DE60031506T2

DE60031506T2 - Fasermatrix zum zusammenbringen von chemischen stoffen, sowie verfahren zur herstellung und anwendung davon

Info

Publication number: DE60031506T2
Application number: DE60031506T
Authority: DE
Inventors: S. Charles Burlingame VANN; Tim San Mateo GEISER; J. Andrew San Carlos BLASBAND
Original assignee: Applera Corp
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2020-01-08
Also published as: EP1148947B1; JP2002540382A; AU772719B2; ATE343425T1; EP1148947A1; WO2000040334A1; AU2004203568A1; US6649404B1; US6635470B1; US6573089B1; CA2358566A1; DE60031506D1; JP4454155B2; US20030232381A1; US6982149B2; AU2722300A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Mikroanordnungen zum In-Kontakt-Bringen von kleinen Mengen an chemischen Stoffen und ein Verfahren zum Nachweisen des Bindens von zwei chemischen Stoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung Mikroanordnungen zum In-Kontakt-Bringen einer Oligonukleotidsonde mit einem Oligonukleotidziel.
Beschreibung des Stands der Technik
Gegenwärtig werden Mikroanordnungen für einen großen Bereich von Anwendungen wie Genentdeckung, Erkrankungsdiagnose, Arzneimittelentdeckung (Pharmacogenomics) und toxikologische Forschung (Toxicogenomics) verwendet. Eine Mikroanordnung ist eine systematische Anordnung von immobilisierten chemischen Verbindungen. Mikroanordnungen stellen ein Medium zum Übereinstimmen von bekannten und unbekannten DNA-Proben auf Basis von Basenpaar-Regeln bereit. Das typische Verfahren beinhaltet ein In-Kontakt-Bringen einer Anordnung von immobilisierten chemischen Verbindungen mit einem Ziel von Interesse zum Identifizieren derjenigen Verbindungen in der Anordnung, die an das Ziel binden. Anordnungen werden im Allgemeinen als Makroanordnungen oder Mikroanordnungen beschrieben, wobei der Unterschied die Größe der Probenpunkte ist. Makroanordnungen enthalten Probenpunktgrößen von etwa 300 Mikrons oder mehr, wohingegen Mikroanordnungen typischerweise einen Durchmesser von weniger als 200 Mikrons aufweisen und typischerweise Tausende von Punkten enthalten.
DNA-Mikroanordnungen oder DNA (Gen)-Chips werden typischerweise durch Hochgeschwindigkeitsroboter auf Glas- oder Nylonsubstraten gefertigt, für die Sonden mit bekannter Identität verwendet werden, um komplementäres Binden zu bestimmen. Eine „Sonde" ist eine gebundene Nukleinsäure mit bekannter Sequenz, wohingegen ein „Ziel" die freie Nukleinsäureprobe ist, deren Identität nachgewiesen werden soll.
Eine auf Anordnung basierende Anwendung, die miniaturisierte Anordnungen von sehr hoher Dichte benötigt, ist ein Sequenzieren durch Hybridisierung (SBH). Bei einem üblichen Format von SBH (Format II) wird eine räumlich adressierbare Anordnung des kompletten Satzes von Oligonukleotidsonden einer Länge n konstruiert. Die Oligonukleotidsonden sind typischerweise an ein flaches festes Substrat wie einen Glasobjektträger gebunden. Jede Adresse in der Anordnung weist ein einzigartiges daran gebundenes n-Mer auf und die Sequenz der Sonde ist durch ihre räumliche Adresse (xy-Koordinaten) definiert. Die Anordnung wird mit einer markierten Zielnukleinsäure unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die zwischen der Bildung von perfekt komplementären Sonde-Ziel-Hybriden und Hybriden mit Fehlpaarungen unterscheiden. Folglich erzeugen lediglich diejenigen Adressen der Anordnung, die daran Oligonukleotidsonden gebunden haben, die vollständig komplementär zu einem Teil der Zielnukleinsäure sind, ein Signal. Die Anordnung wird sodann hinsichtlich Signalen gescannt, die Sequenzen von komplementären Sonden werden aus deren räumlichen Adressen bestimmt und die Sequenz der Zielnukleinsäure wird durch Überlappen der gemeinsamen Sequenzen der Sonden bestimmt.
Zwei andere SBH-Formate kommen auch vor. Im Format I-SBH wird die Zielnukleinsäure auf einen festen Träger, z.B. einen Nylon- oder Nitrocellulosefilter, immobilisiert und das immobilisierte Ziel wird mit markierten Sonden abgefragt. Typischerweise wird das Ziel mit einer einzigen Sonde an einem Zeitpunkt oder alternativ dazu mit einer Vielzahl von Sonden abgefragt, wobei jede davon eine unterschiedliche unterscheidbare Markierung trägt (dieser letztere Modus wird als „Multiplexing") bezeichnet. Um die Anzahl von benötigten Manipulationen zu vermindern, kann die Zielnukleinsäure auf einen Filter in einem Gitter oder einer Anordnung aufgepunktet werden und jeder Punkt oder jede Adresse in der Anordnung kann mit einer einzigen Sonde oder einer Vielzahl von Multiplexsonden abgefragt werden.
In einem noch weiteren Format von SBH (Format III) wird eine Anordnung von immobilisierten Oligonukleotidsonden, die ähnlich zu denjenigen sind, die für das Format II-SBH verwendet werden, mit einer nicht-markierten Zielnukleinsäure unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die zwischen vollständig komplementären und fehlgepaarten Hybriden unterscheiden. Die Anordnung wird sodann mit einer markierten Sonde unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die zwischen vollständig komplementären und fehlgepaarten markierten Sonde-Ziel-Komplexen unterscheiden. Nach Hybridisierung wird die Anordnung Bedingungen unterzogen, die Sonden, die angrenzend zu dem Ziel (z.B. eine Ligase) hybridisieren, kovalent verbinden. Die nicht ligierte markierte Sonde und gegebenenfalls Zielnukleinsäure wird sodann weggewaschen. Die Anordnung wird sodann hinsichtlich eines Signals gescannt. Da die Lösungsphasen-Sonde markiert war, erzeugen lediglich diejenigen Adressen, bei denen Ligationen stattfanden, ein Signal. Die Sequenz der Zielnukleinsäure wird durch Überlappen der gemeinsamen Sequenzen der legierten Sonden bestimmt.
Für einen Überblick der drei Typen an SBH und deren entsprechenden Vorteilen vergleiche die US-PSen 5,202,231, 5,525,464, WO 98/31836, WO 96/17957 und die darin zitierten Referenzen.
Die Länge der Zielnukleinsäure, die unter Verwendung von SBH-Techniken sequenziert werden kann, hängt von den Längen der Oligonukleotidsonden ab. Im Allgemeinen benötigt ein Sequenzieren einer Zielnukleinsäure mit einer Länge von einigen 100 Nukleotiden, dass die Oligonukleotidsonden eine Länge von mindestens 8 Nukleotiden aufweisen. Ein Sequenzieren von längeren Zielnukleinsäuren oder ein Sequenzieren über Bereiche von Tandemwiederholungen benötigt sogar noch längere Sonden. Man hat abgeschätzt, dass ein Sequenzieren einer Zielnukleinsäure mit einer Länge von über 1000 Nukleotiden Oligonukleotidsonden mit einer Länge von mindestens 12 bis 14 Nukleotiden benötigen würde. Da die Verfahren die Verwendung von kompletten Sätzen an Sonden benötigen, d.h. jede mögliche Sequenz einer Länge n, sind die für das Verfahren benötigten Sondensätze äußerst groß. Zum Beispiel besteht der komplette Satz an 8-Mer-Sonden aus 4⁸ oder 65536 einzigartigen Sequenzen. Der komplette Satz an 10-Mer-Sonden besteht aus 4¹⁰ oder 1048576 einzigartigen Sequenzen und der komplette Satz an 14-Mer-Sonden besteht aus 4¹⁴ oder 268435456 einzigartigen Sequenzen. Um die Tests praktisch zu machen, muss die gesamte Sondenanordnung typischerweise eine Fläche in der Größenordnung von 1 cm² aufweisen.
Um die Bedürfnisse der Anwendungen zu erfüllen, die miniaturisierten Anordnungen hoher Dichte von immobilisierten Verbindungen benötigen, wie SBH und ihre verwandten Anwendungen, wurden zwei allgemeine Verfahren zum Synthetisieren der immobilisierten Anordnungen entwickelt: in situ-Verfahren, bei denen jede Verbindung in der Anordnung direkt auf der Oberfläche des Substrats synthetisiert wird, und Abscheidungsverfahren, bei denen vorsynthetisierte Verbindungen, die zum kovalenten Anbringen auf die Oberfläche des Substrats fähig sind, typischerweise mittels Roboterverteilungsvorrichtungen an den geeigneten räumlichen Adressen abgeschieden werden. Die in situ-Verfahren benötigen typischerweise spezialisierte Reagenzien und komplexe Maskierungsstrategien und die Abscheidungsverfahren benötigen typischerweise eine präzise Roboterzuführung von sehr definierten Mengen an Reagenzien.
Zum Beispiel beschreiben Fodor et al., 1991, Science 251: 767–773 ein in situ-Verfahren, das fotogeschützte Aminosäuren und fotolithografische Maskierungsstrategien verwendet, um miniaturisierte, räumlich adressierbare Anordnungen von Peptiden zu synthetisieren. Dieses in situ-Verfahren wurde kürzlich auf die Synthese von miniaturisierten Anordnungen von Oligonukleotiden erweitert (US-PS 5,744,305). Ein weiteres in situ-Syntheseverfahren zum Herstellen von räumlich adressierbaren Anordnungen von immobilisierten Oligonukleotiden ist von Southern, 1992, Genomics 13: 1008–1017, beschrieben; vgl. auch Southern & Maskos, 1993, Nucl. Acids Res. 21: 4663–4669, Southern & Maskos, 1992, Nucl. Acids Res. 20: 1679–1684, Southern & Maskos, 1992, Nucl. Acids Res. 20: 1675–1678. Bei diesen Verfahren werden herkömmliche Oligonukleotidsynthesereagenzien auf physikalisch maskierte Glasobjektträger verteilt, um die Anordnung von immobilisierten Oligonukleotiden zu erzeugen.
Die US-PS 5,807,522 beschreibt ein Abscheidungsverfahren zum Herstellen von Mikroanordnungen von biologischen Proben, das ein Verteilen eines bekannten Volumens an Reagenz an jeder Adresse der Anordnung durch Antippen eines Kapillarverteilers auf das Substrat unter Bedingungen beinhaltet, die wirksam sind, um ein definiertes Volumen an Flüssigkeit auf das Substrat zu ziehen.
Die WO 97/27324 betrifft eine wegwerfbare parallele Reaktionsvorrichtung und insbesondere beschreibt sie eine Kassette mit einem oder mehreren Nachweiskanälen, die aus Fasern hergestellt sind, an die Nachweis vermittelnde Moleküle gebunden sind und wobei Mikrokanäle zwischen den Fasern einer Flüssigkeit erlauben, durch den Nachweiskanal zu fließen.
Einer der größten Nachteile von sowohl den in situ- als auch Abscheidungsmikrofabrikationstechniken ist die Unfähigkeit, die Integrität der Anordnung, sobald er hergestellt worden ist, zu verifizieren. Abgesehen von einem Analysieren der an jeder Adresse immobilisierten Verbindung kann die Integrität der Abscheidungschemie nicht einfach verifiziert werden. Eine solche Analyse würde äußerst laborintensiv sein und kann sogar für Anordnungen mit äußerst hoher Dichte unmöglich sein, da die Menge an immobilisierter Verbindung für eine Analyse und anschließende Verwendung nicht ausreichend sein kann.
Außerdem ist, da jede Anordnung de novo hergestellt wird, die Integrität jeder synthetisierten Anordnung fehlerverdächtig. Ohne die Möglichkeit, zu verifizieren, dass die Anordnung mit hoher Genauigkeit hergestellt worden ist, kann das Fehlen eines Signals bei einer bestimmten Adresse nicht eindeutig interpretiert werden. Das Fehlen eines Signals könnte auf eine fehlgeschlagene Synthese oder Immobilisierung an dieser Adresse zurückzuführen sein.
Abscheidungsverfahren leiden auch an zusätzlichen Nachteilen. Eine automatische Abscheidung verwendet im Allgemeinen ein Roboterflüssigkeitszuführsystem. Der Roboter bewegt sich zu spezifischen Platzierungen auf der Mikrokarte, wobei eine spezifische Menge an Flüssigkeit abgegeben wird. Die Flüssigkeit wird auf die Mikrokarte entweder durch einen Nichtkontaktejektor (wie Tintenstrahldüsen) oder einen Kontaktejektor (wie einen Stift, eine Feder oder Faser) abgeschieden, der tatsächlich die Mikrokartenoberfläche berührt, um die Flüssigkeit freizusetzen. Tintenstrahler, Stifte und Federn sind Anpassungen von herkömmlichen Vorrichtungen und jede weist Verlässlichkeitsprobleme auf. Tintenstrahler arbeiten gut, wenn die Flüssigkeit sorgfältig an die Düse optimiert wurde. Jedoch ist, wenn viele verschiedene Flüssigkeiten durch die gleiche Düse abgeschieden werden, eine Optimierung jeder Flüssigkeit unpraktisch. Stifte und Federn sind für eine Abscheidung auf eine kleine Anzahl von Platten sehr nützlich, aber zu langsam für eine kosteneffektive Produktion. Während ein Faserkolbenzuführsystem als ein verlässliches Mittel einer Flüssigkeitsabscheidung vielversprechend ist, benötigt es eine unhandliche Anzahl von Fasern für eine sehr große Anzahl von Reaktionsstellen.
Zusätzlich zu Problemen mit der Verlässlichkeit von Ejektoren erhöht die Gesamtzeit zum Abscheiden von Tausenden von unterschiedlichen Sondenflüssigkeiten mit bestehenden automatisierten Ejektorvorrichtungen, die Kosten einer Mikrokarte über die Kosten von anderen Ansätzen, d.h. das automatisierte Verfahren ist nicht kosteneffektiv. In gewisser Weise überraschend ist dies nicht auf die Geschwindigkeit einer Flüssigkeitsabscheidung durch den Roboter zurückzuführen, die relativ schnell ist. Eher ist es die Kombination von anderen Online-Verfahren wie der Dochteffekt, Reinigen und Befüllen von Objektträgern, das die Gesamtabscheidungszeit nicht akzeptabel macht. Tausende von unabhängigen Sondenflüssigkeiten zu haben bedeutet, dass der Roboter lediglich wenige Punkte auf einen Objektträger (unter der Annahme einer gewissen Verdopplung) abscheiden kann, bevor er eine weitere Sondenflüssigkeit in die Reservoirs seines Ejektors oder seiner Feder laden (benetzen) muss. Ein Benetzen schließt gewöhnlich ein Bereitstellen eines offenen Gefäßes mit der Sondenflüssigkeit derart ein, dass der Roboter den Injektor/die Feder in die Flüssigkeit bewegen und die Flüssigkeit durch Vakuum oder Kapillarwikung in ein Reservoir in dem Injektor/der Feder laden kann. Dieses Verfahren kann mehrere Sekunden dauern und muss durchgeführt werden, wann immer eine neue Sondenflüssigkeit abgeschieden wird. Auch vor einem Einbringen einer neuen Sondenflüssigkeit muss der Ejektor/die Feder gereinigt werden, um eine Kontaminierung der neuen Sondenflüssigkeit mit der vorhergehenden zu verhindern. Dieses Reinigen schließt gewöhnlich ein Spülen des Ejektors/der Feder mit einem Reinigungslösungsmittel und Trocknen derselben mit einem Fließgas ein. Das Reinigungsverfahren kann auch mehrere Sekunden dauern und muss durchgeführt werden, wann immer eine neue Sondenflüssigkeit abgeschieden wird. Ferner trägt das Beladen (und Entladen) von Objektträgern in den Arbeitsbereich des Roboters auch zu der Gesamtprozessierungszeitspanne bei. Da Benetzen, Reinigen und Beladen Online-Verfahren sind, tragen sie zu der Gesamtzeitspanne einer Abscheidung bei. Ein Bepunkten vieler Objektträger an einen Zeitpunkt verbessert die Roboterabscheidungszeitspanne, aber benötigt immer noch die gleiche Benetzungs- und Reinigungszeitspanne vor einem Abscheiden einer unterschiedlichen Flüssigkeit. Folglich machen die Benetzungs-, Reinigungs- und Beladungszeitspanne das Verfahren zu zeitintensiv und teuer, um es als eine praktikable Alternative zu betrachten.
Dementsprechend sind weder in situ- noch bestehende automatisierte Ansätze ein verlässliches oder kosteneffektives Mittel einer Massenproduktion von Mikroanordnungen. Folglich besteht ein Bedarf für Verfahren zum Herstellen von Mikroanord nungen, die die Probleme, die mit gegenwärtig erhältlichen in situ- und Ablagerungsverfahren assoziiert sind, vermeiden und die eine Matrix oder eine Anordnung von Kontaktpunkten zum In-Kontakt-Bringen von kleinen Mengen mindestens zweier chemischer Stoffe bereitstellen. Ferner besteht ein Bedarf für eine vorteilhaftere Struktur für die Mikroanordnungen, die eine erhöhte Anzahl von Mischpunkten als auch eine verbesserte Kontakteffizienz zwischen den chemischen Stoffen bereitstellen kann.
Maschinen zum Synthetisieren von chemischen Ketten oder Verbindungen auf einem festen Substrat sind seit vielen Jahren vorhanden. Typischerweise stellen solche Synthesizer Oligonukleotide durch Hinzufügen eines Phosphoramidits (Base) an einem Zeitpunkt auf feste Kügelchen her. Die Basen, A, T, C oder G, sind in eine Kette der gewünschten Sequenz und Länge aneinandergereiht. Das Verfahren eines Hinzufügens dieser Basen kann von Hersteller zu Hersteller variieren. Das feste Substrat ist gewöhnlich eine Charge von kleinen Polystyrol- oder Glaskügelchen (typischerweise mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm). Eine Vielzahl von Kügelchen wird in einen Behälter gegeben und Flüssigkeiten werden durch die Kügelchen durchgeleitet. Das Verfahren umfasst gewöhnlich ein Zusetzen dieser Basen durch das nachstehende Verfahren (1) Detritylierung, (2) Zuführen der Base A, T, C oder G, (3) Zusetzen eines Aktivators, (4) Zuführen des Cappingmittels A und B, (5) Waschen mit einem ersten Lösungsmittel, (6) Zuführen eines Oxidationsmittels und (7) Waschen mit einem zweiten Lösungsmittel. Dieses Verfahren fügt eine Base an die Kügelchen hinzu und wird für jede gewünschte Base wiederholt. Die einzige Verfahrensvariable ist die Base A, T, C oder G, die durch die gewünschte Verbindung oder Kette bestimmt wird. Nach Hinzufügen aller gewünschten Basen werden die Oligos von den Kügelchen durch eine Ammoniaklösung abgespalten (abgetrennt). Ein Extraktionsverfahren wie Hochdruck-Flüssigchromatographie (HPLC) trennt die Oligos von dem Ammoniak und reinigt sie. Das endgültige Oligoprodukt liegt in einer flüssigen Form vor, die oft vor einer Verwendung oder einem Verkauf markiert und gelagert wird. Der Anwender, typischerweise unter Verwendung eines Roboters, muss sodann einen weiteren Satz an Schritten durchführen, um die flüssigen Oligos auf ein festes Substrat für Analysezwecke abzuscheiden und zu immobilisieren.
Der Nachteil mit bestehenden Synthesizern liegt darin, dass das Endprodukt oft nicht anwendungsbereit ist. Das Produkt liegt in einer flüssigen Form vor, die typischerweise inventarisiert, gelagert und gewöhnlich erneut auf ein anderes Substrat wie eine Titerplatte oder ein Mikroobjektträger, aufgetragen werden muss, um ana lysiert zu werden. Ein effizienteres Verfahren würde dasjenige sein, das die Oligos auf dem gleichen Substrat, das letztendlich analysiert wird, synthetisiert. Ferner könnte, falls das Syntheseverfahren derart automatisiert werden kann, dass das Substrat kontinuierlich durch die Lösung zugeführt werden kann, eher als die Lösung durch das Substrat zugeführt wird, das synthetisierte Produkt direkt auf der Analysevorrichtung ohne den Bedarf für eine Inventarisierung, Lagerung oder erneute Auftragung platziert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird eine Vorrichtung (Faseranordnung) zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe bereitgestellt, umfassend eine Trägerplatte, die einen Kanal zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes umfasst, und eine Faser, auf der ein oder eine Vielzahl von chemischen Stoffen immobilisiert ist, wobei die Faser auf der Trägerplatte derart angeordnet ist, dass mindestens ein Teil der Faser dem Kanal ausgesetzt ist, dadurch charakterisiert, dass die Faser senkrecht zu dem Kanal angeordnet ist.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ferner eine Vorrichtung (Faserradmischvorrichtung) zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe bereitgestellt, umfassend ein Rad mit einer Umfangsseitenwand, einen immobilisierten chemischen Stoff, der auf der Umfangsseitenwand angeordnet ist, und einen Behälter zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes und mindestens eines Teils der Umfangsseitenwand, wodurch der immobilisierte chemische Stoff den mobilen chemischen Stoff kontaktiert, wobei der immobilisierte chemische Stoff auf mindestens einer Faser angeordnet ist, die auf der Umfangsseitenwand angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Faserradmischvorrichtung stellt ein Niedrigkostenverfahren zum In-Kontakt-Bringen zweier oder mehrerer chemischer Stoffe dar. Jedes Rad kann Hunderte bis Tausende von Fasersegmenten beinhalten, was Hunderte bis Tausende Mischpunkte bereitstellt. Durch Herstellen und Lagern solcher Räder im Voraus kann eine kundenspezifische Faserradmischvorrichtung schnell hergestellt werden, um Hunderttausende bis eine Million von Mischpunkten oder mehr bereitzustellen. Diese Art an Massenkontaktvorrichtungen stellt einen signifikant erhöhten Durchsatz gegenüber typischen herkömmlichen Punkttechniken bereit. Der Durchsatz würde auch linear mit der Länge der Faser und der Anzahl von auf je dem Rad angeordneten Fasern zunehmen. Ferner können unter Verwendung vieler Räder viele Proben gleichzeitig gemischt und getestet werden. Da die Prozessierungszeitspanne für viele Proben nicht wesentlich größer ist als diejenige zum Prozessieren einer einzigen Probe können die Laborkosten pro Probe auch vermindert werden.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Nachweisen des Bindens zweier chemischer Stoffe bereitgestellt, umfassend die Schritte eines Richtens von Strahlung auf eine Faser, die in einem Träger, der eine Vielzahl von im Wesentlichen zueinander parallelen Fasern hält und eine Vielzahl von den wesentlich zueinander parallel angeordneten Kanälen zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes aufweist, derart positioniert ist, dass eine jegliche Faser in Flüssigkeitskontakt mit dem mobilen chemischen Stoff steht, wobei die Faser einen immobilisierten chemischen Stoff aufweist, der mit dem mobilen chemischen Stoff in Kontakt gebracht wurde, und Nachweisen von Anregungsstrahlung, die von dem chemischen Stoff emittiert wird, der an dem immobilisierten chemischen Stoff gebunden ist, dadurch charakterisiert, dass die Vielzahl von Fasern senkrecht zu der Vielzahl von Kanälen positioniert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 29, 31 bis 40 und 42 bis 46 definiert.
Eine Vorrichtung zum Synthetisieren einer chemischen Verbindung auf einer Faser umfasst mindestens eine Abscheidungsvorrichtung, die zum Abscheiden eines Vorläufers eines chemischen Stoffes auf einer Faser fähig ist, einen Transporter, der die Faser und den Vorläufer des chemischen Stoffs zueinander näher bringt, derart, dass der Vorläufer des chemischen Stoffs auf die Faser abgeschieden wird, und eine Auswahlvorrichtung zum Steuern der Reihenfolge, in der jeder einer Vielzahl von Vorläufern von chemischen Stoffen auf die Faser abgeschieden wird, wodurch ein vorherbestimmter chemischer Stoff auf der Faser synthetisiert wird.
