DE69804653T2

DE69804653T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von matrixen von proben

Info

Publication number: DE69804653T2
Application number: DE69804653T
Authority: DE
Inventors: B Kowallis; M Raysberg
Original assignee: PE Corp
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: JP4564165B2; EP1027159A1; WO1999022867A1; JP2001522033A; DE69804653D1; JP2010139512A; AU748226B2; AU1292099A; ATE215401T1; CA2307141C; CA2307141A1; US6228659B1; EP1027159B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Mikromatrizen von Biopolymeren oder dergleichen, die auf einer Substratfläche ausgebildet sind, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung solcher Mikromatrizen.

Hintergrund der Erfindung

Eine Vielzahl von Verfahren steht derzeit zum Herstellen von Matrizen biologischer Makromoleküle, wie Matrizen von Nukleinsäuremolekülen oder Proteinen, zur Verfügung. Eines dieser Verfahren zum Herstellen geordneter DNA-Matrizen auf einer porösen Membran ist ein "Punktfleck"-Ansatz ("dot blot" approach). Bei diesem Verfahren überträgt ein Vakuumverteiler eine Vielzahl, z. B. 96, wässrige DNA-Proben von Vertiefungen mit 3 mm Durchmesser zu einer porösen Membran. Dieses Verfahren ist nicht zum Herstellen von Mikromatrizen geeignet, d. h. Matrizen, in welchen die verschiedenen Probenbereiche in der Matrix durch Abstände von etwa 1 mm oder weniger getrennt sind.
Mikromatrizen können mittels einer Roboterarmvorrichtung hergestellt werden, die sich sukzessiv zwischen einer Probenaufnahmevertiefung in einer Probenmatrix, z. B. einer Mikrotiterplatte, und einer ausgewählten Mikromatrixposition bewegt. Obwohl Matrizen hoher Dichte von verschiedenen biologischen Materialien durch diesen Ansatz konstruiert werden können, sind die Herstellungsdauer und Effizienz durch die Tatsache eingeschränkt, dass die Bereiche der Mikromatrix (oder Mikromatrizen, wenn mehrere gleichzeitig konstruiert werden) einzeln hintereinander abgeschieden werden.
Verfahren zum Herstellen von Oligomermatrizen auf einem Mikrochip durch parallele schrittweise Untereinheit-Zugabe sind vorgeschlagen worden, z. B. Fodor et al., Science 251 : 767-773 (1991). Dieser Ansatz verwendet Photomaskierung, um den Schutz von End-Untereinheit-Zugabestellen in ausgewählten Bereichen der Matrix selektiv aufzuheben, wodurch massive parallele Untereinheit-Zugabe bei der Ausbildung der Oligomere auf der Matrix erlaubt wird. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine relative teure Verarbeitungseinrichtung. Jener ist ferner nicht ohne weiteres angepasst, um Matrizen von Polymeren anzufertigen, die mehr als etwa 10 bis 15 Untereinheiten lang sind.
Darougar, Internationale Patentanmeldung WO-A-89/10192, beschreibt eine Vorrichtung zum Aufbringen einer oder mehrerer Substanz(en) auf ein Substrat in einer Vielzahl von beabstandeten diskreten Abscheidungen. Die Vorrichtung umfasst eine Unterlage zum Halten von Objektträgern und einen vertikal reziproken Träger zum Halten der Applikatoren. Um zuzulassen, dass die Abscheidungen in einem engeren Abstand als der Abstand der Applikatoren gemacht werden, wird die Unterlage seitlich unter dem Träger zwischen mehreren indizierten Positionen entlang eines Weges bewegt, wobei der Träger abgesenkt wird, um Abscheidungen zu machen, wenn sich die Unterlage an jeder der indizierten Positionen befindet. Die Applikatoren in dem Träger sind um unterschiedliche Beträge relativ zu der indizierten Position lageversetzt, so dass die Abscheidungen bei verschiedenen Positionen auf dem Objektträger gemacht werden.
Franzen, deutsches Patent DE-C-196 28 178, betrifft eine Technik zum schnellen Laden einer großen Anzahl von Proben auf eine Unterlage zur massenspektroskopischen Analyse. Eine Mehrfachpipetteneinheit überträgt Probenlösung von allen Reaktionsvertiefungen auf einer Mikrotiterplatte zu der Probenunterlage von wenigstens gleicher Größe. Durch wiederholtes Laden mit Proben von anderen Mikrotiterplatten wobei die Proben versetzt zwischen den schon aufgebrachten Proben abgeschieden werden, kann eine hohe Probendichte erreicht werden.
