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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Microarray-Spotting-Instrumente.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf verbesserte Spotting-Instrumente
mit integrierten Sensoren und Verfahren zur Nutzung dieser Sensoren
für die
Verbesserung der Leistung der Spotting-Instrumente.
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Wie
gut bekannt ist (und z.B. im US-Patent Nr. 5,807,522 an Brown et
al. und in "DNA
Microarrays: A Practical Approach", Schena, Mark, New York, Oxford University
Press, 1999, ISBN 0-19-963776-8, beschrieben wurde), sind Microarrays
Anordnungen sehr kleiner Proben gereinigter DNA oder eines Protein-Zielmaterials,
die als Raster von Hunderten oder Tausenden kleiner Spots auf einem
Feststoff-substrat angeordnet werden. Wenn das Microarray einem
ausgewählten
Sondenmaterial ausgesetzt wird, bindet sich das Sondenmaterial selektiv
nur dort an die Ziel-Spots, wo komplementäre Bindungsstellen vorkommen;
dieser Vorgang wird als Hybridisierung bezeichnet. Anschließendes quantitatives
Scannen mit Hilfe eines Microarray-Fluoreszenz-Scanners (d.h. einem Scan-Instrument)
kann genutzt werden, um eine Pixelkarte von Fluoreszenzintensitäten zu erhalten
(siehe z.B. US Patent Nr. 5,895,915 an De Weerd et al.). Diese Karte
von Fluoreszenzintensitäten
kann dann mittels zweckspezifischer Quantifizierungsalgorithmen
analysiert werden, die die relativen Konzentrationen der fluoreszierenden
Sonden und folglich den Grad der in den Zellen, aus denen die Sondenproben
extrahiert wurden, vorhandenen Genexpression, Proteinkonzentration usw.
aufzeigen.
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Das
Microarray-Substrat besteht im Allgemeinen aus Glas, das für die molekulare
Anheftung der Spotproben des Microarray-Zielmaterials chemisch behandelt
wurde. Das Microarray-Substrat ist auch allgemein von der gleichen
Größe und Form
wie ein üblicher
Mikroskopobjektträger:
ca. 25 mm × 75 mm × 1 mm dick.
Der Array-Bereich kann sich bis innerhalb von etwa 1,5 mm Abstand
zu den Rändern des
Substrats erstrecken oder auch kleiner sein. Die Spots des Zielmaterials
(typischerweise DNA) sind annähernd
rund. Der Durchmesser der Spots wird allgemein durch das verwendete
Verteilungs- oder Spottingverfahren bestimmt und variiert typischerweise
von etwa 75 Mikrometern bis zu etwa 500 Mikrometern und kann auch
nur etwa 20 Mikrometer betragen. Der allgemeine Trend geht hin zu
kleineren Spots, die kompaktere Arrays ergeben. Der Mittenabstand
zwischen den einzelnen Spots fällt
normalerweise in den Bereich von 1,5 bis 2,5 Spotdurchmessern.
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1A zeigt
eine nicht maßstäblich dargestellte
Draufsicht eines Microarrays 100 nach dem Stand der Technik.
In 1A stellt jeder der Kreise einen winzigen Spot
des Zielmaterials dar, das auf ein rechteckiges Glassubstrat 101 aufgebracht
worden ist, und die Spots werden im Vergleich zum Substrat 101 vergrößert gezeigt.
Unter der Annahme typischer Abmessungen von 100 μm Spotdurchmesser und 200 μm Mittenabstand
zwischen den Spots bedeckt das dargestellte 6 × 6 Spot-Array eine quadratische
Fläche
von nur 1100 μm × 1100 μm der durch das
Substrat 101 vorgegebenen Fläche von 25 mm × 75 mm.
Tausende von Spots werden normalerweise in einem typischen Microarray
aufgebracht, und die Spots können
nahezu das gesamte Substrat bedecken. Der mit den Spots des Zielmaterials
bedeckte Teil des Microarrays kann als die "aktive Fläche" des Microarrays bezeichnet werden.
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Es
gibt mehrere bekannte Verfahren zum Aufbringen der Spots auf das
Substrat eines Microarrays, und die Instrumente zum Aufbringen der
Spots werden typischerweise als "Spotting-Instrumente" bezeichnet. Ein
gängiges
Verfahren ist die Verwendung einer oder mehrerer „Nadeln" zur Übertragung des
Zielmaterials vom Vorratsbehälter
auf das Microarray-Substrat. 1B zeigt
ein Beispiel einer solchen Nadel 102 nach dem Stand der
Technik, der einen Nadelkopf 104 und einen Schaft 106 beinhaltet. Sowohl
Nadelkopf 104 als auch Nadelschaft 106 sind im
allgemeinen zylindrisch, und Nadelkopf 104 und Schaft 106 sind
allgemein koaxial angeordnet. Der Durchmesser des Nadelkopfes 104 ist
größer als
der Durchmesser des Schafts 106, wobei der Schaft im Wesentlichen
länger
als die Nadel ist. Ein Ende 107 des Schafts 106 ist
zugespitzt oder geschärft,
und das andere Ende des Schaftes ist am Nadelkopf 104 befestigt
oder angeklebt. Beispiele für
Nadeln dieser Art sind z.B. in den US Patenten 5,770,151 (Roach
et al.) und 5,807,522 (Brown et al.) beschrieben.
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Beim
Gebrauch werden die spitzen Enden 107 der Nadeln in ein
Vorratsbehälter
für flüssiges Zielmaterial
getaucht, so dass etwas von dem Material von den Nadeln "aufgenommen" wird oder an den ihnen
haften bleibt. Die spitzen Enden der Nadeln werden dann mit dem
Substrat in Kontakt gebracht, um winzige Mengen des Materials auf
die ausgewählten
Stellen des Substrats aufzubringen. Die Nadeln werden normalerweise
von einem mechanischen Apparat oder einem Roboter bewegt, so dass sich
die Spots genau auf die gewünschten
Stellen auf dem Substrat aufbringen lassen.
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Einige
Arten von Nadeln können
gerade nur so viel Zielmaterial aufnehmen, um einen einzelnen Spot
auf dem Microarray aufzubringen, bevor sie erneut in das Vorratsbehälter getaucht
werden müssen,
während
andere genug Zielmaterial aus dem Vorratsbehälter aufnehmen können, um
mehrere oder sogar Hunderte von Spots aufbringen zu können, bevor
sie erneut ins Vorratsbehälter
getaucht werden müssen.
In jedem Fall müssen
die Nadeln in sehr engen Toleranzen hergestellt werden, um sicherzustellen,
dass alle von der Nadel aufgebrachten Spots eine bestimmte Größe haben.
Als Folge dieser hohen Anforderungen sind die Nadeln ziemlich teuer (z.
B. kostet eine einzelne Nadel typischerweise mehrere hundert Dollar).
Auch sind die spitzen Enden der Nadel so klein und präzise geformt
(z.B. misst eine viereckige Spitze 50 Mikrometer auf einer Seite), dass
die Nadeln sehr zerbrechlich sind. Um Schaden zu verhindern, sollten
die spitzen Enden der Nadeln nur sehr geringen Kräften ausgesetzt
werden, wenn sie in Kontakt mit dem Substrat oder einem anderen festen
Gegenstand kommen.
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Spotting-Instrumente
bilden typischerweise Microarrays in Serien. Zum Beispiel kann ein
Spotting-Instrument in einem einzelnen "Lauf' bis
zu einhundert identische Microarrays bilden. Nach Bildung von genügend Spots
eines bestimmten Zielmaterials zur Fertigstellung einer Serie von
Spot-Microarrays müssen
die Nadeln im Allgemeinen gereinigt (zur Entfernung überschüssigen flüssigen Zielmaterials) und
anschließend
getrocknet werden, bevor sie erneut in ein mit Zielmaterial gefülltes Vorratsbehälter getaucht
werden können.
