DE10024247A1 - Probenträger und System zum Auslesen von Bildinformation von dem Probenträger - Google Patents

Abstract

Ein Probenhalter für biologische Analysen enthält mehrere unterschiedliche bekannte, spezifische Bindesubstanzen, die an vorbestimmten Positionen auf einem Substrat (2A, 2B) angeordnet sind. Die spezifischen Bindesubstanzen befinden sich auf mehreren Flächen, die von dem Substrat (2A, 2B) bereitgestellt werden, und die in Dickenrichtung des Substrats angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenträger zur Verwendung bei der DNA- Analyse, der immunologischen Analyse und dergleichen, ferner ein System zum Auslesen von Bildinformation von einem solchen Proben­ träger.

Das Geningenieurwesen hat in jüngster Zeit einen rapiden Aufschwung erfahren, das Humangenom-Projekt zum Dekodieren der Basissequenz menschlicher Genome, deren Anzahl sich auf bis zu 100.000 beläuft, macht Fortschritte.

Außerdem wurden bei Diagnosen und Studien Enzymimmunoassay, Fluoreszenz-Antikörpermethoden und dergleichen unter Einsatz von Antigen-Antikörper-Reaktionen verwendet, und derzeit werden Unter­ suchungen angestellt, die DNAs aufzufinden, die Einfluß auf Erbkrank­ heiten haben. In dieser Situation gewinnt die sogenannte Mikroarray- Methode zunehmende Bedeutung.

Bei der Mikroarray-Methode wird auf einem Mikroarray-Chip (auch als DNA-Chip bezeichnet) eine Mehrzahl bekannter komplementärer DNAs (im folgenden auch mit cDNA abgekürzt) (ein Beispiel für spezielle Bindesubstanzen) in Matrixform auf einem Substrat, beispielsweise einem Membranfilter oder einem Objektträgerglas, in hoher Dichte angeordnet, und DNAs (als Beispiel für Substanzen, die einem Organismus entstam­ men), die Zellen einer normalen Person A entnommen und mit einem Fluoreszenz-Farbstoff a markiert sind, und DNAs aus Zellen einer an einer Erbkrankheit leidenden Person B, markiert mit einem Fluoreszenz- Farbstoff b, werden auf den Mikroarray-Chip mit Hilfe von Pipetten oder ähnlichem getropft, um dadurch die DNAs der Proben mit den cDNAs auf dem Mikroarray-Chip zu hybridisieren. Anschließend werden Anregungslichtstrahlbündel, die die Fluoreszenz-Farbstoffe a und b anre­ gen, auf die cDNAs projiziert, damit die Anregungslichtstrahlen den Mikroarray-Chip abtasten und von jeder der cDNAs emittierte Fluores­ zenz von einem Photodetektor erfaßt wird. Dann werden diejenigen cDNAs, mit denen die DNAs jeder Probe hybridisiert sind, auf der Grundlage dieses Erfassungsergebnisses festgestellt, und die cDNAs, mit denen die DNAs der Normalperson A hybridisiert sind, werden vergli­ chen mit denjenigen, die mit den DNAs der erkrankten Person B hybri­ disiert sind, wodurch sich unterdrückte oder durch die genetische Krank­ heit verlorengegangene DNAs ermitteln lassen.

Bei der Mikroarray-Methode ist es notwendig, den mit den cDNAs in hoher Dichte überzogenen Mikroarray-Chip präzise zweidimensional abzutasten. Zu diesem Zweck wurde eine Strahlungsbild-Lesevorrichtung mit einem derart präzisen Abtastsystem vorgeschlagen, vergleiche die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 10(1998)-3134.

Die zu verwendenden Arten von cDNAs machen in einigen Fällen bis zu mehreren zehn Tausend aus, und in diesem Fall müssen die cDNAs auf mehrere Substrate verteilt werden. Bei zunehmender Anzahl von Mikro­ array-Chips wird allerdings der Austausch der Mikroarray-Chips mühse­ lig.

Im Hinblick auf die obigen Anmerkungen ist es Hauptziel der vorliegen­ den Erfindung, einen Probenträger anzugeben, auf dem eine erhöhte Anzahl spezifischer Bindesubstanzen, beispielsweise cDNAs, angeordnet werden kann; außerdem soll ein System zum Auslesen von Bildinforma­ tion von einem Probenträger geschaffen werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Probenträger insbesondere in Form eines Mikroarray-Chips geschaffen, der für biolo­ gische Analysen eingesetzt wird. Er enthält mehrere verschiedene be­ kannte spezifische Bindesubstanzen, beispielsweise cDNAs, die sich an vorbestimmten Stellen auf dem Substrat, beispielsweise einem Objekt­ trägerglas, befinden. Die Besonderheit des Probenträgers besteht darin, daß die spezifischen Bindesubstanzen auf einer Mehrzahl von Flächen angeordnet sind, die durch das Substrat bereitgestellt werden, und die in Dickenrichtung des Substrats angeordnet sind.