Es wäre daher wünschenswert, ein(e) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Matrizen, insbesondere Mikromatrizen, unter Verwendung paralleler Probenabscheidung bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schließt in einem Aspekt eine Vorrichtung zum Herstellen einer Vielzahl von Matrizen von Reagenzbereichen ein, wobei jede Matrix eine Reihe von N > 1 Reagenzbereichen enthält. Die Vorrichtung schließt eine Arbeitsstation zum Halten eines Substrats ein, das in eine Vielzahl von Matrixbereichen geteilt werden kann, einen Verteileraufbau, der eine Reihe von N Verteilerköpfen aufweist, die jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden.
In Betrieb wird der Aufbausukzessiv in Inkrementen vorwärts bewegt, die wirksam sind, einen Kopf des Aufbaus von einem Reagenzbereich in einem Matrixbereich zu dem entsprechenden Reagenzbereich in einem angrenzenden Matrixbereich vorwärts zu bewegen und einen angrenzenden Kopf des Aufbaus an einem entsprechenden ausgewählten Reagenzbereich in einem angrenzenden Reagenzbereich zu positionieren, wodurch jeder Kopf des Aufbaus für die Abscheidung an seinem ausgewählten Reagenzbereich in einem angrenzenden Matrixbereich positioniert wird. Dieser Arbeitsgang ist wirksam, um jeden Kopf sukzessiv für die Abscheidung an einem eindeutigen Bereich jedes Matrixbereichs zu positionieren.
In einer allgemeinen Ausführungsform wird der Aufbau in die Richtung der Reihen in den Matrixbereichen vorwärts bewegt und der Kopf-zu-Kopf-Abstand in dem Aufbau entspricht der Summe oder der Differenz (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen und (ii) des Abstands zwischen ausgewählten Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich. Diese Ausführungsform kann mit einem Aufbau ausgeführt werden, der eine zweidimensionale Matrix von Verteilerköpfen aufweist, die zulassen, dass zweidimensionale Mikromatrizen durch parallele Abscheidung ausgebildet werden können.
In einer anderen allgemeinen Ausführungsform der Vorrichtung wird der Aufbau in die Richtung senkrecht zu den Reihen in den Matrixbereichen vorwärts bewegt, wobei die Verteilerköpfe in dem Aufbau entlang einer Achse angeordnet sind, die zur Bewegungsrichtung des Aufbaus um einen Winkel versetzt ist.
Die Verteilerköpfe können Stifte sein, die zum gleichzeitigen Eintauchen in die Vertiefungen auf einer Mikrotiterplatte beabstandet sind. Hier schließt die Struktur, die Reagenzien an die Stifte liefert, eine Struktur ein, um den Aufbau zwischen Positionen, in welchen die Stifte in dem Aufbau in ausgewählte Vertiefungen in der Platte eingetaucht werden, und Positionen zur Reagenzabscheidung auf dem Substrat zu bewegen. In einer anderen Ausführungsform sind die Köpfe des Aufbaus Tintenstrahldruckerköpfe und die Zuführstruktur schließt eine Struktur zum Aktivieren der Druckerköpfe ein.
Die Erfindung schließt ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Matrizen von Reagenzbereichen ein, wobei jede Matrix eine Reihe von N > 1, d. h. zwei oder mehr Reagenzbereichen enthält. Das Verfahren schließt das Anordnen eines Substrats, das in eine Vielzahl von Matrixbereichen geteilt werden kann, in einer Arbeitsstation ein sowie das Vorwärtsbewegen eines Verteileraufbaus mit einer Reihe von N Verteilerköpfen über das Substrat, die jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden. Das Vorwärtsbewegen wird in Inkrementen ausgeführt, die wirksam sind, einen Kopf des Aufbaus von einem Reagenzbereich in einem Matrixbereich zu dem entsprechenden Reagenzbereich in einem angrenzenden Matrixbereich vorwärts zu bewegen, wodurch jeder Kopf des Aufbaus für die Abscheidung an einem ausgewählten Bereich in einem Matrixbereich positioniert wird. Bei jeder neuen Position werden die Köpfe des Aufbaus zur Abscheidung auf den Reagenzbereichen in den Matrixbereichen aktiviert. Das Vorwärtsbewegen und die Kopfaktivierungsschritte werden wiederholt, bis auf allen Bereichen in einer ausgewählten Reihe in den Matrixbereichen Reagenzien abgeschieden worden sind.
In einem Verfahren wird der Aufbau in die Richtung der Reihen vorwärts bewegt. Bei diesem Verfahren entspricht der Kopf-zu-Kopf-Abstand in dem Aufbau der Summe oder der Differenz (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen und (ii) des Abstands zwischen ausgewählten Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich. Dieses Verfahren kann mit einem Aufbau ausgeführt werden, der eine zweidimensionale Matrix von Verteilerköpfen aufweist, die zulassen, dass zweidimensionale Mikromatrizen durch parallele Abscheidung ausgebildet werden können.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird der Aufbau in die Richtung senkrecht zu den Reihen in den Matrixbereichen vorwärts bewegt, wobei die Verteilerköpfe entlang einer Achse angeordnet sind, die zur Bewegungsrichtung des Aufbaus um einen Winkel versetzt ist.
