DE69820877T2

DE69820877T2 - Vorrichtung zur durchführung von nachweisen an reaktionsstellen

Info

Publication number: DE69820877T2
Application number: DE69820877T
Authority: DE
Inventors: Allyn Hubbard; Samesh Kale; A. Scott ROLLINS; P. Jeremy SPRINGHORN; P. Stephen SQUINTO
Original assignee: Bioprocessors Corp
Current assignee: Bioprocessors Corp
Priority date: 1997-08-15
Filing date: 1998-08-14
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-15
Also published as: CA2301095A1; WO1999009394A1; AU9020698A; DE69820877D1; US6338820B1; EP1004015B1; EP1004015A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Durchführung von Nachweisen wie bspw. chemischen Nachweisen und biochemischen Reaktionen oder dergl. an Reaktionsstellen auf einem Substrat. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung von Nachweisen wie bspw. chemischen Nachweisen und biochemischen Reaktionen durch Abgabe eines oder mehrerer gewählter Aliquots (Proben) an eine oder mehrere Reaktionsstellen auf einem Substrat, bei dem es sich um eine Vielzahl von Schichten eines Halbleitermaterials handeln kann.
2. Beschreibung verwandter Technik
Vor der verhältnismäßig jungen kombinatorischen Chemie und genetischen Forschung und dem dadurch erzeugten Bedarf an Analyse- und Auswahlprüftechniken mit hohen Durchsatz hat man derartige Nachweise mit Phiolen, Reagenzgläsern und Bechern durchgeführt. Seit jedoch durch die Synthese oder kombinatorische Techniken immer mehr Substanzen zur Prüfung vorliegen, muss man die Rolle von Tausenden oder gar Millionen von Substanzen in einer vergleichbaren Anzahl von möglichen Reaktionen prüfen können. Die Miniaturisierung hat sich als viel versprechender Weg zu einer wirksameren – bspw. weniger teuren – Analyse und Auswahlprüfung von Chemikalien und insbesondere Drogen erwiesen. Diskussionen verschiedener Aspekte solcher Techniken finden sich in J.D. Devlin (Hrsg.), High Throughput Screening: The Discovery of Bioactive Substances (Marcel Dekker, Inc., New York, 1997), wo der Stand der Technik, der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ausführlicher beschrieben ist.
Die Miniaturisierungsvorrichtungen lassen sich allgemein in mindestens zwei Kategorien einteilen. Bei einer ersten Kategorie geht es darum, chemische Substanzen in kleinen Mengen an bestimmten Stellen auf einem Glas- oder dergl. Substrat aufzubringen. In der Mikrochemie gibt es Prozesse, die in kleinen Volumen bspw. zwischen Nanoliter- und Mikroliter-Aliquots ausgeführt werden, so dass die Reaktionszeiten erheblich kurzer sein können als die in Reaktionsgefäßen, die größenordnungsmäßig einen Bruchteil eines Milliliters enthalten, wie es derzeit bei einem "von Hand" arbeitenden Labortechniker der Fall ist. Zusätzlich zu mikrochemischen Prüfung lassen sich Niveaus des Genausdrucks großmaßstäblich untersuchen.
Ein Beispiel dieser ersten Kategorie ist die Entwicklung der Mikroplättchen-Technologie mit Glassubstraten mit Reaktionsstellendichten von etwa 10.000. Diese Technologie kann die Anwendung komplexer Mikrorobotik oder der Tintenstrahl-Technik beinhalten, um chemische und biochemische Substanzen auf ausgewählte Stellen auf den Substraten aufzubringen. Häufig wird mindestens einer der Recktanten in einer auszuführenden chemischen Prüfung chemisch an die Reaktionsstelle gebunden oder dort sonstwie immobilisiert. Dies geschieht, um Fluide der Reaktionsstelle hinzuzufügen oder von ihr zu entfernen, ohne mindestens ein Zwischen- oder Endprodukt mitzuentfernen, das/die an der Reaktionsstelle verbleiben sollte, um das Ergebnis der chemischen Prüfung erfassbar zu machen.
Die Fa. Orchid Biocomputer ("Orchid"), Princeton, New Jersey, USA, hat einen kreditkartengroßen Glas-Chip mit 10.366 Reaktionsstellen angekündigt. Vergl. M. Leach, Update: Discovery on a Credit Card?, DRUG DISCOVERY TODAY, 253-4 (Vol. 2, No. 7 (Juli 1997)). Bspw. kann jede Reaktionsstelle eine Fläche von 100 m bedecken und weniger als 1 l Volumen enthalten. Der Chip ist ein Glas-Sandwich aus einzelnen Chip-Schichten, die verklebt werden und Kanäle bilden, um Substanzen zwischen den Reaktionsstellen zu bewegen. Derartige Kanäle werden in dieser Vorrichtung ausgebildet, indem man in eine erste Schicht Rillen einbringt (bspw. einätzt) und sie dann mit einer zweiten Schicht sandwichartig abdeckt.
Eine zweite Kategorie von Miniaturisierungsvorrichtungen arbeitet mit Silicium in irgendeiner funktionellen – bspw. elektrischen oder mechanischen – Modalität als Substrat; das Prüfen von Chemikalien erfolgt dann auf dem Substrat. In einigen Fällen lassen sich bei solchen Substraten die Mikrorobotik oder die Mikrochemie oder beide anwenden. Bspw. kann der Orchid-Chip zum Transport von Substanzen zwischen den Reaktionsstellen mit Mikrofluidik-Pumpen arbeiten, bspw. elektronischen Pumpen ohne sich bewegende Teile. Die Fa. Nanogen, Inc. hat ebenfalls eine mikroelektronische Vorrichtung zur Handhabung niedriger Verdünnungen von geladenen Molekülen entwickelt. Im Gegensatz zur Orchid-Vorrichtung, bei der man mit elektrokinetischem Druckpumpen kann, arbeitet die Nanogen-Vorrichtung mit Elektrophorese als Antrieb zur Analyse chemischer Reaktionen, die an etwa 25 über die Oberfläche des Silicium-Substrats verteilten Reaktionsstellen stattfinden. Das elektrokinetische Pumpen ist als Kombination der Elektrophorese mit der Elektroosmose beschrieben worden.
Bei andere Entwicklungen geht es um Produkte, die Silicium-Substrate oder -Vorrichtungen für chemische Prüfungen einsetzen, die mit elektrischer oder mikromechanischer Technologie oder beiden arbeiten. Bspw. hat die Fa. Syn teni, Inc. ein Verfahren entwickelt, das den Ausdruck Tausender von Genen mit mikroskopischen cDNS-Abschnitten auf einem Substrat gleichzeitig misst. Auch die Fa. Genometrix, Inc. setzt eine Fluoroszenz-Analysetechnik ein, die im Ansatz dem Synteni-Verfahren zu ähneln scheint, aber die Reaktionen in einem Miniaturmaßstab ausführt, d.h. auf einer Folie, die schließlich auf einen Reaktionsleser aufgesetzt wird. Ein solcher Leser wird aus einem Silicium-Chip oder -Wafer hergestellt, der modifiziert ist, um als Fotodetektor (bspw. als ladungsgekoppelte Anordnung (CCD)) zu arbeiten.
Die auf der Schicht erzeugte Fluoreszenz erzeugt einen Fotostrom, der einer CCD-Stelle eine elektrische Ladung zuführt und zur Analyse abnehmbar ist – analog zur Funktion eines CCD-Detektors in einer digitalen Kamera. So lässt sich bekannte Digitalisierungstechnik mit dem gruppierten Aufbringen von Chemikalien auf eine Kunststofffolie kombinieren. Die Kunststofffolie mit der Reaktionsanordnung lässt sich auf einen Silicium-Chip oder -Wafer aufbringen, der als der Leser arbeitet. Beleuchtet man die Folie mit UV-Licht, geben die Reaktionsstellen Fluoreszenz ab. Jede Reaktionsstelle auf der Folie ist mit einer Analysestelle auf dem Leser ausgerichtet, so dass eine Koordinate auf dem Leser einer Reaktionsstelle in der chemischen Gruppierung entspricht.
Nichtsdestoweniger haben frühere Versuche, mit hohem Durchsatz arbeitende Analyse- und Prüftechniken für chemische Reaktionen zu erreichen, komplexe Arbeitsvorgänge unter Einsatz von Folien und Substraten oder komplexe Robotik für das präzise Platzieren der chemische Verbindungen führenden Fluide – oder beides – erfordert. Bei derartig komplexen Systemen kann der Ausfall einer einzelnen Systemkomponente zum Ausfall des gesamten Systems führen. Weiterhin sind solche komplexen Systeme – insbesondere die mit Robotik arbeitenden – in der Herstellung und Wartung kostenaufwendig.
Die WO-A-97/21090 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung einer Vielzahl von Nachweisen mit einem Substrat mit konzentrisch angeordneten Reaktionsstellen, einer Einrichtung zum Drehen des Substrats, einer Fluid-Ausgabeeinrichtung und einer Leseeinrichtung sowie mit Mitteln zum Ausrichten der Ausgabe- und der Leseeinrichtung mit den Reaktionsstellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es hat sich also ein Bedarf ergeben für eine wirkungsvolle, einfach zu betreibende, verhältnismäßig kostengünstig zu erstellende und mit hohem Durchsatz arbeitende Vorrichtung zum Durchführen chemischer Nachweise und biologischer Reaktionen an Reaktionsstellen auf einem Substrat.
Weiterer Bedarf hat sich ergeben für eine mit hohem Durchsatz arbeitende Vorrichtung, die es ermöglicht, Analyse- und Auswahlprüftechniken für die chemische Analyse biochemischer Reaktionen in einem oder zwischen Aliquots an diskreten Reaktionsstellen durchzuführen. Nach einer weiteren Besonderheit der vorliegenden Erfindung lässt die Ausgabe des bzw. der Aliquots sich selbsttätig und präzise steuern und kontrollieren – bspw. durch ein drehbares Substrat und eine bewegliche Fluid-Ausgabeeinrichtung. Es ist ein technischer Vorteil der Erfindung, dass sich unter Anwendung einer Ätzgeometrie Reaktionsstellen ausbilden lassen, die dahingehend zusätzlich vorteilhaft sind, dass sie die Verdunstung abschwächen und das Ruckhalten eines Teils des Fluids unterstützen.
Ein noch anderer Bedarf hat sich ergeben für eine leicht aufzubauende sowie einfach und genau zu steuernde Vorrichtung zur Ausgabe eines oder mehrerer Aliquots an Reaktionsstellen zur Durchführung chemischer oder biochemischer Tests oder beider. Es ist eine Besonderheit der Erfindung, dass die Vorrichtung eine hohe Genauigkeit bei der Ausgabe von Fluiden an Reaktionsstellen erzielt. Es ist ein technischer Vorteil der Vorrichtung, dass sie zum Bewegen und Plat zieren mindestens eines Fluid-Ausgabeauslasses über eine Reaktionsstelle vorverpackte Motore wie Linear- oder Rotations-Schrittschaltmotore verwenden kann. Derartige Schrittschaltmotore bieten eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Bewegungen. Weiterhin erlauben solche Schrittschaltmotore die Anwendung einer integrierten Steuerung mit elektronischer Dämpfung sowie einem integrierten Schrittschaltsystem. Darüber hinaus lassen die Steuerungen für solche Schrittschaltmotore sich leicht an die Forderung nach einem Betrieb mit variabler und stetiger Geschwindigkeit anpassen.
Ein weiterer Bedarf hat sich ergeben für eine Vorrichtung, die auch ohne komplexe Robotik mindestens einen Fluid-Ausgabeauslass auf mindestens eine Reaktionsstelle ausrichtet. Es ist ein technischer Vorteil, dass der/die Linear-Schrittschaltmotor/e den/die Fluid-Ausgabeauslass/-auslässe in einer Dimension entlang mindestens einer Schiene bewegt/en und dass der/die Rotations-Schrittschaltmotor/e das Substrat um eine Achse dreht/en. Es ist ein weiterer technischer Vorteil der Verwendung von Linear- und Rotations-Schrittschaltmotoren, dass sie in der Herstellung, Wartung und im Austausch weniger teuer sind als komplexe Robotik.
Ein noch anderer Bedarf hat sich ergeben für eine Vorrichtung mit einem Multifunktionskopf mit mindestens einer Fluid-Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe eines oder mehrerer Fluide an eine bzw. mindestens eine einer Vielzahl von Reaktionsstellen sowie mit mindestens einer Leseeinrichtung.
Die Leseeinrichtung/en kann/können mehrere Funktionen ausüben – einschl. des Überwachens des Fortschritts der Prüfungen, des Abtastens der Reaktionsstelle/n, um die Ergebnisse von Prüfungen zu bestimmen, das Auffinden einer oder mehrerer Reaktionsstellen durch Lesen einer Ortsmarke und Heranführen mindestens eines Ausgabeauslasses an eine oder mehrere Reaktionsstellen mittels einer Spurmarkierung. Es ist ein technischer Vorteil des Multifunktionskop fes, dass die Arbeitsweise und der Aufbau der Vorrichtung sich durch das Zusammenfassen mehrerer Funktionen auf einem einzigen bewegbaren Kopf vereinfachen. Es ist ein weiterer technischer Vorteil des Multifunktionskopfes, dass eine einzige Steuerung sowohl die mindestens eine Fluid-Ausgabevorrichtung als auch die mindestens eine Leseeinrichtung so positionieren kann, dass Ausrichtfehler zwischen ihnen entfallen. Es ist noch ein anderer technischer Vorteil des Multifunktionskopfes, dass sich schnell oder augenblicklich auftretende Nachweise sofort nach der Einleitung und bis zum vollständigen Abschluss überwachen lassen. Ein noch anderer technischer Vorteil der Vorrichtung ist, dass ein Mikropositionierer wie bspw. ein 3-Achsen-Mikropositionierer sich zur Durchführung von Einstellungen ansteuern lässt, wobei bspw. das Nachstellen in einem Bereich von weniger etwa 15 mm mit etwa 1 μm Genauigkeit entlang kartesischer Achsen an den Ort des mindestens einen Fluid-Ausgabeauslasses und der Leseeinrichtung erfolgt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer Vielzahl von Probenanalysen wie bspw. einer Vielzahl von chemischer Probenanalysen oder einer Vielzahl biochemischer Reaktionen mit einem axial drehbaren Substrat mit einer Vielzahl radial gruppierter Reaktionsorte. Andere Probenanalysen sind u.a. Zell- sowie physikalische und biophysikalische Analysen – bspw. Chemolumineszenz, dielektrische Feldstärke, spezifischer Widerstand, Impedanz, zirkularer Dichroismus, Brechungsfaktor, Oberflächen-Plasmonresonanz, optische Absorption, Magnetresonanz und dergl. Die Probenkomponenten können u.a. synthetische organische Verbindungen (bspw. Verbindungen mit einem Molekulargewicht kleiner als 100.000, vorzugsweise kleiner als 10.000 und am besten kleiner als 1000), Proteine (bspw. Enzyme, Amyloidproteine, Rezeptoren, Cytokine und Antikörper), Peptide, Oligopeptide, Nucleinsäuren (einschl. modifizierter synthetischer Derivate derselben, DNS, RNS, Oligonucleotide und monomere Nucleotide, Nucleoside, modifizierte synthetische Varianten derselben und dergl.), Zellen (bspw. Bakterienzellen, Hefen oder andere Pilzzellen, einzellige Organismen wie Protozoen, Tierzellen einschl. Insekten-, Vogel- und Säugetierzellen sowie Pflanzenzellen), Zellmembranen und andere Zellkomponenten, Puffer, Salze, Ionen wie Metallionen, Lipide, Carbohydrate, Vitamine, außerzelluläre Matrizen oder Komponenten derselben sowie Blutserum oder andere Körperflüssigkeiten sein.