Die mehreren durch das Substrat bereitgestellten Flächen, die in Dicken­ richtung des Substrats angeordnet sind, können einander abgewandte Substratseiten sein, oder sie können durch ein mehrschichtiges Substrat bereitgestellt werden, gebildet aus einer Mehrzahl von Substraten, die derart gestapelt und miteinander verbunden sind, daß die Flächen, auf denen die spezifischen Bindesubstanzen angeordnet sind, im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

Bevorzugt wird, daß die spezifischen Bindesubstanzen auf den Flächen an solchen Stellen angeordnet sind, an denen die Bindesubstanzen auf den jeweiligen Flächen nicht miteinander in Dickenrichtung des Substrats kollidieren, das heißt, daß sich die Bindesubstanzen auf den einzelnen Flächen einander in Dickenrichtung des Substrats nicht überlappen.

Das Substrat kann aus irgendeinem Material bestehen, solange die spezi­ fischen Bindesubstanzen als Flecken aufgetragen und stabil auf dem Substrat gehalten werden können, wobei das Substrat optisch für Anre­ gungslicht transparent ist, ebenso wie für die Fluoreszenz, die von den spezifischen Bindesubstanzen emittiert wird, wenn die Substanzen mit dem Anregungslicht belichtet werden. Beispielsweise kann das Substrat ein Membranfilter oder ein Objektträgerglas sein. Außerdem kann das Substrat einer Vorbehandlung unterzogen sein, so daß die spezifischen Bindesubstanzen stabil auf dem Substrat gehalten werden.

Die spezifischen Bindesubstanzen umfassen Hormone, Tumormarker, Enzyme, Antikörper, Antigene, Abzyme, weitere Proteine, Nucleinsäu­ ren, komplementäre DNAs (hier abgekürzt mit cDNAs), DNAs, RNAs und dergleichen, und bedeutet solche Substanzen, die eine spezifische Bindung mit einer aus einem Organismus stammenden Substanz einge­ hen. Die Bedeutung des Ausdrucks "bekannt" hängt von der jeweiligen spezifischen Bindesubstanz ab. Handelt es sich bei dieser Substanz zum Beispiel um eine Nucleinsäure, so bedeutet "bekannt", daß die Basisse­ quenz, die Längen der Basen und dergleichen bekannt sind, handelt es sich bei der spezifischen Bindesubstanz um Protein, so bedeutet "bekannt", daß die Zusammensetzung der Aminosäure bekannt ist. Die spezifischen Bindesubstanzen sind je nach Art in einer jeweiligen Posi­ tion angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Aus­ lesen von Bildinformation von dem erfindungsgemäßen Probenträger geschaffen. Das System enthält
einen Probenträger-Halteteil, der einen Probenträger gemäß der Erfin­ dung hält, auf dem die spezifischen Bindesubstanzen hybridisiert sind mit einer von einem Organismus stammenden Substanz, markiert mit fluo­ reszierendem Farbstoff,
eine Anregungslichtquelle, die Anregungslicht zum Anregen des fluo­ reszierenden Farbstoffs emittiert,
eine photoelektrische Ausleseeinrichtung, die auf photoelektrischem Weg Fluoreszenz liest, welche bei Belichtung mit dem Anregungslicht von dem fluoreszierenden Farbstoff emittiert wird,
eine Abtasteinrichtung mit einem optischen Kopf zum Projizieren des Anregungslichts auf den Probenträger sowie zum Lenken von Fluores­ zenz, die von dem fluoreszierenden Farbstoff emittiert wird und durch die Oberfläche des Probenträgers, auf den das Anregungslicht projiziert wird, läuft, zu der photoelektrischen Ausleseeinrichtung, damit das Anre­ gungslicht den Probenträger abtastend überstreicht, und
eine Steuerung, die die Anregungslichtquelle, die photoelektrische Aus­ leseeinrichtung und die Abtasteinrichtung in der Weise steuert, daß von den spezifischen Bindesubstanzen bei Exposition mit dem Anregungslicht emittierte Fluoreszenz für jede der Flächen des Probenträgers detektiert wird.

Der Probenträger-Halteteil kann einen Tisch aufweisen, auf dem der Probenträger plaziert ist. In diesem Fall wird der Probenträger auf dem Tisch derart plaziert, daß seine eine Seite in Berührung mit dem Tisch steht. Dementsprechend ist es notwendig, daß der Tisch zumindest für die Fluoreszenz transparent ist. Wenn der Probenträger-Halteteil die Form eines Elements hat, welches lediglich die vier Ecken des Proben­ trägers abstützt, so braucht der Probenträger-Halteteil nicht transparent zu sein.

