oder der Halteeinrichtung nach der eingegebenen Anordnung bewegt. Dabei kann die Anordnung eine regelmäßige, z.B. ein Raster der Näpfe sein, oder eine unregelmäßige Anordnung der Näpfe. Die Vorrichtung kann einen Sensor für die Eingabe von Daten für die Anordnung der Näpfe aufweisen, z.B. ein Mikroskop, das als Eingabe für Daten die Anordnung der Näpfe als Bild aufnimmt oder einen optischen Sensor, der zur Erfassung einer Kodierung von Trägern eingerichtet ist, wobei die Kodierung z.B. ein QR-Code auf dem Träger ist. Dabei ist die Kodierung mit Daten für die Anordnung der Näpfe gekoppelt, wobei die Daten für diese Anordnung aus einem Speicher übernommen werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit eingerichtet sein, den Tropfenerzeuger, insbesondere dessen Druckbeaufschlagung und/oder dessen Schwingungserzeuger, und/oder die Transporteinrichtung abhängig von der eingegebenen Anordnung von Näpfen zu steuern, um Tropfen gezielt in die Näpfe der Anordnung abzusetzen.
Der Tropfenerzeuger kann eingerichtet sein, insbesondere unabhängig von Signalen des Detektors für die Anwesenheit einer Substanz in Tropfen eingerichtet sein, eine Abfolge von Tropfen zu erzeugen, bei der zumindest zwei Tropfen in kürzerem zeitlichen Abstand erzeugt werden, als ein längerer zeitlicher Abstand zum anschließend erzeugten Tropfen beträgt. Bei dieser Abfolge von Tropfen ist die Transporteinrichtung eingerichtet, die Halteeinrichtung und den Tropfenerzeuger relativ zueinander auszurichten, dass ein Napf eines auf der Halteeinrichtung anzuordnenden Trägers passend zum Tropfenerzeuger positioniert ist, um die zumindest zwei Tropfen innerhalb des kürzeren zeitlichen Abstands darin abzusetzen und die Transporteinrichtung eingerichtet ist, die Halteeinrichtung und den Tropfenerzeuger während des längeren zeitlichen Abstands zum anschließend erzeugten Tropfen relativ zueinander zu bewegen, um einen weiteren Napf passend zum Tropfenerzeuger zu positionieren. Auch in dieser Ausführungsform ist der Tropfenerzeuger bevorzugt eingerichtet, die Abfolge der Tropfen unabhängig vom Signal eines Detektors für die Anwesenheit einer Substanz in Tropfen zu erzeugen. Alternativ kann der Tropfenerzeuger eingerichtet sein, Tropfen in kürzerem zeitlichen Abstand zu erzeugen, bis zumindest ein Signal für die Anwesenheit einer Substanz in einem Tropfen detektiert wird und den unmittelbar anschließenden Tropfen in längerem zeitlichen Abstand zu erzeugen. Dabei kann der Tropfenerzeuger, z.B. dessen Schwingungserzeuger oder dessen Druckbeaufschlagung abhängig vom Signal des Detektors für die Anwesenheit einer Substanz gesteuert sein.
Generell kann die Vorrichtung eingerichtet sein, im Anschluss an eine erste Bewegung der Transporteinrichtung zur Ausrichtung jedes Napfs eines auf der Halteeinrichtung angeordneten Trägers relativ zum Tropfenerzeuger, den Tropfenerzeuger oder die Halteeinrichtung nochmal mittels der Transporteinrichtung ausschließlich mit denjenigen Näpfen passend zum Tropfenerzeuger zu positionieren, für die durch den Detektor die Abwesenheit der vorbestimmten Anzahl von Partikeln, insbesondere das Fehlen von Partikeln, detektiert wurde. Im Verfahren kann der Tropfenerzeuger abhängig von den durch den Detektor aufgenommenen Signalen passend zu den Näpfen bewegt werden, für die die Abwesenheit der vorbestimmten Anzahl von Partikeln, insbesondere das Fehlen von Partikeln, detektiert wurde.
Optional ist die Vorrichtung eingerichtet, bei Detektion eines vorbestimmten Signals durch einen Detektor das Verfahren abzubrechen, z.B. bei Detektion eines Signals, das die Abwesenheit eines Trägers oder von Näpfen anzeigt, um keine Flüssigkeit austreten zu lassen, wenn kein Träger oder ein Träger in falscher Orientierung an der Halteeinrichtung angeordnet ist. Ein Signal, bei dessen Detektion das Verfahren abgebrochen wird, kann eines sein, das die Abwesenheit von Flüssigkeit in einem der Tropfenerzeuger anzeigt, ein Signal, das eine Tropfenfrequenz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs anzeigt, oder ein Signal, das die Anwesenheit von Tropfen außerhalb von Näpfen eines Trägers anzeigt, z.B. ein durch einen auf den Träger gerichteten Detektor oder Positionssensor aufgenommenes Signal.
