DE29924533U1

DE29924533U1 - Vorrichtung zur photolitographischen Belichtung von biologischen Stoffen

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Publication number: DE29924533U1
Application number: DE29924533U
Authority: DE
Original assignee: Epigenomics AG
Current assignee: Epigenomics AG
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2009-07-10

Description

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Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen.

DNA-Chips sind kleinste, meist planare Oberflächen, auf welchen räumlich geordnet eine große Anzahl verschiedener Oligomere (kurze, einsträngige DNA-Moleküle) angebracht sind. Solche Chips werden beispielsweise zur parallelen Erkennung zahlreicher DNA-Sequenzen in einer präparierten Gewebeprobe verwendet. Dazu benetzt man die Chipoberfläche mit einer Lösung von einsträngigen DNA-Stücken aus der Gewebeprobe, worauf sich komplementär passende DNA-Stücke aus der Lösung an die entsprechenden, an der Chipoberfäche angebrachten Oligomere anlagern (Hybridisierung) . Danach bestimmt man mit einer geeigneten Methode wie z.B. Fluoreszenzmarkierung, an welchen Stellen auf dem Chip eine Hybridisierung stattgefunden hat. Wenn man weiß, wo auf dem Chip welche Oligomere angebracht sind, kann man somit Rückschlüsse auf DNA-Sequenzen in der Gewebeprobe machen. Dazu definiert man in der Regel auf der Chip-Trägerfläche ein dichtes rechtwinkliges Raster. Auf jedem Rasterpunkt ist in Form eines kleinen Flecks genau eine Sorte von Oligomer angebracht. Die maximal mögliche Anzahl von verschiedenen DNA-Sequenzen auf dem Chip ist demzufolge gleich der Anzahl der Rasterpunkte. Da man möglichst viele Sorten von Oligomeren auf einen Chip aufbringen will, die Chips aber gleichzeitig so klein wie möglich sein sollten, um effektiv hybridisiert werden zu können, ist es ein wichtiges Ziel bei der Herstellung von DNA-Chips, eine möglichst hohe Rasterdichte zu erreichen.

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Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur DNA-Chip Herstellung bekannt.

1) Alle Oligomere werden auf herkömmliche Weise einzeln im Reagenzglas synthetisiert und danach an den vorgesehenen Rasterpunkten auf den Träger aufpipettiert, typischerweise von einer automatischen Micropipettieranlage. Diese Methode ist sehr aufwendig und teuer, da jedes Oligomer einzeln hergestellt bzw. gekauft und von Hand der Pipettieranlage zugeführt werden muss. Die Rasterdichte ist durch die Positioniergenauigkeit der heute verfügbaren Pipettieranlagen und durch das minimale Abgabevolumen der typischerweise piezoelektrischen Mikropipetten stark limitiert.

2) Die Oligomere werden mit Hilfe einer automatischen Mikropippetieranlage direkt auf dem Chip synthetisiert. Auf jedem Rasterpunkt wird die dort vorgesehene Oligomerkette Baustein für Baustein (Nukleobasen) aufgebaut. Das chemische Verfahren ist grundsätzlich das selbe wie bei der herkömmlichen Oligomer-Synthese im Reagenzglas. Der Unterschied ist, dass alle Oligomere gleichzeitig, von einer einzigen automatischen Anlage direkt am vorgesehenen Bestimmungsort hergestellt werden. Die bei Methode 1) separaten Arbeitsschritte Oligomer-Synthese und Micropipettierung werden somit zu einem einheitlichen Arbeitsschritt zusammengefasst. Diese in situ Synthese läuft normalerweise wie folgt ab: Auf einem vorpräparierten Substrat tropft der Pipettierautomat sequentiell auf jedem Rasterpunkt die dort vorgesehene erste Nukleobase auf. Dies ist mechanisch nicht sehr aufwendig, da es nur 4 verschiedene Nukleobasen (C, T, G, A) gibt. Man kann dafür z.B. 4 aneinandergekoppelte Micropipetten verwen-