Bei der aus einem Organismus stammenden Substanz kann es sich um eine aus einer Vielfalt von Substanzen handeln, die aus einem Organis­ mus stammen, darunter Hormone, Tumormarker, Enzyme, Proteine, Antikörper, verschiedene Substanzen wie Antigene, Nucleinsäure, cDNAs, mRNAs und dergleichen.

Bei dem Anregungslicht handelt es sich um ein Licht, das sich zum Anregen von fluoreszierendem Farbstoff eignet, einschließlich eines Laserstrahls.

Als photoelektrische Ausleseeinrichtung läßt sich in geeigneter Weise ein Photoelektronenvervielfacher, d. i. ein sogenannter Photomultiplier, einsetzen, der in der Lage ist, mit hoher Empfindlichkeit schwaches Licht zu detektieren, beispielsweise Fluoreszenz. Allerdings besteht ohne Beschränkung auf den Photoelektronenvervielfacher auch die Möglich­ keit, als photoelektrische Ausleseeinrichtung ein gekühltes CCD-Element zu verwenden.

Da erfindungsgemäß die spezifischen Bindesubstanzen sich auf einer Mehrzahl von Flächen befinden, die durch das Substrat gebildet werden und in dessen Dickenrichtung angeordnet sind, läßt sich eine erhöhte Anzahl spezifischer Bindesubstanzen auf einem Probenträger anordnen, und dementsprechend läßt sich die Anzahl verwendeter Probenträger auch dann verringern, wenn eine große Anzahl spezifischer Bindesub­ stanzen eingesetzt wird, was die Frequenz des Austausches der Proben­ träger sinken läßt und die Effektivität des Lesevorgangs besser werden läßt.

Wenn die spezifischen Bindesubstanzen auf einander abgewandten Seiten eines einzelnen Substrats angeordnet sind, läßt sich der Probenträger mit geringen Kosten herstellen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Probenträgers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht entlang der Linie I-I in Fig. 1

Fig. 3 eine Querschnittansicht eines Probenträgers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4A eine perspektivische Ansicht eines Bildinformations-Auslesesy­ stems gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4B eine schematische Seitenansicht des Bildinformations-Auslese­ systems,

Fig. 5 eine Ansicht zum Veranschaulichen der Arbeitsweise des Bild­ informations-Auslesesystems nach der dritten Ausführungsform,

Fig. 6A eine perspektivische Ansicht eines Bildinformations-Auslesesy­ stems nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6B eine schematische Seitenansicht des Bildinformations-Auslese­ systems.

Nach den Fig. 1 und 2 enthält ein Probenträger 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Substrat 2 in Form eines Objekt­ trägerglases, außerdem eine Mehrzahl unterschiedlicher cDNAs, die in mehreren Positionen auf einander abgewandten Seiten (der Oberseite und der Unterseite) des Substrats 2 angeordnet sind. Die Basissequenzen der cDNAs sind bekannt und entsprechen verschiedenen DNAs. Die Art jeder cDNA und die Stelle jeder cDNA sind vorab festgelegt.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind die cDNAs auf der Oberseite des Sub­ strats 2 einerseits und jene auf der Unterseite des Substrats 2 andererseits so angeordnet, daß sie einander in der Dickenrichtung des Substrats 2 nicht überlappen. Außerdem sind Oberseite und Unterseite des Substrats 2 einer Oberflächenbehandlung unterzogen, so daß die cDNAs an den Flächen haften und folglich die cDNAs auf der Unterseite des Substrats 2 sich von diesem nicht ablösen können. Die Dicke des Substrats 2 beträgt etwa 1 mm, jede der cDNAs auf der Oberfläche des Substrats 2 ist ein Fleck mit einem Durchmesser von 30 bis 100 µm bei Fleck-Intervallen von etwa 300 µm.

Fig. 3 zeigt einen Probenträger gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der in Fig. 3 dargestellte Probenträger ist mit einem Substrat ausgestattet, welches aus einem Paar von Substratsegmenten 2A und 2B gebildet ist, die mit einem dazwischenliegenden Distanzstück 3 miteinander verbunden sind. Die cDNAs sind auf den Oberseiten der einzelnen Substratsegmente 2A und 2B so angeordnet, daß sie einander in Dickenrichtung der Segmente 2A und 2B nicht überlappen. Das Di­ stanzstück 3 kann entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich über den gesamten Umfang der Substratsegmente 2A und 2B verlaufen.

