DE69930726T2

DE69930726T2 - Verfahren und vorrichtung zur mikrotestdurchführung

Info

Publication number: DE69930726T2
Application number: DE1999630726
Authority: DE
Inventors: W. Ian Lincoln HUNTER
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: AU2102699A; US6743633B1; JP4448166B2; EP1714699B1; JP2008139319A; JP2009244271A; US6387331B1; US20040171166A1; CA2316912C; JP2002500373A; JP4668334B2; EP1051259B1; EP2286918B1; EP2286918A1; DE69930726D1; JP4271371B2; CA2316912A1; DE69942697D1; ES2350702T3; EP1714699A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben, Transportieren und Analysieren einer großen Anzahl von mikroskopischen Proben einer Flüssigkeit oder von Substanzen bzw. Materialien, welche gegenwärtig oder früher Zellen in flüssiger Suspension aufweisen/aufwiesen.
Hintergrund der Erfindung
Chemie im Mikromaßstab, einschließlich der Reaktion und nachfolgenden Analyse von Reagenzien- oder Analytenmengen in der Größenordnung von Mikrolitern oder kleiner, ist ein zunehmender bedeutender Aspekt der Entwicklung von neuen Substanzen in der pharmazeutischen oder anderen Industrie. Eine solche Reaktion und Analyse kann ausgedehnte Ansammlungen hervorbringen, welche nicht weniger als eine Million zu reagierender und analysierender Verbindungen unter verschiedenen Bedingungen enthalten. Signifikante Probleme, die mit derzeitigen Technologien verbunden sind, welche auf chemische Analyse von ausgedehnten Anzahlen (möglicherweise in der Größenordnung von hunderttausend oder Millionen pro Tag) von Verbindungen angewendet werden, schließen das Problem der parallelen Handhabung von ausgedehnten Anzahlen von Verbindungen und Reaktion mit ein.
Vorhandene Technologie stützt sich auf 96-, 384- oder 1536-Well-Plates, welche Mengen zwischen ungefähr 1 Mikroliter und 1 Milliliter Verbindung pro Well bzw. Senke aufnehmen, und schließt im Allgemeinen chemische Reaktionen und Analyse in Wells mit ein, welche mit einzelnen Öffnungen auf flachen, zweidimensionalen Oberflächen wie beispielsweise Siliziumchips angeordnet sind. Es ist nicht geeignet, vorhandene Technologie im Stand der Technik zur Bildung von Millionen-Well-Disks anzuwenden. Es gibt daher einen Bedarf für neue Lösungen, welche die Analyse von einer Million Proben in einem Laborformat durchführen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Charakterisieren bzw. Bestimmen einer Vielzahl von Flüssigkeitsproben wie in Anspruch 1 definiert geschaffen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist auch eine perforierte Trägerplatte wie in Anspruch 16 beansprucht geschaffen. Jedes Durchgangsloch der Trägerplatte ist so dimensioniert, dass es eine flüssige Probe darin mittels Oberflächenspannung hält und ein Volumen von weniger als 100 Nanoliter aufweisen kann. Die Vielzahl von adressierbaren Durchgangslöchern kann eine Dichte von mehr als 10⁸ pro Quadratmeter aufweisen.