Andere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich werden, aus der die bevorzugten Ausführungsformen genau zusammen mit den begleitenden Zeichnungen dargelegt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
2 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 2-2 der erfindungsgemäßen Faseranordnungen von 1.
3 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 3-3 der erfindungsgemäßen Faseranordnungen von 1.
4 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
5 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 5-5 der erfindungsgemäßen Faseranordnung von 4.
6 ist eine Schnittzeichnung einer weiteren Ausführungsform der Faseranordnung 10A von 4.
7 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 6-6 der erfindungsgemäßen Faseranordnung von 4.
8 ist eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Bewegen der Flüssigkeit durch die Kanäle einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
9 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
10 ist eine Schnittzeichnung einer Flüssigkeitsabgabevorrichtung für eine Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
11A ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer noch weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
12 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Faseranordnungs-Auslesegeräts zur erfindungsgemäßen Verwendung.
13 ist eine schematische Darstellung der Schnittstelle zwischen der Strahlungsquelle und der in 12 gezeigten Faser.
14 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vielzahl von Kanälen, die in einer erfindungsgemäßen Faseranordnung verwendet wird.
15 ist eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vielzahl von Kanälen, die in einer erfindungsgemäßen Faseranordnung verwendet wird.
16 ist eine Seitenansicht der in 15 gezeigten Ausführungsform.
17 ist eine weitere Ausführungsform eines Faseranordnungslesegeräts für eine erfindungsgemäße Verwendung.
18 ist eine noch weitere Ausführungsform eines Faseranordnungslesegeräts für eine erfindungsgemäße Verwendung.
19 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
20 ist eine perspektivische Ansicht eines Rads gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
21 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinders gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
22 ist eine Schnittzeichnung eines Rades gekoppelt an eine Radrotationsvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
23 ist eine Schnittzeichnung eines Behälters gekoppelt an eine Behälterrotationsvorrichtung für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
24 ist eine Schnittzeichnung eines Flüssigkeitszufuhrsystems für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
25 ist eine Schnittzeichnung eines Faserradmischsystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
26 ist eine Draufsicht des Faserradmischsystems von 25.
27 ist ein Strahlungsevaluationssystem für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
28 ist eine weitere Ausführungsform des Strahlungsevaluationssystems von 27.
29 ist eine noch weitere Ausführungsform eines Strahlungsevaluationssystems für eine erfindungsgemäße Verwendung.
30 ist eine Schnittzeichnung einer weiteren Ausführungsform eines Faserradmischsystems, einschließlich einer erfindungsgemäßen Radanordnung und eines erfindungsgemäßen Multihohlraumbehälters.
31 ist eine weitere Schnittzeichnung des Faserradmischsystems von 30.
32 zeigt eine Ausführungsform zum Herstellen einer Faser zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Faseranordnung.
33 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Herstellung einer Faser zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Faseranordnung.
34 ist eine Diagrammzeichnung eines multiplikativen Faseranordnungssynthesegeräts.
35 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen.
36 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen.
37 ist eine Seitenansicht einer noch weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen.
38 ist eine perspektivische Ansicht eines multiplikativen Faseranordnungssynthesegeräts.
39 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der in 38 dargestellten Faserschneidevorrichtung.
40 ist eine Seitenansicht des in 38 dargestellten Beschichtungsmoduls.
41 ist eine Seitenansicht der in 38 dargestellten gestapelten Beschichtungsmodule.
42 ist eine vergrößerte Seitenansicht des in 38 dargestellten Entschützungsmoduls.
43 ist eine vergrößerte Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Beschichtungsmoduls für eine erfindungsgemäße Verwendung, und
44 ist eine perspektivische Ansicht der in 43 dargestellten Ausführungsform.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die erfindungsgemäße Faseranordnung stellt ein einfaches und verlässliches System zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe bereit. Durch die Verwendung von Fasern stellen die erfindungsgemäßen Faseranordnungen Myriaden von Vorteilen gegenüber gegenwärtig erhältlichen Mikroanordnungen bereit. Zum Beispiel können Fasern, auf die ein oder eine Vielzahl von chemischen Stoffen immobilisiert sind, vorher hergestellt und gelagert werden, wodurch eine schnelle Fertigung von kundenspezifischen Anordnungen ermöglicht wird. Signifikanterweise können kundenspezifische Anordnungen, die verschiedene Arten von chemischen Stoffen umfassen, genauso zweckmäßig und schnell hergestellt werden wie Anordnungen, die aus einer einzigen Art an chemischem Stoff bestehen.
Außerdem stellen die erfindungsgemäßen Anordnungen eine Verlässlichkeit bereit, die im Stand der Technik unerreichbar ist. Für die vorstehend beschriebenen herkömmlichen ist ein Verifizieren der Integrität der Anordnung vor einer Verwendung nahezu unmöglich – chemische Stoffe, die an jedem Punkt in der Anordnung immobilisiert sind, müssten einzeln analysiert werden – eine Aufgabe, die sehr laborintensiv sein würde und angesichts der kleinen Mengen an chemischen Stoffen, die an einem Punkt immobilisiert sind, sogar unmöglich sein könnte. Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen kann die Integrität der chemischen Stoffe, die auf einer Faser immobilisiert sind, durch einfaches Analysieren eines kleinen Teils der gesamten Faser bestimmt werden. Folglich wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von Fasern zum ersten Mal die Fähigkeit bereitgestellt, Anordnungen von wenigen bis vielen wie Tausenden, Millionen oder sogar Milliarden an immobilisierten Verbindungen schnell, reproduzierbar und mit einem Grad an Genauigkeit zu erstellen, der im Stand der Technik beispiellos ist.
Zusätzlich vermeidet, da die Chemie eines Herstellens einer Anordnung im Voraus durchgeführt werden kann, die erfindungsgemäße Faseranordnung ein Benetzen, Aufreinigen und Online-Beladen, die mit Immobilisieren der Chemikalie mit gegenwärtigen Abscheidungsverfahren assoziiert sind.
Eine Konstruktion der Faseranordnung ist relativ einfach. Das Platzieren der Faser auf der Anordnung ist im Allgemeinen lediglich in einer Richtung empfindlich, da jede Faser überall entlang ihrer Achse platziert werden kann. Ein Bepunkten einer Mikroanordnung benötigt jedoch die Handhabung von Tausenden von Tropfen, die an sehr spezifischen Stellen, die durch zwei Dimensionen definiert werden, platziert werden müssen. Ferner kann ein Bepunkten zu einer Verunreinigung zwischen Kontaktpunkten führen, während Fasern, die jeweils darauf unterschiedliche chemische Stoffe immobilisiert haben, nebeneinander mit einem verminderten Potential einer solchen Verunreinigung platziert werden können. In situ-Verfahren benötigen die Entwicklung von spezialisierten Chemien und/oder Maskierungsstrategien. Dagegen leiden die erfindungsgemäßen Anordnungen nicht an solchen Nachteilen. Sie können bekannte Chemien ausnutzen und benötigen keine Abscheidung von genauen Volumina von Flüssigkeiten bei definierten xy-Koordinaten. Die Größe der erfindungsgemäßen Faseranordnung ermöglicht auch eine große Anzahl von Kontaktpunkten mit einer relativ kleinen Anordnung, wodurch die Herstellungskosten der Anordnung vermindert werden. Die erfindungsgemäße Faseranordnung stellt auch eine große Anzahl von Kontaktpunkten ohne den Bedarf für eine signifikante Duplikation bereit.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Faseranordnung ermöglicht dem ersten chemischen Stoff, leicht in Kanäle in der Anordnung verteilt zu werden, um die Fasern zu kontaktieren. Zusätzlich können unterschiedliche chemische Stoffe in jeden der Kanäle verteilt werden, was ermöglicht, dass jeder Kontaktpunkt einzigartig ist. Ferner stellen bevorzugte erfindungsgemäße Faseranordnungen ein relativ hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bereit, da die Verwendung von Fasern mit optischen Eigenschaften eine gesteuerte Belichtung der Kontaktpunkte ermöglicht. Die erfindungsgemäße Faseranordnung ist insbesondere zum Durchführen von Nukleinanordnung-durch-Hybridisierung-Tests für Anwendungen wie Sequenzierung durch Hybridisierung und Nachweis von Polymorphismen, neben anderen, geeignet.
1–3 sind verschiedene Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung. 1 ist eine Draufsicht einer Faseranordnung 100, die eine Trägerplatte 102, ein Paar an Begrenzungswände 104, 202 und eine Vielzahl von Kanalwänden 106 umfasst, die sich von einem Ende der Trägerplatte 102 zu dem gegenüberliegenden Ende erstrecken. Die Kanalwände 106 bilden eine Vielzahl von Kanälen 108, die sich auch von einem Ende der Trägerplatte 102 zu dem gegenüberliegenden Ende erstrecken, zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einem chemischen Stoff von Interesse. Vorzugsweise sind die Kanalwände 106 und die Kanäle 108 im Wesentlichen parallel.
Die Faseranordnung 100 umfasst ferner eine Vielzahl von Fasern 110, auf die jeweils ein chemischer Stoff von Interesse immobilisiert ist, der mit dem in den Kanälen 108 verteilten chemischen Stoffen in Kontakt gebracht werden soll. Die Fasern 110 sind auf der Vielzahl von Kanalwänden 106 derart angeordnet, dass jede Faser 110 physikalisch von jeder angrenzenden Faser 110 getrennt ist. Die Fasern 110 werden in einer Position im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu den Kanälen derart platziert, dass ein Teil jeder Faser 110 in Flüssigkeitskontakt mit der Flüssigkeit in jedem Kanal 108 steht. Diese Anordnung von Fasern 110 relativ zu den Kanälen 108 erzeugt effektiv eine Matrix oder eine Anordnung von Kontaktpunkten 112 oder Mischpunkten zwischen den chemischen Stoffen in der Flüssigkeit in jedem der Kanäle 108 und den chemischen Stoffen, die auf jeder Faser 110 immobilisiert sind.
2 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 2-2 der 1 der erfindungsgemäßen Faseranordnung 100. Die Kanalwände 106 sind derart entworfen, um die Fasern 110 aufzunehmen. Wie gezeigt, weisen die Kanalwände 106 eine Furche 200 am oberen Ende der Kanalwände 106 auf, um die Fasern 110 aufzunehmen. Dies ermöglicht den Fasern 110, in die Kanäle 108 hineinzuragen, um einen direkten Kontakt zwischen mindestens einem Bodenteil einer jeglichen der Fasern 110 und der Flüssigkeit in den Kanälen 108 bereitzustellen. Der Fachmann würde erkennen, dass eine unterschiedliche Geometrie für die Furche 200 verwendet werden kann, basierend auf der Geometrie der Fasern 110.
3 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie 3-3 der 1 der erfindungsgemäßen Faseranordnung 100. Die Kanäle 108 werden durch die Kanalwände 106 und das obere Ende der Trägerplatte 102 ausgebildet und erstrecken sich entlang der Trägerplatte 102, bis sie durch die Endwände 104, 202 begrenzt werden. Wieder wird ein Bodenteil einer jeglichen Faser 110 einem jeglichen Kanal 108 derart ausgesetzt, dass ein Platzieren einer Flüssigkeit in dem Kanal 108 zu einem Kontakt zwischen dem chemischen Stoff in der Flüssigkeit und im chemischen Stoff, der auf jeder der Fasern 110 immobilisiert ist, führen wird.
Die Trägerplatte 102, die Endwände 104, 202 und die Kanalwände 106 können aus einem jeglichen Material hergestellt sein, das im Wesentlichen inert gegenüber den chemischen Stoffen von Interesse ist. Der Fachmann würde fähig sein, ein geeignetes Material für diese Merkmale auszuwählen. In einer Ausführungsform können die Trägerplatte 102, die Endwände 104, 202 und die Kanalwände 106 aus einem hydrophoben Material hergestellt sein, um ein Durchsickern einer Flüssigkeit durch die Kanalwände 106 zu vermindern, wodurch lediglich die Fasern 110 benetzt werden und die Menge an benötigter Flüssigkeit vermindert wird. Es sollte anerkannt werden, dass die Dimensionen der Trägerplatte 102, der Endwände 104, 202 und der Kanalwände 106, einschließlich der Anzahl von Kanälen 108, verändert werden können, abhängig von der Größe der gewünschten Anordnung und der Menge an Flüssigkeit, die zum Verteilen in den Kanälen 108 zur Verfügung steht. Jedoch ist es wichtig, die Höhe der Kanalwände 106, die Furchen 200 und den Abstand zwischen den Kanalwänden 106 in relativen Proportionen derart beizubehalten, um ein ausreichendes Aussetzen der Oberfläche der Fasern 110 gegenüber der Flüssigkeit in den Kanälen 108 zu gewährleisten. Ferner sollte anerkannt werden, dass die Dicke der Kanalwände 106 auch geändert werden kann, um die Gesamtgröße der Faseranordnung 100 zu optimieren. Ohne die Dimensionen einer Anordnung, die er findungsgemäß hergestellt werden könnte, zu begrenzen, können typische Dimensionen für die Trägerplatte von 1 cm bis 1000 cm reichen. Die Dicke der Kanalwände kann von 10 μm bis 1000 μm reichen und die Kanalbreite kann von 10 μm bis 1000 μm reichen. Die Höhe der Kanalwände kann von 10 μm bis 1000 μm reichen.
Die Faser 110 kann aus nahezu jeglichem Material oder einem Gemisch von Materialien zusammengesetzt sein, das zum Immobilisieren des spezifischen Typs an chemischen Stoff geeignet ist. Zum Beispiel kann, wie es im Zusammenhang mit 12 beschrieben werden wird, die Faser ein elektrisch leitfähiger Draht sein. Alternativ dazu kann die Faser eine optische Faser sein. Außerdem soll die Verwendung des Begriffs „Faser" keine Begrenzung hinsichtlich ihrer Zusammensetzung oder ihrer Konstruktionsmaterialien oder Geometrie implizieren. Vorzugsweise wird die Faser 110 unter den Bedingungen, die zum Immobilisieren des chemischen Stoffs verwendet werden, oder unter den gewünschten Testbedingungen nicht schmelzen, nicht degenerieren oder anderweitig sich verschlechtern. Zusätzlich sollte die Faser 110 aus einem Material oder einem Gemisch von Materialien zusammengesetzt sein, das nicht einfach den immobilisierten chemischen Stoff unter den gewünschten Testbedingungen freisetzt. Die tatsächliche Wahl eines Materials wird von, neben anderen Faktoren, der Identität des immobilisierten chemischen Stoffes und der Art an Immobilisierung abhängen und wird dem Fachmann ersichtlich sein.
Wie es genauer im Zusammenhang mit der Herstellung der Faser 110 nachstehend beschrieben werden wird, ist in Ausführungsformen, die eine kovalente Anbindung des chemischen Stoffes verwenden, die Faser 110 vorzugsweise aus einem Material oder einem Gemisch von Materialien aufgebaut, das leicht mit reaktiven Gruppen aktiviert oder derivatisiert werden kann, die zum Bewirken einer kovalenten Anbindung geeignet sind. Nichtbegrenzende Beispiele von geeigneten Materialien beinhalten Acryl-, Styrol-Methylmethacrylat-Copolymere, Ethylen/Acrylsäure, Acrylonitril-Butadien-Styrol (ABS), ABS/Polycarbonat, ABS/Polysulfon, ABS/Polyvinylchlorid, Ethylenpropylen, Ethylen-Vinylacetat (EVA), Nitrocellulose, Nylon-Arten (einschließlich Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 6/6-6, Nylon 6/9, Nylon 6/10, Nylon 6/12, Nylon 11 und Nylon 12), Polyacrylonitril (PAN), Polyacrylat, Polycarbonat, Polybutylen-Terephthalat (PBT), Polyethylen-Terephthalat (PET), Polyethylen (einschließlich Güten mit niedriger Dichte, linearer niedriger Dichte, hoher Dichte, vernetzte Güten und Güten mit ultrahohem Molekulargewicht), Polypropylen-Homopolymer, Polypropylen-Copolymere, Polystyrol (einschließlich Güten eines allgemeinen Zwecks und Gü ten mit hoher Schlagzahl), Polytetrafluorethylen (PTFE), fluoriertes Ethylen-Propylen (FEP), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Perfluoralkoxyethylen (PFA), Polyvinylfluorid (PVA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Polyethylen-Chlortrifluorethylen (ECTFE), Polyvinylalkohol (PVA), Siliziumstyrol-Acrylonitril (SAN), Styrolmaleinsäureanhydrid (SMA), Metalloxide und Glas.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Faser 110 eine optische Faser. Die optische Faser weist einen Durchmesser von typischerweise etwa 10 μm bis 1000 μm auf und kann aus nahezu jeglichem Material bestehen, sofern es ein optischer Leiter bei der Wellenlänge von Interesse ist. Zum Beispiel kann die optische Faser ein organisches Material wie Polymethacrylat, Polystyrol, Polymethylphenylsiloxan oder deuteriertes Methylmethacrylat sein oder es kann ein anorganisches Material wie Glas sein. In bestimmten erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann ein Lichtstrahl, der durch eine solche optische Faser gerichtet wird, verwendet werden, um die Wechselwirkung zwischen dem chemischen Stoff in der Flüssigkeit und dem chemischen Stoff auf den Fasern nachzuweisen und/oder zu quantifizieren (nachstehend beschrieben).
Es sollte anerkannt werden, dass jegliche Faser 110 tatsächlich einen unterschiedlichen chemischen Stoff oder eine Vielzahl von chemischen Stoffen an unterschiedlichen Positionen entlang der Faser 110 oder in vielen Schichten auf der Faser 110 enthalten kann. Folglich wird die Herstellung einer jeglichen Faser 110 und die Immobilisierung der gewünschten chemischen Stoffe darauf variieren, abhängig von der verwendeten Art an Faser 110, der Art an Immobilisierung und der Identität des chemischen Stoffes. Verschiedene Verfahren zum Herstellen von Fasern, auf die eine Vielzahl von chemischen Stoffen immobilisiert wurde, werden genau in einem späteren Abschnitt beschrieben.
Die Anzahl von Fasern 110, umfassend die Faseranordnung 100, wird variieren, abhängig von der Größe der gewünschten Matrix oder der Anzahl von unterschiedlichen chemischen Stoffen, die wünschenswerter Weise mit den chemischen Stoffen in den Kanälen 108 umgesetzt werden sollen. Die Fasern 110 können nahezu eine jegliche Länge aufweisen. Jedoch sollte die Länge vorzugsweise ausreichend sein, um alle Kanäle 108 zu überspannen. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass die Fasern 110 tatsächlich eine jegliche Länge, einen jeglichen Durchmesser oder eine jegliche Form aufweisen können.
Im allgemeinen Betrieb und in der allgemeinen Verwendung der Faseranordnung 100 wird eine Flüssigkeit mit einem chemischen Stoff von Interesse in die Kanäle 108 verteilt. Die Flüssigkeit kann unter Verwendung eines jeglichen Verfahrens, das im Stand der Technik zum Verteilen einer Flüssigkeit bekannt ist, wie Pumpen, Ansaugen, Schwerkraftfluss, elektrisches Pulsen, Unterdruck oder Ansaugen, Kapillarwirkung oder Elektroosmose, verteilt werden. (Eine Vorrichtung zum Verteilen einer Flüssigkeit auf die Faseranordnung 100 ist nachstehend im Zusammenhang mit 10 beschrieben). Ausreichend Flüssigkeit wird verteilt, um einen Kontakt zwischen einem Teil einiger oder aller Fasern 110 zu gewährleisten. Die Faser wird mit der Flüssigkeit unter Bedingungen und für eine Zeitspanne in Kontakt gebracht, die eine Wechselwirkung zwischen zwei chemischen Stoffen fördern. In Fällen, bei denen ein Überschuss an chemischen Stoff in der Flüssigkeit mit dem Nachweis der Wechselwirkung stört, kann die Flüssigkeit entfernt werden und die Fasern können gegebenenfalls vor einem Nachweis gewaschen werden. Die Wechselwirkung, falls vorhanden, zwischen dem chemischen Stoff in der Flüssigkeit und dem auf den Fasern 110 wird sodann an einem oder mehreren Kontaktpunkten 112 analysiert.
In einigen Fällen wie Tests, die eine Hybridisierung von Nukleinsäuren beinhalten, kann es erwünscht sein, die Temperatur der Faseranordnung während des Tests zu steuern. Dies kann durch Verwenden einer Vielzahl von herkömmlichen Mitteln erreicht werden. Zum Beispiel kann, falls die Vorrichtung für einen geeigneten Leiter, wie eloxiertes Aluminium, konstruiert ist, die Vorrichtung mit einer geeignet gesteuerten externen Wärmequelle in Kontakt gebracht werden. In diesem Fall würde die Faseranordnung im Wesentlichen als ein Wärmeblock fungieren. Alternativ dazu könnten die Kanäle 108 mit Heizgeräten und Thermoelementen ausgestattet sein, um die Temperatur der in den Kanälen verteilten Flüssigkeit zu steuern.
Das Verfahren, durch das die Wechselwirkung analysiert wird, wird von der spezifischen Anordnung abhängen. Zum Beispiel kann, wenn die zwei chemischen Stoffe jeweils ein Mitglied eines bindenden Paars von Molekülen bilden (z.B. ein Ligand und sein Rezeptor oder zwei komplementäre Polynukleotide), die Wechselwirkung zweckmäßig durch Markieren eines Mitglieds des Paars, typischerweise des chemischen Stoffs in Lösung, mit einer Gruppe, die ein nachweisbares Signal nach Binden erzeugt, analysiert werden. Lediglich diejenigen Kontaktpunkte 112, bei denen eine Bindung stattgefunden hat, werden ein nachweisbares Signal erzeugen.
Eine jegliche Markierung, die zum Erzeugen eines nachweisbaren Signals fähig ist, kann verwendet werden. Solche Markierungen beinhalten in nicht begrenzender Weise Radioisotope, Chromophore, Fluorophore, Lumophore, chemilumineszente Gruppen, etc. Die Markierung kann auch eine Verbindung sein, die zum Erzeugen eines nachweisbaren Signals fähig ist, wie ein Enzym, das zum Katalysieren z.B. einer lichtimitierenden Reaktion oder einer colorimetrischen Reaktion fähig ist. Vorzugsweise ist die Markierung eine Gruppe, die zum Absorbieren oder Emittieren von Strahlung fähig ist, wie ein Chromophor oder ein Fluorophor.
Alternativ dazu sind beide chemische Stoffe nicht markiert und deren Wechselwirkung wird indirekt mit einer Reportergruppe analysiert, die spezifisch die Wechselwirkung nachweist. Zum Beispiel könnte ein Binden zwischen einem immobilisierten Antigen und einem ersten Antikörper (oder umgekehrt) mit einem markierten zweiten Antikörper analysiert werden, der spezifisch für den Komplex aus Antigen und ersten Antikörper ist. Für Polynukleinsäuren könnte die Anwesenheit von Hybriden durch interkalierende Farbstoffe wie Ethidiumbromid, die spezifisch für doppelsträngige Nukleinsäuren sind, nachgewiesen werden.
Der Fachmann wird erkennen, dass die vorstehend beschriebenen Arten eines Nachweisens einer Wechselwirkung zwischen zwei chemischen Stoffen bei einem Kontaktpunkt lediglich beispielhaft sind. Andere Verfahren zum Nachweisen von Myriaden von Arten von Wechselwirkungen zwischen chemischen Stoffen sind bekannt und können leicht verwendet oder für eine Verwendung mit den erfindungsgemäßen Faseranordnungen angepasst werden.
Es sollte anerkannt werden, dass da ein jeglicher Kanal 108 flüssigkeitsisoliert von jedem anderen Kanal 108 ist, ein unterschiedlicher chemischer Stoff in jeglichem Kanal 108 verteilt werden kann. Falls jede Faser 110 einen unterschiedlichen chemischen Stoff darauf immobilisiert hat, würde dies eine Matrix von Kontaktpunkten 112 erzeugen, in der ein jeglicher Kontaktpunkt 112 einzigartig ist. Ferner können, obwohl es keine bevorzugte Ausführungsform ist, chemische Stoffe seriell oder simultan in die gleichen Kanäle 108 verteilt werden. Ein sequenzielles Verteilen ist besonders geeignet, z.B. wenn der auf der Faser 110 immobilisierte chemische Stoff in situ auf der Faser 110 synthetisiert wird.