Das unter Verwendung der Vorrichtung durchführbare Verfahren zum Absetzen von Tropfen auf einen Träger hat den Vorteil, Tropfen mit einer hohen Rate auf einem auf der Halteeinrichtung angeordneten Träger abzusetzen, insbesondere in einzelne Näpfe eines Trägers abzusetzen, und das Signal des zumindest einen Detektors den Tropfen bzw. den einzelnen Näpfen, in die die Tropfen abgesetzt sind, zuzuordnen. Die Vorrichtung erzeugt eine Anordnung von Tropfen, insbesondere von einzelnen Tropfen, auf einem Träger bzw. in Näpfen eines Trägers, jeweils mit Zuordnung des Signals des Detektors zu den Tropfen bzw. zu den Näpfen. Daher ist eine Identifikation der Näpfe einfach, die genau einen oder eine vorbestimmte Anzahl Tropfen mit einer ein Detektorsignal erzeugenden Substanz bzw. mit einem Partikel enthalten. Die Rate des Absetzens von einzelnen Tropfen in jeweils einzelne Näpfe kann z.B. 1 bis 6.000 Hz, z.B. 20 bis 200 Hz, z.B. 40 bis 60 Hz betragen und ist bevorzugt gleich der Rate der Erzeugung von Tropfen. Generell beschreibt die Einrichtung der Vorrichtung bzw. deren Teilen die entsprechenden Schritte des Verfahrens.
Die Transporteinrichtung kann zur Relativbewegung mit derselben Geschwindigkeit zwischen Tropfenerzeuger und Halteeinrichtung eingerichtet, wenn ein Napf passend zum Tropfenerzeuger positioniert ist und auch wenn kein Napf passend zum Tropfenerzeuger positioniert ist. Generell ist bevorzugt, dass die Transporteinrichtung zur kontinuierlichen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit eingerichtet ist und während dieser Bewegung der Tropfenerzeuger zum kontinuierlichen Erzeugen bzw. Absetzen von Tropfen gesteuert ist. Dabei kann der Tropfenerzeuger eingerichtet sein, bei passender Positionierung zu Näpfen in diese eine vorbestimmte Anzahl von Tropfen mit höherer Rate abzusetzen, als bei Positionierung neben einem Napf, z.B. zum Absetzen von Tropfen bei höherer Rate in passend positionierte Näpfe als bei nicht passender Positionierung des Tropfenerzeugers, insbesondere bei Positionierung neben Näpfen.
Generell beschreibt die Einrichtung der Vorrichtung und die Einrichtung von deren Elementen auch das Verfahren, und das Verfahren beschreibt auch die Einrichtung der Vorrichtung und von deren Elementen zu den Verfahrensschritten.
Das Verfahren weist die Schritte mittels eines Tropfenerzeugers, Erzeugen von Tropfen aus einer Flüssigkeit, die zumindest eine Substanz enthält, die bevorzugt Partikel sind, und Absetzen von Tropfen auf einem Träger, bevorzugt Absetzen einzelner Tropfen in jeweils einzelne Näpfe eines Trägers oder auf beabstandete Bereiche einer ebenen Oberfläche eines Trägers, während der Träger an einer Halteeinrichtung angeordnet ist,
- Detektieren eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem ein Tropfen gebildet wird und/oder Detektieren eines Signals für jeden Tropfen mittels zumindest eines Detektors, und/oder Detektieren eines Signals für jeden Napf mittels eines Detektors, wobei die Signale die Anwesenheit oder Abwesenheit der Substanz anzeigen, - und bevorzugt Zuordnen der Signale zu Bereichen des Trägers, auf denen Tropfen abgesetzt sind, bevorzugt Zuordnen der Signale zu den Näpfen eines Trägers, in die einzelne Tropfen abgesetzt wurden, und Speichern der Signale mit Zuordnung zu den Bereichen des Trägers bzw. Zuordnung der Signale zu den Näpfen eines Trägers in einem Speicher, der ein elektronischer Speicher sein kann,
- Bewegen des Trägers mittels einer Transporteinrichtung in einem Abstand zum Tropfenerzeuger relativ zum Tropfenerzeuger,
- bevorzugt Detektieren, bevorzugt mittels eines Positionsdetektors, der Relativposition des Trägers zum Tropfenerzeuger und, mittels einer durch eine Steuereinrichtung gesteuerten Transporteinrichtung, Positionieren bzw. Bewegen des Trägers, um nacheinander beabstandete Oberflächenbereiche, insbesondere Näpfe des Trägers passend zum Tropfenerzeuger zu positionieren, insbesondere Positionieren jeweils eines separaten Napfs für jeden einzelnen Tropfen oder für eine vorbestimmte Anzahl von Tropfen, passend zum Tropfenerzeuger,
- bevorzugt Detektieren der Position des Trägers mittels eines Korrekturantriebs, der abhängig von einem Positionsdetektor gesteuert ist, und Positionieren des Trägers relativ zum Tropfenerzeugers, wobei die Transporteinrichtung eines von Halteeinrichtung bzw. Träger und Tropfenerzeuger bewegt und der Korrekturantrieb das andere von Halteeinrichtung bzw. Träger und Tropfenerzeuger zu bewegen, das nicht von der Transporteinrichtung bewegt wird, oder der Korrekturantrieb mit der Transporteinrichtung verbunden ist, auf oder besteht daraus.