Das Substrat kann aus Glas, Keramik, Halbleitermaterial, Kunststoff, Verbundstoff und Kombinationen derselben hergestellt sein. Halbleitermaterialien sind kristalline Feststoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiter und der eines Isolators im Bereich von 10⁵ S/m und 10^–7 S/m liegt und gewöhnlich stark temperaturabhängig ist. Halbleitermaterialien sind u.a. Silicium, Germanium und graues Zinn. Bspw. kann das Substrat eine Vielzahl von Schichten aus Halbleitermaterial aufweisen, die die Substratoberfläche teilweise oder vollständig bedecken. Alternativ können die Schichten sich über einen Teil des oder das gesamte Substrat unter der Substratoberfläche erstrecken.
Die Vorrichtung weist weiterhin Einrichtungen zum Drehen und Steuern der Drehung des Substrats sowie mindestens eine Fluid-Ausgabeeinrichtung auf, mit der mindestens ein Fluid mindestens einer der Reaktionsstellen zuführbar ist. Die Dreheinrichtung kann einen Antrieb wie eine Druckluftturbine oder einen Motor aufweisen. Die Fluid-Ausgabevorrichtungen weisen jeweils einen Fluid Ausgabeauslass auf. Zusätzlich weist die Vorrichtung Einrichtungen zum Identifizieren der mindestens eine Reaktionsstelle sowie Einrichtungen auf, mit denen der mindestens eine Fluid-Ausgabeauslass auf die mindestens eine Reaktionsstelle ausrichtbar ist.
Insbesondere kann die Vorrichtung mindestens einen Multifunktionskopf wie bspw. einen 2-Funktionskopf mit mindestens einer Fluid-Ausgabeeinrichtung auf, mit der mindestens ein Fluid mindestens einer der Reaktionsstellen und mindestens einer Leseeinrichtung zuführbar ist. Die Leseeinrichtung kann Mittel zum Auffinden einer Reaktionsstelle – bspw. die Einrichtung zum Identifizieren einer Ortsmarke – und zum Überwachen der chemischen oder biochemischen Reaktionen an den Reaktionsorten aufweisen. Die Fluid-Ausgabevorrichtungen weisen jeweils einen Fluid-Ausgabeauslass auf. So lassen die Fluidik sowie die Ortsfinde- und Überwachungsfunktionen der Vorrichtung sich in einem Multifunktionskopf zusammenfassen.
Die Arbeitsweise von Schrittschaltmotoren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden bspw. in Computer-Platten- und Diskettenlaufwerken benutzt. Die Schrittbewegungen erhält man durch elektromagnetische Steuerelemente. Obgleich die Vorrichtung einen Rotations-Schrittschaltmotor aufweisen kann, kann die Dreheinrichtung das Substrat auch mit einstellbarer oder im wesentlicher konstanter Geschwindigkeit oder beiden drehen und die Drehung des Substrats durch Einstellen der Geschwindigkeit und Richtung der Drehung steuern. Weiterhin ist die Dreheinrichtung so steuerbar, dass sie das Substrat mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, dass ein Teil des mindestens einen Fluids von der mindestens einen Reaktionsstelle durch eine durch die Substratdrehung erzeugte Zentrifugalkraft entfernbar ist. Darüber hinaus kann mindestens ein Kanal die mindestens eine Reaktionsstelle mit mindestens einer anderen Reaktionsstelle verbinden und die Dreheinrichtung kann weiterhin so steuerbar sein, dass sie das Substrat mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, dass das mindestens eine Fluid durch eine von der Substratdrehung erzeugte Zentrifugalkraft aus der mindestens einen Reaktionsstelle durch den mindestens einen Kanal an die mindestens eine andere Reaktionsstelle geschleudert wird.
Das der Reaktionsstelle zugeführte mindestens eine Fluid kann mindestens eine erste Menge mindestens eines Fluid-Aliquots und mindestens eine zweite Menge mindestens eines Trennfluids aufweisen – bspw. eines Lösungsmittels, Öls, Luft, eines nicht mischbaren Fluids oder dergl. So kann die erste Menge mindestens eines Fluid-Aliquots im wesentlichen identisch mit der zweiten Menge mindestens eines Trennfluids sein. In einer anderen Ausführungsform können die ersten Mengen des mindestens einen Fluid-Aliquots im wesentlichen identisch sein, während die zweiten Mengen des mindestens einen Trennfluids unterschiedlich und im wesentlichen identisch sind. Bspw. kann für wasserbasierte Aliquots ein Öl oder Luft ein bevorzugtes Trennfluid sein. Weiterhin kann die mindestens eine Fluidausgabeeinrichtung eine oder mehr Pumpen, Saugeinrichtungen sowie Zeitgeber zur Ansteuerung der Pumpen oder Saugeinrichtungen oder beider aufweisen. Die eine oder mehreren Pumpen können Leitungen und Ventile aufweisen, mit denen sie abwechselnd mindestens eine der ersten Mengen – bspw. in einem Bereich von etwa 0,0001 μl bis 5 μl und vorzugsweise etwa 3 μl bis 5 μl des ersten Aliquots – und mindestens eine zweite Menge des mindestens einen Trennfluids in das Ausgaberöhrchen einsaugen und das mindestens eine Aliquot und das mindestens eine Trennfluid abwechselnd an den mindestens einen Fluidausgabeauslass unter einer kontrollierten Differenz zum Umgebungsdruck um den mindestens einen Flud-Ausgabeauslass ausgeben. Der oder die Zeitgeber können dann die eine oder mehreren Saugeinrichtungen so ansteuern, dass diese das Fluid von dem mindestens einen Fluid-Ausgabeauslass absaugen.
Insbesondere kann der mindestens eine Zeitgeber eine Strömungsrate der Strömung im Ausgaberöhrchen messen und die mindestens eine Saugeinrichtung de- und danach reaktivieren derart, dass mindestens eine erste Menge des mindestens einen Aliquots an die Reaktionsstelle ausgegeben wird. Die mindestens eine Saugeinrichtung kann einen niedrigeren Saugzug als den den mindestens einen Ausgabeeinlass umgebenden Umweltdruck erzeugen, bspw. einen Unterdruck, der ausreicht, um Fluid von dem mindestens einen Ausgabeauslass abzusaugen. Alternativ kann eine Vielzahl von Saugeinrichtungen unterschiedliche hohe Druckdifferenzen über die Mündungen der Saugeinrichtun gen erzeugen, bspw. unterschiedliche Unterdrücke bezüglich des Umweltdrucks an den Ausgabeauslässen. In einer noch anderen Alternative kann ein Katalog von Röhrchen jeweils mit einer vorbestimmten Menge einer Chemikalie oder Lösung zur Verwendung bei der Durchführung eines chemischen Analyse oder einer biologischen Reaktion angelegt werden. Eine Sollmenge der Chemikalie oder Lösung kann dann aus dem Röhrchen gesaugt oder gepumpt und an einer oder mehreren Reaktionsstellen abgelegt werden. Der unbenutzte Teil der Chemikalie oder Lösung kann entsorgt oder zur Aufbereitung oder erneuten Benutzung aufgefangen werden oder das Röhrchen kann ebenfalls entsorgt oder aufgefüllt, verschlossen und erneut benutzt werden. Erfindungsgemäß sind auch andere Einrichtungen zum Ausgeben oder Entfernen von Fluiden von Reaktionsstellen anwendbar. Vergl. bspw. D. W. Brandt, Multi plexed Nanoliter Transfers für High Throughput Drug Screening Using the BIOMEK 2000 and the High Density Replicating Tool, J. BIOMOLECULAR SCREENING 2:111-116 (1997), dessen Inhalt durch die Bezugnahme als Teil der vorliegenden Anmeldung gelten soll, um den der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Stand der Technik ausführlicher zu beschreiben.
Der mindestens eine Ausgabeauslass kann bewegbar auf einer Schiene angeordnet sein, die gradlinig über das Substrat verläuft und im wesentlichen parallel zur Substratoberfläche gerichtet – bspw. über dem Substrat aufgehängt – ist; ein erster Motor kann dazu dienen, das Substrat zu drehen. Die Ausrichteinrichtung weist einen zweiten Motor auf, mit dem der mindestens ein Fluid-Ausgabeauslass entlang der Schiene positionierbar ist. Wie bereits festgestellt, können der erste Motor ein Rotations- und der zweite Motor ein Linear-Schrittschaltmotor sein. Zusätzlich kann die Ausrichteinrichtung einen Computer (u.a. ein Mikroprozessor oder andere elektronische Einrichtung) sein, der Daten empfängt, verarbeitet und ausgibt und für den Ausgabeauslass einen Anfangsort auf der Substratoberfläche speichert. Der Computer sowie andere, funktional mit ihm verknüpfte Elektronik einschl. bspw. eines Signalgenerators wie bspw. eine elektromagnetische Energieguelle sowie ein Abgleichsensor wie ein elektromagnetischer Energiesensor können Bewegungssignale an den ersten und den zweiten Motor liefern. So erzeugen der Computer und die zusätzliche Elektronik Signale, mit denen der Ausgabeauslass über der Reaktionsstelle auf diese ausrichtbar ist. Alternativ kann der mindestens eine Ausgabeauslass auf einem Schwenkarm gehaltert sein, der über die Oberfläche bspw. des drehenden Substrats schwenkbar ist. In diese Ausführungsform kann auch der zweite Motor ein Rotations-Schrittschaltmotor sein.
Zusätzlich kann die Vorrichtung den Multifunktionskopf in einem 2-Schritt-Vorgang positionieren. Zuerst kann die Vorrichtung den Kopf in die Nähe einer gewählten Reaktionsstelle bringen. Zweitens kann der Multifunktionskopf dann mittels der Identifizierungseinrichtung die Positionierungsmarken abfragen bzw. lesen, um die gewählte Reaktionsstelle zu identifizieren und die Ausgabevorrichtung auf sie auszurichten.
Die Identifizierungseinrichtung kann mindestens einen Sensor aufweisen. Dieser Sensor kann auf diese gleiche Weise wie der Fluid-Ausgabeauslass positioniert werden, d.h. er kann bspw. an einen Linear-Schrittschaltmotor angesetzt sein, der auf einer Schiene über dem Substrat läuft. Vorzugsweise ist der Sensor im Kopf enthalten. Dieser mindestens eine Sensor empfängt ein vom Substrat ausgehendes Signal oder er sendet ein Abfragesignal aus und empfängt ansprechend auf dieses ein Ortssignal. Weiterhin kann der mindestens eine Sensor mindestens eine Ortsmarke – bspw. ein Index- oder Spurmarke, oder einen Stabcode einzeln oder in Kombination – auf der Substratoberfläche lesen. Beispiele der Ortsmarkierung sind unten diskutiert – vergl. die 7. Wie jedoch oben festgestellt, kann die Ortsmarke eine Indexmarke, die die jeweilige Reaktionsstelle identifiziert, sowie mindestens eine Spurmarke sein, die die Ausrichteinrichtung dabei unterstützt, den Multifunktionskopf und die ihm zugeordneten Fluid-Ausgabe- und Leseeinrichtungen über die Reaktionsstelle zu führen. Insbesondere kann das Erkennen der Spurmarke das Einführen des Kopfes in die Reaktionsstelle durch ihre Größe oder Gestalt oder durch ihre körperliche Zuordnung zu dieser – d.h. Entfernung von oder Richtung zu ihr – unterstützen.
Die Erfindung weist Vorrichtungen nach den beigefügten Nebenansprüchen 1 und 46 auf.
Andere Besonderheiten und technische Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum vollständigeren Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren technischer Vorteile wird nun Bezug auf die folgende Beschreibung sowie die beigefügten Zeichnungen genommen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
1 zeigt eine die vorliegende Erfindung betreffende Vorrichtung in einer Perspektivdarstellung;
2A zeigt als Perspektive eine Fluid-Ausgabeeinrichtung mit einem Fluid-Ausgabeauslass auf einem Linear-Schrittschaltmotor, die 2B, 2C zwei Ausführungsformen einer Ausgabemechanik zum Steuern der Fluidausgabe durch den Fluid-Ausgabeauslass an die Reaktionsstellen;
3 zeigt als Perspektive die die erfindung betreffende Vorrichtung mit einem Fluid-Ausgabevorrichtung auf einem Schwenkarm und einer Abgleicheinrichtung;
4A zeigt schaubildlich eine andere Ausführungsform der Fluid-Ausgabevorrichtung, die 4B vergrößert ein Fluid-Zulaufröhrchen 20' mit einem Fluid aus abwechselnden Mengen einer aliquoten Probe und eines Trennfluids und die 4Cv ergrößert eine Probe in einem Fluid-Zulaufröhrchen 20';
5 zeigt als Perspektive die die vorliegende Erfindung betreffende Vorrichtung mit einem Multifunktionskopf mit einer Fluid-Ausgabe- und einer Leseeinrichtung;
6 zeigt die Konfiguration der Leseeinrichtung mit der Anordnung aus Lese- und Spur-LWLn von unten;
7 zeigt eine Ortsmarkierung aus Spur- und Schaltmarken zum Heranführen des Multifunktionskopfes an die Reaktionsstelle;
8A zeigt als Perspektive eine Reaktionsstelle auf einem Substrat und die 8B diese von oben;
9A zeigt ein Substrat als Perspektive, die 9B–9D Substratsektoren mit Ausführungsformen von Reaktionsstellen von oben;
10 zeigt von oben ein Paar Reaktionsstellen von einem Kanal und einer mikrofluidische Einrichtung verbunden;
11 zeigt als Graph die Laserabtastung eines Tröpfchens Rhodamin-610-Lösung auf einem Siliciumsubstrat;
12A ist ein Graph der Vorwärts-Laserabtastung eines Tröpfchens Rhodamin-610-Lösung auf einem Siliciumsubstrat, die 12B ein Graph der Rückwärts-Laserabtastung auf einem Siliciumsubstrat;
13 zeigt als Graph das erfassbare Tröpfchenvolumen einer Rhodamin-610-Lösung auf einem Siliciumsubstrat und die Auswirkung der Verdunstung auf das Tröpfchenvolumen mit der Zeit;
14 zeigt als Graph die Fähigkeit der Laser-Leseeinrichtung beim Lesen eines 3-Bit-Codes; und
15 zeigt die Vorrichtung als Blockschaltbild.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 zeigt nun als Perspektive die die vorliegende Erfindung betreffende Vorrichtung. Eine Vorrichtung 1 zur Ausgabe von Fluid an eine Reaktionsstelle weist ein Substrat 10 wie bspw. einen Silicium-Wafer auf einer Plattform 12 mit einem Rotations-Schrittschaltmotor (nicht gezeigt) bspw. des Typs Zeta 57-51-10 und einem Treiber des Typs Zeta 4 der Fa. Parker Compumotor Company, Rohnert Park, Kalifornien, V. St. A., auf. Der Rotations-Schrittschaltmotor dreht das Substrat 10 in einer Richtung des Pfeils A. Eine Schiene 14 ist über dem Substrat 10 aufgehängt und verläuft gradlinig über es (halbiert es beispielsweise). Ein Linear-Schrittschaltmotor 16 bspw. des Typs L20 der genannten Fa. Parker Compumotor Company ist auf der Schiene 14 in einer Dimension entlang dieser in Richtung des Pfeils B bewegbar gelagert.
Der Rotations-Schrittschaltmotor ist so steuerbar, dass er das Substrat 10 mit einer Vielzahl variabler und konstanter Geschwindigkeiten in beiden Richtungen A drehen kann. Bspw. kann hierzu ein Controller des Typs AT6200 der genannten Fa. Parker Compumotor Company eingesetzt werden. Weiterhin kann der Rotations-Schrittschaltmotor so betrieben werden, dass er das Substrat 10 stetig wie den Aufzeichnungsträger in einem CD-Laufwerk, so dass eine Zentrifugalkraft entsteht, oder schrittweise dreht, wobei das Substrat 10 weniger als eine volle Umdrehung relativ zur Position des Linear-Schrittschaltmotors 16 bewegt wird.