Fig. 4A und 4B zeigen ein Bildinformations-Auslesesystem nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Das System dient zum Auslesen von Bildinformation von dem in Fig. 1 gezeigten Probenträger 1. Das Bildinformations-Auslesesystem umfaßt einen transparenten Pro­ bentisch 20, auf dem der Probenträger 1, ausgestattet mit einer aus ei­ nem Organismus stammenden Substanz, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert wurde, an seinen vier Ecken abgestützt ist, einen Laser 30, der ein Laserstrahlbündel L mit einem Wellenlängenband emittiert, bei dem der fluoreszierende Farbstoff angeregt wird, ein Ob­ jektiv 31, welches den Laserstrahl L aus dem Laser 30 zu einem dünnen Laserstrahlbündel zusammenführt, einen Photoelektronenvervielfacher 40, der von den cDNAs bei Belichtung mit dem Laserstrahlbündel L emittierte Fluoreszenz K1 und K2 auf photoelektrische Weise detektiert (K1 bedeutet Fluoreszenz, die von den cDNAs auf der Oberseite des Substrats 2 emittiert wird, und K2 bedeutet Fluoreszenz, die von den cDNAs auf der unteren Fläche des Substrats 2 emittiert wird), einen optischen Kopf 50, der den Laserstrahl dazu bringt, auf dem Probenhal­ ter 1 auf dem Probentisch 20 aufzutreffen, und der die Fluoreszenz K1 oder K2 zu dem Photoelektronenvervielfacher 40 leitet, ein Laserstrahl- Sperrfilter 41, das sich in dem optischen Weg zwischen dem optischen Kopf 50 und dem Photoelektronenvervielfacher 40 befindet, einen Kon­ densor 55 zwischen dem Probenhalter 1 und dem Photoelektronenver­ vielfacher 40, der mit einem Objektiv 53 ein konfokales optisches Sy­ stem bildet, eine Aperturplatte 56 mit einer Apertur 56a, die es ermög­ licht, daß auf das Filter 41 nur Licht von dem Bereich des Probenhalters 1 auftrifft, auf den das Laserstrahlbündel L durch das Objektiv 53 kon­ vergiert wurde, ein Hauptabtastsystem 60, welches den optischen Kopf 50 in Pfeilrichtung X mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, eine Ne­ benabtasteinrichtung 80, die den Laser 30, den optischen Kopf 50, den Kondensor 55, die Aperturplatte 56, das Laserstrahl-Sperrfilter 41 und den Photoelektronenvervielfacher 40 in Pfeilrichtung Y bewegt (senk­ recht zur Pfeilrichtung X), und zwar gemeinsam zusammen, außerdem einen logarithmischen Verstärker 52, der das Ausgangsdetektorsignal von dem Photoelektronenvervielfacher 40 logarithmisch verstärkt, und einen A/D-Umsetzer 43, der das verstärkte Detektorsignal digitalisiert.

Der Laser 30 ist so angeordnet und ausgebildet, daß er den Laserstrahl L in Pfeilrichtung X emittiert, und der Photoelektronenvervielfacher 40 ist so angeordnet und ausgebildet, daß er die Fluoreszenz K1 oder K2 er­ faßt, die auf ihn in Pfeilrichtung X auftrifft.

Der optische Kopf 50 enthält einen Planspiegel 51, der das dünne Laser­ strahlbündel L, das in Pfeilrichtung X läuft, in einer Richtung senkrecht zu den Oberflächen des Probenträgers 1 reflektiert, einen Spiegel 52 mit einer Apertur 52a, durch die das von dem Planspiegel 51 reflektierte Laserstrahlbündel L auf den Probenträger 1 auftrifft, und der die Haupt­ bestandteile der Fluoreszenz K1 oder K2, die von der Unterseite des Probenträgers 1 nach unten emittiert wird, reflektiert, so daß sie auf den Photoelektronenvervielfacher 40 auftrifft, und das Objektiv 53, welches die Fluoreszenz K1 oder K2, die von dem Probenträger 1 nach unten als divergierendes Licht emittiert wird, kollimiert. Der Planspiegel 51, der Spiegel 52 mit der Apertur 52a und das Objektiv 53 sind zu einer Einheit integriert. Das Objektiv 53 ist in Dickenrichtung des Probenträgers 1 oder in Pfeilrichtung Z bewegbar, um den Brennpunkt des Objektivs 53 selektiv auf die Oberseite des Substrats 2 oder dessen Unterseite ein­ zustellen. Wenn die Fluoreszenz K1 von der Oberseite des Probenträgers 1 zu erfassen ist, wird der Brennpunkt des Objektivs 53 zur Oberseite des Probenträgers 1 bewegt, und wenn die Fluoreszenz K2 von der Unterseite des Probenträgers 1 erfaßt werden soll, wird der Brennpunkt des Objektivs 53 zu der Unterseite des Probenträgers 1 bewegt, so daß die Fluoreszenz K1 und K2 zu Strahlbündeln etwa gleichen Durchmes­ sers kollimiert werden kann.

Das Laserstrahl-Sperrfilter 41 ist ein Filter, das die Fluoreszenz K1 und K2 durchläßt, allerdings nicht den Laserstrahl L durchläßt, so daß ein Teil des Laserstrahls L, der von dem Probenträger 1, dem Probentisch 20 und dergleichen gestreut wird, nicht auf den Photoelektronenvervielfa­ cher 40 auftreffen kann.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des Bildinformations-Auslesesystems dieser Ausführungsform beschrieben werden.