Der zumindest eine Detektor kann auf einen Flüssigkeitsabschnitt gerichtet sein, aus dem anschließend ein Tropfen gebildet wird, z.B. ein kontinuierlicher Abschnitt der Flüssigkeit innerhalb des Tropfenerzeugers oder innerhalb eines Leitungsabschnitts vor dessen Auslassöffnung oder unmittelbar angrenzend an die Auslassöffnung des Tropfenerzeugers. Alternativ oder zusätzlich kann der zumindest eine Detektor auf einen Bereich gerichtet sein, der in einem Abstand vom Tropfenerzeuger angeordnet ist und in dem separate Tropfen, insbesondere als freier Tropfenstrom vorliegen bzw. sich in Richtung auf den Träger bewegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der zeitliche Abstand zwischen der Detektion und dem Absetzen der Tropfen auf dem Träger geringer ist, als bei Detektion von Abschnitten des kontinuierlichen Flüssigkeitsstroms innerhalb oder direkt angrenzend an den Tropfenerzeuger. Alternativ oder zusätzlich kann der zumindest eine Detektor auf einen Bereich gerichtet sein, in dem der Träger auf der Transporteinrichtung angeordnet wird, bzw. der Detektor kann auf den Träger gerichtet sein, z.B. auf dessen Oberseite, von der sich Näpfe in den Träger erstrecken, oder von der gegenüberliegenden Unterseite, die der Seite gegenüberliegt, auf die Tropfen abgesetzt wurden. Dabei erlaubt ein Detektor, der auf den Träger gerichtet ist, die Detektion und Zuordnung der detektierten Signale mit zeitlichem und räumlichen Abstand vom Absetzen der Tropfen auf dem Träger und insbesondere die Detektion und Zuordnung der detektierten Signale ohne zeitlichen Abstand zwischen der Detektion von Tropfen und dem Absetzen der Tropfen auf dem Träger, so dass die Korrektheit der Zuordnung z.B. gegenüber der Detektion im kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom oder im freien Tropfenstrom erhöht ist. Ein Detektor, der auf den Bereich gerichtet ist, in dem die Oberseite eines darauf angeordneten Trägers liegt, kann in festem Abstand mit dem Tropfenerzeuger verbunden sein, und auf die Halteeinrichtung bzw. auf einen Träger darauf gerichtet und weiter optional mittels der Transporteinrichtung parallel mit dem Tropfenerzeuger beweglich sein.
In einer Ausführungsform kann der Detektor steuern, dass die Transporteinrichtung erst dann den Träger relativ zum Tropfenerzeuger bewegt, wenn der Detektor ein Signal für zumindest einen oder genau einen Partikel oder für eine vorbestimmte Anzahl von Partikeln, z.B. für ein Markierungsreagenz, detektiert, so dass auf einen Bereich, insbesondere in einen Napf, eines Trägers Tropfen abgesetzt werden, bis der Detektor ein solches Signal detektiert. Dabei kann die Transporteinrichtung mittels der Steuereinrichtung abhängig vom Detektor zur Positionierung der Halteeinrichtung relativ zum Tropfenerzeuger gesteuert sein. Auch in dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung bevorzugt eingerichtet, die Transporteinrichtung abhängig von der Eingabe von Daten für die Anordnung von Näpfen eines auf der Halteeinrichtung anzuordnenden Trägers zu steuern und die Näpfe dieser Anordnung unmittelbar nacheinander passend zum Tropfenerzeuger anzuordnen. In dieser Ausführungsform kann das Verfahren optional ohne einen Schritt des Speicherns von Signalen des Detektors und/oder ohne einen Schritt des Zuordnens von Signalen des Detektors zur Positionierung des Trägers bzw. der Transporteinrichtung ablaufen.
Generell kann vorgesehen sein, dass in die Steuereinrichtung Daten für die Anordnung von Näpfen eingegeben werden können und die Steuereinrichtung die Transporteinrichtung zur Positionierung des Tropfenerzeugers oder der Halteeinrichtung nach der eingegebenen Anordnung bewegt. Dabei kann die Anordnung eine regelmäßige, z.B. ein Raster der Näpfe sein, oder eine unregelmäßige Anordnung der Näpfe. Über einen Sensor können Daten für die Anordnung der Näpfe eingegeben werden, wobei der Sensor z.B. ein Mikroskop, das als Eingabe für Daten die Anordnung der Näpfe als Bild aufnimmt, oder ein optischen Sensor ist, der zur Erfassung einer Kodierung von Trägern eingerichtet ist, wobei die Kodierung z.B. ein QR-Code auf dem Träger ist. Dabei ist die Kodierung mit Daten für die Anordnung der Näpfe gekoppelt und die Daten für diese Anordnung können aus einem Speicher übernommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit den Tropfenerzeuger, insbesondere dessen Druckbeaufschlagung und/oder dessen Schwingungserzeuger, und/oder die Transporteinrichtung abhängig von der eingegebenen Anordnung von Näpfen steuern, um Tropfen gezielt in die Näpfe der Anordnung abzusetzen.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Verfahren ohne Detektion der Flüssigkeit ausgeführt, sondern es wird die Anzahl von Tropfen vorbestimmt, die ein Volumen umfasst, das im statistischen Mittel eine bestimmte Anzahl von Partikeln enthält, z.B. zumindest oder genau 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Partikel. Die Anzahl von Tropfen für ein Volumen, das eine vorbestimmte Anzahl von Partikeln umfasst, kann aus der Konzentration der Partikel in der Flüssigkeit vorbestimmt werden.