In Übereinstimmung mit weiteren alternativen Ausführungen der Erfindung kann der Verfahrensschritt Einfüllen einer ersten Probe ein Ansaugen der Probe von einer ebenen Oberfläche durch Kapillarwirkung aufweisen. Die Trägerplatte kann mit einem Flüssigkeitsbehälter bzw. -reservoir in Kontakt gebracht und um entweder eine senkrecht zur Oberfläche des Behälters angeordnete Achse oder um zumindest eine senkrecht zur Oberfläche des Behälters angeordnete Achse und eine pa rallel zur Oberfläche des Behälters angeordnete Achse rotiert werden. Das Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt Beibehalten einer feuchten Atmosphäre zum Verhindern einer Verdampfung der ersten Probe oder Beschichten der flüssigen Probe mit einer monomolekularen Schicht zum Verhindern einer Verdampfung der Probe aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorangehenden Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen verständlicher. Hierbei zeigt:
1 eine Seitenansicht im Querschnitt eines Abschnitts einer beschichteten Trägerplatte, die mehrere Durchgangslöcher zur Analyse von flüssigen Proben in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung aufweist;
2A eine Draufsicht eines Abschnitts der Trägerplatte nach 1, in welcher die Durchgangslöcher auf rechteckig angeordneten Mittelpunkten konfiguriert sind;
2B eine Draufsicht eines Abschnitts der Trägerplatte nach 1, in welcher die Durchgangslöcher in einem dichtgepackten hexagonalen Array konfiguriert sind;
3 eine Draufsicht eines runden Probenwafers, der mit Durchgangslöchern in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung besetzt ist;
4 eine perspektivische Seitenansicht einer Anordnung zum Einfüllen einer flüssigen Probe in die Trägerplatte nach 1, indem Kapillarkräfte und Massenkräfte zum Einfüllen benutzt werden;
5 eine Schnittansicht eines einzelnen Durchgangslochs in der Trägerplatte nach 1, welche die Verwendung von hydrophoben und hydrophilen Schichten bzw. Layern zur Aufnahme einer wässrigen Probe zeigt;
6 ein schematisches Diagramm einer konfokalen optischen Anordnung zur Untersuchung einer flüssigen Probe in einem Durchgangsloch in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
7 eine perspektivische Ansicht einer Abtast- bzw. Scanneranordnung zur seriellen Untersuchung von flüssigen Proben, die in Durchgangslöchern einer scheibenartigen Trägerplatte in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung gehalten werden;
8 eine schematische Darstellung einer Scanneranordnung zur seriellen Untersuchung von flüssigen Proben, die in einer filmartigen Trägerplatte im Durchlaufverfahren in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung gehalten werden;
9 eine Querschnittsansicht von Abschnitten von zwei Trägerplatten, die zu einem bevorstehenden Mischen oder Verdünnen einander angenähert und die Durch gangslöcher untereinander ausgerichtet sind; und
10 eine Querschnittsansicht der Abschnitte von zwei Trägerplatten nach 9 nachdem die beiden Trägerplatten in Kontakt gebracht werden sind, um ein Mischen oder Verdünnen zu erleichtern.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungen Durchgangsloch-Wells bzw. -Schächte
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Volumen eines jeden für das Assay einer chemischen oder biologischen Reaktion benutzten Wells typischerweise auf weniger als 100 Nanoliter (10^-10 m³) reduziert. Die Packungsdichte von Wells kann dadurch in einigen Größenordnungen gegenüber dem Stand der Technik erhöht werden. Mit Bezug auf 1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Trägerplatte 10 dargestellt, die sonst als ein „Substrat" oder „Probenwafer" bezeichnet wird. Trägerplatte 10 ist der Träger einer großen Anzahl von Durchgangslöchern 12, welche die Trägerplatte 10 von einer Oberfläche 14 zu einer gegenüber liegenden Oberfläche 16 der Trägerplatte durchqueren und Assaywells (oder „Microwells") in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung bilden. Durchgangslöcher 12 können als kreisrunde, gerade Zylinder ausgebildet sein, oder können alternativ rechtwinklige Querschnitte aufweisen, jedoch fallen sonstig ausgebildete Durchgangslöcher in den Bereich der vorliegenden Erfindung. Wie in der vorliegenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen verwendet, bezieht sich der Begriff „Trägerplatte" auf einen Aufbau mit im Wesentlichen parallelen ebenen Oberflächen und Querabmessungen, die im We sentlichen die Dicke des Aufbaus zwischen den im Wesentlichen parallelen ebenen Oberflächen überschreiten.
Die Öffnungen der Durchgangslöcher 12 müssen nicht quadratisch sein, und, in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung, können sich Flansche 8 über die ebene Oberfläche 14 ausdehnen, welche einige oder alle Durchgangslöcher umgibt, während Vertiefungen 6 hergestellt werden können, die die Kanten der Durchgangslöcher 12 an der gegenüber liegenden Oberfläche 16 abrunden. Flansche 8 und Vertiefungen 6 können vorteilhaft zur Registrierung bzw. Ausrichtung von aufeinander folgenden Trägerplatten 10 dienen, in dem Fall, wenn Trägerplatten gestapelt werden und bei Misch- oder Verdünnungsprozessen, wie unten im Detail mit Bezug auf 9 bis 10 diskutiert wird.
In Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung werden Durchgangslöcher 12 mit einer ersten Probe 18 in flüssiger Form befüllt. Probe 18 kann mit einer zweiten Probe zu reagieren, wobei die zweite Probe eine Vielfalt von Testproben enthalten kann, und bei nachfolgender oder laufender Analyse der Reaktionsprodukte, welche zum Beispiel optische Marker verwenden, kann eine große Anzahl von Reaktionen parallel durchgeführt und analysiert werden.