Das Substrat 10, die Plattform 12, die Schiene 14 und der Linear-Schrittschaltmotor 16 lassen sich in einem Behälter 18 unterbringen. Der Behälter 18 erlaubt eine strenge Überwachung und Kontrolle der Atmosphäre um die Reaktionsstellen herum während der Tests. Der Behälter 18 kann luftdicht ausgeführt sein, damit sich Staub und Feuchtigkeit nicht auf dem Linear- oder dem Rotationsschrittmotor absetzen und dessen Arbeiten beeinträchtigen können und sich ein Über- oder Unterdruck im Behälter 18 aufrecht erhalten lässt. Weiterhin können Staub und Feuchtigkeit die chemischen oder biochemischen Reaktionen oder beide an den Reaktionsstellen beeinträchtigen und deren Resultate verfälschen. So kann der Behälter 18 mit einem Feuchtigkeits- und Temperatursensor 19 versehen sein, so dass sich das Niveau sowie Änderungen der Feuchtigkeit und der Temperatur erfassen lassen. Werden hohe oder niedrige relative Werte der Feuchtigkeit oder Temperatur oder beider festgestellt, kann man die Tests beenden oder die atmosphärischen Bedingungen im Behälter 18 korrigieren. Zusätzlich lässt sich die Umwelt im Behälter konstrollieren, indem man einen Unterdruck erzeugt, den Luftdruck erhöht, die Umgebungstemperatur regelt oder eine vorbewstimmte Behälteratmosphäre erzeugt – bspw. eine Stickstoff-, eine sauerstoffreiche, eine Edelgas- bzw. Inert-Atmosphäre einzeln oder in Kombination. Wegen der Wichtigkeit, die Fluide in präzisen Mengen an kleine Reaktionsstellen abzugeben, dient der Behälter 18 auch dazu, Luftstörungen an der Oberfläche des Substrats 10 abzuschwächen oder zu beseitigen.
Die 2A zeigt als Perspektive eine Fluid-Ausgabeeinrichtung 2, die einen Linear-Schrittschaltmotor 16 aufweisen und auf der Schiene 14 gelagert sein kann. Eine Fluidströmung aus einer Folge dosierter Mengen mindestens eines Aliquots und mindestens eines Trennfluids wird durch eine Fluid-Zu-/Rücklaufleitung 20 der Fluidausgabeeinrichtung 2 zugeführt. Die Fluidausgabevorrichtung 2 weist eine Plattform 15 auf, die an vier Plattformstützen 17 vom Linear-Schrittschaltmotor 16 abgehängt ist. Auf der Plattform 15 können auch Komponenten zum Ausrichten eines Ausgabeauslasses 21 mit einer Reaktionsstelle auf dem Substrat 10 angeordnet und stabilisiert sein. Vorzugsweise ist der Fluid-Ausgabeauslass 21 so kurz wie möglich, um möglichst wenig oder keinen toten Raum zu belassen.
Von der Fluid-Zu-/Rücklaufleitung 20 wird das Fluid von einer Zulaufleitung 20' übernommen und an den Fluid-Ausgabeauslass 21 ausgegeben. Nicht an den Ausgabeauslass 21 gegebenes Fluid wird über eine Ruckleitung 20" zur Fluid-Zu-/Rücklaufleitung 20 zurückgeführt. Weiterhin kann Fluid, das an den Ausgabeauslass 21 weiter-, aber nicht auf das Substrat 10 ausgegeben wird, durch eine Rückleitung 22 zurück gesaugt werden. Eine Saugeinrichtung (nicht gezeigt) saugt nicht ausgegebenes Fluid vom Ausgabeauslass 21 ab. Die Saugeinrichtung erzeugt über der Mündung der Rücklaufleitung 22 eine Druckdifferenz derart, dass der Druck in der Saugleitung 22 niedriger als der den mindestens einen Ausgabeauslass umgebende Druck ist – bspw. einen Unterdruck, der ausreicht, um aus dem Ausgabeauslass 21 austretendes Fluid zu entfernen.
Der Linear-Schrittschaltmotor 16 erhält Bewegungssignale von einem externen Rechner (nicht gezeigt) über eine Rechner-Verbindungsleitung (nicht gezeigt). Entsprechend kann eine Zeitgabeeinrichtung 23 – bspw. ein elektronischer Zeitgeber – die Strömungsrate messen und die aus dem Ausgabeauslass 21 ausgegebene Fluidmenge bestimmen; hierzu ist mindestens ein Strömungssensor 25 am Ausgabeauslass 21 angeordnet. Bspw. können Strömungssensoren 25 die Unterbrechung oder Schwächung eines elektromagnetischen Energiestrahls – bspw. eines Laser- oder hochenergetischen Lichtstrahls – erfassen, der über die Öffnung des Ausgabeauslasses 21 gerichtet ist. Die Strömungssensoren 25 können über eine Zeitgabeleitung 24 mit der Zeitgabeeinrichtung 23 verbunden sein. Weiterhin kann die Zeitgabeeinrichtung 23 auf einer Zeitgabesignal-Rückleitung – bspw. 24' – und eine Signalübertragungsleitung 120 an einen Rechner (nicht gezeigt) gekoppelt sein, der die Saugeinrichtung (nicht gezeigt) aktiviert und deaktiviert und so die Fluidmenge steuert, die durch den Ausgabeauslass 21 auf das Substrat 10 ausgegeben wird.
Zusätzlich kann eine Fluid-Ausgabevorrichtung 2 eine Erfassungsmechanik – bspw. mit einem Multifunktionskopf – aufweisen, um zu bestimmen, ob und wie weit an einer Reaktionsstelle eine chemische Reaktion stattgefunden hat. Eine Lichtquelle (nicht gezeigt) kann über einen Lichtqelleneingang 27 hoch intensives Licht an einen Lichteingabe-Lichtwellenleiter (LWL) 27' der Fluid-Ausgabevorrichtung 2 ausgeben. Der Lichteingabe-LWL 27' ist am Ausgabeauslass 21 so befestigt, dass hoch intensives Licht sich auf mindestens eine Reaktionsstelle des Substrats 10 richten lässt. Die Menge und das Wesen des von der Reaktionsstelle reflektierten Lichts kann das Auftreten und den Fortschritt der Reaktion ausweisen. Das reflektierte Licht lässt sich mit einem LWL 28 aufnehmen, der mit dem Empfangsende ebenfalls am Ausgabeauslass 21 angeordnet ist. Weiterhin kann Licht aus dem Zulauf-LWL 27' an der mindestens einen Reaktionsstelle Fluoreszenz anregen, die dann mit dem Empfangs-LWL 28 erfasst wird. Vom Empfangs-LWL 28 aufgenommenes Licht wird an eine Fotovervielfacher-Röhre 29 mit einem Bandpassfilter geleitet, die ein elektrisches Signal erzeugt, das das Wesen und die Stärke des an der mindestens einen Reaktionsstelle reflektierten Lichts beschreibt. Die Fotovervielfacher-Röhre kann auch ein Fotodioden-Array sein. Fotodioden-Arrays sind bekannte Lichterfassungselemente einer ladungsgekoppelten Anordnung (CCD). Alternativ kann der Erfassungsmechanik elektromagnetische Energie zugeführt und auf mindestens eine Reaktionsstelle des Substrats 10 gerichtet werden. Auch hier können die Stärke und das Wesen der reflektierten elektromagnetischen Energie das Auftreten und den Fortschritt der Reaktion ausweisen. Dieses Signal wird dann auf der Signalübertragungsleitung 120 zur Analyse an einen Rechner (nicht gezeigt) zurück geführt.
Zusätzlich lässt sich auf der Fluid-Ausgabevorrichtun 2 mindestens ein Sensor anordnen, um Reaktionsstellen zu identifizieren, das Bestimmen eines Anfangsorts für den Ausgabeauslass 21 bezüglich der Oberfläche des Substrats zu unterstützen oder beides. Insbesondere kann der mindestens eine Sensor ein Signal aus einem auf dem Substrat 10 platzierten Sender (vergl. die 6C und die diesbezügliche Beschreibung unten) aufnehmen oder der mindestens eine Sensor kann ein Abfragesignal an das Substrat 10 (bspw. an einen Transponder an einer Reaktionsstelle oder einer Gruppe von Reaktionsstellen) abgeben und ansprechend hierauf ein Ortssignal aufnehmen. Weiterhin kann der mindestens eine Sensor mindestens eine Ortsmarke – bspw. eine Indexmarke oder einen Stabcode – auf der Substratoberfläche lesen bzw. diese abtasten. Eine solche Ortsmarke kann auch eine Spurmarke beinhalten, mit der die Fluid-Ausgabevorrichtung 2 einer Reaktionsstelle zufahrbar ist. Stabcodes, mikroskalierte Stabcodes sowie Stabcode-Leser sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die 2B und 2C zeigen zwei Ausführungsformen einer Ausgabemechanik 200 bzw. 200' zum Steuern der Fluidausgabe durch einen Ausgabeauslass an die Reaktionsstellen. In der 2B weist die Ausgabemechanik 200 einen Teil des Fluid-Zulaufleitung 20' und einen Teil der Fluid-Rücklaufleitung 20" auf, die eine U-förmige Verbindung bilden. Der Pfeil F zeigt den Strömungsweg des serialisierten Fluids durch die U-förmige Verbindung. Der Ausgabeauslass 21 erstreckt sich im wesentlichen rechtwinklig zum Fluid-Strömungsweg, wobei Fluid von der Fluid-Zulaufleitung 20' in die Fluid-Rücklaufleitung 20" fließt. Eine erste elektromechanische Steuereinrichtung 202 wie bspw. ein Elektromagnet steuert ein rücklaufseitiges Ventil 204; sie erhält Ansteuersignale 206 aus dem Zeitgeber 23. Vorzugsweise sind die erste Steuereinrichtung 202 und das rücklaufseitige Ventil 204 weit genug vom Ausgabeauslass 21 angeordnet, dass Schwingungen, Bewegungen oder beides aus dem Arbeiten der ersten Steuereinrichtung 202 oder des Ventils 204 oder beider die Ausrichtung des Ausgabeauslasses 21 auf die mindestens eine Reaktionsstelle auf dem Substrat 10 nicht stören.
Fluid lässt sich der Fluid-Zulaufleitung 20' unter eine Druckdifferenz zuführen, die relativ zum Umluftdruck im Behälter 18 bestimmt wird, aber hoch genug ist, um den größten Teil des Fluids in der Fluid-Zulaufleitung 20' über die Ausgabeöffnung 208 und in die Fluid-Rücklaufleitung 20" zu drücken; in den Ausgabeauslass 21 eintretendes Fluid kann dann von der Saugeinrichtung (nicht gezeigt) durch die Saug-Rücklaufleitung 22 aufgenommen werden. Bei geschlossenem Ventil 204 fließt Fluid aus der Fluid-Zulaufleitung 20' direkt zum Ausgabeauslass 21. Da weiterhin der Ausgabeauslass 21 sich zur Spitze 210 hin verjüngen kann, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids aus dem Ausgabeauslass 21 hinaus höher sein als in der Fluid-Zulaufleitung 20'.
Bspw. kann die Auslassöffnung 210 einen Durchmesser von weniger als etwa 10 μm, vorzugsweise weniger als etwa 4 μm haben. Bei einer Strömung von etwa 2 μl/s entsteht über der Auslassöffnung 210 eine Druckdifferenz in einem Bereich von etwa 0.01 bis 2000 psi [0,0007 bar bis 136 bar], vorzugsweise ein Überdruck im Bereich von etwa 50 bis 500 psi [3,45 bar bis 34,5 bar]. Werden Teile der serialisierten Fluid von der Auslassöffnung 210 abgesaugt, entsteht ein entsprechender, aber umgekehrter Druck über der Öffnung der Saugrücklaufleitung 22 an der Auslassöffnung 210.
Die in der 2C gezeigte Ausgabemechanik 200" weist ebenfalls einen Teil der Fluid-Zulaufleitung 20' und einen Teil der Fluid-Rücklaufleitung 20" auf, die eine U-förmige Verbindung bilden. Der Pfeil F zeigt wieder den Strömungsweg des serialisierten Fluids durch die U-förmige Verbindung. Der Ausgabeauslass 21 verläuft im wesentlichen rechtwinklig zum Strömungsweg des Fluids von der Zulaufleitung 20' zur Rücklaufleitung 20". Die erste Steuereinrichtung 202 steuert das rücklaufseitige Ventil 204 und ein erster Elektromagnet 206 kann vom Zeitgeber 23 angesteuert werden. Weiterhin steuert eine zweite elektromechanische Steuereinrichtung 212 wie bspw. ein Elektromagnet ein zulaufseitiges Ventil 214 und eine zweite Steuereinrichtung 212 ist mit Signalen 206 aus dem Zeitgeber 23 ansteuerbar. Zusätzlich weist die Ausgabemechanik 200' eine 4-Weg-Verbindung 216 mit einer Ausgabeöffnung 208 zum Ausgabeauslass 21 sowie einer Fluidpumpöffnung 218 mit Zugang zu Fluiden (nicht gezeigt) auf, die eine Fluidpumpe 220 zuführt. Diese Fluide können die gleichen sein wie das bzw. die Trennfluide im serialisierten Fluid. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Steuereinrichtung 202, 212, das rücklaufseitige Ventil 204, das zulaufseitige Ventil 214 und die Fluidpumpe 220 weit genug vom Ausgabeauslass 21 angeordnet, dass Schwingungen, Bewegungen oder beide aus dem Arbeiten eines, mehrerer oder aller der genannten Anlagenteile die Ausrichtung des Ausgabeauslasses 21 auf mindestens eine Reaktionsstelle auf dem Substrat 10 nicht stören.
Wie oben festgestellt, lässt sich Fluid der Fluidausgabeleitung 20' unter einer geringen Druckdifferenz von bspw. weniger als etwa 10 psi [0,7 bar] und vorzugsweise weniger als etwa 2.5 psi [0,17 bar] relativ zum Umluftdruck im Behälter 18 zuführen. Dennoch reicht dieser Druck aus, um den größten Teil des Fluids in der Zulaufleitung 20' über die Auslassverbindung 208 und die Pumpenverbindung 218 in die Rücklaufleitung 20" zu drücken. Wird bei geschlossenem rück- und zulaufseitigem Ventil 204, 214 von der Pumpe 220 Fluid – wie bspw. ein Trennfluid – in die Pumpöffnung 218 gedrückt, fließt Fluid aus der Zulaufleitung 20' direkt in den Ausgabeauslass 21. Da weiterhin der Ausgabeauslass 21 zur Auslassöffnung 21 sich verjüngen kann, kann die Strömungsgeschwindigkeit aus der Ausgabeöffnung 21 hinaus höher sein als in der Zulaufleitung 20'.
Im wesentlichen lenken die Ausgabemechaniken 200, 200' den Fluidzufluss zur Zulaufleitung 20' zum Ausgabeauslass 21 um. In der Ausgabemechanik 200 kann die Steuerung der Fluidmenge sowie der Anzahl und Art des oder der Aliquots zu den verschiedenen Reaktionsstellen auf dem Substrat 10 durch Ansteuern des rücklaufseitigen Ventils 204 erfolgen. Entsprechend kann bei der Ausgabemechanik 200' die Steuerung der Fluidmenge sowie der Anzahl und Art der den verschiedenen Reaktionsstellen auf dem Substrat 10 zugeführten Aliquots durch Ansteuern des rück- und des zulaufseitigen Ventils 204, 214 sowie der Fluidpumpe 220 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich zur Fluidausgabesteuerung durch Ansteuern der Ventile 204, 214 und der Pumpe 220 kann die Saugeinrichtung (nicht gezeigt) dazu dienen, Fluid durch die Saug-Rücklauf leitung 22 abzusaugen und so die aus dem Ausgabeauslass 21 zum Substrat 10 ausgegebenen Fluidmenge zu steuern.
Die Ausgabemechaniken 200, 200' kann Kanäle und mikromechanische Einrichtungen aufweisen, die in einem Materialblock ausgebildet sind – bspw. in einer Vielzahl von Schichten eines Halbleiterwerkstoffs (HL-Werkstoffs). Bspw. lassen sich in einen Block aus HL-Werkstoff Nuten oder Furchen einätzen, während mikromechanische Einrichtungen wie die Ventile 204, 214 sich einteilig mit den Nuten oder Furchen ausbilden lassen. Auf einen geätzten Block lässt sich ein zweiter Block aus HL-Material aufsetzen, um die Nuten oder Furchen abzudecken und so leitungsartige Kanäle auszubilden.