Somit beinhaltet der Prozess der Bildung von Microarrays mit einem
Spotting-Instrument vom „Nadel-Typ" folgende Schritte: (1)
Positionieren einer Nadel über
einem Vorratsbehälter
mit Zielmaterial, (2) Eintauchen des spitzen Endes der Nadel in
das Vorratsbehälter,
(3) Herausziehen des spitzen Endes der Nadel aus dem Vorratsbehälter, (4)
Bewegen der Nadel über
eine ausgewählte
Stelle innerhalb der aktiven Fläche
des Microarrays, (5) Absenken der Nadel, um das spitze Ende der
Nadel in Kontakt mit dem Microarray-Substrat zu bringen und einen
einzelnen Spot von kontrollierter Größe an der ausgewählten Stelle
zu bilden, (6) Anheben der Nadel, um das spitze Ende der Nadel vom
Substrat zu trennen, (7) Wiederholen der Schritte (4), (5) und (6),
bis der Vorrat der Nadel an Zielmaterial erschöpft ist oder bis die gewünschte Anzahl
von Spots der Serie des Microarrays erreicht worden ist, (8) Reinigen
der Nadel entweder in einem Reinigungslösungs-Strom oder durch Eintauchen
der Nadel in ein Vorratsbehälter
mit Reinigungslösung und
(9) Trocknen der Nadel. Das Spotting- Instrument wiederholt alle diese Schritte
vielmals, um ein einzelnes Microarray zu bilden. Da Microarrays
typischerweise Tausende von Spots beinhalten, wäre es extrem zeitaufwendig,
nur eine einzelne Nadel zu verwenden, um das Microarray zu bilden.
Deshalb sind Spotting-Instrumente oft in der Lage, gleichzeitig mehrere
Nadeln zu bewegen. 1C, 1D und 1E zeigen
Ansichten eines Druckkopfs 110, der gleichzeitig sechzehn
Nadeln 102 halten kann, von der Seite, von oben bzw. aus
der Perspektive. Druckkopf 110 ist ein fester Materialblock,
typischerweise aus Metall, der einer Anordnung von sechzehn Öffnungen 112 bildet.
Die Öffnungen 112 sind
geringfügig
größer als
der Außendurchmesser
der Schäfte 106,
so dass sich die Schäfte
durch die Öffnungen 112 stecken
lassen. Die Öffnungen 112 sind
auch kleiner als der Außendurchmesser
des Nadelkopfes 104, so dass, wenn der Schaft einer Nadel
in eine der Öffnungen 112 eingesenkt
wird, der Nadelkopf 104 von der Oberfläche des Druckkopfs 110 gehalten wird.
Die Nadeln sind somit "gleitend" in die Öffnungen
des Druckkopfes eingepasst. 1F und 1G zeigen
Seitenansicht bzw. Draufsicht von sechzehn in Druckkopf 110 montierten
Nadeln.
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1H zeigt,
wie der Druckkopf 110 abgesenkt wird, um die spitzen Enden
der Nadeln 102 in Kontakt mit dem Substrat 101 zu
bringen und dadurch gleichzeitig sechzehn Spots des Zielmaterials auf
dem Substrat zu bilden. Wie dargestellt ist, wird der Druckkopf
allgemein ungefähr
1 mm weiter gesenkt als notwendig wäre, um die spitzen Enden der Nadel
in Kontakt mit dem Substrat zu bringen. Durch die Gleitpassung ist
es möglich,
die Oberfläche
des Druckkopfes bis unterhalb der Nadelkopfunterteils zu senken,
ohne dabei signifikante Kräfte
auf die spitzen Enden der Nadeln auszuüben. Der Druckkopf wird vorzugsweise
langsam genug gesenkt, so dass die auf die spitzen Enden der Nadeln
ausgeübte
Kraft (1) prinzipiell durch das Gewicht der Nadel zuzüglich einer
geringen zusätzlichen
Kraft infolge der Reibung der Gleitpassung bestimmt wird und (2)
nicht wesentlich durch Trägheitskräfte beeinflusst
wird.
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Handelsübliche Druckköpfe besitzen
zwischen 4 und 72 Öffnungen
und können
mithin zwischen 4 und 72 Nadeln aufnehmen. Handelsübliche Vorratsbehälter bieten
eine Vielzahl von Kammern oder einzelnen Vorratsbehältern und
ermöglichen
damit, dass jede in einem Druckkopf montierte Nadel in eine separate
Kammer getaucht werden kann. Zwei häufig zur Herstellung von Microarrays
verwendete Vorratsbehälter
sind die "96-Kammer-Platte" und die "384-Kammer-Platte". Jede dieser Platten
bietet eine rechteckige Kammernanordnung, wobei jede Kammer eine
einzigartige Probe flüssigen
Zielmaterials enthalten kann. 1I zeigt
die Draufsicht einer 96-Kammerplatte.
Bei den 96-Kammerplatten liegen die Mittelpunkte der einzelnen Kammern
um 9,0 mm, bei den 384-Kammerplatten um 4,5 mm auseinander. Der
Mittenabstand von benachbarten Öffnungen
beträgt
bei handelsüblichen
Druckköpfen
entsprechend entweder 9,0 oder 4,5 mm.
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Jets
oder Düsen, ähnlich den
in Tintenstrahldruckern zum Aufbringen von Tinte auf Papier verwendeten,
sind eine andere, oft verwendete Möglichkeit, Spots auf Microarrays
zu bilden. Anstelle von Nadeln verwenden Düsen-Spotting-Instrumente eine Düse oder
mehrere Düsen,
um die Spots auf dem Microarray-Substrat zu bilden. Jede Düse enthält allgemein
ein Hohlrohr oder eine Hohlnadel, wobei ein Ende des Rohrs als Düse ausgebildet
ist. Die Düsen werden
zunächst über einem
Vorratsbehälter
positioniert, und Unterdruck wird angelegt, um einige Mikroliter
Zielmaterials in jedes der Hohlrohre einzusaugen oder aufzunehmen.
Die Düsen
werden dann über
einem Microarray-Substrat positioniert, und ein auf die Rohre angelegter
Druckimpuls bewirkt, dass aus jedem Rohr eine geringe Menge an Zielmaterial
auf das Substrat aufgebracht und dabei eine Gruppe von Spots gebildet
wird. Düsen-Spotting-Instrumente sind
den Nadel-Spotting-Instrumenten ähnlich.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass in Düsen-Spotting-Instrumenten der
Druckkopf eine Anordnung von Düsen
statt einer Anordnung von Nadeln trägt. Die Arbeitsweise ist bei
beiden Instrumenten großenteils ähnlich.
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Generell
beinhalten Spotting-Instrumente Mechanismen zum Halten oder Führen von
einer oder mehrerer Kammernplatten (z. B. entweder 96-Kammerplatte
oder 384-Kammerplatte), einen Druckkopf (z. B. entweder Nadel- oder
Düsen-Druckkopf),
einen Robotermanipulator zum Steuern der Bewegung des Druckkopfs,
Mechanismen zum Halten einer Vielzahl von Substraten, eines Nadel-
oder Düsenreinigers
und einen Trockner. Die Nutzung eines Spotting-Instruments zum Aufbringen
von Spots auf ein Microarray-Substrat kann als "Drucken" bezeichnet werden.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm, das ein Spotting-Instrument 200 nach
dem Stand der Technik veramschaulicht. Das Instrument 200 beinhaltet
einen Prozessor 210, einen Positionierer 212,
einen Druckkopf 214, einen Substrathalterteil 216 und
einen Kammerplattenhalterteil 218. Obwohl nicht dargestellt,
wird erkannt werden, dass das Instrument 200 zusätzlich Teile,
wie einen Nadelreiniger und -trockner (oder einen Düsenreiniger
und -trockner) beinhalten kann. Der Druckkopf 214 kann
eine Ausführung
mit Nadeln (d.h. ein Druckkopf, der eine Nadel oder mehrere Nadeln
hält) oder
eine Ausführung mit
Düsen (d.h.
ein Druckkopf, der eine Düse
oder mehrere Düsen
hält) sein.
Der Substrathalterteil 216 beinhaltet allgemein Auflageflächen oder
Halterungen für
mehrere (z. B. einhundert) Microarray-Substrate und kann weiters
eine Substrat-Handhabungsvorrichtung
zum automatischen Laden und Entnehmen der Substrate beinhalten.
In ähnlicher
Weise beinhaltet der Kammerplattenhalterteil 218 allgemein Auflageflächen oder
Halterungen für
mehrere Zielmaterialvorratsbehälter
(z.B. 96-Kammerplatten oder 384-Kammerplatten)
und kann weiterhin ein Handhabungssystem für das automatische Be- und
Entladen der Vorratsbehälter
beinhalten.
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Im
Betrieb steuert der Prozessor 210 den Positionierer 212 (der
typischerweise als Robotermanipulator ausgeführt wird), um den Druckkopf 214 über einem
der Vorratsbehälter
des Kammerplattenhalters 218 zu positionieren, so dass
der Druckkopf 214 Proben des ausgewählten Zielmaterials aufnehmen kann.