Bei Anwendung auf biologische Assays, beispielsweise, kann die erste Probe 18 eine Reagenz sein, welche zum Beispiel Folgendes aufweist: Zellen in wässriger Suspension; eukaryotische (Tier, Hefe) oder prokaryotische (Bakterien) Zellen; Hybridzellen und biologische Moleküle, zum Beispiel einschließlich Antikörper und Enzyme, obwohl eine Anwendung auf andere biologische oder nichtbiologische Assays innerhalb des Bereichs der Erfindung liegt, wie hierin beansprucht wird.
Alle solche Reagenzien können auch hierin und in den beigefügten Ansprüchen als „Targets" bezeichnet werden. Typische Hefezellenkonzentrationen von 10⁷ Zellen pro Milliliter Lösung erbringen eine Größenordnung von 1000 Zellen pro Nanoliter-Well. Typischerweise kann ein gesamter Chip oder die Untergruppe von Durchgangsloch-Wells, welche einen aneinander gereihten Bereich von Trägerplatte 10 bilden, mit einem einzelnen Zellkulturstamm besetzt werden.
Ein typisches Assayprozessverfahren, beispielsweise ein solches, das in pharmazeutischer Forschung eingesetzt wird, schließt die nachfolgende Einführung einer Testprobe mit einem oder mehreren Analyten in die Durchgangsloch-Wells mit ein, wobei ausgewählte Materialien in Untergruppen von Durchgangslöchern eingeführt sind, die ein oder mehrere Durchgangslöcher einschließen können. Die in die Untergruppen von Durchgangslöchern adressierbar eingeführte Testprobe kann Arzneimittelkandidaten oder bekannte Arzneimittel enthalten. Die Testprobe kann aus mehrfachen Komponenten bestehen, die zur gleichen Zeit oder aufeinander folgend eingeführt worden sind. Komponenten der Testprobe können Analyten, Antagonisten, Reagenzien, Lösungsmittel oder jede anderen Materialien einschließen und können in flüssiger Form oder anders eingeführt werden. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Testproben in die Durchgangsloch-Wells in flüssiger Form eingebracht, um eine schnelle Reaktion über Diffusion mit der ersten Probe 18 zu erleichtern, die schon in flüssiger Form in den Durchgangslöchern vorhanden ist.
Die Gruppe von Substanzen, von welcher die zu einem besonderen Durchgangslochbereich adressierte zweite Probe aufgezogen bzw. aufgesogen wird, wird in dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen als eine „Library" von Substanzen bezeichnet. Bei typischen Anwendungen ist die Library von einer beachtlichen Größe und benutzt so vorteilhaft die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, eine parallele Reaktion und Analyse von großen Anzahlen von Substanzen zu erleichtern. Insbesondere bei pharmazeutischen Anwendungen können Librarys aus zwischen 10³ und 10⁹ Substanzen und Kombinationen von Substanzen zusammengesetzt sein.
Eine typische Dicke 20 von Trägerplatte 10 liegt in dem Bereich von 1 bis 2 mm, während Durchgangslöcher 12 typische charakteristische Abmessungen (zum Beispiel Durchmesser) 22 in der Größe von 100 bis 400 μm aufweisen. Somit liegt das Volumen eines jeden Durchgangslochs 12 zwischen Oberfläche 14 und Oberfläche 16 in dem Bereich von ~ 10^-7 cm³ oder größer. Durchgangslöcher 12 sind mit ihren Mittelpunkten typischerweise in der Größe des doppelten Durchmessers des Lochs beabstandet, obwohl alle Abstandskonfigurationen innerhalb des Bereichs der Erfindung und der beigefügten Ansprüche liegen. Insbesondere können Durchgangslöcher 12 in einem rechteckigen Gitter, wie in 2A gezeigt ist, oder in einem dichtgepackten hexagonalen Gitter, wie in 2B gezeigt ist, zentriert werden.
In Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung, die mit Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, können Durchgangslöcher 12 in einem Array innerhalb eines kreisförmigen Probenwafers 300 angeordnet sein, welcher mit einem zentralen Loch 302 für Zentrierzwecke in Bezug auf Handhabungseinrichtungen versehen ist.