Optional kann im Verfahren vorgesehen sein, dass an jedem Bereich des Trägers, an dem zumindest ein Tropfen abgesetzt wird, vor und/oder nach dem Absetzen von Tropfen zumindest ein Tropfen zumindest einer zweiten Flüssigkeit abgesetzt wird. Die zweite Flüssigkeit weist eine andere Zusammensetzung als die partikelhaltige Flüssigkeit auf. Die zweite Flüssigkeit kann z.B. ein Kultivierungsmedium für Zellen, eine ein Reagenz enthaltende Flüssigkeit, eine einen Farbstoff enthaltende Flüssigkeit, eine ein Biomolekül oder mehrere verschiedene Biomoleküle enthaltende Flüssigkeit sein. Dabei können im Verfahren zunächst Tropfen einer zweiten Flüssigkeit auf Bereiche, insbesondere Näpfe, eines Trägers abgesetzt werden, anschließend Tropfen der Flüssigkeit, die Partikel enthält, und optional anschließend Tropfen einer dritten Flüssigkeit. Die dritte Flüssigkeit kann dieselbe Zusammensetzung aufweisen, wie die zweite Flüssigkeit, oder eine andere Zusammensetzung aufweisen.
Weiter optional kann die Transporteinrichtung gesteuert sein, einen Anteil der Näpfe eines Trägers passend zu zumindest einem Tropfenerzeuger auszurichten, bis Tropfen in diesen Anteil der Näpfe abgesetzt sind, während ein anderer Anteil der Näpfe des Trägers nicht passend zum Tropfenerzeuger ausgerichtet wird und in diese kein Tropfen abgesetzt wird. Weiter optional kann der Träger unterschiedlich große Näpfe aufweisen, die Daten zur Anordnung der Näpfe auch Daten zur unterschiedlichen Größe der Näpfe enthalten, und davon abhängig die Transporteinrichtung gesteuert sein. Dabei kann die Transporteinrichtung gesteuert sein, Näpfe abhängig von ihrer Größe passend zum Tropfenerzeuger auszurichten, bis eine von der Größe des Napfs abhängige Anzahl von Tropfen abgesetzt und/oder zusätzlich passend zu einem zweiten und/oder dritten Tropfenerzeuger auszurichten, bis daraus eine von der Napfgröße abhängige Anzahl von Tropfen abgesetzt ist.
Weiter kann der Tropfenerzeuger gesteuert sein, abhängig von der Größe der Näpfe Tropfen mit anderer Frequenz zu erzeugen.
Optional kann die Positionsdetektion genutzt werden, um bei zu großen Abweichungen von einer Soll-Position, die durch die Position der Näpfe bestimmt ist, um das Verfahren während der Ausführung zu unterbrechen oder abzubrechen.
Die Erfindung wird nun genauer anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die Figuren beschrieben, die schematisch in
- Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
- Fig. 2 eine Ausführungsform der Vorrichtung zeigen.
Die Figur 1 zeigt als Halteeinrichtung 1 einen XY-Tisch, der in der horizontalen XY-Ebene gesteuert verfahrbar ist. Auf dem XY-Tisch ist ein Träger 2, z.B. aus Kunststoff oder Glas oder Silizium oder Metall, angeordnet, der als beabstandete Oberflächenbereiche Näpfe 3 aufweist, z.B. in Reihen und/oder Zeilen angeordnete Näpfe 3, die sich von nur einer Seite, hier als Oberseite 2a bezeichnet, als Ausnehmungen in den Träger 2 erstrecken. Ein Tropfenerzeuger 4 in Form einer Düse ist in einem Abstand von dem XY-Tisch angeordnet, so dass bei Anordnung des Trägers 2 an dem XY-Tisch die Düse als Tropfenerzeuger 4 so beabstandet ist, dass sich aus der aus der Düse austretenden Flüssigkeit 5 ein freier Tropfenstrom 6 ausbildet, oder dass aus der Düse austretende Flüssigkeit 5 bereits in Kontakt mit dem Träger 2 kommt, während sie noch Kontakt mit der Düse hat. Der Tropfenerzeuger 4 in Form der Düse weist einen optionalen Schwingungserzeuger 7 auf, z.B. einen mit Spannungsimpulsen beaufschlagten Piezokristall. Ein Positionsdetektor 10 ist auf die Halteeinrichtung 1 bzw. den XY-Tisch 1 gerichtet, insbesondere auf die der Düse 4 zugewandte Oberseite 2a des Trägers 2 oder auf die der Düse 4 gegenüberliegende Unterseite 2b des Trägers 2, um die Position der Näpfe 3 zu detektieren und die Näpfe 3 passend zum Tropfenerzeuger 4 zu positionieren. Die Halteeinrichtung 1 ist mittels einer Transporteinrichtung 13a beweglich und mittels einer Steuereinrichtung 14 abhängig vom Signal des Positionsdetektors 10 gesteuert, der die Position der Näpfe 3 in dem Träger 2 aufnimmt. Alternativ oder zusätzlich zu einer Transporteinrichtung 13a, die die Halteeinrichtung 1 bewegt, weist die Vorrichtung eine Transporteinrichtung 13b auf, die zur gesteuerten Bewegung des Tropfenerzeugers 4 entlang der Halteeinrichtung 1 eingerichtet ist. Zur Eingabe von Daten für die Anordnung von Näpfen 3 eines auf der Halteeinrichtung 1 anzuordnenden Trägers 2 weist die Vorrichtung einen Sensor 15 auf, der zur Erfassung der Anordnung der Näpfe 3 oder zur Erfassung einer Kodierung 16 eines auf der Halteeinrichtung 1 angeordneten Trägers 2 eingerichtet ist. Die Kodierung 16 ist z.B. mit einem Speicher 17 verbunden, der mit der Kodierung 16 verknüpfte Daten zur Anordnung von Näpfen 3 eines Trägers 2 enthält. Eine Lichtquelle 18 ist zur Beleuchtung des Trägers 2 und ggf. einer daran angebrachten Kodierung 16 auf die Halteeinrichtung 1 gerichtet.