Alternativ kann die Fluid-Ausgabeeinrichtung mit Tintenstrahltechnik arbeiten, um den Reaktionsstellen auf dem Substrat die Proben dosiert zuzuführen. In einer anderen Ausführungsform kann eine Fluid-Ausgabevorrichtung aus dem Ausgabeauslass Mikrotröpfchen des mindestens einen Fluids als Strahl ausstoßen, den eine elektrostatische Beschleuniger- und Ablenkeinheit der mindestens einen Reaktionsstelle zulenkt. Darüber hinaus kann eine Fluid-Ausgabevorrichtung eine Mikrofluidik-Einrichtung mit einem schwingenden Elektromagneten, die Fluid aus einer Kapillare zupumpt, oder eine piezoelektrische Einrichtung mit einem piezoelektrischen Kanal aufweisen, mit dem von Luft getrennte Aliquots aus einer Kapillare od. dergl. dosiert ausgebbar sind. Da die Aliquots von Luft getrennt sind, ist ein übermäßiges Verdünnen derselben vermieden.
Derartige Vorrichtungen können auch die Fluid-Ausgabevorrichtung des Typs BioJet Quanti3000^TM der Fa. BioDot, Inc., Irvine, Kalifornien, V.St.A. aufweisen. diese Vorrichtung arbeitet mit einem Tintenpunkt-Fluidausgabesystem bei Strömungen bis 50 μl/s eines Fluids mit einer Viscosität im Bereich von 1 cP bis 20 cP. Dieser Strömungsbereich kann aber – abhängig von der Fluid-Rheologie – erweitert werden. Die genannte Vorrichtung kann auch Fluidlinien mit Volumen bis hinab zu 20 nl/cm und Breiten im Bereich von 0,25 mm bis 5 mm ausgeben. Die Werte wurden durch Ausgabe von entionisiertem Wasser mit einer Zugabe von 0,5 % grenzflächenaktiver Substanz bestimmt. Die genannte Vorrichtung kann auch Fluidtröpfchen mit Volumen bis hinab zu 4 nl/Tröpfchen und Durchmessern im Bereich von 0,25 mm bis 5 mm ausgeben. Die erreichbaren Tröpfchenvolumen und -durchmesser hängen von den Eigenschaften der Fluide und Fluidmembranen ab. Mit der Vorrichtung BioJet Quanti3000^TM ist für ausgegebene Linien eine Reproduzierbarkeit von weniger als 1% kumulative Volumenabweichung und weniger als 5 % Variation zwischen Tröpfchen erreichbar.
Die Fluid-Ausgabevorrichtung BioJet Quanti3000^TM trägt ein bestrichenes Volumen ("swept volume") von weniger als 40 μl und wird von einer Leitung von 5 μl/cm gespeist. Zusätzlich lässt dieser Fluid-Asgabevorrichtung sich mit einem Filter ausrüsten, um die Reagenzien vor der Ausgabe an eine Reaktionsstelle zu filtern – bspw. zum Entfernen von Teilchen mit weniger als 10 um Durchmesser. Weiterhin lässt diese Fluid-Ausgabevorrichtung sich mit einer Einrichtung zum Entlüften der Fluidströmung ausrüsten. Diese Einrichtungen können bspw. mit einem – bspw. mit etwa 100 Hz – schwingenden Elektromagneten, der Fluid aus einer Kapillare pumpt, oder einem piezoelektrischen Kanal versehen sein, der eine Kapillare umgibt und mit Frequenzen bis zu 1000 Hz erregbar ist. Mit derartigen Einrichtungen lassen sich Durchsätze unter etwa 10 μl/s bis 500 μl/s, vorzugsweise unter etwa 200 μl/s erreichen, wobei die Kapillarenöffnungen dieser Einrichtungen einen Durchmesser in einem Bereich von etwa 50 um bis 175 um haben.
Die 3 zeigt als Perspektive eine die vorliegende Erfindung betreffende Vorrichtung. Eine Vorrichtung 3 zur Ausgabe von Fluid auf eine Reaktionsstelle weist ein Substrat 10 wie bspw. einen Silicium-Wafer auf einer Plattform 12 mit einem ersten Rotations-Schrittschaltmotor (nicht gezeigt; bspw. Typ Zeta 57-51-10 mit Treiber Zeta 4) auf. Der erste Rotations-Schrittschaltmotor dreht das Substrat 10 in Richtung des Pfeils A. An einen zweiten Rotations-Schrittschaltmotor 30 (bspw. Zeta 57-51-10 oder Treiber Zeta 4) auf der Plattform 12 ist ein Schwenkarm 32 angesetzt. An den Schwenkarm 32 ist eine Fluid-Ausgabevorrichtung 34 angesetzt; der Schwenkarm 32 ist so lang, dass sich mit der Ausgabevorrichtung 34 durch Drehen des zweiten Rotations-Schrittschaltmotors 30 in den Richtungen des Pfeils B die gesamte Oberfläche des drehenden Substrats 10 erreichen lässt.
Zum Drehen des Substrats 10 ist der erste Rotations-Schrittschaltmotor in beiden Richtungen A mit einer Vielzahl von Geschwindigkeiten drehbar. Bspw. lässt er sich mit einem Controller des Typs AT6200 ansteuern. Weiterhin kann der erste Rotations-Schrittschaltmotor auch stetig drehen, wobei eine Zentrifugalkraft auf das Substrat 10 wirkt, oder schrittweise drehen, so dass sich das Substrat 10 weniger als eine Umdrehung bewegt und dann in einer neuen Ausrichtung bezüglich der Position der Fluid-Ausgabevorrichtung stoppt. Bspw. lässt der Schwenkarm 32 sich ähnlich dem Abtastarm einer Rechner-Speicherfestplatte betätigen. Ein erster Rotations-Schrittschaltmotor kann das Substrat 10 drehen, während die Fluid-Ausgabevorrichtung 34 mit der Drehbewegung des zweiten Rotations-Schrittschaltmotors 30, die den Arm 32 schwenkt, über dem Substrat 10 positioniert wird.
Das Substrat 10, die Plattform 12, der Schrittschaltmotor 30, der Schwenkarm 32 und die Fluid-Ausgabevorrichtung 34 lassen sich in einen Behälter 18 einschließen. Der Behälter 18 ermöglicht es, beim Testen die die Reaktionsstellen umgebende Atmosphäre streng zu überwachen und zu kontrollieren. Der Behälter 18 kann luftdicht ausgeführt sein, damit Staub und Feuchtigkeit sich nicht auf den Rotations-Schrittschaltmotoren absetzen und deren Arbeiten beeinträchtigen können und sich ein Unter- oder Überdruck im Behälter 18 aufrecht erhalten lässt. Staub und Feuchtigkeit können auch die chemischen und biochemischen Reaktionen an den Reaktionsstellen sowie die Ergebnisse chemischer und biochemischer Tests beeinträchtigen. Bspw. kann der Behälter 18 mit einem Feuchtigkeits- und Temperatursensor 19 versehen sein, so dass sich das Niveau der Feuchtigkeit und Temperatur sowie deren Änderungen erfassen lassen. Beim Erfassen einer niedrigen oder hohen relativen Feuchtigkeit oder beider kann man die Probentests beenden oder die atmosphärischen Bedingungen im Behälter 18 nachregeln. Wegen der Wichtigkeit, die Fluide den Reaktionsstellen genau dosiert zuzuführen, dient der Behälter 18 auch dazu, Luftstörungen an der Oberfläche des Substrats abzuschwächen bzw. zu beseitigen.
Weiterhin kann das Substrat 10 mit einer Vielzahl von Abgleichlöchern 36 ausgeführt sein. Derartige Abgleichlöcher 36 lassen sich in Kombination mit oder an Stelle der oben beschriebenen Ortsmarken anwenden. Bspw. kann das Substrat 10 vier Abgleichlöcher 36 enthalten, die in 90°-Abständen entlang des Außenrands des Substrats 10 angeordnet sind. Unter jedem Abgleichlocher 36 kann ein auf elektromagnetische Energie ansprechender Sensor (nicht gezeigt) angeordnet sein, so dass, wenn sich eine auf der Ausgabevorrichtung 34 angeordnete Quelle elektromagnetischer Energie (nicht gezeigt) direkt über einem der Abgleichlöcher 36 befindet, der entsprechende Sensor die von der Quelle abgegebene Energie erfassen kann. Diese Kombination einer elektromagnetischen Energiequelle mit entsprechenden Sensoren kann dazu dienen, die Fluid-Ausgabevorrichtung 34 über dem Substrat 10 in die Solllage zu bringen und deren Stelleinrichtung abzugleichen. Weiterhin können die Reaktionsstellen in präzisen Schrittabständen des Schrittschaltmotors voneinander und von mindestens einem der Abgleichlöcher 36 angeordnet sein. Sobald daher die Fluid-Ausgabevorrichtung 34 eines der Abgleichlöcher 36 erfasst und identifiziert, ist sie schnell und präzise zwischen den Reaktionsstellen und über die Oberfläche des Substrats 10 bewegbar.
Die 4A zeigt schaubildlich eine andere Ausführungsform der Fluid-Ausgabevorrichtung. Eine oder mehrere chemische oder biochemische Proben werden aus einem Fluid-Serialisierer 40 gezogen, der auf eine Proben- und eine Trennfluidquelle (nicht gezeigt) zugreift. Bspw. kann in einer Ausführungsform eines Serialisierers 40 eine Pumpe eine oder mehrere Proben aus einer Probenquelle durch eine Probenleitung sowie Trennfluid – Bspw. ein Lösungsmittel, Öl, Luft, nicht mischbare Flüssigkeit, Edelgas od. dergl. – aus einer Trennfluidquelle durch eine Trennfluidleitung ansaugen, so dass sich eine serialisierte Fluidströmung, d.h. eine Fluidströmung mit abwechselnden Proben- und Trennfluidmengen ergibt. Alternativ lassen sich serialisierte Proben als Teil einer serialisierten Bibliothek vorbereiten, die zum späteren Einsatz in der Vorrichtung vorformatiert und gespeichert werden.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Drucksteuereinrichtung 42 mit einer Pumpe und einem Luftmanometer im Behälter einen Unterdruck erzeugen, mit dem Probenfluid bzw. -fluide sowie Trennfluid in die Ausgabe-Zulaufleitung 20' eingezogen werden. Bspw. kann man mit einem Ventil abwechselnd die Ausgabe-Zulaufleitung 20' in Strömungsverbindung mit einer oder mehreren Quellen von Proben- und Trennfluid schalten. Der Unterdruck im Behälter 16 bewirkt dann, dass Proben- und Trennfluide in das Ausgabe-Zulaufleitung 20' gesaugt werden. Alternativ lassen die Proben- und Trennfluide in Tröpfchenform ausbilden und ein offenes Ende der Ausgabe-Zulaufleitung 20' so positionieren, dass gewählte Tröpfchen in sie eingesaugt werden.
Die 4B zeigt vergrößert die Ausgabe-Zulaufleitung 20' mit einer serialisierten Strömung aus zwei miteinander abwechselnden Proben bzw. Aliquots und Trennfluid – bspw. ein nicht mischbares Fluid oder Lösungsmittel. Als Trennfluid lässt sich ein Lösungsmittel verwenden, so dass Aliquot-Reste vom Lösungsmittel beseitigt werden, während das serialisierte Fluid die Ausgabe-Zulaufleitung 20' durchläuft.
Wie wiederum die 4A zeigt, weist ein Zeitgeber 23 eine Strömungssensor 25 auf, mit dem die Strömung des serialisierten Fluids bestimmbar ist, so dass Aktivierungs- und Deaktivierungssignale sich auf einer Zeitsignalverbindung 46 an die Saugeinrichtung 44 schicken lassen. Bspw. können das Proben- und Trennfluid eine Komponente enthalten, die vom Strömungssensor 25 erfassbar ist. Von der Saugeinrichtung 44 vom Ausgabe-Auslass 21 abgesaugtes Fluid wird mit der Saug-Rücklaufleitung 22 aus der Vorrichtung abgeführt. Wie die 4A zeigt, können der Auslass 21 sowie die Fluid-Ausgabevorrichtung und das Substrat in Behälter 18 eingeschlossen sein. Mit dem Druckregler 42 lässt sich im Behälter 18 ein Über- oder Unterdruck aufrecht erhalten.
Die 4B zeigt vergrößert eine Fluid-Zulaufleitung 20' mit einem Fluid 400 aus miteinander abwechselnden Proben- und Trennfluiden. Insbesondere weist das Fluid 400 ein Trennfluid 402, eine erste Probe 404 und eine zweite Probe 406 auf. Das zweite Probenfluid 406 enthält eine Vielzahl von Strömungssensorkomponenten 408. Bspw. kann es sich bei den Komponenten 408 um magnetische Perlen handeln, die beim Durchlaufen der Zulaufleitung 20' in großer Nähe zu einer Spule oder einem anderen Magnetsensor erfassbar sind. Sind der Durchmesser der Zulaufleitung 20', die Reihenfolge der Serialisierung sowie die Proben- und Trennfluidmengen bekannt, lässt sich die Strömungsrate des serialisierten Fluidstroms ermitteln. Weiterhin lässt jedes Proben- und Trennfluid sich aus einem Signal identifizieren, das von Strömungssensorkomponenten 408 im Strömungssensor 24 erzeugt wird – bspw. durch Verändern der Feldstärke oder der Dichte der magnetischen Perlen in einem Proben- oder Trennfluid oder beiden. Auch andersartige Sensorkomponenten können erfassbare Signale erzeugen – bspw. Fluoreszenz, Strahlung, elektrische Ladung od. dergl. Bspw. kann jede Probe ein Volumen im Bereich von etwa 3 μl bis 5 μl, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 μl bis 5 μl aufweisen. Die an eine bestimmte Reaktionsstelle abgegebene Menge kann im einem Bereich von etwa 50 nl bis (und vorzugsweise) 4 nl bis 5 nl liegen. Angesichts dieser Volumen kann der Zeitgeber 23 die Saugeinrichtung 44 aktivieren und reaktivieren oder den ersten Controller 202 oder die Controller 202, 212 er- und entregen, um eine Probe dosiert an eine bestimmte Reaktionsstelle auszugeben.
Um die an eine Reaktionsstelle auszugebende Probenmenge zu steuern, sind auch die Reibungseffekte des Kontakts der Probe mit der Innenwandfläche der Ausgabe-Zulaufleitung 20' zu berücksichtigen. Die 4C zeigt hierzu vergrößert einen weiteren Teil der Zulaufleitung 20', durch die ein erstes Probenfluid 404 gepumpt wird. Die Reibung zwischen der Probe 404 und der Wandung des Zulaufleitung 20' bewirkt, dass sich die äußeren vor- und nachlaufenden Kanten der Probe mit dem Trennfluid 402 mischen und Mischzonen 414 entstehen. Um zu gewährleisten, dass reine Probenanteile an die Reaktionsstellen auf dem Substrat 10 ausgegeben werden, werden ausgegebene Teile der ersten Probe 404 aus dem Bereich innerhalb der Probengrenzen 416 abgesaugt. Eine Vorder- und eine Hinterkante 410, 412 der ersten Probe 404 bilden sich in Richtung der Fluidströmung. Die Probengrenzen 416 kennzeichnen denjenigen Probenteil, der von den Reibungskräften unbeeinflusst bleibt und sich nicht mit Trennfluid 402 mischt. Die Lage der Probengrenzen 416 hängt auch von dem Druck, mit dem das Fluid 400 gepumpt wird, der Zusammensetzung der ersten Probe 404 und dem Werkstoff der Zulaufleitung 20' ab.
Wie die 5 zeigt, kann eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung 1 einen Multifunktionskopf 4 mit mindestens einer Fluid-Ausgabevorrichtung 1' zur Zufuhr mindestens eines Fluids von einer Fluidleitung 51 an mindestens eine der Reaktionsstellen sowie einer Leseeinrichtung 5 aufweisen. Die Leseeinrichtung 5 kann Einrichtungen zum Lokalisieren einer Reaktionsstelle – bspw. die Einrichtung zum Lesen einer Ortsmarke an dieser – und zum Überwachen der chemischen oder biochemischen Proben und Reaktionen an den Reaktionsstellen aufweisen. Jede dieser Fluid-Ausgabevorrichtungen 50' hat einen Ausgabeauslass (nicht gezeigt). Die Fluidik- und Erfassungsfunktionen der Vorrichtungen lassen sich also zu einem Multifunktionskopf 4 zusammenfassen.
In der 5, einer Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, weist die Vorrichtung 1' ein Substrat 10 auf einem Dreh-Einspannfutter 110 mit einer Spindel 111 auf. Ein Rotations-Schrittschaltmotor (nicht gezeigt) kann das Substrat 10 in beiden Richtungen des Pfeils A' drehen. Eine Schiene 14' ist über dem Substrat 10 angeordnet und teilt – bspw. halbiert – es. Auf der Schiene 14' ist ein Linear-Schrittschaltmotor 16' gelagert, so dass dieser entlang der Schiene 14' in einer Dimension in den Richtungen des Pfeils B' über das Substrat 10 bewegbar ist. Da Schrittschaltmotore Einsatz finden, lässt ein Multifunktionskopf sich an eine bestimmte Reaktionsstelle fahren, dort stoppen und in der Solllage arretieren, bis eine Reaktion abgeschlossen oder eine vorbestimmte, bspw. zum Erfassen von Reaktionsergebnissen ausreichende Zeitspanne abgelaufen ist.