Der Prozessor steuert dann den Positionierer 212 und den
Druckkopf 214 so, dass Spots des Zielmaterials auf ein
Substrat oder mehrere der Substrate des Substrathalterteils 216 gedruckt
werden. Nach dem vollständigen
gewünschten
Aufdrucken des Zielmaterials kann der Druckkopf gereinigt und dann über einem
anderen Vorratsbehälter
des Kammerplattenhalters 218 positioniert werden, um Proben
eines anderen Zielmaterials aufzunehmen. Während des Druckens einer Microarray-Serie
kann es notwendig sein, einige der Vorratsbehälter des Kammerplattenhalterteils 218 durch
Vorratsbehälter
mit anderen Zielmaterialproben zu ersetzen.
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Damit
ein Versuch mit einem Microarray nützlich ist, ist es wichtig,
die Art des zum Drucken jedes einzelnen Spots auf dem Microarray
verwendeten Zielmaterials zu kennen. Dies kann aus mehreren Gründen extrem
schwierig sein. Beispielsweise gibt es typischerweise Tausende von
Spots auf einem einzelnen Microarray, die alle gleich aussehen.
Dies erschwert es, die einzelnen Spots auf einem bestimmten Microarray
voneinander zu unterscheiden und erschwert auch die Unterscheidung
zwischen einem Microarray und dem anderen. Auch gibt es eine allgemein
nicht leicht erkennbare Beziehung zwischen dem Ort eines bestimmten
Zielmaterials auf einem Microarray (d. h. die Stelle von Spots,
die unter Verwendung eines bestimmten Zielmaterials gedruckt wurden)
und dem Ort dieses Zielmaterials in einem Vorratsbehälter oder
mehreren der Vorratsbehälter.
Der Grund dafür
ist z. B., dass Spots von unterschiedlichem Zielmaterial typischerweise
nebeneinander gedruckt werden und dass mehrere Platten verwendet
werden, um ein bestimmtes Microarray zu bilden.
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Mehrere
Versuche wurden nach dem Stand der Technik bereits gemacht, um die
Verwendung von Microarrays zu vereinfachen und die Erkennung der
An des für
die Bildung eines beliebigen Spots verwendeten Zielmaterials zu
erleichtern. Z. B. wurden Strichcodemarkierungen auf der Oberseite
von Microarray-Substraten angebracht. Da der aktive Bereich eines
Microarrays oft nahezu das ganze Substrat bedeckt, sind solche Markierungen
im Allgemeinen äußerst klein
(z.B. 0,9 Zoll × 0,55
Zoll), und hochauflösende
Strichcodeleser werden benötigt,
um die Markierungen zu lesen. In einigen Microarray-Scan-Instrumenten
sind jedoch solche Strichcodeleser eingebaut, wodurch die Unterscheidung eines
Microarrays von einem anderen erleichtert wird.
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Ein
anderer Versuch, die Verwendung von Microarrays zu vereinfachen,
ist die Anbringung von Strichcodemarkierungen auf den Vorratsbehälter für Zielmaterial.
Einige Spotting-Instrumente
nach dem Stand der Technik besitzen einen integrierten Strichcodeleser
für das
Lesen der Markierungen auf den Vorratsbehälter. Zum Beispiel kann bei
Instrument 200 der Kammerplattenhalterteil 218 einen
fest eingebauten Strichcodeleser für das Lesen von Markierungen
auf Kammern beinhalten, während
diese vom Handhabungssystem des Kammerplattenhalterteils bewegt
werden. Da es auf der Oberseite einer typischen Kammer oder Platte
nur begrenzt Raum zum Anbringen von Strichcodemarkierungen gibt,
hat sich eine Konvention oder ein Standard entwickelt, die Strichcodemarkierungen
an der Seite der Platten anzubringen. In Übereinstimmung mit dieser Konvention
richten Spotting-Instrumente, die einen Strichcodeleser haben, diesen
so aus, dass er "seitwärts" ausgerichtet ist
oder so, dass das vom Leser ausgesendete Licht parallel zum Boden
und im rechten Winkel zu den vertikalen Seiten der Platte gerichtet ist.
Solche fest eingebauten seitwärts
ausgerichteten Strichcodeleser sind in der Lage, Strichcodemarkierungen
zu lesen, die entsprechend der Konvention nach dem Stand der Technik
an den Plattenseiten angebracht sind.
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Noch
ein anderer Versuch, die Verwendung von Microarrays zu vereinfachen,
ist die Schaffung von Software gewesen, die es einem Nutzer ermöglicht,
allgemeine Merkmale eines gewünschten
Microarrays zu spezifizieren, und die diese allgemeinen Spezifikationen
verwendet, um zwecks Schaffung des gewünschten Microarrays Steuerungssignale
zur Steuerung eines Spotting-Instruments zu generieren. Zum Beispiel
ermöglicht
eine solche Software dem Nutzer, (1) die gewünschte Konfiguration der Spots auf
einem Microarray (z.B. die Anzahl der Spots des Microarrays, die
Lage jedes einzelnen Spots, die Art des für jeden der Spots zu verwendenden
Zielmaterials), (2) die im Druckkopf zu verwendende Anzahl an Nadeln
oder Düsen,
(3) die Anzahl und Lage der Platten, welche alle Proben des Zielmaterials
enthalten und (4) die Identität
des Zielmaterials in jeder Kammer von jeder Platte anzugeben. Die
Software verwendet dann die allgemeinen Spezifikationen, um das
Spotting-Instrument bei der Bildung eines Microarrays oder einer
Serie von Microarrays mit der gewünschten Konfiguration der Spots
zu führen.
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Trotz
dieser Versuche blieben erhebliche Probleme bei der Erzeugung und
Verwendung von Microarrays. Beispielsweise bedürfen Spotting-Instrumente nach
dem Stand der Technik im Allgemeinen der Bedienung durch einen Menschen,
um sicherzustellen, dass die notwendigen Gefäße und Platten innerhalb des
Kammerplattenhalterteils des Instruments genau positioniert, und
dass Substrate richtig auf alle Halter des Substrathalterteils aufgebracht
sind. Wenn der menschliche Bediener in dieser Hinsicht Fehler macht,
kann das Spotting-Instrument beschädigt oder der Microarray nicht
korrekt gebildet werden (z.B. könnte
zur Bildung einiger Spots auf dem Microarray falsches Zielmaterial
verwendet werden). Erfolgt die Bedienung durch einen Menschen, so
ist diese Aufgabe weiterhin dadurch verkompliziert, dass ein einzelner "Lauf' eines Spotting-Instruments zur Bildung
einer Serie von Microarrays im Allgemeinen mehrere Stunden dauert
(typisch sind z.B. zwanzig Stunden). Auch müssen während eines Laufs normalerweise
einige Platten aus dem Kammerplattenteil des Instruments entfernt
und andere hinzugefügt
werden. Falls der Mensch als Bediener versäumt, solchen Austausch zum
richtigen Zeitpunkt vorzunehmen, oder falls er Veränderungen des
Zustands des Instruments nicht wahrnimmt (z.B. ein Substrat, das
sich versehentlich aus einem Halter im Kammerplattenhalterteil gelöst hat),
so kann sich der Lauf verzögern,
das Spotting-Instrument kann beschädigt werden, oder der Lauf
kann durch falsch gebildete Microarrays unbrauchbar werden. Die
seitwärts
ausgerichteten Strichcodeleser, die nach dem Stand der Technik in
einige Spotting-Instrumente integriert worden sind, erleichtern
ein wenig die Aufgabe der Bedienung durch den Menschen. Jedoch kontrollieren
die Strichcodeleser die Platten nur dann, wenn sie sich im Handhabungssystem
des Instruments befinden; sie sind weder in der Lage zu bestimmen,
ob die Platten richtig in die Halterungen des Kammerplattenhalterteils
eingelegt sind, noch identifizieren sie, ob die einzelnen Microarray-Substrate mit
einem speziellen Spotting-Protokoll aufgebracht wurden. Solche Informationen
wären für eine Datenverfolgung
und einen automatisierten Ablauf von nachgelagerten Microarray-Prozessen,
wie Anwendung von Sonden, Hybridisierung, Scannen, Quantifizierung
etc. von Wert. Es wäre
vorteilhaft, Verfahren und Apparate zur Verfügung zu stellen, die die Notwendigkeit
einer Überwachung
der Spotting-Instrumente
durch den Menschen reduzieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
und andere Zwecke werden durch Integration eines Sensors oder mehrerer Sensoren
in das Spotting-Instrument erreicht. Die Sensoren werden vorzugsweise
mechanisch am Druckkopf angebracht und ermöglichen dem Spotting-Instrument,
die An- oder Abwesenheit von Substraten und/oder Kammern im Spotting-Instrument
festzustellen.