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden noch deutlicher beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A und 1B sind eine Draufsicht eines Abschnitts eines Substrats, welche eine Vielzahl von zweidimensionalen Matrixbereichen zeigt (1A), und eine vergrößerte Ansicht eines Matrixbereichs, welche die geplanten Bereiche der Abscheidung auf der Matrix zeigt (1 B);
Fig. 2 ist eine teilweise schematische Ansicht der erfindungsgemäß konstruierten Vorrichtung;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Kopfaufbaus in der Erfindung, passgenau gezeigt mit den Vertiefungen in einer Mikrotiterplatte;
Fig. 4A-4C stellen eine Folge von Abscheidungsschritten auf einer Vielzahl von Matrixbereichen dar, wobei die gleichzeitige Abscheidung auf den Matrizen gemäß einer allgemeinen Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist;
Fig. 5 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines zweidimensionalen Verteilerkopfaufbaus, der in Abscheideposition über mehreren Matrixbereichen auf einem Substrat gemäß einer allgemeinen Ausführungsform der Erfindung angebracht ist;
Fig. 6 stellt Ausgangsschritte in einem bei der Ausbildung zweidimensionaler Matrizen verwendeten Abscheidungsmuster dar;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Mehrfachkopfaufbaus, der gemäß einer zweiten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist, sowie von Matrixbereichen in einem Substrat, über welches der Aufbau bewegt werden soll;
Fig. 8A stellt die winkelige Beziehung zwischen der Richtung der Bewegung des Aufbaus über ein Substrat und der Achse der Köpfe an dem Aufbau dar;
Fig. 8B und 8C stellen verschiedene Schritte der Abscheidung auf einer Vielzahl von Matrixbereichen gemäß der zweiten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung dar; und
Fig. 9 ist eine vergrößerte Draufsicht des in Fig. 5B gezeigten Substratbereichs, der den Abstand zwischen angrenzenden Verteilerköpfen in einem gemäß einem zweiten allgemeinen Verfahren der Erfindung konstruierten Aufbau zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist für die Herstellung einer Vielzahl von Matrizen von Reagenzbereichen gedacht, wobei jede Matrix eine Reihe von N > 1, d. h. zwei oder mehr, vorzugsweise 8 oder mehr Reagenzbereichen mit einem ausgewählten Bereich-zu- Bereich-Abstand enthält. In einer typischen Ausführungsform sind die Matrizen zweidimensionale Matrizen von M Reihen, jeweils mit N Reagenzbereichen (oder N Spalten), beispielsweise eine 8 · 12-Matrix.
Die Matrizen sind auf einem Substrat 10 (Fig. 1A) ausgebildet, das in eine Vielzahl von Matrixbereichen, wie den rechtwinkeligen Bereichen 12, 14, geteilt werden kann. Als ein Beispiel einer typischen in jedem Matrixbereich auszubildenden Matrix zeigt Fig. 1 B eine 12 · 8-Matrix von Reagenzbereichen, wie den Bereichen 18, die eine erste Reihe 20 in der Matrix 12 ausbilden, und Bereichen, wie den Bereichen 22 in den Reihen 5-7 der Matrix. Wie hier verwendet, wird der Ausdruck "Reihe" im Allgemeinen verwendet, um die erste Zeile von ausgebildeten Bereichen zu bezeichnen.
Eine Vorrichtung zum Herstellen der Matrizen ist schematisch bei 26 in Fig. 2 dargestellt. Die Vorrichtung schließt eine Arbeitsstation 28 zum Halten des Substrats - in diesem Fall, des Substrats 10 - ein. Außerdem ist in Fig. 2 eine Mikrotiterplatte 30 gezeigt, die eine Vielzahl von Vertiefungen, wie die Vertiefungen 34, 36, enthält, die jeweils ausgelegt sind, um ein Reagenz zu enthalten, das an einem Bereich in jeder auszubildenden Matrix abgeschieden werden soll. Vorzugsweise enthält die Platte eine M x N-Matrix von Vertiefungen, die den M · N-Bereichen in jeder Matrix entsprechen.