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den. Nach dem Auftragen des ersten Nukleosidbausteins auf jedem Rasterpunkt wird das Substrat gewaschen und nach einem "Capping Schritt" die Schutzgruppen an den 5'-OH Funktionen entfernt, um die Reaktion mit dem jeweils nachfolgenden Nukleosidbaustein zu ermöglichen. Danach wird an jedem Rasterpunkt die zweite Nukleobase aufpipettiert. Das Substrat wird dann wieder gewaschen und entschützt. Auf diese Weise baut man Schritt für Schritt auf jedem Rasterpunkt die jeweils erforderlichen Oligomerketten auf. Diese Methode ist nicht besonders schnell, da nacheinander auf jedem Rasterpunkt für jede Nukleobase neu pipettiert werden muss. Wie bei Methode 1) ist die Rasterdichte durch die Ungenauigkeit der Micropipetten beschränkt. Die Ungenauigkeit wirkt sich hier noch schlimmer aus, da jeder Rasterpunkt mehrmals nacheinander auf möglichst identische Weise getroffen werden muss.

3) Die Oligomere werden wie bei 2) direkt auf dem Träger synthetisiert, die gezielte Anbindung der richtigen Nukleobasen an den richtigen Rasterpunkten geschieht jedoch durch eine vollkommen parallele, photolithographische Technik anstelle von sequenziellen, zielgenauen Pipettierschritten. Das Verfahren basiert darauf, dass man mit Licht einer bestimmten Wellenlänge gezielt die 5'-OH Schutzgruppen von Oligonukleotiden entfernen kann. Durch geeignete örtliche Bestrahlungsmuster kann man somit Oligonukleotid-Enden an genau jenen Rasterpunkten reaktionsfähig machen, an denen man im nächsten Schritt eine neues Nukleosid anbringen will. Bei vollständiger Benetzung der Chipoberfläche mit einer Nukleotidbaustein-Lösung wird somit nur an den vorher belichteten Stellen ein Nukleotidbaustein angebunden, alle unbelichteten Stellen bleiben unverändert. Die örtlichen Belichtungsmuster werden erzeugt, indem man eine microphotographische schwarz-

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weiss Maske zwischen dem Substrat und der Lichtquelle positioniert, die alle Rasterstellen abdeckt, die nicht reaktionsfähig gemacht werden sollen. Die Verlängerung der Oligomer-Ketten auf allen Rasterpunkten um eine Nukleobase geschieht demnach wie folgt: Mit Hilfe einer ersten Maske werden genau jene Rasterpunkte belichtet, welche um die erste der 4 möglichen Sorten von Nukleobasen (z.B. C) erweitert werden müssen. Danach wird der Chip mit einer Lösung des entsprechenden Nukleotidbausteins benetzt, worauf nur die belichteten Punkte um diese Base verlängert werden. Da die neu angebundenen Basen noch alle über eine Schutzgruppe verfügen, werden sie in den folgenden Schritten nicht weiter reagieren, bis ihre Schutzgruppen durch eine weitere Belichtung abgespaltet werden. Nach diesem Reaktionsschritt wird der Chip gewaschen. Nun werden mit Hilfe einer zweiten Maske genau jene Rasterstellen belichtet, welche um die zweite der 4 möglichen Sorten von Nukleobasen (z.B. T) erweitert werden müssen. Darauf wird der Chip wiederum mit einer Lösung des entsprechenden Nukleotidbausteins benetzt und die belichteten Stellen dadurch um diese Base verlängert. Genauso verfährt man für die verbleibenden zwei Basen (z.B. G und A) . Für die Verlängerung aller Oligomere um eine Nukleobase benötigt man demzufolge vier Belichtungsschritte bzw. 4 Photomasken. Diese Methode ist wegen der hohen Parallelität sehr effizient, zudem ist sie wegen der hohen Präzision, die mit Photolithographie erreicht werden kann, geeignet, um sehr hohe Rasterdichten zu erzielen. Allerdings ist die Methode sehr aufwendig und somit teuer, da man für die Herstellung einer bestimmten Sorte von Chip zuerst eine grosse Anzahl von Photomasken erzeugen muss. Bei hohen Rasterdichten werden zudem hohe Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit der Masken wäh-

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rend der Belichtung gestellt, die effizient nur durch Verwendung von teuren Apparaturen erfüllt werden können.