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Weitere
Zwecke und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann
aus der folgenden detaillierten Beschreibung ohne weiteres einleuchten,
wo mehrere Ausführungsformen
einfach durch die Illustration der besten Art und Weise der Erfindung
dargestellt und erläutert
werden. Wie festgestellt werden wird, sind für die Erfindung andere und unterschiedliche
Ausführungsformen
möglich,
und ihre verschiedenen Details können
in verschiedener Hinsicht modifiziert werden, ohne dabei von der
Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und
Beschreibungen ihrer Art nach veranschaulichend, und nicht einschränkend oder
begrenzend anzusehen, wobei der Anwendungsbereich in den Ansprüchen angezeigt
wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Für ein umfassenderes
Verständnis
der Art und der Zwecke der vorliegenden Erfindung soll auf die folgende
detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
Bezug genommen werden, in denen die gleichen Referenznummerierungen
zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile
verwendet werden. Dabei gilt:
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1A zeigt
die Draufsicht eines Microarrays nach dem Stand der Technik.
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1B zeigt
die Seitenansicht einer Nadel nach dem Stand der Technik.
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1C, 1D und 1E zeigen
die Seitenansicht, Draufsicht bzw. perspektivische Ansichten eines
Druckkopfes nach dem Stand der Technik.
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1F und 1G zeigen
die Seitenansicht bzw. Draufsicht auf 16 Nadeln, die im Druckkopf
eingebaut sind, der in 1C, 1D und 1E gezeigt
wird,
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1H zeigt
einen Druckvorgang, bei dem der in 1F gezeigte
Druckkopf ausreichend in Richtung des Substrats gesenkt wurde, um
die 16 in 1F gezeigte Nadeln in Kontakt
mit dem Substrat zu bringen und dadurch 16 Spots eines Microarrays zu
bilden,
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1I zeigt
eine Draufsicht auf eine 96-Kammerplatte nach dem Stand der Technik,
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spotting-Instruments nach dem Stand der
Technik,
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäß geschaffenen Spotting-Instruments,
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4A und 4B zeigen
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäß gebauten
Druckkopf-Sensors, der von einer reflektierenden Oberfläche in einem
Abstand innerhalb bzw. außerhalb
des Wahrnehmungsbereiches des Abstandsensors entfernt ist,
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5A zeigt
den in 4A und 4B dargestellten
Druckkopf-Sensors, der über
einem Substrathalter eines erfindungsgemäß geschaffenen Spotting-Instruments
angeordnet ist,
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5B zeigt
den in 4A und 4B dargestellten
Druckkopf-Sensors, der über
einem Plattenhalter eines erfindungsgemäß geschaffenen Spotting-Instruments
angeordnet ist,
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6 zeigt
eine Bahn, die der in 4A und 4B dargestellte
Druckkopf-Sensors über
einer 96-Kammerplatte beschreiben kann sowie eine graphische Darstellung
der Reaktion des Sensors während
er dieser Bahn entlangfährt.
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7A zeigt
eine andere Ausführungsform des
erfindungsgemäß geschaffenen
Druckkopf-Sensors, angeordnet über
der Substrathalterung eines erfindungsgemäß geschaffenen Spotting-Instruments,
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7B zeigt
den Druckkopf-Sensors 7A, der über dem Plattenhalter eines
erfindungsgemäß geschaffenen
Spotting-Instruments positioniert ist.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäß gebauten Spotting-Instruments 300. Das
Instrument 300 beinhaltet einen Prozessor 310, einem
Positionierer 312, einem Druckkopf-Sensors 314, einem Substrathalterteil 316 sowie
einem Plattenhalterteil 318.
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Der
Druckkopf-Sensors 314 beinhaltet einen Druckkopf nach dem
Stand der Technik (z.B. vom Typ mit Nadel oder Düse) 214 und einen
Sensor 330. Der Sensor 330 ist in der Lage, (1)
die An- oder Abwesenheit von Vorratsbehälter in Plattenhalterteil 318,
(2) die Art der sich innerhalb des Plattenhalters 318 befindenden
Vorratsbehälter,
(3) die An- oder Abwesenheit von Substraten im Substratshalterteil 216,
und (4) die Art des sich im Substrathalterteil 216 befindenden
Substrats zu ermitteln. Der Sensor 330 ist vorzugsweise
mechanisch an den Druckkopf 214 gekoppelt, so dass der
Positionierer 312 gleichzeitig den Sensor 330 und
den Druckkopf 214 bewegen kann.
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4A und 4B zeigen
eine Ausführungsform
des gemäß der Erfindung
gebauten Druckkopf-Sensors 314. Es versteht sich, dass
die 4A und 4B (wie
auch die anderen Zeichnungen dieser Anwendung) nicht maßstabsgerecht
sind und dass der Sensor 330 im Allgemeinen viel kleiner als
der Druckkopf 214 ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung wurde der
Sensor 330 als Reflexions-Sensor ausgeführt. Wie dargestellt, beinhaltet der
Sensor 330 ein Licht emittierendes Element 410, das
in einem festen Abstand zum lichtempfindlichen Detektor 412 angebracht
ist. Das Licht emittierende Element 410 ist so konfiguriert,
dass das gesamte von Element 410 ausgestrahlte Licht auf
eine Stelle gerichtet ist, die sich (1) in einem senkrechten Abstand
f von Sensor 330 und (2) versetzt von Element 410 befindet. 4A zeigt
den Druckkopf-Sensor 314,
der in einem Abstand f vom reflektierenden Objekt 401 angebracht
ist. Wie dargestellt, wird das von Element 410 ausgestrahlte
Licht von der Oberfläche des
Objekts 401 reflektiert, und dieses reflektierte Licht
wird von Detektor 412 empfangen. 4B zeigt den
Druckkopf-Sensor 314, der in einem Abstand f + d vom Objekt 401 entfernt
angeordnet ist.
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Wie
gezeigt, hindert die zusätzliche
Vergrößerung d
des Abstands zwischen Objekt 401 und dem Druckkopf-Sensors 314 den
Detektor 412 daran, von Element 410 ausgestrahltes
Licht zu empfangen.
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Sensor 330 kann
als ein Abstandsensor verwendet werden. Detektor 412 wird
nur von Element 410 Licht empfangen, wenn der Sensor 330 in
einem Abstand f plus oder minus einer gewissen Toleranz zu einer
reflektierenden Oberstelle angeordnet ist. Wenn der Abstand des
Sensors von einem Objekt anders ist, wird Detektor 412 kein
Licht vom Element 410 empfangen. Wenn also Detektor 412 Licht
von Element 410 empfängt,
kann daraus gefolgert werden, dass sich der Druckkopf-Sensors 314 von
einem Objekt in einem bestimmten Abstand befindet. Reflektierende
Sensoren dieses Typs sind gut bekannt und werden hin und wieder "reflektierende Foto-Interrupter" genannt.
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Der
GP2A20, der von Sharp Microelectronics Group of Carnas, WA, verkauft
wird, ist ein Beispiel für
eine handelsübliche
Version dieses Sensortyps. Andere Beispiele für solche Sensoren sind die von
Omron Electronics Inc., Schaumberg, IL vertriebene Omron EE-SBS
Serie und die von Keyence Corp. of America, Woodbridge, NJ, vertriebene
Keyence PZ-Serie. Solche Sensoren werden im Allgemeinen so konfiguriert,
dass sie die Anwesenheit von Objekten, die sich in einem Abstand
von drei bis sieben Millimetern vom Sensor befinden, nicht aber
die von Objekten wahrnehmen, die weiter entfernt sind.