Ein Verteileraufbau 36 in der Vorrichtung schließt eine Reihe von Verteilerköpfen ein, wie die Köpfe 38, 40, die voneinander durch einen wirksamen Kopf-zu-Kopf-Abstand "d" beabstandet sind, der wesentlich größer ist als der Bereich-zu-Bereich-Abstand in einer Matrixreihe. Typischerweise liegt der Bereich-zu-Bereich-Abstand in einer Matrix zwischen etwa 0,1 und 1 mm, wohingegen der Abstand zwischen angrenzenden Köpfen in dem Aufbau typischerweise 1 cm oder größer ist. In der dargestellten Ausführungsform entspricht der Aufbaukopfabstand "d" dem Abstand "d" zwischen angrenzenden Vertiefungen in der Platte 30. Obwohl nicht gezeigt, ist der Aufbau vorzugsweise ein zweidimensionaler Aufbau von Köpfen mit einer M · N-Matrix von Köpfen, die in Anzahl und Abstand der M · N-Matrix von Vertiefungen in der Platte 30 entspricht.
Ein Roboterarm oder eine Schienenstruktur, angezeigt durch den Pfeil 42, ist ausgelegt, um den Aufbau zwischen einer Flüssigkeitsaufnahme-Position, dargestellt in Fig. 3, zu bewegen. Wie hier gezeigt, schließt jeder Kopf, wie die Köpfe 38, 40, einen Verteilerstift, wie den Stift 38a bzw. 40a, ein, der in eine dazugehörige Vertiefung, wie die Vertiefung 34, eintaucht, um Reagenz einer ausgewählten Vertiefung in den Kopf z. B. über Kapillarwirkung zu ziehen.
Nach der Fluidaufnahme wird der Aufbau dann zum Abscheiden von Reagenzien in den Köpfen des Aufbaus auf den Substratbereichen auf eine nachstehend beschriebene Art und Weise in eine Position bewegt, die über der Arbeitstation liegt. Die Struktur 42 und die Platte 30 werden hier ferner gemeinsam als Mittel zum Zuführen ausgewählter Reagenzien an die Verteilerköpfe, um Reagenzien von den Köpfen auf das Matrixsubstrat abzuscheiden, bezeichnet. fn der gezeigten Ausführungsform ist die Reagenzzufuhr passiv, z. B. durch Kapillaraufnahme. Es liegt auf der Hand, dass andere Zuführmittel in Erwägung gezogen werden, beispielsweise solche, bei denen die Verteilerköpfe Tintenstrahldruckerköpfe sind, die aus einem eingebauten Reservoir oder durch Schläuche aus einzelnen Reagenzquellen liefern.
Die Vorrichtung schließt ferner eine durch den Pfeil 44 angezeigte Struktur ein, um den Aufbau sukzessiv und inkrementell über die Arbeitsstation zu ausgewählten Abscheidepositionen in Bezug auf die Matrixbereiche auf dem Substrat zu bewegen. Die Struktur kann ein Roboterarm oder eine herkömmliche Schienenstruktur sein, der/die ausgelegt ist, um den Aufbau um ein bekanntes Inkrement entlang einer X-Achse (in die Richtung der Reihen in den auszubildenden Matrizen) oder sowohl entlang der X- als auch der Y- Achse (in die Richtung sowohl der auszubildenden Matrixreihen als auch -spalten) zu bewegen. Die ausgewählten Bewegungsabstände und das Bewegungsmuster werden sich ohne weiteres aus der nachstehenden Diskussion in Bezug auf die Fig. 4 und 5 erkennen lassen. Die Struktur 44 wird hier außerdem als Mittel, um den Aufbau vorwärts zu bewegen, bezeichnet.
Die Strukturen 42 und 44 werden jeweils wirksam mit einer Steuerungseinheit 46 verbunden, die den Betrieb des Aufbaus zur (i) Zufuhr von flüssigen Reagenzien an die Köpfe des Aufbaus und (ii) Abscheidung ausgewählter Reagenzien an ausgewählten Matrixbereichspositionen steuert.
Die Fig. 4A bis 4C stellen zwei wichtige Merkmaie der Erfindung dar: (i) die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen angrenzenden Köpfen in einem Verteileraufbau und dem Abstand zwischen angrenzenden Matrixbereichen und angrenzenden Bereichen in einer Matrix auf dem Substrat und (ii) die sukzessiven inkrementellen Bewegungen des Aufbaus beim Abscheiden von Bereichen auf dem Substrat nebeneinander in mehreren verschiedenen Matrixbereichen. Der Aufbau, angezeigt bei 50 in den Figuren, enthält fünf Verteilerköpfe 52, 54, 56, 58, 60 und ist ausgelegt, um in jedem Matrixbereich auf dem Substrat 61, wie den Bereichen 62, 64, 66, 68, 70, eine lineare Matrix mit fünf Bereichen, wie die Matrix 72 im Bereich 70, abzuscheiden. (Die Anzahl von Köpfen des Aufbaus und die Matrixanzahl wurden hinsichtlich der vorstehend beschriebenen 12 · 8-Matrix zum Zwecke der Vereinfachung der Beschreibung des Betriebs des Aufbaus reduziert.)
Wie sich in Fig. 4A erkennen lässt, entspricht der Abstand "d" zwischen den Abscheidstiften in angrenzenden Köpfen des Aufbaus der Summe des Abstands "da" zwischen entsprechenden Bereichen mit erster Position, wie den Bereichen 73, 74 in angrenzenden Matrixbereichen, wie den Bereichen 62, 64, und "dr", dem Abstand zwischen angrenzenden Bereichen, wie den Bereichen 74, 76 innerhalb eines Matrixbereichs, wie dem Bereich 64. Wenn der Aufbau zu einer Position bewegt wird, um den Kopf 52 für die Abscheidung an einem Erstpositionsbereich in einen Bereich, wie den Bereich 62, zu bringen, wird der Kopf 54 für die Abscheidung an dem Zweitpositionsbereich in dem unmittelbar angrenzenden Matrixbereich positioniert, der Kopf 56 wird für die Abscheidung an dem Drittpositionsbereich in dem nächsten unmittelbar angrenzenden Matrixbereich positioniert usw., so dass die Abscheidung von jedem Kopf nebeneinander an sukzessiven Matrixbereichen und an sukzessiven Bereichen innerhalb jedes Bereichs stattfindet.