4) Es wird dasselbe Verfahren angewandt wie bei 3), nur verwendet man anstelle der grossen Zahl von photographischen Masken eine einzige, transmissive Flüssigkristallanzeige, die elektronisch angesteuert wird und als dynamische Maske dient. Diese Methode ist einfach und billig, da keine photographischen Masken erzeugt werden müssen und das Positionierungsproblem entfällt. Ein mögliches Problem dieser Methode ist der limitierte optische Kontrast der heute verfügbaren Flüssigkristallanzeigen. Das Lichtintensitätsverhältnis zwischen belichteten und abgedeckten Punkten wird dadurch reduziert, was eine Ausbeuteverminderung bei der Oligomersynthese zur Folge haben kann. Ausserdem liegt bei den meisten heute verfügbaren LCDs die Lichtausbeute unter 50% und ist zudem meistens auf das sichtbare Licht optimiert. Viele LCDs absorbieren z.B. im für die Synthese besonders interessanten UV-Bereich deutlich stärker als im sichtbaren bereich.

5) Man synthetisiert die Chips wie bei 3) und 4) nach dem photolithographischen Verfahren, erzeugt ein bestimmtes Belichtungsmuster auf dem Substrat jedoch nicht durch gezielte Abdeckung von Rasterpunkten mit Hilfe einer statischen oder dynamischen Maske, sondern indem man individuell jedem zu belichtenden Rasterpunkt das Licht direkt über einen optischen Lichtleiter zuführt. Über jedem Rasterpunkt wird das Ende einer optischen Lichtleiterfaser so angebracht, dass bei Lichteinkopplung in die Faser das am Ende austretendes Licht genau den entsprechenden Rasterpunkt beleuchtet. Es wird also ein Faserbündel verwendet, das aus genau so vielen Lichtleiterfasern besteht wie Rasterpunkte vorgesehen sind. Beliebige Belichtungs-

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muster werden erzeugt, indem man jeder einzelnen Faser gezielt Licht einkoppelt oder nicht. Diese gezielte und unabhängige Lichteinkopplung in die einzelnen Lichtleiterfasern kann z.B. durch Leuchtdioden oder durch kommerziell erhältliche, elektrisch gesteuerte optische Schalter und einer Lichtquelle bewerkstelligt werden. Für jede Lichtleiterfaser wird dabei eine eigene, individuell ansteuerbare Leuchtdiode bzw. Schalter benötigt. Der große Vorteil dieser Methode gegenüber Methode 4) ist der sehr hohe, (theoretisch unendliche) Kontrast, der erzielt werden kann, was eine deutliche Verbesserung der Syntheseausbeute ermöglicht. Es ist zudem eine sehr hohe Lichtausbeute möglich, da es heute zu allen wichtigen Wellenlängenbereichen Lichtleiterfasern gibt, welche im entsprechenden Wellenlängenbereich nur sehr schwach absorbieren. Der Nachteil der Methode ist, dass es sich sowohl bei den Leuchtdioden wie auch bei den optischen Schaltern um diskrete Bauteile einer gewissen Größe handelt. Da für die Synthese von Chips hoher Dichte eine große Zahl solcher Bauteile benötigt wird (für jeden Rasterpunkt ein Bauteil), kann in solchen Fällen die Steuereinheit eines solchen Systems sehr groß werden, was dazu führt, dass das System wegen seiner Größe in typischen Biochemielabors nicht problemlos eingesetzt werden kann.