Die Stellung des Objektivs 53 wird zunächst so eingestellt, daß sein Brennpunkt auf der Oberseite des Substrats 2 liegt. Dann bewegt die Hauptabtasteinheit 60 den optischen Kopf 50 mit einer konstanten Ge­ schwindigkeit in Pfeilrichtung X. Zu jedem Augenblick während der Bewegung des optischen Kopfs 50 emittiert der Laser 30 ein Laserstrahl­ bündel L in Pfeilrichtung X, und das Objektiv 31 bündelt den Laserstrahl L zu einem dünnen Laserstrahlbündel. Das dünne Laserstrahlbündel L gelangt in den optischen Kopf 50. Anschließend wird der Laserstrahl L von dem Planspiegel 51 nach oben abgelenkt und trifft auf einen kleinen Flächenbereich auf der Oberseite des Testträgers, und zwar durch die Apertur 52a des Spiegels 2 und das Objektiv 53 hindurch.

Wenn in dem kleinen, von dem Laserstrahlbündel L belichteten Bereich sich eine aus einem Organismus stammende Substanz befindet, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert ist, so wird dieser von dem Laserstrahlbündel L angeregt und emittiert Fluoreszenz K1.

Die die sich in dem Flächenbereich ausbreitende Fluoreszenz K1 und der Teil der Fluoreszenz K1, der von der Unterseite des Probenträgers 1 nach unten gelangt, werden von dem Objektiv 53 des optischen Kopfs 50 zu einem im wesentlichen parallelen Abwärtsstrahl kollimiert, der auf den Spiegel 52 auftrifft. Obschon der Teil der Fluoreszenz K1 auf die Apertur 52a auftrifft und weiter durch die Apertur 52a hindurch nach unten wandert (der Durchmesser der Apertur 52a ist im Vergleich zum Strahldurchmesser ausreichend klein), wird der Hauptteil der Fluoreszenz K1 von dem Spiegel 52 reflektiert und läuft in Pfeilrichtung X, um über den Kondensor 55, die Apertur 56a der Aperturplatte 56 und das Laser­ strahl-Sperrfilter 41 auf den Photoelektronenvervielfacher 40 aufzutref­ fen.

Wenngleich ein Teil des auf den Probenträger 1 auftreffenden Laser­ strahls L von dem Probenträger 1, dem Probentisch 20 und dergleichen gestreut wird und in Richtung des Photoelektronenvervielfachers 40 läuft, wird er an einem Auftreffen auf den Photoelektronenvervielfacher 40 durch das Laserstrahl-Sperrfilter 41 gehindert. Da außerdem der Proben­ träger 1 und der Photoelektronenvervielfacher 40 optisch über ein kon­ fokales optisches System gekoppelt sind, wird Fluoreszenz von einem anderen Teil des Probenträgers als dem, der von dem Laserstrahl L belichtet wird, an einem Auftreffen auf den Photoelektronenvervielfacher 40 gehindert, und auf diese Weise wird die Entstehung einer Verschleie­ rung eines Fluoreszenzbildes auch dann vermieden, wenn der von dem Laserstrahlbündel L belichtete Flächenbereich verschoben oder vergrö­ ßert ist.

Die auf den Photoelektronenvervielfacher 40 auftreffende Fluoreszenz K1 wird von dem Photoelektronenvervielfacher 40 photoelektrisch umgesetzt und als elektrisches Signal ausgelesen. Dieses wird von dem Verstärker 42 verstärkt und von dem A/D-Umsetzer 43 in ein digitales Signal umge­ setzt.

Während dieser Schritte wird der optische Kopf 50 in Bewegung entlang der Pfeilrichtung X durch das Hauptabtastsystem 60 gehalten, und für jede Hauptabtastposition des Probenhalters 1 wird von dem A/D-Umset­ zer 43 ein digitales Signal ausgegeben.

Jedesmal, wenn die Hauptabtastung entlang einer Zeile beendet ist, be­ wegt die Nebenabtasteinrichtung 80 den Laser 30, den optischen Kopf 50, das Laserstrahl-Sperrfilter 41 und den Photoelektronenvervielfacher 40 etwas in Y-Richtung (Nebenabtastrichtung), und dann wird der Haupt­ abtastvorgang wiederholt. Die Nebenabtastung kann parallel zu der Hauptabtastung erfolgen.

Auf diese Weise wird die gesamte Fläche der Oberseite des Probenträ­ gers 1 von dem Laserstrahlbündel L zweidimensional abgetastet, und man erhält die Bildinformation, die repräsentativ ist für die Verteilung der Organismus-Substanzen, die von dem fluoreszierenden Farbstoff markiert sind und sich auf der Oberseite des Substrats 2 befinden.