Nach der in Fig. 4A gezeigten Abscheidung wird der Aufbau nun (Fig. 4B) nach links um einen Abstand "da" bewegt, um den Kopf 52 (nicht gezeigt) an den nächsten links angrenzenden Bereich für die Abscheidung an dem Erstpositionsbereich in diesem Bereich, den Kopf 54 für die Abscheidung an dem Zweitpositionsbereich in dem Bereich 62, den Kopf 58 an den Drittpositionsbereich in dem Bereich 64 usw. zu bringen. Daher scheidet jeder Kopf das gleiche Reagenz an dem Bereich mit gleicher Position in jeder Matrix ab.
Diese Bewegung des Aufbaus in sukzessiven Inkrementen des Abstands "da" wird auf diese Weise wie in Fig. 4C dargestellt fortgesetzt, bis jeder der Matrixbereiche auf dem Substrat eine vollständige Fünf-Bereiche-Matrix hat. Wenn die Gesamtzahl der Matrixbereiche T ist und es N Bereiche auf jeder Matrix gibt, werden insgesamt T x N einzelne Bereichsabscheidungen gemacht. Dies erfordert insgesamt T + 2(N - 1) inkrementelle Bewegungen, wobei der 2(N -1)-Ausdruck die Anzahl von Bewegungen des Aufbaus darstellt, die benötigt werden, um "auf den" und "aus dem" Substratbereich zu "laufen".
In dem vorstehend dargestellten Beispiel wird der erste Kopf angeordnet, um Reagenz in der ersten Position in einer Reihe abzuscheiden, der zweite Kopf an der zweiten Position usw. In dieser Ausführungsform entspricht der Kopf-zu-Kopf-Abstand des Aufbaus der Summe (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen und (ii) des Abstands zwischen angrenzenden Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich. Noch allgemeiner gesagt, sind die Verteilerköpfe in einem Aufbau derart angeordnet, dass sie ein ausgewähltes Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen, vorzugsweise angrenzenden Matrixbereichen abscheiden. Daher liegt die einzige Forderung für den Abstand darin, dass angrenzende Köpfe voneinander in einem Abstand beabstandet sind, welcher der Summe oder der Differenz (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen und (ii) des Abstands zwischen ausgewählten Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich entspricht.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Vorrichtung 26 zeigt Fig. 5 den relativen Abstand angrenzender Köpfe, wie der Köpfe 38, 40, in einer Reihe 76 in der Aufbaumatrix und zwischen angrenzenden Köpfen in angrenzenden Reihen, wie den Köpfen 38, 78 in den Reihen 76, 80. In der gezeigten Ausführungsform sind die angrenzenden Köpfe in einer Reihe voneinander in einem Abstand beabstandet, der dem Abstand zwischen entsprechenden Bereichen in angrenzenden Matrixbereichen entlang der X- (horizontalen) Achse in der Figur plus dem Abstand zwischen angrenzenden Bereichen entlang der X-Achse innerhalb einer Matrix entspricht. Gleichermaßen sind angrenzende Köpfe in einer Spalte in dem Aufbau voneinander in einem Abstand beabstandet, der dem Abstand zwischen entsprechenden Bereichen in angrenzenden Matrixbereichen entlang der Y- (vertikalen) Achse in der Figur plus dem Y-Achsenabstand zwischen angrenzenden Bereichen innerhalb einer Matrix entspricht. Daher werden die Köpfe in der Reihe 76 positioniert, um Reagenz in den Reagenzpositionen in der ersten Reihe in jeder Matrix (der untersten Reihe in der Figur) abzuscheiden, die Köpfe in der Reihe 80 in der zweiten Reihe in jeder Matrix usw. Es lässt sich erkennen, dass der Abstand zwischen angrenzenden Reihen von Köpfen im allgemeinsten Fall derart ist, dass die Köpfe in jeder Reihe von Köpfen für die Abscheidung entlang einer ausgewählten Reihe in jeder Matrix angebracht werden.
Fig. 6 stellt dar, wie der gerade beschriebene Aufbau bewegt werden kann, um zweidimensionale Matrizen in zwei Dimensionen auszubilden. Die Figur zeigt ein Substrat 82 mit Reihen von Matrixbereichen, wie den Bereichen 84, 86 in der Reihe 88, und Spalten von Matrixbereichen, wie den Bereichen 84, 90, 92 in der Spalte 94.
