DE60031015T2

DE60031015T2 - Vorrichtung zur Handhabung von Kügelchen

Info

Publication number: DE60031015T2
Application number: DE60031015T
Authority: DE
Inventors: Charles S. Vann; Dennis Lehto
Original assignee: Applera Corp
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1999-02-16
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: US7384606B2; DE60030957D1; EP1722236A1; US20040086426A1; JP4451809B2; US20030021734A1; US20060012130A1; EP1434055A3; CA2359901A1; US6887431B1; ATE341002T1; AU3365700A; AU762897B2; WO2000049382A2; US7615193B2; JP2003517581A; US7347975B2; US20050130318A1; EP1434055A2; EP1153303B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Handhabung von kleinen Kugeln bzw. Kügelchen, die dazu geeignet sind, Substanzen zu tragen, wie beispielsweise Reagenzien oder Proben und dergleichen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Arrays derartiger Kugeln auf einer Mikrokarte oder einer Platte.
Hintergrund der Erfindung
Multivertiefungsarrays werden seit langer Zeit dazu verwendet, um separat zahlreiche chemische und/oder biologische Reaktionen zu im Wesentlichen derselben Zeit durchzuführen. Dabei ist die Mikroplatte mit 96 Vertiefungen in den letzten Jahren das populärste Multivertiefungsformat gewesen. Üblicherweise werden mehrere Mikroliter Reagenzien in jeder Vertiefung der 96 Reaktionsvertiefungen pro Untersuchung bzw. pro Assay angeordnet. Um Reagenzienkosten zu vermindern sowie den Durchsatz zu steigern, werden in zahlreichen Laboratorien nun Platten mit noch höheren Dichten verwendet, die sehr kleine Vertiefungen aufweisen, wie beispielsweise Formate mit 384 und 1536 Vertiefungen, die einen Durchmesser von ungefähr 1 mm oder weniger aufweisen. Bei diesen Formaten mit einer höheren Dichte von Vertiefungen besteht die Notwendigkeit noch kleinere Substanzmengen (z.B. < 1 μl) über sehr kompakte Arrays zu verteilen.
Die meisten herkömmlichen automatisierten Mikrovolumen-Abgabesysteme geben Substanzen in fluider Form unter Verwendung robotischer Zufuhranordnungen ab. In einem typischen System saugt ein Roboter Fluid in einen oder mehrere Ejektoren ein, bewegt einen befüllten Ejektor zu einer Vertiefung in einer Mikrokarte oder einer Platte und fördert ein Fluidaliquot. Häufig verwendete Ejektoren umfassen "nicht berührende" Vorrichtungen, wie beispielsweise Tintenjetdüsen (ink jet nozzles), und "berührende" Vorrichtungen, wie beispielsweise Stifte oder Federn (pens or quills). Bei Tintenjets, Stiften und Federn handelt es sich um wohlbekannte Vorrichtungen, die in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Unglücklicherweise weist für den Zweck der Abgabe mehrerer Substanzen in die Vertiefungen einer Mikrokarte oder einer Platte jede dieser Vorrichtungen bestimmte Nachteile auf. Beispielsweise arbeiten Tintenjets im Allgemeinen gut, wenn das zu untersuchende Fluid sorgfältig für die Düse optimiert worden ist. Wenn jedoch zahlreiche unterschiedliche Fluide durch dieselbe Düse abgegeben werden, dann ist eine Optimierung für jedes einzelne Fluid oftmals nicht praktikabel. Dies führt dazu, dass die Düsen verstopft werden können. Hinsichtlich Stiften und Federn ist zu bemerken, dass diese Vorrichtungen mit den Vertiefungswänden kollidieren können und im Allgemeinen für einen kosteneffektiven Betrieb zu langsam sind.
Die Aufgabe, Mikrovolumina von fluidischen Substanzen zuzuführen, kann besonders dann herausfordernd sein, wenn die an jeder Stelle bzw. Position abgelagerte Substanz bei einer oder lediglich einigen wenigen Positionen in dem Array einzigartig ist bzw. nur dort abgelagert wird. Weitere Komplikationen können auftauchen, wenn mehrere fluidische Substanzen der Reihe nach in allen Vertiefungen abgelagert werden. Beispielsweise können Flüssigkeiten tropfen und spritzen, wodurch Reagenzien in benachbarten Vertiefungen verunreinigt werden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass alle Vorrichtungen, die ein Fluidreagenz berühren, gesäubert werden müssen oder entsorgt werden müssen, bevor diese mit einem anderen fluidischen Reagenz verwendet werden. Dies ist notwendig, um ein Vermischen (d.h. eine Verunreinigung) von einem Reagenz mit einem anderen zu verhindern. Man sollte erkennen, dass zahlreiche Zyklen des Reinigens und des Ansaugens außerdem zeitaufwendig und kostspielig sind. Dies ist insbesondere der Fall bei Anwendungen, die eine große Anzahl von unterschiedlichen Substanzen erfordern. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es oftmals schwierig ist, das Volumen des abgegebenen Fluids mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu kontrollieren. Außerdem kann es schwierig sein, kleine Mengen von abgegebenem Fluid mit herkömmlichen Abbildungssystemen zu detektieren. Dementsprechend kann es sein, dass Abgabefehler nicht bemerkt werden und somit nicht korrigiert werden können.
Die DE-A-197 12 195 beschreibt ein Multipipettensystem für den Transfer bzw. die Überführung von flüssigen Proben von einem ersten Array von oberen Leitungsöffnungen zu einem zweiten Array von unteren Leitungsöffnungen, wobei das zweite Array einen kleineren Pitch als das erste Array aufweist. Ein Detektionssystem wird nicht beschrieben.
Es besteht somit ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Prozess, die dazu geeignet sind, ein Array von Substanzen auf einer Mikrokarte oder einer Platte auf eine verhältnismäßig schnelle, effiziente und akkurate Art und Weise bereitzustellen bzw. herzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Kanalisieren einer Vielzahl von Submillimeterkugeln zu erwünschten Stellen auf einem Substrat gemäß Anspruch 1 bereit.
Das System gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Leitungsanordnung mit einer Vielzahl von Leitungen, um separat eine Vielzahl von Kugeln zu führen oder zu kanalisieren, die aus den zahlreichen Kavitäten freigegeben werden, und zwar zu gewünschten Stellen bzw. Positionen auf einem Substrat (z.B. in die Vertiefungen einer Mikroplatte oder Karte). Die Leitungen weisen (i) große Öffnungen an deren oberen Enden auf, die in einem Array angeordnet sind, das einen Pitch von Mitte zu Mitte bzw. einen Mitte-zu-Mitte-Abstand aufweist, der im Wesentlichen dem des Vorsprungs- bzw. Projektionsarrays entspricht, so dass die großen Öffnungen im Allgemeinen darunter ausgerichtet werden können, und (ii) kleine Öffnungen an deren unteren Enden.
Die kleinen Öffnungen können in einem Array angeordnet sein, das einen Pitch Mitte zu Mitte bzw. Mitte-zu-Mitte-Abstand aufweist, der im Wesentlichen dem Pitch des Arrays großer Öffnungen entspricht, oder die zwei Arrays können unterschiedliche Pitches aufweisen. In einer Ausführungsform sind beispielsweise die kleinen Öffnungen in einem Array angeordnet, das einen Pitch Mitte zu Mitte aufweist, der bedeutend kleiner als der Pitch des Arrays großer Öffnungen ist. In einer besonderen Anordnung ist der Pitch Mitte zu Mitte des Arrays kleiner Öffnungen um einen Faktor von wenigstens ungefähr 2 und vorzugsweise von wenigstens ungefähr 3 im Vergleich zu dem Pitch des Arrays großer Öffnungen vermindert.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat, auf das die Kugeln abgelagert werden, um eine Mikroplatte oder Karte, die eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, die in einem Array angeordnet sind, das unter dem Array kleiner Öffnungen der Leitungsanordnung ausgerichtet werden kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Substrat um eine Kunststoffplatte mit 96 Vertiefungen handeln. Die Platte kann Standardabmessungen aufweisen oder maßgeschneidert sein. Beispielsweise kann die Platte ein reguläres rechteckiges Array von 8 × 12 Vertiefungen aufweisen, wobei jede Vertiefung an ihrem oberen Ende einen Durchmesser von ungefähr 1 mm aufweist.
Das System umfasst ferner ein Detektionssystem, das betrieben werden kann, um das Vorhandensein oder das Fehlen einer Kugel in jeder Vertiefung einer Mikroplatte oder Karte zu erfassen. In einer Ausführungsform wird beispielsweise ein Detektionssystem verwendet, das ein Gesichtsfeld bzw. Blickfeld aufweist, das sich durch jede der Leitungen und auf das Substrat hinab erstreckt.
In einer Ausführungsform weist jede der großen Öffnungen der Leitungsanordnung einen Durchmesser von mehr als ungefähr 1 mm (beispielsweise zwischen 1–6 mm) auf und jede der kleinen Öffnungen weist einen Durchmesser von weniger als ungefähr 1 mm (beispielsweise zwischen 0,15–1 mm) auf.
In einer weiteren beispielhaften Anordnung ist der Pitch Mitte zu Mitte bzw. Mitte-zu-Mitte-Abstand des Arrays großer Öffnungen größer als ungefähr 3 mm (beispielsweise zwischen ungefähr 3–9 mm) und der Pitch Mitte zu Mitte bzw. Mitte-zu-Mitte-Abstand des Arrays kleiner Öffnungen ist kleiner als ungefähr 3 mm (beispielsweise ungefähr 1–3 mm).
Eine Parallelogrammgestängeanordnung kann dazu verwendet werden, um die heitungsanordnung für eine bogenförmige Hin- und Herbewegung zwischen einer angehobenen Position, oberhalb und vertikal von einem Substrat versetzt, zu einer abgesenkten Position, direkt über und in unmittelbarer Nähe zu einem Substrat, zu unterstützen. In einer derartigen Ausführungsform wird eine Parallelogrammgestängeanordnung auf einer Karusselloberfläche für eine Schwenkbewegung unterstützt, die radial hinsichtlich der Rotationsachse des Karussells verläuft. Ein Substrathaltebereich ist ebenso auf der Karusselloberfläche bereitgestellt, und zwar benachbart zu der Parallelogrammgestängeanordnung und von dieser radial nach außen. In dieser Ausführungsform erstreckt sich ferner eine stationäre Schiene entlang eines inneren Bereichs des Karussells, die eine Lagerfläche in mechanischer Kommunikation mit der Parallelogrammgestängeanordnung aufweist. Die Konstruktion ist angeordnet, um der Parallelogrammgestängeanordnung zu ermöglichen, sich entlang der Schiene zu bewegen, wenn die Rotationsbewegung des Karussells diese fortbewegt. In einer bevorzugten Anordnung umfasst die Lagerfläche einen ersten bogenförmigen Bereich, der in einem ersten Abstand von der zentralen Achse bei einer ersten vertikalen Höhe angeordnet ist, sowie einen zweiten bogenförmigen Bereich, der in einem zweiten Abstand von der zentralen Achse bei einer zweiten vertikalen Höhe angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand und die zweite vertikale Höhe ist größer als die erste vertikale Höhe. Wenn sich die Parallelogrammgestängeanordnung entlang des ersten bogenförmigen Bereichs bewegt, dann nimmt die Leitungsanordnung die abgesenkte Position über dem Substrathaltebereich ein. Wenn sich die Parallelogrammgestängeanordnung entlang des zweiten bogenförmigen Bereichs bewegt, dann nimmt das Leitungsarray die angehobene Position ein. Die Lagerfläche kann außerdem Übergangsbereiche enthalten, die den ersten und den zweiten bogenförmigen Bereich verbinden bzw. überbrücken.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Substrat um eine Mikroplatte oder Karte, die eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, die in einem Array angeordnet sind, das unter dem Array von kleinen Öffnungen der Leitungsanordnung angeordnet werden kann. Das Substrat kann beispielsweise eine Platte mit 96 Vertiefungen oder mehr sein. Die Mikroplatte oder Karte kann ein Paar von beabstandeten Indexbohrungen und/oder Schlitzen (Löchern) aufweisen, von denen jede für eine Ausrichtung mit einem entsprechenden Indexpin bzw. Indexstift ausgestaltet ist, der von einer Unterseite bzw. unteren Seite der Leitungsanordnung abhängt bzw. absteht.
Sobald die Indexstifte in die Indexbohrungen oder Schlitze eingebracht werden, wird das Array kleiner Öffnungen der Leitungsanordnung im Wesentlichen mit dem Array von Vertiefungen des Substrats ausgerichtet.
In einer Ausführungsform wird ein Detektionssystem mit einem Gesichtsfeld bzw. Blickfeld bereitgestellt, das sich in jede der Leitungen der Leitungsanordnung erstreckt. Das Detektionssystem ist in dieser Ausführungsform dazu ausgestaltet, das Vorhandensein oder das Fehlen einer Kugel auf der Mikroplatte oder Karte unter jeder der kleinen Öffnungen zu erfassen. In einer beispielhaften Anordnung umfasst das Detektionssystem eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise einen Laser, der dazu ausgestaltet ist, die Mikroplatte oder Karte an Stellen, z.B. Vertiefungen, unterhalb jeder der kleinen Öffnungen zu beleuchten. Das System kann ferner eine Vielzahl von länglichen lichtleitenden (optischen) Fasern aufweisen, wobei jede Faser ein Ende aufweist, das einer jeweiligen Öffnung der großen Öffnungen zuge wandt ist bzw. sich in diese erstreckt, um Licht aufzunehmen, das sich durch eine jeweilige Öffnung fortbewegt, sowie ein zweites Ende, das mit einer Kameravorrichtung, wie beispielsweise einer CCD-Kamera, kommuniziert.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich eingehender anhand der nachstehenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Struktur und die Art und Weise des Betriebs der Erfindung zusammen mit den weiteren Zielen und Vorteilen davon ergeben sich am besten anhand der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt eine teilweise schematische erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, eines Systems zum Herstellen eines Arrays von Kugeln auf einem Substrat, die Reagenzien aufweisen.
2 zeigt eine erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, einer Ampulle, die eine Vielzahl von reagenztragenden Kugeln enthält und ein domartiges Abdeckelement über einer oberen Öffnung aufweist.
3(A) zeigt eine erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, einer Ampulle, die eine Vielzahl von reagenztragenden Kugeln enthält und ein filmartiges bzw. folienartiges Abdeckelement über einer oberen Öffnung aufweist.
3(B) zeigt eine erhöhte Seitenansicht der Ampulle von 3(A), wobei ferner ein länglicher Vorsprung in der Form eines Rohrs dargestellt ist, der das Abdeckelement durchstoßen hat, um Zugang zu den Kugeln zu gewinnen, die darin enthalten sind.
4(A) zeigt eine erhöhte Seitenansicht, wobei ein Teil weggebrochen ist und andere durchsichtig dargestellt sind, eines länglichen Vorsprungs in der Form eines Rohrs für die Verwendung beim Ansaugen und Zurückhalten von reagenztragenden Kugeln.
4(B) zeigt eine erhöhte Seitenansicht des in 4(A) dargestellten Vorsprungs, wobei ferner eine Kugel dargestellt ist, die in einer Kavität an dem unteren Endbereich des Vorsprungs angeordnet ist.
5 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht eines Vorsprungs, der dazu nützlich ist, reagenztragende Kugeln anzusaugen und zurückzuhalten.
6 zeigt eine Teilansicht des in 1 dargestellten Systems, wobei das gleichzeitige Entfernen einer Vielzahl von domartigen Abdeckelementen von gleich vielen Ampullen dargestellt ist, die einen Kugelvorrat enthalten.
7 zeigt eine erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, eines Vorsprungs in der Form eines länglichen Rohrs, der einen elastischen flexiblen unteren Endbereich aufweist, der sich verbiegen kann, wenn dieser gegen den Bodenbereich einer Ampulle gedrückt wird.
8(A) zeigt eine Seitenquerschnittsansicht eines Arrays von Vorsprüngen, wie das von 1, wobei jeder Vorsprung eine optische Faser aufweist, die sich dadurch erstreckt, um das Vorhandensein einer Kugel in einer jeweiligen Kavität an dem unteren Endbereich davon zu bestimmen.
8(B) zeigt eine Draufsicht einer Kugelextraktionsvorrichtung in der Form eines horizontalen Kreuzbalkens des in 1 dargestellten Systems, wobei Teile der Kugelextraktionsvorrichtung in den durchsichtig dargestellten Positionen weggebrochen sind, um Kameras zu zeigen, die dazu verwendet werden, um ein Bild des unteren Endes eines Arrays von Vorsprüngen zu erhalten, um das Vorhandensein oder das Fehlen eines Targetobjekts zu bestimmen.
8(C) zeigt eine schematische Ansicht einer Anzeigevorrichtung, die in Verbindung mit den in 8(B) dargestellten Kameras verwendet werden kann, um ein Bild des unteren Endes eines Arrays von Vorsprüngen darzustellen.
9 zeigt eine teilweise schematische erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, eines Systems zum Herstellen eines Mikroarrays von reagenztragenden Kugeln auf einem Substrat.
10(A) zeigt eine Seitenquerschnittsansicht einer Leitungsanordnung mit einem Array von Leitungen, das ausgestaltet ist, separat eine Vielzahl von Kugeln in die Vertiefungen einer Mikroplatte oder Karte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu führen.
10(B) zeigt eine Draufsicht der Leitungsanordnung von 10(A), die das Array von großen Öffnungen der Leitungen zeigt.
10(C) zeigt eine Draufsicht von unterhalb der Leitungsanordnung von 10(A), die ein Array von kleinen Öffnungen der Leitungen sowie ein Paar von Indexstiften auf beiden Seiten des Arrays kleiner Öffnungen zeigt.
11 zeigt eine teilweise schematische erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, einer Parallelogrammgestängeanordnung, um eine Leitungsanordnung zwischen einer erhöhten bzw. angehobenen Position, die in gestrichelten Linien dargestellt ist, und einer abgesenkten Position über einem kugelaufnehmenden Substrat, die in durchgezogenen Linien dargestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hin und her zu bewegen.
12(A) zeigt eine Draufsicht einer Multivertiefungsmikrokarte mit einer Indexbohrung, die entlang einer Seite ausgebildet ist, sowie einem Indexschlitz, der entlang einer gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung.
12(B) zeigt eine Seitenquerschnittsansicht der Multivertiefungskarte von 12(A), die auf einem Substrathaltebereich ruht, sowie ein Paar von Indexstiften, die sich von einer Leitungsanordnung erstrecken und durch die Bohrung und den Schlitz der Karte geführt sind, und zwar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Systems mit hohem Durchsatz für das Herstellen eines Arrays von Kugeln auf einer Mikroplatte oder Karte.
14 zeigt eine teilweise schematische Seitenquerschnittsansicht eines Detektionssystems für das Bestimmen des Vorhandenseins von Kugeln an kugelaufnehmenden Stellen eines Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt eine teilweise schematische Seitenquerschnittsansicht eines Deteaktionssystems, das dem von 14 ähnelt, ferner umfassend ein Array von optischen Fasern, die ausgestaltet sind, sich in die Leitungen einer Leitungsanordnung hinab zu erstrecken, die über einem kugelaufnehmenden Substrat angeordnet ist, und zwar gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16(A) zeigt eine teilweise schematische Seitenquerschnittsansicht eines Systems zum Abdecken eines Arrays von Vertiefungen, die in einem Substrat, wie beispielsweise einer Mikroplatte oder einer Karte, ausgebildet sind, und zwar mit einem folienartigen bzw. filmartigen Abdeckmaterial.