4–6 sind verschiedene Ansichten einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung 400. Die Faseranordnung 400 ist ähnlich zu der Faseranordnung 100, aber mit dem Zusatz einer Deckplatte 402. Die 4–6 sind im Wesentlichen die gleichen Ansichten wie die 1–3, aber sie zeigen eine Deckplatte 402. Es sollte anerkannt werden, dass, obwohl eine Deckplatte beim Betrieb und bei der Verwendung der Faseranordnung zweckmäßig ist, sie nicht notwendig ist.
4 ist eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Faseranordnung 400. Die Deckplatte 402 umfasst eine Vielzahl von Kanaleinlassöffnungen 404, die jeweils in Flüssigkeitskontakt mit getrennten Kanälen 108 an jedem Ende der Kanäle 108 stehen, und eine Vielzahl von Kanalauslassöffnungen 406, die auch in Flüssigkeitskontakt mit getrennten Kanälen 108 an dem gegenüberliegenden Ende der Kanäle 108 stehen. Die Kanaleinlassöffnungen 404 stellen eine Öffnung bereit, durch die die Flüssigkeit mit einem chemischen Stoff von Interesse in einen entsprechenden Kanal 108 verteilt wird. Die Kanalauslassöffnungen 406 ermöglichen der Flüssigkeit, die Faseranordnung 400 zu verlassen. In ähnlicher Weise wie die Trägerplatte 102 kann die Abdeckplatte 402 aus einem jeglichen Material hergestellt sein, das im Wesentlichen inert gegenüber den chemischen Stoffen von Interesse ist und der Fachmann würde fähig sein, ein geeignetes Material auszuwählen. Ferner sollte anerkannt werden, dass die Abdeckplatte 402 transparent sein kann, um einen Nachweis der Wechselwirkung zwischen den in Kontakt zu bringenden chemischen Stoffen zu erleichtern.
5 ist eine Schnittzeichnung der Faseranordnung 400 entlang der Linie 5-5 der 4. Die Deckplatte 402 umfasst ein Paar von Endwänden 504, 506, die mit den Endwänden 104, 202 der Trägerplatte 102 zusammenpassen. Die Deckplatte 402 umfasst ferner eine Vielzahl von Kanalwänden 508, die auch mit den Kanalwänden 106 zusammenpassen, um einen jeglichen Kanal 108 derart abzudichten, dass Flüssigkeit nicht von einem Kanal zu einem anderen fließen kann. Die Kanalwände 508 weisen auch Furchen 510 zur Aufnahme der Fasern 110 auf. Die Kanalwände 508 und die Kanalwände 106 passen auch zusammen, um diejenigen Teile der Fasern 110, die innerhalb der Furchen 510, 200 liegen, einzuschließen und zu sichern. Es sollte anerkannt werden, dass die Deckplatte 402 an die Trägerplatte 102 durch ein jegliches Verfahren zum Anheften zweier Materialien gesichert werden kann, abhängig von deren spezifischer Zusammensetzung. Zum Beispiel kann ein Diffusionsbonden, inerte Adhäsionsmittel, Laser- oder Ultraschallschweißen oder Verschlüsse verwendet werden. Andere Verfahren zum Sichern zweier Strukturen zusammen sind bekannt.
6 ist eine Schnittzeichnung der Faseranordnung 400 entlang der Linie 6-6 der 4. Die Kanäle 108 erstrecken sich über und unter den Fasern 110 derart, dass die Längsteile der Fasern 110, die den Kanälen 108 ausgesetzt sind, von der Flüssigkeit, die in die Kanäle 108 eingebracht wird, umschlossen sein können. Die Kanalauslassöffnungen 46 erstrecken sich durch die Deckplatte 42, um der Flüssigkeit zu ermöglichen, von den Kanälen 108 durch die Deckplatte 42 und aus der Faseranordnung 400 zu fließen. Die Kanaleinlassöffnungen sind in einer ähnlichen Weise konstruiert, um der Flüssigkeit zu ermöglichen, durch die Deckplatte 42 in die Kanäle 108 zu fließen.
Der Betrieb und die Verwendung der Faseranordnung 400 mit der Deckplatte 402 sind im Wesentlichen die gleichen wie bei der Faseranordnung 100 ohne die Deckplatte 402. Jedoch dichtet die Deckplatte 402 flüssigkeitsmäßig jeden der Kanäle 108 ab, was eine Verwendung von anderen Verfahren ermöglicht, um die Flüssigkeit durch die Kanäle 108 zu bewegen. Zum Beispiel kann eine Pumpe verwendet werden, um die Flüssigkeit in die Kanäle 108 zu drücken, wodurch die Flüssigkeit durch die Kanäle getrieben wird. Alternativ dazu kann Zentrifugalkraft verwendet werden, um die Flüssigkeit durch die Kanäle zu treiben.
7 ist eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Faseranordnung 400 von 4, die eine bevorzugte Ausführungsform zum Sichern der Fasern 110 zwischen der Trägerplatte und der Deckplatte darstellt. Wie gezeigt, umfasst die Trägerplatte 700 Furchen 702 zur Aufnahme der Fasern 110. Die Deckplatte 704 umfasst eine Vielzahl von Zähnen 706, die sich mit den Furchen 702 decken und damit zusammenpassen. Diese Konfiguration ermöglicht der Deckplatte, leichter beim Sichern derselben an die Trägerplatte 700 angeordnet zu werden, da ein jeglicher Zahn 706 mit einer jeglichen Furche 702 ineinander greifen kann. Es sollte anerkannt werden, dass eine jegliche Ausgestaltung oder Form für die Zähne und die Furche verwendet werden kann. Außerdem sollte anerkannt werden, dass die Faseranordnung 400 ohne Furchen zum Sichern der Fasern 110 konstruiert sein kann und die Fasern einfach zwischen der Trägerplatte und der Deckplatte nach Sichern der Trägerplatte an die Deckplatte zusammengedrückt werden können.
8 ist eine Draufsicht einer Vorrichtung zum Bewegen der Flüssigkeit durch die Kanäle 108 der Faseranordnung 400 mit einer Deckplatte 402. Die rotierende Platte 800 ist eine jegliche Vorrichtung, die um ihre Zentralachse rotiert werden kann. Die Faseranordnung 400 ist an die rotierende Platte 800 derart gesichert, dass sich die Kanaleinlassöffnungen 404 nahe an dem Zentrum der rotierenden Platte 800 befinden und die Kanäle 108 sich radial auswärts in Richtung des äußeren Umfangs der rotierenden Platte 800 erstrecken. Die Faseranordnung 400 kann an die rotierende Platte 800 durch ein jegliches bekanntes Mittel wie Haken, Clips, Schrauben, Bolzen, Magnete und dergleichen gesichert werden. Wie die rotierende Platte 800 um ihre Achse rotiert wird, wird die Zentrifugalkraft die Flüssigkeit von dem Ende der Kanäle 108 nahe der Kanaleinlassöffnungen 404 durch die Kanäle 108 zu den Kanalauslassöffnungen 406 bewegen, wobei die Flüssigkeit an jeder Faser 110 vorbei bewegt wird. Die Kanalauslassöffnungen 406 können abgedichtet sein, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit die Faservorrichtung durch Rotation verlässt. Es sollte anerkannt werden, dass zusätzliche Faseranordnungen auf der rotierenden Platte 800 zur gleichen Zeit platziert sein können.
9 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung 900. Die Faseranordnung 900 ist ähnlich zu der Faseranordnung, die im Zusammenhang mit den 1–8 beschrieben wurde, umfassend eine Vielzahl von Fasern 110 und eine Vielzahl von Kanälen 902, die die Fasern 110 kreuzen. Die Fasern 110 sind im Wesentlichen parallel zueinander und die Kanäle 902 sind im Wesentlichen senkrecht zu den Fasern 110. Die Faseranordnung 900 umfasst jedoch zusätzlich eine Vielzahl von Kanaleinlassöffnungen 904, die jeweils mit einer entsprechenden Kanaleinlassleitung 906 verbunden sind. Jede Kanaleinlassleitung 906 ist mit einem Ende eines entsprechenden Kanals 902 verbunden und ermöglicht einer Flüssigkeit, von jedem der Kanaleinlassöffnungen 904 zu ihrem entsprechenden Kanal 902 in der Faseranordnung 900 zu fließen. Das gegenüberliegende Ende eines jeglichen Kanals 902 ist abgedichtet.
Die Kanaleinlassöffnungen 904 sind angeordnet, um ein Verteilen der Flüssigkeit in eine jegliche Kanaleinlassöffnung 904 mit Leichtigkeit und ohne ein Zurückgreifen auf Techniken und einer mikronisierten Ausrüstung zum Verteilen einer Flüssigkeit in extrem kleine Öffnungen zu erleichtern. Mit einer größeren Öffnung kann eine jegliche Kanaleinlassöffnung 904 eine größere Vorrichtung zum Verteilen von Flüssigkeit wie eine Pipette oder Spritze aufnehmen, was den Fehler, der mit der Überführung von kleinen Volumina einer Flüssigkeit assoziiert ist, vermindert.
Um größere Öffnungen bereitzustellen, sind die Kanaleinlassöffnungen 904 benachbart zu der Faseranordnung 900 positioniert und mit ihren entsprechenden Kanälen 902 durch eine Kanaleinlassleitung 906 verbunden. 9 zeigt mehrere Gruppen von 10 Kanaleinlassöffnungen 904, die jeweils an wechselnden Seiten der Faseranordnung 900 angeordnet sind. Eine jegliche Kanaleinlassöffnung 904 innerhalb einer Gruppe ist in zwei Richtungen von seiner angrenzenden Kanaleinlassöffnung 904 versetzt. Insbesondere ist eine jegliche Kanaleinlassöffnung 904 in einer Richtung parallel zu den Kanälen, um einen Abstand, der zu der Größe der Öffnung der Kanaleinlassöffnung 904 äquivalent ist, und in einer Richtung parallel zu den Fasern 110, um einen Abstand, der zu einer Kanalbreite äquivalent ist, versetzt. Dies erfordert, dass eine jegliche Kanaleinlassleitung 906 eine zunehmende Länge aufweist. Jedoch kann in dieser Weise die Größe der Kanaleinlassöffnung 904 als auch die Anordnung zwischen der Kanaleinlassöffnung 904, ihrer entsprechenden Kanaleinlassleitung 906 und ihrem entsprechenden Kanal 902 beibehalten werden.
Die Kanaleinlassöffnungen 904 sind in dieser Weise angeordnet, bis die Breite aller angrenzenden Kanaleinlassöffnungen 904 in einer Gruppe, wie in einer Richtung parallel zu den Fasern gemessen, äquivalent zu der Größe der Öffnung einer Kanaleinlassöffnung 904 ist. Diese Anordnung einer Gruppe von Kanaleinlassöffnungen 904 wird sodann auf der gegenüberliegenden Seite der Faseranordnung 900 wiederholt. Diese wechselnde Anordnung von Gruppen von Kanaleinlassöffnungen 904 und ihren entsprechenden Kanaleinlassleitungen 906 kann entlang der Faseranordnung 900 unbegrenzt fortgeführt werden. Obwohl dies eine bevorzugte Anordnung der Kanaleinlassöffnungen 904 und ihrer entsprechenden Kanaleinlassleitungen 906 ist, sollte anerkannt werden, dass die Kanaleinlassöffnungen 904 tatsächlich in einer jeglichen Weise entlang der Faseranordnung 900 positioniert sein können.
Es sollte beachtet werden, dass die Kanäle 902 auch in einer wechselnden Weise, entsprechend zu den Gruppen der Kanaleinlassleitungen 906, positioniert sind, da ein Ende eines jeglichen Kanals 902 abgedichtet ist. Folglich wird in wechselnder Weise eine Anzahl von Kanälen 902, äquivalent zu der Anzahl von Kanaleinlassleitungen 906, ihre offenen Enden auf einer Seite der Faseranordnung 900 aufweisen und die nächste Gruppe von Kanälen 902 wird deren offenen Enden auf der anderen Seite der Faseranordnung 900 aufweisen. Ferner gibt es, da die Kanäle 902 an einem Ende abgedichtet sind, keine Kanalauslassöffnung. Folglich wird im Betrieb eine ausreichende Menge an Flüssigkeit einfach in die Kanaleinlassöffnungen 904 verteilt und nicht aus den Kanälen 902 entfernt.
10 ist eine Schnittzeichnung einer Flüssigkeitsverteilvorrichtung für eine Verwendung mit der Faseranordnung 100 der 1–3. Die Flüssigkeitsverteilvorrichtung 1000 umfasst einen Flüssigkeitsverteilkörper 1002, der fixiert eine Vielzahl von Flüssigkeitsverteilern 1004 hält, die jeweils eine Flüssigkeitsverteileröffnung 1006 aufweisen. Ein jeglicher Flüssigkeitsverteiler 84 ist über einen Kanal 108 derart angeordnet, dass es einen Flüssigkeitsverteiler 1004 für jeden Kanal 100 gibt. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass eine größere oder geringere Anzahl von Flüssigkeitsverteilern 1004 verwendet werden kann, um zusätzliche Kanäle zu versorgen oder mehr als einen Verteiler pro Kanal bereitzustellen. Flüssigkeit wird zu einer jeglichen Flüssigkeitsverteileröffnung 1006 durch eine Flüssigkeitszuführleitung 1008 zugeführt, die im Flüssigkeitskontakt mit einem Flüssigkeitszuführsystem 1010 steht. Das Flüssigkeitszuführsystem 1010 kann ein jegliches bekanntes System sein, das zum Abmessen und Zuführen einer Flüssigkeit zu einer Flüssigkeitsleitung fähig ist, wie eine Pumpe, ein Aspirator, durch Kapillarwirkung, durch Bewegen einer gegebenen Menge an Flüssigkeit von einem Reservoir durch die Flüssigkeitszufuhrleitungen 1008 und aus den Flüssigkeitsverteileröffnungen 1006. Die Flüssigkeitsverteileröffnungen 1006 erlauben der Flüssigkeit, entweder in die Kanäle 108 oder auf die Fasern 110 verteilt zu werden. Die Verteileröffnungen 1006 können einfach Öffnungen an dem Ende der Flüssigkeitszufuhrleitung 1008, Düsen, Pipettenspitzen, Spritzen- oder Nadelspitzen, Kapillarröhrchen, Federn oder Tintenstrahler sein. Andere Vorrichtungen, durch die eine Flüssigkeit transportiert wird, sind bekannt. Es sollte anerkannt werden, dass das Flüssigkeitszuführsystem 1010 auch die Fähigkeit eines Abmessens und Zuführens von verschiedenen Flüssigkeiten zu jeder der Flüssigkeitszufuhrleitungen 1008 aufweisen sollte. Dies erlaubt die Fähigkeit eines Kontakts, einer jeglichen der Fasern mit einem unterschiedlichen chemischen Stoff.
Der Flüssigkeitsverteilerkörper 1002 ist an eine Bewegungsvorrichtung 1012 angeschlossen, die einer Bewegung des Flüssigkeitsverteilerkörpers 1002 in einer Richtung parallel zu den Kanälen 108 dient. Dies ermöglicht der Flüssigkeitsverteilervorrichtung 1000, Flüssigkeit bei verschiedenen Stellen entlang eines jeglichen Kanals 108 oder auf eine jegliche Faser 110 zu verteilen. Zusätzlich kann die Bewegungsvorrichtung 1012 den Flüssigkeitsverteilerkörper 1002 in einer Richtung parallel zu den Fasern bewegen. Dies ermöglicht die Verwendung weniger Flüssig keitsverteiler 1004, da ein bestimmter Satz an Flüssigkeitsverteilern 1004 bewegt und angeordnet werden kann, um Flüssigkeit in einen weiteren Satz von entsprechenden Kanälen 108 zu verteilen. Die Bewegungsvorrichtung 1012 kann eine jegliche Art von mechanischer Vorrichtung sein, die arbeitet, um ein Objekt innerhalb einer horizontalen Ebene wie ein Fördermittel oder ein rotierendes Schraubensystem zu bestimmten xy-Koordinaten zu bewegen. Bewegungsvorrichtungen dieses Typs sind bekannt.
In Betrieb kann ein chemischer Stoff, der mit dem auf den Fasern 110 immobilisierten chemischen Stoffen in Kontakt gebracht werden soll, in einer Trägerflüssigkeit vorhanden sein, die in einem Reservoir innerhalb des Flüssigkeitszufuhrsystems 1010 gehalten wird. Nach Bedarf, z.B. durch eine Computersteuerung, wird der Flüssigkeitsverteilerkörper 1002 an eine gewünschte Stelle über der Faseranordnung 100 bewegt und das Flüssigkeitszufuhrsystem 1010 gibt die Flüssigkeit an die Flüssigkeitsverteiler 1004 und schließlich an die entsprechenden Kanäle 108 oder auf die entsprechenden Fasern 110 ab. Abhängig von der Geometrie der Faseranordnung und des Volumens der Kanäle 108 wird die Menge an verteilter Flüssigkeit variieren. Jedoch sollte eine ausreichende Menge an Flüssigkeit verteilt werden, um einen adäquaten Kontakt mit den Fasern 110 zu gewährleisten. Der Flüssigkeitsverteilerkörper 1002 kann sodann an eine andere Stelle bewegt werden, entweder entlang des gleichen Kanals 108 oder zu einem unterschiedlichen Kanal 108, um eine zusätzliche Flüssigkeit zu verteilen. Es sollte anerkannt werden, dass jeder Flüssigkeitsverteiler 1004 eine unterschiedliche Flüssigkeit verteilen kann oder eine zweite Flüssigkeit kann verteilt werden, nachdem die erste Flüssigkeit verteilt wurde. In diesem letzteren Fall kann ein Spülen der Flüssigkeitsversorgungsleitungen 1008 und der Flüssigkeitsverteiler 1004 vor einem Verteilen der zweiten Flüssigkeit angebracht sein.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung, die Elektroosmose verwendet, um eine Flüssigkeit durch die Kanäle der Faseranordnung zu bewegen, um beim In-Kontakt-Bringen der Flüssigkeit und der Fasern zu helfen. Die Faseranordnung 1100 ist im Wesentlichen die gleiche wie diejenigen, die vorstehend beschrieben wurden. Jedoch sind die Fasern 1110 leitend. Die Faser 1110 können durch Auftragen einer leitenden Beschichtung (nicht gezeigt), die unter dem chemischen Stoff (nicht gezeigt), der auf den Fasern 1110 immobilisiert ist, unterliegt, wie Silber oder Gold leitend gemacht werden. Alternativ dazu können die Fasern 1110 dadurch lei tend gemacht werden, dass die Faser 1110 selbst aus einem Material konstruiert wird, das elektrisch leitend ist und das gegebenenfalls Strahlung weiterleitet, wie Indiumzinnoxid. Ein leitender Kontakt 1116 umgibt die Fasern 1110 an dem Rand der Trägerplatte 1118. Der leitende Kontakt 1116 dient als ein Mittel zum elektrischen Anschließen einer Energieversorgung 1124 an eine jegliche der Fasern 1110 unter Verwendung von Drähten 1122. Drähte 1126 verbinden die Energieversorgung 1124 mit der Flüssigkeit in den Kanälen 1120, wodurch der Stromkreis vervollständigt wird.
In Betrieb würden die Fasern 1110 dadurch geladen und elektrisch leitend gemacht werden, dass Strom von der Energieversorgung 1124 an den leitenden Kontakt 1116 einer jeglichen Faser 1110 und daher an die leitende Beschichtung einer jeglichen Faser 1110 zugeführt wird. Die in die Kanäle 1120 verteilte Flüssigkeit würde zusätzlich zu dem chemischen Stoff von Interesse einen Elektrolyten umfassen, der mit der Energieversorgung 1124 unter Verwendung von Drähten 1126 in Kontakt stehen würde, wodurch der Stromkreis vervollständigt wird. Die Anwendung von Strom an die Fasern 1110 bewirkt, dass sich die Flüssigkeit mit der im chemischen Stoff von Interesse durch den Kanal 1120 durch Elektroosmose bewegt. Strom kann sodann zu einer angrenzenden Faser zugeführt werden, um die Flüssigkeit ferner entlang des Kanals 1120 zu bewegen. Es sollte anerkannt werden, dass Strom sequenziell zu einzelnen Fasern oder zu Gruppen von Fasern zugeführt werden kann. Es sollte auch anerkannt werden, dass die für Elektroosmose benötigte Spannung mit dem verwendeten Elektrolyten, dem chemischen Stoff von Interesse und den Materialien, die zum Konstruieren der Kanalwände, die vorzugsweise nicht leitend sein sollten, verwendet wurden, wie Glas oder Plastik, variieren kann. Typische Spannungen, die an die Fasern angelegt werden, können von einigen Volt bis mehreren Kilovolt reichen. Folglich muss die Energieversorgung 1124 fähig sein, einen solchen Bereich von Spannungen bereitzustellen.
Zusätzlich können elektrophoretische Kräfte verwendet werden, um einen größeren Grad an Kontakt zwischen dem chemischen Stoff von Interesse in der Flüssigkeit und denjenigen, die auf der Faser immobilisiert sind, bereitzustellen. Unter Verwendung der Ausführungsform von 11 kann die Polarität der Faser und der elektrolytischen Flüssigkeit unter Verwendung der Energieversorgung 1124 in einer oszillierenden Weise bei Frequenzen in dem Kilohertzbereich umgedreht werden. Durch Umdrehen der Polarität in einer wechselnden Weise kann der chemische Stoff von Interesse in der Flüssigkeit näher an den chemischen Stoff auf der Faser herangezogen und sodann in dem Fall, dass die gewünschte Wechselwirkung nicht auftritt, weggestoßen werden. Der Prozess eines Ziehens des chemischen Stoffes in der Flüssigkeit nahe an die Faser kann die Wirksamkeit eines Kontakts zwischen den chemischen Stoffen erhöhen. Der Prozess eines Wegdrückens des chemischen Stoffes in der Flüssigkeit weg von der Faser kann die Genauigkeit der Wechselwirkungen durch Vermindern der Anzahl von falschen Wechselwirkungen, wenn eine Wechselwirkung aufgrund einer nicht-spezifischen Bindung an die Faser, aber keine echte Wechselwirkung zwischen den chemischen Stoffen von Interesse nachgewiesen wird, erhöhen. Die Spannungen und oszillierenden Frequenzen, die zum Erreichen davon erforderlich sind, werden von der Zusammensetzung der Flüssigkeit und der chemischen Stoffe von Interesse abhängen. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass die Kraft, die zum Wegdrücken des chemischen Stoffes in der Flüssigkeit von der Faser verwendet wird, nicht so groß sein darf, um eine echte Wechselwirkung mit dem chemischen Stoff auf der Faser zu stören. Die Verwendung von Elektrophorese wird ferner in den US-PSen 5,605,662 und 5,632,957 beschrieben.
11A ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer noch weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung. In dieser Ausführungsform können die Drähte 1122 innerhalb der Flüssigkeit an dem Ende des Kanals positioniert sein, der distal von dem Ende liegt, bei dem die Drähte 1126 positioniert sind. Beide Sätze von Drähten 1122 und 1126 sind mit der Energieversorgung 1124 verbunden, wodurch der Stromkreis vervollständigt wird. Zusätzlich sollte anerkannt werden, dass die Erfindung leicht angepasst werden kann, um eine geladene Oberfläche bereitzustellen, unter Verwendung von z.B. einer Kanalwand, die Elektroosmose oder Elektrophorese ermöglicht.
Wie vorstehend beschrieben, wird die erfindungsgemäße Faseranordnung verwendet, um mindestens zwei chemische Stoffe in Kontakt zu bringen und eine Wechselwirkung zwischen diesen Stoffen nachzuweisen und/oder zu quantifizieren. Der Fachmann würde fähig sein, ein geeignetes Nachweisverfahren für eine Verwendung mit der erfindungsgemäßen Faseranordnung, wie denjenigen, die vorstehend beschrieben wurden, auszuwählen. In einigen Fällen, insbesondere denjenigen Fällen, bei denen die Wechselwirkung zwischen dem chemischen Stoff in Lösung und demjenigen, der auf der Faser immobilisiert ist, einen Unterschied bei der Absorption oder Emission von Strahlung verursacht, wie denjenigen Fällen, bei denen der innerhalb der Kanäle 108 verteilte chemische Stoff mit einem Fluorophor markiert ist, ist es erwünscht, die Menge und/oder Wellenlänge von Strahlung, die von einem jeglichen der Kontaktpunkte 112 als ein Ergebnis der Wechselwirkung zwischen den chemischen Stoffen in den Kanälen 108 und auf den Fasern 110 entstand, unter Verwendung einer Strahlungsevaluationsvorrichtung wie dem menschlichen Auge, einer Kamera oder einem Spektrometer zu messen. Um dies zu erreichen, kann die gesamte Trägerplatte 102 bestrahlt werden. Diese kann jedoch eine unerwünschte Hintergrundsstrahlung erzeugen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in der Strahlungsevaluationsvorrichtung vermindern. Folglich kann es erwünscht sein, selektiv einen Teil der Faseranordnung, z.B. eine einzelne Faser oder eine Gruppe von Fasern, für eine Evaluation zu bestrahlen, wodurch eine größere Unterscheidung zwischen Kontaktpunkten 112 bereitgestellt wird.