Die Schiene 14' ist auf einer Stütze 13 gelagert. Die Stütze 13 kann auf einem Stellmotor (nicht gezeigt) sitzen, so dass sich der Multifunktionskopf 4 bezüglich des Substrats 10 heben und senken lässt.
Die Vorrichtung 1' kann eine im wesentlichen U-förmige Plattform 15' aufweisen, die an vier Plattformstützen 17' vom Linear-Schrittschaltmotor 16' abgehängt ist. Eine Ausgabe-/Leser-Halterung 115 ist in der Öffnung der U-förmigen Plattform 15' angeordnet. Auf der Halterung sind die Ausgabevorrichtung 50 mit der Fluid-Speiseleitung 51 und der Leseeinrichtung 5 mit drei LWL-Anschlüssen 52, 54a, 54b sowie den zugeordneten Lese-LWLn 53 und Spur-LWLn 55a, 55b angeordnet.
Obgleich die Ausgabevorrichtung 50 und die Leseeinrichtung 5 zunächst im Zusammenwirken der Bewegung des Substrats 10 durch den Rotations-Schrittschaltmotor (nicht gezeigt) und der der U-förmigen Plattform 15' durch den Linear-Schrittschaltmotor 16' positioniert wird, ist ein Nachstellen auf die Position der Fluid-Ausgabevorrichtung 50 und der Leseeinrichtung 5 mittels eines 3-Achsen-Mikropositionierers 56 möglich. Die Ausgabe-/Lesestütze 115 kann auf dem 3-Achsen-Mikropositionierer 56 und dieser seinerseits auf der U-förmigen Plattform 15' angeordnet sein. So kann der Mikropositionierer 56 die Ausgabe-/ Leseeinrichtung 115 in drei Achsen bewegen, um die Position des Fluid-Ausgabeauslasses (nicht gezeigt) und der LWL 53, 55a, 55b zu justieren.
Die Leseeinrichtung 5 lässt sich mit einem Spursystem wie bei einem CD-Aufnehmer zusammenfassen – bspw. dem optischen Aufnahmekopf des Typs KSS361A de Fa. Sony Corporation, Tokio, Japan; ebenso kann die Leseeinrichtung 5 physisch vom Spursystem getrennt werden. Bei bekannten optischen Aufnahmeköpfen, wie man sie in CD-Laufwerken findet, wird Licht aus einem Laser zu drei, d.h. einen mutigen und zwei flankierende Strahlen aufgeteilt und mittels eines Umlenkspiegels und einer Linse auf die CD-Oberfläche gerichtet. Der mutige Strahl trifft auf die CD-Oberfläche, um die binär kodierten Informationen zu lesen und ein Rückkoppelsignal zum Fokussieren des mittigen Strahls auf die CD-Oberfläche abzuleiten; die beiden flankierenden Strahlen liefern Rückkoppelsignale zur Führungs des Aufnehmerkopfes über die CD-Oberfläche. Das von der CD-Oberfläche reflektierte Licht wird durch die Linse und vom Umlenkspiegel durch den Strahlteiler geführt und fällt auf ein Fotodioden-Array. In Folge des Fotodioden-Arrays werden Rückkoppelsignale erzeugt. Die Arbeitsweise einer solchen Regelung ist ausführlich in G. Thomas und W. Ophey, "Optical Recording", PHYSICS WORLD, 36-41 (Dezember 1990) beschrieben.
Die Spurteilung einer CD beträgt etwa 1,6 μm, die Code-Pits auf der CD-Oberfläche sind etwa 0,5 μm breit. Die oben beschriebenen flankierenden Strahlen fallen mit einem Abstand von etwa 2,1 μm auf die CD-Oberfläche, also der Summe aus Spurteilung und Pit-Breite. Während ein Spurführungssystem im wesentlichen gleich dem oben für CDs beschrieben für die vorliegende Erfindung geeignet sein kann, können abhängig von der genauen Konfiguration des Multifunktionskopfes und des Substrats bestimmte Modifikationen erforderlich sein. In der vorliegenden Erfindung kann es bspw. erforderlich sein, den Trennungswinkel der flankierenden Strahlen so zu ändern, dass sie weiter voneinander entfernt oder näher beieinander auf die CD-Oberfläche fallen, um unterschiedlich großen Reaktionsstellen zu entsprechen. Dies kann durch Ändern oder Auswechseln der Linse erfolgen.
Wie festgestellt, kann die CD-Spurführung mit einer Laserdiode arbeiten, die primär Infrarotlicht aussendet. Die in CD-Spielern zu findende Laserdiode strahlt typischerweise einen Bruchteil eines Milliwatts ab. In Folge der mit der vorliegenden Erfindung durchgeführten Tests kann man die Laserdiode durch einen LWL-Anschluss ersetzen, der es erlaubt, eine Quelle elektromagnetischer Energie vorbestimmter Leistung und Wellenlänge optisch an die Vorrichtung anzuschließen. Weiterhin lässt sich im Weg der reflektierten Strahlen ein Beugungsgitter (nicht gezeigt) anordnen. Fallen so gebeugte Strahlen auf einen lineares Fotodioden-Array, entsteht ein Spektrometer, mit dem sich der Fortschritt oder das Auftreten einer biologischen oder chemischen Reaktion an einer Reaktionsstelle erfassen lässt.
In einer bevorzugten Ausführungsform lassen die Optik und die Laser-Eingabe der CD-Spurführung sich so modifizieren, dass es nicht nur zur Spurerfassung der Reaktionsstellen, sondern auch als Erregerquelle und zum Überwachen und Lesen der Testergebnisse an der Reaktionsstelle dienen kann. Wie oben festgestellt, wird die Optik der CD-Spurführung so geändert, dass die Trennung zwischen den drei projizierten Lichtstrahlen sich vergrößert; die beiden äußersten Strahlen sollen dann die Mulde an der Reaktionsstelle übergreifen. Die Laser-Diode der CD-Spurführung lässt sich dann von einem LWL-Anschluss ersetzen, über den sich Licht aus irgendeinem Laser einkoppeln lässt. Schließlich kann man die Fotodioden in der CD-Spurführung entsprechend der Wellenlänge und den niedrigen Lichtstärken austauschen, die aus den Reaktionsstellen zu erwarten sind. Alternativ ersetzt man einige oder alle Fotodioden durch eine geeignete Fotovervielfacher-Röhre.
Als Alternative zu dieser CD-Spurführung kann die Leseeinrichtung 5 drei Lichtwellenleiter wie bspw. drei 50μm-LWL aufweisen, die im Multifunktionskopf 4 zu einem Dreieck angeordnet sind. Wie die 5 zeigt, nimmt ein erster LWL-Anschluss 52 einen ersten LWL 53 auf. Der erste LWL 53 kann so gespalten – bspw. gegabelt – sein, dass der erste LWL 53 der Substratoberfläche Licht zuführt und an dieser reflektiertes Licht aufnimmt. Folglich kann in Folge des ersten LWL 53 die Vorrichtung chemische und biochemische Änderungen an den Reaktionsstellen erfassen und Indexmarken lesen. Der Laser bzw. die Lichtquelle wird auf Grund der auszuführenden Tests und Nachweise ausgewählt und mit einem LWL-Koppler wie dem Typ KT210 de Fa.Thor Labs, Inc., Newton New Jersey, V. St. A., an den ersten LWL 53 angeschlossen. Bspw. lässt sich der erste LWL 53 an eine Fotovervielfacher-Röhre (bspw. ein Fotodioden-Array) oder ein Spektrometer ankoppeln. Der zweite und der dritte LWL-Anschluss 54a, 54b nehmen einen zweiten LWL 55a bzw. 55b auf. Diese beiden LWL 55a, 55b laufen dem ersten LWL 53 nach und lassen sich mit individuell zugeordneten Fotodioden koppeln, die reflektierte elektromagnetische Energie aufnehmen und Spursignale erzeugen.
Die 6 zeigt die Leseeinrichtung 5 von unten. Die Figur stellt die Anordnung des Lese-LWLs 53 und der Spur-LWL 55a, 55b relativ zum Ausgabeauslass 60 dar. Bei dieser alternativen Spurführung wird auf bestimmte Bereiche des Substrats – vergl. bspw. die 7 – ein Antireflex-Belag aufgebracht. Elektromagnetische Energie kann auf dem ersten oder Lese-LWL 53 sowie dem zweiten und dritten bzw. den Spur-LWLn 55a, 55b oder ausschließlich über den Lese-LWL zugeführt werden. Die Modulation der reflektierten Lichtstärke durch den Antireflex-Belag macht die Index- und Spursignale lesbar.
Wie in der 7 gezeigt, kann eine Ortsmarke 70 sowohl ein Start-Bit 72, eine Indexmarke 74, ein Ausgabe-/Stopp-Bit 76 sowie ein Spur-Bit 78 aufweisen. Das Start-Bit 72 weist die Leseeinrichtung an, mit dem Lesen der Ortsmarke zu beginnen. Die Indexmarke 74 identifiziert die jeweilige Reaktionsstelle und kann aus einer oder mehreren Unter-Marken – bspw. 74a, 74b – bestehen. Das Ausgabe-/Stopp-Bit 76 kann den Multifunktionskopf 4 anweisen, in dieser Stellung zu stoppen oder die Ausgabe einer oder mehrerer Proben zur Durchführung eines chemischen Nachweises oder zum Auslösen einer biochemischen Reaktion einzuleiten. Die Spurmarke 78 führt dann den Ausgabeauslass (nicht gezeigt) über eine Reaktionsstelle 80. Wie sich aus einem Vergleich der 6 und 7 ergibt, nehmen bei über einer Ortsmarke 70 richtig zentriertem Multifunktionskopf 4 die Spur-LWL 55a, 55b von der Substratoberfläche reflektierte elektromagnetische Energie in gleicher Stärke auf. Durch Analyse einer Signaldifferenz lassen Verschiebungen des Multfunktionskopfes 4 oder eine Links/ Rechts-Fehlausrichtung des Multifunktionskopfes 5 erfassen und ggf. korrigieren. Wie bspw. in der 5 gezeigt, lassen die Fluid-Ausgabevorrichtung 50 und die Leseeinrichttng 5 sich mit dem ersten, zweiten und dritten LWL-Anschluss 52, 54a, 54b gemeinsam auf der U-förmigen Plattform 15' anordnen, die bewegbar an einen 3-Achsen-Mikropositionierer 56 angesetzt ist. Der Mikropositionierer 56 kann weitere Nachstellungen – bspw. in einem Bereich kleiner als etwa 15 mm mit etwa 1 μm Genauigkeit – in der Position der Ausgabevorrichtung 50 und des ersten, zweiten und dritten LWL-Anschlusses 52, 54a, 54b in drei Dimensionen ermöglichen, um die Ausrichtung des Ausgabeauslasses 60 oder der Lese- und Spur-LWL zu verbessern oder die Fokussierung der von der Substratoberfläche reflektierten elektromagnetischen Energie zu justieren. Zusätzlich kann zum Bestimmen des Auftretens und Fortschritts der Reaktion an der Reaktionsstelle der Lese-LWL 53 die Indexmarke abtasten. Der Lese-LWL 53 kann auch als Näherungssensor eingesetzt werden, um eine Bewegung des Multifunktionskopfes 4 vom Substrat weg oder zu ihm hin zu korrigieren. Dies lässt sich erreichen, indem man die Intensität des reflektierten Lichts in Bereichen ohne Antireflex-Belag überwacht.
Ein Grobabgleich kann erforderlich sein; folglich kann man den gesamten Multifunktionskopf mit der Positionsregelung zusammen auf einer XYZ-Verschiebungsbühne montieren, deren Bewegungsbereich signifikant größer ist als der der ebenfalls auf der XYZ-Verschiebungsbühne sitztenden Positions-Feinregelung. Durch Rückkopplung lässt sich eine Fein-Positionierung der Fluid-Ausgabevorrichtung und der Leseeinrichtung erreichen; man erreicht sie bspw. durch piezoelektrische Blöcke, Spulen, Schneckentriebe und dergl. Die Vorrichtung lässt sich zur Feineinstellung modifizieren, indem man einen zweiten 3-Achsen-Mikropositionierer zwischen den ersten Mikropositionierer und die Ausgabe/ Lese-Halterung einfügt. Dieser zweite Mikropositionierer hat einen kleineren Bewegungsbereich und eine höhere Genaugkeit als der erste – bspw. einen Einstellbereich kleiner als etwa 100 μm bei etwa 0,1 μm Genauigkeit.
Die Abschirmstruktur kann auch eine Kappe über dem Hohlraum jeder Reaktionsstelle aufweisen. Eine solche Kappe kann eine Öffnung enthalten, die groß genug, dass ein Fluidstrom durch sie geleitet werden kann, aber klein genug ist, dass das Fluid in der Kammer gehalten und ein Verdunsten des Fluids aus der Kammer reduziert oder beseitigt wird. Bspw. lassen sich Ströme aus Nanoliter-Volumen von Reagenzien, Reinigungsfluiden, Puffern und dergl. durch die Öffnung in der Kappe richten. Ein Tröpfchen mit großem Volumen bspw. im Bereich von etwa 0,1 μl bis 0,5 μl wird dann auf die Kappenöffnung ausgegeben. Hat das Tröpfchen eine ausreichend hohe Oberflächenspannung und wird es langsam genug ausgegeben, verschließt es die Kappenöffnung, ohne in den Hohlraum darunter einzudringen. Dieses Verschlusströpfchen kann als entfernbare Abdeckung wirken, die sich mittels der Zentrifugalkraft aus eine Drehung des Substrats abschleudern lässt.
Zusätzlich lässt das Verschlusströpfchen sich elektrisch schalten. Indem man mittels geeigneter Elektroden und Spannungen das elektrische Potential des Tröpfchens ändert, lassen dessen Netzeigenschaften sich ändern, um seine Haftung an der Kappe zu verstärken oder abzuschwächen. Weiterhin lassen sich im Hohlraum elektronische Bauteile zum Steuern des elektrischen Schalten der Abdecktröpfchen unterbringen.
Die 8A und 8B zeigen eine Reaktionsstelle 80 als geometrisch geschnittenen oder geätzten Hohlraum, der in der Oberfläche des Substrats 10 ausgebildet ist. Die Reaktionsstellen 80 lassen sich durch chemisches oder ionisches Ätzen oder dergl. herstellen. Weiterhin kann die Gestalt der Reaktionsstelle 80 teilweise von der Kristallstruktur des Substrats 10 abhängen. Obgleich die in den 8A, 8B gezeigte Reaktionsstelle mit einfacher Rechteckgestalt dargestellt ist, weist sie eine Ortsmarke 82 auf und ist sie mit einer Abschirmstruktur 84 versehen, die Verdunstungsverluste und Fluidverluste aus der Reaktionsstelle 80 sowie verhindert, dass Fluid die Ortsmarke 82 abdeckt. Die Oberflächen-Mikrobearbeitung ist in K. Gabriel, Engineering Microscopic Machines, SCIENTIFIC AMERICAN, 150-53 (September 1995) beschrieben. Das Substrat 10 kann mindestens etwa 20.000 und vorzugsweise mindestens 100.000 Reaktionsstellen enthalten.
Bspw. kann man in einer Oxidschicht, die man auf ein Silicium-Wafer aufwachsen lässt, ein radiales Muster aus im wesentlichen quadratischen Mulden mit etwa 110 μm Kantenlänge ausbilden. Ein Fotoresist (bspw. Microposit der Fa. Shipley Company, Marlborough, Massachusetts, V. St. A.) lässt sich zentrifugal auf der Oberfläche des Silicium-Wafers verteilen, durch eine Maske hindurch mit dem Sollmuster belichten, entwickeln und trocknen. Dann bringt man den Wafer in ein Flusssäurebad, um die frei liegende Oxidschicht zu entfernen, und dann in ein Kaliumoxidbad ein, um das abgedeckte Silicium zu ätzen. Fotoresistreste lassen sich mit Aceton, Oxidreste mit einem zweiten Flusssäurebad entfernen. Diese Prozedur ergibt anisotrop geätzte Mulden in der Gestalt einer umgekehrten Pyramide.
In den Reaktionsstellen 80 lassen sich feste Halterungssubstrate (nicht gezeigt) ausbilden. Diese Strukturen bieten einen Ort, an dem sich biochemische Sonden an den Reaktionsstellen 80 befestigen lassen. Mit diesen Sonden lassen sich bestimmte Targets wie Polymere binden – bspw. Polynucleotide, DNS, RNS, PNS sowie Antikörper, Antikörper-Fragmente oder deren Mischungen. Zusätzlich können die Sonden Targets wie einzelne Nucleotide und Nucleoside, wie Adenosin, Guanosin, Cytosin, Thymidin, Uracil oder deren Kombinationen sowie Molekularstrukturen wie Enzyme, Proteine, Plasmide, Chromosomen und Chromatide sowie Zellstrukturen wie Mitochondrien, Ribosome und dergl. binden, desgl. auch Mikroorganismen wie prokaryotische oder eukaryotische Zellen einschl. Säugetierzellen, Bakterien, Hefen und Protozoen, Viren, Phagen und Kombinationen derselben.