16(B) zeigt eine Draufsicht eines Stücks Abdeckmaterials auf einem Aufnahmerad der Vorrichtung von 16(A), wobei die Bereiche dargestellt sind, die für die Verwendung beim Abdecken der Vertiefungen des Substrats ausgeschnitten worden sind.
17(A) zeigt eine erhöhte Seitenansicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, eines handbetriebenen Systems zum Herstellen eines Arrays von reagenztragenden Kugeln auf einer Multivertiefungsplatte.
17(B) zeigt eine Draufsicht, wobei Teile durchsichtig dargestellt sind, des handbetriebenen Systems von 17(A).
18 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht eines Fluidverteilers mit einem Array von Leitungen zum Überführen einer Flüssigkeit von einem Gefäß zu einem Array von Vertiefungen einer Mikroplatte oder Karte.
19(A) zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein Array von kleinen Öffnungen darstellt, die von einem Kanal umgeben sind, der in einer Seite des Fluidverteilers von 18 ausgebildet ist.
19(B) zeigt eine perspektivische Ansicht, die ein Array von großen Öffnungen darstellt, die von einer aufrecht stehenden Umfangswand umgeben sind, die auf einer Seite des Fluidverteilers von 18 ausgebildet ist.
20 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht des Fluidverteilers der 18 und 19, der über einem Gefäß angeordnet ist, das eine Flüssigkeit enthält, und wo bei Abschnitte der Flüssigkeit dargestellt sind, die teilweise in die Leitungen des Fluidverteilers aufgrund der Kapillarwirkung eingesogen worden sind.
21(A) zeigt eine Seitenquerschnittsansicht des Fluidverteilers der 18–20, der über einer Multivertiefungsplatte invertiert ist, wobei Flüssigkeitsaliquote dargestellt sind, die durch jeweilige Leitungen nach unten gewandert sind, um Tropfen an jeder der großen Öffnungen über jeweiligen kugelenthaltenden Vertiefungen der Platte auszubilden.
21(B) zeigt eine perspektivische Ansicht der Multivertiefungsplatte, die unter dem Fluidverteiler in 21(A) dargestellt ist.
22 zeigt eine Seitenquerschnittsansicht des invertierten Fluidverteilers von 21(A), wobei die Tropfen in die Vertiefungen der Multivertiefungsplatte aufgrund von Adhäsionskräften mit den Kugeln eingesogen worden sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur. Dementsprechend sollte diese Beschreibung in keiner Weise derart ausgelegt werden, dass diese den Umfang der Erfindung beschränkt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein System zur Aufnahme einer Vielzahl von kleinen, reagenztragenden Kugeln aus einem Vorratsbereich oder Quellenbereich und zum Überführen dieser auf ein Substrat, z.B. Vertiefungen in einer Mikrokarte oder Platte, bereit. Im Allgemeinen umfasst das System eine Vielzahl von Projektionen bzw. Vorsprüngen, die von einer beweglichen Trägerstruktur an festgelegten, beabstandeten Stellen bzw. Positionen abhängen. Eine Kavität ist an einem unteren Endbereich von jedem der Vorsprünge bereitgestellt, die durch (i) eine untere Öffnung, (ii) eine obere Decke und (iii) eine Seitenwand definiert wird, die sich zwischen der unteren Öffnung und der oberen Decke erstreckt. Eine Anziehungsquelle kann an jedem der Vorsprungsendbereiche auf eine Art und Weise betrieben werden, die wirksam ist, einzelne Kugeln aus dem Vorrat in jeweilige Kavitäten einzuziehen und diese darin freigebbar zurückzuhalten. Während die Kugeln in den Kavitäten zurückgehalten werden, können diese von einem Ort zu einem anderen durch eine Bewegung der Trägerstruktur bewegt werden. Sobald die Kugeln an einer gewünschten Stelle positioniert worden sind, können diese aus den Kavitäten freigegeben werden. Eine Vielzahl von Leitungen kann dazu verwendet werden, die Kugeln separat zu führen oder zu kanalisieren, sobald diese aus den Kavitäten freigegeben worden sind, und zwar zu gewünschten Stellen auf dem Substrat.
Unter Bezugnahme auf die beispielhafte Ausführungsform von 1 ist ein Reagenzienvorrat mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnet, der eine Vielzahl von beabstandeten Reagenzvorratsstellen aufweist, die in einem Array angeordnet sind. Jede Reagenzvorratsstelle wird durch eine Vertiefung, wie beispielsweise 16a–16f, einer Reagenzplatte 20 definiert. Obgleich lediglich sechs derartige Stellen, die Seite an Seite in einer Linie dargestellt sind, in der Zeichnung von 1 sichtbar sind, sollte man verstehen, dass jedwede praktikable Anzahl von Vorratsstellen in jeder erwünschten räumlichen Konfiguration angeordnet werden kann. Beispielsweise kann eine Reagenzplatte, wie Platte 20, 24, 48, 96, 384, 1024, 1536 Vertiefungen oder mehr aufweisen, wobei jede Vertiefung ausgestaltet ist, eine Vielzahl von reagenztragenden Kugeln aufzunehmen. In derartigen Anordnungen sind die Vertiefungen üblicherweise in einem geordneten Array, beispielsweise in einem rechteckigen Array mit 8 × 12, 16 × 24, 32 × 32 oder 32 × 48 Vertiefungen, angeordnet, obgleich andere Ausgestaltungen möglich sind. Wie vorstehend bemerkt, kann jede Reagenzvorratsstelle 16a–16f eine Vielzahl von Kugeln, wie beispielsweise 24a–24f, aufnehmen bzw. halten. Jede Kugel wiederum kann ein gewünschtes Reagenz tragen.
Eine große Vielzahl von reagenztragenden Kugeln kann gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Im Allgemeinen sollten die Kugeln widerstandsfähig gegenüber starken physikalischen Verformungen sein, wenn diese für verhältnismäßig kurze Zeiten moderat anspruchsvollen Bedingungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise wenn diese durch eine anziehende Kraft angezogen werden, wie beispielsweise ein Vakuum bzw. ein Unterdruck oder ein magnetisches oder elektrostatisches Feld, wie dies nachstehend eingehender beschrieben wird. Bestimmte Ausführungsformen beispielsweise ermöglichen die Verwendung von Kugeln mit einer im Wesentlichen festen äußeren Schale oder einer weichen gelatineartigen Beschichtung. Mehrere beispielhafte Typen von Kugeln werden nachstehend beschrieben.
In einer Ausführungsform werden die Kugeln ausgebildet, indem ein Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise eine Gelatine, auf einen Reagenzkern aufgebracht wird. Die Beschichtung härtet aus, um eine im Wesentlichen feste Schale um das Reagenz auszubilden. Die Beschichtung kann löslich oder anschwellbar sein, um den Zugang zu dem Reagenz unter kontrollierbaren Bedingungen (z.B. bei der Vermischung mit einem bestimmten Lösungsmittel) zu ermöglichen. Hinweise für die Herstellung beschichteter Kugeln oder Mikropartikel liefern beispielsweise: [1] R. Pommersheim, H. Lowe, V. Hessel, W. Ehrfeld (1998), "Immobilation of living cells and enzymes by encapsulation", Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, IBC Global Conferences Limited; [2] F. Lim A. Sun (1980), Science 210, 908; [3] R. Pommersheim, J. Schrezenmeir, W. Vogt (1994), "Immobilization of enzymes and living cells by multilayer microcapsules", Macromol. Chem. Phys. 195, 1557–1567; und [4] W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Lehr, "Microreactors for Chemical Synthesis and Biotechnology – Current Developments and Future Applications" in: Topics in Current Chemistry 194, A. Manz, H. Becker, Microsystem Technology in Chemistry and Life Science, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), 233–252.
In einer weiteren Ausführungsform wirkt eine Vielzahl von kugelartigen Partikeln als feste Träger für die Reagenzien. Beispielsweise können Reagenzien auf den Kugeln synthetisiert werden oder darauf absorbiert werden. In einer noch weiteren Ausführungsform wird eine Aufschlämmung oder Dispersion, die ein Reagenz und ein Bindematerial umfasst, dazu verwendet, um eine Vielzahl von kugelartigen Partikeln auszubilden, wobei jede individuelle Kugel eine im Wesentlichen homogene Konsistenz aufweist. Verfahren zum Herstellen derartiger Kugeln sind dem Fachmann wohlbekannt.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Reagenzien kann in jeweiligen Sammlungen oder Gruppen von Reagenzkugeln ausgebildet werden, die hierin als "Chargen" bezeichnet werden. Beispielsweise können 10 000 unterschiedliche Reagenzien in 10 000 unterschiedlichen Kugelchargen ausgebildet werden, wobei jede Charge eine Vielzahl von im Wesentlichen gleichen Kugeln umfasst, die ein jeweiliges Reagenz tragen. Um das Unterscheiden von Kugeln aus unterschiedlichen Chargen zu erleichtern und eine Möglichkeit bereitzustellen, schnell den Reagenztyp zu bestimmen, der von einer bestimmten Kugel getragen wird, können Kugeln von jeder Charge ausgebildet sein, eine besondere, vorher zugewiesene Farbe anzuzeigen bzw. aufzuweisen. Beispielsweise können gelbe Kugeln das Reagenz "A" tragen, blaue Kugeln das Reagenz "B" tragen und rote Kugeln das Reagenz "C" tragen. Kugeln aus jeder Charge können an jeweiligen Reagenzvorratsstellen angeordnet sein.
In einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Kugelchargen ausgebildet, wobei jede Kugel einen Reagenzkern umfasst, der mit einem Beschichtungsmaterial, wie beispielsweise eine Gelatine, beschichtet ist, das genau definierte physikalische und chemische Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise weisen in dieser Ausführungsform alle Kugeln in allen Chargen im Wesentlichen dieselbe äußere Beschichtung (d.h. eine "generische" Beschichtung) auf, wobei sich die Beschichtungen jeder Charge lediglich in der Farbe unterscheiden, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Man sollte erkennen, dass diese Anordnung die Möglichkeit einer Ausstattungsverunreinigung aufgrund einer Berührung mit den Reagenzien selbst vermindert. Wenn irgendwelche Restbestände zurückgelassen werden, wenn sich die Reagenzien durch das System bewegen, dann werden derartige Restbestände alle von demselben bekannten Beschichtungsmaterial stammen. Vorzugsweise wird das Beschichtungsmaterial derart ausgewählt, so dass jedwede Restbestände für das System ungefährlich sind. Man sollte ferner erkennen, dass unter Verwendung derartiger Kugeln eine höhere Geschwindigkeit für das Ablagern von Substanzen im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkeitsabgabesystemen erreicht werden kann, da es nicht notwendig ist, die Hardware, die die Kugeln zuführt, häufig zu säubern und keine Zeit für das Ansaugen von Fluiden verloren geht.
Obgleich Kugeln von im Wesentlichen jeder Form gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Kugeln mit einer allgemeinen sphärischen Geometrie besonders gut für die hier beschriebene Verwendung geeignet. Ferner kann das System gemäß der Erfindung mit Kugeln unterschiedlicher Größen verwendet werden. Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform die Verwendung von sphärischen Kugeln mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 1 mm vorstellbar. Bei einer derartigen Anordnung weist jede Kugel einen Durchmesser zwischen ungefähr 275–325 μm und weiter bevorzugt von ungefähr 300 μm auf. In einer weiteren Ausführungsform sind die Kugeln größer, so dass jede Kugel im Wesentlichen eine Vertiefung der Reagenzplatte füllt. Beispielsweise kann jede Kugel einen Durchmesser von zwischen ungefähr 1,0–4,0 mm und vorzugsweise von ungefähr 3,7 mm aufweisen. Jede Vertiefung der Reagenzplatte wiederum kann mit einem Innendurchmesser ausgestaltet sein, der ein wenig größer als der Durchmesser einer Kugel ist. Das untere Ende von jeder Vertiefung kann in dieser Ausführungsform geformt sein, um der Kontur der Außenseite der Kugel zu entsprechen.
Die Kugeln können jedwede gewünschte Reagenz tragen. Der hierin verwendete Begriff "Reagenz" kann eine einzelne Substanz oder eine Gruppe von Substanzen bezeichnen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Reagenz, das von jeder Kugel getragen wird, Komponenten, die für auf Fluoreszenz basierenden Echtzeitmessungen von Nukleinsäure-Amplifizierungsprodukten (wie beispielsweise PCR) geeignet sind, wie diese beispielsweise in der PCT-Veröffentlichung WO 95/30139 und der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/235,411 beschrieben werden.
In einer beispielhaften Anordnung trägt jede Kugel ein analytenspezifisches Reagenz, das wirksam ist, mit einem ausgewählten Analyten zu reagieren, der in einer Probe vorhanden sein könnte. Beispielsweise kann für Polynukleotidanalyten das analytenspezifische Reagenz erste und zweite Oligonukleotidprimer mit Sequenzen aufweisen, die wirksam sind, an gegenüberliegenden Endbereichen von komplimentären Strängen eines ausgewählten Polynukleotid-Analytensegments zu hybridisieren, um das Segment durch eine Primer-initiierte Polymerase-Kettenreaktion zu amplifizieren. Das analytenspezifische Detektionsreagenz kann ferner ein Fluoreszenzquencher-Oligonukleotid umfassen, das dazu geeignet ist, an dem Analytensegment in einem Bereich abwärts eines der Primer zu hybridisieren, um ein detektierbares Fluoreszenzsignal zu erzeugen, wenn der Analyt in der Probe vorhanden ist.
Eine Vielzahl von Kugeln aus derselben Charge oder aus im Wesentlichen identischen Chargen kann in eine Ampulle oder Kapsel gepackt sein. Eine Vielzahl derartiger Ampullen (z.B. 10, 100, 1000 oder mehr) kann in jeweilige gekennzeichnete Vertiefungen einer Multivertiefungsplatte abgegeben werden, wobei die unterschiedlichen Ampullen, wie erwünscht, dieselben oder unterschiedliche Reagenzien enthalten. Wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist, ist eine Vielzahl von Kunststoffampullen 26a–26f, die jeweils Kugeln halten, die ein unterschiedliches Reagenz tragen, entfernbar in jeweiligen Vertiefungen 16a–f der Reagenzplatte 20 angeordnet. Ampullen jedweder gewünschten Größe und Form können verwendet werden. Beispielsweise ist in einer Anordnung die Verwendung von im Allgemeinen kugelförmigen Ampullen vorstellbar, die ein offenes oberes Ende und einen abgerundeten geschlossenen Boden aufweisen. Beispielhafte Abmessungen jeder Ampulle lauten wie folgt: (i) eine Höhe von ungefähr 10 mm, (ii) ein Außendurchmesser von ungefähr 3,7 mm und (iii) ein Innendurchmesser von ungefähr 3 mm. Ungefähr 1000 im Wesentlichen sphärische Reagenzkugeln, die jeweils einen Durchmesser von ungefähr 300 μm aufweisen, können in jede derartige Ampulle geladen werden. Eine beispielhafte Reagenzplatte, die für das Halten der soeben beschriebenen Ampullen geeignet ist, ist mit einem Array von Vertiefungen (z.B. einem 8 × 12-, 16 × 24- oder 32 × 32-Array) ausgestaltet, wobei jede Vertiefung einen Innendurchmesser von ungefähr 4 mm und eine Tiefe von ungefähr zwischen 6–9 mm aufweist.
Die Ampullen können in den Vertiefungen der Reagenzplatte auf jedwede geeignete Art und Weise angeordnet werden. In einer Ausführungsform platziert ein Benutzer manuell die Ampullen in den Vertiefungen. In einer weiteren Ausführungsform werden die Ampullen der Reihe nach aus jeweiligen Containern bzw. Behältern abgegeben, die in einem Array von Haltezellen getragen werden, das oberhalb der Reagenzplatte angeordnet ist, wie dies in der US-Anmeldung Nr. 09/251,232 beschrieben wird, die am 16. Februar 1999 eingereicht worden ist.
Jede Ampulle kann mit einem Abdeckelement über einer oberen Öffnung davon bereitgestellt sein. Bei dem Abdeckelement kann es sich beispielsweise um eine entfernbare Kappe oder einen entfernbaren Dom, wie beispielsweise 30a von 2, handeln, mit einem offenen Ende 32a, das ausgestaltet ist, schmiegsam um eine Öffnung zu passen, die durch eine obere Kante oder Lippe 28a einer Ampulle 26a definiert wird. Ebenso kann ein bogenartiger Film oder eine bogenartige Membran, wie beispielsweise 34a von 3(A), auf eine obere Kante 28a um die Öffnung einer Ampulle 26a aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine polymerische Folie, wie beispielsweise eine Polystyrol-, Polyester-, Polypropylen- oder Polyethylen-Folie, mit einer Dicke von ungefähr zwischen 0,05–0,40 mm die obere Öffnung jeder Ampulle bedecken. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Abdeckung um eine dünne Polyvinylidenchloridfolie (PVDC-Folie), wie diese beispielsweise von der Firma Dow Chemical Co. (Midland, Michigan) unter dem Handelsnamen SARAN WRAP vertrieben wird.
Wie dies nachstehend detaillierter beschrieben wird, kann auf die Kugeln zugegriffen werden, indem beispielsweise die Abdeckungen unter Verwendung des Vorsprungsarrays verschoben werden.
In einer Ausführungsform bildet das Abdeckelement über jeder Ampulle eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung, die den Inhalt der Ampulle von der äußeren Umgebung trennt. Die Dichtung kann unter Verwendung beispielsweise herkömmlicher Haftmittel, Elastomere und/oder mittels Heizdichttechniken bewirkt oder verbessert werden. In einer beispielhaften Anordnung ist eine reibschlüssige In-Eingriffnahme zwischen einer domförmigen Kunststoffkappe und dem oberen Be reich einer Kunststoffampulle ausreichend, um eine luftdichte Abdichtung bereitzustellen. Die abgedichteten Ampullen können ferner ein inertes Gas, wie beispielsweise Stickstoff oder dergleichen, enthalten, das die Kugeln umgibt.
In einer weiteren Ausführungsform ist jedes Abdeckelement im Wesentlichen ausgestaltet, um ein Verspritzen oder einen anderen Verlust des jeweiligen Ampulleninhalts zu verhindern. In dieser Ausführungsform ist die Verbindungsstelle zwischen jedem Abdeckelement und dessen jeweiliger Ampulle nicht notwendigerweise luftdicht.
Um ein unbeabsichtigtes Lösen der eingesetzten Ampullen zu verhindern, können Mittel zum Halten der Ampullen in Position an jeder Reagenzzufuhrstelle bereitgestellt sein. 1 beispielsweise zeigt einen Vakuumverteiler, der im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 40 gekennzeichnet ist, der in der Platte 20 unter den Vertiefungen 16a–16f ausgebildet ist. Der Verteiler 40 umfasst eine Vielzahl von im Allgemeinen vertikalen Durchgangswegen, die eine zentrale Kammer des Verteilers mit den Bodenbereichen der jeweiligen Vertiefungen 16a–16f in Kommunikation setzen. Man sollte erkennen, dass das oberste Ende von jedem vertikalen Durchgangsweg, das sich in eine jeweilige Öffnung öffnet, einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Außendurchmesser einer eingesetzten Ampulle ist. Eine Drucksteuerquelle, wie beispielsweise eine Vakuumpumpe 44, ist in fluider Kommunikation mit einem unteren Bereich des Verteilers 40 über eine Verbindungsleitung angeordnet, die mit der Bezugsziffer 46 gekennzeichnet ist. Sobald die Drucksteuerquelle 44 aktiviert wird, kann ein verminderter Druck an dem Bodenbereich jeder Vertiefung 16a–16f ausgebildet werden. Der verminderte Druck bewirkt, dass in den Boden jeder eingesetzten Ampulle 26a–26f eingesogen wird, um somit ein Lösen aus den Vertiefungen zu verhindern. Sobald die Drucksteuerquelle 44 deaktiviert wird, können die Ampullen ohne weiteres aus den Vertiefungen entfernt werden, falls dies erwünscht ist.