12 ist ein Schema einer Ausführungsform eines Faservorrichtungsauslesegeräts 1200 für eine erfindungsgemäße Verwendung. Die Faseranordnung 1202 kann die gleiche sein wie die Faseranordnung 100, die in den 1–3 gezeigt ist, die Faseranordnung 400 mit einer Deckplatte 402 wie in den 4–6 oder die Faseranordnung 900 wie in der 9. Jedoch sind die Fasern 110 optische Fasern. Für erfindungsgemäße Zwecke ist eine optische Faser ein jegliches Material, das als eine Faser verwendet wird, die gegenüber einer gegebenen Wellenlänge oder gegebenen Wellenlängen von Strahlung transparent ist. Das Faseranordnungsauslesegerät 1200 besteht aus einer Strahlungsquelle 1204, wie einem Anregungslaser oder einer Bogenlampe, der/die einen Lichtstrahl mit der gewünschten Wellenlänge erzeugt, der auf das Ende einer Faser 110 gerichtet wird. Eine Bewegungsvorrichtung 1206 wird verwendet, um die Strahlungsquelle 1204 und die Faseranordnung 1202 relativ zueinander zu bewegen. Entweder wird die Strahlungsquelle 1204 bewegt, die Faseranordnung 1202 wird bewegt oder beide werden relativ zueinander durch die Bewegungsvorrichtung 1206 bewegt. Eine jegliche Bewegungsvorrichtung 1206, die bekannt ist, kann verwendet werden, wie ein Schrittmotor oder ein Fördermittel, das durch einen reversiblen Motor angetrieben wird, der zum Bewegen des Fördermittels vor und zurück fähig ist. Ein Bewegungsnachweissystem mit Bewegungssensoren (nicht gezeigt) wie Infrarotstrahlungssensoren kann verwendet werden, um die Position der Bewegungsvorrichtung 1206 zu überwachen. Das Auslesegerät 1200 kann ferner Strahlungsevaluationsvorrichtungen oder -detektoren 1208 umfassen, die eine jegliche Vorrichtung umfassen können, die fähig ist, Strahlung aufzunehmen und mindestens qualitativ zu evaluieren, wie das menschliche Auge, eine Kamera (z.B. konfokale oder CCD-Kamera) oder ein Spektrometer. Die Detektoren 1208 sind über den Kontakt- oder Mischpunkten 112 positioniert, die an der Kreuzung der Fasern 110 und der Kanäle 108 auftreten. Das Auslesegerät 1200 kann auch ein Heizgerät 1212 beinhalten, um die Temperatur zu erhöhen, wie es nachstehend in Bezug auf 17 beschrieben werden wird.
In Betrieb wird eine Flüssigkeit in die Einlasslöcher 1210 an einem Ende eines Kanals 108 eingebracht. Die Faser 110 wird dadurch mit der Flüssigkeit mit einem chemischen Stoff unter Bedingungen in Kontakt gebracht, die eine Wechselwirkung zwischen dem auf der Faser 110 immobilisierten chemischen Stoff und dem chemischen Stoff in Lösung fördern. Jeder Kanal kann eine unterschiedliche oder ähnliche Flüssigkeit aufnehmen.
13 ist eine schematische Ansicht der Schnittstelle zwischen der Strahlungsquelle 1204 und der Faser 110, gezeigt in 12, sobald die Flüssigkeit mit einem chemischen Stoff die Faser 110 kontaktiert hat. Die Strahlungsquelle 1204 erzeugt Lichtstrahlen 1300, die durch eine Linse 1302 in ein Ende einer gegebenen Faser 1110 (oder Gruppe von Fasern) fokussiert werden und die intern innerhalb der Faser 110 reflektieren. Eine bevorzugte Linse 1302 ist eine zylindrische Linse, die die Strahlen 1300 in einen Brennpunkt 1304 an dem Ende der Faser 110 bilden. Der Brennpunkt 1304 kann eine Ebene senkrecht zu der Faser 110 derart ausbilden, dass die Faser 110 und die Strahlungsquelle 1204 keine exakte Ausrichtung benötigen. Die Strahlung, die innerhalb der Faser 110 reflektiert, erzeugt eine infinitesimale Welle 1306 auf der Oberfläche der Faser 110, die die Faseroberfläche beleuchtet. Bei einer DNA-Hybridisierungsanwendung könnte die Flüssigkeit mit dem chemischen Stoff oder Probenfragment 1308 ein DNA-Fragment, das mit einem Fluorophor markiert ist, sein. Ein Sonden-DNA-Fragment 1310 ist an die Faser 110, wie vorstehend beschrieben, angebunden. Falls die Struktur des Probenfragments 1308 mit der Struktur des Sonden-DNA-Fragments 1310 zusammenpasst, wird das Probenfragment 1308 mit dem Sonden-DNA-Fragment 1310 hybridisieren und an der Faseroberfläche verbleiben. Da die infinitesimale Welle 1306 lediglich nahe der Faseroberfläche illuminiert, wird das mit dem Fluorophor markierte Probenfragment 1308 illuminiert werden und fluoreszieren, falls es an ein Sonden-DNA-Fragment 1310 hybridisiert ist, während fehlgepaarte DNA nicht hybridisieren wird und daher nicht fluoreszieren wird, da es nicht nahe der Faseroberfläche liegt. Folglich wird eine Hybridisierung des Probenfragments 1308 an ein spezifisches Sonden-DNA-Fragment 1310 durch das Vorhandensein von fluoreszierender Strahlung angezeigt, wenn ein Probenfragment 1308 in den Kanal 108 injiziert und den Fasern 110 ausgesetzt wird. Falls die Wechselwirkung zwischen dem Probenfragment 1308 und dem Sonden-DNA-Fragment 1310 eine Zunahme oder Abnahme der Absorption ei ner spezifischen Strahlungswellenlänge bewirkt, wird die Fläche unter einem Kontaktpunkt 112 entweder mehr oder weniger an Strahlung emittieren im Vergleich mit einem Kontaktpunkt 112, bei dem keine Wechselwirkung auftritt. Die Intensität dieser infinitesimalen Welle 1306 zerstreut sich exponentiell mit dem Abstand von der Oberfläche der Faser 110 und verschwindet fast nach 300 nm. Folglich werden lediglich die Faser 110 und der chemische Stoff auf der Faser, das Sonden-DNA-Fragment 1310, das den Lichtstrahl 1300 erhält, bestrahlt. Das Material um die Faser 110 wird nicht bestrahlt. Folglich wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, das von der Strahlungsevaluierungsvorrichtung erhalten wird, verbessert. Aufgrund ihrer selektiven Bestrahlung können die erfindungsgemäßen optischen Faseranordnungen vorteilhafterweise mit Tests verwendet werden, bei denen der chemische Stoff in Lösung mit einem Fluorophor markiert ist, ohne dass zuerst der Überschuss an nicht umgesetztem markierten Stoff entfernt wurde. Die markierten Stoffe erzeugen lediglich ein nachweisbares Fluoreszenzsignal, falls sie mit den auf der optischen Faser 110 immobilisierten chemischen Stoffen wechselwirken. Markierte Stoffe frei in Lösung werden nicht bestrahlt und fluoreszieren nicht. Natürlich kann, falls erwünscht, der Überschuss an nicht markierten chemischen Stoffen vor einem Nachweis entfernt werden.
Es sollte anerkannt werden, dass die Strahlungswellenlänge, die zum Bestrahlen der Fasern verwendet wird, von der optischen Absorptionsbande des fluoreszierenden Moleküls abhängen wird. Zusätzlich muss die Strahlungsevaluierungsvorrichtung fähig sein, Anregungsstrahlung nachzuweisen.
Mit Bezug auf die 12 und 13 kann nach Messen der Strahlung bei einem gegebenen Kontaktpunkt 112 oder einem Satz von Kontaktpunkten entlang einer gegebenen Phase 110 oder einem Satz von Fasern die Strahlungsevaluierungsvorrichtung 1208 manuell oder automatisch zu dem nächsten Kontaktpunkt 112 oder dem Satz von Kontaktpunkten entlang der Faser 110 oder dem nächsten Satz von Fasern bewegt werden. Alternativ dazu kann eine Strahlungsevaluierungsvorrichtung 1208 an jeden Kontaktpunkt 112 fixiert sein. Sobald alle Kontaktpunkte 112 entlang einer gegebenen Faser oder einem Satz von Fasern evaluiert wurden, kann die Bewegungsvorrichtung 1206 die Strahlungsquelle 1204 und die Fokussierungslinse 1302 zu der nächsten Faser 110 oder dem Satz an Fasern derart bewegen, dass der Lichtstrahl 1300 in geeigneter Weise mit dem Ende der nächsten Faser 110 oder Satz an Fasern ausgerichtet ist. Alternativ dazu kann die Strahlungsevaluierungsvorrichtung 1108 fixiert sein und die Anordnung 1102 kann wie vorste hend beschrieben bewegt werden. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass ein jeglicher Kontaktpunkt 112 oder ein jeglicher Satz von Kontaktpunkten in einer jeglichen Sequenz und in einem jeglichen Zeitintervall evaluiert werden kann. Ein Vorteil eines selektiven Bestrahlens bestimmter Fasern oder Gruppen von Fasern im Vergleich zum Bestrahlen der gesamten Platte ist eine Verminderung des Rauschens von Fasern und Kontaktpunkten, die zu denjenigen benachbart sind, die durch die Strahlungsevaluierungsvorrichtung 1208 evaluiert werden. Dies vermindert die mögliche Irritation, welche Kontaktpunkte 112 beobachtet werden.
14 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kanals 108, der in einer Faseranordnung verwendet wird, in Zusammenhang mit der Verwendung einer Strahlungsquelle, um die Fasern 110 zu bestrahlen. Wie gezeigt, weist der Boden des Kanals 108 viele Kurven auf, die unten positioniert sind, wo jede Faser 110 liegen würde. Zusätzlich kann der Kanal 108 eine reflektierende Beschichtung 1400 aufweisen. Die Krümmung des Bodens des Kanals 108 und die reflektierende Beschichtung 400 dienen dazu, die Strahlung zurück zu der Strahlungsevaluierungsvorrichtung zu reflektieren, um die Stärke des Strahlungssignals, das von jedem Kontaktpunkt gehalten wird, zu verbessern. Die reflektierende Beschichtung 1400 kann aus einem jeglichen Material hergestellt sein, das Strahlung reflektiert, z.B. Aluminium, Gold oder Gemische davon. Ferner kann die reflektierende Beschichtung 1400 vielschichtig sein. Es sollte anerkannt werden, dass, obwohl lediglich ein Kanal 108 gezeigt ist, jeder Kanal 108 in ähnlicher Weise ausgestaltet sein kann.
15 ist eine Endansicht einer weiteren Ausführungsform der Kanäle 108, die in 14 gezeigt sind, und 16 ist eine Seitenansicht der Ausführungsform, die in 15 gezeigt ist. Die Menge an fluoreszierender Strahlung 1500, die in der Detektoroptik 1502 gesammelt wird, kann dadurch erhöht werden, dass die Kurve der Kanäle 108 derart ausgestaltet ist, um Strahlung in eine bevorzugte Richtung zu reflektieren. Eine bevorzugte Detektoroptik 1502 ist eine Faseroptik mit einem wesentlich größeren Durchmesser als die Faser 110. Die Detektoroptik 1502 richtet die gesammelte Strahlung in einen Fotodetektor 1504, der ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zu einer Menge an Strahlung 1500 ist. Der bevorzugte Fotodetektor 1504 ist eine Festkörperdiode oder eine Fotomultiplierröhre. Die Kanalkrümmung kann in allen Dimensionen sein und die Reflektionseffizienz kann variieren, aber das allgemeine Ziel ist Strahlung wieder in die Detektoroptik 1502 zu richten, die andererseits in dem Kanalsubstrat 1506 verloren wäre.
17 ist eine weitere Ausführungsform eines Faseranordnungsauslesegeräts 1700. Ein elektrisches Signal wird von einem Fotodetektor 1702 durch ein Kabel 1704 zu einem Analogdigitalwandler 1706 geschickt, wo ein digitale Signal für eine Interpretation und Auftragung durch einen Computer 1708 erzeugt wird. Zum Beispiel könnten die Signaldaten 1722 als Intensität 1710 über die Zeit 1712 aufgetragen werden. Die Faseranordnung 1714 kann in einer Kreisanordnung, wie gezeigt, angeordnet sein, um ein kontinuierliches Auslesen der Fasern 110 zu ermöglichen. Ein Motor 1706 rotiert eine Drehscheibe 1718, der die Faseranordnung 1714 trägt, bei einer gewissen spezifizierten Geschwindigkeit, z.B. einer Umdrehung pro Sekunde. Ein Laser 1720 ist derart befestigt, dass die Strahlung von dem Laser 1720 eine fokussierte Linie bei dem Faserende, wie vorstehend beschrieben, ausbildet. In anderen Worten werden die Fasern 110 sequenziell in die fokussierte Linie der Laserstrahlung rotiert. Da die Laserlinie oder -ebene viel enger als der Abstand zwischen den Durchmessern der Fasern 110 ist, müssen die Fasern nicht akkurat entlang der Linie platziert sein, da die Strahlung in die Fasern eintritt. Ferner müssen die Fasern auch nicht akkurat in der senkrechten Dimension ausgerichtet sein, da die Fasern 110 garantieren, in eine fixierte Strahlungslinie zu rotieren.
Ein Heizgerät/Kühlgerät 1724 steuert gleichmäßig die Temperatur der Faseranordnung 1714. Das Signal von einer jeglichen Faser 110 wird bei jeder Rotation der Drehscheibe 1718 analysiert und eine Auftragung für jeden Fasermischpunkt wird unabhängig von einer jeglichen anderen Faser erzeugt. Ferner wird die Temperatur über einen Bereich erhöht, was gewährleistet, dass sie durch die Optimaltemperatur zum Binden eines mobilen und eines immobilisierten chemischen Stoffes durchläuft. Die optimale Temperatur für eine DNA-Hybridisierung ist die optimale Hybridisierungstemperatur für die spezifische Sonde, da jede Sonde eine unterschiedliche optimale Hybridisierungstemperatur aufweist. Folglich wird jede Sonde bei ihrer optimalen Hybridisierung beobachtet, selbst wenn jede Sonde in der Faseranordnung 1714 eine unterschiedliche optimale Hybridisierungstemperatur aufweist.
18 zeigt eine noch weitere Ausführungsform eines Faseranordnungsauslesegeräts 1800. In dem Fall von sehr langen Faseranordnungen 1814 kann die Faseranordnung 1814 in ein Format gerollt werden, das ähnlich zu einer typischen Audiokassette ist. In dieser Konfiguration bewegen ein oder mehrere Motoren (nicht gezeigt) die Anordnung von einer Drehscheibe 1818 auf eine andere Drehscheibe 1820, wobei eine jegliche Faser 110 unter einer befestigten Detektoroptik 1826 durchläuft. Heiz-/Kühleinheiten 1824 können in beiden Drehscheiben 1818 und 1820 bereitgestellt werden. Ein Laser 1817 wird auch bereitgestellt. Eine Ultraschallmischvorrichtung 1804, vorzugsweise im Raum befestigt, kann hinzugefügt werden, um ein Mischen der Flüssigkeiten zu verbessern.
19 ist eine noch weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Faseranordnung. Die Faseranordnung 1900 umfasst eine kreisförmige Trägerplatte 1902, wobei die Fasern 110 radial auf der Trägerplatte 1902 derart angeordnet sind, dass sich ein Ende einer jeglichen Faser 110 nahe an dem Zentrum der Trägerplatte 1902 befindet und sich das andere Ende der Faser 110 nahe dem äußeren Umfang der Trägerplatte 1902 befindet. Die Faseranordnung 1900 umfasst auch eine Vielzahl von Kanälen 1904 in der Trägerplatte 1902. Obwohl die Kanäle 1904 in einer jeglichen Weise oder in einem jeglichen Muster auf der Trägerplatte 1902 angeordnet sein können, sind die Kanäle 1904 vorzugsweise in konzentrischen Kreisen angeordnet. Jedoch sollte anerkannt werden, dass es nicht erforderlich ist, dass ein Kanal vorhanden ist, der einen vollständigen konzentrischen Kreis durchläuft. Zum Beispiel kann ein Kanal 1904 einfach die Länge eines Teils eines konzentrischen Kreises oder eines Bogens sein. Die Strahlungsquelle 1906 und die Fokussierungslinse 1908 funktionieren in der Weise, dass der Lichtstrahl 1910 auf das Ende einer jeglichen der Fasern 110 projiziert und gerichtet wird. In dieser Ausführungsform wird eher als die Strahlungsquelle 1906 und die Fokussierungslinse 1908 zu bewegen, um den Lichtstrahl 1910 mit einer jeglichen Faser 110 auszurichten, die Trägerplatte 1902 derart rotiert, dass eine jegliche Faser 110 mit dem Lichtstrahl 1910 ausgerichtet wird. Erneut kann ein Bewegungsnachweissystem (nicht gezeigt) mit Bewegungssensoren verwendet werden, um das exakte Positionieren der Trägerplatte 1902 zu überwachen, um eine exakte Ausrichtung mit dem Lichtstrahl 1910 bereitzustellen. Eine Abdeckung 1912 kann auch bereitgestellt werden.
Kein Bild wird für die verschiedenen Auslesegeräte benötigt, und so kann eine einzige Diode die Information sammeln. Das Signal von dieser Diode kann schnell von analog in digital umgewandelt und aufgenommen werden, was die Menge an Daten im Vergleich zu einem Kamerasystem vermindert. Da das Nachweissystem einfach und nicht teuer ist, ist es möglich, viele Kanäle gleichzeitig nachzuweisen, was stark den Durchsatz erhöht.
Ferner kann, da die infinitesimale Welle nicht weit über die Faseroberfläche hinaus wandert, die Probe in dem Kanal während einer Hybridisierung verbleiben, was ein Waschen vermeidet und ein Auslesen in Echtzeit ermöglicht. Folglich kann das Fluoreszenzsignal überwacht werden, während die Temperatur erhöht wird. Eher als eine Schnappschussinformation kann Information über eine Hybridisierung über die Zeit gesammelt werden, was eine wesentlich höhere Spezifität und eine Echtzeitüberwachung bereitstellt.
Die Faseranordnungen können 100000 oder mehr Fasern enthalten, die schnell durch diese Auslesegeräte nachgewiesen werden können und viele Kanäle können gleichzeitig ausgelesen werden, was zu einer hohen Informationsdichte führt.
Die Strahlungsquelle kann auch direkt die Mischpunkte durch die Faser belichten, um Streustrahlung und nicht erwünschte Reflexionen zu vermindern. Folglich wird das Rauschniveau vermindert. In einem wünschenswerten Kontrast dazu wird das Signalniveau höher sein, da die zylindrische Form der Faser Fluoreszenzstrahlen, die durch sie treten, fokussiert. Dieses Fokussieren führt zu der Sammlung von Fluoreszenzstrahlen, die andererseits verloren gegangen wären.
Ferner werden lediglich die Fasern belichtet, was das verschwenderische Verfahren eine Flutbelichtung der gesamten Oberfläche vermeidet und folglich die Menge an benötigter Belichtungsleistung vermindert.
Eine jegliche der vorstehenden Ausführungsformen eines Auslesegeräts können einen adoptiven Filter beinhalten, um übliches Rauschen wie reflektierende Strahlung herauszufiltern. Um das System zu kalibrieren, werden alle Detektoren aktiviert, wenn kein chemischer Stoff vorhanden ist. Alle Detektoren werden sodann unter Verwendung mathematischer Bedingungen wie einer Transferfunktion auf Null gesetzt. Der chemische Stoff wird sodann zu dem System hinzugefügt. Eine jegliche Änderung des Signals von den Detektoren wird daher durch den zugesetzten chemischen Stoff bewirkt.
In einem noch weiteren erfindungsgemäßen Aspekt werden die Fasern 110, die vorstehend beschrieben wurden, in ein Faserradmischsystem zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe eingebaut. Es sollte anerkannt werden, dass das Faserradmischsystem für eine jegliche der chemischen Wechselwirkungen, die vorstehend in Zusammenhang mit der Faseranordnung beschrieben wurden, verwendet werden kann. Das Faserradmischsystem beinhaltet im Allgemeinen einen Behälter zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes und ein Rad, einschließ lich Fasern, die darauf einen chemischen Stoff immobilisiert haben. Die 20–26 und 30 und 31 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Faserradmischsystems. Die 27–29 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Strahlungsevaluationssystems zum Nachweisen und Evaluieren von Strahlungssignalen, die als ein Ergebnis eines Mischens zwischen zwei chemischen Stoffen erzeugt werden.
20 ist eine perspektivische Ansicht eines Rads 2000 mit einer Vielzahl von Fasern 2011, wobei eine jegliche davon einen chemischen Stoff darauf immobilisiert hat. Das Rad 2000 weist ein oberes Ende 2002, einen Boden 2003, eine Umfangsseitenwand 2004 und eine Längsachse (nicht gezeigt) auf, die durch eine zentrale Radöffnung 2006 in eine Richtung parallel zu den Fasern 2011 verläuft. Obwohl das Rad 2000 derartig geformt und dimensioniert sein kann, um einen jeglichen gewünschten Durchmesser und eine jegliche gewünschte Höhe aufzuweisen, ist es bevorzugt, dass es ein Seitenverhältnis von mehr als 1,0 aufweist, wobei das Seitenverhältnis als ein Verhältnis des Raddurchmessers zu der Radhöhe (d.h. der vertikale Abstand zwischen dem oberen Ende 2002 und dem Boden 2003 des Rades 2000) definiert ist. Die Größe des Rades 2000 kann angepasst sein, um die gewünschte Anzahl an darauf angeordneten Fasern 2011 und den vorbestimmten Abstand dazwischen in Einklang zu bringen. Zum Beispiel kann ein Rad mit einem Durchmesser von etwa 63 mm auf seiner Seitenwand bis 1000 Fasern (Durchmesser von 200 μm oder weniger) aufnehmen, während ein Abstand von 200 μm von Zentrum zu Zentrum zwischen benachbarten Fasern beibehalten wird. Der Raddurchmesser kann von 5 bis 10 cm reichen, obwohl größere oder kleinere Raddurchmesser bevorzugt sein können, abhängig von der Anzahl von anzuordnenden Fasern 2011 und des gewünschten Abstands dazwischen. Das Rad 2000 kann auch die zentrale Radöffnung 2006 zu Handhabungszwecken einschließen, die genauer nachstehend beschrieben werden.
Immer noch in Bezug auf 20 wird eine Vielzahl der Fasern 2011 auf der Umfangsseitenwand 2004 des Rades 2000 mittels mechanischen und/oder chemischen Anbindens angeordnet. Die Fasern 2011 sind vorzugsweise parallel zueinander und in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Rades 2000 angeordnet. Die Fasern 2011 können auch derart angeordnet sein, um eine gleichmäßige Beabstandung dazwischen aufrechtzuerhalten. Die Seitenwand 2004 kann eine Vielzahl von Furchen 2005 einschließen, wobei sich jede davon von der oberen Öffnung 2002 erstreckt und an dem Boden 2003 des Rades 2000 aufhört. Die Furchen 2005 sind derartig geformt und dimensioniert, um die Fasern 2011 aufzunehmen und die Ausrichtung der Fasern 2011 zu vereinfachen. Die Furchen 2005 können auch derartig geformt sein, um die Fasern 2011 festzuhalten. Zusätzlich sollte anerkannt werden, dass die Furchen optisch gebogen sein können, um die Strahlung in die Detektoren in einer Weise zu reflektieren, die eine optimale Sammlungseffizienz unterstützt. Es sollte anerkannt werden, dass eine jegliche geometrische Krümmung der Furchen verwendet werden kann, um Strahlung zu den Detektoren zu reflektieren.