Diese Strukturen lassen sich fotolithografisch ausbilden oder es lassen sich Stoffe in das Substrat 10 aufnehmen, um die festen Halterungsstrukturen auszubilden. Bspw. sind geeignete Stoffe, mit denen sich Punkte zum direkten Ansetzen von Sonden darstellen lassen – Elektrometalle wie Gold, Nioboxid, Iridi umoxid, Platin, Titan, Zink und andere Metalle. Feste Halterungssubstrate und Sonden können eingesetzt werden, um zu gewährleisten, dass bestimmte Targets zum Testen an bestimmten Reaktionsstellen festgehalten werden. Die Verwendung solchen Strukturen und Sonden ist in der US-PS 5.532.128 (Eggers u.a.) beschrieben.
Die Ortsmarken 82 sind anhand der 7 diskutiert und können mehreren Funktionen dienen. Zunächst erlauben sie der Vorrichtung, die Startposition zu bestimmen. Zweitens erlauben sie der Vorrichtung, Fluid präzise einer vorbestimmten Reaktionsstelle zuzuführen, indem man die Ortsmarken einfach abtastet, bis die gewünschte gefunden ist. Obgleich drittens die mit den Schrittschaltmotoren erreichbare Präzision der Vorrichtung ermöglichen kann, ihre Bewegungen über die Oberfläche des Substrats 10 durch eine Art direkt ansteuernde Besteck- oder Koppelrechnung ("dead reckoning") zu bestimmen, kann sie Positionierfehler ermitteln, indem sie die jeweilige Position der Vorrichtung mit einem bekannten Abgleichpunkt oder einer Reaktionsstelle vergleicht. Da sich viertens Positionierfehler ermitteln lassen, kann die Vorrichtung sich selbst abgleichen, indem sie ihre berechnete mit der Ist-Position bezüglich des Abgleichpunkts bzw. der Reaktionsstellen auf dem Substrat 10 vergleicht.
Die 9A zeigt als Perspektive das Substrat 10 mit einer Spindel 90. Die Spindel 90 haltert das Substrat 10 und erlaubt den Rotations-Schrittschaltmotor, an ihm anzugreifen. Weiterhin kann die Spindel 90 elektrische Verbindungen zwischen elektronischen und elektromechanischen Element – bspw. mikroelektromechanischen Systemen – auf dem Substrat 10 und vom Substrat 10 getrennten Strom- und Steuersignalguellen ermöglichen. Die 9B–9D zeigt von oben Raumwinkelsektoren des Substrats 10 mit beispielhafte Ausführungsformen desselben.
Die 9B zeigt einen Raumwinkelsektor 92 mit einer Vielzahl von Reaktionsstellen 80, die radial von der Spindel 60 ausgerichtet sind. Jede Reaktionsstelle 80 hat eine Ortsmarke 82, die als zwei Stäbe aufweisend dargestellt ist. Diese identifizierende Marke soll nur beispielhaft gelten; andere solche Marken wie Indexmarken, Stab-, Zahlen-, Farbcodes und dergl. lassen sich ebenfalls einsetzen. Weiterhin kann eine Identifizierung aus einer Kombination von Zeichen oder Markenkombination oder beiden sowie der Lage der Marke bezüglich des Mittelpunkts des Substrats 10 oder der Spindel 90 bestehen.
Die 9c zeigt einen Raumwinkelsektor 92' mit einer Vielzahl kreisrunder Reaktionsstellen 80' sowie elektronischen oder elektromechanischen Elementen 93, die integral mit oder an den Reaktionsstellen 80' ausgebildet oder mit ihnen verbunden sind. Beispiele solcher elektronischen Elemente sind Transponder (Antwortsender) zur Aufnahme und Beantwortung von Abfragesignalen, Heizspulen zur Temperaturerhöhung an einer Reaktionsstelle, Temperatursensoren zum Messen oder Überwachen von Temperaturen oder Temperaturänderungen an einer Reaktionsstelle, Elemente zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Änderung des elektromagnetischen Feldes an einer Reaktionsstelle – bspw. zur Erzeugung von Elektrophorese oder zum Denaturieren von Substanzen, Fotosensoren zum Erfassen der Lichtemission aus chemischen oder biochemischen Reaktionen an einer Reaktionsstelle oder zum Erfassen von Änderungen der Substanzen durchtretenden Lichtmenge aus chemischen oder biochemischen Wechselwirkungen sowie chemisch empfindliche Schalter wie bspw. ChemFETs und ionensensitive Schalter wie ISFETs oder deren Kombinationen. Weiterhin lassen sich mit einer Widerstandsschlange Proteine bis zur Denaturierung erwärmen.
Generell sind chemisch und ionenempfindliche Schalter Transistoren, deren Gate-Elektrode durch eine ionenselektive permeable Membran ersetzt ist. Sie lassen sich einsetzen, um pH-Änderungen sowie Änderungen einer chemischen oder ionischen Zusammensetzung zu erfassen. Weiterhin kann das Substrat 10 mit verkämmten Finger-Arrays (IDAs) versehen sein. Ein IDA kann zwei Gruppen rechteckiger, miteinander verkämmter Elektroden aufweisen, die einander nicht berühren. Zwischen diesen Arrays ablaufende chemische Reaktionen, bei denen elektrische Ladungen entstehen, bewirken einen Stromfluss in den Arrays. Der resultierende Strom lässt sich überwachen, um den Reaktionsfortschritt an der Reaktionsstelle zu überwachen. Elektromechanische Elemente 93 können an der Reaktionsstelle Vibrationen erzeugen, mit denen sich eine Vielzahl von Substanzen rühren bzw. durchmischen lässt, um die chemische bzw. biochemische Wechselwirkung zu erleichtern oder zu beschleunigen.
Zusätzlich kann das Substrat 10 Elemente wie bspw. Elektroden aufweisen, die die elektrostatische Ladung auf dem Substrat 10 lokal ändern. Eine solche elektrostatische Ladung kann Fluid-Mikrovolumen abstoßen oder anziehen. Folglich lassen solche Elektroden sich verwenden, um die Abgabe präzise Mengen mindestens eines Fluids an die mindestens eine Reaktionsstelle zu unterstützen. Mit einer Vielzahl gesteuerter Elektroden lässt sich ein elektrostatisches Feld aus "Bergen" und "Tälern" über die gesamte Oberfläche des Substrats 10 und so eine Vielzahl "virtueller" Reaktionsstellen anlegen. Generell lassen die elektrostatischen Felder sich verwenden, um vertikale und horizontale Einschlussfelder zu erzeugen. Diese virtuellen Reaktionsstellen können eine gegenseitige Kontamination der Reaktionsstellen verhindern. Auch lässt die Oberflächenladung sich durch Ablagern einer Substanz mit einer Sollladung auf der Oberfläche des Substrats 10 manipulieren. Diese Technik lässt sich zusammen mit den oben beschriebenen Elementen einsetzen.
Die Reaktionsstellen 80' lassen sich mit Elementen 93 durch eine Reaktionsstellenverbindung 64 zusammenfügen. Wie mit den oben beschriebenen elektronischen oder elektromechanischen Elementen 93 demonstriert, können die Verbindungen 64 Informationen über die Reaktionsstelle übertragen oder sie können zur Energieübertragung zwecks Änderung der chemischen oder biochemischen Wechselwirkungen an den Reaktionsstellen oder zwecks beidem dienen. Weiterhin können die Elemente 93 miteinander verbunden werden – bspw. durch Axialverbindungen oder Radialverbindungen 96 oder eine Kombination beider. Weiterhin lassen sich Elemente 93 radial durch die Spindel 90 hindurch verbinden, so dass Signale aus einem Rechner (nicht gezeigt) oder einen anderen Signalguelle an die Elemente 93 übertragen und Daten von den Reaktionsstellen zur Speicherung und Analyse an einen Rechner oder eine andere Datenspeicher- und Analyseeinrichtung gesendet oder auf einem Monitor oder Drucker oder dergl. dargestellt bzw. ausgegeben werden können. Alternativ lassen Elemente sich über eine Einrichtung zum Verknüpfen zweier oder mehrerer Signale, d.h. einen Multiplexer (nicht gezeigt) verbinden. Indem man bspw. eine Vielzahl von Multiplexern mit jeweils zwischen 10 bis 100 Anschlüssen einsetzt, lassen sich alle Reaktionsstellen auf dem Substrat untereinander verbinden.
Die 9D zeigt einen Raumwinkelsektor 92" mit einer Vielzahl kreisrunder Reaktionsstellen 80', einem Verteilpunkt 97 und einer Vielzahl im wesentlichen radialer Kanäle 98, die den Verteilpunkt 97 mit den Reaktionsstellen 60' verbinden. Im Betrieb kann der Ausgabeauslass 21 mit dem Rotations- und dem Linear-Schrittschaltmotor 12, 16 auf den Verteilpunkt 97 ausgerichtet und an letzteren dann eine Fluidmenge ausgegeben werden. Mit dem Rotations-Schrittschaltmotor lässt das Substrat 10 sich dann so schnell drehen, dass eine Zentrifugalkraft entsteht, die einen Teil des Fluids vom Verteilpunkt 97 durch die Kanäle 98 zu den Reaktionsstellen 80' zieht.
Wie oben festgestellt, zeigt die 9D eine Ausführungsform mit Kanälen 98, die die Zentrifugalkraft aus der Drehung des Substrats 10 ausnutzt. Derartige Kanäle sind jedoch zum Transport von Fluiden an die verschiedenen Reaktionsstellen nicht nötig. Bringt man genug Fluid in einen oder mehrere Verteil punkte 97 ein, überträgt die beim Drehen des Substrats 10 erzeugte Zentrifugalkraft ein Fluid über die gesamte Oberfläche des Substrats 10 und an alle Reaktionsstellen 80'. Die erforderliche Fluidmenge hängt ab von der Größe des Substrats, der Anzahl der Reaktionsstellen, der in jeder Reaktionsstellen benötigten Fluidmenge und der Lage des bzw. der Verteilpunkte.
Die 10 zeigt von oben zwei Reaktionsstellen 80, die ein Kanal 100 und eine Mikrofluidik-Einrichtung 102 wie bspw. eine Mikrofluidik-Pumpe oder ein solches Ventil miteinander verbinden. Ein stufenweises chemische oder biochemisches Testen lässt sich erreichen, indem man eine Reaktionsstelle ein oder rmehrere Fluide für eine erste Teststufe und dann das oder die Produkte dieser ersten Stufe mittels der Vorrichtung 102 in den Kanälen 100 einer oder mehreren anderen Reaktionsstellen für die nachfolgenden Teststufen zuführt. Die Kanüäle lassen sich in die Oberfläche des Substrats einätzen oder sonstwie einbringen. Alternativ kann man die Kanäle 100 als röhrchenartige Leitungen ausführen, die unter der Oberfläche des Substrats 10 verlaufen und ein Überführen von Fluiden oder von Produkten chemischer oder biochemischer Reaktionen auf mehreren Ebenen zwischen den Reaktionsstellen ermöglichen.
Die Erfindung lässt sich vollständiger anhand der folgenden Beispielen und Testergebnissen verstehen, die für die Erfindung sowie deren Arbeitsweise und Einsatzfälle jedoch nur als beispielhaft gelten sollen.
Beispiele und Testergebnisse
In einem ersten Beispiel wurden die Proben über ein Ausgabe-Zulaufröhrchen dem Ausgabeauslass zugeführt werden. Proben und Trennfluide, d.h. ein nicht mischbares Fluid oder ein Lösungsmittel, würden als serialisiertes Fluid das Zulaufröhrchen durchlaufen. Luftspalte würden sich zwischen den Proben und jedem Trennfluidpfropf bilden. Das serialisierte Fluid würde dann an den Ausgabeauslass weiter gegeben, und zwar mit einer Druckdifferenz relativ zum Umluftdruck im Behälter 18 – bspw. mit einem Überdruck im einem Bereich von etwa 0.01 bis 2000 psi [0,0007 bar bis 138 bar] und vorzugsweise einem Überdruck in einem Bereich kleiner als etwa 500 psi [34,5 bar], so dass die Luftspalte nicht wesentlich komprimiert werden. Die Bewegung der Proben lässt sich mit einer Fotodiode und einem Fotoemitter überwachen, die die Änderung des Brechungsindex beim Vorbeilauf der Luftspalte am Sensor erfassen. Die Zeitspanne zwischen dem Erfassung und der Ausgabe würde dann auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden.
Die Fluidströmung kann kontinuierlich ausgegeben werden. Am Ausgabeauslass würde jedoch ein Saug-Rücklaufleitung vorgesehen werden derart, dass diese den Trennfluidanteil der Fluidströmung sowie die vor- und nachlaufenden Probenanteile absaugt. Vergl. die 4C. Der nicht abgesaugte Fluidanteil würde zeitgesteuert vom Ausgabeauslass direkt auf die Oberfläche eines Silicium-Wafers fließen. Die mit einer Saug-Rücklaufleitung verbundene Saugeinrichtung wäre ein Hochvakuumsystem, das über Hochleistungs-Elektromagneten gesteuert wird, die in ausreichender Entfernung vom Ausgabeauslass angeordnet sind, so dass die Kräfte kein Schütteln des Ausgabeauslasses an der Nähe des Siliciumsubstrats verursachen.
Es kann also ein kontinuierlicher Fluidstrom aufgebracht werden, der alles – Reaktionsstellen und Bereiche ohne Reaktionsstellen – abdeckt; es lassen sich auch individuelle Proben individuellen Reaktionsstellen zuführen.
Sobald die Reaktionen stattgefunden haben, lassen die Reaktionsergebnisse sich Lesen. Dies erfolgt unter Verwendung eines Lichtwellenleiters, das am Ausgabeauslass angeordnet ist. Die gesamte Substratoberfläche würde dann mit UV-Licht bestrahlt werden. Reaktionsstellen, in denen eine blockierende Reaktion erfolgte, würden keinerlei Fluoreszenz eines Fluorophor in der bzw. den Proben – bspw. in Folge von dort konjugierten Proteinen – zeigen. Andere Reak tionsstellen würden fluoreszieren. Vorzugsweise wendet man jedoch das umgekehrte Verhalten an, bei dem ein Forscher das Auftreten einer Reaktion anhand des Vorliegens – nicht des Fehlens – von Fluoreszenz bestimmt.
An den Reaktionsstellen lassen sich identifizierende Markierungen – bspw. Indexmarken und Stabcodes – vorsehen; ein Leser erfasst Änderungen des Reflexionsverhaltens derselben. Mit UV- oder anderem Licht lässt sich das Auftreten einer Reaktion bestimmen, desgl. die Identität einer Reaktionsstelle. Im allgemeinen lassen sich Reaktionsstellen direkt ansteuern; ein solches System erfordert jedoch einen periodischen Neuabgleich. Ein Rückkoppelsystem – bspw. unter Verwendung von identifizierenden Markierungen – kann die Genauigkeit eines solchen Positionierungssystems bestätigen und es ggf. neu abgleichen.
Die folgenden Tests wurden mit Proben aus Rhodamin-610-Perchlorat in Butanol in etwa 2E-4-molarer Konzentration (im Folgenden als "Rhodamin-Lösung" bezeichnet) durchgeführt. In einer Anordnung der in 5 und 6 gezeigten Art wurde ein grüner He-Ne-Laser einer Wellenlänge von etwa 543,5 mm verwendet, um Licht entlang eines ersten Teils eines gegabelten LWL – bspw. des LWL 53 zu senden. Das gemeinsame Ende des gegabelten LWL wird rechtwinklig auf einen Silicium-Wafer (das Substrat) auf einem Drehfutter (bspw. dem Drehfutter 110 in 5) gerichtet. Der gegabelte LWL ließ etwa 53 μW Laserlicht auf Tröpfchen von Rhodamin-Lösung fallen, die von einem Fluid-Ausgabevorrichtung des Typs Biojet Quanti3000^TM ausgegeben wurde. Der an der Substratoberfläche reflektierte Laserlichtanteil wird mit dem gemeinsamen Ende des gegabelten LWL aufgefangen und entlang eines zweiten Teils des gegabelten LWL weitergegeben. Das vom zweiten LWL-Teil empfangene Signal wird in einem Hochpassfilter mit etwa 565 nm Grenzwellenlänge von dem Laser zuzuordnendem Rauschen und Rückkoppelanteile befreit. Das gefilterte Signal wurde dann zur Analyse auf eine Fotovervielfacher-Röhre (PMT) bspw. des Typs 5784-01 der Fa. Hamamatsu Corporation, Bridgewater, New Jersey, V. St. A. gegeben.