Anstatt die Kugeln in eine Ampulle oder eine Kapsel zu laden, die sodann an einer Reagenzzufuhrstelle angeordnet wird, ist gemäß einer Ausführungsform die Anordnung der Kugeln direkt in die Vertiefungen oder andere Haltebereiche der Reagenzplatte oder dergleichen vorstellbar. Die Vertiefungen der Reagenzplatte können in dieser Ausführungsform mit vollständig geschlossenen Böden ausgebildet sein.
Unter weiterer Bezugnahme auf die in 1 dargestellte Ausführungsform erkennt man, dass ein Paar von Kugelextraktoren bzw. Kugelextrahierungsvorrich tungen, die im Allgemeinen mit den Bezugsziffern 50a und 50b gekennzeichnet sind, dazu ausgestaltet sind, an jeweiligen Stellen bzw. Positionen positioniert zu werden, die hinsichtlich der Reagenzplatte 20 erhöht sind. Jeder Extraktor 50a, 50b umfasst eine Vielzahl von Projektionen bzw. Vorsprüngen, wie beispielsweise 54a–54f und 54g–54l, die von einer jeweiligen Trägerstruktur 58a und 58b an feststehenden, beabstandeten Stellen abhängen. Jeder Vorsprung kann beispielsweise als ein längliches Rohr, eine längliche Stange oder dergleichen geformt sein, der bzw. die sich von dem Träger erstreckt. Vorzugsweise sind die Längsachsen der Vorsprünge 54a–54f, 54g–54l derart angeordnet, dass diese im Allgemeinen parallel zueinander verlaufen.
Die Vorsprünge 54a–54f, 54g–54l können integral mit ihren jeweiligen Trägerstrukturen 58a, 58b ausgestaltet sein oder sie können separat ausgebildet sein und durch jedwede geeigneten Mittel angebracht sein. Gemäß einer Ausführungsform weist beispielsweise eine Vielzahl von separat ausgebildeten Vorsprüngen Gewinde an einem Ende auf, um die jeweiligen mit Gewinde versehenen Bohrungen zusammenpassend in Eingriff zu nehmen, die sich in die untere Seite eines jeweiligen Trägers erstrecken.
Zusammen definiert jede Gruppe von Vorsprüngen 54a–54f, 54g–54l ein jeweiliges Vorsprungsarray, das mit den Bezugsziffern 56a bzw. 56b gekennzeichnet ist. Jedes Vorsprungsarray 56a, 56b ist im Wesentlichen mit demselben Mitte-zu-Mitte-Abstand bzw. Pitch Mitte zu Mitte wie das Array von Reagenzzufuhrstellen (Vertiefungen) 16a–16f in der Reagenzplatte 20 ausgestaltet. Vorzugsweise umfasst jedes Vorsprungsarray 56a, 56b genauso viele Vorsprünge wie die Reagenzplatte Reagenzzufuhrstellen aufweist oder einen bedeutenden Bruchteil davon. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann jedes Projektionsarray bzw. Vorsprungsarray 56a, 56b mit den Zufuhrstellen ausgerichtet werden.
Ein im Wesentlichen T-förmiger Rahmen, der im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 60 gekennzeichnet ist, unterstützt bzw. trägt beide Extraktoren 50a, 50b. Der Rahmen 60 umfasst eine obere, horizontale Querstange, die co-lineare Armabschnitte 60a, 60b aufweist. Die obere Seite jeder Trägerstruktur 58a, 58b ist feststehend an einen äußeren Endbereich eines jeweiligen Arms 60a, 60b angebracht. Ein Rotationsmotor, der schematisch bei 64 angedeutet ist, ist unter der Kontrolle eines Kontrollcomputers (nicht dargestellt) dazu ausgestaltet, eine vertikale Zentralwelle 60c des Rahmens 60 um seine Längsachse zu rotieren, um somit die Vor sprungsarrays 56a, 56b entlang bogenförmiger oder kreisförmiger Wege zu bewegen. Überdies sind die Extraktoren 50a, 50b ausgestaltet, sich entlang der jeweiligen vertikalen Wege linear hin und her zu bewegen. Eine derartige Bewegung kann beispielsweise durch einen Linearmotor, wie beispielsweise mit der Bezugsziffer 66 gekennzeichnet, bewirkt werden, der betriebsfähig angeordnet ist, um die Welle 60c entlang ihrer Längsachse hoch und runter zu bewegen. Wie im Fall des Rotationsmotors 64 ist der Linearmotor 66 vorzugsweise für einen Betrieb unter der Kontrolle eines Kontrollcomputers ausgestaltet.
Der soeben beschriebene Bewegungsbereich erlaubt eine Vielzahl von Vorgängen, wie beispielsweise (i) das Ausrichten eines Vorsprungsarrays mit dem Ampullenarray, (ii) das Absenken der Vorsprünge in jeweilige Ampullen, um Reagenzkugeln anzuziehen und zurückzuhalten, (iii) das Anheben von zurückgehaltenen Kugeln über das Ampullenarray und (iv) das Überführen der zurückgehaltenen Kugeln zu einer gewünschten Position bzw. Stelle. Derartige Vorgänge werden nachstehend detaillierter beschrieben.
Man sollte erkennen, dass jedwede praktikable Anzahl von Extraktoren eingesetzt werden kann. Anstatt beispielsweise zwei Extraktoren zu verwenden, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, umfasst eine Ausführungsform der Erfindung lediglich einen einzelnen Extraktor. Andererseits ermöglichen andere Ausführungsformen die Verwendung von mehreren (z.B. 3, 4, 5, 6 oder mehr) Extraktoren. Die Anzahl von Querstangen- oder Armanordnungen für den Trägerrahmen hängen in diesen Ausführungsformen von der Anzahl von Extraktoren ab, die in dem System enthalten sind.
Unter Bezugnahme auf die vergrößerte Ansicht der Projektion bzw. des Vorsprungs 54a, der in 4(A) dargestellt ist, erkennt man, dass eine Kavität, die mit der Bezugsziffer 70 gekennzeichnet ist, an dem unteren Endbereich des Vorsprungs bereitgestellt ist. In dieser Ausführungsform ist die Kavität 70 definiert durch (i) eine untere Öffnung, die durch eine terminale Kante oder Lippe 72 ausgebildet ist, (ii) einen oberen Deckenbereich 74 und (iii) eine Seitenwand 76, die sich zwischen der unteren Öffnung und der oberen Decke erstreckt. Zusammen weisen diese Elemente im Wesentlichen die Form einer umgedrehten bzw. auf dem Kopf stehenden becherartigen Struktur auf.
Die Kavität 70 kann hergestellt werden, indem beispielsweise eine axiale Bohrung in einem Ende einer länglichen Stange oder eines länglichen Rohrs ausgebildet wird. Die Stange oder das Rohr können aus jedwedem geeigneten Material bestehen, wie beispielsweise Kunststoff, Glas, Aluminium und dergleichen. In einer Ausführungsform ist eine Bohrung in einem Polyurethanrohr ausgebildet. Die Bohrung kann auf jedwede Art und Weise ausgebildet werden, beispielsweise durch das Bohren mit einem Teil, das einen Durchmesser aufweist, der hinreichend kleiner als der Außendurchmesser des Rohrs oder der Stange ist. In dem Fall, dass ein Rohr verwendet wird, das bereits eine sich longitudinal erstreckende Bohrung oder ein solches Lumen aufweist, wie dies bei 86a in 4(A) dargestellt ist, kann die Kavität 70 ausgebildet werden, indem eine Gegenbohrung in ein Ende des Rohrs gebohrt wird, wobei die Gegenbohrung einen Durchmesser aufweist, der größer als der Innendurchmesser des Lumens 86a, jedoch kleiner als der Außendurchmesser des Rohrs ist.
Die Kavität an dem Endbereich jedes Vorsprungs ist vorzugsweise ausgestaltet, nicht mehr als ungefähr eine vollständige Kugel aufzunehmen. 4(B) beispielsweise zeigt eine einzelne Kugel 24a, die innerhalb der Kavität 70 enthalten ist. In dieser Ausführungsform ist es bemerkenswert, dass die Kavität 70 durch die Kugel 24a im Wesentlichen gefüllt ist, wodurch kein Raum übrig bleibt, um eine zweite vollständige Kugel oder sogar nur einen bedeutenden Teil einer zweiten Kugel aufzunehmen. Man sollte erkennen, dass die jeweilige Größe der Kavität im Allgemeinen von der Größe der Kugeln abhängt, die mit dem System verwendet werden. Somit kann für im Wesentlichen sphärische Kugeln mit einem Durchmesser, der ein wenig kleiner als 1 mm (z.B. 0,75–0,95 mm) ist, eine geeignet dimensionierte Kavität einen Innendurchmesser von einem Seitenwandbereich zu einem direkt gegenüberliegenden Seitenwandbereich von ungefähr 1 mm aufweisen. Die längs verlaufende Tiefe von dem Deckenbereich zu der untersten Öffnung beträgt im Allgemeinen zwischen ungefähr 50%–125% der Größe des Innendurchmessers der Kavität. Somit beträgt in diesem Beispiel die longitudinale Tiefe zwischen ungefähr 0,50–1,25 mm. Vorzugsweise beträgt die longitudinale Tiefe zwischen ungefähr 75%–100% des Innendurchmessers der Kavität und weiter bevorzugt sind die longitudinale Tiefe und der Innendurchmesser ungefähr gleich. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der im Wesentlichen sphärische Kugeln mit einem Durchmesser von ungefähr 275–325 μm verwendet werden, ist jede Kavität mit einem Innendurchmesser und einer longitudinalen Tiefe von ungefähr 300–500 μm und am meisten bevorzugt von 375 μm ausgestaltet. Die Kavität in dieser Ausfüh rungsform ist an dem Ende einer Polyurethanstange oder eines Polyurethanrohrs ausgebildet, die bzw. das einen Außendurchmesser von ungefähr 0,5 mm aufweist.
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines Vorsprungs, der im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 54a' gekennzeichnet ist, für die Verwendung in einem Vorsprungsarray, wie beispielsweise 56a und 56b von 1. In dieser Ausführungsform ist jede Kavität 70' ausgebildet, indem beispielsweise eine hohle Hülse oder Manschette 80 über das Ende eines länglichen Rohrs oder einer länglichen Stange 82 gepasst wird und ein Überhangbereich bzw. überhängender Bereich der Hülse verbleibt, wie beispielsweise bei 80a, der sich unterhalb eines terminalen Endes 82a des Rohrs erstreckt. Bei dieser Anordnung definiert der überhängende Bereich 80a der Hülse 80 Seitenwände 76' und das terminale Ende 82a des Rohrs 82, das der Kavität 70' zugewandt ist, definiert einen Deckenbereich 74'. Eine reibschlüssige In-Eingriffnahme der Hülse 80 um das Ende des Rohrs 82 kann die relative Positionierung dieser Elemente beibehalten. Optional können herkömmliche Haftmittel, Schleifmittel und/oder Schrumpfpassungstechniken dazu verwendet werden, um die Hülse 80 auf dem Rohr 82 in Position zu halten. Das Rohr 82 kann beispielsweise aus einem im Wesentlichen festen Material bestehen, wie beispielsweise Glas, Kunststoff, Metall und dergleichen. Die Hülse 80 kann aus einem Material ausgebildet sein, das elastisch expandieren kann und flexibel ist, wie beispielsweise Tetrafluoroethylen (TFE) oder dergleichen. Eine geeignete Verrohrung für die Verwendung bei der Herstellung der Hülse 80 wird kommerziell von der Firma McMaster-Carr Supply Co. (Chicago, IL) unter dem Produktnahmen "Thinwall Teflon TFE Spaghetti Tubing" vertrieben.
Der Deckenbereich 74 kann jedwede geeignete Form oder Kontur aufweisen. Bei der beispielhaften Anordnung von 4(A) ist der Deckenbereich 74 im Allgemeinen konisch oder trichterförmig, und zwar mit einer nach innen und nach oben geneigten Oberfläche (entlang der Richtung weg von dem unteren Ende des Rohrs). Bei einer ähnlichen Anordnung (nicht dargestellt) ist der Deckenbereich im Wesentlichen hornförmig. In einer noch weiteren Ausführungsform ist die Oberfläche des Deckenbereichs im Wesentlichen eben, wie dies beispielsweise bei 74' in 5 dargestellt ist.
Wie vorstehend angemerkt, kann eine Anziehungsquelle an jedem der Vorsprungsendbereiche auf eine Art und Weise betrieben werden, die wirksam ist, um individuelle Kugeln aus dem Vorrat in jeweilige Kavitäten einzusaugen und diese freigebbar darin zurückzuhalten. Bei einem typischen Arbeitsvorgang wird die Anziehungsquelle beaufschlagt, nachdem ein Array von Vorsprüngen, wie beispielsweise 56a oder 56b (1), mit einem entsprechenden Array von Reagenzzufuhrstellen, wie beispielsweise den Vertiefungen 16a–16f, ausgerichtet worden ist und die Vorsprünge bzw. Projektionen in jeweilige Positionen abgesenkt worden sind, die einer Vielzahl von Reagenzkugeln, wie beispielsweise 24a–24f, benachbart sind, die darin gehalten werden. Die Anziehungsquelle kann beispielsweise ein verminderter Druck (Vakuum), eine elektrostatische Kraft und/oder eine magnetische Kraft sein. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Anziehungsquelle um eine Vakuumquelle bzw. ein Vakuum. In der Ausführungsform von 1 beispielsweise ist jeder der Vorsprünge 54a–54f und 54g–54l ein Kapillarrohr mit einem axialen Lumen, der sich dadurch erstreckt und jeweils als 86a–86f und 86g–86l gekennzeichnet ist. Wie sich dies am besten der detaillierten Ansicht der 4(A)–4(B) entnehmen lässt, stellt der Lumen 86a einen Durchgangsweg für ein Vakuum bereit, um sich longitudinal durch den Vorsprung 54a zu erstrecken. Der Lumen 86a weist ein unteres Ende auf, das sich in eine jeweilige Kavität 70 durch einen zentralen Bereich der Decke 74 öffnet. An seinem unteren Ende ist der Innendurchmesser des Lumens 86a kleiner als der Durchmesser der Kavität 70 an einer Stelle angrenzend dem Deckenbereich 74. In einer beispielhaften Anordnung weist jede der Kavitäten einen Durchmesser von wenigstens 275 μm (z.B. ungefähr zwischen 300–350 μm und vorzugsweise ungefähr 325 μm) und jeder der Lumen weist einen Innendurchmesser an seinem unteren Ende von weniger als 275 μm auf (z.B. zwischen ungefähr 230 und 270 μm und vorzugsweise ungefähr 250 μm).
In einer alternativen Ausführungsform wird eine Vielzahl von Kugeln durch jeweilige Vorsprungsendbereiche unter Verwendung elektrostatischer Mittel angezogen und zurückgehalten. Techniken zum Anziehen und Zurückhalten von Mikrokugeln unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft werden beispielsweise in den US-Patentschriften 5,788,814 und 5,846,595 beschrieben.
Wie sich wiederum 1 entnehmen lässt, führt das obere Ende von jedem Lumen 86a–86f, 86g–86l zu einem jeweiligen Verteiler, wie beispielsweise 88a und 88b, der in den Trägerstrukturen 58a, 58b ausgebildet ist. Jeder Verteiler 88a, 88b wiederum ist in fluider Kommunikation mit einer jeweiligen Drucksteuerquelle verbunden. Beispielsweise kann der Verteiler 88a über die Flusslinie 92a mit der Vakuumpumpe 94 kommunizieren und der Verteiler 88b kann über die Flusslinie 92b mit der Vakuumpumpe 96 kommunizieren. Jede Vakuumpumpe 94, 96 kann unter der Leitung bzw. Kontrolle eines Steuercomputers (nicht dargestellt) betrieben werden, um einen verminderten Druck in einer jeweiligen Leitung 92a, 92b und folglich innerhalb eines jeweiligen Arrays von Lumen 86a–86f, 86g–86l auszubilden.
Die Verteiler können einen im Allgemeinen monolithischen Aufbau aufweisen, z.B. aus Kunststoff oder Metall formgepresst sein, oder diese können aus Unterkomponententeilen zusammengebaut sein. Hinsichtlich der letzteren Möglichkeit ist es gemäß einer Ausführungsform (nicht dargestellt) vorstellbar, dass ein Verteiler aus mehreren Unterkomponentenschichten besteht, die übereinander gestapelt sind. Eine derartige Multischichtanordnung umfasst ein rechteckiges Rahmenelement mit einer mittleren Öffnung, die sandwichartig zwischen oberen und unteren rechteckigen Plattenelementen angeordnet ist. Zusammen bilden die Lagen bzw. Schichten eine boxartige Struktur mit einem zentralen offenen Bereich oder einer Kammer aus. Insbesondere definiert die Oberseite des unteren Plattenelements einen Bodenbereich; die innere Kante des rechteckigen Rahmenelements stellt laterale Seitenwände bereit; und die untere Seite des oberen Plattenelements definiert einen Deckenbereich. Ein rechteckiger Dichtungsring kann zwischen gegenüberliegenden bzw. anstoßenden Bereichen des Rahmenelements angeordnet sein sowie zwischen jedem Plattenelement, um luftdichte Verbindungsstellen zu befördern. Die untere Platte kann mit einem Array von Bohrungen ausgebildet sein, die sich vollständig zwischen seinen zwei breiten Oberflächen erstrecken. Jede Bohrung kann geeigneterweise ein Gewinde aufweisen, um von unten ein mit einem Gewinde versehenes Ende eines jeweiligen röhrenförmigen Vorsprungs aufzunehmen und um einen Lumen mit dem Bereich (Kammer) oberhalb der Platte in Kommunikation zu setzen, wobei sich der Lumen longitudinal durch den Vorsprung erstreckt. Herkömmliche Dichtungsscheiben und/oder Dichtungsringe können dazu verwendet werden, um eine luftdichte Verbindungsstelle zwischen jedem Vorsprung und der unteren Platte zu befördern. Die obere Platte, die an einen rotierbaren Rahmen, wie beispielsweise 60, angebracht sein kann, kann eine oder mehrere Leitungen aufweisen, die dadurch ausgebildet sind, um die Hauptkammer mit einer gleichen Anzahl von entfernt positionierten Drucksteuerquellen in Kommunikation zu setzen.
Bei einem beispielhaften Betrieb werden die Vertiefungen 16a–16f der Reagenzplatte 20 mit jeweiligen Ampullen 26a–26f beladen, von denen jede eine Vielzahl von Kugeln 24a–24f enthält, die ein bestimmtes Reagenz tragen. Ein Vorsprungsarray, wie beispielsweise 56a, wird sodann mit dem Array von Vertiefungen 16a–16f in der Platte 20 ausgerichtet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem die Reagenzplatte 20 an einer Stelle angeordnet wird, die unter dem bogenförmigen oder kreisförmigen Weg liegt, entlang dem sich das Array 56a bewegt, wenn die zentrale vertikale Welle 60c des Rahmens 60 um ihre Längsachse rotiert wird. Der Rotationsmotor 64 kann sodann den Rahmen 60 rotieren, bis das Array 56a eine Position direkt über und in Ausrichtung mit den Ampullen 26a–26f der Platte 20 einnimmt. Anschließend kann der Linearmotor 66 die Vorsprünge 54a–54f in Richtung der jeweiligen Ampullen 26a–26f absenken.