Der zumindest eine Detektor 11a kann auf einen Flüssigkeitsabschnitt 9 innerhalb des Tropfenerzeugers 4 gerichtet sein. Dabei kann der Detektor 1 la2 als Durchlass mit Leitfähigkeitssensor im Innenvolumen der Düse 4 ausgebildet sein und eingerichtet sein, eine Leitfähigkeitsänderung bei Durchtritt eines Partikels als Signal zu bestimmen. Alternativ kann der Detektor 1 la ein optischer Detektor sein, der durch einen optisch durchlässigen Wandabschnitt 4o der Düse 4 auf deren Innenvolumen gerichtet ist, optional mit einer Anregungslichtquelle, die auf denselben Flüssigkeitsabschnitt 9 bzw. dasselbe Innenvolumen gerichtet ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der zumindest eine Detektor 1 lb auf einen Bereich unmittelbar angrenzend an die Auslassöffnung 4a der Düse 4 gerichtet sein, in dem ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom 5 austritt, oder der Detektor 11c kann auf einen Bereich stromabwärts der Auslassöffnung 4a der Düse 4 gerichtet sein, in dem ein freier Tropfenstrom 6 ausgebildet ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der zumindest eine Detektor 1 ld auf den Träger 2 bzw. auf die Näpfe 3 gerichtet sein, von der Oberseite 2a und/oder von der Unterseite 2b des Trägers 2. Generell kann jeder Detektor eine Quelle für Beleuchtung und/oder Anregungsstrahlung bzw. Anregungslicht aufweisen, die auf den zu detektierenden Bereich gerichtet ist. Generell sind in der Figur für die Detektoren 11a, 11b, 11c, 1 ld, 1 la2 eingestrahlte Anregungsstrahlung und detektierbare Strahlung, die vom Detektor aufgenommen und zu einem Signal verarbeitet werden kann, als entgegengesetzt gerichtete parallele Pfeile dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt einen Korrekturantrieb 19, einmal zwischen der Transporteinrichtung 13a und der davon zur Bewegung angetriebenen Halteeinrichtung 1 angebracht, und als Alternative einmal zwischen der Transporteinrichtung 13b und dem davon zur Bewegung angetriebenen Tropfenerzeuger 4 angebracht. Der Korrekturantrieb 19 ist abhängig vom Positionsdetektor 10 gesteuert.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die zusätzlich einen zweiten Tropfenerzeuger 8a und einen dritten Tropfenerzeuger 8b aufweist, die gemeinsam mit dem Tropfenerzeuger 4 mittels der Transporteinrichtung 13b entlang der Halteeinrichtung 1 bewegt werden, oder die gemeinsam mit dem Tropfenerzeuger 4 ortsfest angebracht sind, während die Halteeinrichtung 1 mittels der Transporteinrichtung 13a bewegt wird.
Beispiel: Absetzen von Zellen. Zellclustern oder synthetischen Partikeln die in Medium suspendiert sind in Näpfe eines Trägers
Stellvertretend für eine in einer Flüssigkeit enthaltene Substanz wurden als Partikel in Kulturmedium suspendierte kultivierte tierische Einzelzellen mittels einer Düse als Tropfenerzeuger 4 auf einen Träger 2 getropft. Die suspendierten Zellen wurden aus einem Vorratsbehälter mit einer Fließrate durch eine Düse gefördert, die Tropfen mit einem Volumen von jeweils ca. 100 bis 50 pL bei einer Rate von ca. 50 Hz erzeugte, während unterhalb der Düse mittels eines gesteuerten XY-Tischs, der die Transporteinrichtung 13a und die Halteeinrichtung 1 bildete, eine Glasplatte mit Näpfen 3 als Träger 2 entlang bewegt wurde. Der XY-Tisch war in einem Abstand von der Düsenöffnung angeordnet, in dem die Glasplatte ca. 50 bis 150 gm von der Düsenöffnung beabstandet war. Die Näpfe wiesen ein Innenvolumen von ca. 200 pL auf und waren rasterförmig angeordnet. Der XY-Tisch war gesteuert, dass jeweils ein Napf beim Absetzen eines einzelnen Tropfens aus der Düse unterhalb der Düse angeordnet war. Die Näpfe der Glasplatte wurden mit einer Kamera als Positionsdetektor bestimmt, dessen Signal zur Steuerung des XY-Tischs zur Positionierung der Näpfe verwendet wurde. Bei einer Konzentration von jeweils einer Zelle in nur 20% der abgesetzten Tropfen bei einer Tropfenerzeugungsrate von 50 Hz ergab sich eine Leistung von 10 Hz einzeln abgesetzter Zellen, umgerechnet 2500 Näpfe mit Tropfen, davon 500 Näpfe mit vereinzelten Zellen, innerhalb von 50 s.
Mit Absetzen von zumindest zwei Tropfen bei dieser Zellkonzentration und größeren Näpfen oder bei einer höheren Zellkonzentration kann der Anteil vereinzelt in Näpfen abgesetzter Zellen erhöht werden, bzw. der Anteil von Näpfen ohne Zelle verringert werden.