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5A zeigt,
wie sich eine Ausführungsform des
Druckkopf-Sensors 314 mit reflektierendem Sensor 330 der
in 4A und 4B abgebildeten
Bauart erfindungsgemäß nutzen
lässt,
um das Vorhandensein bzw. Fehlen von Substraten im Substrathalterteil 316 zu
ermitteln. Der abgebildete Substrathalterteil 316 weist
fünf Ebenen
oder Halter 316H1, 316H2, 316H3, 316H4, 316H5,
zur Aufnahme der Substrate auf. Auf drei der fünf Halter 316H1, 316H4, 316
H5 werden Microarray-Substrate 101 aufgebracht, die
verbleibenden Halter 316H2 und 316H3 sind leer
bzw. nicht durch ein Substrat belegt. Es sollte erkannt werden,
dass Substrathalterteile, die bei erfindungsgemäß geschaffenen Spotting-Instrumenten
verwendet werden, eine größere Anzahl
an Haltern zur Aufnahme zusätzlicher
Substrate beinhalten können;
der Einfachheit halber sind allerdings in 5A nur
fünf Halter
abgebildet. Jeder der Halter im Substrathalterteil 316 begrenzt
einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Substrats und eine Kammer 510 im
Aufnahmebereich unterhalb von wo sich ein Substrat befände, wenn
ein Substrat im Halter eingebaut worden wäre. So wird beispielsweise,
wie abgebildet, die Kammer 510 im Halter 316 H1
durch das Substrat 101 bedeckt, während die Kammer 510 im
Halter 316H2, in den kein Substrat eingebracht ist, offen
bzw. unbedeckt ist. Es versteht sich, das sich die Kammer 510 auch
an anderen Stellen als den in 5A abgebildeten
anordnen ließe.
So zeigt 5A zwar die Kammer 510 in
einer Position innerhalb des Aufnahmebereichs unterhalb des Außenumfangs
des in den Halter eingebrachten Substrats, allerdings kann sich
die Kammer gleichermaßen auch
unterhalb der Mitte eines eingebrachten Substrats befinden.
-
In
Betrieb ermittelt das Instrument 300 durch Positionieren
des Sensors 330 des Druckkopf-Sensors 314 in einem
gewählten
Abstand zum Halter über
der Kammer 510, ob ein Substrat in einem der Halter montiert
ist.
-
Der
Abstand wird so gewählt,
dass der Sensor 330, wenn sich in einem bestimmten Halter
ein Substrat befindet, so weit vom Substrat entfernt ist, dass sich
dieses noch innerhalb seines Erkennungsbereichs befindet. Enthält der Halter
ein Substrat 101, wird das vom lichtemittierenden Element
des Sensors ausgesandte Lichtsignal, von dem Substrat reflektiert
und vom Detektor 412 erkannt. Ist kein Substrat vorhanden,
fällt das
von dem lichtemittierenden Element emittierte Licht in die Kammer
ein und wird nicht in Richtung des Detektors 412 reflektiert. Die
Kammer 510 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass sie
mit Sicherheit kein einfallendes Licht in Richtung des Detektors
reflektiert. Es empfiehlt sich eine Kammertiefe von ca. 7 mm und
eine Kammerbreite von ca. 19 mm. Kammern dieser Größe funktionieren zuverlässig mit
Sensoren 330, wie dem oben beschriebenen GP2A20-Sensor,
die besonders zum Erkennen von Objekten dienen, die sich in einem
Abstand von drei bis sieben Millimeter zum Sensor befinden. So kann
das Instrument 300 den Druckkopf-Sensor 314 nutzen,
um zu erkennen, ob sich in einem der Halter des Substratteils 316 ein
Substrat befindet.
-
Es
ist wichtig, dass sich der Sensor 330 nahe genug zum Substrat
(z.B. nicht mehr als 4 mm) positionieren lässt, damit der Sensor 330 das
Vorhandensein bzw. Fehlen eines Substrats ermitteln kann, ohne dass
das Substrat mit anderen Bauteilen des Spotting-Geräts, wie
z.B. im Druckkopf angebrachten Nadeln, in Kontakt kommt. Obwohl
der Sensor 330 in 5A und
in anderen Abbildungen der vorliegenden Anmeldung an der Unterseite
des Druckkopfs 214 angrenzt, wird erkannt werden, dass
es auch möglich
ist, eine Klammer oder ein anderes Befestigungselement zur Befestigung
des Sensors 330 am Druckkopf 214 zu verwenden
und den Sensor 330 in Bezug auf den Druckkopf oberhalb,
unterhalb oder an einer ausgewählten
Stelle mittels der Klammer zu befestigen. Beispielsweise werden
in 5A keine im Druckkopf 214 montierte Nadeln
gezeigt. Wäre der
Druckkopf 214 vom Nadel-Typ und wären die Nadeln im Druckkopf
angebracht, dann würden
sich die Nadelschäfte
bis unterhalb des Druckkopfs erstrecken, wie z.B. in 1F dargestellt
ist. In diesem Fall könnte
es von Vorteil sein, eine Klammer zur Befestigung des Sensors 330 am
Druckkopf 214 zu verwenden, sodass sich der Sensor 330 unterhalb
der Druckkopfunterseite befindet. Auf diese Weise ließe sich
der Druckkopf-Sensors 314 so bewegen, um den Sensor 330 nah
genug am Substrat zu positionieren, um das Substrat zu erkennen,
ohne dass die Nadeln mit dem Substrat in Kontakt kommen.
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Es
versteht sich, dass alle erwähnten
Sensoren so an den Druckkopf angebracht oder mit diesem verbunden
werden können,
sodass sich der vertikale Abstand zwischen dem Sensor und dem Druckkopfboden
selektiv einstellen läßt.
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Bei
Spotting-Instrumenten nach dem Stand der Technik wurden im Allgemeinen
angenommen, dass Microarray-Substrate in alle Halter des Substrathalterteils
eingebracht sind. Alternativ musste eine bedienende Person, wenn
Halter bekannter Maßen leer
waren, diese Information an das Instrument weitergegeben. Im Allgemeinen
führt der
Versuch, Spots auf ein nicht vorhandenes Substrat in einen leeren Halter
zu drucken, entweder zur Beschädigung
des Spotting-Instruments (z.B. indem ein unerwünschter Kontakt der Nadeln
des Nadeldruckkopfes mit dem leeren Halter verursacht wird) oder
zur Vergeudung von Zielmaterial (wenn z.B. Düsen des Düsenkopfes Zielmaterial in einen
leeren Halter spritzen). Angesichts der Tatsache, dass ein einziger
Zyklus eines Spotting-Instruments im Allgemeinen mehrere Stunden
dauert, mussten sich vorbekannte Spotting-Instrumente gewöhnlich auf
Informationen stützen,
die während
des Zyklus bereits mehrere Stunden alt waren. So kann beispielsweise
die bedienende Person zu Beginn des Zyklus dem Instrument korrekt
vorgeben, dass in alle Haltern des Substratteils Microarray-Substrate eingebracht
sind. Wenn nun aber eines der Substrate während des Zyklus versehentlich
entfernt wird, würde
diese Information gewöhnlich
nicht an das Instrument weitergegeben, es sei denn, der bedienenden
Person würde
das Fehlen zufällig
während
des Arbeitsgang auffallen.
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Statt
sich bei der Vermittlung von Informationen über den Zustand des Substratteils
auf eine bedienende Person zu verlassen, ist das Spotting-Instrument 300 in
vorteilhafter Weise in der Lage, jederzeit mittels des Druckkopf-Sensors 314 exakt
zu ermitteln, ob sich in einem beliebigen Halter des Substratteils 316 ein
Substrat befindet. Auf diese Weise verringert das Spotting-Instrument 300 das
Risiko einer Beschädigung
des Instruments während
eines Zyklus und beschränkt
die Vergeudung von Zielmaterial auf ein Minimum.
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In
einem bevorzugten Betriebsmodus des Instruments 300 nutzt
der Prozessor 310 den Druckkopf-Sensors 314 zur
Bestimmung, ob innerhalb eines Halters des Substrathalterteils 316 ein
Microarray-Substrat montiert ist, unmittelbar bevor mit Hilfe des
Druckkopf-Sensors 314 Spots auf das Substrat gedruckt werden.
Stellt das Instrument 300 fest, dass in einem Halter ein
Substrat montiert ist, druckt es ein Spot-Muster auf dieses Substrat.
Stellt das Instrument 300 hingegen fest, dass in einem
Halter kein Substrat vorhanden ist, bewegt es sich zum nächsten Halter
des Substrathalterteils 316 weiter, ohne dass es versucht,
Spots auf das nichtvorhandene Substrat in einem leeren Halter zu
drucken. Hat das Instrument 300 einmal festgestellt, dass
ein bestimmter Halter leer ist, kann es verhindern, dass der Druckkopf-Sensors
während
des Zyklus zu diesem Halter zurückkehrt.