Anschließend wird der optische Kopf 50 von der Hauptabtasteinrichtung 60 und der Nebenabtasteinrichtung 80 wieder in die Anfangsposition zurückgestellt. Dann wird das Objektiv 30 um d0 nach unten bewegt (Fig. 5), so daß der Brennpunkt des Objektivs 53 sich auf der Unter­ seite des Substrats 2 befindet. Dann wird die Fluoreszenz K2, die von der Unterseite des Probenträgers 1 emittiert wird, erfaßt und in ein digitales Signal umgesetzt, genauso, wie es oben beschrieben wurde, und man erhält Bildinformation über die Verteilung der aus dem Organismus stammenden Substanzen auf der Unterseite des Substrats 2, welche mit dem fluoreszierenden Farbstoff markiert wurden.

Die Bildinformation über die Verteilung der einem Organismus entstam­ menden Substanzen, die mit dem fluoreszierenden Farbstoff markiert wurden und sich auf der Oberseite und der Unterseite des Substrats 2 befinden, wird auf einem (nicht gezeigten) Monitor angezeigt.

Damit kann mit dem erfindungsgemäßen Bildinformations-Auslesesystem Bildinformation von einander abgewandten Seiten des Probenträgers 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung gelesen werden, wobei sich cDNAs auf diesen einander abgewandten Seiten des Substrats 2 befinden.

Das Bildinformations-Auslesesystem dieser Ausführungsform läßt sich dazu verwenden, Bildinformation von dem Probenhalter der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 auszulesen. In diesem Fall wird das Objektiv 53 so bewegt, daß der Brennpunkt des Objektivs selektiv zur Oberseite des Substratsegments 2A oder zur Oberseite des Substratsegments 2B bewegt wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die von den cDNAs auf der Oberseite des Substrats 2 emittierte Fluoreszenz K1 und die von den cDNAs auf der Unterseite des Substrats 2 emittierte Fluores­ zenz K2 separat erfaßt, indem der Brennpunkt des ein konfokales opti­ sches System bildenden Objektivs 53 bewegt wird; dennoch besteht die Möglichkeit, die Fluoreszenz K1 und die Fluoreszenz K2 separat dadurch zu erfassen, daß die Aperturplatte 56 entlang der optischen Achse bewegt wird, während das Objektiv 53 ortsfest verbleibt. Das heißt: wenn der Laserstrahl L auf den Probenträger 1 projiziert wird, während der Brenn­ punkt des Objektivs 53 auf die Mitte zwischen Oberseite und Unterseite des Substrats 2 eingestellt ist, so wird die Fluoreszenz K1 von den cDNAs auf der Oberseite des Substrats 2, und wird die Fluoreszenz K2 von den cDNAs auf der Unterseite des Substrats 2 emittiert. Abhängig von der Lage der Aperturplatte 56 entlang der optischen Achse kann entweder nur die Fluoreszenz K1 oder die Fluoreszenz K2 die Apertur 56a in der Aperturplatte 56 durchlaufen.

Fig. 6A und 6B zeigen ein Bildinformations-Auslesesystem nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung, geeignet zum Auslesen von Bildinformation von dem Probenhalter 1 nach Fig. 1. Das Bild­ informations-Auslesesystem dieser Ausführungsform enthält einen Pro­ bentisch 20, einen ersten Laser 30A, ein erstes Objektiv 31A, einen ersten Photoelektronenvervielfacher 40A, einen optischen Kopf 50, ein Laserstrahl-Sperrfilter 41A, einen ersten Kondensor 55, eine erste Aper­ turplatte 56, ein Hauptabtastsystem 60, eine Nebenabtasteinrichtung 80, einen ersten logarithmischen Verstärker 42A und einen ersten A/D- Wandler 43A, die im wesentlichen die gleichen Elemente sind wie der Probentisch 20, der Laser 30, das Objektiv 31, der Photoelektronenver­ vielfacher 40, der optische Kopf 50, das Laserstrahl-Sperrfilter 41, der Kondensor 55, die Aperturplatte 56, das Hauptabtastsystem 60, die Nebenabtasteinrichtung 80, der logarithmische Verstärker 42 bzw. der A/D-Umsetzer 43 der dritten Ausführungsform. Das Bildinformations- Auslesesystem nach dieser Ausführungsform enthält außerdem einen zweiten Laser 30B, ein zweites Objektiv 31B, einen zweiten Kondensor 55B, eine zweite Aperturplatte 56B, ein zweites Laserstrahl-Sperrfilter 41B, einen zweiten Photoelektronenvervielfacher 40B, einen zweiten logarithmischen Verstärker 42B, einen zweiten A/D-Umsetzer 43B, einen Polarisations-Strahlaufspalter 62, der den Laserstrahl L1 von dem ersten Laser 30A durchläßt und den Laserstrahl L2 von dem zweiten Laser 30B reflektiert, einen halbversilberten Spiegel 63, der einen Teil der Fluores­ zenz K1 und der Fluoreszenz K2 durchläßt, so daß sie auf den ersten Photoelektronenvervielfacher 40A auftrifft, hingegen den anderen Teil von der Fluoreszenz K1 und der Fluoreszenz K2 reflektiert, so daß diese auf den zweiten Photoelektronenvervielfacher 40B auftrifft.