Wenn die Ampullen mit Abdeckelementen, wie beispielsweise dem Dom 30a (2) oder der Folie 34a (3(A)), bereitgestellt sind, dann müssen die Abdeckelemente von dem Öffnungsbereich jeder Ampulle zumindest teilweise entfernt werden, um auf die Kugeln darin zugreifen zu können. Hinsichtlich folienartiger Abdeckungen, beispielsweise einer dünnen polymerischen Membran, kann jeder Vorsprung 54a–54f, wenn diese abgesenkt werden, die Abdeckung in Eingriff nehmen und zerreißen, wie dies in 3(B) veranschaulicht ist. Auf diese Art und Weise können alle Abdeckungen in dem Array zu im Wesentlichen demselben Zeitpunkt verschoben werden.
Ein beispielhafter Prozess zum Entfernen von Kappen oder domartigen Abdeckungen ist in 6 dargestellt. Dieser Prozess ist besonders für das gleichzeitige Entfernen einer Vielzahl von Abdeckungen geeignet, die reibschlüssig um die obere Kante oder den Lippenbereich der jeweiligen Ampullen angepasst ist; wobei die reibschlüssige In-Eingriffnahme derart ist, dass jede Abdeckung und Ampulle unter Verwendung lediglich eines moderaten Kraftaufwands auseinander gezogen werden können. Die Vorsprünge 54a–54f werden abgesenkt, bis jeder Vorsprung das obere Ende einer jeweiligen domartigen Abdeckung 30a–30f in Eingriff nimmt. Die Drucksteuerquelle 44 wird betätigt, um einen verminderten Druck in der Flussleitung 46 und somit in dem Verteiler 40 und an den unteren Bereichen der Vertiefungen 16a–16f zu erzeugen. Die Drucksteuerquelle 94 wird betätigt, um einen verminderten Druck in der Flussleitung 92a und somit in dem Verteiler 88a und an den unteren Bereichen der Vorsprünge 54a–54f zu erzeugen. In Reaktion auf die Vakuumkräfte wird der Boden jeder Ampulle gegen den unteren Bereich der jeweiligen Vertiefung nach unten gezogen und das obere Ende jedes Abdeckelements wird gegen eine untere Kante oder Lippe eines jeweiligen Vorsprungs nach oben gezogen.
Indem man die Dome weiter mit einem Vakuum beaufschlagt, können die Vorsprünge 54a–54f angehoben werden, wie dies beispielhaft in 6 dargestellt ist, um somit die Dome 30a–30f von den Ampullen 26a–26f herunterzuziehen und von diesen wegzuziehen und die Kugeln 24a–24f freizulegen. Sobald die Dome vertikal von den Ampullen verschoben worden sind, kann der Rotationsmotor 64 den Rahmen 60 rotieren, bis die Dome über einem Ablagebereich (nicht dargestellt) positioniert sind. An diesem Punkt kann das Vakuum unterbrochen werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Abdeckungen beispielsweise in einen Sammelcontainer (nicht dargestellt) fallen. Der Rotationsmotor 64 kann sodann das Vorsprungsarray zurück in die Ausrichtung mit dem Ampullenarray rotieren.
Wie sich wiederum 1 entnehmen lässt, können die Vorsprünge 54a–54f, sobald die Abdeckungen entfernt worden sind oder in dem Fall, dass keine Abdeckungen verwendet werden, auf jeweilige Positionen in der Nähe der Kugeln 24a–24f in den unterschiedlichen Ampullen 26a–26f abgesenkt werden. Die Drucksteuerquelle 94 kann betätigt werden, um ein Vakuum zu erzeugen, das durch jeden der Lumen 86a–86f zu einer jeweiligen Kavität, wie beispielsweise der Kavität 70 der 4(A)–4(B), an dem unteren Endbereich jedes Vorsprungs reicht. Die Vakuumkraft, die an dem unteren Endbereich jedes Vorsprungs ausgebildet wird, ist hinreichend stark, um eine Reagenzkugel aus einer jeweiligen Ampulle 26a–26f anzuziehen und um die Kugel in einer Kavität des Vorsprungs zurückzuhalten. In einer Ausführungsform wird beispielsweise ein Druck von ungefähr 15 psi an jedem Vorsprungsendbereich ausgebildet, um sphärische Kugeln, die jeweils einen Durchmesser von ungefähr 300 μm aufweisen, in eine Kavität einzuziehen und in dieser zurückzuhalten, wobei die Kavität einen Durchmesser und eine longitudinale Tiefe von ungefähr 325 μm aufweist.
4(B) beispielsweise zeigt eine sphärische Kugel 24a, die durch eine Vakuumkraft in eine Kavität 70 eingesogen worden ist, die in eine Richtung zieht, die sich durch den Lumen 86a nach oben erstreckt. Der verhältnismäßig große Durchmesser der Kugel 24a im Vergleich zu dem Durchmesser des Lumens 86a sowie die Widerstandsfähigkeit der Kugel gegenüber einer bedeutenden physikalischen Verformung verhindert, dass die Kugel in den Lumen 86a eingesaugt wird. Wie dies ebenso beispielhaft in 4(B) dargestellt ist, wird die Kugel 24a aufgrund der konischen oder trichterförmigen Ausgestaltung des Deckenbereichs 74 an einem oberen zentralen Bereich der Kavität 70 positioniert.
In einer Ausführungsform (nicht dargestellt) wird ein Gasstrom, wenn die Vorsprünge in die Ampullen abgesenkt werden und ein verminderter Druck an jedem Vorsprungsendbereich ausgebildet wird, von einem Bodenbereich jeder Ampulle in einer Art und Weise nach oben gerichtet, die wirksam ist, um Kugeln in Richtung der Vorsprünge bzw. Projektionen nach oben zu pusten bzw. blasen. Beispielsweise kann ein kleines Loch durch den Boden jeder Ampulle ausgebildet sein. Eine gaspermeable Membran kann jedes Loch abdecken. Obgleich die Membran hinsichtlich eines Gases (beispielsweise Luft) permeabel ist, ist diese ausgestaltet, Kugeln daran zu hindern, durch die Löcher heraus zu fallen. Flussleitungen können eine Kommunikation zwischen einer Pumpe für Überdruck mit den unterschiedlichen Löchern bereitstellen. Eine teilweise Abdeckung kann sich über einen oberen Bereich jeder Ampulle erstrecken, die den Durchgang eines Vorsprungs ermöglicht, jedoch Kugeln daran hindert, entlang der Vorsprünge und durch die oberen Enden der Ampullen hinaus gepustet bzw. geblasen zu werden.
Wie vorstehend bemerkt, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorstellbar, dass ein elastischer flexibler unterer Abschnitt für jeden Vorsprung des Vorsprungsarray verwendet wird. Unter Bezugnahme auf den Vorsprung bzw. die Projektion 54a von 7 erkennt man, dass beispielsweise die Seitenwand 76 aus einem elastischen flexiblen Material ausgebildet ist, während der Rest des Vorsprungs oberhalb der Seitenwand 76 aus einem im Wesentlichen festen Material ausgebildet ist, wie beispielsweise Glas, Kunststoff oder Metall. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass sich der untere Endbereich des Vorsprungs verbiegt, wenn dieser auf die Innenkonturen einer Ampulle trifft, wie beispielsweise den gekrümmten oder abgerundeten Bodenbereich der Ampulle 26a. Dieses Merkmal ist insbesondere nützlich, wenn lediglich eine Kugel oder nur einige wenige Kugeln in einer Ampulle zurückbleiben, da sich die Öffnung an dem Vorsprungsendbereich derart verbiegen kann, um Kugeln zugewandt zu sein, die sich in einem unteren mittleren Bereich der Ampulle ansammeln.
Wie sich wiederum 1 entnehmen lässt, erkennt man, dass, sobald die Vorsprünge 54a–54f jeweilige Kugeln 24a–24f aus dem Vorrat 12 angesogen und zurückgehalten haben, der Linearmotor 66 vertikal die Vorsprünge zusammen mit den zurückgehaltenen Kugeln über die Platte 20 anheben kann. Der Rotationsmotor 64 kann sodann die vertikale Welle 60c des Rahmens 60 um dessen Mittelachse rotieren, so dass die Kugeln, die in dem Vorsprungsarray zurückgehalten werden, zu einer Abgabestelle bewegt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Vakuumzurückhaltekraft unterbrochen werden. In einigen Anwendungen wird alleine die Schwerkraft ausreichend sein, um zu bewirken, dass jede Kugel aus einer jeweili gen Kavität in ein Substrat an der Abgabestelle fallen wird. Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Kugeln weiter aus den Kavitäten zu zwingen. In dieser Hinsicht ist gemäß einer Ausführungsform die Ausbildung eines erhöhten Drucks in dem Verteiler oberhalb jedes Vorsprungsarrays denkbar. Die Drucksteigerung ist ausreichend, um zu bewirken, dass Gas durch den Lumen jedes Vorsprungs nach unten strömt, um somit die Kugeln aus den Kavitäten zu "blasen" bzw. pusten. Eine Drucksteuerquelle in Kommunikation mit dem Verteiler oberhalb jedes Vorsprungsarrays kann die Drucksteigerung bewirken. Wie dies in 1 dargestellt ist, kann beispielsweise die Pumpe 102 über die Flussleitung 98a mit dem Verteiler 88a in Kommunikation stehen und die Pumpe 104 kann über die Flussleitung 98b mit dem Verteiler 88b in Kommunikation stehen. Sobald eine der Pumpen aktiviert wird und ein erhöhter Druck in einem jeweiligen Verteiler erzeugt wird, strömt Gas durch die Lumen eines jeweiligen Vorsprungsarrays auf eine Art und Weise nach unten, die dazu führt, dass jedwede zurückgehaltenen Objekte weg von den Vorsprungsendbereichen geblasen bzw. gepustet werden.
Detektionsinstrumente können in dem erfindungsgemäßen System für das Überwachen der unterschiedlichen Arbeitsvorgänge enthalten sein. In einer Ausführungsform werden beispielsweise Mittel bereitgestellt, um zu bestimmen, ob ein Targetobjekt, wie beispielsweise ein Abdeckelement oder eine Kugel, an dem unteren Endbereich jedes Vorsprungs vorhanden ist oder nicht vorhanden ist. In einer beispielhaften Anordnung kann das Abklingen eines Gasflusses und/oder das Erreichen eines erwarteten (vorbestimmten) niedrigen Drucks in den Vakuumflussleitungen als ein Indikator dafür verwendet werden, dass jeder Vorsprung regelgerecht ein Targetobjekt in Eingriff genommen und angesogen hat, so dass eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung entlang der oberen Öffnung jedes Vorsprungs ausgebildet ist. Wenn Gas weiter durch eine Vakuumleitung fließt und/oder ein Druck in einer Vakuumleitung gemessen wird, der höher als ein erwarteter Druck ist, dann ist es möglich, dass wenigstens einer der Vorsprünge dabei versagt hat, ein Targetobjekt anzuziehen und zurückzuhalten. Ein herkömmlicher Gasfluss- und/oder Drucksensor (nicht dargestellt) kann entlang der Flussleitungen zu diesem Zweck angeordnet sein. Der Sensor kann bzw. die Sensoren können von einem Benutzer überwacht werden und/oder mit einem Steuercomputer kommunizieren. Im letzteren Fall kann der Computer einen Benutzer auf einen möglichen Fehler hinweisen und/oder automatisch Korrekturmaßnahmen einleiten.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfassen die Mittel zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Targetobjekts an dem unteren Endbereich von jedem Vorsprung eine visuelle Detektionsanordnung. Wie sich dies aus dem Nachstehenden ergeben wird, ist diese Anordnung insbesondere nützlich in Verbindung mit Targetobjekten, die im Wesentlichen undurchsichtig oder nur ein wenig lichtdurchlässig sind. Wie sich 8A entnehmen lässt, kann sich beispielsweise ein Bündel von lichtleitenden Fasern, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 112 gekennzeichnet sind, durch eine Flussleitung 92a erstrecken, die zu einem Vorsprungsarray 56a führt. In dem Verteiler 88 oberhalb des Vorsprungsarrays divergieren die einzelnen Fasern 112a–112f des Bündels 112 und erstrecken sich in Richtung jeweiliger Vorsprünge 54a–54f. Jede einzelne Faser ist derart angeordnet, dass sich ein erstes oder "empfangendes" Ende wenigstens teilweise in den Lumen eines jeweiligen Vorsprungs erstreckt und dass dessen terminale Seite an diesem Ende im Allgemeinen in Richtung einer jeweiligen Kavität an einem unteren Endbereich davon gerichtet ist. Eine Strahlungsquelle (nicht dargestellt) kann direktes oder reflektiertes Licht bereitstellen, das aufwärts in jeden Vorsprung in Richtung derartiger empfangender Enden durch treten kann, wenn der Vorsprungsendbereich frei und klar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform beleuchtet eine diffuse Lichtquelle, beispielsweise ein optisches Faserbündel, im Wesentlichen die gesamte Oberseite der Reagenzplatte. Diffus reflektiertes Licht wiederum beleuchtet jeden Vorsprungsendbereich von unten. Das zweite oder "übertragende" Ende jeder Faser ist in Kommunikation mit einer Kameravorrichtung (nicht dargestellt) angeordnet. In dieser Hinsicht können die Fasern an ihrem zweiten Ende derart gebündelt und unterstützt werden, so dass ihre terminalen Seiten bzw. Stirnseiten im Allgemeinen eine Ebene definieren, die einem ebenen Array von Fotodetektoren der Kameravorrichtung benachbart ist und im Allgemeinen parallel zu dieser verläuft. Ein Fotodetektor oder einige wenige Fotodetektoren können jeder Faser in dem Bündel übertragender Enden zugewiesen sein. In einer beispielhaften Anordnung ist das Detektorarray ein Teil einer CCD, die ein Gesichtsfeld bzw. Blickfeld aufweist, das im Allgemeinen auf eine jeweilige Gruppierung von Faserstirnseiten beschränkt ist.
Ein regelgerecht angezogenes und zurückgehaltenes Objekt erstreckt sich über einen Abschnitt des unteren Endbereichs des Vorsprungs, um somit Licht daran zu hindern, das empfangende Ende einer jeweiligen Faser zu erreichen, indem dieses blockiert wird. Folglich wird der Fotodetektor bzw. werden die Fotodetektoren, der bzw. die einer derartigen Faser zugewiesen ist bzw. sind, kein Licht empfangen (o berhalb des Rauschens). Wenn auf der anderen Seite kein Objekt vorhanden ist, das einen Abschnitt entlang des Endbereichs des Vorsprungs blockiert, dann wird Licht ein jeweiliges empfangendes Ende einer Faser erreichen und sich zu dessen übertragenden Ende fortbewegen. Von dem übertragenden Ende wird das Licht auf einen oder mehrere dazugehörige Fotodetektoren treffen. Der Fotodetektor bzw. die Fotodetektoren kann bzw. können sodann ein Ausgangssignal erzeugen, das auf einem CRT-Bildschirm oder dergleichen dargestellt werden kann, um von einem Benutzer inspiziert zu werden.
Die Ausgangssignale können helle Punkte an vorher zugewiesenen Stellen auf einem ansonsten dunklen CRT-Bildschirm erzeugen. Somit kann ein heller Punkt auf dem Bildschirm dazu verwendet werden, einen Benutzer darüber zu informieren, dass kein Targetobjekt an dem Endbereich eines bestimmten Vorsprungs vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich können die Ausgangssignale über ein geeignetes Interface zu einem Steuercomputer übertragen werden. Der Computer kann sodann einen Benutzer über die Vorsprünge informieren, die scheinbar dabei versagt haben, ein Targetobjekt aufzunehmen, und/oder automatisch Korrekturmaßnahmen einleiten.
In einer Ausführungsform erstreckt sich eine optische Standardfaser, die einen Durchmesser von ungefähr 30–70 μm und vorzugsweise ungefähr 50 μm aufweist, in den longitudinalen Lumen jedes Vorsprungs. Geeignete optische Fasern werden kommerziell beispielsweise von der Firma Edmund Scientific Co. (Barrington, NJ) vertrieben. Jeder Lumen kann in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von ungefähr 230–270 μm und vorzugsweise ungefähr 250 μm aufweisen. Das übertragende Ende jeder Faser wiederum kann für eine Kommunikation mit einem oder mehreren Fotodetektoren einer CCD-Kamera angeordnet sein. Eine beliebige Kamera einer Vielzahl kommerziell erhältlicher CCD-Kameras kann gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden und geeignete Kameras können ohne weiteres von dem Fachmann ausgewählt werden. Eine besondere CCD-Kamera, die für die Verwendung hierin geeignet ist, wird kommerziell unter dem Handelsnamen Panasonic GP-KR222 vertrieben.
Anstatt dass lediglich eine einzelne Faser in dem Lumen jedes Vorsprungs verläuft, wie dies in 8(A) dargestellt ist, sollte man erkennen, dass jedwede praktikable Anzahl (z.B. 2, 3, 4, 5 oder mehr) von Fasern eingesetzt werden kann. Unterschiedliche Faktoren, die berücksichtigt werden können, um eine geeignete Anzahl von Fasern für die Verwendung zu bestimmen, umfassen (i) den Außendurchmesser jeder Faser, (ii) den Innendurchmesser des jeweiligen Lumens, (iii) den Innendurchmesser der Flussleitungen, die durch den Trägerrahmen führen, und (iv) die Anzahl, die Größe und die räumliche Konfiguration der Fotodetektoren in der Kameravorrichtung. Bei den Ausführungsformen, die auf einem Vakuum basieren, das sich durch jeden Vorsprung erstreckt, um Kugeln anzuziehen und zurückzuhalten, ist es wichtig, dass die Fasern den Gasfluss durch die unterschiedlichen Flussleitungen, Verteiler und Vorsprungslumen nicht bedeutend behindern. Vorzugsweise beträgt jedwede Verminderung der Flussrate aufgrund des Vorhandenseins der Fasern weniger als ungefähr 50%.
Anstatt dass jede Faser durch eine Flussleitung geführt ist, die durch die Rahmenstruktur und in die Lumen der unterschiedlichen Projektionen verläuft, wie dies in 8(A) dargestellt ist, wird gemäß einer Ausführungsform (nicht dargestellt) eine kleine Bohrung bereitgestellt, die durch einen oberen Bereich jedes Vorsprungs ausgebildet ist, durch die ein Endbereich einer Faser durchgeführt werden kann. In einer beispielhaften Ausgestaltung umfasst jeder Vorsprung einen oberen Kunststoffabschnitt, von dem sich eine Metallröhre erstreckt. Eine kleine Bohrung ist durch den metallischen Teil von jedem Vorsprung gebohrt und derart dimensioniert, um ein Ende einer optischen Faser aufzunehmen. In dieser Ausführungsform bildet jede Faser eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung mit ihrer jeweiligen Bohrung, um nicht mit dem Ausbilden eines gewünschten Drucks (z.B. ein Vakuum) in dem System zu interferieren bzw. dies zu stören.