6) Man synthetisiert die Chips wie bei 3), 4) und 5) nach dem photolithographischen Verfahren, belichtet hier aber die einzelnen Rasterpunkte mit Hilfe von Reflexion an kleinen, zwischen zwei Positionen hin- und herkippbaren Spiegeln. Dafür wird ein spezieller Typ von Siliziumchip verwendet, der kommerziell für die Verwendung in Videoprojektoren hergestellt wird. Es handelt sich bei diesem Chip um eine kleine (einige Quadratcentimeter große) Siliziumoberfläche, auf dem in einem rechtwinklige Raster

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eine große Zahl (z.B. 768x576) mikroskopisch kleiner, rechteckiger (z.B. 17&mgr;&idiagr;&eegr; &khgr; 17ym) Metallspiegel angebracht sind. Jeder der Spiegel ist bezüglich seiner Diagonalachse beweglich gelagert und kann in zwei stabile Positionen A und B gekippt werden, die sich um einige Winkelgrade unterscheiden. Welcher der Spiegel sich in welcher der beiden Positionen befindet, kann durch elektronische Signale an den Chipeingängen beliebig eingestellt werden. So ein Mikrospiegel-Chip ("micromirror device") wird zusammen mit einer Lichtquelle, einer Optik und der zu belichtenden Array-Oberflache so angeordnet, dass jeder der Spiegel das reflektierte Licht in der Position A auf das Array wirft und in der Position B auf eine Lichtschluckende Fläche neben dem Array. Dabei gehört zu jeder Rasterposition auf dem zu belichtenden Array genau ein Spiegel, welcher Licht genau auf diese Rasterposition reflektiert, falls er sich in Position A befindet. Diese Methode ist vergleichbar mit der Methode 4), nur dass für die Lichtmustererzeugung statt einer transmissiven dynamischen Maske ein reflektives dynamisches Lichtablenkungsbauteil verwendet wird. Das System ist ähnlich einfach und klein wie jenes mit LCDs, kann aber einen höheren Kontrast und eine höhere Lichtausbeute über einen größeren Wellenlängenbereich erreichen. Dies kann sich auf die Qualität des synthetisierten DNA-Arrays sehr vorteilhaft auswirken. Allerdings kommt auch diese Methode in Sachen Kontrast und Lichtausbeute beiweitem nicht an Methode 5) heran. Der Kontrast wird durch die nicht völlig unterdrückbaren parasitären Streulichteffekte vermindert. Die Lichtausbeute ist nicht maximal, weil die Spiegel einen gewissen Teil des Lichts absorbieren und weil der Füllfaktor der heute verfügbaren Mikrospiegelchips unter 90% liegt. Das kommt daher, dass sich aus herstellungstechnischen Gründen zwischen den einzelnen Spiegeln

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recht große Lücken befinden (gesamthaft über 10% der Chipfläche), wo kein Licht reflektiert wird.

Diese Methoden nach dem Stand der Technik weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Die beiden attraktivsten Methoden, um günstig und flexibel DNA-Arrays hoher Rasterdichte herzustellen, sind die Methode mit den Lichtleitern und die Methode mit den kippbaren Mikrospiegeln. Die Methode mit den Lichtleitern erlaubt einen extrem hohen Kontrast und eine hohe Lichtausbeute in einem weiten Wellenlängenbereich, und somit eine hohe Qualität des synthetisierten DNA-Arrays. Mit zur Zeit erhältlichen Komponenten wird jedoch die benötigte Apparatur für die Herstellung von Chips mit vielen Rasterpunkten ziemlich auwendig und groß, und ist dadurch in vielen typischen Labors nicht problemlos einsetzbar. Die Methode mit den kippbaren Mikrospiegeln ist mit einer einfachen und kleinen Apparatur realisierbar, hat aber den Nachteil, dass die Mikrospiegel-Chips eine geringere Lichtausbeute und einen geringeren Kontrast erlauben als die Lichtleiter. Der Grund für den verminderten Kontrast ist der komplizierte, durch viele verschieden orientierte Kanten, Flächen und Spalten gekennzeichnete geometrische Aufbau der Mikrospiegel-Chips, der allerlei Streulichteffekte und damit einen nicht unterdrückbaren Grund-Strahlungspegel erzeugt. Auch die Stellen, die auf dem DNA-Chip jeweils nicht belichtet werden sollen, kriegen dadurch noch eine gewisse Restlichtmenge ab. Der Grund für die verminderte Lichtausbeute ist der grundsätzlich deutlich unter 100% liegende Füllfaktor des Mikrospiegelchips, bedingt durch die aus qualitätstechnischen Gründen unerlässlichen Spalten zwischen den einzelnen Spiegeln, die nicht für gezielte Spiegelung genutzt werden können.