21 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinders 2100 mit einer Vielzahl von Fasern 2011, die jeweils darauf einen chemischen Stoff immobilisiert haben. Der Zylinder 2100 weist vorzugsweise eine Länge auf, die wesentlich größer ist als sein Durchmesser, so dass die Fasern 2011 eine jegliche gewünschte Länge entlang einer Oberfläche 2103 des Zylinders 2100 aufweisen können. Zum Beispiel können die Fasern 2011 eine Länge von 5 bis 10 Zentimetern auf der Oberfläche 2103 des Zylinders 2100 aufweisen, der einen Durchmesser von etwa 63 mm aufweisen kann. Der Zylinder 2100 kann eine zentrale Zylinderöffnung 2106 zur Einfachheit der Handhabung einschließen. Sobald der Zylinder 2100 mit den Fasern 2011 angeordnet ist, kann er bei vorbeschriebenen Längen vorgeschnitten und/oder vorperforiert sein, um eine Vielzahl von Rädern 2000 vorzuformen, die leicht in einer der Richtungen senkrecht zu der Längsachse des Zylinders 2100 trennbar sind. Es sollte anerkannt werden, dass der Zylinder aus einzelnen Rädern bestehen kann, die unter Verwendung eines Befestigungsmittels wie eines Schnappers oder Adhäsionsmittels wie Kleber oder Klebeband verbunden sind, so dass nach Platzieren der Faser auf dem Zylinder das Rad leicht abgetrennt werden kann. Das Rad 2000 mit einer vorbeschriebenen Höhe kann sodann dadurch hergestellt werden, dass eine Endradeinheit 2000 von dem Rest des Zylinders 2001 zum Beispiel durch Anwenden von mechanischer Kraft wie einem Messer oder eines Wasserstrahls, Wärme wie Laserschneiden oder durch andere Abtrennverfahren, die bekannt sind, abgetrennt wird. Ein oder mehrere Räder 2000 können von dem Zylinder 2001 abgetrennt werden, wobei Obacht gegeben wird, die chemischen Stoffe von einer Faser auf eine andere nicht zu kontaminieren. Die Räder 2000 und die Zylinder 2001 können aus einem jeglichen Material hergestellt sein, das ähnlich zu demjenigen der Faseranordnung ist. Die Oberfläche des Rades 2000 und des Zylinders 2001 können auch mit Merkmalen bereitgestellt werden wie einer Niedrigfluoreszenz- oder reflektierenden Beschichtung, z.B. kann der Zylinder aus einem Plastikmaterial hergestellt sein, was eine dampfabgeschiedene Goldbeschichtung aufweist.
22 ist eine Schnittzeichnung eines Rades 2000, das an eine Radrotationsvorrichtung 2201 über eine Drehkupplung wie einer Achse 2202, die dazwischen positioniert ist, gekoppelt ist. Durch Koppeln eines Endes der Achse 2202 an die Radrotationsvorrichtung 2201 und durch fixierendes Koppeln des anderen Endes der Achse 2202 an das Rad 2000 durch seine zentrale Radöffnung 2006 kann das Rad 2000 mittels der Radrotationsvorrichtung 2201 wie einem elektrischen Motor, einem manuellen Rotationsaufbau oder anderen bekannten Rotationsvorrichtungen rotiert werden. Eine Dichtscheibe 2203 kann zwischen dem Rad 2000 und der Radrotationsvorrichtung 2201 positioniert sein. Die Scheibe 2203 ist vorzugsweise gemäß der Dimension des Behälters derart geformt und dimensioniert, so dass die Scheibe 2203 als eine Abdeckplatte dienen kann, die in abdichtender Weise in den Behälter eingreift, wie es später beschrieben werden wird. Die Scheibe 2203 wird locker durch die Achse 2202 beschränkt, die durch eine zentrale Scheibenöffnung 2204 läuft. Eine Bodenoberfläche der Scheibe 2203 kann geformt sein, um bei Errichtung des oberen Endes 2002 des Rades 2000 konkav zu sein, um die Rotationsreibung dazwischen zu minimieren. Eine Sicherungsscheibe 2205 kann auch an dem oberen Ende der Scheibe 2203 bereitgestellt und angeordnet sein, um leicht sowohl das Rad 2000 als auch die Scheibe 2203 abwärts zu pressen. Es sollte anerkannt werden, dass die Achse 2202 lediglich ein Beispiel der Rotationskupplung sein kann, die verwendet werden kann, um das Rad 2000 an die Radrotationsvorrichtung 2201 zu koppeln. Zum Beispiel können ein Zylinder 2100 und ein Rad 2000 ohne jegliche zentrale Öffnungen 2006, 2106 darin hergestellt sein. Der Fachmann würde anerkennen, dass solche Räder 2000 ohne eine zentrale Radöffnung 2006 an die Radrotationsvorrichtung 2201 unter Verwendung anderer Drehkupplungen wie einem Unterdruckfutter, Magnet oder anderen bekannten rotierbaren Kupplungselementen gekoppelt und dadurch rotiert werden kann.
23 ist eine Schnittzeichnung eines Behälters 2003, der an eine Behälterrotationsvorrichtung 2306 gekoppelt ist. Der Behälter 2300 ist fähig zur Aufnahme und Lagerung des mobilen chemischen Stoffes darin und zur Aufnahme mindestens eines Teils der Umfangsseitenwand 2004 des Rades 2000. Der Behälter 2300 ist vorzugsweise ein offener Zylinder mit einer oberen Öffnung 2301, mit einem Hohlraum 2302 und den Behälterseitenwänden 2305. Der Hohlraum 2302 wird durch eine Hohlraumseitenwand 2303 und einer Hohlraumbodenoberfläche 2304 definiert. Da der Behälter 2300 das Rad 2000 darin aufnehmen soll, wird die Konfiguration des Behälters 2300 durch die Form und Dimension des Rades 2000 bestimmt. Zusätzlich ist auch der Behälter 2300 angeordnet, um einen ringförmigen Kammerzwi schenraum mit vorbeschriebenen Dimensionen zwischen der Hohlraumseitenwand 2303 und der Umfangsseitenwand 2004 des Rads 2000 auszubilden (der Kammerzwischenraum ist in 25 gezeigt, d.h. ein ringförmiger Raum, der bei Rotation mit dem mobilen chemischen Stoff 2310 gefüllt sein wird). Der Kammerzwischenraum weist im Allgemeinen eine Dicke von weniger als einigen Zentimetern und vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 1,5 mm auf. Die Hohlraumbodenoberfläche 2304 kann geformt sein, um aufwärts konkav zu sein, um eine Rotationsreibung gegenüber dem Boden 2003 des Rades 2000 zu minimieren und vorzugsweise den mobilen chemischen Stoff 2310 in Richtung der Hohlraumseitenwand 2303 abzudrängen. Der Behälter 2300 ist im Allgemeinen aus einem inerten Material und vorzugsweise aus einem Material mit niedrigen Kosten hergestellt, so dass er nach einer Verwendung weggeworfen werden kann. Die Behälterseitenwand 2305 und/oder Hohlraumseitenwand 2303 kann aus einem flexiblen Material hergestellt sein, das ähnlich zu denjenigen der Faseranordnungen ist. Es sollte anerkannt werden, dass der Behälter im Allgemeinen aus Materialien hergestellt sein kann, die die gleichen oder ähnlich zu den Faseranordnungen sind.
Immer noch in Bezug auf 23 wird der Behälter 2300 mechanisch an die Behälterrotationsvorrichtung 2306 über eine Plattform 2307, die dazwischen positioniert ist, gekoppelt. Eine obere Oberfläche der Plattform 2307 ist geformt und dimensioniert, um den Behälter 2300 derart aufzunehmen, dass die Behälterrotationsvorrichtung 2306 die Plattform 2307 zusammen mit dem Behälter 2300 rotieren kann. Die Plattform 2307 kann ein Heizelement 2311, einen Temperatursensor 2312 oder eine Temperatursteuerung 2313 zum Erhitzen der in dem Behälter 2300 gelagerten Flüssigkeit und Steuern der Temperatur davon einschließen.
24 ist eine Schnittansicht eines Flüssigkeitszuführsystems 2400 für eine erfindungsgemäße Verwendung. Im Allgemeinen ist ein Flüssigkeitsweg 2401 innerhalb des Rades 2000 eingebettet und endet an einem oder mehreren Einlassöffnungen 2402 und Auslassöffnungen 2403. Der mobile chemische Stoff wird durch die Einlassöffnung 2402 eingebracht, durch den Flüssigkeitsweg 2401 zu der Auslassöffnung 2403 bewegt, und in den Kammerzwischenraum (in 25 gezeigt), der sich zwischen der Hohlraumseitenwand 2303 und der Umfangsseitenwand 2004 des Rades 2000 bildet, abgelassen. Schwerkraft, Kapillarwirkung, Zentrifugalkraft und/oder elektroosmotische Kraft können als die treibende Kraft zum Bewegen des mobilen chemischen Stoffes durch den Flüssigkeitsweg 2401 verwendet werden. Ein Filter (nicht gezeigt) kann bei den Einlass- und/oder Auslassöffnungen 2402, 2403 oder entlang des Flüssigkeitsweges 2401 bereitgestellt werden, um unerwünschte Substanzen von dem mobilen chemischen Stoff zu entfernen. Eine Filtration kann durch Adsorption, Absorption, Filtration oder andere bekannte Filtermechanismen durchgeführt werden.
Die 25 und 26 sind eine Schnittzeichnung bzw. eine Draufsicht eines Faserradmischsystems 2500. Im Betrieb wird der mobile chemische Stoff 2310 in den Hohlraum 2302 des Behälters 2300 durch das vorstehend beschriebene Flüssigkeitszufuhrsystem 2400 geladen (gezeigt in 31). Alternativ dazu kann der mobile chemische Stoff 2310 direkt in den Behälterhohlraum 2302 mit einer Spritze oder Pipette oder durch ein anderes manuelles oder automatisiertes Mittel geladen werden. Wie in den 25 und 26 veranschaulicht, wird das Faserradmischsystem 2500 durch Positionieren des Rads 2000 in den Behälterhohlraum 2302, Einpassen der Scheibe 2203 auf die obere Öffnung 2301 des Behälters 2003, abdichtendes Eingreifen der Scheibe 2203 um die obere Öffnung 2301 herum und Ausbilden eines abgeschlossenen Raums zum Beinhalten des mobilen chemischen Stoffes 2310 aufgebaut. Das Rad 2000 und der Behälter 2300 werden durch die entsprechenden Rotationsvorrichtungen 2201, 2306 rotiert. Die Geschwindigkeit und Dauer der Rotation können variieren, abhängig von den chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten, und können von Sekunden bis Stunden reichen. Der mobile chemische Stoff 2310 wird sodann in Richtung der Hohlraumseitenwand 2303 durch die Zentrifugalkraft verdrängt und bildet eine ringförmige Flüssigkeitssäule 2310. Im Allgemeinen wird die Dicke der Flüssigkeitssäule durch mehrere Faktoren wie dem Hohlraumdurchmesser, der Hohlraumhöhe, der Kammerzwischenraumdimension und der Menge des mobilen chemischen Stoffes 2310 bestimmt, die in den Behälterhohlraum 2302 geladen wird. Durch Füllen des Kammerzwischenraums mit einer vorbeschriebenen Menge des mobilen chemischen Stoffes 2310 kann der auf den Fasern 2011 des Rades 2000 immobilisierte chemische Stoff den mobilen chemischen Stoff 2310 kontaktieren.
Es wird anerkannt, dass das Rad 2000 und der Behälter 2300 vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen bei einer Geschwindigkeit rotiert werden, die ausreicht, um eine turbulente Mischzone an den Mischpunkten zu erzeugen. Das turbulente Mischen erhöht die Kontakteffizienz und minimiert die Menge des chemischen Stoffes, die für ein effizientes Mischen zwischen diesen erforderlich ist. Rotationsgeschwindigkeiten, die zum Ausbilden der turbulenten Mischzone erforderlich sind, können leicht bestimmt und durch Einbringen eines Indikators oder Farbstoffs in die Mischzone und Beobachtens des Mischmusters darin oder durch Analysieren der Intensität der Strahlungssignale, die von den Fasern 2011 entstammen, was genauer nachstehend beschrieben werden wird, bestätigt werden. Der Fachmann würde anerkennen, dass ein Rotieren lediglich des Rades 2000 oder des Behälters 2003 auch eine ähnliche turbulente Mischzone erzeugen kann.
Zwischenräume 2501, 2502 können an den Kontaktzonen zwischen der Scheibe 2203 und dem Rad 2000 und zwischen dem Rad 2000 und der Hohlraumbodenoberfläche 2304 bereitgestellt werden. Diese Zwischenräume 2501, 2502 minimieren die Rotationsreibung und können als ein zusätzlicher Flüssigkeitskanal dienen, durch den der mobile chemische Stoff 2310 während einer Rotation aus einem Hohlraumzentrum in Richtung der Hohlraumseitenwand 2303 verdrängt werden kann.
Die 27 und 28 zeigen zwei Ausführungsformen eines Strahlungsevaluationssystems 2700 zum Nachweisen von Strahlungssignalen, die als ein Ergebnis eines Mischens zweier oder mehrerer chemischer Stoffe erzeugt werden. Das Strahlungsevaluationssystem 2700 beinhaltet typischerweise eine Strahlungsquelle 2701, Strahlungsleitvorrichtungen 2702a, 2702b und eine Strahlungsnachweisvorrichtung 2703. Die Strahlungsquelle 2701, wie ein Laser oder eine Bogenlampe, erzeugt einen Lichtstrahl 2705 der gewünschten Wellenlänge, der auf ein Ende der Faser 2011 gerichtet wird. Eine geeignete Strahlungsquelle 2701 und eine geeignete Wellenlänge der Strahlung können durch Verfahren ausgewählt werden, die ähnlich zu denjenigen sind, die vorstehend im Zusammenhang mit der Faseranordnung 100 beschrieben wurden. Für erfindungsgemäße Zwecke sind die Fasern 2011 vorzugsweise optische Fasern, wobei Details davon bereits vorstehend beschrieben wurden. Die Strahlungsquelle 2701 befindet sich unter der Plattform 2307 derart, dass der Lichtstrahl 2705 auf das Ende der Faser 2011 gerichtet wird und intern darin reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 2705 erzeugt eine infinitesimale Welle auf einer Oberfläche der Faser 2011, wodurch der daran angebundene chemische Stoff belichtet wird. Da die Intensität der infinitesimalen Welle exponentiell mit dem Abstand von der Oberfläche der Faser 2011 abnimmt (sie verschwindet über 300 nm fast), wird der chemische Stoff aber nicht das die Faser 2011 umgebende Material belichtet, d.h. lediglich die Faser 2011 fluoresziert. Insbesondere und wie vorstehend beschrieben werden lediglich diejenigen Stellen entlang jeder Faser 2011, bei denen eine gewisse Art einer Wechselwirkung zwischen den chemischen Stoffen aufgetreten ist, ein nachweisbares Signal wie Fluoreszenz erzeugen. Die Strahlungs leitvorrichtung wie eine Fokussierungslinse 2702a und ein reflektierender Spiegel 2702b können verwendet werden, um Photonen zu sammeln, die durch Fluoreszenz von den Fasern 2011 erzeugt werden, und um die Photonen in die Strahlungsnachweisvorrichtung 2703 zu fokussieren. Beispiele solcher Strahlungsleitvorrichtungen beinhalten in nicht begrenzender Weise Linsen, Spiegel, Prismen und andere optische bekannte Elemente. Die Strahlungsleitvorrichtung 2702a, 2702b als auch eine optionale reflektierende Beschichtung auf der Umfangsseitenwand 2704 des Rades 2000 richtet mehr Photonen in die Strahlungsnachweisvorrichtung 2703, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der nachgewiesenen Strahlungssignale verbessert wird.
In Betrieb wird nach Messen des Strahlungssignals bei einem gegebenen Mischpunkt oder entlang einer gegebenen Faser 2011 das Rad 2000 sequenziell entweder manuell oder automatisch rotiert. Die Rotation stellt einen neuen Mischpunkt und/oder eine neue Faser in das Feld des Strahlungsevaluationssystems 2700 und richtet den Lichtstrahl 2705 in ein Ende der neuen Faser. Es wird anerkannt, dass eine optische Strahlungsleitvorrichtung zwischen der Lichtquelle 2701 und der Plattform 2307 positioniert werden kann, um den Lichtstrahl 2705 auf das Ende der Faser 2011 zu fokussieren. Eine optionale Bewegungsvorrichtung 2704 kann verwendet werden, um die Strahlungsquelle 2701 und/oder die Strahlungsleitvorrichtungen 2702a, 2702b entlang eines Umfangs des Rades 2000 zu bewegen, um den Lichtstrahl 2705 genau mit dem Ende jeder Faser 2011 auszurichten. Zusätzlich kann ein optionales Bewegungsnachweissystem mit Bewegungssensoren (nicht gezeigt), wie Infrarotstrahlungssensoren verwendet werden, um die Position der Bewegungsvorrichtung 2704 zu überwachen.
29 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Strahlungsevaluationssystems 2900. Die Photonen, die in der Strahlungsnachweisvorrichtung 2703 gesammelt werden, erzeugen einen elektrischen Strom im Verhältnis zu der Anzahl an nachgewiesenen Photonen. Dieses elektrische Signal wird verstärkt, prozessiert und über die Zeit durch eine elektrische Vorrichtung 2901, z.B. ein Oszilloskop oder einen Computer, aufgezeichnet. Wie vorstehend beschrieben, wird nach Messen des Strahlungssignals bei einem gegebenen Mischpunkt oder entlang einer gegebenen Faser 2011 das Rad 2000 sequenziell rotiert und ein neuer Mischpunkt oder eine neue Faser wird in das Feld des Strahlungsevaluationssystems 2900 gebracht. Der Lichtstrahl 2705 wird in ein Ende der neuen Faser gerichtet und die vorstehenden Abläufe werden wiederholt.
Die 30 und 31 veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines Faserradmischsystems 3000, einschließlich eines Radaufbaus 3001 und eines Containers 3010 mit vielen Hohlräumen. 30 ist eine Schnittzeichnung des Systems 3000 entlang einer Drehkupplung, wie einer Rotationsachse 3002. 31 ist eine Schnittzeichnung des Systems 3000 in einer Richtung senkrecht zu der Rotationsachse 3002 der 30. Der Radaufbau 3001 beinhaltet viele Räder 2000, die entlang der Rotationsachse 3002 durch ihre zentralen Radöffnungen 2006 vertikal positioniert sind, und ist in rotierender Weise an die Radrotationsvorrichtung 2201 gekoppelt. Der Behälter 3010 mit vielen Hohlräumen besteht aus einem oberen Teil 3011 und einem unteren Teil 3012 und jeder der oberen und unteren Teile 3011, 3012 beinhaltet obere bzw. untere Trennwände 3013, 3014. Der obere Teil 3011 und die oberen Trennwände 3013 sind angeordnet, um über den unteren Teil 3012 und entsprechenden unteren Trennwänden 3014 derart zu passen, dass sich viele Hohlräume 3015 in dem Behälter 3010 bilden. Der Container 3010 mit vielen Hohlräumen kann auch an die Behälterrotationsvorrichtung 2306 in rotierender Weise gekoppelt sein.
In Betrieb wird der Radaufbau 3001 zusammengebaut und in den unteren Teil 3012 des Behälters 3010 mit vielen Hohlräumen derart positioniert, dass etwa eine untere Hälfte jedes Rades 2000 durch einen entsprechenden Hohlraum 3015 des unteren Teils 3012 aufgenommen wird. Der obere Teil 3011 wird sodann in abdichtender Weise über den unteren Teil 3012 eingegriffen und jeder Hohlraum 3015 trennt ein entsprechendes Rad 2000 von seinen Nachbarn in abdichtender Weise. Der mobile chemische Stoff 3010 wird in jeden Hohlraum 3015 entweder direkt mit einer Spritze oder Pipette oder durch ein Flüssigkeitszufuhrsystem, das zu dem in 24 beschriebenen ähnlich ist, geladen. Mindestens eines aus dem Radaufbau 3001 oder dem Container 3010 mit vielen Hohlräumen wird durch die entsprechenden Rotationsvorrichtungen 2201, 2306 rotiert, wodurch der zweite immobilisierte chemische Stoff mit dem mobilen chemischen Stoff 3020, der in den Hohlräumen 3015 gelagert wird, in Kontakt kommt. Der Fachmann würde anerkennen, dass ein jeglicher Hohlraum 3015 mit unterschiedlichen chemischen Stoffen beladen werden kann und dass jedes Rad 2000 mit Fasern eingerichtet werden kann, die mit unterschiedlichen chemischen Stoffen immobilisiert sind. Da die Prozessierungszeitspanne für viele Proben nicht wesentlich mehr ist als für ein Prozessieren einer einzelnen Probe, stellt das System mit vielen Rädern und vielen Kammern der 30 und 31 einen Vorteil einer Verminderung von Laborkosten pro Probe bereit. Es wird anerkannt, dass andere Merkmale und Vorteile des in den 20–27 beschriebenen Faserradmischsystems 2000 gleichsam auf das System 3000 mit vielen Rädern und vielen Kammern der 30 und 31 zutreffen. Zum Beispiel kann der Radaufbau 3001 und der Behälter 3010 mit vielen Hohlräumen in entgegengesetzten Richtungen bei einer Geschwindigkeit rotiert werden, die ausreicht, um eine turbulente Mischzone an den Mischpunkten zu erzeugen.
Die Faserradmischvorrichtung stellt eine Vorrichtung von hoher Qualität zum In-Kontakt-Bringen verschiedener chemischer Stoffe bereit. Da die Fasern leicht getestet werden können, um die Qualität einer Immobilisierung des chemischen Stoffes auf der Faser zu bestimmen, können Fasern von hoher Qualität vorzugsweise für eine Verwendung auf dem Rad ausgewählt werden.
Zusätzlich werden die erfindungsgemäß verwendeten Fasern vollständig getrocknet, nachdem ein chemischer Stoff immobilisiert wurde, und bevor sie auf dem Rad angeordnet werden. Dementsprechend kann eine Kontaminierung zwischen Mischpunkten verhindert werden, da es eine geringe Wahrscheinlichkeit eines Bespritzens eines chemischen Stoffes auf einen weiteren gibt, wie es der Fall beim Bepunkten mittels eines Roboters sein kann.
Die Faserradmischvorrichtung ist auch relativ leicht zu verwenden. Die Probe mit einem mobilen chemischen Stoff wird einfach in den Behälter mit einer Spritze oder Pipette oder durch eine geeignete Flüssigkeitszufuhrvorrichtung geladen. Das Rad wird in dem Behälter platziert und eine Rotationsvorrichtung wird aktiviert. In dem Fall, dass nach einem Mischen ein Waschen erforderlich sein sollte, kann das Rad aus dem Behälter entfernt und in eine Waschlösung eingetaucht werden. Signale, die als ein Ergebnis eines Mischens erzeugt werden, können in einer Reihe von Wegen nachgewiesen und evaluiert werden. Der Behälter kann nach einer Verwendung verworfen werden, was den Bedarf von Waschbehältern beseitigt und die Möglichkeit für eine Kontamination vermindert.
Ferner erzeugt durch ein Rotieren sowohl des Rades als auch des Behälters in entgegengesetzte Richtungen die Faserradmischvorrichtung eine turbulente Mischzone um die Mischpunkte herum. Das turbulente Mischen erhöht dramatisch die Kontakteffizienz. Aufgrund eines solchen hochgradig effizienten Mischmechanismus wird lediglich eine minimale Menge des zweiten immobilisierten chemischen Stoffes zum Mischen und für eine Analyse benötigt, was wesentlich geringer ist als das von herkömmlicheren Ansätzen.