Das erste und das zweite Objektiv 31A und 31B sind miteinander iden­ tisch. Der erste und der zweite Laser 30A und 30B sind im Grunde genommen identisch, nur daß der von dem ersten Laser 30A emittierte Laserstrahl L1 in vertikaler Richtung gemäß Fig. 6B und der von dem zweiten Laser 30B emittierte Laserstrahl L2 in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 6B polarisiert ist. Durch diese Ausgestal­ tung durchsetzt der Laserstrahl L1 den Polarisations-Strahlaufspalter 62, der Laserstrahl L2 wird von diesem reflektiert.

Der Abstand d2 zwischen der Strahlaustrittsfläche des zweiten Lasers 30B und dem zweiten Objektiv 31B ist größer eingestellt als der Abstand d1 zwischen der Strahlaustrittsfläche des ersten Lasers 30A und dem ersten Objektiv 31A, demzufolge der Durchmesser des Laserstrahls L1 auf der Oberseite des Substrats 2 dem Durchmesser des Laserstrahls L2 auf der Unterseite des Substrats 2 gleicht.

Außerdem ist der Abstand D2 zwischen dem zweiten Kondensor 55B und der zweiten Aperturplatte 56B größer eingestellt als der Abstand D1 zwischen dem ersten Kondensor 55A und der ersten Aperturplatte 56A. Bei der vierten Ausführungsform werden die Laserstrahlen L1 und L2 gleichzeitig von dem ersten bzw. zweiten Laser 30A, 30B emittiert, und die Fluoreszenz K1 und die Fluoreszenz K2, die von der Oberseite bzw. der Unterseite des Probenhalters 1 emittiert werden, werden gleichzeitig detektiert. Die Fluoreszenz K1 und die Fluoreszenz K2 von der Ober­ seite bzw. der Unterseite des Probenhalters 1 laufen gleichzeitig in Pfeil­ richtung X. Die Fluoreszenz K1 und die Fluoreszenz K2, die von der Oberseite bzw. der Unterseite des Probenhalters 1 emittiert werden, werden von dem halbversilberten Spiegel 63 in Teile separiert, die zu dem ersten bzw. dem zweiten Photoelektronenvervielfacher 40A und 40B laufen. Jeder der Teile beinhaltet sowohl Fluoreszenz K1 als auch Fluo­ reszenz K2, und dementsprechend ist der Abstand D2 zwischen dem zweiten Kondensor 55B und der zweiten Aperturplatte 56B größer einge­ stellt als der Abstand D1 zwischen dem ersten Kondensor 55A und der ersten Aperturplatte 56, so daß nur die Fluoreszenz K1 durch die Öff­ nung in der ersten Aperturplatte 56A gelangen kann, und nur die Fluo­ reszenz K2 durch die Öffnung in der zweiten Aperturplatte 56B gelangen kann, demzufolge die Fluoreszenzen K1 und K2 von den Photoelektro­ nenvervielfachern 40A bzw. 40B separat erfaßt werden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des Bildinformations-Auslesesystems nach dieser Ausführungsform beschrieben.

Wenn die Laserstrahlen L1 und L2 auf die Oberseite bzw. die Unterseite des Probenträgers 1 projiziert werden, werden von der Oberseite und der Unterseite des Probenträgers 1 Fluoreszenz K1 und Fluoreszenz K2 emittiert, und beide wandern sie gleichzeitig als Lichtbündel in Richtung des Pfeils X. Das Lichtbündel wird von dem halbversilberten Spiegel 63 in zwei Lichtbündel unterteilt, von denen das eine zu dem ersten Photo­ elektronenvervielfacher 40A und das andere zu dem zweiten Photoelek­ tronenvervielfacher 40B läuft. Die in dem einen Lichtbündel enthaltene Fluoreszenz K1 trifft auf den ersten Photoelektronenvervielfacher 40A über den ersten Kondensor 55A, die erste Aperturplatte 56A und das erste Laserstrahl-Sperrfilter 41A und wird von dem ersten Photoelek­ tronenvervielfacher 40A erfaßt, wohingegen die in dem anderen Licht­ strahlbündel enthaltene Fluoreszenz K2 über den zweiten Kondensor 55B, die zweite Aperturplatte 56B und das zweite Laserstrahl-Sperrfilter 41B auf den zweiten Photoelektronenvervielfacher 40B auftritt und von diesem erfaßt wird.