Anstatt Licht durch jeden Vorsprung hoch zu führen, kann das Detektionssystem angeordnet sein, um auf eine von der vorstehend beschriebenen "umgekehrte" Art und Weise betrieben zu werden. Mit anderen Worten, die Faserenden, die distal der Vorsprünge angeordnet sind, können als "empfangende" Enden dienen, die mit einer Lichtquelle kommunizieren. Die Faserenden in den Vorsprüngen andererseits können als "übertragende" Enden wirken, die ausgestaltet sind, um Licht entlang jedes Vorsprungsendbereichs nach unten und aus diesem heraus zu führen. Im Betrieb kann vor der Aufnahme von Objekten mit den Vorsprüngen eine Kamera die Vorsprungsendbereiche von unten aufnehmen bzw. abbilden. Beispielsweise kann der zentrale Rahmen um einen Winkel rotiert werden, der hinreichend ist, um jeden Vorsprung über ein lineares Fotodetektorarray zu führen. Die Vorsprünge, bei denen Licht aus ihren unteren Endbereichen austritt, werden als leer und klar bestimmt, d.h. diese sind dazu bereit, ein Objekt aufzunehmen. Nach dem Aufnahme vorgang kann die Kamera wiederum die Projektionsendbereiche aufnehmen bzw. abbilden. Ein regelgerecht aufgenommenes und zurückgehaltenes Objekt wird Licht daran hindern, das Fotodetektorarray der Kamera zu erreichen. Ein Fehlverhalten bei der Aufnahme wird für alle Vorsprünge angezeigt, bei denen Licht aus ihren unteren Endbereichen austritt. Korrekturmaßnahmen können vorgenommen werden, beispielsweise ein erneuter Ladeversuch, wenn ein Fehlverhalten bei der Aufnahme vorliegt.
In einer weiteren beispielhaften Anordnung, die in den 8(B) und 8(C) dargestellt ist, umfassen die Mittel zum Bestimmen des Vorhandenseins oder des Fehlens eines Targetobjekts, wie beispielsweise einer Kugel, an dem unteren Endbereich jedes Vorsprungs eine oder mehrere Kameras oder geeignete Bilderfassungsvorrichtungen, die unterhalb, jedoch in im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung mit dem bogenförmigen oder kreisförmigen Pfad positioniert sind, entlang dem die Extraktoren 50a und 50b und die entsprechenden Vorsprungsarrays 56a und 56b zwischen den "Aufnahme"- und "Abgabe"-Schritten bewegt werden.
In der dargestellten Ausführungsform, beider zwei Extraktoren verwendet werden, können zwei Kameras 500a und 500b verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird der Rotationsmotor 64, nachdem der Extraktor 50a und sein Vorsprungsarray 56a einen "Kugelaufnahme-Arbeitsschritt" in der mit dem Buchstaben A bezeichneten Position durchführen und nachdem der Extraktor 50b und sein Vorsprungsarray 56b einen "Kugelabgabe-Arbeitsschritt" in der Position C durchführen, derart gesteuert, um die Extraktoren 50a und 50b in die Positionen B bzw. D zu rotieren, wo die Extraktoren zeitweilig gehalten werden, während die einzelnen Vorsprünge der jeweiligen Vorsprungsarrays 56a und 56b hinsichtlich des Vorhandenseins oder des Fehlens von Kugeln überprüft werden. In der Position B ist das untere Ende des Vorsprungsarrays 56a oberhalb und in dem Gesichtsfeld einer Linse 502a der Kamera 500a positioniert, die ein Bild 506 des unteren Endes erfasst, das die Enden von allen einzelnen Vorsprüngen darstellt, wie dies vorzugsweise entlang der Achse der Vorsprünge gesehen wird. Wie dies in 8(C) dargestellt ist, wird das Bild an eine geeignete Anzeigevorrichtung 504, wie beispielsweise einen CRT- oder LCD-Bildschirm, übertragen, wo das Bild dargestellt wird, um einem Benutzer zu ermöglichen, visuell zu bestimmen, ob irgendein Vorsprung keine Kugel aufgenommen hat oder irgendein Vorsprung mehr als eine Kugel aufgenommen hat. Gleichermaßen befindet sich in Position D das untere Ende des Vorsprungsarrays 56b in dem Gesichtsfeld einer Linse 502b der Kamera 500b. In die sem Fall wird das Bild, das von der Kamera 500b erfasst wird und auf dem Monitor dargestellt wird, dazu verwendet, um zu bestimmen, ob bei irgendeinem Vorsprung des Vorsprungsarrays 56b bei der Abgabe einer Kugel ein Fehler aufgetreten ist. Beim Betrachten des beispielhaften Bildes 506 auf der Anzeigevorrichtung in 8(C) ist ohne weiteres erkennbar, dass jeder der Vorsprünge mit der Ausnahme des Vorsprungs in Reihe 2, Spalte 2 eine Kugel enthält. Es sollte angemerkt werden, dass die Anzeigevorrichtung Teil der Bilderfassungsvorrichtung sein kann oder eine separate Einheit in Kommunikation damit sein kann.
Wenn der Überprüfungsschritt, der mit den Kameras 500a und 500b durchgeführt wird, ergibt, dass bei irgendeinem Vorsprung des Vorsprungsarrays 56a bei der Aufnahme einer Kugel in Position A ein Fehler aufgetreten ist oder dass bei irgendeinem Vorsprung des Vorsprungsarrays 56b bei der Abgabe einer Kugel in Position C ein Fehler aufgetreten ist, dann wird der Rotationsmotor 64 gesteuert, die Extraktoren 50a und 50b zurück in die Positionen A bzw. C zu rotieren, wo die jeweiligen Aufnahme- und/oder Abgabeschritte, wie erforderlich, erneut durchgeführt werden. Anschließend werden die Vorsprungsarrays 56a und 56b wiederum in die Positionen B bzw. D rotiert, wo diese wiederum hinsichtlich des Vorhandenseins oder des Fehlens von Kugeln durch die Kameras 500a und 500b überprüft werden, bevor diese in die Positionen C bzw. A fortfahren.
Obgleich in der dargestellten Ausführungsform jede Kamera in einem Winkel von ungefähr 90° zwischen den Aufnahme- und Abgabepositionen positioniert ist, erkennt der Fachmann, dass dies nicht notwendig ist. Man sollte erkennen, dass die Kameras an anderen Stellen entlang des bogenförmigen Wegs positioniert sein können. Beispielsweise kann eine Kamera um 45° gegen den Uhrzeigersinn von der Position A versetzt sein, während die andere Kamera in demselben Winkel mit derselben Richtung relativ zu der Position C versetzt ist.
Man sollte außerdem erkennen, dass mehr als zwei Kameras oder weniger als zwei Kameras eingesetzt werden können, und zwar je nach der Anzahl der verwendeten Extraktoren. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beispielsweise, bei der lediglich ein einzelnen Extraktor verwendet wird, muss lediglich eine einzelne Kamera, die entweder bei der Position B oder D angeordnet ist, verwendet werden. In diesem Fall bewegt sich der Extraktor entlang eines bogenförmigen Pfads bzw. Wegs hin und zurück, der entweder durch ABC oder ADC definiert ist, und zwar je nachdem, wo die Kamera angeordnet ist. Somit wird eine einzelne Kamera sowohl die Überprüfung nach der Aufnahme als auch die Überprüfung nach der Abgabe vornehmen. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen drei oder mehr Extraktoren verwendet werden, können zwei oder mehr Kameras eingesetzt werden.
Wie vorstehend erwähnt, können die angezogenen und zurückgehaltenen Kugeln in eine Ablagerungsposition bewegt werden, in der die Kugeln freigegeben werden können. In einer Ausführungsform befindet sich die Ablagerungsstelle beispielsweise über einem Substrat, wie beispielsweise einer Mikroplatte oder einer Karte, die eine Vielzahl von kugelaufnehmenden Stellen aufweist. 1 zeigt beispielsweise ein Substrat, das mit der Bezugsziffer 122 gekennzeichnet ist und das eine Vielzahl von beabstandeten Vertiefungen, wie beispielsweise 124a–124f, für die Aufnahme und das Halten von Kugeln aufweist.
Die aufnehmenden Vertiefungen des Substrats 122 können für eine Ausrichtung mit den Vorsprüngen 54a–54f, 54g–54l der Vorsprungsarrays 56a, 56b ausgestaltet sein. In dieser Hinsicht können die Vertiefungen 124a–124f mit demselben Mitte-zu-Mitte-Abstand wie die Vorsprünge 54a–54f, 54g–54l ausgebildet sein. In einer besonderen Ausführungsform ist ein kugelaufnehmendes Substrat als eine spritzgegossene Platte oder Schale bereitgestellt, die aus jedwedem geeigneten Material hergestellt ist, wie beispielsweise Acryl, Polycarbonat, Polypropylen, Polysulfon oder dergleichen. Vorzugsweise entsprechen die Länge und die Breite der Schale dem üblicherweise verwendeten Standard von 5,03'' × 3,37'' (127,8 mm und 85,5 mm), obgleich andere Außenabmessungen verwendet werden können. Ein gleichförmiges Array von Vertiefungen ist in der Schale bereitgestellt, um separat Reagenzkugeln aufzunehmen und zu halten, die von oben fallen gelassen werden. Beispielsweise wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Array von 16 × 24 Vertiefungen verwendet, die integral mit der Schale ausgebildet sind, wobei die Mitten bzw. Zentren von benachbarten Vertiefungen ungefähr 4,5 mm beabstandet sind. Jede Vertiefung weist in dieser Ausführungsform einen Innenbereich oder Lumen auf, der einen im Wesentlichen quadratischen horizontalen Querschnitt aufweist, sowie einen Boden oder Bodenbereich, der im Allgemeinen flach ist. Man sollte jedoch erkennen, dass Vertiefungen jedweder erwünschten geometrischen Ausgestaltung (z.B. oval, quadratisch, rechteckig, dreieckig, usw.) verwendet werden können. Gleichermaßen können die Vertiefungen jedwede gewünschte Form aufweisen, wenn diese entlang ihrer Längsachsen betrachtet werden, z.B. gerade, verjüngt oder eine andere Form. Bei den quadratischen Vertiefungen der vorliegenden Ausführungsform sind die vier Seitenwände jeder Vertiefung mit einer leichten Verjüngung nach innen (d.h. der Abstand zwischen gegenüberliegenden Seitenwänden nimmt kontinuierlich ab) entlang der Richtung bereitgestellt, die sich von dem oberen aufnehmenden Ende der Vertiefung in Richtung des Bodenbereichs erstreckt. Bevorzugte Abmessungen für jede Vertiefung in dieser Ausführungsform sind wie folgt: (i) eine Tiefe (oberes Ende zum unteren Ende) von ungefähr 1 mm; (ii) ungefähr 1 mm × 1 mm entlang einer obersten Öffnung; und (iii) ungefähr 0,5 mm × 0,5 mm entlang eines flachen Bodenbereichs.
Die abhängenden Vorsprünge eines Extraktors, die für die Verwendung mit der soeben beschriebenen Schale gedacht sind, können gleichermaßen in einem 16 × 24-Array angeordnet sein, wobei die Mitten bzw. Zentren benachbarter Vorsprünge ungefähr 4,5 mm beabstandet sind. Durch diese Ausgestaltung kann der Extraktor über dem Array von 16 × 24 Vertiefungen in der Schale positioniert werden, wobei die zwei Arrays ausgerichtet sind. Im Gebrauch kann eine Vielzahl von Kugeln, die von dem Extraktor zurückgehalten werden, direkt in die Vertiefungen der Schale abgegeben werden. Beispielsweise kann eine Vielzahl von zurückgehaltenen Kugeln auf einem solchen Vorsprungsarray in unmittelbarer Nähe mit jeweiligen Öffnungen des Vertiefungsarrays abgesenkt werden. Aus dieser Position können die Kugeln aus den Vorsprüngen auf eine im Wesentlichen simultane Art und Weise freigegeben werden, so dass jede Kugel in eine jeweilige Vertiefung fällt.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine im Allgemeinen quadratischen Mikrokarte (ungefähr 1'' × 1''; 1'' = 2,54 cm) mit einem Array von 32 × 32 Vertiefungen bereitgestellt. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform ist jede Vertiefung des Arrays mit einem im Wesentlichen quadratischen horizontalen Querschnitt ausgebildet sowie einem im Allgemeinen flachen Boden oder Bodenbereich. Es sollte wiederum angemerkt werden, dass andere Vertiefungsausgestaltungen verwendet werden können. Bevorzugte Abmessungen für jede Vertiefung lauten gemäß dieser Ausführungsform wie folgt: (i) eine Tiefe (vom oberen Ende zum unteren Ende) von ungefähr 1 mm; (ii) ungefähr 0,6 mm × 0,6 mm entlang einer obersten Öffnung; und (iii) ungefähr 0,35 mm × 0,35 mm entlang eines Bodenbereichs. Nach unten konvergierende (verjüngte) Seitenwände erstrecken sich zwischen der oberen Öffnung und dem Boden jeder Vertiefung. Benachbarte Vertiefungen in dem Array sind ungefähr 1–2 mm voneinander (Mitte zu Mitte) und vorzugsweise ungefähr 1,5 mm beabstandet. Eine so ausgestaltete Vertiefung kann beispielsweise bis zu drei im Wesentlichen sphärische Reagenzkugeln halten, die jeweils einen Durchmesser von ungefähr 275–325 μm und vorzugsweise von ungefähr 300 μm aufweisen.
Ein Extraktor, der für die Verwendung mit der soeben beschriebenen Mikrokarte geeignet ist, kann mit einem Array von Vorsprüngen bereitgestellt sein, die in einem Array angeordnet sind, das komplementär zu dem Array der Vertiefungen in der Karte ist, wodurch eine direkte Ausrichtung jedes der Vorsprungarrays mit dem Array von Vertiefungen ermöglicht wird.
Anstatt die Kugeln direkt auf einem Substrat abzulagern, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, stellt eine Ausführungsform Mittel zum Führen oder Kanalisieren jeder Kugel bereit, sobald diese von einem Vorsprungsendbereich freigegeben werden, und zwar zu einer jeweiligen Aufnahmestelle auf dem Substrat. Derartige Mittel können beispielsweise eine Leitungs- oder Kanalanordnung umfassen, die dazu ausgestaltet ist, zwischen dem Vorsprungs- bzw. Projektionsarray und dem Substrat positioniert zu werden. Wie sich der Ausführungsform von 1 entnehmen lässt, umfasst eine Leitungsanordnung, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 126 gekennzeichnet ist, beispielsweise eine Vielzahl von Leitungen 128a–128f in einer Trägerstruktur 130. Die Trägerstruktur 130 hält die Leitungen in einer feststehenden, beabstandeten Beziehung zueinander. In einer Ausführungsform. weist die Trägerstruktur die Form eines Rahmens oder eines Gestells auf, in dem einzelne Leitungen befestigt werden können (z.B. mittels einer Schnapppassung). In einer weiteren Ausführungsform sind die Leitungen integral mit der Trägerstruktur ausgebildet. Beispielsweise kann die Leitungsanordnung aus Kunststoff unter Verwendung eines Spritzgussprozesses hergestellt werden; oder jede Leitung kann ausgebildet werden, indem durch einen Materialblock gebohrt wird, der beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Metall oder dergleichen besteht.
Das obere Ende der Leitungsanordnung 126 ist mit einem Array von Öffnungen für die Aufnahme von Kugeln bereitgestellt, die von einem Vorsprungsarray, wie beispielsweise 56a oder 56b, freigegeben worden sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Array von oberen Leitungsöffnungen für eine Ausrichtung mit jedem der Vorsprungsarrays ausgestaltet. In dieser Hinsicht können die oberen Öffnungen der Leitungsanordnung 126 und die Vorsprünge 54a–54f, 54g–54l jedes Vorsprungsarrays 56a, 56b mit im Wesentlichen demselben Pitch (Mitte-zu-Mitte-Abstand) angeordnet sein. Das untere Ende der Leitungsanordnung 126 stellt ein Array von Öffnungen bereit, durch die Kugeln austreten können. Das Array von unteren Leitungsöffnungen kann für eine Ausrichtung mit dem Array von Vertiefungen des Substrats ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Öffnungen an dem Bo den bzw. dem unteren Ende der Leitungsanordnung 126 und die Vertiefungen 124a–124f des Substrat 122 mit im Wesentlichen demselben Pitch ausgebildet sein.
Um das Durchtreten einer freigegebenen Kugel von einem Vorsprungsendbereich hinunter in eine Leitung zu erleichtern, die darunter positioniert ist (d.h. die Toleranz der Kugelzufuhr durch den Extraktor zu vergrößern), kann das obere Ende jeder Leitung 128a–128f mit einer vergrößerten Öffnung bzw. mit einer Öffnung mit einem vergrößerten Durchmesser ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist beispielsweise jede obere Leitungsöffnung wenigstens 150% und vorzugsweise mehr als 250% größer als eine Öffnung, die durch die untere Kante oder Lippe eines jeweiligen Vorsprungsendbereichs definiert wird. Um das Passieren einer Kugel von einer Leitung in eine jeweilige Vertiefung eines kugelaufnehmenden Substrats hinunter zu erleichtern, kann die untere Öffnung jeder Leitung mit einem Durchmesser ausgebildet sein, der im Allgemeinen nicht größer als die obere Öffnung einer jeweiligen aufnehmenden Vertiefung ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die untere Öffnung jeder Leitung 128a–128f kleiner als die obere Öffnung einer jeweiligen aufnehmenden Vertiefung 124a–124f. In einer beispielhaften Ausgestaltung beträgt die Größe jeder unteren Leitungsöffnung zwischen ungefähr 40–95% und vorzugsweise ungefähr 70% der Größe der Öffnung einer jeweiligen aufnehmenden Vertiefung. Beispielsweise kann eine im Allgemeinen kreisförmige untere Öffnung einer Leitung, die einen Durchmesser von ungefähr 400 μm aufweist, über einer im Wesentlichen quadratischen aufnehmenden Vertiefung positioniert werden, die eine obere Öffnung aufweist, die ungefähr 600 × 600 μm groß ist.
Anhand der vorstehenden Beschreibung sollte man erkennen, dass es oftmals vorteilhaft ist, eine Leitungsanordnung zu verwenden, bei der jede Leitung eine große obere Öffnung und eine kleine untere Öffnung (relativ zueinander) aufweist. In einer Ausführungsform weist beispielsweise jede obere Leitungsöffnung einen Durchmesser von ungefähr 1–10 mm und jede untere Öffnung einen Durchmesser von weniger als 1 mm auf. In einer besonderen Ausgestaltung weist jede große Öffnung einen Durchmesser von ungefähr zwischen 1–6 mm und vorzugsweise ungefähr 2 mm auf und jede kleine Öffnung weist einen Durchmesser von ungefähr zwischen 0,25–0,75 mm und vorzugsweise ungefähr 0,4 mm auf.
Wie sich weiterhin 1 entnehmen lässt, kann zwischen den oberen und den unteren Enden jeder Leitung 128a–128f der Leitungsanordnung 126 die Leitung geformt sein, um einen leichten Durchgang einer Kugel durch diese und hinunter in ein Substrat, wie beispielsweise 122, zu erleichtern, das darunter angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform werden beispielsweise nach unten konvergierende (verjüngte) Seitenwände zwischen den oberen und den unteren Öffnungen jeder Leitung bereitgestellt. In der beispielhaften Anordnung von 1 verlaufen die Seitenwände jeder Leitung im Allgemeinen gerade entlang der Längsrichtung, wodurch im Allgemeinen kegelförmige Leitungen definiert werden. In einer weiteren beispielhaften Anordnung sind die Seitenwände entlang der Längsrichtung gebogen, wodurch im Allgemeinen hornförmige Leitungen definiert werden.