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Ein weiterer potentieller Nachteil der Mikrospiegel-Lösung ist die sehr hohe mechanische Komplexität und Empfindlichkeit der Mikrospiegel-Chips. Das Potential dieser Technologie für eine Weiterentwicklung, insbesondere eine weitere Miniaturisierung ist dadurch eingeschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ähnlich kompakt wie jene mit den Mikrospiegeln ist und den hohen Kontrast, die hohe Lichtausbeute und die Robustheit der Methode mit den Glasfasern erreicht.

Die Aufgabe wird durch die gekennzeichneten Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen geschaffen wird, umfassend mindestens eine Lichtquelle und ein modulierbares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelfläche, wobei die Spiegelfläche mittels an den Steuerelektroden angelegten elektrischen Spannungen gezielt lokal deformierbar ist.

Bevorzugt ist es, daß die Lichtquelle monochromatisches oder kontinuierliches Licht in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 800 nm aussendet. Besonders bevorzugt ist hierbei, daß die Lichtquelle ein Laser, eine Leuchtdiode, eine Metalldampflampe, eine Gasentladungslampe, eine Gasanregungslampe, eine Glühfadenlampe oder eine Lichtbogenlampe ist.

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Erfindungsgemäß bevorzugt ist es, daß zu belichtende
Stoffe auf einem Träger angeordnet sind. Bevorzugt ist
ferner, daß zu belichtende Stoffe auf einem Träger angeordnet sind, wobei dieser Träger ein DNA-Chip, ein PNA-Chip
oder ein Peptid-Chip ist.

Erfindungsgemäß besonders bevorzugt ist es, daß die elastische Spiegelfläche ein viskoelastischer Flächenlichtmodulator (surface light modulator, SLM) ist.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevozugt, daß die elastische Spiegelfläche mittels mikrotechnischer Verfahren
der klassischen Halbleitertechnik erhältlich sind.

Ganz besonders bevorzugt ist es erfindungsgemäß, daß die Steuerelektroden der elastischen Spiegelfläche mittels
eines Computers elektronisch ansteuerbar sind.

Es ist weiterhin erfindungsgemäß bevorzugt, daß die Vorrichtung zusätzlich mindestens einen Detektor umfaßt.
Hierbei ist ferner bevorzugt, daß mindestens einer der
Detektoren derart angeordnet ist, daß dieser das zur Belichtung verwendete Licht erfaßt und/oder mindestens ein Detektor derart angeordnet ist, daß dieser das von den
belichteten Stoffen reflektierte und/oder durch Fluoreszenz erzeugte Licht erfaßt und daß zur Lichtführung für
die Detektoren gegebenenfalls Spiegel und/oder Anordnungen von einzeln ansteuerbaren Spiegeln und/oder elastischen
Spiegelflächen und/oder Glasfaserbündel vorgesehen sind.

Vorzugsweise sind erfindungsgemäß die Detektoren CCD-Detektoren
und/oder CCD-Kameras.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner, daß die Zielpunkte der elastischen Spiegelfläche auf Lichtleiter, nämlich je

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eine Glasfaser eines Glasfaserbündels gerichtet sind, welche dann je auf einen bestimmten Punkt des eigentlichen Trägers ausgerichtet sind.

Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, daß zur Abbildung des von der elastischen Spiegelfläche erzeugten Lichtmusters auf dem Reaktionsträgers eine Optik zwischen die elastische Spiegelfläche und dem Träger angeordnet ist.