Als Beispiel für Zellen wurden kultivierte und in Medium suspendierte pflanzliche oder tierische Zellen verwendet oder Blutzellen, z.B. aus Vollblut isolierte kernhaltige Zellen. Als Alternative wurden zusammengeballte kultivierte tierische Zellen, sogenannte Zellcluster, verwendet. Als Beispiel für Bakterien wurden kultivierte E. coli eingesetzt. Als Beispiel für synthetische Partikel wurden kugelförmige Glas- oder Kunststoffpartikel einer mittleren Größe von 15 pm verwendet. Die Einrichtung der Vorrichtung bzw. eingestellte Verfahrensparameter sind nachfolgend zusammengefasst:
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Die Tropfenrate und das Tropfenvolumen wurden durch die Frequenz eines Piezokri Stalls erzeugt, der an der Düse angebracht war, und mittels der Fließrate und des Drucks der Flüssigkeit in der als Tropfenerzeuger eingesetzten Düse.
Die Näpfe hatten einen im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt und waren in Rasteranordnung in einem plattenförmigen Träger aus Glas mit einer Größe von ca. 127 mm x 85 mm, Dicke ca. 0,5 mm ausgebildet.
Der Anteil der Näpfe mit einer Zelle nach Poisson-Verteilung gibt den statistischen Anteil der Näpfe mit einer Zelle von der Gesamtzahl der Näpfe an. Die Werte nach Poisson-Verteilung wie in der Tabelle angegeben sind theoretisch berechnete Werte und berücksichtigen Effekte realer Experimente, z.B. Sedimentation von Partikeln vor dem Absetzen von Tropfen nicht.
Die Transporteinrichtung war jeweils durch den angegebenen Positionsdetektor gesteuert und bewegte für die Beispielpartikel 1, 2 und 3 den Träger durch Verfahren eines XY-Tischs, der die Transporteinrichtung bildete, während die als Tropfenerzeuger eingesetzte Glaskapillare ortsfest oberhalb des XY-Tischs bzw. des Trägers fixiert war. Bei Beispielpartikel 4 wurde als Düse ein in einer Ebene gesteuert verfahrbarer Druckkopf für Flüssigkeiten (SiJet) eingesetzt, während der Träger ortsfest unterhalb fixiert war.
Der Detektor mit Speicher war eingerichtet, die im Flüssigkeitsbereich detektierten Signale aufzunehmen, der jeweils aufgenommen Position der Transporteinrichtung bzw. des Trägers zuzuordnen und diese Zuordnung zu speichern. Diese Zuordnung erlaubte ein anschließendes einfaches Auffinden von Näpfen, die die gewünschte Anzahl, z.B. genau ein Partikel enthielten. Alternativ wurde der Detektor nicht auf den freien Tropfenstrom oder auf einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom im Tropfenerzeuger gerichtet, sondern nach Absetzen der Tropfen wurde der Detektor auf den Träger gerichtet, um die in die Näpfe abgesetzten Tropfen zu detektieren. Bezugszeichen:
1 Halteeinrichtung
2 Träger
3 Napf
3 a Oberseite 3b Unterseite
4 Tropfenerzeuger
4o optisch durchlässiger Wandabschnitt
5 Flüssigkeit
6 freier Tropfenstrom, Tropfen
7 Schwingungserzeuger
8a zweiter Tropfenerzeuger 8b dritter Tropfenerzeuger
9 Flüssigkeitsabschnitt
10 Positionsdetektor
11a, 11b, 11c, lld, lla2 Detektor 12 Speicher
13a, 13b Transporteinrichtung
14 Steuereinrichtung
15 Sensor
16 Kodierung, Referenzpunkt
17 Speicher
18 Lichtquelle
19 Korrekturantrieb

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Absetzen von Flüssigkeitstropfen auf einen Träger (2), die einen Tropfenerzeuger (4), der zur Erzeugung von Tropfen aus einer Flüssigkeit eingerichtet ist, eine Halteeinrichtung (1), die zur Aufnahme eines Trägers (2) eingerichtet ist, zumindest einen Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2), der zur Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem der Tropfenerzeuger (4) einen Tropfen bildet, und/oder zur Detektion eines Signals für jeden erzeugten Tropfen eingerichtet ist, wobei der zumindest eine Detektor (11a, 1 lb, 1 lc, 1 ld, 1 la2) mit einem Speicher (12) verbunden ist, der eingerichtet ist, von dem zumindest einen Detektor (11a, 1 lb, 11c,
1 ld, 1 la2) aufgenommene Signale den Bereichen, auf die der Tropfenerzeuger (4) gerichtet ist, zuzuordnen und zu speichern,
- wobei der Tropfenerzeuger (4) eingerichtet ist, Tropfen unabhängig von Signalen des Detektors (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) zu erzeugen, und eine Transporteinrichtung (13a, 13b), die zur Bewegung der Halteeinrichtung (1) oder des Tropfenerzeugers (4) eingerichtet ist, aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (14) mit einem auf die Halteeinrichtung (1) gerichteten Positionsdetektor (10), der eingerichtet ist, die Relativposition von Näpfen (3) eines an der Halteeinrichtung (1) angeordneten Trägers (2) zum Tropfenerzeuger (4) zu detektieren und die Transporteinrichtung (13a, 13b) zur Relativbewegung von Halteeinrichtung (1) und Tropfenerzeuger (4) zu steuern, um die Näpfe (3) passend zum Tropfenerzeuger (4) zu positionieren.