In der ersten vollständigen Translationsbewegung über das Substrat (die lediglich eine einzelne Reihe von Köpfen einschließt) wird der Aufbau bewegt, um eine Reihe von Reagenzien entlang der obersten Reihe des untersten Matrixbereichs, d. h. der Reihe 88 in der Figur, abzuscheiden, wobei die Bewegungsrichtung und die Anordnung der Reagenzbereiche durch eine durchgezogene Linie 96 angezeigt ist. Der Aufbau wird dann in die entgegengesetzte Richtung bewegt, um eine Reihe 98 von Reagenzien entlang der obersten Reihe der zweiten Matrixbereiche von unten, d. h. der den Bereich 90 enthaltenden Reihe, und eine zweite Reihe 100 in der der obersten Reihe am nächsten liegenden Reihe in den untersten Matrixbereichen durch gleichzeitige Abscheidung aus zwei der Reihen von Köpfen abzuscheiden. Die nächste vollständige Translationsbewegung des Aufbaus über das Substrat stellt die drei bei 102, 104, 106 angezeigten Reihen her. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis jeder der Matrixbereiche in der gesamten M · N- Matrix gefüllt ist.
Fig. 7 bis 9 stellen Merkmale einer Vorrichtung dar, die gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist. In dieser Ausführungsform wird der Verteilerkopfaufbau, angezeigt bei 115 in Fig. 7, eher in eine Richtung vorwärts bewegt, die senkrecht zu den Reihen der Reagenzbereiche ist, die erzeugt werden, als in die Richtung der erzeugten Matrixreihen wie in der Ausführungsform von Fig. 2. Die Bewegungsrichtung des Aufbaus ist durch die Linie 116 in Fig. 8A angezeigt; die durch die Abscheidung des Aufbaus zu füllenden Reihen sind vertikal angeordnete Reihen, wie die Reihen 118, 120 in den Matrixbereichen 122, 124 in den Fig. 7 und 8B.
Wie sich in den Figuren erkennen lässt, sind angrenzende Köpfe indem Aufbau, wie die Köpfe 108, 110, angeordnet, um Reagenzien in Reagenzbereichen, wie den Bereichen 126, 128 in Fig. 9, abzuscheiden, die sich in angrenzenden Matrixbereichen, wie den Bereichen 122, 124 befinden und die sich an entsprechenden angrenzenden Reihenpositionen, z. B. der ersten Reihenposition in dem Bereich 122 und der zweiten Reihenposition in dem Bereich 124 befinden. Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 9 steht der Abstand "d" zwischen angrenzenden Köpfen in dem Aufbau mit dem Abstand "da" zwischen entsprechenden Bereichen, wie den Bereichen 122, 124, in angrenzenden Matrixbereichen und dem Abstand "dr" zwischen angrenzenden Bereichen in einer Reihe in Beziehung. Insbesondere wird der Abstand "d" durch die Beziehung eines rechtwinkligen Dreiecks definiert und entspricht der Quadratwurzel von da² + dr². Andere Merkmale der Vorrichtung entsprechen den in Fig. 2 für die Vorrichtung 26 beschriebenen.
In Betrieb wird der Aufbau 115 in einer Linksrechts-Richtung in Fig. 8A in Inkrementen bewegt, die den ersten Kopf des Aufbaus an der ersten Position in einer Reihe jedes sukzessiven Matrixbereichs, den zweiten Kopf an der zweiten Position in einer angrenzenden Reihe usw. anbringen. Fig. 8B stellt diesen Arbeitsgang dar, um die erste Spalte in jeder Matrix in einer Richtung von unten nach oben in der Figur zu füllen. Bei der gezeigten Stufe ist die am weitesten links gelegene Matrixreihe vollständig gefüllt worden. Sechs inkrementelle Bewegungen später (Fig. 8C) sind die ersten sechs Matrixreihen gefüllt worden und die rechten sechs Matrixbereiche sind teilweise gefüllt mit, wie gezeigt, zwischen 6 und 11 Bereichen. Dieser Arbeitsgang wird fortgesetzt bis alle ersten Reihen in allen Matrixbereichen gefüllt sind. Wie in der ersten Ausführungsform beträgt die Anzahl an Schritten des Aufbaus, die benötigt werden, um den Arbeitsgang zu venrollständigen, T + 2(N - 1), wobei der 2(N - 1)-Ausdruck die Anzahl von Bewegungen des Aufbaus darstellt, die benötigt werden, um "auf den" und "aus dem" Substratbereich zu "laufen".
Ein zweiter Kopf des Aufbaus wird verwendet, um Reagenzien in der zweiten Reihe abzuscheiden, ein dritter Reagenzkopf für die dritte Reihe usw., bis jede Matrix auf dem Substrat gefüllt ist.
Wenn auch die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen und Verfahren beschrieben worden ist, ist es ohne weiteres ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne die Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen einer Vielzahl von Matrizen von Reagenzbereichen, wobei jede Matrix (72) wenigstens eine aus N> 1 Reagenzbereichen (73, 74, 76, 126, 128) gebildete Reihe enthält, umfassend:

eine Arbeitsstation (28) zum Halten eines Substrats (61), das in eine Vielzahl von Matrixbereichen (62, 64, 68, 70; 122, 124) geteilt werden soll,

ein Verteileraufbau (50; 115), der wenigstens eine Reihe von N Verteilerköpfen (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) aufweist, die jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen (73, 74, 76; 126, 128) in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden, wobei angrenzende Köpfe angeordnet sind, um Reagenzien in Reagenzbereichen abzuscheiden, die sich in angrenzenden Matrixbereichen und an entsprechenden angrenzenden Reihenpositionen befinden,

Mittel (42, 30) zum Zuführen ausgewählter Reagenzien an die Verteilerköpfe (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110), um Reagenzien von den Köpfen auf das Matrixsubstrat (61) abzuscheiden,

Mitte) (44), um den Aufbau (50; 115) sukzessiv in Inkrementen vorwärts zu bewegen, die wirksam sind, einen Kopf des Aufbaus (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) von einem Reagenzbereich in einem Matrixbereich zu dem entsprechenden Reagenzbereich in einem angrenzenden Matrixbereich vorwärts zu bewegen,

wobei sukzessive Vorwärtsbewegungen des Aufbaus wirksam sind, jeden Kopf sukzessiv für die Abscheidung an seinem ausgewählten Reagenzbereich in jedem Matrixbereich zu positionieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aufbau (50) in die Richtung der Reihen in den Matrixbereichen (62, 64, 66, 68, 70) vorwärts bewegt wird, und wobei der Kopf-zu- Kopf-Abstand (d) in dem Aufbau der Summe oder der Differenz (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen (73, 74, 76) in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen (da) und (ii) des Abstands zwischen ausgewählten Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich (dr) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Verwendung bei der Herstellung einer Vielzahl von Matrizen, die jeweils aus M Reihen von Reagenzbereichen zusammengesetzt sind, wobei jede Reihe N Reagenzbereiche enthält, wobei der Aufbau eine M · N-Matrix von Verteilerköpfen enthält, wobei die N Köpfe in jeder Reihe in einem Aufbau jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden, und wobei die Reihen von Köpfen in Beziehung zueinander angeordnet sind, um Reagenz an einer ausgewählten Reihe der M verschiedenen Reihen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aufbau (115) in die Richtung senkrecht zu den Reihen in den Matrixbereichen (122, 124) vorwärts bewegt wird, und wobei die Verteilerköpfe (108, 110) entlang einer Achse angeordnet sind, die zur Bewegungsrichtung des Aufbaus um einen Winkel versetzt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verteilerköpfe (52, 54, 56, 58, 60; 108; 110) Stifte sind, die zum gleichzeitigen Eintauchen in die Vertiefungen auf einer Mikrotiterplatte beabstandet sind, und wobei die Zuführmittel (42, 30) Mittel einschließen, um den Aufbau zwischen Positionen, in welchen die Stifte in dem Aufbau in ausgewählte Vertiefungen in der Platte eingetaucht werden, und Positionen zur Reagenzabscheidung auf dem Substrat zu bewegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Köpfe des Aufbaus (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) Tintenstrahldruckerköpfe sind, und wobei die Zuführmittel (42, 30) Mittel zum Aktivieren der Druckerköpfe einschließen.

7. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Matrizen von Reagenzbereichen, wobei jede Matrix (72) wenigstens eine Reihe von N> 1 Reagenzbereichen (73, 74, 76; 126, 128) enthält, umfassend:

Anordnen eines Substrats (61), das in eine Vielzahl von Matrixbereichen (62, 64, 66, 68, 70; 122, 124) geteilt werden soll, in einer Arbeitsstation (28), sukzessives Vorwärtsbewegen eines Verteileraufbaus (50; 115) in Inkrementen, die wirksam sind, einen Kopf des Aufbaus (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) von einem Reagenzbereich in einem Matrixbereich zu dem entsprechenden Reagenzbereich in einem angrenzenden Matrixbereich vorwärts zu bewegen,

wobei sukzessive Vorwärtsbewegungen des Aufbaus wirksam sind, jeden Kopf sukzessiv für die Abscheidung an seinem ausgewählten Reagenzbereich in jedem Matrixbereich zu positionieren,

wobei der Verteileraufbau (50; 115) wenigstens eine Reihe von N Verteilerköpfen (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) aufweist, die jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden, wobei angrenzende Köpfe angeordnet sind, um Reagenzien in Reagenzbereichen abzuscheiden, die sich in angrenzenden Matrixbereichen und an entsprechenden angrenzenden Reihenpositionen befinden,

Aktivieren der Köpfe des Aufbaus (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) zur Abscheidung auf den Reagenzbereichen (73, 74, 76; 126, 128) in den Matrixbereichen (62, 64, 66, 68, 70; 122, 124), und

Wiederholen der Vorwärtsbewegungs- und Aktivierungsschritte, solange, bis auf allen Bereichen in einer ausgewählten Reihe in den Matrixbereichen Reagenzien abgeschieden worden sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Vorwärtsbewegen in die Richtung der Reihen in den Matrixbereichen (62, 64, 66, 68, 70) erfolgt, und wobei der Kopf-zu-Kopf-Abstand (d) in dem Aufbau (50) der Summe oder der Differenz (i) des Abstands zwischen entsprechenden Reagenzbereichen (73, 74, 76) in unmittelbar angrenzenden Matrixbereichen (da) und (ii) des Abstands zwischen ausgewählten Reagenzbereichen in einer Reihe in einem Matrixbereich (dr) entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Verwendung bei der Herstellung einer Vielzahl von Matrizen, die jeweils aus M Reihen von Reagenzbereichen zusammengesetzt sind, wobei jede Reihe N Reagenzbereiche enthält, wobei der Aufbau eine M · N-Matrix von Verteilerköpfen enthält, wobei die N Köpfe in jeder Reihe in einem Aufbau jeweils angeordnet sind, um Reagenz an einem ausgewählten Reagenzbereich von N verschiedenen Reagenzbereichen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden, und wobei die Reihen von Köpfen in Beziehung zueinander angeordnet sind, um Reagenz an einer ausgewählten Reihe der M verschiedenen Reihen in verschiedenen Matrixbereichen abzuscheiden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Aufbau (115) in die Richtung senkrecht zu den Reihen in den Matrixbereichen (122, 124) vorwärts bewegt wird, und wobei die Verteilerköpfe (108, 110) entlang einer Achse angeordnet sind, die zur Bewegungsrichtung des Aufbaus um einen Winkel versetzt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verteilerköpfe (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) Stifte sind, die zum gleichzeitigen Eintauchen in die Vertiefungen auf einer Mikrotiterplatte beabstandet sind, und wobei das Aktivieren das Bewegen des Aufbaus zwischen Positionen einschließt, in welchen die Stifte in dem Aufbau in ausgewählte Vertiefungen in der Platte eingetaucht werden, und Positionen zur Reagenzabscheidung auf dem Substrat.

12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Köpfe des Aufbaus (52, 54, 56, 58, 60; 108, 110) Tintenstrahldruckerköpfe sind, und wobei das Aktivieren das Aktivieren der Druckerköpfe einschließt.