Mit erneutem Bezug auf 1 kann Trägerplatte 10 irgendein fester oder quasifester Werkstoff sein, in welchen Durch gangslöcher 12 eingeformt werden können. Insbesondere in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungen der Erfindung kann Trägerplatte 10 aus Metall, Halbleiter, Glas, Quarz, Keramik oder Polymerwerkstoff gebildet sein, wobei alle nur beispielhaft ohne eine Beschränkung angegeben sind. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist Trägerplatte 10 in einem Format ausgebildet, das in Verbindung mit einer Compact Disk als Nurlesespeicher (CD-ROM) steht – nämlich das einer Polymerscheibe, ungefähr 1,2 mm in der Dicke und ungefähr 100 mm im Durchmesser.
Trägerplatte 10 kann auch vorteilhaft aus einem Laminat von Materialien mit einer zentralen Schicht 26 und äußeren „Sandwich"-Schichten 28 gebildet sein. Vorteile dieser Konstruktion zur Aufnahme von Probe 18 werden weiter unten diskutiert.
Die Durchgangslöcher 12 können in die Trägerplatte 10 mit für das Material der Trägerplatte 10 geeigneten Mitteln eingebracht werden. Verfahren zum Formen von Durchgangslöchern schließen beispielsweise Folgendes ein: Laserabtragung mittels eines ultravioletten (UV) Excimerlasers, welcher 100 μm Durchgangslöcher in Gläsern und Polymeren formen kann. Zusätzliche Formtechniken schließen mechanisches Bohren, elektrochemische Verfahren oder chemisch selektive Ätztechniken oder Ätztechniken mit geladenen Partikeln ein. Zusätzlich können Glasfaserbündel mit Mikrokapillaren von verschiedener Zusammensetzung aus Vorformlingen gezogen und zur Bildung von Trägerplatten zugeschnitten werden, welche dann selektiv zur Bildung von Durchgangslöchern geätzt werden.
Befüllen der Durchgangsloch-Microwells
Bei dem Größenmaßstab, der in Übereinstimmung mit Ausführungen der Erfindung Anwendung findet, bei welchem Durchgangslöcher 12 Seitenverhältnisse von axialer Länge zu Durchmesser größer als Eins aufweisen, können viskose Kräfte über Trägheitskräfte dominieren, indem sie die Fluidkinetik von Material in den Durchgangsloch-Wells beherrschen. Konsequenterweise kann Kapillarwirkung eingesetzt werden, um Durchgangslöcher 12 mit Probenfluid 18 zu befüllen. Mit Bezugnahme auf 4 werden zwei Aspekte des Befüllens der Durchgangsloch-Wells in Bezug auf eine Einrichtung 30 zum Einbringen von Proben beschrieben. Da Durchgangsloch-Microwells 12 auf beiden Seiten offen sind, erfordert ein Einbringen von Flüssigkeit in die Wells nicht, dass die von der Flüssigkeit beim Einbringen verdrängte Luft durch das eintretende Fluid strömen muss, wie es bei dem Well-Aufbau im Stand der Technik vorkommt, welcher nur eine einzige Öffnung zum Einfließen von Flüssigkeit und zum Ausströmen von verdrängter Luft aufweist. Flüssigkeit 32, die in einen Behälter 39 über eine Öffnung 33 eingefüllt ist, kann wie oben erwähnt Zellen oder andere Partikel in Suspension enthalten. Flüssigkeit 32 kann in Durchgangsloch-Microwells 12 (gezeigt in 1) durch Inline-Impulsion eingezwungen werden, wie durch Treiben der Trägerplatte 10 in die Flüssigkeit 12 durch eine aufgebrachte Kraft längs Richtung 36 quer zur Ebene der Trägerplatte 10. Die transversale Kolbenkraft kann über Welle 38 oder in jeder anderen im mechanischen Stand der Technik bekannten Weise aufgebracht werden.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführung der Erfindung kann Flüssigkeit auch durch Kapillarwirkung von Flüssigkeit 32 längs der Wände der Durchgangslöcher eingefüllt werden. Um ein Benetzen der unteren Oberfläche der Trägerplatte 10 vorzusehen, wird die Trägerplatte in Behälter 34 abgesenkt und gedreht, indem auf Welle 38 ein Drehmoment aufgebracht wird, oder auf andere Weise, mit einem Winkel, der typischerweise in der Größenordnung von einer Viertelumdrehung liegt. In alternativer Weise kann Trägerplatte 10 benetzt und Flüssigkeit 32 in die Microwells eingesaugt werden, indem Trägerplatte 10 in Flüssigkeit 32 eingetaucht wird und wobei die Trägerplatte um eine Achse in der Ebene der Trägerplatte geneigt wird.