Alternativ kann das Instrument bei der Wahrnehmung eines leeren
Halters einen Fehlerzustand anzeigen. Wird dieser Fehlerzustand
später manuell
oder automatisch durch das Substrathalterteil zurückgesetzt,
kann das Instrument darin fortfahren, Spots auf das in den bereffenden
Halter eingebrachte Substrat zu drucken.
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Da
das Instrument 300 in der Lage ist, unmittelbar vor dem
Druck von Spots auf ein Substrat festzustellen, ob das Substrat
vorhanden ist, minimiert das Instrument 300 das Risiko,
dass sich Bedingungen zwischen der Wahrnehmung, ob ein Halter leer ist,
und dem Drucken von Spots auf diesen Halter verändern. In diesem Zusammenhang
wird der Sensor 330 vorzugsweise mechanisch mit dem Druckkopf 214 gekoppelt,
sodass das Instrument 300 den Sensor 330 nutzen
kann, um unmittelbar vor dem Druck von Spots auf ein Substrat festzustellen,
ob überhaupt
ein Substrat vorhanden ist. Außerdem kann
durch die mechanische Verbindung von Sensor und Druckkopf ein einziger
Positionsregler sowohl die Bewegungen des Sensors als auch die des Druckkopfs
steuern. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen Druckkopf und
Sensor mechanisch trennbar sein können und sich unabhängig von
einander bewegen lassen.
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5B zeigt,
wie sich eine Ausführungsform des
Druckkopf-Sensors 314 mit reflektierendem Sensor 330 der
in 4A und 4B abgebildeten
Bauart erfindungsgemäß nutzen
lässt,
um das Vorhandensein bzw. Fehlen von Vorratsbehältern im Kammerplattenhalterteil 318 zu
erfassen. Das abgebildete Kammerplattenhalterteil 318 beinhaltet
vier Ebenen oder Halter 318H1, 318H2, 318H3, 318H4,
zum Halten von Vorratsbehälter
für Zielmaterial
auf. Die Platten werden auf drei der vier Halter (318H1, 318H2, 318H4)
aufgebracht, der verbleibende Halter 318H3 ist leer oder
nicht von einer Platte besetzt. Es sollte erkannt werden, dass Substratteile,
die für
erfindungsgemäß gebaute
Spotting-Instrumente verwendet werden, eine viel größere Anzahl
an Haltern zur Aufnahme zusätzlicher
Kammern beinhalten können;
aus Gründern
der Darstellung sind allerdings in 5B nur
vier Halter abgebildet. Während
des Betriebs stellt das Instrument 300 durch Positionieren des
Sensors 330 des Druckkopf-Sensors 314 über dem
Halter fest, ob ein Vorratsbehälter
in einem der Halter befestigt ist, so dass, wenn ein Vorratsbehälter im
Halter befestigt ist, der Sensor 330 von der Oberfläche des
Vorratsbehälter
in einem Abstand innerhalb des Erfassungsbereichs von Sensor 330 entfernt
ist (z.B. vier bis sieben Millimeter, falls der Sensor 330 mit
Hilfe des oben genannten GP2A20 ausgeführt wird). Wenn sich ein Vorratsbehälter im
Halter befindet, wird das vom Licht emittierenden Element 410 des
Sensors ausgestrahlte Licht vom Vorratsbehälter reflektiert und von Detektor 412 empfangen. Wenn
sich dagegen kein Vorratsbehälter
im Halter befindet, wird das vom Licht emittierenden Element 410 ausgestrahlte
Licht in Richtung des Halters gesendet und nicht von Detektor 412 empfangen.
So kann das Instrument 300 den Druckkopf-Sensors 314 verwenden,
um festzustellen, ob sich ein Vorratsbehälter in einem der Halter des
Kammerplattenhalterteils 318 befindet.
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Zusätzlich zu
der Feststellung, ob sich ein Vorratsbehälter in einem der Halter des
Kammerplattenhalterteils 318 befindet, kann Instrument 300 Sensor 330 auch
verwenden, um die Art des Vorratsbehälter zu bestimmen, das sich
in einem der Halter befindet. Wenn das Instrument 300 z.B.
wahrnimmt, dass das Vorratsbehälter
in einem bestimmten Halter des Kammerplattenhalterteils 318 befestigt
ist, kann das Instrument 300 dann den Sensor 330 nutzen
um festzustellen, ob es sich bei dem Gefäß um eine 96-Kammerplatte,
eine 384-Kammerplatte oder einen anderen Plattentyp (z.B. 1536-Kammerplatte) handelt.
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6 zeigt
ein Beispiel dafür,
wie das Instrument 300 den Sensor 330 verwenden
kann, um den sich in einem der Halter des Kammerplattenhalterteils
befindenden Plattentyp zu bestimmen. 6 zeigt
eine 96-Kammerplatte 610; der quer über die Platte gezogene Pfeil
steht für
den Weg des Sensors 330. Zu Beginn lenkt der Prozessor 310 des
Instruments 300 den Positionierer 312, um den
Sensor 330 des Druckkopf-Sensors 314 über den
in 6 links vom Pfeil gezeigten Kreis 614 positionieren.
In dieser Position kann der Prozessor 310 den Sensor 330 verwenden,
um festzustellen, ob sich ein Vorratsbehälter im Halter befindet. Nachdem
festgestellt wurde, dass irgendein Typ von Gefäß sich im Halter befindet, kann
der Prozessor 310 den Positionierer 312 so steuern,
dass der Druckkopf-Sensors 314 so bewegt wird, dass sich
der Sensor 330 entlang der vom Pfeil 612 angezeigten
Bahn bewegt. Die Kurve 616 unterhalb der 96-Kammerplatte 610 zeigt
die Reaktion des Sensors 330 bei dessen Bewegung auf der
von Pfeil 612 angezeigten Bahn. Wie die Kurve 616 erkennen lässt, wird
der Sensor 330, wenn er über den Kammern der 96-Kammer-Platte
positioniert ist, die Anwesenheit eines Objekts (die Abwesenheit
eines Objekts wird durch das untere Niveau in Diagramm von 6 dargestellt)
nicht wahrnehmen, weil sich der Boden der Kammern unterhalb des
Wahrnehmungsbereiches des Sensors befindet. Wenn der Sensor 330 über der
Oberfläche
der 96-Kammerplatte positioniert ist (z.B. an den Zwischenräumen zwischen
den Kammern), nimmt er die Gegenwart eines Objekts wahr. Der Sensor 330 nimmt
also bei der Bewegung entlang der mit Pfeil 612 gekennzeichneten
Bahn periodisch die Anwesenheit eines Objekts wahr, wobei jede Wahrnehmung
durch eine der Spitzen der Kurve 616 in 6 angezeigt
wird. Der Prozessor 310 kann den Typ des Vorratsbehälter im
Halter durch Messen der Frequenz (oder der Anzahl) der Wahrnehmungen oder
Spitzen bestimmen. Für
jede gegebene Geschwindigkeit der Bewegung des Druckkopf-Sensors 314 wird
die Frequenz der Wahrnehmungen für 384-Kammerplatten
viermal größer sein
als für 96-Kammerplatten.
Andere Frequenzen sind für
andere Plattentypen kennzeichnend. Es versteht sich, dass sich andere
Bahnen verfolgen lassen, um andere Plattentypen wahrzunehmen oder
zwischen ihnen zu unterscheiden.
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Wie
die Substrate bedürfen
auch Spotting-Instrumente nach dem Stand der Technik der Bedienung
durch einen Menschen, um sicherzustellen, dass alle notwendigen
Vorratsbehälter
für Zielmaterial
innerhalb des Kammerplattenhalterteils eingebracht sind. Fehler
in diesem Bereich führten
manchmal zur Beschädigung
des Spotting-Instruments. Beispielsweise sind in einem Nadelkopf-Instrument die
Nadeln, die in eine 384-Kammerplatte getaucht werden sollen, in
einem Abstand von 4,5 mm zueinander angeordnet. Wenn das Spotting-Instrument fälschlicherweise
versucht, diese Nadeln in eine 96-Kammerplatte einzutauchen (in
der die Mitte der Kammern einen Abstand von 9,0 mm zueinander haben),
kann es zu Beschädigungen
an den Nadeln kommen.
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Menschliche
Fehler bezüglich
der Positionierung von Platten im Kammerplattenhalterteil können auch
zu Fehlern bei der Herstellung von Microarrays führen (z.B. können Spots
mit dem falschen Zielmaterial gebildet werden).