Es ist außerdem bevorzugt, daß die Lichtquelle ein solches Spektrum von Wellenlängen emittiert, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäure Bausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß der Strahlengang zwischen Lichtquelle und Substrat über ein modulierbares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelfläche geleitet wird, die über an Steuerelektroden angelegte Spannungen gezielt lokal deformiert werden kann, um das Licht an diesen Stellen aus dem Strahlengang zum Substrat aus der O. Beugungsordnung heraus zu beugen, und somit gezielt unbelichtete Bereiche auf dem Substrat zu erzeugen, auf dem die Oligomersynthese stattfindet, während die in der 0. Beugungsordnung verbleibenden Lichtanteile die gezielt zu belichtenden Bereiche auf dem Substrat bestrahlen, und die präzise und starr positioniert ist und daß die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer angeordnet ist, in die durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführbar sind.

Vorteilhaft ist es ferner, daß man als Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, einen separaten Träger anordnet.

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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, wobei man diese auf einer Oberfläche anordnet und mittels Licht, welches durch eine elastische Spiegelfläche gezielt reflektiert wird und aus einer Lichtquelle stammt, welche auf die elastische Spiegelfläche - nicht aber die zu belichtende Oberfläche gerichtet ist, belichtet, wobei man jeden Punkt, auf welchen wahlweise von der elastischen Spiegelfläche Licht reflektiert werden kann, unabhängig von den anderen Punkten belichtet, wobei man das Belichtungsmuster mittels einer Steuerungseinheit vorwählt.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist hierbei nämlich zur Belichtung von DNA- oder PNA-Chips, daß man Licht der Wellenlängen verwendet, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäurebausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß man im Strahlengang zwischen dieser Lichtquelle und dem Substrat eine elastische Spiegelfläche anordnet, wobei man durch gezielte Ansteuerung selektiv Licht der O. Beugungsordnung von einzelnen Punkten der Spiegeloberfläche reflektiert auf zu belichtende Bereiche des Substrats lenkt und selektiv Licht höherer Beugungs-Ordnungen, welches man durch Verformung der elastischen Spiegelfläche erzeugt, aus dem Bereich des Substrats herauslenkt und daß man in Reflexionsrichtung die Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, präzise und starr positioniert und daß man die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer anordnet, in die man durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführt.

Es ist ferner erfindungsgemäß bevorzugt, daß man nach erfolgter Oligomerisierung auf den DNA- oder PNA-Chips wei-

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terhin die nachfolgenden Hybridisierungen mit einer Ziel-DNA durchführt.

Die Aufgabe wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen geschaffen wird, umfassend mindestens eine Lichtquelle und eine dynamische Maske, bestehend aus einem mikrotechnisch hergestellten Flächenlichtmodulator (surface light modulator, SLM), wie er heute von einigen Forschungsinstituten routinemässig hergestellt und wohl bald auch kommerzialisiert wird. Der Flächenmodulator ist durch eine viskoelastische Steuerschicht realisiert, die eine deformierbare Spiegelanordnung bildet. Diese besteht aus einem Array unabhängig adresseirbarer Steuerelektroden auf einer darunterliegenden aktiven CMOS-Ansteuermatrix, die mit einem Silikon-Gel beschichtet ist. Darauf ist eine dünne Aluminiumschicht aufgebracht, die eine geschlossene Spiegeloberfläche mit hoher Reflektivität in den benötigten Wellenlängenbereichen bildet. Durch geeignetes Ansteuern der Steuerelektroden können gezielt Abschnitte der Spiegeloberfläche zu einem Phasengitter deformiert werden, welches auftreffendes Licht aus der nullten in höhere Ordnungen beugt. Die Spiegelfläche wird so angeordnet, daß sie im planen Zustand das Licht der Lichtquelle auf den biologischen Stoff reflektiert. Wird das Licht durch Deformation der Spiegeloberfläche aus der nullten Ordnung herausgebeugt, so soll es den biologischen Stoff nicht erreichen. Durch diese Anordnung hat man die Möglichkeit, definierte Bereiche des biologischen Stoffes gezielt von