Stabilisierung in Bezug auf Flüssigkeitsverluste durch Kapillarwirkung und Verdunstung
Um die Probe in flüssiger Form in den jeweiligen Microwells beizubehalten, muss eine Verdunstung der Flüssigkeit vermieden werden. Ein Verfahren zum Vermeiden von Verdunstung besteht darin, eine Umgebungsatmosphäre mit ungefähr 100 Feuchtigkeit zu vorzusehen. Neben anderen Verfahren, die praktiziert werden können, um Verdunstung zu unterdrücken, kann in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung ein Fluid mit einem hohen Molekulargewicht, beispielsweise verschiedene Alkohole, zum Beispiel an jedem Ende der Microwells eingeführt werden, wodurch sich monomolekulare Schichten oder andere dünne Schichten bilden, um Verdunstung der flüssigen Probe zu verhindern.
Mit Bezug auf 5 ist ein Querschnitt eines Abschnitts von Trägerplatte 10 zur Aufnahme eines Durchgangsloch-Microwells gezeigt. Um kapillares Befüllen des Microwells zu vergrößern und kapillares Auswandern der flüssigen Probe zu verhindern, weisen äußeren Abschnitte 40 des Microwells anliegend an Oberflächen 14 und 16 von Trägerplatte 10 hydrophobe Wandoberflächen in Übereinstimmung mit der Erfindung auf, während der innere Abschnitt 42 der Durchgangslochwand eine hydrophile Oberfläche besitzt, wodurch vorzugsweise eine wässrige flüssige Probe angezogen wird. Typischerweise kann das innere 160 μm Segment des Microwells eine hydrophile Wandoberfläche aufweisen, während die hydrophoben Schichten an jedem Ende des Wells in einem Bereich von 20 μm Länge liegen. Beim Befüllen der Probenflüssigkeit in die Microwells verbleibt typischerweise 10 % des Wells an jedem Ende ungefüllt, und nachfolgende Testproben in flüssiger Form werden schnell zum hydrophilen Zentrum des Microwells diffundieren, wodurch sie sich mit der schon vorhandenen Flüssigkeit vermischen.
Optische Untersuchung
In Abhängigkeit von der Anwendung, für welche die vorliegende Erfindung benutzt wird, kann das Ergebnis der Reaktion der ersten Probe in flüssiger Form mit nachfolgenden hinzugefügten Analyten in einer großen Variation von Methoden ausgelesen werden, die Fachleuten im biologischen oder biochemischen Bereich bekannt sind. Auslesesysteme können Markierungssubstanzen verschiedener Arten verwendet werden, welche eine Untersuchung der Probe innerhalb des adressierbaren Microwells gestatten, um zu bestimmen, ob eine spezifizierte Reaktion stattgefunden hat. Einige Reaktionen können optisch untersucht werden, um ohne Beschränkung solche optischen Verfahren wie kolorimetrische oder fluorometrische Verfahren oder resonante oder nicht resonante Scatter- bzw. Streuverfahren einschließlich Raman-Spektroskopie-Verfahren mit einzuschließen.