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Anstatt
von menschlicher Bedienung abhängig
zu sein, kann Instrument 300 vorteilhafterweise sofort
automatisch feststellen, ob sich eine Platte in einem bestimmten
Halter des Kammerplattenhalterteils 318 befindet, unmittelbar
bevor der Druckkopf 214 gesteuert wird, um eine Probe des
Zielmaterials von dieser Platte aufzunehmen. Auch kann Instrument 300,
wenn die Anwesenheit einer Platte festgestellt wurde, vorteilhafterweise
automatisch den eingebauten Plattentyp bestimmen, bevor der Druckkopf 214 gelenkt
wird, um eine Probe des Zielmaterials von dieser Platte aufzunehmen.
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Beim
Betrieb des Instruments 300 verwendet der Prozessor 310 vorzugsweise
den Druckkopf-Sensors 314 um festzustellen, ob ein Vorratsbehälter in
einem der Halter des Kammerplattenhalterteils 318 eingebaut
ist, unmittelbar bevor er versucht, eine Probe des Zielmaterials
aus diesem Gefäß aufzunehmen.
Wenn Instrument 300 unerwartet feststellt, dass ein bestimmter
Halter des Kammerplattenhalterteils leer ist, kann das Instrument 300 den Druckvorgang
anhalten und eine Fehlermeldung anzeigen. Alternativ kann das Instrument
eine Fehlermarke setzen, dass der Halter leer ist, und den Druckvorgang
unter Verwendung anderer Vorratsbehälter fortsetzen. In diesem
Fall können
manuelle Eingriffe durch menschliche Bedienung oder automatische
durch den Kammerplattenhalterteil 318 in der Lage sein,
die leeren Halter mit den erforderlichen Vorratsbehälter zu
laden, bevor das Gerät
den Druckvorgang unter Verwendung anderer Vorratsbehälter beendet.
Dies ermöglicht
es in vorteilhafter Weise, Probleme wie leere Halter im Kammerplattenhalterteil 318 zu
lösen,
ohne den Prozess der Herstellung von Microarrays zu unterbrechen.
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Wenn
Instrument 300 feststellt, dass sich eine Platte in einem
der Halter des Kammerplattenhalterteils 318 befindet, kann
das Instrument 300 vorteilhafterweise den Druckkopf-Sensors 314 auch
verwenden, um sicherzustellen, dass der vorhandene Plattentyp mit
dem erwartetem Plattentyp übereinstimmt.
Wenn der Prozessor 310 z. B. eine 384-Kammerplatte in einem
bestimmten Halter erwartet, kann der Prozessor 310 den
Druckkopf-Sensors 314 verwenden, um sicherzustellen, dass
es sich bei der im Halter befindlichen Platte tatsächlich um
eine 384-Kammerplatte
handelt. Wenn der festgestellte Plattentyp zum vom Prozessor erwarteten
Plattentyp passt, kann der Druckprozess fortgesetzt werden. Wenn
jedoch der festgestellte Plattentyp nicht mit dem erwarteten Plattentyp übereinstimmt,
kann eine Fehlermarke gesetzt werden und die Produktion von Microarrays
kann unter Verwendung von Platten in anderen Haltern fortgesetzt
werden. Dieser Fehler kann wie oben beschrieben entweder manuell
oder automatisch durch eine menschliche Bedienung oder den Kammerplattenhalterteil
korrigiert werden.
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7A und 7B zeigen
eine andere Ausführungsform
eines erfindungsgemäß gebauten Druckkopf-Sensors 314 und
Möglichkeiten
der Verwendung dieses Druckkopf-Sensors, um Informationen über Substrate
und Platten, die im Spotting-Instrument 300 geladen sind,
zu erkennen. In dieser Ausführungsform
besitzt der Druckkopf-Sensors 314 zwei Sensoren: 330a und 330b.
Sensor 330a ist ein reflektierender Sensor der oben erläuterten
und in 4A und 4B dargestellten
Bauart. Sensor 330b ist ein Strichcodeleser. Der reflektierende
Sensor 330a und der Strichcodeleser 330b sind
an den gegenüberliegenden
Enden des Druckkopfs 214 befestigt. Strichcodeleser 330b ist
vorzugsweise so angebracht, dass seine optischen Elemente nach unten zeigen
und dass das vom Strichcodeleser 330b ausgestrahlte Licht
nach unten gerichtet ist, wie in 7A und 7B anhand
der Pfeile dargestellt. Zusätzlich
zur Ermittlung der Anwesenheit oder des Fehlens von Substraten oder
Platten im Spotting-Instrument 300 kann der Strichcodeleser 330b vorteilhafterweise
die spezifische Identität
jedes Substrats und jeder Platte, die im Spotting-Instrument 300 geladen
sind, ermitteln. Strichcodeleser 330b können unter Verwendung von z.
B. eines durch die Keyence Corp. of America, Woodbridge, NJ, vertriebenen Strichcodeleser
Keyence BL-500 H oder Keyence BL-600 H oder eines durch Omron Electronics
Inc., Schaumberg, IL vertriebenen Strichcodeleser Omron V550-A20HD
eingebaut sein.
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7A zeigt
den Druckkopf-Sensors 314, der über dem Substrathalterteil 316 des
Instruments 300 positioniert ist. Vorzugsweise wird ein
hochauflösendes
Strichcodeetikett 710 am oberen Ende eines jeden im Instrument 300 geladenen
Substrates angebracht. Diese Strichcodeetiketten 710 können von der
gleichen Art sein wie die zur Kennzeichnung von Microarray-Substraten
für Microarray-Scan-Instrumente
verwendeten. Beispielsweise sind diese Strichcodeetiketten relativ
klein und meist rechteckig in den Maßen von 0,9 Zoll × 0,55 Zoll.
Durch Positionieren des Strichcodelesers 330b des Druckkopf-Sensors 314 über dem
Strichcodeetikett 710 eines der Substrate kann Instrument 300 das
Strichcodeetikett 710 lesen und somit das Substrat spezifisch
und eindeutig identifizieren.
-
Wenn
die Strichcodeetiketten 710 an der Oberseite der im Kammerplattenhalterteil 318 geladenen
Kammernplatten einbezogen sind, kann das Instrument 300 in
gleicher Weise den Strichcodeleser 330 des Druckkopf-Sensors 314 verwenden,
um die Strichcodeetiketten zu lesen und somit die Platten zu identifizieren.
Jedoch hat sich, wie oben erörtert,
bereits eine Konvention oder Norm für das Anbringen von Strichcodeetiketten
auf den Seiten der Platten, wie in 7B dargestellt,
entwickelt. 7B zeigt eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäß gebauten
Plattenteils 318, die es dem Druckkopf-Sensors 314 ermöglicht,
die in Übereinstimmung
mit den Konventionen nach dem Stand der Technik an den Seiten der
Platten angebrachten Strichcodeetiketen zu lesen. Der Kammerplattenhalterteil 318 beinhaltet eine
Vielzahl von Spiegeln oder reflektierenden Oberflächen 318M.
Einer dieser Spiegel ist benachbart zu jedem der Halter 318
H des Kammerplattenhalterteils 318 angebracht. Die
Spiegel 318M ermöglichen
es dem nach unten gerichteten Strichcodeleser 330b, die
Strichcodeetiketten 710 an den Seiten jeder Platte des
Kammerplattenhalterteils 318 zu überprüfen, während der Druckkopf-Sensors 314 über dem
Kammerplattenhalterteil 318 positioniert ist. Beispielsweise
ermöglicht
der Spiegel 318M1, wie in 7B dargestellt,
dem nach unten gerichteten Strichcodesensor 330b, das Strichcodeetikett 710 auf
der im Halter 318H1 befestigten Platte zu überprüfen. Da
die Oberseiten der Platten mit den daran befestigten Strichcodeetiketten 710 parallel zur
Leserichtung des Strichcodeleser 330b sind, wäre der Strichcodeleser 330b normalerweise
nicht in der Lage, die Strichcodeetiketten zu lesen. Die Spiegel 318 sind
jedoch so angebracht, dass sie das vom Strichcodeleser 330b emittierte
Licht in Richtung des Strichcodeetiketts umleiten und das von den Strichcodeetiketten 710 reflektierte
Licht zurück
zum Strichcodeleser 330b leiten. Wie in 7B dargestellt,
haben die Spiegel 318M vorzugsweise einen Winkel von 45° zu den Haltern,
es versteht sich jedoch, dass auch andere Winkel funktionieren würden. Es
versteht sich jedoch, dass die an den Seiten der Platten befestigten
Strichcodeetiketten nicht so hochauflösend zu sein brauchen, wie
für die
Substrate, weil die Seiten der Platten relativ groß sind.