Wie vorstehend bemerkt, ist es oftmals vorteilhaft, eine Leitungsanordnung zu verwenden, die ein Array oberer Öffnungen aufweist, das im Wesentlichen mit demselben Pitch wie das Vorsprungs- bzw. Projektionsarray ausgestaltet ist, und wobei ferner ein Array unterer Öffnung umfasst wird, das im Wesentlichen mit demselben Pitch wie das Array aufnehmender Vertiefungen eines Substrats ausgestaltet ist. Somit wird in Systemen, bei denen der Pitch sowohl des Vorsprungsarrays als auch des Arrays aufnehmender Vertiefungen im Wesentlichen gleich ist, der Pitch des Arrays oberer Leitungsöffnungen und unterer Leitungsöffnungen ungefähr gleich sein. 1 beispielsweise zeigt eine Ausführungsform, bei der (i) die Vorsprungsarrays, (ii) das Array aufnehmender Vertiefungen und (iii) die Arrays oberer Leitungsöffnungen und unterer Leitungsöffnungen alle im Wesentlichen denselben Pitch bzw. Mitte-zu-Mitte-Abstand aufweisen.
Bei Systemen, bei denen sich der Pitch des Vorsprungsarrays und des Arrays aufnehmender Vertiefungen unterscheidet, wird es andererseits oftmals vorteilhaft sein, eine Leitungsanordnung zu verwenden, die Arrays oberer Leitungsöffnungen und unterer Leitungsöffnungen aufweist, die einen unterschiedlichen Pitch haben. In einem beispielhaften System dieses Typs ist das Array unterer Leitungsöffnungen mit einem Mitte-zu-Mitte-Pitch bereitgestellt, der kleiner als der des Arrays oberer Leitungsöffnungen ist. 9 zeigt beispielsweise eine Ausführungsform, die sehr der Ausführungsform von 1 ähnelt, mit der Ausnahme, dass die aufnehmenden Vertiefungen 124a'–124f des Substrats 122' in einem Array angeordnet sind, das einen Pitch aufweist, der bedeutend kleiner als der der Vorsprungsarrays 56a, 56b ist. Folglich unterscheiden sich in dieser Ausführungsform die Arrays oberer Öffnungen und unterer Öffnungen der Leitungsanordnung 126' hinsichtlich des Pitches auf eine ähnliche Art und Weise. Beispielsweise kann der Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays unterer Öffnungen ungefähr zwischen ½–¼ des Pitches des Arrays oberer Öffnungen betragen. In einer besonderen Ausführungsform beträgt der Mit te-zu-Mitte-Pitch des Arrays unterer Öffnungen ungefähr 1/3 des Pitches des Arrays oberer Öffnungen.
Hinsichtlich der Form sollte man erkennen, dass jede der Leitungen 128a'–128f von 9 entlang ihrer Längsrichtung gebogen bzw. gekrümmt ist, so dass ungefähr eine "S"-Form definiert wird. In einer weiteren Ausführungsform sind eine oder mehrere der Leitungen im Wesentlichen gerade. In dieser Hinsicht wird auf die Leitungsanordnung 126'' der 10(A)–10(C) verwiesen. In dieser Anordnung ist ein Array von 10 × 10 Leitungen, wie beispielsweise 128'', in einer Trägerstruktur, wie beispielsweise Block 130'', ausgebildet. Der Block 130'' wiederum ist über einer Mikrokarte 122'' angeordnet, die ein Array von 10 × 10 aufnehmenden Vertiefungen aufweist, die mit dem Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung ausgerichtet sind. Das Array oberer Öffnungen der Leitungsanordnung, wie dies in 10(B) dargestellt ist, kann beispielsweise Öffnungen mit einem Durchmesser von 4 mm aufweisen, die mit einem Pitch von 6 mm angeordnet sind, und das Array unterer Öffnungen, wie dies in 10(C) dargestellt ist, kann Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,4 mm aufweisen, die mit einem Pitch von 1,5 mm angeordnet sind.
Die Leitungsanordnung kann manuell über dem kugelaufnehmenden Substrat angeordnet werden oder diese kann über dem Substrat auf eine automatisierte Art und Weise platziert werden. In beiden Fällen wird es oftmals hilfreich sein, in dem System Mittel zum Registrieren bzw. Ineinander-Führen der kugelaufnehmenden Stellen des Substrats mit dem Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung vorzusehen. In einer Ausführungsform können Indexstifte, wie diese beispielsweise mit den Bezugsziffern 132, 134 in 1 gekennzeichnet sind, die von der unteren Seite der Leitungsanordnung 126 abhängen, dabei behilflich sein, die Vertiefungen der Mikroplatte 122 mit dem Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung 126 in Passung zu bringen bzw. zu registrieren. Insbesondere kann jeder Indexstift 132, 134 mit einer jeweiligen Indexbohrung, wie beispielsweise 136, 138, ausgerichtet werden, die durch einen entsprechenden Bereich des Substrats 122 ausgebildet sind. Das Einbringen der Indexstifte in die Indexbohrungen richtet im Wesentlichen das Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung mit dem Array von Vertiefungen der Mikrokarte aus.
Hinsichtlich der weiteren Anordnung der Leitungsanordnung über einem Substrat ist es gemäß einer Ausführungsform vorstellbar, dass ein herkömmlicher Motor o der eine pneumatische Hebevorrichtung in dem System vorhanden ist, wie diese beispielsweise mit den Bezugsziffern 140 und 140' in den 1 bzw. 9 gekennzeichnet sind. Die Hebevorrichtung bzw. der Lifter 140 ist ausgestaltet, um das Leitungsarray entlang eines im Allgemeinen vertikalen Wegs anzuheben und abzusenken. Der Fachmann wird ohne weiteres dazu in der Lage sein, geeignete Hebevorrichtungen aus einer Vielzahl von Vorrichtungen auszuwählen, die von kommerziellen Quellen erhältlich sind. Vorzugsweise ist die Hebevorrichtung 140 für den Betrieb unter der Aufsicht eines Steuercomputers (nicht dargestellt) ausgestaltet.
In einer weiteren Ausführungsform unterstützt eine Parallelogrammgestängeanordnung eine Leitungsanordnung für eine Hin- und Herbewegung zwischen einer angehobenen bzw. erhöhten Position und einer abgesenkten Position. 11 beispielsweise zeigt eine beispielhafte Parallelogrammgestängeanordnung, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 144 gekennzeichnet ist, die die Leitungsanordnung 126'' für eine derartige Bewegung unterstützt. In der dargestellten Anordnung sind die erste und die zweite Seitenstange, die mit der Bezugsziffer 146 bzw. 148 gekennzeichnet sind, entlang einer Seite der Gestängeanordnung 144 bereitgestellt. Die unteren Enden der Seitenstangen 146, 148 sind an jeweiligen beabstandeten Stellen oder Schwenkpunkten 150, 152 schwenkbar angebracht, und zwar in der Nähe einer Trägeroberfläche 154, sowie schwenkbar an ihren oberen Enden in einer vergleichbar beabstandeten Art und Weise an Schwenkpunkten 156, 158 entlang einer horizontalen Stange 160 angebracht. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die horizontale Stange 160 entlang eines im Allgemeinen bogenförmigen Wegs zwischen einer angehobenen Position, wie diese durch gestrichelte Linien dargestellt ist, und einer abgesenkten Position, wie diese durch durchgezogene Linien dargestellt ist, hoch und runter bewegt werden. Obgleich dies in 11 nicht sichtbar ist, kann ein zusätzliches Paar von Seitenstangen, die den Seitenstangen 146 und 148 ähneln, auf der gegenüberliegenden Seite der Gestängeanordnung 144 bereitgestellt sein. Ein Substrathaltebereich, der im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 164 gekennzeichnet ist, ist angrenzend der Parallelogrammgestängeanordnung 144 für die Aufnahme und das Halten eines kugelaufnehmenden Substrats, wie beispielsweise 122'', bereitgestellt. Die Leitungsanordnung 126'' wird über dem Substrat 122'' positioniert, wenn sich die Gestängeanordnung 144 in ihrer abgesenkten Position (durchgezogene Linien) befindet.
Die Indexstifte 132'', 134'' sind ausgestaltet, in jeweilige Indexbohrungen 136'', 138'' in dem Substrat 122'' zu passen, um bei der Ausrichtung des Arrays unterer Öff nungen der Leitungsanordnung 126'' mit dem Array von Vertiefungen des Substrats 122'' behilflich zu sein. Details einer vergleichbaren Indexanordnung sind in den 12(A)–12(B) dargestellt. Hier kann ein Indexstift, wie beispielsweise 132''', mit einer Bohrung 136''' durch die Mikrokarte 122''' ausgerichtet werden und ein zweiter Stift 134''' kann mit einem Schlitz 138''' ausgerichtet werden, der in der Mikrokarte 122''' ausgebildet ist. Wie sich wiederum 11 entnehmen lässt, kann sich ein Durchgangsweg 166 in einen Zentralbereich des Substrathaltebereichs 164 öffnen. Indem die Leitung 166 mit einer entfernten Drucksteuerquelle verbunden wird, kann ein Vakuum ausgebildet werden, das bis zu der Unterseite eines kugelaufnehmenden Substrats 122'' reicht und an dieser zieht, um somit das Substrat in einer eingesetzten Position beizubehalten.
Es sollte angemerkt werden, dass es andere Arten und Weisen gibt, die Leitungsanordnung relativ zu der Mikrokarte zu positionieren. Beispielsweise kann eine lineare Anordnung von zwei Motoren verwendet werden. Bei dieser Anordnung kann ein Motor dazu verwendet werden, die Leitungsanordnung in Position über der Mikrokarte zu bewegen. Der andere Motor kann sodann dazu verwendet werden, die Mikrokarte in die Leitungsanordnung zu drücken, um diese zu verbinden, nachdem die Leitungsanordnung in Position bewegt worden ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf die perspektivische Ansicht von 13 erkennt man eine Vielzahl von Parallelogrammgestängeanordnungen, beispielsweise 144, die jeweils eine jeweilige Leitungsanordnung 126' tragen, und zwar in Kombination mit einer Karussellanordnung, die im Allgemeinen mit der Bezugsziffer 168 gekennzeichnet ist. Eine Rotationsbewegung des Karussells 168 führt dazu, dass sich die unterschiedlichen Gestängeanordnungen um die zentrale Achse "A" des Karussells drehen. Vorzugsweise wird eine derartige Bewegung des Karussells unter der Leitung eines Steuercomputers (nicht dargestellt) durchgeführt. Jede Leitungsanordnung ist entlang eines Bereichs einer jeweiligen horizontalen Stange 160 angeordnet, die hinsichtlich der Achse "A" radial nach außen liegt. In einer Ausführungsform ist beispielsweise jede horizontale Stange fest an eine Rahmenstruktur angebracht oder integral mit dieser ausgebildet, die eine zentrale Öffnung (in 13 nicht sichtbar) aufweist, die ausgestaltet ist, eine jeweilige Leitungsanordnung aufzunehmen und zu tragen. Das andere Ende jeder horizontalen Stange 160 ist fest an einen länglichen Arm 172 angebracht oder integral mit diesem ausgebildet, der sich in die Richtung der Rotationsachse "A" des Karussells erstreckt, wobei dieser bis zu einer Schiene 174 reicht und diese in Eingriff nimmt, die entlang des inneren Bereichs der Unterstützungsfläche des Karussells verläuft. Wie sich dies am besten 11 entnehmen lässt, stellt die Schiene 174 eine Lagerfläche 178 bereit, die nachstehend detaillierter beschrieben wird, entlang der jede Gestängeanordnung 144 laufen kann, wenn diese durch das Karussell 168 fortbewegt wird. In dieser Hinsicht umfasst der längliche Arm 172 eine nach unten gewinkelte terminale Biegung 180, die ausgestaltet ist, entlang der Lagerfläche 178 zu gleiten. Ein Lagermaterial kann an die Biegung 180 entlang eines Bereichs angebracht sein, der an die Lageroberfläche bzw. Lagerfläche 178 stößt. Vorzugsweise ist das Lagermaterial derart ausgewählt, um eine Berührungsschnittstelle mit niedriger Gleitreibung bereitzustellen. Beispielsweise zeigt 11 eine Ausbauchung 182, die aus einem Material mit geringer Reibung ausgebildet ist, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) oder dergleichen, die an die Biegung 180 an einem Bereich angrenzend der Lagerfläche 178 angebracht ist.
Wie vorstehend erwähnt und unter besonderer Bezugnahme auf die perspektivische Ansicht von 13, ist es erkennbar, dass die Schiene 174 entlang eines inneren Bereichs der Trägerfläche bzw. Unterstützungsfläche 170 des Karussells verläuft. Insbesondere umfasst die Lagerfläche 178 der Schiene 174 (i) einen ersten bogenförmigen Abschnitt, der in einem Abstand R1 von der Rotationsachse "A" bei einer ersten vertikalen Höhe H1 oberhalb der Trägerfläche des Karussells angeordnet ist; und (ii) einen zweiten bogenförmigen Abschnitt, der mit einem zweiten Abstand R2 von der Achse "A" angeordnet ist, der kürzer als der Abstand R1 ist, und zwar bei einer zweiten vertikalen Höhe H2, die größer als die vertikale Höhe H1 ist. Die Ausgestaltung jedes derartigen bogenförmigen Bereichs ist nahezu die eines Halbkreises, der einen Winkel von ungefähr zwischen 60 und 85° aufspannt. Die Übergangsbereiche, wie diese beispielsweise mit den Bezugsziffern 183 und 184 gekennzeichnet sind, überbrücken den ersten und den zweiten bogenförmigen Bereich. Zusammen stellen der erste und der zweite bogenförmige Bereich und die Übergangsbereiche eine ununterbrochene Lagerfläche bereit, die in einer Draufsicht nahezu schräg erscheint (nicht dargestellt).
Im Betrieb wird, wenn jede Parallelogrammgestängeanordnung 144 entlang des ersten bogenförmigen Abschnitts der Schiene 174 vorgerückt wird, eine jeweilige Leitungsanordnung 126' an der abgesenkten Position direkt über einem Substrat 122' angeordnet. Wenn jede Parallelogrammgestängeanordnung entlang des zweiten bogenförmigen Abschnitts bewegt wird, dann wird sich ihre jeweilige Leitungsanordnung in der erhöhten Position oberhalb und versetzt von dem Substrat anordnen.
Detektionsinstrumente können in dem System gemäß der Erfindung vorgesehen sein, um das Vorhandensein einer Kugel an Targetstellen eines kugelaufnehmenden Substrats zu bestimmen, wie beispielsweise in den Vertiefungen einer Mikrokarte. In einer Ausführungsform werden alle Kugeln, die ein bestimmtes Reagenz tragen, ausgewählt, um eine eindeutige, vorher zugewiesene Farbe aufzuweisen. Die Detektionsinstrumente sind in dieser Ausführungsform dazu ausgestaltet, jede Targetvertiefung hinsichtlich einer Kugel einer derartigen Farbe zu inspizieren. In der beispielhaften Anordnung von 14 richtet eine Strahlungsquelle, wie beispielsweise der Laser 186, einen sich ausdehnenden Strahlungskegel 188 in Richtung einer Linse 190. Die Linse 190 fokussiert den Strahl, um das Array von oberen Öffnungen der Leitungsanordnung 126'' zu bestrahlen, so dass ein Bruchteil des Strahls durch jede Leitung hinunter zu den Vertiefungen der Platte 122'' durchtritt. Sobald die Vertiefung und ihr Inhalt (falls vorhanden) getroffen wird, bewegt sich ein rückläufiger Strahl 192 aus reflektiertem Licht durch jede Leitung hoch in Richtung der Linse 190. Um den Durchgang des rückläufigen Strahls durch die Leitungen zu erleichtern, kann jede Leitung eine reflektierende Innenoberfläche aufweisen, z.B. eine hochgradig polierte Metalloberfläche. Die Linse 190 fokussiert den rückläufigen Strahl 192, so dass dieser durch eine Apertur bzw. Öffnung 193 durchtritt und auf eine Kollimierungslinse 194 auftrifft, die wiederum den Strahl auf einen Farbfilter 196 richtet. Der Farbfilter 196 bewirkt, dass lediglich Licht einer gekennzeichneten Wellenlänge (oder eines Bereichs) zu einem Sensorarray einer angrenzenden Kammervorrichtung, wie beispielsweise einer CCD-Kamera 198, durchtritt. Jede Vertiefung der Mikrokarte 122'' ist einem oder mehreren Fotodetektoren der CCD-Kamera 198 zugewiesen. Targetvertiefungen, die erfolgreich mit einer Kugel der ausgewählten Farbe beladen worden sind, stellen einen rückläufigen Strahl bereit, der dazu geeignet ist, den Farbfilter zu passieren und auf die jeweiligen Fotodetektoren der CCD-Kamera zu treffen. Die Fotodetektoren wiederum können ein Ausgangssignal für die Visualisierung auf einem Videobildschirm und/oder die Übertragung über eine geeignete Schnittstelle zu einem Computer kommunizieren. In beiden Fällen weist ein positives Signal auf ein erfolgreiches Beladen hin. Jedwede Targetvertiefung(en), die keine Kugel der gekennzeichneten Farbe halten, werden andererseits nicht in der Lage sein, einen rückläufigen Strahl zu erzeugen, der dazu geeignet ist, die CCD-Kamera zu erreichen. Dementsprechend werden der Fotodetektor bzw. die Fotodetektoren, die einer derartigen Vertiefung bzw. derartigen Vertiefungen zugewiesen sind, kein Signal erzeugen und ein Fehler beim Beladen wird angezeigt. Ein neuer Ladeversuch kann sodann durchgeführt werden oder die Karte kann verworfen werden.
Anstatt sich lediglich auf reflektiertes Licht zu verlassen, um einen rückläufigen Strahl von jeder Vertiefung bereitzustellen, kann es sich bei der Beschichtung auf jeder Kugel um einen Beschichtungstyp handeln, der fluoreszentes Licht aussendet, sobald dieser mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt wird. Auf diese Art und Weise kann jede Kugel Fluoreszenzemissionen einer bestimmten, vorher zugewiesenen Farbe erzeugen, die auf das Reagenz hinweist, das diese trägt.
In einer weiteren Ausführungsform, die der Ausführungsform von 14 ähnelt (die vorstehend beschrieben worden ist), kommuniziert ein Array von optischen Fasern einen Beleuchtungsstrahl mit einer Vielzahl von Targetstellen eines kugelaufnehmenden Substrats und kommuniziert ferner einen rückläufigen Strahl, der jede Targetstelle verlässt, und zwar mit einer lichtempfindlichen Kameravorrichtung. Wie sich dies beispielsweise 15 entnehmen lässt, wird ein sich ausdehnender Strahl 188', der von einem Laser 186' ausgeht, durch eine Linse 190' auf die terminalen Enden eines Arrays von optischen Fasern gerichtet, einschließlich der Fasern 202. Das andere terminale Ende von jeder Faser ist oberhalb oder in einer jeweiligen Leitung der Leitungsanordnung 126'' angeordnet. In einer besonderen Anordnung erstreckt sich jede Faser durch eine jeweilige Leitung zu einer Stelle ein wenig oberhalb einer jeweiligen kugelaufnehmenden Vertiefung nach unten. Ein rückläufiger Strahl, der jede Vertiefung verlässt, kann sich durch seine jeweilige Faser in Richtung der Linse 190' nach oben fortbewegen. Die Linse 190' fokussiert den rückläufigen Strahl 192', um durch eine Apertur bzw. Öffnung 193' durchzutreten und auf eine Kollimierungslinse 194' aufzutreffen, die wiederum den Strahl auf einen Farbfilter 196' richtet. Wie im Fall der vorhergehenden Ausführungsform bewirkt der Farbfilter 196', dass lediglich Licht einer gekennzeichneten Wellenlänge (oder eines Bereichs) zu einem Sensorarray einer angrenzenden Kammervorrichtung, wie beispielsweise der CCD-Kamera 198', durchtritt. Zusätzliche Details entsprechen im Wesentlichen denen der vorhergehenden Ausführungsform.
