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