Die Fluoreszenz K1 und die Fluoreszenz K2 werden von dem ersten bzw. dem zweiten Photoelektronenvervielfacher 40A und 40B in elek­ trische Signale umgesetzt, und diese werden von dem ersten und dem zweiten Verstärker 42A und 42B verstärkt und dann von dem ersten und dem zweiten A/D-Umsetzer 43A und 43B digitalisiert. Dann werden auf einem (nicht gezeigten) Monitor anhand dieser digitalisierten elektrischen Signale sichtbare Bilder angezeigt.

Damit wird auch bei dem Bildinformations-Auslesesystem nach dieser Ausführungsform Bildinformation von einander abgewandten Seiten des Probenhalters 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung gelesen, wo sich cDNAs auf einander abgewandten Seiten des Substrats 2 befinden.

Das Bildinformations-Auslesesystem dieser Ausführungsform läßt sich auch dazu verwenden, Bildinformation von dem Probenhalter der zweiten Ausführungsform der Erfindung zu lesen, der in Fig. 3 dargestellt ist. In diesem Fall werden die Positionen des ersten und des zweiten Objek­ tivs 31A und 31B und die erste und die zweite Aperturplatte 56A und 56B so einjustiert, daß Bildinformation von den Substratsegmenten 2A und 2B ausgelesen wird.

Oben wurden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, wobei sich cDNAs an solchen Stellen befinden, daß sie sich in Dickenrichtung des Substrats 2 oder der Substratsegmente 2A und 2B nicht überlappen; allerdings können sie einander in Dickenrichtung des Substrats 2 oder der Substratsegmente 2A und 2B dann überlappen, wenn das Bildinfor­ mations-Auslesesystem ein konfokales optisches System aufweist.

Claims (6)

1. Probenhalter zur Verwendung bei biologischen Analysen, umfassend mehrere unterschiedliche bekannte spezifische Bindesubstanzen, die an vorbestimmten Stellen auf dem Substrat angeordnet sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die spezifischen Bindesubstanzen sich auf mehreren Flächen befinden, die durch das Substrat bereitgestellt werden, und die in Dickenrichtung des Substrats angeordnet sind.

2. Probenhalter nach Anspruch 1, bei dem die mehreren, von dem Sub­ strat bereitgestellten Flächen in Dickenrichtung des Substrats die ein­ ander abgewandten Flächen des Substrats sind.

3. Probenhalter nach Anspruch 2, bei dem die spezifischen Bindesub­ stanzen auf den Flächen an solchen Stellen angeordnet sind, an denen die spezifischen Bindesubstanzen auf den einzelnen Flächen nicht mitein­ ander in Dickenrichtung des Substrats kollidieren.

4. Probenhalter nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Flächen des Substrats, die in Dickenrichtung des Substrats angeordnet sind, durch ein mehrschichtiges Substrat gebildet werden, gebildet durch eine Mehrzahl von übereinandergestapelten und miteinander verbundenen Substraten, wobei die Flächen, auf denen die spezifischen Bindesubstanzen angeord­ net sind, im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

5. Probenhalter nach Anspruch 4, bei dem die spezifischen Bindesub­ stanzen auf den Flächen an solchen Stellen angeordnet sind, an denen sie sich auf den einzelnen Flächen in Dickenrichtung des Substrats gegen­ seitig nicht stören.

6. Bildinformations-Auslesesystem, umfassend:
einen Probenhalter-Halteteil (20), der einen Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5 trägt, auf dem die spezifischen Bindesubstanzen an­ geordnet sind, die mit einer mit einem fluoreszierenden Farbstoff mar­ kierten, einem Organismus entstammenden Substanz hybridisiert wurden,
eine Anregungslichtquelle (30; 30A, 30B), die Anregungslicht zum Anre­ gen des fluoreszierenden Farbstoffs emittiert,
eine photoelektrische Ausleseeinrichtung (40; 40A, 40B), die von dem fluoreszierenden Farbstoff bei Belichtung mit dem Anregungslicht emit­ tierte Fluoreszenz photoelektrisch liest,
eine Abtasteinrichtung (60, 80), die einen optischen Kopf (50) aufweist, um das Anregungslicht auf den Probenhalter zu projizieren und von dem fluoreszierenden Farbstoff emittierte Fluoreszenz, die durch die Ober­ fläche des Probenhalters, auf den das Anregungslicht projiziert wird, läuft, auf die photoelektrische Leseeinrichtung leitet und das Anregungs­ licht zum Abtasten des Probenhalters veranlaßt, und
eine Steuerung, welche die Anregungslichtquelle, die photoelektrische Leseeinrichtung und die Abtasteinrichtung in der Weise steuert, daß von der spezifischen Bindesubstanz bei Beleuchtung mit dem Anregungslicht emittierte Fluoreszenz für jede der Flächen des Probenhalters detektiert wird.