Die Faserradmischvorrichtung verbessert auch signifikant das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Signale. Zum Beispiel kann die Strahlungsnachweisvorrichtung die Strahlungssignale, die direkt von den Mischpunkten abstammen, analysieren. Bei einer geringen Streuung, um unerwünschte Reaktionen zu bewirken, sollte das Rauschen, das durch die Strahlungsnachweisvorrichtung gesammelt wird, sehr gering sein. In einem wünschenswerten Kontrast dazu ist die Menge an Photonen, die in der Strahlungsnachweisvorrichtung gesammelt werden, hoch, da die Radgeometrie, Linsen, Spiegel und Reflektoren sehr hohe Prozentsätze des Strahlungssignals in die Strahlungsnachweisvorrichtung fokussieren. Das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis stellt auch eine signifikante Verbesserung in dem dynamischen Bereich und Sensitivität der Faserradmischvorrichtung um zwei Größenordnungen gegenüber typischen herkömmlichen Bepunktungstechniken bereit.
Der Fachmann wird anerkennen, dass die erfindungsgemäßen Faseranordnungen in nahezu einem jeglichen Test verwendet werden können, bei dem ein Nachweis von Wechselwirkungen zwischen chemischen Stoffen erwünscht ist. Zum Beispiel können die Faseranordnungen zweckmäßig verwendet werden, um auf Verbindungen zu screenen und diese zu identifizieren, die an einen Rezeptor von Interesse binden, wie Peptide, die an einen Antikörper binden, organische Verbindungen, die an ein Enzym oder Rezeptor binden, oder komplementäre Polynukleotide, die aneinander binden (miteinander hybridisieren). Jedoch sind die erfindungsgemäßen Anordnungen nicht auf Anwendungen begrenzt, bei denen ein chemischer Stoff einen weiteren bindet. Die erfindungsgemäßen Anordnungen können auch verwendet werden, um auf Verbindungen zu screenen und diese zu identifizieren, die chemische Reaktionen katalysieren, wie Antikörper, die zum Katalysieren bestimmter Reaktionen fähig sind, und auf Verbindungen zu screenen und diese zu identifizieren, die nachweisbare biologische Signale verursachen, wie Verbindungen, die einen Rezeptor von Interesse agonisieren. Die einzige Voraussetzung ist diejenige, dass die Wechselwirkung zwischen den zwei chemischen Stoffen ein nachweisbares Signal verursacht. Folglich sind die erfindungsgemäßen Faseranordnungen in jeglichen Anwendungen verwendbar, die den Vorteil von Anordnungen oder Bibliotheken von immobilisierten Verbindungen verwenden, wie die unzähligen Festphase-, kombinatorische Bibliothek-Testverfahren, die im Stand der Technik beschrieben sind. Für einen kurzen Überblick der verschiedenen Tests, für die die erfindungsgemäßen Fa seranordnungen leicht angepasst werden können, vergleiche Gallop et al., 1994, J. Med. Chem. 37: 1233–1251; Gordon et al., 1994, J. Med. Chem. 37: 1385–1401; Jung, 1992, Agnew Chem. Pat. Ed. 31: 367–386; Thompson & Ellman, 1996, Chem Rev. 96: 555–600 und die Referenzen, die in allen Vorstehenden zitiert sind.
Die erfindungsgemäßen Faseranordnungen sind besonders für Anwendungen verwendbar, die eine Hybridisierung von Nukleinsäuren einschließen, insbesondere diejenigen Anwendungen, die Anordnungen mit einer hohen Dichte von immobilisierten Polynukleotiden einschließen, einschließlich z.B. einer de novo-Sequenzierung durch Hybridisierung (SBH) und eines Nachweises von Polymorphismen. Bei diesen Anwendungen können herkömmliche typischerweise im Stand der Technik verwendete immobilisierte Polynukleotidanordnungen zweckmäßig und vorteilhafterweise durch die erfindungsgemäßen Faseranordnungen ersetzt werden. Für einen Überblick der verschiedenen Hybridisierungstests auf Anordnungsbasis, bei denen die erfindungsgemäßen Faseranordnungen Verwendung finden, vergleiche die US-PSen 5,202,231, 5,525,464, die WO 98/31836 und die Referenzen, die in allen Vorstehenden zitiert sind.
Auf der Basis des Vorstehenden wird der Fachmann anerkennen, dass der auf der Faser immobilisierte chemische Stoff nahezu ein jeglicher Typ von Verbindungen sein kann, der von organischen Verbindungen wie potentiellen Arzneimittelkandidaten, Polymeren und kleinen Molekülinhibitoren, Agonisten und/oder Antagonisten zu biologischen Verbindungen wie Polypeptiden, Polynukleotiden, Polykohlenhydraten, Lektinen, Proteinen, Enzymen, Antikörpern, Rezeptoren, Nukleinsäuren, etc. reichen. Die einzige Anforderung besteht darin, dass der chemische Stoff fähig ist, an die Faser immobilisiert zu werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der auf der Faser immobilisierte chemische Stoff ein Polynukleotid. Typischerweise wird das Polynukleotid eine Strängigkeit und Länge aufweisen, die für Format II- und Format III-SBH und verwandte Anwendungen geeignet sind. Folglich wird das Polynukleotid allgemein einzelsträngig sein und aus etwa 4 bis 30, typischerweise etwa 4 bis 20 und gewöhnlich etwa 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 20 Nukleotiden bestehen. Jedoch wird anerkannt werden, dass die erfindungsgemäßen Faseranordnungen in gleicher Weise für eine Verwendung mit Format I-SBH und verwandten Anwendungen angepasst sind, bei denen eine immobilisierte Zielnukleinsäure mit Lösungsphasenoligonukleotidsonden abgefragt wird. Folglich kann das Polynukleotid eine jegliche Anzahl von Nukleotiden hinsichtlich der Länge aufweisen und kann entweder einzel- oder doppelsträngig sein, abhängig von der spezifischen Anwendung.
Das Polynukleotid kann vollständig aus Desoxyribonukleotiden, vollständig aus Ribonukleotiden aufgebaut sein oder kann aus Gemischen aus Desoxy- und Ribonukleotiden aufgebaut sein. Jedoch sind aufgrund ihrer Stabilität gegenüber RNasen und hohen Temperaturen als auch ihrer Syntheseleichtigkeit Polynukleotide, die vollständig aus Desoxyribonukleotiden aufgebaut sind, bevorzugt.
Das Polynukleotid kann aus allen natürlichen oder allen synthetischen Nukleotidbasen oder einer Kombination von beiden aufgebaut sein. Obwohl in den meisten Fällen das Polynukleotid vollständig aus den natürlichen Basen (A, C, G, T oder U) aufgebaut sein wird, kann unter bestimmten Umständen die Verwendung von synthetischen Basen bevorzugt sein. Übliche synthetische Basen, aus denen das Polynukleotid aufgebaut sein kann, beinhalten 3-Methyluracil, 5,6-Dihydrouracil, 4-Thiouracil, 5-Bromuracil, 5-Thiouracil, 5-Ioduracil, 6-Dimethylaminopurin, 6-Methylaminopurin, 2-Aminopurin, 2,6-Diaminopurin, 6-Amino-8-brompurin, Inosin, 5-Methylcytosin und 7-Deazaguanosin. Zusätzliche nicht begrenzende Beispiele synthetischer Basen, aus denen das Polynukleotid aufgebaut sein kann, können in Fasman, CRC Practical Handbook of Biochemistry and Molecular Biology, 1985, S. 385–392 gefunden werden.
Außerdem kann, obwohl das Rückgrat des Polynukleotids typischerweise vollständig aus „nativen" Phosphodiesterbindungen aufgebaut sein kann, es eine oder mehrere modifizierte Bindungen enthalten wie eine oder mehrere Phosphorothioat-, Phosphoramidit- oder andere modifizierte Bindungen. Als ein spezifisches Beispiel kann das Polynukleotid eine Peptidnukleinsäure (PNA) sein, die Amidbindungen enthält. Zusätzliche Beispiele modifizierter Basen und Rückgrate, die im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden können, als auch Verfahren für ihre Synthese, können z.B. in Uhlman & Peyman, 1990, Chemical Review 90(4): 544–584, Goodchild, 1990, Bioconjugate Chem. 1(3): 165–186, Egholm et al., 1992, J. Am. Chem. Soc. 114: 1895–1897; Gryaznov et al., J. Am. Chem. Soc. 116: 3143–3144, als auch den Referenzen, die in allen Vorstehenden zitiert sind, gefunden werden.
Obwohl das Polynukleotid oft eine zusammenhängende Abfolge von Nukleotiden sein wird, muss es dies nicht sein. Abfolgen von Nukleotiden können durch ein oder mehrere Linkermoleküle unterbrochen werden, die nicht bei sequenzspezifischen Basenpaarwechselwirkungen mit einer Zielnukleinsäure teilnehmen. Die Linkermoleküle können flexibel, halbstarr oder starr sein, abhängig von der gewünschten Anwendung. Eine Vielzahl von Linkermolekülen, die zum Beabstanden eines Moleküls von einem weiteren oder von einer festen Oberfläche geeignet sind, wurden im Stand der Technik beschrieben (und wurden gründlicher vorstehend beschrieben). Alle diese Linkermoleküle können verwendet werden, um Bereiche des Polynukleotids von einem anderen zu beabstanden. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses erfindungsgemäßen Aspekts weist die Linkergruppe ein bis zehn, vorzugsweise zwei bis sechs, Alkylenglykolgruppen, vorzugsweise Ethylenglykolgruppen, auf.
Das Polynukleotid kann aus biologischen Proben isoliert, durch PCR-Reaktionen oder andere Matrizen-spezifische Reaktionen erzeugt oder synthetisch hergestellt werden. Verfahren zum Isolieren von Polynukleotiden aus biologischen Proben und/oder PCR-Reaktionen sind bekannt, genauso wie Verfahren zum Synthetisieren und Aufreinigen von synthetischen Polynukleotiden. Aus biologischen Proben und/oder PCR-Reaktionen isolierte Polynukleotide können abhängig von der gewünschten Immobilisierungsart eine Modifizierung an dem 3'- oder 5'-Terminus oder an einer oder mehreren Basen benötigen, wie es gründlicher nachstehend beschrieben werden wird. Außerdem sollte, da das Polynukleotid typischerweise fähig sein muss, an eine weitere Zielnukleinsäure zu hybridisieren, es vorzugsweise, falls es nicht bereits einzelsträngig ist, einzelsträngig gemacht werden, entweder vor oder nach einer Immobilisierung auf der Faser.
Abhängig von der Identität des chemischen Stoffes und des Fasermaterials kann der chemische Stoff durch nahezu ein jegliches Mittel immobilisiert werden, von dem bekannt ist, dass es zum Immobilisieren des spezifischen Typs an chemischem Stoff auf den spezifischen Typ an Fasermaterial wirksam ist. Zum Beispiel kann der chemische Stoff über Absorption, Adsorption, ionische Anziehung oder kovalente Anbindung immobilisiert werden. Die Immobilisierung kann auch mittels Paaren von spezifischen Bindungsmolekülen vermittelt werden, wie Biotin und Avidin oder Streptavidin. Verfahren zum Immobilisieren einer Vielzahl von chemischen Stoffen auf eine Vielzahl von Materialien sind bekannt. Ein jegliches dieser bekannten Verfahren kann im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden.
Für eine Adsorption oder Absorption kann die Faser zweckmäßig dadurch hergestellt werden, dass die Faser mit dem zu immobilisierenden chemischen Stoff für ei ne Zeitspanne in Kontakt gebracht wird, die ausreicht, damit der chemische Stoff auf die Faser adsorbiert oder absorbiert. Nach optionalen Waschschritten wird sodann die Faser getrocknet. Wenn der chemische Stoff ein Polynukleotid ist, können die verschiedenen Verfahren, die in den verschiedenen Dot-Blot- oder anderen Nukleinsäure-Blot-Techniken zum Immobilisieren von Nukleinsäuren auf Nitrocellulose- oder Nylonfiltern beschrieben sind, zweckmäßig für eine erfindungsgemäße Verwendung angepasst werden.
Für eine Immobilisierung durch ionische Anziehung wird die Faser, falls sie nicht inhärent geladen ist, zunächst aktiviert oder mit geladenen Gruppen derivatisiert, bevor sie mit dem zu immobilisierenden chemischen Stoff in Kontakt gebracht wird, der entweder inhärent entgegengesetzt geladen ist oder modifiziert wurde, um entgegengesetzt geladen zu sein.
Für eine Immobilisierung, die mittels spezifischer Bindungspaare vermittelt wird, wird die Faser zuerst derivatisiert und/oder mit einem Mitglied des spezifischen Bindungspaares, wie Avidin oder Streptavidin, beschichtet, und die derivatisierte Faser wird sodann mit einem chemischen Stoff in Kontakt gebracht, der an das andere Mitglied des spezifischen Bindungspaars, wie Biotin, gebunden ist. Verfahren zum Derivatisieren oder Beschichten einer Vielzahl von Materialien mit Bindungsmolekülen wie Avidin oder Streptavidin als auch Verfahren zum Anbinden unzähliger Typen von chemischen Stoffen an Bindungsmoleküle wie Biotin sind bekannt. Für Polynukleotid als chemischen Stoff kann Biotin zweckmäßig in das Polynukleotid entweder an einer terminalen und/oder inneren Base oder an einem oder beiden seiner 5'- und 3'-Termini unter Verwendung käuflich erhältlicher chemischer Synthese- oder biologischer Synthesereagenzien eingebaut werden.
Vorzugsweise ist der chemische Stoff kovalent an die Faser gebunden, gegebenenfalls mittels einer oder mehrerer verbindender Gruppen. Wenn nicht die Faser inhärent reaktive funktionelle Gruppen enthält, die zum Ausbilden einer kovalenten Bindung mit dem chemischen Stoff fähig sind, muss sie zunächst aktiviert oder mit solchen reaktiven Gruppen derivatisiert werden. Typische reaktive Gruppen, die zum Bewirken einer kovalenten Bindung eines chemischen Stoffes an die Faser verwendbar sind, beinhalten Hydroxyl-, Sulfonyl-, Amino-, Cyanat-, Isocyanat-, Thiocyanat-, Isothiocyanat-, Epoxy- und Carboxylgruppen, obwohl andere reaktive Gruppen auch verwendet werden können, wie es dem Fachmann ersichtlich sein wird.
Eine Vielzahl von Techniken zum Aktivieren unzähliger Typen von Fasermaterialien mit reaktiven Gruppen, die zum kovalenten Anbinden von chemischen Stoffen daran, insbesondere biologischen Molekülen, wie Polypeptiden, Proteinen, Polynukleotiden und Nukleinsäuren, geeignet sind, sind bekannt und beinhalten z.B. eine chemische Aktivierung, Aktivierung mittels Koronaentladung, Aktivierung mit Flammenbehandlung, Gasplasmaaktivierung und Plasma-verstärkte Gasphasenabscheidung. Eine jegliche dieser Techniken kann verwendet werden, um die Faser mit reaktiven Gruppen zu aktivieren. Für einen Überblick der vielen Techniken, die verwendet werden können, um die Faser zu aktivieren oder zu derivatisieren, vergleiche Wiley Encyclopedia of Packaging Technology, 2. Auflage, Brody & Marsh, Hrsg., „Surface Treatment", S. 867–874, John Wiley & Sons, 1997, und die darin zitierten Referenzen. Chemische Verfahren, die zum Erzeugen von Aminogruppen auf bevorzugten optischen Glasfasern geeignet sind, sind in Atkinson & Smith „Solid Phase Synthesis of Oligodeoxyribonucleotides by the Phosphite Triester Method" in: Oligonucleotide Synthesis: A Practical Approach, M. J. Gait, Hrsg., 1985, IRL Press, Oxford, insbesondere auf Seiten 45–49 (und den darin zitierten Referenzen), beschrieben. Chemische Verfahren, die zum Erzeugen von Hydroxylgruppen auf bevorzugten optischen Glasfasern geeignet sind, sind in Pease et al., 1994, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 5022–5026 (und den darin zitierten Referenzen) beschrieben. Chemische Verfahren, die zum Erzeugen von funktionellen Gruppen auf Fasermaterialien wie Polystyrol, Polyamiden und gepfropften Polystyrolen geeignet sind, sind in Lloyd-Williams et al., 1997, Chemical Approaches to the Synthesis of Peptides in Proteins, Kapitel 2, CRC Press, Boca Raton, FL (und den darin zitierten Referenzen) beschrieben. Zusätzliche Verfahren sind bekannt und werden dem Fachmann ersichtlich sein.
Für Fasern, die mit einem Leiter wie Gold beschichtet sind, kann der chemische Stoff an den Leiter unter Verwendung bekannter Chemien angebunden werden. Zum Beispiel kann ein Polynukleotid kovalent an eine goldbeschichtete Faser unter Verwendung der in Herne & Taylor, 1997, J. Am. Chem. Soc. 119: 8916–8920 beschriebenen Verfahren kovalent angebunden werden. Diese Chemie kann leicht für ein kovalentes Immobilisieren anderer Typen von chemischem Stoff auf eine goldbeschichtete Faser angepasst werden.
Abhängig von der Art des chemischen Stoffes kann er kovalent an die aktivierte Faser nach einer Synthese und/oder Isolierung immobilisiert werden oder, falls geeig nete Chemien bekannt sind, kann er in situ direkt auf der aktivierten Faser synthetisiert werden. Zum Beispiel kann ein aufgereinigtes Polypeptid kovalent an eine Amino-aktivierte Faser immobilisiert werden, zweckmäßig über seinen Carboxyterminus oder einen Seitenkettenrest, der eine Carboxylgruppe enthält. Alternativ dazu kann das Polypeptid in situ direkt auf einer Amino-aktivierten Faser unter Verwendung von herkömmlichen Festphasenpeptidchemien und -reagenzien synthetisiert werden (vgl. Chemical Approaches to the Synthesis of Peptides and Proteins, Lloyd-Williams et al., Hrsg., CRC Press, Boca Raton, FL, 1997 und die darin zitierten Referenzen). In ähnlicher Weise kann ein aufgereinigtes Polynukleotid, das eine geeignete reaktive Gruppe an einer oder mehreren seiner Basen oder Termini trägt, auf einer Isothiocyanat- oder Carboxy-aktivierten Faser kovalent immobilisiert werden oder alternativ dazu kann das Polynukleotid in situ direkt auf einer Hydroxyl-aktivierten Faser unter Verwendung von herkömmlichen Oligonukleotidsynthesechemien und -reagenzien synthetisiert werden (vgl. Oligonucleotide Synthesis: A Practical Approach, 1985, vorstehend, und die darin zitierten Referenzen). Andere Arten von Verbindungen, die zweckmäßig durch Festphasenverfahren synthetisiert werden können, können auch in situ direkt auf einer Faser synthetisiert werden. Nicht begrenzende Beispiele für Verbindungen, die in situ synthetisiert werden können, beinhalten Bassenisi- und Ugi-Kondensationsprodukte (WO 95/02566), Peptoide (Simon et al., 1992, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89: 9367–9371), nicht oligomerische Nichtpeptidverbindungen (Dewitt et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6909–6913) und 1,4-Benzodiazepine und Derivate (Bunin et al., 1994, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 4708–4712, Bunin & Ellman, 1992, J. Am. Chem. Soc. 114: 10997–10998).
Der Fachmann wird anerkennen, dass, wenn eine chemische in situ-Synthese verwendet wird, die kovalente Bindung, die zwischen dem immobilisierten chemischen Stoff und der Faser gebildet wurde, im Wesentlichen stabil gegenüber den Synthese- und Entschützungsbedingungen sein muss, um einen Verlust des chemischen Stoffes während einer Synthese und/oder Entschützung zu vermeiden. Für Polynukleotide ist eine solche stabile Bindung die Phosphodiesterbindung, die die verschiedenen Nukleotide in einem Polynukleotid verknüpft und die zweckmäßig unter Verwendung bekannter Chemien gebildet werden kann (vgl. z.B. Oligonucleotide Synthesis: A Practical Approach, 1985, vorstehend). Andere stabile Bindungen, die für eine Verwendung mit Hydroxyl-aktivierten Fasern geeignet sind, beinhalten Phosphorothioat-, Phosphoramidit- oder andere modifizierte Nukleinsäurebindungen. Für Fasern, die mit Aminogruppen aktiviert sind, könnte die Bindung eine Phosphoramidat-, Amid- oder Peptidbindung sein. Für Fasern, die mit funktionellen Epoxygruppen aktiviert sind, könnte eine stabile C-N-Bindung ausgebildet werden. Geeignete Reagenzien und Bedingungen zum Ausbilden solcher stabiler Bindungen sind bekannt.
In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird ein Polynukleotid auf einer Faser durch in situ-Synthese auf einer Hydroxyl-aktivierten Faser unter Verwendung käuflich erhältlicher Phosphoramiditsynthesereagenzien und Standardoligonukleotidsynthesechemien immobilisiert. Bei dieser Art wird das Polynukleotid kovalent an die aktivierte Faser mittels einer Phosphodiesterbindung angebunden. Die Dichte an Polynukleotid, das kovalent an die Faser immobilisiert ist, kann zweckmäßig durch Zusatz einer Menge des ersten Synthons (z.B. N-geschütztes 5'-O-Dimethoxytrityl-2'-desoxyribonukleotid-3'-O-phosphoramidit), das ausreicht, um die gewünschte Anzahl von Synthesegruppen auf der Faser bereitzustellen, und Cappen jeglicher nicht umgesetzter Hydroxylgruppen auf der Faser mit einem Cappungsreagenz (z.B. 1,4-Diaminopyridin, DMAP) gesteuert werden. Nachdem der Überschuss an Hydroxylgruppen gecappt worden ist, kann die Tritylgruppe, die die 5'-Hydroxylgruppe schützt, entfernt werden und eine Synthese des Polynukleotids unter Verwendung von Standardtechniken erfolgen. Nach einer Synthese wird das Polynukleotid unter Verwendung herkömmlicher Verfahren entschützt.
In einer alternativen Ausführungsform wird ein Polynukleotid kovalent an die aktivierte Faser über eine Nachsynthese- oder Nachisolationskonjugationsreaktion angebunden. Bei dieser Ausführungsform wird ein vorsynthetisiertes oder isoliertes Polynukleotid, das an seinem 3'-Terminus, 5'-Terminus und/oder an einer seiner Basen mit einer reaktiven funktionellen Gruppe (z.B. Epoxy-, Sulfonyl-, Amino- oder Carboxylgruppe) modifiziert ist, an eine aktivierte Faser über eine Kondensationsreaktion konjugiert, wodurch eine kovalente Bindung ausgebildet wird. Erneut sind im Wesentlichen stabile (d.h. nicht labile) kovalente Bindungen wie Amid-, Phosphodiester- und Phosphoramiditbindungen bevorzugt. Syntheseträger und Synthesereagenzien, die zum Modifizieren des 3'- und/oder 5'-Terminus von synthetischen Polynukleotiden oder zum Einbau einer Base, die mit einer reaktiven Gruppe modifiziert ist, in ein synthetisches Polynukleotid verwendbar sind, sind bekannt und sogar käuflich erhältlich.
Zum Beispiel sind Verfahren zum Synthetisieren von 5'-modifizierten Oligonukleotiden in Agarwal et al., 1986, Nucl. Acids Res. 14: 6227–6245, und Connelly, 1987, Nucl. Acids Res. 15: 3131–3139, beschrieben. Käuflich erhältliche Produkte zum Synthetisieren von 5'-Amino-modifizierten Oligonukleotiden beinhalten die N-TFA-C6-AminoModifier^TM-, N-MMT-C6-AminoModifier^TM- und N-MMT-C12-AminoModifier^TM-Reagenzien, die von Clontech Laboratories, Inc., Palo Alto, Kalifornien, erhältlich sind.
Verfahren zum Synthetisieren von 3'-modifizierten Oligonukleotiden sind in Nelson et al., 1989, Nucl. Acids Res. 17: 7179–7186, und Nelson et al., 1989, Nucl. Acids Res. 17: 7187–7194, beschrieben. Käufliche Produkte zum Synthetisieren von 3'-modifizierten Oligonukleotiden beinhalten das 3'-Amino-ON^TM-kontrolliertes Porenglas und AminoModifier II^TM-Reagenzien, die von Clontech Laboratories, Inc., Palo Alto, Kalifornien, erhältlich sind.