Dementsprechend soll der Strichcodeleser 330b vorteilhafterweise
in der Lage sein, sowohl hochauflösende als auch niedrig auflösende Etiketten
zu lesen.
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Die
Integrierung des Strichcodelesers 330b in den Druckkopf-Sensors 314 führt dazu,
dass das Spotting-Instrument 300 über weitere Fähigkeiten verfügt. Beispielsweise
ermöglicht
der Strichcodeleser 330b dem Instrument 300, einen
Datensatz (oder eine Datenbank) zu erstellen, durch den die Identität jedes
Spots eines jeden von Instrument 300 produzierien Microarrays
bestimmt wird. Beim Betrieb des Instruments 300 kann der
Prozessor 310 den Strichcodeleser 330b verwenden,
um das Strichcodeetikett auf einer Platte im Kammerplattenhalterteil 318 zu
lesen, bevor Proben des Zielmaterials von dieser Platte entnommen
werden. Ebenso kann der Prozessor 310 den Strichcodeleser 330b verwenden,
um das Strichcodeetikett auf einem Substrat im Substratteil 316 vor
dem Drucken von Spots auf dieses Substrat zu lesen. Ist die Identität jeder
Platte, von der Proben des Zielmaterials entnommen werden, und jedes Substrats,
auf das Spots gedruckt werden, bekannt, ermöglicht das dem Instrument 300,
die Konfiguration eines jeden von ihm geschaffenen Microarrays genauestens
aufzuzeichnen.
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In
einer bevorzugten Betriebsweise wird die Identität aller für die Produktion einer Serie
von Microarrays verwendeten Platten in das Spotting-Instrument 300 eingespeist.
Nachdem der Strichcodeleser 330b zum Lesen eines Etiketts
einer bestimmten Platte verwendet wurde, kann der Prozessor 310 ermitteln,
ob diese Platte für
die Produktion der gegenwärtigen
Serie von Microarrays verwendet werden soll, und wenn ja, welche
Spots unter Verwendung von Proben von dieser Platte gedruckt werden
sollen. Fall der Prozessor 310 ermittelt, dass eine der
im Kammerplattenhalterteil geladenen Platten im gegenwärtigen Durchlauf
nicht verwendet werden soll, so kann das Instrument den Druckvorgang
unter Verwendung anderer Proben von anderen Platten fortsetzen.
Das Instrument kann auch einen fehlerhaften Zustand anzeigen.
-
Eine
andere Betriebsweise für
Instrument 300 ist, den Prozessor 310 für die Halter
im Kammerplattenhalterteil 318 zu programmieren, ohne dabei auf
Strichcodeetiketten einzelner Platten Bezug zu nehmen. Bei dieser
Betriebsweise ist das Instrument 300 so eingerichtet, dass
einige Spots unter Verwendung der Platten im ersten Halter gedruckt
werden sollen, einige Spots unter Verwendung der Platten im zweiten
Halter usw. Diese Betriebsweise kommt der Betriebsweise von Spotting-Instrumenten
nach dem Stand der Technik nahe. So wie im Stand der Technik werden
in dieser Betriebsweise die gewünschten
Microarrays nur geschaffen, wenn die Platten durchgängig ordnungsgemäß im Kammerplattenhalterteil verteilt
sind. Jedoch unterscheidet sich diese Betriebsweise vom Stand der
Technik, da das Instrument das Strichcodeetikett jeder Platte liest,
bevor Proben von dieser Platte entnommen werden, und ein Verzeichnis
erstellt, welches das Strichcodeetikett jeder Platte dem mit Proben
von dieser Platte gedruckten Spot zuordnet. Nach dem Stand der Technik war
es außerordentlich
schwierig, den vollständigen Microarray
zu analysieren, wenn die Platten nicht ordnungsgemäß oder die
falschen Platten im Kammerplattenhalterteil geladen wurden. Bei
dieser Betriebsweise jedoch wird während der Produktion des Microarrays
ein Datensatz erstellt, der jeden Spot auf dem Microarray einem
Strichcodeetikett einer bestimmten Platte zuordnet. Dieses Verzeichnis
lässt sich
anschließend analysieren,
um die Konfiguration des Microarrays zu ermitteln. Es sollte erkannt
werden, dass zahlreiche andere Betriebsweisen für das Instrument 300 möglich und
in der Erfindung eingeschlossen sind.
-
In
vielen Fällen
kann der Strichcodeleser 330b das Vorhandensein eines reflektierenden
Sensors 330 unnötig
machen. Wenn z.B. der Strichcodeleser 330b erfolgreich
das Strichcodeetikett einer Platte im Halter des Kammerplattenhalterteils
liest, kann es unnötig
sein, den reflektierenden Sensor 330a zu verwenden um zu
bestätigen,
dass eine Platte im Halter geladen ist und dasselbe gilt für Substrate.
Die bevorzugte Ausführungsform
des Druckkopf-Sensors 314 schließt jedoch sowohl einen Strichcodeleser 330b als
auch einen reflektierenden Sensor 330a ein. Die Einbeziehung
beider Sensorarten bietet maximale Flexibilität und ermöglicht dem Instrument 300,
mit Platten und Substraten ungeachtet der Tatsache zu arbeiten,
ob diese Strichcodeetiketten besitzen oder nicht. Auch wenn der
Strichcodeleser 330b ein Strichcodeetikett einer Platte oder
eines Substrates liest, kann es dennoch von Vorteil sein, den Sensor 330 zu
verwenden um sicher zu stellen, dass die Platte oder das Substrat
ordnungsgemäß in ihrem
Halter befestigt ist. Da der Sensor 330a im Allgemeinen
weitaus genauere Informationen in Bezug auf die tatsächliche
Position eines Objekts gibt, ist bei der Ermittlung, ob eine Platte oder
ein Substrat ordnungsgemäß geladen
ist, der Sensor 330a zuverlässiger als der Strichcodeleser 330b.
Ebenso wird der Sensor 330a auch dann funktionieren, wenn
keine Strichcodeetiketten auf den Substraten oder Platten angebracht
sind. Es versteht sich jedoch, dass die Sensor-Druckköpfe auch
dann erfindungsgemäß gebaut
werden können,
wenn nur einer der beiden Sensoren verwendet wird (d.h. entweder
der Strichcodeleser oder der reflektierende Sensor). Darüber hinaus
können
andere Arten von Abstanddetektoren (z.B. Ultraschall-Messwandler) den
reflektierenden Sensor 330a ersetzen, und andere Sensorarten
können
anstelle des Strichcodelesers 330b zum Lesen von maschinell
lesbaren Vermerken, Markierungen oder Etiketten eingesetzt werden.
-
In
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
von Spotting-Instrumenten konnte statt einem oder zwei am Druckkopf
fixierten Sensoren eine Vielzahl von Sensoren im Substrat und im
Kammerplattenhalterteil beinhaltet sein. Beispielsweise könnte ein
Strichcodeleser für
jeden Halter in den Platten- und Substrathalterteil beinhaltet sein.
Aus mehreren Gründen
ist es jedoch von Vorteil, die Sensoren wie oben erörtert mechanisch
am Druckkopf zu befestigen. Das Anbringen der Sensoren am Druckkopf
macht z.B. die Verwendung mehrer Sensoren innerhalb der Platten-
und Substrathalterteile überflüssig. Die
Befestigung der Sensoren am Druckkopf ermöglicht es einem einzelnen Positionierer,
sowohl den Druckkopf als auch die Sensoren zu steuern oder zu bewegen
und macht somit zusätzliche
Positionierer überflüssig. Weiters
ist der Bewegungsspielraum für
den Druckkopf-Sensor zur Feststellung der Anwesenheit von Platten
oder Substraten oder zum Lesen von Strichcodeetiketten ähnlich dem
Bewegungsspielraum, den Druckköpfe
von Instrumenten nach dem Stand der Technik besitzen. Somit sind
nur geringe Änderungen
an einem Instrument nach dem Stand der Technik notwendig, um die
Vorteile der Erfindung zu erlangen.
-
Da
bestimmte Änderungen
am oben beschriebenen Apparat gemacht werden können, ohne vom hierin eingeschlossenen
Umfang der Erfindung abzuweichen, ist beabsichtigt, dass alles,
was in der obigen Beschreibung enthalten oder in der begleitenden
Zeichnung gezeigt wird, in einem illustrativen und nicht in einem
einschränkenden
Sinn ausgelegt werden soll.