Nun wird Bezug auf 6 genommen. Optische Untersuchungsverfahren, von denen die voran stehenden nur Beispiele sind, können in Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung eingesetzt werden, indem ein Lichtstrahl 50 in Durchgangsloch 12 von Trägerplatte 10 eingekoppelt wird und Licht 52, das von der gegenüber liegenden Öffnung von Durchgangsloch 12 ausgeht, von Abtastern 54 erfasst wird, die ein Abtasterarray 56 bilden. In alternativer Weise kann Licht, das durch Streuung in die Ursprungsrichtung zurückkehrt, gesammelt und analysiert werden, indem standardisierte optische Techniken zur Anwendung kommen. Um das Signal-Rausch-Verhältnis des optischen Signals zu optimieren sind die Strahlform und das Durchgangslochvolumen vorzugsweise aufeinander abgestimmt. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird eine optische Abstimmung auf ein Durchgangsloch mit zylindrischem Querschnitt und mit einem Seitenverhältnis größer als Eins durch eine confokale optische Geometrie erzielt, bei welcher ein anfänglich kollimierter bzw. parallel gerichteter Strahl 50 durch ein optisches Element 58 in einen Strahl mit einem durch Diffraktion begrenzten Brennpunkt im Mittelpunkt 60 des Durchgangslochs 12 transformiert wird. Der austretende optische Strahl 52 wird gesammelt und auf Abtasterarray 56 durch ein optisches Element 60 fokussiert. Ein besseres optisches Abtasten des Volumens des Durchgangslochs kann erhalten werden, wenn das Durchgangsloch einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, und wenn die optische Strahlung durch die Wände des Durchgangslochs in der Art eines Wellenleiters geführt wird. Optische Elemente 58 und 60 können Linsen oder Spiegel oder Kombinationen davon sein, wie sie den Fachleuten in der Optik bekannt sind. Abtasterarray 56 kann zum Beispiel ein ladungsgekoppeltes Halbleitervorrichtungsarray (CCD) sein, und in einer Ausführung der Erfindung wird ein 1000 × 1000 Elementformat eingesetzt, wobei jedes Durchgangsloch auf drei Elementen 54 des Abtasterarrays 56 abgebildet wird. Ein Fenster 62 kann zwischen Trägerplatte 10 und Abtasterarray 56 angeordnet sein und kann unter Ver wendung von Standardtechniken getrocknet werden, wenn das Assay in einer feuchten Umgebung wie oben erwähnt durchgeführt wird. Alternativ kann Strahl 50, der durch Kopplungselement 58 in das Durchgangsloch 12 eingekoppelt wird, in der Art einer geführten Welle durch einen Wellenleiter durch die Wände 62 des Durchgangslochs 12 geleitet werden, um eine wirkungsvolle Untersuchung des Probenvolumens innerhalb des Durchgangslochs vorzusehen.
In einigen Fällen, in denen der Werkstoff der Trägerplatte 10 bei den Wellenlängen des untersuchenden optischen Strahls 50 nicht vollständig opak ist, kann Wand 62 des Durchgangslochs 12 beschichtet sein, um Lichtleckage und Übersprechen zwischen den adressierbaren Probenvolumina zu verhindern.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei welcher Trägerplatte 10 in dem CD-ROM-Format, das oben beschrieben ist, konfiguriert ist, wobei eine optische Quelle zur Untersuchung 50 für eine Verstellung in radialer Richtung 68 geeignet ist, während Trägerplatte 10 um Mittelpunkt 66 rotiert. In Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung kann ein optisches Abtasterarray 56 zusammen mit Quelle 50 verstellt werden.
Kontinuierliche Prozessanalyse
Bezug nehmend auf 8 wird in Übereinstimmung mit einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung die Trägerplatte 10, welche zum Beispiel eine flexible Polymersubstanz sein kann, in eine Richtung 70 an einem optischen Untersuchungssystem vorbei transportiert, welches eine optische Quelle 72 und ein Abtasterarray 74 aufweist. Proben in flüs siger Form können in Durchgangslöcher 12 eingefüllt werden und mit einer Geschwindigkeit voran bewegt werden, die durch die relevanten Reaktionszeiten so bestimmt ist, dass eine Reihe 76 optisch in der Periode untersucht wird, während der eine spezifizierte Anzeige erwartet wird.
Mischen und Verdünnen
Nun wird Bezug auf 9 genommen. Es ist eine Querschnittsansicht von Abschnitten einer ersten Trägerplatte 90 und einer zweiten Trägerplatte 92 dargestellt, welche vor einem durchzuführenden Prozess zum Vorbereiten, Mischen oder Verdünnen von flüssigen Proben nahe aneinander gebracht sind. Durchgangslöcher 12 von Trägerplatte 90 sind mit flüssigen Proben 94 befüllt dargestellt, welche über eine gegebene Untergruppe von Durchgangslöchern 12 identisch sein können, oder für die ganze Trägerplatte identisch sein können. Die flüssige Probe 94 in schematischer Darstellung kann Zellen oder andere Targets 96 in Lösung innerhalb eines Lösungsmittels 98 aufweisen.
Durchgangslöcher 12 der zweiten Trägerplatte 92 sind mit flüssigen Proben 100 und 102 befüllt, welche mit einem oder mehreren Lösungsmitteln oder anderen wirksamen Mitteln versehen gezeigt sind. Insbesondere kann Trägerplatte 92 mit einer Library von verschiedenen Verbindungen besetzt sein, von denen jede dem Target 96 von Trägerplatte 90 ausgesetzt werden soll.