Bei bestimmten Anwendungen kann es wünschenswert sein, Kugeln unterschiedlicher Farbe zu detektieren, z.B. blaue Kugeln, rote Kugeln und grüne Kugeln. Zu diesem Zweck können beide der vorstehend beschriebenen Detektionsanordnungen (14 und 15) mit einer Vielzahl von Farbfiltern bereitgestellt sein, wobei jeder Filter unabhängig in den Pfad des rückläufigen Strahls vor die Kameravorrichtung hinein und hinaus bewegt werden kann. Indem ein geeigneter Filter ausgewählt wird und dieser für das Auffangen des rückläufigen Strahls in Position bewegt wird, können Kugeln einer bestimmten Farbe detektiert werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es vorstellbar, dass mehrere getrennte Detektionsanordnungen verwendet werden, wobei jede ausgestaltet ist, Kugeln einer besonderen Farbe zu detektieren. Die Detektionsanordnungen können im Wesentlichen identisch sein, mit der Ausnahme, dass jede einen eindeutigen Farbfilter aufweist. Beispielsweise kann eine Detektionsanordnung einen Filter enthalten, der für die Detektion von blauen Kugeln ausgestaltet ist, eine weitere Detektionsanordnung kann einen Filter für die Detektion von roten Kugeln enthalten und eine dritte Detektionsanordnung kann einen Filter für die Detektion von grünen Kugeln enthalten. Die unterschiedlichen Detektionsanordnungen können der Reihe nach entlang einer Fördervorrichtung angeordnet sein, die kugelaufnehmende Substrate trägt.
Das gestrichelte Rechteck 204, das bestimmte Komponenten der Detektionsanordnungskomponenten der 14 und 15 umgibt, stellt schematisch ein Gehäuse oder einen Koffer dar, innerhalb dem die Detektionsanordnungskomponenten angebracht sein können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse für eine lineare Hin- und Herbewegung entlang eines im Allgemeinen vertikalen Wegs über einer Leitungsanordnung ausgestaltet. Unter besondere Bezugnahme auf die Ausführungsform von 15 erkennt man, dass beispielsweise der Laser 186', die Linsen 190' und 194', die Apertur bzw. Öffnung 193', der Farbfilter 196' und die CCD-Kamera 198' alle in dem Gehäuse 204 angebracht werden können. Der obere Bereich jeder optischen Faser 202 ist ebenso in dem Gehäuse angebracht, wobei das terminale Ende jeder Faser der Linse 190' zugewandt ist. Die unteren Enden der optischen Fasern stehen durch die Bodenwand des Gehäuses 204 ab. Die abstehenden Faserenden sind in einem Array angeordnet, das komplementär zu dem Array oberer Leitungsöffnungen ist. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Detektionsanordnung über einer Leitungsanordnung und Mikrokarte, wie beispielsweise 126'' und 122'', auf eine Art und Weise abgesenkt werden, die es ermöglicht, dass jedes Faserende in eine jeweilige Leitung eintritt und sich entlang dieser hinunter erstreckt. Sobald die Detektion durchgeführt worden ist, kann die Detektionsanordnung angehoben werden und eine weitere Leitungsanordnung/Mikrokarte kann in Position unter der Detektionsanordnung bewegt werden.
Anstatt das Vorhandensein von Kugeln in den Vertiefungen eines Substrats zu untersuchen, während eine Leitungsanordnung darüber abgesenkt wird, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, ist gemäß einer Ausführungsform ein Entfernen (ein Anheben) der Leitungsanordnung vor der Detektion vorstellbar. Bei dieser Aus führungsform bestrahlt die Detektionsanordnung die Vertiefungen direkt und detektiert das Vorhandensein von Kugeln auf der Grundlage der Farbe.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung stellt ein System zum Abdecken eines Arrays von Vertiefungen bereit, die in einem Substrat ausgebildet sind, wie beispielsweise einer Mikroplatte oder einer Karte. Gemäß einer Ausführungsform, die in der Seitenquerschnittsansicht von 16(A) dargestellt ist, umfasst das System ein ununterbrochenes Band bzw. Netz (web) eines Abdeckmaterials, das mit der Bezugsziffer 212 gekennzeichnet ist, das für eine Bewegung von einer Zuführposition, wie beispielsweise dem Lehrlaufrad 214, zu einer Aufnahmeposition angebracht ist, wie beispielsweise dem angetriebenen Rad 216. Scherklingen 218 sind an der Unterseite eines beweglichen Kolbens 222 für eine lineare Hin- und Herbewegung entlang einer Richtung angebracht, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Band bzw. Netz verläuft, um einen Abschnitt des Abdeckmaterials 212 an einem Bereich zwischen der Zuführposition 214 und der Aufnahmeposition 216 auszuschneiden. Eine elastisch nachgebende, im Allgemeinen ebene Oberfläche, die mit der Bezugsziffer 220 gekennzeichnet ist, ist auf der Unterseite des Kolbens 222 entlang eines Bereichs zwischen den Klingen 218 bereitgestellt, um das Abdeckmaterial gegen die Oberseite eines Substrats, wie beispielsweise der Mikrokarte 122'', zu pressen.
Indexstifte 232, 234, die von der Unterseite des Kolbens 222 abhängen, können mit den. Indexbohrungen 136'', 138'' des Substrats 122'' in Passung gebracht werden, um die Scherklinge 218 darüber zu orientieren, um einen gewünschten Schnitt in dem Band bzw. Netz 212 zu bewirken. Obgleich dies in der Querschnittsansicht von 16(A) nicht sichtbar ist, liefern die Scherklingen zusammen eine Schneidekante, die ein Viereck definiert, wie beispielsweise ein Quadrat oder ein Rechteck. In dieser Hinsicht zeigt 16(B) aufeinander folgende Schnitte 224, 226, die in dem Band bzw. Netz 212 vorgenommen werden, und zwar durch die Scherklingen 218, wobei jeder Schnitt (i) zwei Seiten im Wesentlichen parallel zu den Seitenkanten des Bandes bzw. Netzes und (ii) zwei Seiten im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenkanten des Bandes bzw. Netzes aufweist.
Jedwedes geeignete Abdeckmaterial kann verwendet werden. Bevorzugte Materialien sind im Wesentlichen chemisch inert hinsichtlich der in den Vertiefungen angeordneten Reagenzien. Gemäß einer Ausführungsform ist die Verwendung eines Abdeckmaterials vorstellbar, das dazu geeignet ist, eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit der Oberseite einer Multivertiefungsschale oder von geeigneten Bereichen davon (z.B. einer aufrecht stehenden Kante oder Lippe um die Öffnung jeder Vertiefung) auszubilden. Eine derartige Abdichtung kann beispielsweise unter Verwendung herkömmlicher Haftmittel und/oder Hitzeabdichtungstechniken bewirkt werden. Geeignete Hitzeabdichtungsmaterialien umfassen beispielsweise polymerische Folien, wie beispielsweise Polystyrol-, Polyester-, Polypropylen- und/oder Polyethylenfolien. Derartige Materialien werden beispielsweise kommerziell von den Firmen Polyfiltronics, Inc. (Rockland, MA) und Advances Biotechnologies (Epsom, Surrey, England UK) vertrieben. Gemäß einer Ausführungsform ist die Verwendung einer im Wesentlichen klaren polymerischen Folie vorstellbar, die beispielsweise eine Dicke zwischen ungefähr 0,05 und 0,5 mm aufweist und die optische Messung von Reaktionen ermöglicht, die in den abgedeckten Vertiefungen ablaufen. In dieser Hinsicht wird daran erinnert, dass die vorliegende Erfindung die auf Fluoreszenz basierenden Echtzeitmessungen von Nukleinsäure-Amplifizierungsprodukten (wie beispielsweise PCR) ermöglicht. Im Allgemeinen wird bei einer derartigen Technik ein Anregungsstrahl durch eine Abdichtungsabdeckungsfolie in jedes einer Vielzahl von Fluoreszenzgemischen gerichtet, die separat in einem Array von Reaktionsvertiefungen enthalten sind, wobei der Strahl eine geeignete Energie aufweist, um die Fluoreszenzzentren in jedem Gemisch anzuregen. Die Messung der Fluoreszenzintensität kennzeichnet in Echtzeit den Fortgang jeder Reaktion. Um derartige Echtzeitüberwachung zu ermöglichen, ist jede Folie in dieser Ausführungsform aus einem hitzeabdichtbaren Material ausgebildet, das transparent oder wenigstens bei der Anregungs- und der Messwellenlänge transparent ist. Eine geeignete hitzeabdichtbare Folie ist in dieser Hinsicht ein Co-Laminat aus Polypropylen und Polyethylen. Eine heizbare Platte (nicht dargestellt) kann dazu verwendet werden, um die Folie in Eingriff zu nehmen, sobald diese geschnitten und über einem Array von Vertiefungen angeordnet worden ist, sowie um Hitze aufzubringen, so dass die Folie eine feste Bindung mit dem Substrat eingeht.
An diesem Punkt wird auf die perspektivische Ansicht von 13 hingewiesen, wobei eine Vielzahl der vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung in einem System mit hohem Durchsatz für die Herstellung eines Arrays von Kugeln auf einer Mikroplatte oder Karte verkörpert sind. Im Allgemeinen transportiert eine lineare Fördereinrichtung 252 der Reihe nach leere Mikrokarten 122' von einem Zuführbereich 254 zu einer Position angrenzend einem ersten Roboter 260. Wenn der Roboter 260 eine leere Karte 122' von der Fördereinrichtung 252 aufnimmt, dann lässt ein rotierbares Karussell 168 eine Plattform 154 und eine dazugehörige bewegliche Leitungsanordnung 126' zu einer Position vorrücken, die ebenfalls an den Roboter 260 angrenzt. Die Leitungsanordnung 126' ist in einer angehobenen Position oberhalb und vertikal versetzt von einem Substrathaltebereich 164 der Plattform 154 angeordnet. Der Roboter 260 platziert die Karte 122' in dem nicht okkupierten Substrathaltebereich 164 und das Karussell 168 rotiert, um die Karte 122' in eine Position vorzurücken, die an eine Scananordnung 264 angrenzt. Mit einer Leitungsanordnung 126', die sich immer noch in der angehobenen Position befindet, scant die Scananordnung 264, z.B. ein Strichcodeleser, ein Label bzw. eine Markierung auf der Seite der Karte 122'. Dieser Vorgang kann beispielsweise dazu dienen, um sicherzustellen, dass die Karte regelgerecht in dem Substrathaltebereich platziert worden ist, und um Identifizierungsinformationen in einen Steuercomputer (nicht dargestellt) einzulesen. Anschließend senkt eine Parallelogrammgestängeanordnung 144 die Leitungsanordnung 126' in eine Position direkt über der Karte 122' ab, wobei ein Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung 126' mit einem komplementären Array von Vertiefungen in der Karte 122' ausgerichtet wird. Die Karte 122' wird sodann zu einer Ladeposition, angrenzend einer Kugelabgabeanordnung, wie beispielsweise bei 8, vorgerückt, die im Wesentlichen so ausgestaltet sein kann, wie dies in 9 dargestellt ist. Die Abgabeanordnung 8 ist betriebsfähig, um eine Vielzahl von Kugeln aus einer Reagenzplatte 20 aufzunehmen und nach einer Rotation um 180° die Kugeln in der Mikrokarte 122' mittels der Leitungsanordnung 126' abzulagern, wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Hinsichtlich der Abgabeanordnung 8 sollte man ferner erkennen, dass, während ein Kugelextraktor 50a einen Satz von Kugeln in den Vertiefungen einer Mikrokarte ablagert, der andere Extraktor 50b gleichzeitig einen weiteren Satz von Kugeln aus der Reagenzplatte 20 für die Anordnung in der nächsten Karte aufnehmen kann, die zu der Ladeposition vorgerückt worden ist. Dieser Vorgang kann fortfahren, bis alle leeren Karten gefüllt worden sind und/oder der Vorrat bzw. die Zufuhr von Reagenzkugeln erschöpft worden ist.
Nach der Aufnahme von Kugeln von der Abgabeanordnung 8 wird die Karte 122' sodann zu einer Position unterhalb einer Detektionsanordnung 204, beispielsweise einer der 15 ähnlichen Detektionsanordnung, vorgerückt, die jede Vertiefung der Karte 122' hinsichtlich des Vorhandenseins einer Kugel inspiziert. Wenn die Karte 122' die Detektionsanordnung 204 verlässt, dann wird die Leitungsanordnung 126' zu der angehobenen bzw. erhöhten Position zurückgeführt und die Karte 122' wird einer Abdichtvorrichtung 268 zugeführt, die eine Abdeckung, wie beispielsweise eine optisch klare bzw. durchsichtige Membran, über den Vertiefungen anordnet. Die Abdichtanordnung kann im Wesentlichen so, wie in 16 dargestellt, ausgestaltet sein. Eine zweite Kamera, wie bei 272, inspiziert sodann die Karte 122', um die regelgerechte Anordnung der Abdeckung sicherzustellen. Schließlich wird die Karte 122' zu einem zweiten Roboter 274 fortbewegt, der zwischen dem Karussell 168 und der Fördereinrichtung 252 angeordnet ist, der die Karte 122' von dem Substrathaltebereich 164 anhebt. Wenn der Inspizierungsvorgang anzeigt, dass die Karte 122' regelgerecht mit Kugeln beladen worden ist und wirksam abgedichtet worden ist, dann wird die Karte 122' sodann zurück auf der linearen Fördereinrichtung 252 angeordnet und zu einer Lagerstelle 280 transportiert. Wenn ein Fehler hinsichtlich dieser Vorgänge angezeigt worden ist, kann andererseits der Roboter 274 die Karte 122' in einen Verwerfungseimer, wie bei 284, entsorgen.
Ein Steuercomputer (nicht dargestellt) kann den Betrieb der verschiedenen Anordnungen integrieren, und zwar beispielsweise mittels eines Programms, das in einer eventgesteuerten Sprache, wie beispielsweise LABVIEW^® oder LABWINDOWS^® (National Instruments Corp., Austin, Texas), geschrieben ist. Insbesondere stellt die LABVIEW-Software eine graphische Programmierumgebung auf hohem Niveau für die Steuerung von Instrumenten bereit. Die US-Patentschriften Nr. 4,901,221; 4,914,568; 5,291,587; 5,301,301; 5,301,336 und 5,481,741 beschreiben unterschiedliche Aspekte des graphischen Programmier- und Entwicklungssystems LABVIEW. Die graphische Programmierumgebung, die in diesen Patentschriften beschrieben wird, ermöglicht einem Benutzer, Programme oder Routinen mittels Blockdiagrammen oder "virtuellen Instrumenten" zu definieren. Wenn dieses vorgenommen wird, dann werden Maschinenspracheanweisungen automatisch konstruiert, die eine Ausführungsprozedur charakterisieren, die der dargestellten Prozedur entsprechen. Interfacekarten für die Kommunikation des Computers mit den Motorsteuereinrichtungen sind ebenso kommerziell erhältlich, beispielsweise von der Firma National Instruments Corp.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt eine tragbare Handvorrichtung für die gleichzeitige Aufnahme einer Vielzahl von reagenztragenden Kugeln und die Abgabe der Kugeln bei einer gewünschten Stelle bereit. Eine beispielhafte Anordnung einer derartigen Vorrichtung, die im Allgemeinen durch die Bezugsziffer 350 gekennzeichnet ist, ist in den 17(A)–17(B) dargestellt. Hier ist ein rechteckiges Rahmenelement 360, das im Wesentlichen breite, ebene, obere und untere Oberflächen aufweist, mit einem Griff 363 bereitgestellt, der fest daran angebracht ist. Der Griff 363 ist nahezu U-förmig oder bogenförmig und über dem Rahmen 360 orien tiert, um eine Lücke 365 zwischen seinem mittleren Bereich und der Oberseite des Rahmens 360 bereitzustellen. Vorzugsweise ist die Lücke 365 dimensioniert, um die Finger der Hand eines Benutzers aufzunehmen, sobald dieser den Griff 363 ergreift.
Ein im Allgemeinen rechteckiger Träger 358, der ebenso im Wesentlichen Planare, breite, obere und untere Oberflächen aufweist, ist an die Unterseite des Rahmens 360 angebracht. Der Rahmen 360 und der Träger 358 sind in einer feststehenden, beabstandeten Beziehung angeordnet, wobei ihre gegenüberliegenden Oberflächen im Allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind. Eine Vielzahl von Vorsprüngen, wie beispielsweise 354, hängt von der Unterseite des Trägers 358 ab. Vorzugsweise sind die Vorsprünge in einem Array angeordnet, wie beispielsweise einem 8 × 12-, 16 × 24- oder 32 × 32-Array, obgleich andere Ausgestaltungen möglich sind. Jeder der Vorsprünge weist eine Kavität an dem unteren Endbereich davon auf, die dazu ausgestaltet ist, wie vorstehend beschrieben, eine Kugel aufzunehmen.
Längliche Beine 367, auf denen die Einheit ruhen kann, erstrecken sich von jeweiligen Eckbereichen des Rahmens 360 nach unten. Vorzugsweise handelt es sich bei den Beinen um einen Beintyp, der Anpassungen an die Höhe der Einheit ermöglicht. Beispielsweise kann jedes Bein Gewinde aufweisen, die um dessen äußeren Umfang ausgebildet sind und für eine passende In-Eingriffnahme mit Innengewinden von jeweiligen Bohrungen ausgestaltet sind, die durch die Eckbereiche des Rahmens ausgebildet sind. Ein Drehknopf, wie beispielsweise 369, kann feststehend an das obere Ende jedes Beins 367 angebracht sein, um manuelle Höhenverstellungen zu erleichtern, beispielsweise indem die Beine rotiert werden.
Wenn ein Benutzer den Griff 363 ergreift, dann kann dieser die Einheit 350 aufnehmen und über einer Reagenzzufuhr anordnen, wie beispielsweise der Platte 20 von 1. Die Reagenzzuführstellen (Vertiefungen) der Platte sind vorzugsweise in einem Array angeordnet, das einen Mitte-zu-Mitte-Abstand aufweist, der im Wesentlichen dem des Vorsprungsarrays 356 der Handeinheit entspricht, so dass die zwei Arrays ausgerichtet werden können. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann jeder Vorsprung 354 des Vorsprungsarrays 356 in eine jeweilige kugelhaltende Vertiefung abgesenkt werden, um eine Reagenzkugel anzuziehen.