Andere Verfahren zum Modifizieren der 3'- und/oder 5'-Termini von Oligonukleotiden als auch zum Synthetisieren von Oligonukleotiden, die geeignet modifizierte Basen enthalten, werden in Goodchild, 1990, Bioconjugate Chem. 1: 165–186 und den darin zitierten Referenzen bereitgestellt. Chemien zum Anbinden solcher modifizierter Oligonukleotide an Materialien, die mit geeigneten reaktiven Gruppen aktiviert sind, sind bekannt (vgl. z.B. Ghosh & Musso, 1987, Nucl. Acids Res. 15: 5353–5372, Lund et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 10861–10880, Rasmussen et al., 1991, Anal. Chem. 198: 138–142, Kato & Ikada, 1996, Biotechnology and Bioengineering 51: 581–590, Timofeev et al., 1996, Nucl. Acids Res. 24: 3142–3148, O'Donnell et al., 1997, Anal. Chem. 69: 2438–2443).
Verfahren und Reagenzien zum Modifizieren der Enden von Polynukleotiden, die aus biologischen Proben isoliert werden, und/oder zum Einbauen von Basen, die mit reaktiven Gruppen modifiziert sind, in naszierende Polynukleotide sind bekannt und käuflich erhältlich. Zum Beispiel kann ein isoliertes Polynukleotid an seinem 5'-Terminus mit Phosphorokinase phosphoryliert werden und dieses phosphorylierte Polynukleotid kann kovalent auf eine Amino-aktivierte Faser durch eine Phosphoramidat- oder Phosphordiester-Bindung angebunden werden. Andere Verfahren werden dem Fachmann ersichtlich sein.
In einer zweckmäßigen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Polynukleotid, das an seinem 3'- oder 5'-Terminus mit einer primären Aminogruppe modifiziert ist, an eine Carboxy-aktivierte Faser konjugiert. Chemien, die zum Ausbilden von Carboxyamid-Bindungen zwischen funktionellen Carboxyl- und Aminogruppen ge eignet sind, sind auf dem Gebiet der Peptidchemie bekannt (vgl. z.B. Atherton & Sheppard, Solid Phase Peptide Synthesis, 1989, IRL Press, Oxford, England und Lloyd-Williams et al., Chemical Approaches to the Synthesis of Peptides and Proteins, 1997, CRC Press, Boca Raton, FL und die darin zitierten Referenzen). Ein jegliches dieser Verfahren kann verwendet werden, um ein Amino-modifiziertes Polynukleotid an eine Carboxy-aktivierte Faser zu konjugieren.
In einer Ausführungsform wird die Carboxamidbindung unter Verwendung von N,N,N',N'-Tetramethyl(succinimido)uroniumtetrafluoroborat („TSTU") als ein Kopplungsreagenz erzeugt. Reaktionsbedingungen zur Ausbildung von Carboxamiden mit TSTU, die in Zusammenhang mit Nukleinsäuren verwendet werden können, sind in Knorr et al., 1989, Tet. Lett. 30(15): 1927–1930; Bannworth & Knorr, 1991, Tet. Lett. 32(9): 1157–1160 und Wilchek et al., 1994, Bioconjugate Chem. 5(5): 491–492, beschrieben.
Ob direkt auf der aktivierten Faser synthetisiert oder auf der aktivierten Faser nach einer Synthese oder nach einer Isolierung immobilisiert, kann der chemische Stoff gegebenenfalls von dem porösen Substrat mittels eines oder mehrerer Linker beabstandet werden. Wie es vom Fachmann anerkannt werden wird, werden solche Linker mindestens bifunktionell sein, d.h. sie werden eine funktionelle Gruppe oder einen funktionellen Rest, die/der zum Ausbilden einer Bindung mit der aktivierten Faser fähig ist, und eine weitere funktionelle Gruppe oder einen weiteren funktionellen Rest aufweisen, die/der zum Ausbilden einer Bindung mit einem weiteren Linkermolekül oder dem chemischen Stoff fähig ist. Die Linker können lang oder kurz, flexibel oder starr, geladen oder nicht geladen, hydrophob oder hydrophil sein, abhängig von der spezifischen Anwendung.
Unter bestimmten Umständen können solche Linker verwendet werden, um eine funktionelle Gruppe in eine weitere „umzuwandeln". Zum Beispiel kann eine Amino-aktivierte Faser in eine Hydroxyl-aktivierte Faser durch Umsetzen mit z.B. 3-Hydroxypropionsäure umgewandelt werden. In diesem Fall können Fasermaterialien, die nicht leicht mit einer spezifischen reaktiven funktionellen Gruppe aktiviert werden können, zweckmäßig in eine geeignet aktivierte Faser umgewandelt werden. Chemien und Reagenzien, die zum „Umwandeln" solcher reaktiven Gruppen fähig sind, sind bekannt und werden dem Fachmann ersichtlich sein.
Linker können auch verwendet werden, falls erforderlich, um die Anzahl von reaktiven Gruppen auf der aktivierten Faser zu erhöhen oder „zu amplifizieren". Für diese Ausführungsform wird der Linker drei oder mehr funktionelle Gruppen aufweisen. Nach Anbindung an die aktivierte Faser mittels einer der funktionellen Gruppen sind die verbleibenden zwei oder mehreren Gruppen für eine Anbindung des chemischen Stoffs verfügbar. Ein Amplifizieren der Anzahl von funktionellen Gruppen auf der aktivierten Faser in dieser Weise ist besonders zweckmäßig, wenn die aktivierte Faser relativ wenige reaktive Gruppen enthält.
Reagenzien zum Amplifizieren der Anzahl von reaktiven Gruppen sind bekannt und werden dem Fachmann ersichtlich sein. Eine besonders zweckmäßige Klasse von Amplifizierungsreagenzien sind die multifunktionellen Epoxide, die unter dem Handelsnamen DENACOL^TM (Nagassi Kasei Kogyo K. K.) verkauft werden. Diese Epoxide enthalten so viele wie vier, fünf oder sogar mehr Epoxygruppen und können verwendet werden, um Fasern zu amplifizieren, die mit reaktiven Gruppen aktiviert sind, die mit Epoxiden reagieren, einschließlich z.B. Hydroxyl-, Amino- und Sulfonyl-aktivierte Fasern. Die sich ergebenden Epoxy-aktivierten Fasern können zweckmäßig in eine Hydroxyl-aktivierte Faser, eine Carboxy-aktivierte Faser oder eine andere aktivierte Faser durch bekannte Verfahren umgewandelt werden.
Linker, die zum Beabstanden von biologischen oder anderen Molekülen, einschließlich Polypeptiden und Polynukleotiden, von festen Oberflächen geeignet sind, sind bekannt und beinhalten beispielsweise und nicht begrenzend Polypeptide wie Polyprolin oder Polyalanin, gesättigte oder ungesättigte bifunktionelle Kohlenwasserstoffe wie 1-Aminohexansäure und Polymere wie Polyethylenglykol, etc. Für chemische Stoffe des Polynukleotidtyps ist ein besonders bevorzugter Linker Polyethylenglykol (MW von 100 bis 1000). 1,4-Dimethoxytritylpolyethylenglykol-Phosphoramidite, die zum Ausbilden von Phosphodiesterbindungen mit Hydroxylgruppen von Hydroxyl-aktivierten Fasern verwendbar sind, als auch Verfahren für deren Verwendung bei der Nukleinsäuresynthese auf Festsubstraten, werden z.B. in Zhang et al., 1991, Nucl. Acids Res. 19: 3929–3933 und Durand et al., 1990, Nucl. Acids Res. 18: 6353–6359 beschrieben. Andere Verfahren zum Anbinden von Polyethylenglykol-Linkern an aktivierte Fasern werden dem Fachmann ersichtlich sein.
Ungeachtet der Art an Immobilisierung können Fasern chargenweise hergestellt werden, wobei Längen einer Faser in Lösungen, die zum Bewirken einer Immobilisierung der chemischen Stoffe erforderlich sind, eingetaucht werden. Alternativ da zu können Fasern in einem Durchflussverfahren hergestellt werden, bei dem die Faser kontinuierlich durch Reservoire, die die Lösungen enthalten, die zum Bewirken einer Immobilisierung notwendig sind, bewegt wird.
32 ist eine Ausführungsform zum Herstellen der Faser für eine Verwendung in der erfindungsgemäßen Faseranordnung in einer chargenartigen Weise. Die Fasern 3202 werden an einen Faserhalter 3204 angebracht, der Fasergreifer 3206 umfasst, die die Fasern 3202 halten. Der Faserhalter 3204 erlaubt den Fasern, leicht getragen und transportiert zu werden, und kann an eine jegliche mechanische Vorrichtung (nicht gezeigt) angebracht sein, um automatisch die Fasern 3202 zu transportieren. Ein Tauchgefäß 3204 ist ein Gefäß, das eine Flüssigkeit enthalten kann, die mit den Fasern 3202 in Kontakt gebracht werden soll. In Betrieb sind die Fasern 3202 an die Fasergreifer 3206 angebracht und der Faserhalter 3204 senkt die Fasern 3202 in eine Lösung ab, die in dem Tauchgefäß 3208 enthalten ist. Der Faserhalter 1304 entfernt sodann die Fasern 1302 aus dem Tauchgefäß 1308. Es sollte anerkannt werden, dass die Fasern sequenziell in unterschiedliche Tauchgefäße eingebracht werden können, die jeweils unterschiedliche Lösungen enthalten, abhängig von dem chemischen Stoff, der auf die Fasern immobilisiert werden soll und dem Verfahren, das für eine Immobilisierung verwendet wird. Nachdem der chemische Stoff auf den Fasern immobilisiert wurde, können die Fasern auf eine Trägerplatte geladen oder für eine zukünftige Verwendung gelagert werden. Falls die Fasern gelagert werden, kann ein Kühlen notwendig sein, abhängig von dem chemischen Stoff auf den Fasern.
Es ist beabsichtigt, dass, sobald die Fasern wie beschrieben hergestellt wurden, 100 Fasern, die jeweils eine Länge von 10 cm aufweisen, auf eine 10 cm-Trägerplatte pro Sekunde gelegt werden können, wodurch eine Million Kontaktpunkte erzeugt werden. Es sollte anerkannt werden, dass ein Legen der Fasern auf die Trägerplatte lediglich ein genaues Platzieren in einer Richtung parallel zu den Kanälen benötigt, um zu gewährleisten, dass die Faser in den Furchen auf den Kanalwänden liegt. Da die Faser überall in der Richtung parallel zu der Faser platziert werden kann, ist ein Platzieren der Faser auf der Trägerplatte relativ einfach.
33 ist ein Verfahrensflussdiagramm einer weiteren Ausführungsform zur Herstellung der Faser in einem Durchflussverfahren für eine Verwendung in der erfindungsgemäßen Faseranordnung. Ein Motor 3301 wird verwendet, um eine Faser 3304 von einer Faserspule 3302 mit einer Materiallänge zu ziehen, die für eine Ver wendung der Fasern 3304 gewünscht ist. Falls es gewünscht ist, die Faser 3304 mit einer leitenden Beschichtung zu beschichten, wird die Faser 3304 zunächst durch eine Wanne 3306 mit einer leitenden Beschichtung gezogen, die einen Vorrat an leitendem Material enthält, das auf die Faser 3304 aufgetragen werden soll. Insbesondere verwendet die Wanne 3306 mit leitender Beschichtung ein Meniskusbeschichten, um die leitende Beschichtung auf die Faser 3304 aufzutragen, wobei die Faser 3304 durch eine enge Öffnung 3307 gezogen wird, die lediglich erlaubt, dass eine dünne Schicht einer Metallbeschichtung auf die Faser 3304 aufgetragen wird. Es sollte anerkannt werden, dass eine leitende Beschichtung nicht für eine Verwendung der erfindungsgemäßen Faseranordnung benötigt wird. Jedoch ist für eine Verwendung von Elektroosmose eine Beschichtung mit Metall oder einem elektrisch leitenden Oxid bevorzugt.
Die Faser 3304 wird sodann durch eine Reihe von Beschichtungswannen 3308, 3310 geleitet, abhängig von dem chemischen Stoff, der auf die Fasern immobilisiert werden soll, und dem Verfahren, das für eine Immobilisierung verwendet wird. Jede Beschichtungswanne kann eine unterschiedliche Lösung enthalten, die zum Herstellen der Faser und Immobilisieren eines gegebenen chemischen Stoffs auf der Faser benötigt wird.
Zuletzt wird die Faser 3304 nach dem Motor 3301 eingespeist und in gewünschte Längen durch eine Schneidevorrichtung 3312 geschnitten. Es sollte anerkannt werden, dass eine jegliche Länge einer Faser erzeugt werden kann, abhängig von der Größe der Faseranordnungsmatrix. Die Schneidevorrichtung 3312 kann ein Laser oder ein jegliches Mittel sein, das zum Schneiden von Fasern oder optischen Fasern bekannt ist. Es sollte anerkannt werden, dass es wichtig ist, einen sehr sauberen und geraden Schnitt zu erhalten, falls die Faser 3304 eine optische Faser ist, so dass bei einer Verwendung der Lichtstrahl, der an das Ende der Faser gerichtet wird, fähig ist, in die Faser bei dem korrekten Winkel einzutreten. Sobald die Fasern 1404 geschnitten sind, können sie auf eine Trägerplatte geladen oder für eine spätere Verwendung gelagert werden. Falls die Fasern gelagert werden, kann ein Kühlen erforderlich sein, abhängig von den Materialien, die auf den Fasern abgeschieden wurden.
Nach Herstellung mittels eines der vorstehenden Verfahren kann eine Länge der Faser zweckmäßig analysiert werden, um die Qualität des Immobilisierungsprozesses zu verifizieren. Zum Beispiel können die auf einem Teil der Faser immobilisierten chemischen Stoffe unter Verwendung von herkömmlichen Mitteln entfernt und unter Verwendung einer jeglichen Vielzahl von analytischen Techniken, einschließlich, z.B. Gelelektrophorese (für Polypeptide und Polynukleotide), Kernmagnetresonanz, Säulenchromatographie, Massenspektroskopie, Gaschromatographie, etc., analysiert werden. Natürlich wird das tatsächliche analytische Mittel, das zum Analysieren der Faser verwendet wird, von der Art des darauf angebundenen chemischen Stoffes abhängen und wird dem Fachmann ersichtlich sein.
Obwohl nicht bevorzugt, können Fasern 110 auch hergestellt werden, d.h. die chemischen Stoffe können an die Fasern immobilisiert werden, während die Fasern in der Faseranordnung angeordnet werden. In dieser Ausführungsform werden, sobald die Fasern in der Trägerplatte angeordnet sind, die verschiedenen Flüssigkeiten, die zum Aktivieren und/oder Immobilisieren der chemischen Stoffe an die Faser erforderlich sind, in Kanäle 108 fließen gelassen, um die Faser zu kontaktieren. Dieses Verfahren ist insbesondere zweckmäßig, wenn es gewünscht ist, unterschiedliche chemische Stoffe an unterschiedlichen räumlichen Adressen entlang der Länge der Faser zu immobilisieren.
Nachstehend werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Synthetisieren eines chemischen Stoffes auf einer Faser beschrieben. Die synthetisierten Fasern werden sodann verwendet, um vorstehend beschriebene Faseranordnungen herzustellen. Diese Vorrichtung ist ein multiplikatives Faseranordnungssynthesegerät, das ein direktes Verfahren eines Bewegens einer Faser durch eine Vielzahl von Beschichtungsmodulen, die eine Base auf der Faser synthetisieren, durchführt. Die Beschichtungsmodule können in Säulen gestapelt sein, wobei eine Faser aus einem Modul in das nächste Modul weitergegeben wird. Jedes Modul fügt sequenziell eine Base an das Oligo an. In einer Konfiguration können viele Säulen von Beschichtungsmodulen in Drehscheiben gruppiert werden und diese Drehscheiben können relativ zueinander derart rotiert werden, dass die Anzahl von verschiedenen erzeugten Oligos wesentlich größer ist als die Anzahl von eingesetzten Beschichtungsmodulen, was den Namen multiplikative Synthese erklärt. Die Fasern, die aus dem multiplikativen Synthesegerätsystem entnommen werden, werden direkt in eine Faseranordnung geladen. Nach Abdichten ist die Faseranordnung sofort als ein Analysewerkzeug bereit. In einer zweiten Konfiguration sind die Module programmierbar, um komplexe Oligokonfigurationen auf Wunsch bereitzustellen.
34 ist eine schematische Zeichnung eines multiplikativen Faseranordnungssynthesegeräts 3420. Das Faseranordnungssynthesegerät 3420 umfasst mindestens eine, aber vorzugsweise eine Vielzahl von Abscheidungsvorrichtungen 3422, wobei jede der Abscheidungsvorrichtungen 3422 zum Abscheiden eines chemischen Stoffes auf einer Faser 3426 fähig ist. Die Abscheidungsvorrichtungen 3422, wie genauer nachstehend beschrieben, können eine Vielzahl von Bädern, Sprühkammern, Befeuchtungsmechanismen oder dergleichen umfassen. Das multiplikative Faseranordnungssynthesegerät 3420 umfasst ferner einen Transporter 3424. Der Transporter 3424 kann die Faser 3426 und die Abscheidungsvorrichtungen 3422 in die Nähe voneinander bringen, wie durch die Kontrolllinien 3430 angegeben, um mindestens einen Vorläufer eines chemischen Stoffes auf die Faser 3426 zur Ausbildung des chemischen Stoffes abzuscheiden. Der Transporter 3424 kann die Abscheidungsvorrichtungen 3422 in die Nähe der Faser 3426 bringen, die Faser 3426 in die Nähe der Abscheidungsvorrichtungen 3422 bringen oder sowohl die Abscheidungsvorrichtungen 3422 als auch die Faser 3426 relativ zueinander in Nähe bringen. Alternativ dazu kann der Transporter ein Flüssigkeitszufuhrsystem zum Zuführen der Vorläufer der chemischen Stoffe an eine jegliche der Abscheidungsvorrichtungen 3422 umfassen, wobei die Steuerung davon wieder durch die Kontrolllinien 3430 angegeben ist. Spezifische Beispiele des Transporters 3424 werden genauer nachstehend beschrieben werden. Eine Auswahlvorrichtung 3428 steuert die Reihenfolge, in der jeder des mindestens einen Vorläufers eines chemischen Stoffes auf der Faser 3426 aus jeder der Abscheidungsvorrichtungen 3422 abgeschieden wird. Dies kann durch Steuern des Transporters 3424, damit die Abscheidungsvorrichtungen 3422 sich in die Nähe der Faser 3426 in einer vorbestimmten Reihenfolge bewegen, oder durch Steuern des Transporters 3424, damit sich die Faser 3426 in die Nähe der Abscheidungsvorrichtung 3422 in einer vorbestimmten Reihenfolge bewegt, erfolgen. Die Auswahlvorrichtung 3428 kann auch die Reihenfolge steuern, in der jeder des mindestens einen Vorläufers eines chemischen Stoffes zu jeder der Abscheidungsvorrichtung 3422 durch das Flüssigkeitszufuhrsystem zugeführt wird.
35A ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform von den in 34 gezeigten Abscheidungsvorrichtungen 3422. In dieser Ausführungsform umfasst jede der Abscheidungsvorrichtungen 3422 mindestens ein Bad 3532, das einen Vorläufer 3536 eines chemischen Stoffes enthält. Der Vorläufer 3536 eines chemischen Stoffes kann z.B. eine Lösung mit Phosphoramiditen oder anderen Lösungen wie Waschlösungsmittel umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Transporter 3424 von 34 einen Eintauchmechanismus zum Positionieren der Faser 3526 in dem Bad 3532. Der Eintauchmechanismus kann ein Beförderungsmittelsystem wie eine Reihe von Walzen 3538 und 3540 umfassen, die per Reibung die Faser 3526 eingreifen, um die Faser 3526 durch das Bad 3532 zu ziehen und folglich diese mit dem chemischen Stoff 3536 in Kontakt zu bringen. Der Eintauchmechanismus kann alternativ einen Mechanismus zum Eintauchen von im Wesentlichen geraden Längen oder Schleifen der Faser 3526 direkt in das Bad 3532 und des chemischen Stoffes 3536 umfassen. Die Faser 3526 kann vielfach um eine untergetauchte Walze 3540 gewickelt sein, um die Resonanzzeitspanne der Faser 3526 zu variieren, wie die Faser 3526 durch das Bad 3532 bei einer konstanten Geschwindigkeit bewegt wird. Dies bedeutet, dass, je öfter die Faser 3526 um die Walze 3540 gewunden ist, desto länger wird die Faser 3526 dem chemischen Stoff 3536 ausgesetzt. Die Walze 3540 kann eine käfigartige Vorrichtung umfassen, die allen Punkten entlang der Faser 3526 an einem gewissen Zeitpunkt oder einem anderen ermöglicht, dem chemischen Stoff 3536 ausgesetzt zu werden.
35B ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen. In dieser Ausführungsform umfasst der Transporter 3424 von 34 einen Badtransporter 3542 zum Bewegen des Bades 3532, so dass der Vorläufer 3536 des chemischen Stoffes mit der Faser 3526 in Kontakt gebracht wird.
35C ist eine Seitenansicht einer noch weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen. In dieser Ausführungsform umfasst der Transporter 3424 von 34 ein Flüssigkeitszufuhrsystem 3544, das unterschiedliche Vorläufer oder Lösungen von chemischen Stoffen in 3530 und aus 3548 dem Bad 3532 zuführt.
36A ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. In dieser Ausführungsform umfasst jede der Abscheidungsvorrichtungen 3422 mindestens eine Sprühkammer 3654 und einen Sprühmechanismus 3644 zum Sprühen des Vorläufers 3646 eines chemischen Stoffes auf die Faser 3526. Erneut kann der Vorläufer 3646 eines chemischen Stoffes z.B. eine Lösung mit Phosphoramiditen oder anderen Lösungen wie Waschlösungsmittel umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Transporter 3424 von 34 einen Fasertransportmechanismus wie ein Beförderungssystem 3656, das per Reibung die Faser 3526 eingreift, um die Faser 3526 durch die Sprühkammer 3654 zu ziehen.
36B ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. Der Transporter 3424 von 34 kann alternativ dazu einen Sprühkammertransporter 3650 umfassen, der die Sprühkammer 3654 in die Nähe der Faser 3526 bringt.
36C ist eine Seitenansicht einer noch weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. In dieser Ausführungsform umfasst der Transporter 3424 von 34 ein Flüssigkeitszuführsystem 3658, das 3660 unterschiedliche Vorläufer an chemischen Stoffen oder Lösungen an den Sprühmechanismus 3644 zuführt.
37A ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. In dieser Ausführungsform umfasst jede der Abscheidungsvorrichtungen 3422 mindestens einen Benetzungsmechanismus 3762 zum Benetzen eines Vorläufers 3764 eines chemischen Stoffes auf die Faser 3526. Erneut können die Vorläufer eines chemischen Stoffes zum Beispiel eine Lösung mit Phosphoramiditen oder anderen Lösungen wie Waschlösungsmittel umfassen. Der Transporter 3424 von 34 umfasst einen Fasertransportmechanismus wie ein Beförderungssystem 3766, das die Faser 3526 durch Reibung eingreift.
37B ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. Der Transporter 3424 von 34 umfasst einen Benetzungsmechanismustransporter 3760, der den Benetzungsmechanismus 3762 in die Nähe der Faser 3526 bringt.
37C ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform von Abscheidungsvorrichtungen 3422, die in 34 gezeigt sind. Der Transporter 3524 von 34 umfasst ein Flüssigkeitszuführsystem 3770, das unterschiedliche chemische Stoffe oder Lösungen an den Benetzungsmechanismus 3762 zuführt.
In jeder der vorstehenden Ausführungsformen, die in den 35A bis 37C gezeigt sind, kann ein Mechanismus zum Variieren der Resonanzzeit der Faser 3526 bereitgestellt werden. Die Auswahlvorrichtung 3428 von 34 kann den Transporter in allen seinen alternativen Ausführungsformen steuern, um die Reihenfolge zu variieren, in der jeder der Vielzahl von Vorläufern an chemischen Stoffen auf die Faser 3526 abgeschieden wird.