10 zeigt Trägerplatte 90 und 92 aus 9, welche miteinander so in Kontakt gebracht worden sind, dass den Durchgangslöchern der jeweiligen Trägerplatten eine Ausrichtung und Fluchtung auf einer eins-zu-eins Basis ermöglicht ist. Das Ineinandergreifen bzw. -passen von Vorsprüngen 8 und Vertiefungen 6 von jeweiligen Trägerplatten erleichtert die Registrierung von Durchgangslöchern und sieht das Mischen der flüssigen Probeninhalte der jeweiligen Durchgangslöcher vor. Auf diese Weise sind wie dargestellt die Hälfte von Targets 96 aus Proben 94 der ersten Trägerplatte 90 in das Lösungsmittel der Proben 100 und 102 gewandert. Mischen oder Verdünnen kann so erleichtert werden, entweder durch reguläre statistische Diffusion oder durch jedes andere Verfahren, welches zur Erleichterung des Mischens eingesetzt wird. Ein Mischen kann zum Beispiel durch die Erzeugung von thermischen Wirbelströmungen und Turbulenzen erhöht werden, welche durch Laserbestrahlung induziert werden. Es ist herausgefunden worden, dass sich Mischgeschwindigkeiten auf diese Weise um mehr als eine Größenordnung vergrößern.
Die Anzahl von Trägerplatten 90 und 92, die gestapelt werden können, ist in Übereinstimmung mit der Erfindung nicht auf zwei begrenzt, wie in 9 und 10 nur beispielhaft gezeigt ist. So kann die Konzentration von Targets 96 in Lösungsmittel 98 auf einen gegebenen Grad verdünnt werden, indem eine korrespondierende Anzahl von Trägerplatten mit registrierten bzw. ausgerichteten Durchgangslöchern gestapelt werden und eine Migration von Targets 96 durch die innerhalb der korrespondierenden Probenvolumina enthaltenen Flüssigkeit ermöglicht wird.
Transport von biologischen Proben
Die hierin beschriebenen Trägerplatten können zum Beispiel zum Versand von Proben einer gleichförmigen Zellkultur zu La boratorien verwendet werden. In dieser Anwendung können die Zellen oder andere biologische Proben in die Durchgangsloch-Wells der Erfindung in wässriger oder anderer flüssiger Suspension eingeführt sein. Der Flüssigkeitsträger wird dann verdampft, wobei es ermöglicht wird, dass die Zellen oder anderen biologischen Proben eine Beschichtung der Wände der Vielzahl von Durchgangsloch-Wells in Gestalt eines Schornsteins bilden. Die Proben können dann nachfolgend durch Benetzung resuspendiert werden, und weitere Analyten können eingebracht werden.
Die beschriebenen Ausführungen der Erfindung sind lediglich als beispielhaft beabsichtigt, und zahlreiche Variationen und Modifikationen sind für den Fachmann offensichtlich. Alle solche Variationen und Modifikationen sind innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren zum Charakterisieren bzw. Bestimmen einer Vielzahl von Flüssigkeitsproben mit folgenden Verfahrensschritten: (a) Vorsehen einer Trägerplatte mit einer Gruppe von Durchgangslöchern; (b) Einfüllen einer vorgegebenen Probe in flüssiger Form in jedes Durchgangsloch einer ersten Untergruppe der Gruppe von Durchgangslöchern; (c) Einfüllen einer zweiten und verschiedenen Probe in zumindest ein anderes Durchgangsloch als ein Loch aus der ersten Untergruppe; und (d) Bestimmen einer Eigenschaft der vorgegebenen Probe und der zweiten und verschiedenen Probe, wobei jedes Durchgangsloch so dimensioniert ist, dass es eine flüssige Probe darin mittels Oberflächenspannung hält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahrens weiterhin folgende Verfahrensschritte aufweist: (e) Hinzufügen eines Reagens in zumindest eines der Durchgangslöcher der ersten Untergruppe zum Ermöglichen einer Reaktion zwischen der ersten Probe und dem Reagens; und (f) Bestimmen der Reaktion in dem Durchgangsloch in Begriffen der spezifizierten Eigenschaften.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jedes Durchgangsloch ein Volumen von weniger als 100 Nanoliter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Durchgangslöchern eine Dichte von mehr als 10⁸ pro Quadratmeter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Probe in flüssiger Form zumindest entweder ein Target in Lösung oder ein Target in Suspension aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zumindest das entweder eine Target in Lösung oder das eine Target in Suspension ein biologisches Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfüllen einer ersten Probe ein Ansaugen der Probe von einer ebenen Oberfläche durch Kapillarwirkung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfüllen einer ersten Probe ein Inkontaktbringen der Trägerplatte mit einem Flüssigkeitsbehälter bzw. -reservoir aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfüllen einer ersten Probe ein Inkontaktbringen der Trägerplatte mit einem Flüssigkeitsbehälter und ein Rotieren der Trägerplatte um zumindest entweder eine zum Behälter senkrecht angeordnete Achse oder eine parallel zur Oberfläche des Behälters angeordnete Achse aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfüllen einer ersten Probe ein Inkontaktbringen der Trägerplatte mit einem Flüssigkeitsbehälter und ein Antreiben der Trägerplatte in einer Richtung aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der ebenen Oberfläche der Trägerplatte an geordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es weiterhin ein Beibehalten einer feuchten Atmosphäre zum Verhindern einer Verdampfung der ersten Probe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es weiterhin ein Beschichten der Probe mit einer monomolekularen Schicht zum Verhindern einer Verdampfung der Probe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Eigenschaft der vorgegebenen Probe ein optisches Analysieren der Probe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Eigenschaft der vorgegebenen Probe folgende Teilschritte aufweist: (a) Beleuchten zumindest eines Durchgangsloches der Untergruppe der Gruppe von Durchgangslöchern mit optischer Strahlung; und (b) Analysieren der von dem zumindest einen Durchgangsloch ausgehenden optischen Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Analysieren ein spektrales Bestimmen der von dem zumindest einen Durchgangsloch ausgehenden optischen Strahlung aufweist.
Perforierte Trägerplatte mit im Wesentlichen parallelen ebenen Oberflächen zur Handhabung von flüssigen Proben, mit: (a) einer inneren Schicht aus hydrophilem Material; (b) zwei äußeren Schichten aus hydrophilem Material, welche an gegenüber liegende Seiten der inneren Schicht angekoppelt sind; und mit (c) Durchgangslöchern zum Halten der flüssigen Proben, wobei die Durchgangslöcher die innere Schicht und die beiden äußeren Schichten in einer Richtung durchqueren, die im wesentlichen senkrecht zu den ebenen Oberflächen der Trägerplatte angeordnet ist, wobei jedes Durchgangsloch so dimensioniert ist, dass es eine flüssige Probe darin mittels Oberflächenspannung hält.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Durchgangslöchern auf Mittelpunkten eines hexagonal dichtgepackten Gitters auf jeder Oberfläche der Trägerplatte angeordnet ist.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Durchgangslöchern auf Mittelpunkten eines rechteckigen Gitters auf jeder Oberfläche der Trägerplatte angeordnet ist.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Durchgangslöcher ein Seitenverhältnis von axialer zu transversaler Abmessung von größer als 1,5 aufweisen.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei das von der Wand eines jeden Durchgangsloches und den Ebenen der ebenen Oberflächen der Trägerplatte eingeschlossene Volumen geringer ist als 100 Nanoliter.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Wand eines jeden Durchgangsloches zum Teil hydrophil und zum Teil hydrophob ist.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Wand eines jeden Durchgangsloches ein mittleres hydrophiles Segment und zwei hydrophobe Segment dergestalt aufweist, dass sich ein hydrophobes Segment von dem mittleren hydrophilen Segment zu jeder ebenen Oberfläche der Trägerplatte hin erstreckt.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Trägerplatte ein Laminat bzw. eine Schichtplatte mit einer mittleren hydrophilen Schicht und zwei äußeren hydrophoben Schichten ist, die auf gegenüber liegenden Seiten der mittleren hydrophilen Schicht angeordnet sind.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Trägerplatte metallisch ist.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Trägerplatte aus einem Material besteht, das aus amorphen Werkstoffen Keramik, Glas, Quartz und glasartigem Kohlenstoff ausgewählt ist.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei die Trägerplatte aus einem Polymermaterial besteht.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei zur Ermöglichung einer Aussendung von Licht von den Durchgangslöchern nur an den ebenen Oberflächen der Trägerplatte die Wände der Vielzahl von Durchgangslöchern beschichtet sind.
Perforierte Trägerplatte nach Anspruch 16, wobei sie weiterhin eine Vorschubeinrichtung zur Beförderung der Trägerplatte in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse aufweist, längs welcher optischen Achse ein Durchgangsloch beleuchtet ist.