Eine Anziehungsquelle kann an jedem der Vorsprungsendbereiche in einer Art und Weise betrieben werden, um einzelne Kugeln aus dem Vorrat bzw. der Zufuhr in jeweilige Kavitäten einzuziehen und diese darin freigebbar zurückzuhalten. In einer Ausführungsform umfasst die Anziehungsquelle eine Drucksteueranordnung, die dazu geeignet ist, einen verminderten Druck (Vakuum) an jedem Vorsprungsendbereich zu erzeugen. Unter weiterer Bezugnahme auf die 17(A)–17(B) kann sich beispielsweise eine Kammer oder ein Verteiler 388 durch den Träger 358 über dem Vorsprungsarray 356 erstrecken. Jeder Vorsprung des Vorsprungsarrays kann einen sich axial erstreckenden Lumen (nicht dargestellt) aufweisen, der eine fluidische Kommunikation zwischen der Kavität an dem unteren Endbereich und der Kammer 388 in dem Träger 358 bereitstellt. In dieser Hinsicht können die Vorsprünge beispielsweise im Wesentlichen wie in den 4(A)–4(B) oder 5 dargestellt ausgebildet sein. Die Kammer 388 ist ferner in fluider Kommunikation mit einer Drucksteuerquelle angeordnet. Jedwede geeignete Drucksteuerquelle kann verwendet werden. Beispielsweise kann es sich bei der Drucksteuerquelle um eine Pumpe oder eine Vorrichtung des Spritzentyps handeln, die in einem Modus betrieben werden können, um die Kammer zu evakuieren, sowie in einem zweiten Modus, um die Kammer unter Druck zu setzen. In einer bevorzugten Ausführungsform, die in den 17(A)–17(B) dargestellt ist, handelt es sich bei der Drucksteuerquelle um eine elastische verformbare Flasche des Drücktyps 391, die an einer Oberseite des Griffs 363 angebracht ist. Eine Verbindungsleitung 393 erlaubt die fluide Kommunikation zwischen der Kammer 388 und der Flasche 391. Sobald die Flasche 391 mittels beispielsweise der Hand eines Benutzers verformt oder zerdrückt wird, kann Fluid (z.B. ein Gas, wie beispielsweise Luft) herausgedrückt werden, um somit eine Drucksteigerung in der Kammer 388 und an jedem Vorsprungsendbereich zu bewirken. Wenn die Flasche 391 wieder freigegeben wird, kehrt diese im Wesentlichen zu ihrer ursprünglichen Form zurück, wodurch eine Saug- oder Vakuumkraft erzeugt wird, die dazu führt, dass Luft aus der Kammer 388 gesogen wird. Die evakuierte Kammer 388 wiederum erzeugt einen verminderten Druck an jedem Vorsprungsendbereich. Um den Fluss von Fluid zwischen der Flasche 391 und der Kammer 388 zu steuern, kann eine Ventilanordnung, wie diese beispielsweise mit der Bezugsziffer 395 gekennzeichnet ist, entlang der Flussleitung 393 angeordnet sein. Bequemerweise ermöglicht ein mittels eines Daumens druckbarer, federvorgespannter Knopf 397, der in der Nähe eines Endes des Griffs 363 angeordnet ist, die manuelle Kontrolle bzw. Steuerung (z.B. "An/Aus") des Flusses von Fluid durch die Leitung 393.
Sobald Kugeln in jeweilige Kavitäten des Vorsprungsarrays 356 eingesogen worden sind und in diesen zurückgehalten werden, können die Kugeln zu einer Abgabestelle bewegt werden und dort freigegeben werden. Beispielsweise kann die Handeinheit 350 über einem kugelaufnehmenden Substrat, wie beispielsweise der Mikroplatte 322 von 17(A), angeordnet werden, die eine Vielzahl von darin ausgebildeten Vertiefungen (z.B. 96, 384, 1024 oder mehr) aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Vertiefungen mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand angeordnet, der im Wesentlichen dem des Vorsprungsarrays 356 entspricht, so dass die zwei Arrays ausgerichtet werden können. Die Freigabe der Kugeln kann erreicht werden, indem beispielsweise die Zurückhaltekraft unterbrochen wird. Bei einigen Anwendungen wird allein die Schwerkraft ausreichend sein, um zu bewirken, dass jede Kugel aus einer jeweiligen Kavität hinunter in eine jeweilige Vertiefung fällt. Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Kugeln weiter aus den Kavitäten herauszudrücken. In dieser Hinsicht ist es gemäß einer Ausführungsform vorstellbar, dass ein erhöhter Druck in der Kammer oberhalb des Vorsprungsarrays ausgebildet wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem die Flasche 391 gedrückt wird, um weiter verformt (zerdrückt) zu werden, um somit einen Teil der verbleibenden Luft aus der Flasche 391 in die Kammer 388 und folglich entlang des Lumens jedes Vorsprungs hinunter zu zwingen. Auf diese Art und Weise können die Kugeln aus den Kavitäten hinunter zu den Vertiefungen "geblasen" bzw. "gepustet" werden.
In einer Ausführungsform werden die Kugeln direkt in die Vertiefungen der Mikroplatte 322 abgegeben. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Leitungsanordnung, wie diese beispielsweise mit der Bezugsziffer 326 gekennzeichnet ist, dazu verwendet, jede Kugel in eine jeweilige Vertiefung zu führen oder zu kanalisieren. In der beispielhaften Anordnung der 17(A) umfasst die Leitungsanordnung 326 eine Vielzahl von großen Öffnungen, die entlang einer Seite ausgebildet sind und in einem Array angeordnet ist, das mit dem Vorsprungsarray 356 ausgerichtet werden kann. Eine Vielzahl von kleinen Öffnungen ist in der anderen Seite der Leitungsanordnung 326 ausgebildet, die mit dem Array von Vertiefungen in der Mikroplatte 322 ausgerichtet werden können. Eine im Allgemeinen kegelförmige oder trichterförmige Leitung, wie diese beispielsweise mit der Bezugsziffer 328 gekennzeichnet ist, erstreckt sich zwischen jeder großen Öffnung und einer jeweiligen Öffnung der kleinen Öffnungen.
Indexstifte, wie diese beispielsweise mit den Bezugsziffern 332 und 334 gekennzeichnet sind, die von der Unterseite der Leitungsanordnung 326 abhängen, können bei der Registrierung der Vertiefungen der Mikroplatte 322 mit dem Array von unteren Öffnungen der Leitungsanordnung behilflich sein. Insbesondere kann jeder Indexstift mit einer jeweiligen Indexbohrung ausgerichtet werden, die durch einen entsprechenden Bereich der Mikroplatte 322 ausgebildet ist. Das Einbringen der Indexstifte in die Indexbohrungen richtet im Wesentlichen das Array unterer Öffnungen der Leitungsanordnung mit dem Array der Vertiefungen der Mikroplatte aus.
Man wird hier erkennen, dass das Kugelabgabesystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Flüssigkeitsabgabeanordnungen aufweist. Beispielsweise kann das Volumen jeder Kugel akkurat bestimmt werden, indem dieses offline gemessen wird. Da die Kugeln ferner fest sind, tropfen oder spritzen diese nicht, wodurch die Möglichkeit einer Kreuzverunreinigung (cross-contamination) vermindert wird. Ferner können die Kugelabgabevorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, um mehrere Reagenzien abzugeben, und zwar ohne ein häufiges Reinigen und ohne ein bedeutendes Risiko eines Verstopfens. Aufgrund der Kanten der Kugeln mit einem großen Kontrast kann ferner das Vorhandensein oder das Fehlen einer Kugel an einer ausgewählten Stelle ohne weiteres bestimmt werden.
Es ist ferner anzumerken, dass der Prozess der Kugelabgabe, wie dieser hier beschrieben wird, weniger energieaufwendig als herkömmliche Fluidabgabesysteme ist. Beispielsweise stoßen Tintenjets Fluid mit einer Kilohertzrate und einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde aus. Die vorliegende Erfindung andererseits kann dazu verwendet werden, um Kugeln in Vertiefungen mit einer Rate von lediglich einer oder einiger weniger pro Sekunde fallen zu lassen. Somit können Probleme, die mit einer sehr energetischen Ablagerung auf einem Punkt zusammenhängen, wie beispielsweise Spritzen, Zerbrechen und fehlgeleitete Auswürfe (Satelliten), im Allgemeinen vermieden werden. Trotz der verhältnismäßig langsamen Rate im Vergleich zu anderen Ablagerungsverfahren ist das System gemäß der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig schnell aufgrund unter anderem seines hochgradig parallelen Ansatzes.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Fluidverteiler bereit, der beispielsweise nützlich dazu ist, eine Flüssigkeit in einem Array von Vertiefungen einer Mikroplatte oder Karte abzulagern. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Fluidverteiler eine Vielzahl von länglichen Leitungen, die in einer feststehenden, beabstandeten Beziehung in einer gemeinsamen Trägerstruktur angeordnet sind. Jede Leitung weist eine große Öffnung an einem Ende und eine kleine Öffnung an ihrem anderen Ende auf. Die großen Öffnungen sind in einem Array entlang einer Seite der Trägerstruktur angeordnet und die kleinen Öffnungen sind in einem Array entlang einer gegenüberliegenden Seite der Trägerstruktur angeordnet. Ein Bereich jeder Leitung, der sich von einer jeweiligen Öffnung der kleinen Öffnungen erstreckt, weist eine Kapillargröße auf, so dass eine Flüssigkeit, die in Berührung mit dem Array kleiner Öffnungen angeordnet wird, zumindest teilweise in die Leitungen mittels der Kapillarwirkung eingesogen werden kann. Jedweder Innendurchmesser, der die erwünschte Kapillarwirkung bewirkt, kann innerhalb des Umfangs der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise können die Bereiche mit Kapillargröße mit einem Innendurchmesser von weniger als ungefähr 1 mm ausgebildet werden. Um die erwünschte Kapillarwirkung weiter zu verstärken, können die Bereiche kapillarer Größe jeder Leitung mit inneren Seitenwänden bereitgestellt sein, die hydrophil sind.
In den 18 und 19(A)–19(B) ist ein beispielhafter Fluidverteiler 402 dargestellt. Ein Array kleiner Öffnungen, wie dies beispielsweise mit der Bezugsziffer 404 gekennzeichnet ist, ist auf einer Seite des Verteilers 402 bereitgestellt und ein Array von großen Öffnungen, wie dies beispielsweise mit der Bezugsziffer 406 gekennzeichnet ist, ist auf einer gegenüberliegenden Seite bereitgestellt. Die zwei Arrays von Öffnungen können mit dem gleichen Pitch angeordnet sein oder deren Pitches können sich voneinander unterscheiden. In der dargestellten Anordnung ist das Array kleiner Öffnungen 404 mit einem im Wesentlichen verminderten Pitch im Vergleich zu dem Array großer Öffnungen 406 angeordnet. Eine Leitung erstreckt sich zwischen jeder großen Öffnung und einer jeweiligen kleinen Öffnung. 18 zeigt Leitungen 408a–408f, die jeweils Seitenwände aufweisen, die sich entlang der Richtung von einer jeweiligen großen Öffnung zu einer kleinen Öffnung verjüngen (d.h. der Durchmesser nimmt ab). Wie sich dies den 18 und 19(A) entnehmen lässt, erstreckt sich eine Rille oder ein Kanal 412 um das Array von kleinen Öffnungen 404. Wie sich dies den 18 und 19(B) entnehmen lässt, erstreckt sich eine aufrecht stehende Umfangswand 414 um das Array großer Öffnungen 406 auf der gegenüberliegenden Seite des Verteilers 402.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 20 wird ein Gefäß 418 bereitgestellt, um ein ausgewähltes Fluid, wie dies mit der Bezugsziffer 427 gekennzeichnet ist, zu halten. Das Gefäß 418 ist mit einem Boden, Seitenwänden und einem offenen oberen Ende bereitgestellt. Die Seitenwände des Gefäßes 418 sind ausgestaltet, um in den Kanal 412 um das Array kleiner Öffnungen 404 zu passen, so dass jede kleine Öffnung in Berührung mit dem Fluid 427 angeordnet werden kann. Die kleinen Öffnungen und ein Bereich ihrer jeweiligen Leitungen sind derart bemaßt, so dass die Kapillarwirkung einen Teil des Fluids in jede Leitung einsaugen kann, wie dies mit der Bezugsziffer 433 in 20 angedeutet ist. Die Fluidmenge, die in jede Leitung eingesogen wird, hängt von der Natur des Fluids, der Materialzusammensetzung der Leitung und dem Durchmesser jeder Öffnung und dem Bereich der Leitung darüber ab. Diese Menge kann experimentell bestimmt werden und/oder unter Verwendung von wohlbekannten Prinzipien berechnet werden. Sobald der Fluidverteiler von dem Gefäß angehoben wird, wird das eingesogene Fluid innerhalb der Leitungen verbleiben. Der Fluidverteiler 402 kann sodann umgedreht werden und über einem Substrat angeordnet werden, wie beispielsweise der Multivertiefungsplatte 422, die in den 21(A)–21(B) und 22 dargestellt ist. Man sollte erkennen, dass die Vertiefungen 423 der Platte 422 in einem Array angeordnet sind, das mit dem Array großer Öffnungen 406 des Fluidverteilers 402 ausgerichtet werden kann. Dem Fluid 427 kann sodann ermöglicht werden, von dem Ende mit den kleinen Öffnungen zu dem Ende mit der großen Öffnung jeder Leitung zu fließen, um schließlich einen Wulstrand (meniscus) an jedem Ende des invertierten bzw. umgedrehten Arrays großer Öffnungen auszubilden, wie dies in 21(A) dargestellt ist. Sobald ein Objekt berührt wird, das jeder großen Öffnung benachbart ist, wie beispielsweise einer Reagenzkugel 435, können Adhäsionskräfte zwischen der Flüssigkeit und dem Objekt das Fluid aus den Röhrchen und in die Vertiefungen ziehen, wie dies in 22 dargestellt ist.
Man sollte erkennen, dass das Gefäß 418 jedwedes gewünschte Fluid halten kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Fluid, das in die kugelenthaltenden Vertiefungen abgegeben wird, um ein Lösungsmittel handeln, das dazu geeignet ist, ein Beschichtungsmaterial aufzulösen und/oder anschwellen zu lassen, das jede Kugel 435 umgibt, um somit Zugang zu einem Reagenzkern bereitzustellen.
Man sollte ferner erkennen, dass bestimmte Nachteile, die oftmals mit der Ablagerung einer Flüssigkeit in einer Vertiefung, in der bereits eine Flüssigkeit vorhanden ist, im Zusammenhang stehen, wie beispielsweise die Kreuzverunreinigung aufgrund eines Spritzens, unter Verwendung des Fluidverteilers gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden werden können, bei der eine Flüssigkeit an eine Kugel in jeder Vertiefung über eine Berührung abgegeben wird.
Der Fachmann wird nun anhand der vorstehenden Beschreibung erkennen können, dass die umfassenden Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen implementiert werden können. Während die Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen und Beispielen davon beschrieben worden ist, sollte daher der wahre Umfang der Erfindung nicht derart beschränkt werden. Zahlreiche Veränderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie dieser durch die nachstehenden Ansprüche definiert wird.

Claims

System zum Kanalisieren einer Vielzahl von Submillimeterkugeln zu gewünschten Stellen auf einem Substrat (122; 122'; 122''; 122'''), umfassend: ein Array von Mikrokugelträgern (56a, 56b), wobei jeder Träger ausgestaltet ist, freigebbar von oben nicht mehr als eine Submillimeterkugel zu halten; eine Vielzahl von Kanälen (128a–128f; 128a'–128f; 128''), die unter dem Array von Mikrokugelträgern angeordnet sind, wobei die Kanäle aufweisen: (i) erste Öffnungen an deren oberen Enden, die einem Array mit einem Mitte-zu-Mitte-Pitch angeordnet sind, der dem Mitte-zu-Mitte-Pitch des Trägerarrays entspricht, so dass die ersten Öffnungen im Wesentlichen darunter ausgerichtet werden können, und (ii) zweite Öffnungen an deren unteren Enden, wobei die ersten Öffnungen größer als die zweiten Öffnungen sind; und Detektionsmittel, die ausgestaltet sind, das Vorhandensein oder das Fehlen einer Kugel auf (i) dem Array von Mikrokugelträgern und/oder (ii) dem Substrat zu erfassen.
System nach Anspruch 1, wobei jede der ersten Öffnungen einen Durchmesser von weniger als ungefähr 6 mm aufweist und jede der zweiten Öffnungen einen Durchmesser von weniger als ungefähr 0,6 mm aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die zweiten Öffnungen in einem Array angeordnet sind, das einen Mitte-zu-Mitte-Pitch aufweist, der kleiner als der Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays von ersten Öffnungen ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays von zweiten Öffnungen um einen Faktor von wenigstens ungefähr 3 im Vergleich zu dem Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays von ersten Öffnungen vermindert ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays von ersten Öffnungen größer als ungefähr 4 mm ist und der Mitte-zu-Mitte-Pitch des Arrays von zweiten Öffnungen kleiner als ungefähr 3 mm ist.
System nach Anspruch 1, wobei das System ferner eine Parallelogrammgestängeanordnung (144) umfasst, die das Kanalarray (126; 126'; 126'') für eine bogenförmige Hin- und Herbewegung zwischen einer angehobenen Position und einer abgesenkten Position umfasst.
System nach Anspruch 6, wobei das System ferner umfasst (i) ein Karussell (168), das für eine Rotation um eine Mittelachse ("A") ausgestaltet ist, wobei das Karussell (a) schwenkbar die Parallelogrammgestängeanordnung (144) für eine Radialbewegung hinsichtlich der Mittelachse des Karussells trägt, und (b) einen Substrathaltebereich (164) angrenzend der Parallelogrammgestängeanordnung aufweist; und (ii) eine stationäre Spur (174), die sich entlang, eines inneren Bereichs des Karussells erstreckt und eine kontinuierliche Lagerfläche (178) in mechanischer Kommunikation mit der Parallelogrammgestängeanordnung aufweist, wobei die Lagerfläche (a) eine Bereich aufweist, der in einem ersten Abstand (R1) von der Mittelachse und bei einer ersten vertikalen Höhe (H1) angeordnet ist, wobei das Kanalarray (126'') die abgesenkte Position über dem Substrathaltebereich einnimmt, und (b) einen Bereich aufweist, der in einem zweiten Abstand (R2) von der Mittelachse, der kleiner als der erste Abstand ist, und bei einer zweiten vertikalen Höhe (H2) angeordnet ist, die größer als die erste vertikale Höhe ist, wobei das Kanalarray die angehobene Position einnimmt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Substrat (122; 122'; 122''; 122''') um eine Mikrokarte handelt, die eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, die in einem Array angeordnet sind, das unter dem Array von kleinen Öffnungen ausgerichtet werden kann.
System nach Anspruch 8, wobei die Mikrokarte mit einem Paar von beabstandeten Indexlöchern (136, 138; 136'', 138''; 136''', 138''') bereitgestellt ist, wobei jedes mit einem jeweiligen Indexstift (132, 134; 132'', 134''; 132''', 134''') ausgerichtet werden kann, der von einer Unterseite des Kanalarrays (126, 126', 126'') runterhängt, wobei bei der Ineingriffnahme der Indexlöcher durch die Indexstifte im wesentlichen das Array von kleinen Öffnungen mit dem Array von Mikrokartenvertiefungen ausgerichtet wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionsmittel ein Detektionssystem umfassen, das ein Gesichtsfeld aufweist, das sich in jeden der Kanäle (128a–128f; 128a–128f; 128'') erstreckt, und das ausgestaltet ist, das Vorhandensein oder das Fehlen einer Kugel auf dem Substrat (122; 122'; 122''; 122''') unter jeder der kleinen Öffnungen zu erfassen.
System nach Anspruch 10, wobei das Detektionssystem umfasst: eine Strahlungsquelle (186, 186'), die ausgestaltet ist, das Substrat (122; 122'; 122''; 122''') an Stellen unterhalb von jeder der kleinen Öffnungen zu beleuchten, und eine Vielzahl von länglichen, lichtleitenden Fasern (202), wobei jede Faser (i) ein Ende aufweist, das angeordnet ist, um Licht aufzunehmen, das sich durch einen jeweiligen Kanal hoch fortpflanzt, und (ii) ein zweites Ende aufweist, das mit einer Kameravorrichtung (198, 198') kommuniziert.