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der Belichtung auszuschließen, in dem man die korrespondierenden Bereiche der Spiegeloberfläche entsprechend deformiert .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine einfache, platzsparende und preiswerte photolithographische Herstellung von DNA-Chips hoher Rasterdichte mit höherer Lichtausbeute, höherem Kontrast und basierend auf einer deutlich einfacheren, robusteren und entwicklungsfähigeren Technologie, als die bisher bekannten Vorrichtungen in dieser Größenordnung. Der Grund dafür ist die sehr einfach beschaffene geschlossene Spiegeloberfläche, die nur sehr wenig unerwünschtes Streulicht erzeugt, einen Füllfaktor von annähernd 100% erlaubt und mechanisch viel einfacher und weniger empfindlich ist als ein Mikrokippspiegel-Chip.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die gestellte Aufgabe auf völlig neuartige Art und Weise durch Kombination kommerziell erhältlicher Komponenten mit einer nach dem heutigen Stand der Technik herstellbaren mikromechanischen Komponente. Es ermöglicht die einfache, billige und platzsparende Herstellung von DNA-Chips in einer Qualität, wie sie vorher nicht möglich war.

Das grundlegende Konzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß man für die Erzeugung bestimmter Belichtungsmuster auf biologischen Stoffen eine mikrotechnisch hergestellte elastische Spiegelfläche verwendet, die über an Steuerelektroden angelegte elektrische Spannungen gezielt lokal deformiert werden kann und in planem Zustand das Licht der Lichtquelle auf den biologischen Stoff reflektiert. Werden Ab-

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schnitte der Spiegelfläche geeignet deformiert, so wird das Licht an diesen Stellen aus der nullten Ordnung heraus gebeugt, und es entstehen korrespondierende unbelichtete Bereiche auf dem biologischen Stoff, der nur von der nullten Ordnung erreicht werden soll. Damit können genau so viele Punkte auf dem Chip unabhängig voneinander belichtet werden, wie durch die Steuerelektrodenstruktur gegebene individuell deformierbare Bereiche auf der Spiegelfläche vorhanden sind.

Die Herstellung von elastischen Spiegelflächen mit einem Raster von 256 &khgr; 256 individuell ansteuerbaren Abschnitten mit 20 m &khgr; 20 m Fläche pro Abschnitt ist in der Praxis am Frauenhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Dresden bereits erfolgreich demonstriert worden. Bei der Einfachheit und Robustheit dieser Technologie ist zu erwarten, daß die Anzahl der ansteurbaren Abschnitte noch wesentlich gesteigert werden kann.

Sollten die Abmessungen der Spiegelfläche und/oder der einzelnen Abschnitte derselben ungünstig sein, so kann durch eine geeignete Optik zwischen Spiegelfläche und Trägeroberfläche und/oder zwischen Lichtquelle und Spiegelfläche eine Anpassung erfolgen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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In Figur 1 ist eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher das Licht der Lichtquelle A durch eine Filter- und/oder Kollimationsoptik B geleitet wird. Nach dem Durchtritt durch diese Optik B trifft das Licht auf den elektrisch ansteuerbaren elastischen Spiegel H. Die Spiegeloberfläche des Spielgel H wird mittels einer Computersteuerung, welche auf die Steuerelektroden des Spiegels H wirkt, derart verformt, daß verformte Bereiche der Spiegeloberfläche K und nicht verformte Bereiche der Spiegeloberfläehe J gebildete werden und daß die zuvor festgelegten zu belichtenden Stellen D oder nicht zu belichtende Stellen E auf dem DNA-Chip-Träger C entsprechend belichtet werden. Dies bedeutet, daß die reflektierten Strahlen O. Beugungsordnung F auf die zu belichtenden Stellen D des Chips C treffen, während die Reflexionen höherer Beugungsordnungen G aus dem Bereich des Chips herausgelenkt werden.

Dem Fachmann ist klar, wie die einzelnen Bauteile in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anzuordnen sind. Auch die entsprechende Programmierung der Steuerung mittels Computerprogrammen ist dem Fachmann an sich bekannt.