Test 1
Der Zweck dieses ersten Tests ist (1) die Bestimmung, ob die Leseeinrichtungen der für die vorliegende Vorrichtung gedachten Art die kleinen Volumen der Rhodamin-Lösung aus den für die genannten Ausführungsformen diskutierten Fluid-Ausgabevorrichtungen überhaupt erfassen können, sowie (2) die Bestimmung des Signalmaximums und des Rauschabstands (SNR). Bei diesem Test wurden folgende Schritte ausgeführt: Ausgeben eines Tröpfchens Rhodamin-Lösung mit einem Volumen von etwa 10,4 nl auf einen Silicium-Wafer und schrittweises Fahren der Leseeinrichtung über das Tröpfchen mit etwa 1 mm/s Geschwindigkeit und dabei Abtasten des PMT-Ausgangssignals mit etwa 1000 Hz.
In der 11 ist das 10,4nl-Tröpfchen deutlich erkennbar. Es wurde ein Signalmaximum von etwa 3,5 V bei etwa 250 mV Rauschen gemessen. Für die verfügbaren Fluid-Ausgabe- und Leseeinrichtungen ergab sich also rechnerisch ein SNR von etwa 14:1. Ein wesentlicher Anteil des Signalrauschens hätte sich mit einem Bandpassfilter mit etwa 580 nm Mittenfrequenz, dem Emissionsmaximum der Rhodamin-Lösung – anstelle eines Hochpassfilters – beseitigen lassen. Da weiterhin das Licht aus dem LWL nicht gebündelt wurde, ergab sich eine weitere Beeinträchtigung des Signals.
Der Tröpfchendurchmesser auf dem Silicium-Wafer lässt sich aus den Abtastdaten näherungsweise zu etwa 650 μm bestimmen. Ein 10,4nl-Fluidkugel hat rechnerisch jedoch einen Durchmesser von etwa 270 μm. In Folge von Wechselwirkungen der Oberflächenenergie zwischen dem Tröpfchen und dem Silicium-Wafer kann das Tröpfchen Rhodamin-Lösung sich auf der Oberfläche ausbreiten und sie bedecken. Dieses Ausbreiten erfolgte teilweise, weil die Tröpfchen in einem flachen Oberflächenbereich des Silicium-Wafers, nicht in einer geätzen Mulde aufgetragen wurden. Daher wich die effektive Weglänge des Lichts in der Probe ab, was das resultierende Signal abschwächte. Mit einer geeigneten Geometrie – d.h. Mulden – und geeigneten Oberflächenbelägen ließe sich die Weglänge sicherlich um einen Faktor von min. 2 verlängern.
Test 2
Der Zweck dieses zweiten Tests war die Herstellung eines Intensität/Dicke-Profils eines 0,4nl-Tröpfchens, um unter Verwendung verfügbarer Leseeinrichtungen die unteren Grenzen des verfügbaren dynamischen Erfassungsbereichs sowie die Ursache der Hysterese im Intensitätssignal zu bestimmen. Bei diesem Test wurden folgende Schritte durchgeführt: Ausgeben eines Tröpfchens Rhodamin-Lösung mit etwa 10,4 nl Volumen auf einen Silicium-Wafer und schrittweises Hin- und Herfahren der Leseeinrichtung über dem Tröpfchen mit etwa 0,5 mm/s Geschwindigkeit und dabei Abtasten des PMT-Ausgangssignals mit etwa 500 Hz Abtastrate.
Die Intensitätskurve eines Tröpfchens ist primär eine Funktion von zwei Variablen, d.h. der Erregungspfadlänge, d.h. im wesentlichen der Tröpfchendicke, und des Fokussiereffekts, der sich beim Lichtdurchgang durch das Tröpfchen ergibt. Da die getesteten Tröpfchen relativ flach waren, war die Modulation des Intensitätssignals größtenteils der Dickenmodulation über das Tröpfchen – nicht einem Fokussiereffekt – zuschreibbar. Folglich zeigen die Daten der Vorwärtsabtastung in 12A, dass – wie zu erwarten – die (dickenproportionale) Erregungsweglänge des Tröpfchens in der Tröpfchenmitte am größten und am Tröpfchenrand am kleinsten ist. Der linke Rand des Intensitätsprofils zeigte, dass ein messbares Signal über eine Distanz von etwa 85 μm erzeugt wurde. Der rechte Profilrand zeigte jedoch, dass über eine entsprechende Distanz das erzeugte Signal etwa das 1,5-fache des Signals am linken Rand betrug. Die Differenz weist darauf hin, dass sich bei größeren Weglängen auch kleinere Tröpfchenbereiche auflösen lassen.
Die Intensitätskurve der Vorwärtsabtastung zeigte eine ausgeprägte Asymmetrie. Wie aus 12B und der Intensitätskurve der Rückwärtsabtastung ersichtlich, war die Ursache der Hysterese das Tröpfchen selbst. Das Rückwärts-Intensitätsprofil war ein spiegelbildliches Abbild der Vorwärtsintensitätsprofils. Dies weist darauf hin, dass das Tröpfchen auf dem Silicium-Wafer leicht nach rechts "geschoben" wurde. Dieser Versatz kann an der Fluiddynamik der Fluid-Ausgabevorrichtung, elektrostatischen Effekten oder einer Kombination beider liegen. Der Signalverlust von etwa einem halben Volt in der Rückwärts-Intensitätskurve war durch die Verdunstung aus dem Tröpfchen beim Testen bedingt.
Test 3
Der Zweck des dritten Tests war, die Genauigkeit des Rückkopplungs-Schrittschaltmotors bei offenem Ansteuerkreis zu zeigen und das erfassbare Mindestvolumen grob abzuschätzen. Bei diesem Test wurde ein einzelnes Tröpfchen mit etwa 10,4 nl Volumen an einer bekannten Stelle aufgetragen, die Leseeinrichtung durch direkte Ansteuerung an das Tröpfchen heran gefahren und das PMT-Ausgangssignal mit etwa 1000 Hz Abtastrate bis zum völligen Verdunsten des Tröpfchens überwacht.
In der 13 sind die Arbeits- und die Ansteuergenauigkeit des Schrittschaltmotors dargestellt. Das Maximum von etwa 3,25 V entspricht den Maxima des Tests 1 beim Abtasten eines Tröpfchens. Dies weist darauf hin, dass der Schrittschaltmotor und seine Ansteuerung in der Lage sind, einen Multifunktionskopf im wesentlichen in die Mitte eines Tröpfchens zu bringen. Weiterhin lässt sich, wie oben diskutiert, der 3-Achsen-Mikropositionierer einsetzen, um einen über eine Reaktionsstelle gefahrenen Multifunktionskopf bspw. im Bereich von weniger als etwa 15 mm bei etwa 1 μm Genauigkeit in jeder der drei kartesischen Achsen nachzustellen.
Während das Tröpfchenvolumen durch Verdunsten abnimmt, nimmt auch die Signalstärke ab und gibt dabei den Verlust an Tröpfchenvolumen wieder. Bei einem bestimmten kritischen Volumen, das teilweise vom Anfangsvolumen des Tröpfchens, seiner Zusammensetzung und seiner Lage – bspw. auf der flachen Substratoberflächbe oder in einer Mulde – abhängt, wird sich der Verdunstungsvorgang signifikant beschleunigen. Es sei angenommen, dass das Volumen in linearem Zusammenhang mit der Intensität steht und das Tröpfchen beim anfänglichen Erfassen ein Volumen von 10,4 nl hat; durch Extrapolation lässt sich dann ein 1V-Signal einem Volumen von etwa 3 nl zuordnen. Folglich kann ein Volumen von etwa 3 nl eine untere Grenze für das Erfassen eines Tröpfchens – mit der in diesem Test eingesetzten Ausrüstung – sein.
Dennoch können andere Konfigurationen das Erfassen noch kleinerer Volumen zulassen. Dabei kann es sich um Modifikationen an dem Übertragungsverhalten der Leseeinrichtung und an der Analyse des Abfragelichts handeln – bspw. ein Verlängern der Weglänge des Laser-Erfassungsstrahls, die Verwendung eines Bandpassfilters zur Rauschminderung oder -beseitigung, das Bündeln des Lichts aus dem ersten Teil des gegabelten LWL, eine höhere Leistung der Erregungsguelle – bspw. des Lasers – sowie Kombinationen dieser Maßnahmen. Weiterhin lässt sich die Substratstruktur modifizieren, um die Erfassungsfähigkeiten zu verbessern – bspw. durch die Ausbildung von Mulden, die in Folge ihrer Geometrie das Licht in den zweiten Teil des gegabelten LWL zurück reflektieren, das Anbringen von Fotodioden am Boden der Mulden und dergl. Schließlich lassen die Erfassungsfähigkeiten sich durch systemische Änderungen verbessern – bspw. ein Reduzieren der Kopplungsverluste in der gesamten Vorrichtung.
Test 4
Dieser vierte Test sollte zeigen, dass sich ein Binärcode erfolgreich auf das Substrat aufbringen und von der Leseeinrichtung lesen lässt. Dabei wurden folgende Schritte durchgeführt: Aufbringen eines 3-Bit-Codes mit einem Start- und einem Stopp-Bit auf einen Silicium-Wafer entlang eines Rings und nachfolgendes Schrittschalten des Rotations-Schrittschaltmotors derart, dass der abzutastende Ringaußenrand unter dem gegabelten LWL durchläuft. Das resultierende Intensitätssignal wurde mit 1000 Hz abgetastet. Der Binärcode wurde aus 0,1 μl-Tröpfchen Rhodamin-Lösung gebildet, wobei das Vorliegen eines Tröpfchens eine "1" und dessen Fehlen eine "0" darstellen sollte. Das Start- und das Stopp-Bit wurden jeweils mit einem einzigen Tröpfchen bezeichnet.
Wie die 14 zeigt, wurde der 3-Bit-Code erfolgreich abgelegt und ausgelesen. Die Schwankungen der Impulsamplitude und -dauer lagen primär an der Verdunstung der Tröpfchen über die Dauer des Lesevorgangs. Generell erzeugten später im Lesevorgang ausgelesene Bits niedrigere Signalamplituden. Das zeigt, dass beim Prüfen eine erhebliche Verdunstung stattfand. Dennoch blieb der Bitcode auch bei reduziertem Tröpfchenvolumen lesbar.
Anhand der 15 wird nun ein zweites Beispiel beschrieben, das die Schnittstelle der Bauelemente einer Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Multifunktionskopf beschreibt. In dieser Ausführungsform lässt die Funktionskontrolle der Vorrichtung insgesamt sich mit einem Allzweck-Rechner 150 – bspw. mit einem Pentium-II-Mikroprozessor der Fa. Intel Corporation, Santa Clara, Kalifornien, V. St. A. oder dergl. – durchführen, der mit mindestens 300 MHz arbeitet. Vorzugsweise ist der Rechner 150 mit geeigneter Software ausgerüstet, die eine Codierumgebung zum Zugriff auf periphere Komponenten schafft. Eine geeignete Software ist bspw. das Produkt LabVIEW^®, Teile-Nr. 776670-03, sowie das Steuerungs-Toolkit LabVIEW^®PID, Teile-Nr. 7766634-11, die von der Fa. National Instruments, Inc., Austin, Texas, V. St. A., im Handel erhältlich sind.
Der Rechner 150 ist mit einem Motor-Controller 151 verbunden – bspw. einem Controller des Typs AT6200 der Fa. Parker Compumotor Company, Rohnert Park, Kalifornien, V. St. A. Der Motor-Controller 151 gibt Anweisungen aus dem Rechner 150 an einen Linear-Schrittschaltmotor 152a (bspw. des Typs L20 der Fa. Parker Compumotor Company, Rohnert Park, Kalifornien, V. St. A.) und einen Rotations-Schrittschaltmotor 152b (bspw. des Typs Zeta 57-51-10 mit Treiber Zeta 4 der Fa. Parker Compumotor Company, Rohnert Park, Kalifornien, V. St. A.).
Weiterhin kann der Rechner 150 an eine Multifunktionssteuerung 153 bspw. eine DAQ-Platine Modell AT-MIO-16DE der Fa. National Instruments, Inc., Austin, Texas, V. St. A., angeschlossen sein. Mit einem flach aufgebauten Mikropositionierer 155 (bspw. ein 3-Achsen-Positionierer des Typs CR 4000 der Fa. Daedal Division, Parker Compumotor, Rohnert Park, Kalifornien, V. St. A.) lassen sich Nachstellungen einer Fluid-Ausgabe- und Leseeinrichtung entlang kartesischer Achsen im Bereich von weniger als etwa 15 mm mit etwa 1 m vornehmen. Die Multifunktionssteuerung 153 gibt Betriebsbefehle aus dem Rechner 150 an mindestens eine Fluid-Ausgabevorrichtung 154 (bspw. des Typs Biojet Quanti3000^TM der Fa. BioDot, Inc., Irvin, Kalifornien, V. St. A.) und einen Laser 156 weiter. Der Laser 156 gibt einen Lichtstrahl über ein erstes Bandpassfilter auf die Oberfläche eines Substrats 10. Der Laser 156 und das erste Bandpassfilter 157 werden nach den durchzuführenden Nachweisen ausgewählt. An der Substratoberfläche reflektiertes Licht kann über ein zweites Bandpassfiler 158 auf eine Fotovervielfacher-Röhre 159 (bspw. Typ 5784-01 der Fa. Hamamatsu Corporation, Bridgewater, New Jersey, V. St. A.) gehen.
In dieser Ausführungsform sind die Fluid-Ausgabevorrichtung 154, der Mikropositionierer 155 und die Leseeinrichtung auf einem Multifunktionskopf zusammengefasst. Licht aus dem Laser 156 wird über einen LWL auf die Leseeinrichtung gegeben und vom Ende des LWL auf das Substrat 10 geworfen. Ein geeigneter LWL zum Übertragen des Laserlichts ist ein gegabelter LWL – bspw. der gegabelte 50 μm-LWL mit der Teile-Nr. BIF50 UV/VIS der Fa. Ocean Optics, Inc., Dunedin, Florida, V. St. A. Hiermit ist es möglich, mit einem einzigen LWL-Kabel Laserlicht auf das Substrat 10 aufzubringen und es zur Fotovervielfacher-Röhre 159 zurück zu führen.
Wie oben anhand der 5 und 6 beschrieben, lassen sich Spur-LWL verwenden, um das Heranführen des Multifunktionskopfes and die Reaktionsstelle und das Ausrichten desselben auf sie zu unterstützen. Derartige LWL können so ausgeführt sein, dass sie nur an der Oberfläche des Substrats 10 reflektiertes Licht, aufnehmen, das vom Laser 156 erzeugt und mit dem oben beschriebenen gegabeleten LWL zugeführt wurde. Alternativ kann es sich auch bei den Spur-LWLn um gegabelte solche handeln, die zur Spurführung ihr eigenes Licht abgeben. Das den Spur-LWLn zugeführte Licht lässt sich mit dem Laser 156 oder mit einem oder mehreren separaten Lasern erzeugen.
In einer Ausführungsform sind die Spur-LWL gegabelt und können sie vom Laser 156 erzeugtes Licht auf die Oberfläche des Substrats bringen. Vor dem Abstrahlen des Lichts aus diesen Spur-LWLn auf die Oberfläche des Substrats 10 kann das von jedem LWL übertragene Licht ein separates Bandpassfilter durchlaufen, so dass das vom Spur-LWL jeweils abgegebene Licht von dem von dem anderen Spur-LWLn und dem vom Lese-LWL abgegeben Licht unterscheidbar ist. Wie oben hinsichtlich des Lese-LWL beschrieben, kann das von den Spur-LWLn aufgenommene reflektierte Licht ebenfalls wieder gefiltert werden, bevor es zur Analyse auf einen Fotovervielfacher oder ein Fotodioden-Array gegeben wird.
Andere Ausführungsformen der Erfindung liegen für den Fachmann, der die vorliegende Beschreibung gelesen oder die hier offenbarte Erfindung durchgeführt hat, auf der Hand. Diese Beschreibung und die Beispiele sind nur als beispielhaft zu betrachten. Während die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für den Fachmann einzusehen, dass an diesen Varianten und Modifikationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. FIGURENBESCHRIFTUNGEN Fig. 11