3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 ld) ausschließlich eingerichtet ist, ein Signal für auf einem Träger (3) abgesetzte Tropfen zu detektieren und die Signale den Bereichen, auf die der Detektor (1 ld) gerichtet ist, zuzuordnen.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Positionsdetektor (10) aufweist, der eingerichtet ist, die Relativposition der Halteeinrichtung (1) zum Tropfenerzeuger (4) zu detektieren und dass sie einen Korrekturantrieb (19) aufweist, der vom Positionsdetektor (10) abhängig gesteuert und eingerichtet ist, die Halteeinrichtung (1) oder den Tropfenerzeuger (4) zu bewegen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturantrieb (19) eingerichtet ist, eine Bewegung orthogonal zur Bewegung der Transporteinrichtung (13a, 13b) auszuführen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturantrieb (19) eingerichtet ist, nur eines von Halteeinrichtung (1) und Tropfenerzeuger (4) zu bewegen und die Transporteinrichtung (13a, 13b) eingerichtet ist, nur das andere von Halteeinrichtung (1) und Tropfenerzeuger (4) zu bewegen.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Positionsdetektor (10), der eingerichtet ist, Näpfe (3) oder eine Kodierung (16) und/oder einen Referenzpunkt für die Anordnung von Näpfen (3) eines auf der Halteeinrichtung (1) angeordneten Trägers (3) zu detektieren.
8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) einen auf die Transporteinrichtung (1) gerichteten Positionsdetektor (10) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, die Relativbewegung der Transporteinrichtung (1) relativ zum Tropfenerzeuger (4) zu steuern, um nacheinander Bereiche, in denen Näpfe (3) eines auf der Transporteinrichtung (1) anzuordnenden Trägers (2) angeordnet sind, passend zum Tropfenerzeuger (4) zu positionieren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) eingerichtet ist, für die Relativbewegung der Transporteinrichtung (1) relativ zum Tropfenerzeuger (4) die Transporteinrichtung (1) zu bewegen.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (10) eingerichtet ist, die Position der Halteeinrichtung (1) oder eines auf der Halteeinrichtung (1) angeordneten Trägers (2), relativ zum Tropfenerzeuger (4) während der Dauer der Bewegung der Transporteinrichtung (13a, 13b) kontinuierlich, in einem Intervall oder zu zumindest zwei zeitlich beabstandeten Intervallen, oder nur zu Beginn des Betriebs des Tropfenerzeugers (4) und/oder nur zu Beginn der Bewegung und/oder zum Ende der Bewegung der Transporteinrichtung (13a, 13b) aufzunehmen.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche, auf die der Tropfenerzeuger (4) gerichtet ist, die Oberflächenbereiche, insbesondere Näpfe (3), eines auf der Transporteinrichtung (1) anzuordnenden Trägers (2) sind, auf die der Tropfenerzeuger (4) ausgerichtet ist, um darauf die aus Flüssigkeitsabschnitten erzeugten Tropfen abzusetzen.
12. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (12) eingerichtet ist, vom Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) aufgenommene Signale Oberflächenbereichen eines auf der Halteeinrichtung (1) angeordneten Trägers (2) zuzuordnen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbereiche Näpfe (3) sind.
14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (13a, 13b) zur Relativbewegung zwischen Tropfenerzeuger (4) und Halteeinrichtung (1) gesteuert ist, während ein auf der Halteeinrichtung (1) angeordneter Träger (2) in einem Abstand vom Tropfenerzeuger (4) angeordnet ist, der gleich dem oder kleiner als der Durchmesser aus dem Tropfenerzeuger (4) austretender Flüssigkeit ist.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (11a, 1 lb, 1 lc, 1 ld, 1 la2) eingerichtet ist, eine in tropfenförmiger oder kontinuierlicher Flüssigkeit enthaltene Substanz, die ein Partikel aufweist oder ein Partikel ist, zu detektieren und dafür ein Signal zu erzeugen.
16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, dem Signale relativ zur Transporteinrichtung (1) zuzuordnen sind, in dem ein aus einem Flüssigkeitsabschnitt erzeugter Tropfen auf dem Träger (2) angeordnet wird, in einem Träger (2) ausgebildete Näpfe (3) sind.
17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor (15), der zur Eingabe von Daten für die Anordnung von Näpfen (3) eines auf der Halteeinrichtung (1) anzuordnenden Trägers (2), zur Erfassung der Anordnung der Näpfe (3) eines auf der Halteeinrichtung (1) anzuordnenden Trägers (2) oder zur Erfassung einer Kodierung (16) eines auf der Halteeinrichtung (1) anzuordnenden Trägers (2) eingerichtet ist, wobei der Sensor (15) mit einem Speicher (17) verbunden ist, der eine Zuordnung der Kodierung (16) zu einer Anordnung von Näpfen (3) enthält, wobei die Transporteinrichtung (13a, 13b) abhängig von den eingegebenen Daten gesteuert ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) ein Mikroskop ist.
19. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger (4) zumindest einen gesteuerten Piezokristall (7) zur Erzeugung von Tropfen aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (13a, 13b) allein abhängig von der Rate der Tropfenerzeugung gesteuert ist, um jeweils genau 1 Napf eines auf der Halteeinrichtung (1) angeordneten Trägers (2) für jeden einzelnen Tropfen oder für jeweils zumindest 2 Tropfen passend zum Tropfenerzeuger (4) zu positionieren.
21. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (1) und der Tropfenerzeuger (4) vom Signal des zumindest einen Detektors (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) unabhängig sind.
22. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) auf einen der Bereiche gerichtet ist, in dem ein Flüssigkeitsabschnitt einer kontinuierlichen Flüssigkeitsphase innerhalb des Tropfenerzeugers (4) oder angrenzend an die Auslassöffnung (4a) des Tropfenerzeugers (4) vorliegt, oder der in einem Abstand vom Tropfenerzeuger (4) angeordnet ist, in dem aus einer Flüssigkeit Tropfen gebildet sind, und/oder der ein Bereich ist, in dem auf einem an der Halteeinrichtung (1) angeordneten Träger (2) Tropfen angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten Tropfenerzeuger (8a), der zum Absetzen von Tropfen einer zweiten Flüssigkeit in dieselben Bereiche, auf die der Tropfenerzeuger (4) gerichtet ist, eingerichtet ist, und/oder gekennzeichnet durch weitere Tropfenerzeuger (8b), die zum Absetzen von Tropfen weiterer Flüssigkeiten in dieselben Bereiche, auf die der Tropfenerzeuger (4) gerichtet ist, eingerichtet sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger (4), der zweite Tropfenerzeuger (8a) und/oder die weiteren Tropfenerzeuger (8b) ortsfest fixiert sind und die Transporteinrichtung (1) eingerichtet ist, einen daran angeordneten Träger (2) zu bewegen.
25. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger (4) zur kontinuierlichen Erzeugung von Tropfen eingerichtet ist und die Transporteinrichtung (1) abhängig vom Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) gesteuert ist, an jedem Bereich, an dem ein an der Transporteinrichtung (1) angeordneter Träger (2) einen Napf (3) aufweist, so lange Tropfen abzusetzen, bis vom Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) zumindest ein Signal für die Anwesenheit eines Partikels detektiert ist und die Transporteinrichtung (13a, 13b) eingerichtet ist, den Tropfenerzeuger (4) unmittelbar nacheinander auf jeweils unmittelbar benachbarte Näpfe (3) eines Trägers (2) auszurichten.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Speicher aufweist, der eingerichtet ist, eine Zuordnung von Signalen, die vom Detektor (11a, 11b, 11c, 1 ld, 1 la2) detektiert wurden, zu Näpfen (3) zu speichern.
27. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Detektor (11a, 1 lb, 11c, 1 ld, 1 la2) zur Detektion eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt aufweist, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine vorbestimmte Anzahl von Tropfen an jedem Bereich der Transporteinrichtung (1) abzusetzen, an dem ein daran angeordneter Träger (2) einen Napf (3) aufweist.
28. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (13a, 13b) zur Relativbewegung zwischen Tropfenerzeuger (4) und Halteeinrichtung (1) mit konstanter Geschwindigkeit eingerichtet ist.
29. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tropfenerzeuger (4) eingerichtet ist, bei passender Positionierung zu Näpfen (3) in diese eine vorbestimmte Anzahl von Tropfen mit höherer Rate abzusetzen, als bei Positionierung neben einem Napf (3).
30. Verfahren zum Absetzen von Tropfen auf einem Träger, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit den Schritten mittels eines Tropfenerzeugers (4), Erzeugen von Tropfen aus einer Flüssigkeit (5), die zumindest eine Substanz enthält, und Absetzen von Tropfen auf einem Träger (2),
- Detektieren eines Signals für jeden Flüssigkeitsabschnitt, aus dem ein Tropfen gebildet wird und/oder eines Signals für jeden Tropfen mittels zumindest eines Detektors (11a, 11b, 11c, lld, lla2),
- Zuordnen der Signale zu Bereichen des Trägers (2), auf denen Tropfen abgesetzt sind und Speichern der Signale mit Zuordnung zu den Bereichen des Trägers (2) in einem Speicher (12),
- Bewegen des Trägers (2) mittels einer Transporteinrichtung (1) in einem Abstand zum Tropfenerzeuger (4) relativ zum Tropfenerzeuger (4), mittels eines Positionsdetektors (10) Detektieren der Relativposition der Transporteinrichtung (1) zum Tropfenerzeuger (4) und mittels einer Positioniereinrichtung (13) gesteuertes Positionieren des Trägers (2) mittels der Transporteinrichtung (1), um nacheinander Näpfe (3) des Trägers (2) passend zum Tropfenerzeuger (4) zu positionieren, auf.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz in der Flüssigkeit suspendierte Partikel, insbesondere Zellen sind.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Absetzen einzelner Tropfen in jeweils einzelne Näpfe (3) eines Trägers (4) erfolgt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuordnen der Signale zu Bereichen des Trägers (2), auf denen Tropfen abgesetzt sind, ein Zuordnen der Signale zu den Näpfen (3) eines Trägers (2) ist, in die einzelne Tropfen abgesetzt wurden und die Zuordnung der Signale zu den Näpfen (3) eines Trägers (2) in dem Speicher (12) gespeichert wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren des Trägers das Positionieren jeweils eines separaten Napfs (3) für jeden einzelnen Tropfen passend zum Tropfenerzeuger (4) ist.
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