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Bezugszeichenliste

A: Lichtquelle

B: Kollimationsoptik und Filter

C: DNA-Chip Träger

D: Belichtete Stelle auf dem Chip

E: Unbelichtete Stelle auf dem Chip

F: Reflektierter Strahl 0. Beugungsordnung

G: Reflektierter Strahl höherer Beugungsordnung

H: Elektrisch ansteuerbarer elastischer Spiegel

J: nicht verformte Spiegeloberfläche

K: verformte Spiegeloberfläche

Claims

1. Vorrichtung zur photolithographischen Belichtung von biologischen Stoffen, umfassend mindestens eine Lichtquelle und ein modulierbares Phasengitters in Form einer elastischen Spiegelfläche, wobei die Spiegelfläche mittels an den Steuerelektroden angelegten elektrischen Spannungen gezielt lokal deformierbar ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle monochromatisches oder kontinuierliches Licht in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 800 nm aussendet.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser, eine Leuchtdiode, eine Metalldampflampe, eine Gasentladungslampe, eine Gasanregungslampe, eine Glühfadenlampe oder eine Lichtbogenlampe ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu belichtende Stoffe auf einem Träger angeordnet sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu belichtende Stoffe auf einem Träger angeordnet sind, wobei dieser Träger ein DNA-Chip, ein PNA-Chip oder ein Peptid-Chip ist.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Spiegelfläche ein viskoelastischer Flächenlichtmodulator (surface light modulator, SLM) ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Spiegelfläche mittels mikrotechnischer Verfahren der klassischen Halbleitertechnik erhältlich sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der elastischen Spiegelfläche mittels eines Computers elektronisch ansteuerbar sind.

9. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich mindestens einen Detektor umfaßt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Detektoren derart angeordnet ist, daß dieser das zur Belichtung verwendete Licht erfaßt und/oder mindestens ein Detektor derart angeordnet ist, daß dieser das von den belichteten Stoffen reflektierte und/oder durch Fluoreszenz erzeugte Licht erfaßt und daß zur Lichtführung für die Detektoren gegebenenfalls Spiegel und/oder Anordnungen von einzeln ansteuerbaren Spiegeln und/oder elastischen Spiegelflächen und/oder Glasfaserbündel vorgesehen sind.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren CCD- Detektoren und/oder CCD-Kameras sind.

12. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielpunkte der elastischen Spiegelfläche auf Lichtleiter, nämlich je eine Glasfaser eines Glasfaserbündels gerichtet sind, welche dann je auf einen bestimmten Punkt des eigentlichen Trägers ausgerichtet sind.

13. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung des von der elastischen Spiegelfläche erzeugten Lichtmusters auf dem Reaktionsträgers eine Optik zwischen die elastische Spiegelfläche und dem Träger angeordnet ist.

14. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein solches Spektrum von Wellenlängen emittiert, welches die Entschützung von Nukleotiden, Nukleotidanaloga und Peptid-Nukleinsäure Bausteinen zur Kettenverlängerung und zum Aufbau von Oligomeren bewirkt und daß der Strahlengang zwischen Lichtquelle und Substrat über ein modulierbares Phasengitter in Form einer elastischen Spiegelfläche geleitet wird, die über an Steuerelektroden angelegte Spannungen gezielt lokal deformiert werden kann, um das Licht an diesen Stellen aus dem Strahlengang zum Substrat aus der O. Beugungsordnung heraus zu beugen, und somit gezielt unbelichtete Bereiche auf dem Substrat zu erzeugen, auf dem die Oligomersynthese stattfindet, während die in der O. Beugungsordnung verbleibenden Lichtanteile die gezielt zu belichtenden Bereiche auf dem Substrat bestrahlen, und die präzise und starr positioniert ist und daß die Festphase, auf welcher die Oligomersynthese stattfindet, in einer Kammer angeordnet ist, in die durch weitere Vorrichtungen die zur DNA oder PNA Synthese notwendigen Lösungen und/oder Reagenzien an diese Festphase heranführbar sind.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man als Festphase, auf der die Oligomersynthese stattfindet, einen separaten Träger anordnet.