Scan of a ... Abtastung eines 1,4nl-Tröpchens

Volts Amplitude (V)

Microns Abtastweg (μm)

Fig. 12A

Forward scan ... Vorwärtsabtastung eines 1,4nl-Tröpchens

Voltage Amplitude (V)

Microns Abtastweg (μm)

Fig. 12B

Reverse scan ... Rückwärtsabtastung eines 1,4nl-Tröpchens

Voltage Amplitude (V)

Microns Abtastweg (μm)

Fig. 13

Evaporation ... Verdunstungsdauer eines 1,4nl-Tröpchens

Volts Amplitude (V)

Time ... Zeit (s)

Fig. 14

3-Bit-code ... 3-Bit-codeAbzählung

Volts Amplitude (V)

Sample number Probennummer

Fig. 15

10: Substrat
150: Allzweck-Rechner
151: Motorsteuerung
152a: Linear-Schrittschaltmotor
152b: Rotations-Schrittschaltmotor
153: Multifunktionssteuerung
154: Fluid-Ausgabevorrichtung
155: Mikropositionierer
156: Laser
157: Bandpassfilter
158: Bandpassfilter
159: Fotovervielfacher-Röhre

Claims

Vorrichtung zur Durchführen einer Vielzahl von Probenanalysen mit: einem axial drehbaren Substrat, das eine Vielzahl konzentrisch angeordneter, nicht miteinander verbundener Reaktionsorte aufweist; Einrichtungen zum Drehen des Substrats und zum Steuern von dessen Drehung; einem Multifunktions-Kopf, der eine Flüssigkeits-Ausgabeeinrichtung, mit der eine Flüssigkeit an die Reaktionsorte ausgebbar ist, einen Flüssigkeitausgabeauslass und eine Ausleseeinrichtung aufweist; einer Einrichtung zum Identifizieren mindestens eines der Reaktionsorte; und einer Einrichtung, mit der der Multifunktionskopf so ausrichtbar ist, dass der Flüssigkeitausgabeauslass mit mindestens einem der Reaktionsorte ausgerichtet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mit der Dreheinrichtung das Substrat mit einstellbarer Geschwindigkeit drehbar und in den Stillstand versetzbar ist und die genannte Einrichtung die Drehung des Substrats durch Einstellen der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Drehrichtung steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mit der Dreheinrichtung das Substrat mit Geschwindigkeiten steuerbar ist, die eine Zentrifugalkraft erzeugen, bei der ein Teil des Fluids vom Reaktionsort entfernt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Multifunktionskopf eine Flüssigkeitausgabeeinrichtung aufweist, die auf einer Schiene sitzt, die im wesent lichen parallel zur Oberfläche des Substrats gerichtet ist, und deren Ausrichteinrichtung einen Linear-Schrittschaltmotor aufweist, mit dem die Flüssigkeitausgabeeinrichtung entlang der Schiene so positionierbar ist, dass der Flüssigkeitausgabeauslass zum umlaufenden Substrat weist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Schiene quer über das Substrat verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 4, deren Dreheinrichtung einen Dreh-Schrittschaltmotor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, deren Multifunktionskopf auf dem Linear-Schrittschaltmotor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, deren Identifikationseinrichtung einen Sensor aufweist, der auf dem Multifunktionskopf angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Sensor ein Signal empfängt, das vom Substrat ausgeht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Sensor ein Abfragesignal aussendet und ein Ortsbestimmungssignal empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Sensor eine Ortsbestimmungsmarkierung auf der Oberfläche des Substrats liest.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Sensor eine Spurverfolgungsmarkierung auf der Oberfläche des Substrats liest.
Vorrichtung nach Anspruch 4, deren Ausrichteinrichtung einen Rechner mit einem Speicher zur Aufnahme eines Startorts für den Multifunktionskopf auf der Substratoberfläche aufweist und der Rechner Bewegungssignale an den Dreh- und den Linear-Schrittschaltmotor abgibt, mit denen die Motoren den Multifunktionskopf ausrichten, so dass sich die Flüssigkeitausgabeeinrichtung über mindestens einem der Reaktionsorte im wesentlichen ausrichten lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Multifunktionskopf eine Mechanik zum Erfassen chemischer Reaktionen mit einer Quelle und einem Empfänger elektromagnetischer Energie aufweist, wobei die Quelle elektromagnetische Energie in einen ersten der Vielzahl von Reaktionsorten richtet und dort erzeugte elektromagnetische Energie vom Empfänger empfangen und analysiert wird, um eine chemische Reaktion oder deren Produkte zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Quelle elektromagnetischer Energie ein Lichtwellenleiter ist, der mit einer Lichtquelle gekoppelt ist und von der Lichtquelle erzeugtes Licht in den mindestens einen Reaktionsort richtet, und der Empfänger elektromagnetischer Energie ein Lichtwellenleiter ist, der funktionell mit einem Photovervielfacher gekoppelt ist, der ein Bandpassfilter enthält und der ein elektrisches Signal erzeugt und an einen Rechner sendet, um die chemische Reaktion zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Multifunktionskopf eine Mechanik zum Erfassen chemischer Reaktionen mit einem Empfänger elektromagnetischer Energie aufweist, bei dem durch chemische oder biologische Reaktionen an mindestens einem der Reaktionsorte erzeugte elektromagnetische Emissionen zu Erfassung auf einen elektromagnetischen Energiedetektor kanalisiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens einer der Reaktionsorte ein im Substrat ausgebildeter geometrischer Hohlraum ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der mindestens einer der Reaktionsorte ein im Substrat ausgebildeter geometrischer Hohlraum mit einer Vielzahl von Flächen ist, die so orientiert sind, dass sich elektromagnetische Energie in dem Hohlraum reflektieren lässt, um die Weglänge der elektromagnetischen Energie zu vergrößern.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der auf einer Umfangsfläche des Hohlraums reflektierende Sperren ausgebildet sind, um aus einem angrenzenden Hohlraum kommende elektromagnetische Störungen zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Substrat aus einem Werkstoff aus der aus Glas, Keramik, Halbleitermaterialien, Kunststoffen, Verbundstoffen sowie deren Kombinationen bestehenden Gruppe hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Substrat in den Reaktionsorten ausgebildete feste Stützstrukturen aufweist, die eine Vielzahl von Stellen ergeben, an denen sich Sonden an die Reaktionsorte ansetzen lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Strukturen aus einem elektrometallischem Material ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeit diskrete Mengen eines Flüssigkeitsaliquots und eine Trennflüssigkeit aufweist und die Ausgabeeinrichtung eine Pumpe, eine Saugeinrichtung, die einen Strom aus der Ausgabevorrichtung ziehen kann, und eine Zeitgabeeinrichtung aufweist, mit der die Saugeinrichtung steuerbar ist, wobei die Pumpe abwechselnd eine erst diskret Menge des Flussigkeitsaliquots und eine zweite diskrete Menge der Trennflüssigkeit in eine Ausgaberöhrchen zieht und eine serialisierte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaliquot und der Trennflüssigkeit mit kontrolliertem Druck an die Ausgabeeinrichtung abgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Zeitgabeeinrichtung eine Strömungsrate der Strömung im Ausgaberöhrchen misst und die Saugeinrichtung deaktiviert und danach erneut aktiviert, um einen Teil der ersten diskreten Menge des Flüssigkeitsaliquots an mindestens einen der Reaktionsorte ausgeben zu lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die erste diskrete Menge des Flüssigkeitsaliquots im wesentlichen identisch mit der zweiten diskreten Menge der Trennnflüssigkeit ist, wobei das Flüssigkeitsaliquot eine Strömungssensorkomponente und die Zeitgabeeinrichtung einen Strömungssensor aufweist, mit dem die Strömungssensorkomponente bei deren Vorbeilauf am Sensor erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der es sich bei der Strömungssensorkomponente um eine Vielzahl von magnetischen Perlen und beim Strömungssensor um einen magnetischen Sensor handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeit eine diskrete Menge eines Flüssigkeitsaliquots und einer Trennflüssigkeit und die Flüssigkeitausgabevorrichtung eine Pumpe, eine Ventilmechanik, eine Saugeinrichtung und eine Zeitgabeeinrichtung aufweist, wobei die Pumpe eine erste diskrete Menge des Flüssigkeitsaliquots und eine zweite diskrete Menge der Trennflüssigkeit in ein Ausgaberöhrchen zieht, um eine serialisierte Flüssigkeit des Flüssigkeitsaliquots und der Trennflüssigkeit unter kontrolliertem Druck an die Ausgabeeinrichtung auszugeben, ein erster Anteil der serialisierten Flüssigkeit aus der Ausgabeeinrichtung an mindestens einen der Reaktionsorte ausgegeben wird, die Saugeinrichtung einen unerwünschten Teil des ersten Anteils der serialisierten Flüssigkeit entfernt und die Zeitgabeeinrichtung die Ventilmechanik und die Saugeinrichtung steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 27, deren Ausgabeeinrichtung sich im wesentlichen rechtwinklig zu einer Richtung der Flüssigkeitsströmung im Ausgaberöhrchen erstreckt und deren Ventilmechanik einen Controller und ein von diesem gesteuertes Ventil aufweist, wobei das Ventil stromabwärts der Ausgabeeinrichtung liegt und der Controller von der Zeitgabeeinrichtung gesteuert wird derart, dass bei geschlossenem Ventil die Flüssigkeit zum Ausgabeauslass strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 weiterhin mit einer Ventilmechanik mit einem Controller und einem von diesem gesteuerten Ventil, wobei das Ventil die Flüssigkeitsausströmung aus der Ausgabeeinrichtung steuert und die Ausgabeeinrichtung sich im wesentlichen rechtwinklig zu einer Richtung der Flüssigkeitsströmung im Ausgaberöhrchen erstreckt, das Ventil stromabwärts der Ausgabeeinrichtung liegt und der Controller von einer Zeitgabeeinrichtung gesteuert wird derart, dass bei geschlossenem Ventil die Flüssigkeit zum Ausgabeauslass strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der die Zeitgabeeinrichtung eine Strömungsrate der Flüssigkeit im Ausgaberöhrchen misst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, bei der die Ventilmechanik aufweist: ein 4-Wege-Ventil im Ausgaberöhrchen; einen erster Controller und ein erstes Ventil, das vom ersten Controller gesteuert wird und das stromabwärts des 4-Wege-Anschlusses liegt; und einen zweiten Controller und ein zweites Ventil, das vom zweiten Controller gesteuert wird und stromaufwärts des 4-Wege-Anschlusses liegt; wobei die Ausgabeeinrichtung sich von einer ersten Öffnung des 4-Wege-Anschlusses her erstreckt derart, dass der erste Controller und der zweite Controller von der Zeitgabeeinrichtung gesteuert werden und bei geschlossenem ersten und zweiten Ventil eine Ausgabeflüssigkeit durch den 4- Wege-Anschluss gepumpt wird und die Flüssigkeit zum Ausgabeauslass drückt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Flüssigkeitausgabeeinrichtung einen Strom von Mikrotröpfchen der Flüssigkeit aus der Ausgabeeinrichtung auswirft und ein elektrostatischer Beschleuniger und eine Ablenkeinrichtung den Strom von Mikrotröpfchen zu mindestens einem der Reaktionsorte lenken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Identifikationseinrichtung eine Lichtquelle und einen Fluoreszenzdetektor aufweist, eine Vielzahl der Flüssigkeitsaliquots den Reaktionsorten zugeführt werden und die Flüssigkeit ein Fluorophor aufweist, so dass an mindestens einem der Reaktionsorte Fluoreszenz auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Substrat eine Vielzahl von Schichten eines Halbleitermaterials aufweist und auf dem Halbleitermaterial ein elektronisches Element ausgebildet und mit mindestens einem der Reaktionsorte verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der das mindestens eine elektronische Element aus der Gruppe gewählt ist, die aus Transpondern, Heizspulen, Temperatusensoren, elektrische Felder erzeugenden Elementen, Fotosensorelementen, Elektrophoreseelementen, Denaturierelementen, chemosensitiven Toren, ionensensitiven Toren, doppelt verkämmten Gruppenstrukturen und deren Kombinationen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der das elektronische Element eine Vielzahl von miteinander verbundenen elektronischen Elementen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 36 weiterhin mit einer Spindel, um die das Substrat dreht, wobei zwei der elektronischen Elemente durch die Spindel hindurch radial miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 36, bei die beiden elektronischen Elemente axial miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 36 weiterhin mit einem Multiplexer zum gegenseitigen Verbinden der elektronischen Elemente.
Vorrichtung nach Anspruch 1 weiterhin mit einem elektromechanischen Element, das auf dem Substrat an mindestens einem der Reaktionsorte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 40, bei der das elektromechanische Element eine Vibration erzeugt, um der Flüssigkeit in mindestens einem der Reaktionsorte Bewegung zu erteilen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Dreheinrichtung einen ersten Dreh-Schrittschaltmotor aufweist, der Ausgabeauslass auf einem Schwenkarm angeordnet und letzterer auf einem sekundären Schrittschaltmotor gelagert ist derart, dass der Ausgabeauslass über das drehbare Substrat verschwenk- und steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Substrat und die Flüssigkeitausgabeeinrichtung von einem luftdichten Behälter umgeben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens einer der Reaktionsorte einen geometrischen Hohlraum aufweist, der im Substrat ausgebildet ist und eine Abschirmstruktur aufweist, um einen Verlust von Flüssigkeit vom Reaktionsort zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 44 weiterhin mit einer Drucksteuereinrichtung zum Steuern des atmosphärischen Drucks im Behälter.
Vorrichtung zum Durchführen einer Vielzahl von Probenanalysen mit: einem axial drehbaren Substrat, das eine Vielzahl konzentrisch angeordneter, miteinander nicht verbundener Reaktionsorte aufweist; einer Einrichtung zum Drehen des Substrats; einem Multifunktionskopf, der eine Flüssigkeitausgabeeinrichtung, mit der jedem der Reaktionsorte eine Flüssigkeit zuführbar ist, einen Flüssigkeitausgabeauslass und eine Ausleseeinrichtung aufweist; einer Einrichtung zum Identifizieren mindestens eines der Reaktionsorte; und einer Einrichtung zum Ausrichten des Multifunktionskopfes derart, dass der Flüssigkeitausgabeauslass mit dem mindestens einen der Reaktionsorte im wesentlichen ausgerichtet ist, wobei die Dreheinrichtung so ansteuerbar ist, dass sie das Substrat mit einer Geschwindigkeit dreht, bei der sich durch die durch die Drehung des Substrats erzeugte Zentrifugalkraft ein Teil der Flüssigkeit von mindestens einem der Reaktionsorte entfernen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Multifunktionskopf eine Vielzahl von Flüssigkeitausgabeeinrichtungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 46, deren Multifunktionskopf eine Vielzahl von Flüssigkeitausgabeeinrichtungen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit deren Flüssigkeitausgabeeinrichtung jedem der Reaktionsorte eine Menge von weniger als etwa 0,5 μ der Flüssigkeit zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 46, mit deren Flüssigkeitausgabeeinrichtung jedem der Reaktionsorte eine Menge von weniger als etwa 0,5 μ der Flüssigkeit zuführbar ist.