38 ist eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten multiplikativen Faseranordnungssynthesegeräts 3802. Viele Spulen 3804 mit aufgewickelter Faser 3806 sind auf einer Drehplattform 3808 befestigt. Die Fasern 3806 umfassen typischerweise ein flexibles fadenartiges Material wie z.B. Plastik oder Glas und sind um Spulen 3804 derart gewickelt, dass viele Meter gelagert aber leicht abgerufen werden können. Die Spulen 3804 sind in einem kreisförmigen Muster um die Plattform 3808 gleichmäßig beabstandet, wobei die Fasern 3806 die Plattform 3808 durchlaufen. Die Plattform 3808 ist an einen Motor 3810 befestigt und der Motor 3810 ist an eine Trägerachse 3812 befestigt, die durch die Zentren der Plattform 3808 und beide Drehscheiben 3814, 3818 durchläuft. Der Motor 3816 ist auch an die Trägerachse 3812 befestigt. Die Plattform 3808 ist rotationsfähig um die Trägerachse 3812 angeordnet. Die Plattform 3808 kann durch ein erstes Rotationsmittel 3810 wie einen Motor oder dergleichen rotiert werden. Eine obere Drehscheibe 3814 ist auch rotierbar um die Trägerachse 3812 angeordnet und kann durch ein zweites Rotationsmittel 3816 wie einen Motor oder dergleichen rotiert werden. Die untere Drehscheibe 3818 ist auch rotierbar um die Trägerachse 3812 angeordnet und kann durch ein drittes Rotationsmittel (nicht gezeigt) wie einen Motor oder dergleichen rotiert werden. Die Drehscheiben 3814 und 3818 enthalten beide viele Beschichtungsmodule 3820, die vorzugsweise in einer zylindrischen Weise um die Trägerachse 3812 angeordnet sind. Jedes Beschichtungsmodul 3820 umfasst ferner eine Reihe von Abscheidungsvorrichtungen (die am besten in 40 zu sehen sind), die sich radial von der Trägerachse 3812 erstrecken. Die Fasern 3806 werden kontinuierlich durch einen Satz von Beschichtungsmodulen 3820 geleitet, wobei jedes Modul 3820 eine vorbestimmte Chemiesequenz oder Verbindung auf der Faser synthetisiert. Die Fasern 3806 werden durch beide Drehscheiben 3814 und 3818 geleitet.
Faserschneidevorrichtungen 3822 (die am besten in 39 zu sehen sind), werden zwischen der Plattform 3808 und der Drehscheibe 3814 und zwischen den Drehscheiben 3814 und 3818 bereitgestellt. Die Faserschneidevorrichtungen 3822 trennen die Fasern 3806, wenn eine neue Synthesesequenz oder ein neuer chemischer Stoff gewünscht wird. Nachdem die Fasern 3806 durch beide Drehscheiben 3814 und 3818 geleitet wurden, treten sie in ein Entschützungs/Qualitätskontroll-Modul 3824 ein und werden danach dem Endprodukt, z.B. einer weiteren Spule oder einer Faseranordnung 3826, zugeführt. Ein Motor 3828 bewegt das Endprodukt auf eine Position von vielen Fasern darauf. Es sollte anerkannt werden, dass die Drehscheiben 3814 und 3818 vorzugsweise zylindrisch sind, aber eine jegliche geeignete Form aufweisen können.
Entsprechend der kreisförmigen Anordnung der Faserspulen 3804 werden die Beschichtungsmodule 3820 angeordnet, um die Faser 3806 zu erhalten, was kontinuierlich eine Verbindung darauf synthetisiert und die Faser 3806 derart ausgibt, dass sie in ein angrenzendes Beschichtungsmodul 3820 eingebracht werden kann. Für jede Faser 3806 sind die Module 3820 auf das obere Ende voneinander gestapelt, um die gewünschte Synthese oder Verbindung zu erzeugen. Wenn eine neue Synthesesequenz für die Fasern 3806 gewünscht wird, trennen die Schneidemodule 3822 (39) jede Faser 3806 und die untere Drehscheibe 3818 wird relativ zu der oberen Drehscheibe 3814 rotiert. Diese Rotation der unteren Drehscheibe 3818 bewirkt, dass die Fasern 3806 aus der oberen Drehscheibe 3814 in ein weiteres Modul in der unteren Drehscheibe 3818 eintreten, wie die Fasern 3806 einer geschnittenen Länge kontinuierlich die untere Drehscheibe 3818 durchlaufen. In anderen Worten wird die Bewegung der Faser 3806 durch das System zur Änderung zu einer neuen Synthesesequenz nicht unterbrochen. Die Faser kann anfangs manuell durch die Module geführt werden und, sobald die Faser geschnitten wird, kann die Faser aus der oberen Drehscheibe in natürlicher Weise in die untere Drehscheibe, nachdem es rotiert wurde, zugeführt werden. Alternativ dazu kann die Faser mit dem Ende einer angrenzenden Faser fusioniert sein, die sich in der unteren Drehscheibe befindet, nachdem es rotiert wurde. Das Fusionieren von Faserenden kann durch ein mechanisches, chemisches oder thermisches Mittel erreicht werden.
39 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Faserschneidevorrichtung 3822, die in 38 veranschaulicht ist. Die Faserschneidevorrichtung 3822 besteht aus oberen 3902 und unteren 3904 kreisförmigen Sägeblättern in der Position zwischen der Plattform 3808 und der oberen Drehscheibe 3814. Das obere Blatt 3902 kann an den Motor 3810 befestigt sein, der die Plattform 3808 um die Trägerachse 3812 rotiert. Das untere Blatt 3904 kann an die stationäre Drehscheibe 3814 befestigt sein. Wenn die Plattform 3808 zu einer neuen Position rotiert, schneidet die Faserschneidevorrichtung 3822 alle Fasern 3806 gleichzeitig zwischen der Plattform 3808 und der oberen Drehscheibe 3814. Eine ähnliche Faserschneidevorrichtung 3822 kann auch zwischen den Drehscheiben 3814 und 3818 platziert sein. Das obere Blatt 3902 der Faserschneidevorrichtung 3822 kann an die obere Drehscheibe 3814 befestigt sein. Das untere Blatt 3904 rotiert mit der unteren Drehscheibe 3808, was die Fasern 3806 schneidet, wenn es rotiert.
40 ist eine Seitenansicht des Beschichtungsmoduls, das in 38 veranschaulicht ist. Das Beschichtungsmodul 3820 besteht vorzugsweise aus vielen Behältern 4002 mit Flüssigkeiten 4004–4016, durch die eine Faser 3806 kontinuierlich durchgeleitet werden kann. Die Faser 3806 wird durch die Flüssigkeiten 4004–4016 durch kleine Walzen 4018 und große Walzen 4020 geleitet. Die Flüssigkeiten 4004–4016 weisen die korrekte chemische Zusammensetzung und Konzentration auf, um eine DNA-Base an die Faser 3806 hinzuzufügen. Eine bevorzugte Anordnung von Flüssigkeiten 4004–4016, die in Reihenfolge eines Faserkontakts aufgelistet sind, sind: Detritylierung 4004, Aktivator 4006, Phosphoramidit (Base) 4008, Cappingmittel A & B 4010, Waschlösung 4012, Oxidationsmittel 4014 und eine zweite Waschlösung 4016. Die Faser 3806 verlässt vorzugsweise das Beschichtungsmodul 3820 in der gleichen Geschwindigkeit wie sie eintritt und bei einer Zusammensetzung, die es einem nachfolgenden (oder dem gleichen) Modul 3820 ermöglicht, chemisch eine weitere Base an die DNA-Kette anzufügen oder diese zu synthetisieren.
Eine Vielzahl von Modulen 3820 kann gestapelt sein, um so viele DNA-Basen an eine Faser 3806 hinzuzufügen, wie gewünscht. Zum Beispiel zeigt 41 drei Module 4100–4104, die gestapelt sind, um drei Basen auf die Faser 3806 zu synthetisieren. Die Faser 3806 wird von einer Spule 3804 eingebracht, die viele Meter der Faser 3806 enthalten kann.
Nachdem die Basen auf der Faser 3806 synthetisiert wurden, durchläuft die Faser 3806 ein Entschützungsmodul 3824, bei dem Schutzchemikalien entfernt werden. Das Entfernungsverfahren setzt einen kleinen Prozentsatz an Oligos frei, die durch Qualitätskontrollsensoren 4108 getestet werden. Nach Entschützen wird die Faser 3806 in Kanäle auf einer Vielzahl von Faseranordnungssubstraten 3826 positioniert. Ein Motor 3828 bewegt die Faseranordnungen 3826 derart, dass die Fasern alle Kanäle ausfüllen. Schneidmittel 4110 werden vor und zwischen den Faseranordnungen 3826 bereitgestellt, um die Fasern in kurze Segmente zu trennen.
42 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Entschützungsmoduls, das in 38 veranschaulicht ist. Das Entschützungsmodul 3824 entfernt Schutzgruppen 4208, die an das Oligo 4210 während einer Synthese hinzugefügt wurden. Diese Entfernung wird durch Aussetzen der Oligos 4210 gegenüber einer Entschützungszusammensetzung 4212 wie Methylamin durchgeführt, um die Schutzgruppen 4208 zu lösen. Zusätzlich zum Entfernen von Schutzgruppen 4208 werden einige der Oligos 4218 von der Faser 3806 für Qualitätskontrollzwecke extrahiert. Diese Entfernung wird durch Anwenden zweier unterschiedlicher Typen von Linkern zum Halten der Oligos 4210 auf die Fasern 3806, nämlich den spaltbaren 4214 und permanenten 4216 Linkern, durchgeführt. Die spaltbaren Linker 4214 lösen sich während des Entschützungsvorgangs auf, während die permanenten Linker 4216 dies nicht tun. Die meisten Linker sind vorzugsweise permanente Linker 4216, so dass lediglich ein kleiner Prozentsatz der Oligos 4210 von der Faser 3806 entfernt wird. Die entfernten Oligos 4218 werden durch verschiedene Qualitätskontrollsensoren 2008, wie z.B. eine Flüssigkeitschromatographiesäule 4202 für eine Reinheitsmessung, mit einem Ultraviolettstrahlungsdetektor 4204 und einem Massenspektrometer 4206 für eine Identifizierung geleitet.
43 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Beschichtungsmoduls 4302. In dieser Konfiguration ist das Beschichtungsmodul 4302 programmiert, um eine von vielen Basenlösungen 4304 bis 4310, wie von einem Anwender ausgewählt, auf die Faser 3806 zu synthetisieren. Die Basenlösungen würden vorzugsweise A, C, G oder T sein. Das Modul 4302 kann immer noch die Lösungen für eine Detritylierung 4004, einen Aktivator 4006, Cappingmittel 4010, Waschgang 1 4012, Oxidationsmittel 4014 und Waschgang 2 4016 enthalten. Jedoch kann das Modul 4302 zusätzlich ein Bad für alle Basen 4304 bis 4310 anstelle lediglich eines Bads mit einer Base 4008 enthalten, wie in Bezug auf die erste Konfiguration 3820 (40) beschrieben. Die Auswahlvorrichtung 3428 (die in 34 gezeigt ist) wählt eine von vielen Aktuatoren 4312–4318 aus, um zu bewirken, dass die Faser 3806 mit einer der vielen Basenlösungen 4304–4310 in Kontakt kommt, was diese Base in dem gleichen Verfahren, wie vorstehend beschrieben, hinzufügt. Wenn eine unterschiedliche Base erwünscht ist, wird der erweiterte Aktuator 4312, 4314, 4316 oder 4318 zurückgezogen und ein weiterer Aktuator 4312, 4314, 4316 oder 4318 erstreckt die Faser in Kontakt mit einer unterschiedlichen Basenlösung 4304–4310. Dieses Verfahren wird so oft wie gewünscht wiederholt, um ein Oligonukleotid auf der Faser 3806 zu synthetisieren. Dieser Typ eines Beschichtungsmoduls 4302 kann wie in 44 gezeigt mit Faserspulen 3804, Entschützungsmodulen 3824 und Motor 3828 gestapelt sein, um die Fasern 3806 in eine Vielzahl von Faseranordnungen 3826 zu legen.
Eine Anwendung der Erfindung ist die DNA-Synthese, insbesondere ein Herstellen einer jeglichen Kombination einer bestimmten DNA-Länge. Zum Beispiel würde eine jegliche Kombination eines 9 Basenpaar langen DNA-Fragments (Oligo) 262144 unterschiedliche Oligos (4⁹) erzeugen. Acht Module pro Faser könnten ein 9-Basen-Oligo erzeugen, falls die Fasern in die Maschine geladen werden, wobei eine Base bereits angebunden ist (vgl. 17). Jedoch würde eine Herstellung von 262144 Stapeln an acht hohen Modulen entmutigend sein. Jedoch kann mit dieser Vorrichtung ein relativ kleiner Satz an Modulen angeordnet werden, um die Anzahl von unterschiedlichen erzeugten Kombinationen zu multiplizieren. Zum Beispiel können 256 Fasern durch die obere Drehscheibe mit vier Modulen pro Faser geleitet werden, um eine jegliche Kombination von vier Basen auf diesen Fasern (256) zu synthetisieren. Falls die untere Drehscheibe in der gleichen Weise angeordnet ist (256 Fasern mal vier Module), würde das System 256 9-Basen-Oligos gleichzeitig synthetisieren – eine kleine Untermenge der benötigten 262144 Kombinationen. Jedoch können, wenn eine Untermenge an Fasern hergestellt wird, die Fasern geschnitten werden und die untere Drehscheibe rotiert werden, um eine zweite Untermenge an Faserkombinationen herzustellen. Durch 256maliges Wiederholen dieses Verfahrens werden 65536 Kombinationen eines 9-Mers (255 mal 256) synthetisiert werden. Nun wird die Plattform um eine Faserposition rotiert und das ganze Verfahren weitere dreimal wiederholt, um eine jegliche 9-Mer-Kombination von 262144 zu synthetisieren.
Verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen wurden beschrieben. Die Beschreibungen sollen für die Erfindung erläuternd sein. Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass Modifikationen an der Erfindung durchgeführt werden können, wie beschrieben, ohne von dem Umfang der nachstehend dargelegten Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel soll verstanden werden, dass, obwohl die Erfindung verschiedene Geometrien für die Trägerplatte und die Anordnung der Fasern und Kanäle, beschrieben hat, andere Geometrien möglich sind und in den Umfang der Erfindung fallen sollen. Ferner soll, obwohl die Erfindung mit spezifischem Bezug auf Oligonukleotide und Nukleinsäuresequenzierung veranschaulicht wurde, eine jegliche Verwendung zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe in den Umfang der Erfindung fallen soll.

Claims

Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe, umfassend: eine Trägerplatte, die einen Kanal zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes umfasst, und eine Faser, auf der ein oder eine Vielzahl von chemischen Stoffen immobilisiert ist, wobei die Faser auf der Trägerplatte derart angeordnet ist, dass mindestens ein Teil der Faser dem Kanal ausgesetzt ist, dadurch charakterisiert, dass die Faser senkrecht zu dem Kanal angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Faser ein Lichtleiter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Teil des Kanals eine gebogene Bodenoberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die gebogene Bodenoberfläche eine reflektierende Beschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trägerplatte eine Vielzahl der Kanäle umfasst, und die Vorrichtung eine Vielzahl der Fasern umfasst, die auf der Trägerplatte senkrecht zu der Vielzahl von Kanälen angeordnet ist, wodurch eine Matrix von Kontaktpunkten zwischen der Vielzahl von Fasern und der Vielzahl von Kanälen ausgebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst: eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlung und eine Fokussierungslinse zum Richten der Strahlung auf ein Ende mindestens einer der Fasern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Bewegungsvorrichtung umfasst, die mit der Strahlungsquelle und der Fokussierungslinse verbunden ist, um die Strahlungsquelle und die Fokussierungslinse derart zu bewegen, dass ein Ende einer jeglichen der Fasern die Strahlung von der Fokussierungslinse aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Bewegungsvorrichtung umfasst, die mit der Trägerplatte derart verbunden ist, dass ein Ende einer jeglichen der Fasern die Strahlung von der Fokussierungslinse aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Vielzahl von an die Trägerplatte angebrachten leitenden Kontakten umfasst, wobei jeder der leitenden Kontakte einzeln mit einem Ende einer jeglichen der Fasern in Kontakt steht und wobei eine jegliche der Fasern leitend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, die ferner eine Energieversorgung umfasst, die mit mindestens einem der leitenden Kontakte elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner ein Schaltgerät umfasst, das mit der Energieversorgung und mit einem jeglichen der leitenden Kontakte elektrisch verbunden ist, wobei das Schaltgerät ermöglicht, Strom sequenziell an einen jeglichen der leitenden Kontakte zuzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, die ferner eine Flüssigkeitsverteilvorrichtung umfasst, die angrenzend an die Trägerplatte positioniert ist, wobei die Flüssigkeitsverteilvorrichtung fähig ist, den mobilen chemischen Stoff in mindestens einen der Kanäle freizusetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Flüssigkeitsverteilvorrichtung eine Vielzahl von Verteilöffnungen aufweist, wobei jede der Verteilöffnungen mit einem der Kanäle ausgerichtet ist, und wobei die Vorrichtung eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Flüssigkeitsverteilvorrichtung entlang der Trägerplatte umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, die ferner eine Vielzahl von Kanaleinlassöffnungen umfasst, die jeweils mit einem der Kanäle flussverbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Kanaleinlassöffnungen jeweils eine Öffnung zur Aufnahme des mobilen chemischen Stoffes aufweist, die größer ist als der Querschnitt einer der Kanäle.
Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner eine Vielzahl von Kanalauslassöffnungen aufweist, die jeweils mit einem der Kanäle flussverbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, die ferner eine durchsichtige Abdeckplatte umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner umfasst: einen Fotodetektor zur Aufnahme von Anregungsstrahlung, die von einem mobilen chemischen Stoff emittiert wird, der an einen immobilisierten chemischen Stoff auf einer Faser gebunden ist, und ein elektrisches Messgerät, das mit dem Fotodetektor elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Fotodetektor ferner eine Detektoroptik umfasst, die mit dem Fotodetektor zur Aufnahme von Anregungsstrahlung verbunden ist, die von einem mobilen chemischen Stoff emittiert wird, der an einen immobilisierten chemischen Stoff auf der Faser gebunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Detektoroptik eine Faseroptik mit einem Durchmesser, der größer als der der Faser ist, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Fokussierungslinse eine zylindrische Linse umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei das elektrische Messgerät einen Analog-Digital-Wandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, die eine Vielzahl der Fotodetektoren umfasst, wobei das elektrische Messgerät mit einem jeglichen der Vielzahl von Fotodetektoren elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, die ferner eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Trägerplatte derart aufweist, dass ein Ende einer jeglichen der Fasern die Strahlung von der Fokussierungslinse aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei mindestens einer der Kanäle eine gebogene Bodenoberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25, die ferner eine Temperaturkontrollvorrichtung zum Steuern der Temperatur der Faser umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Temperaturkontrollvorrichtung die Temperatur der Faser über einen vorbestimmten Temperaturbereich derart ändert, dass die Temperatur der Faser durch ein Temperaturoptimum zum Binden eines mobilen und eines immobilisierten chemischen Stoffes durchläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei der eine oder die Vielzahl von immobilisierten chemischen Stoffen ein Polynukleotid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst: eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von Strahlung, eine Fokussierungslinse zum Fokussieren der Strahlung auf ein Ende einer jeglichen der Fasern, eine Strahlungsnachweisvorrichtung, die positioniert ist, um Strahlung aufzunehmen, die von einem jeglichen der Kontaktpunkte emittiert wird, und eine Bewegungsvorrichtung, die mit dem Träger verbunden ist, um einen jeglichen der Enden mit der Strahlung auszurichten, wobei die Fasern Lichtleiter sind, die parallel auf der Trägerplatte angeordnet sind und jeweils eine darauf immobilisierte Polynukleotidsonde aufweisen, und die Kanäle eine Vielzahl von parallelen und flussunabhängigen Kanälen zur Aufnahme eines Analyten sind, so dass eine jegliche der Fasern von dem Analyten kontaktiert wird.
Vorrichtung zum In-Kontakt-Bringen mindestens zweier chemischer Stoffe, umfassend: ein Rad mit einer Umfangsseitenwand, einen immobilisierten chemischen Stoff, der auf der Umfangsseitenwand angeordnet ist, und einen Behälter zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes und mindestens eines Teils der Umfangsseitenwand, wodurch der immobilisierte chemische Stoff den mobilen chemischen Stoff kontaktiert, wobei der immobilisierte chemische Stoff auf mindestens einer Faser angeordnet ist, die auf der Umfangsseitenwand angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei das Rad eine zentrale Radöffnung definiert, und die Vorrichtung ferner umfasst: eine Radrotationsvorrichtung und eine Drehkupplung, die an ihrem ersten Ende an die Radrotationsvorrichtung gekoppelt ist und an ihrem zweiten Ende an die Radöffnung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, wobei der Behälter einen Hohlraum mit einer Hohlraumseitenwand definiert, die konfiguriert ist, um einen ringförmigen Kammerzwischenraum zwischen der Hohlraumseitenwand und der Umfangsseitenwand zu definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei der Kammerzwischenraum etwa 1 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, die ferner eine Behälterrotationsvorrichtung zum Rotationskoppeln mit dem Behälter umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, die ferner ein Heizelement umfasst, das an den Behälter thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 35, die ferner umfasst: eine Strahlungsquelle zum Emittieren an ein Ende der mindestens einen Faser und eine Strahlungsnachweisvorrichtung zur Aufnahme von Anregungsstrahlung, die von der mindestens einen Faser emittiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Vorrichtung ferner eine Strahlungsleitvorrichtung umfasst, die umfasst: eine erste Fokussierungslinse, die zwischen der Strahlungsquelle und der mindestens einen Faser positioniert ist, eine zweite Fokussierungslinse, die zwischen der mindestens einen Faser und der Strahlungsnachweisvorrichtung positioniert ist, und einen Fokussierungsspiegel, der konfiguriert ist, um Strahlung zu der Strahlungsnachweisvorrichtung zu reflektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 37, die ferner umfasst: eine Drehkupplung, eine Radanordnung, die eine Vielzahl der Räder umfasst, die an die Drehkupplung gekoppelt sind, einen Multihohlraumbehälter, der eine Vielzahl von Hohlräumen definiert, wobei ein jeglicher der Hohlräume zur Aufnahme mindestens eines Teils eines der Räder fähig ist, und eine Radrotationsvorrichtung, die an die Drehkupplung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, wobei der immobilisierte chemische Stoff ein Polynukleotid ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 39, wobei die mindestens eine Faser ein Lichtleiter ist.
Verfahren zum Nachweisen des Bindens zweier chemischer Stoffe, umfassend die Schritte: Richten von Strahlung auf eine Faser, die in einem Träger, der eine Vielzahl von im Wesentlichen zueinander parallelen Fasern hält und eine Vielzahl von im Wesentlichen zueinander parallel angeordneten Kanälen zur Aufnahme eines mobilen chemischen Stoffes aufweist, derart positioniert ist, dass eine jegliche Faser in Flüssigkeitskontakt mit dem mobilen chemischen Stoff steht, wobei die Faser einen immobilisierten chemischen Stoff aufweist, der mit dem mobilen chemischen Stoff in Kontakt gebracht wurde, und Nachweisen von Anregungsstrahlung, die von dem chemischen Stoff emittiert wird, der an den immobilisierten chemischen Stoff gebunden ist, dadurch charakterisiert, dass die Vielzahl von Fasern senkrecht zu der Vielzahl von Kanälen positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei der Nachweisschritt die Schritte umfasst: Sammeln der Anregungsstrahlung, um eine gesammelte Anregungsstrahlung zu erzeugen, und Umwandeln der gesammelten Anregungsstrahlung in ein elektrisches Signal, das proportional zu der gesammelten Anregungsstrahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 41 oder 42, wobei der Nachweisschritt den Schritt eines Nachweises von Strahlung umfasst, die von dem chemischen Stoff bei einer Vielzahl von vorbestimmten Stellen entlang der Faser emittiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, das ferner den Schritt einer schrittweisen Änderung der Temperatur der Faser über einen vorbestimmten Temperaturbereich derart umfasst, dass die Temperatur der Faser durch ein Temperaturoptimum zum Binden eines mobilen und eines immobilisierten chemischen Stoffes durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 44, wobei der immobilisierte chemische Stoff ein Polynukleotid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 45, wobei die Fasern Lichtleiter sind.