DE60307760T2

DE60307760T2 - Chemische Arrays mit Verbindungsschicht

Info

Publication number: DE60307760T2
Application number: DE60307760T
Authority: DE
Inventors: Bill J. Mountain View Peck; Eric M. San Jose Leproust
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: EP1413353B1; US20040081966A1; EP1413353A1; JP2004144755A; DE60307760D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Arrays, z.B. Polynucleotid-Arrays (z.B. DNA-Arrays), die in der Diagnostik, beim Screening, bei der Genexpressionsanalyse und bei anderen Anwendungen nützlich sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der folgenden Erörterung und in der gesamten vorliegenden Anmeldung werden zwar verschiedene Referenzdokumente angeführt, jedoch wird kein angeführtes Referenzdokument als Stand der Technik für die vorliegende Anmeldung anerkannt.
Chemische Arrays, z.B. Polynucleotid- oder Protein-Arrays (z.B. DNA- oder RNA-Arrays) sind bekannt und werden beispielsweise als diagnostische oder Screening-Hilfsmittel verwendet. Polynucleotid-Arrays umfassen Regionen von Polynucleotiden mit üblicherweise unterschiedlichen Sequenzen, die in einer vorbestimmten Konfiguration auf einem Substrat angeordnet sind. Diese Regionen (die manchmal als „Merkmale" bezeichnet werden) sind an jeweiligen Stellen („Adressen") auf dem Substrat angeordnet. Wenn die Arrays mit einer Probe in Berührung gebracht werden, weisen sie ein beobachtetes Bindungsmuster auf. Dieses Bindungsmuster kann nach Ablesen des Arrays erfasst werden. Beispielsweise können alle Polynucleotid-Targets (z.B. DNA) in der Probe mit einer geeigneten Markierung (z.B. einer fluoreszierenden Verbindung) markiert werden, und das Fluoreszenzmuster auf dem Array kann im Anschluss an die Exposition gegenüber der Probe genau beobachtet werden. Angenommen, dass die Polynucleotide unterschiedlicher Sequenzen gemäß der vorbestimmten Konfiguration korrekt angeordnet wurden, so gibt das beobachtete Bindungsmuster das Vorliegen und/oder die Konzentration einer oder mehrerer Polynucleotid-Komponenten der Probe an.
Biopolymer-Arrays können hergestellt werden, indem zuvor (z.B. aus einer Synthese oder aus natürlichen Quellen) gewonnene Biopolymere auf ein Substrat aufgebracht werden, oder sie können anhand von in-situ-Syntheseverfahren hergestellt werden. Verfahren zum Aufbringen gewonnener Biopolymere umfassen ein Laden und ein anschließendes Berühren eines Stifts oder einer Kapillare zu einer Oberfläche, wie z.B. in der US 5,807,522 beschrieben ist, oder eine Aufbringung anhand eines Abfeuerns aus einem Pulsstrahl wie z.B. einem Tintenstrahlkopf, wie in den PCT-Veröffentlichungen WO 95/25116 und WO 98/41531 oder an anderer Stelle beschrieben ist. Ein derartiges Aufbringungsverfahren kann als Bilden jedes Merkmals durch einen Anlagerungszyklus betrachtet werden (das heißt, dass bei/an jedem Merkmal lediglich ein Zyklus vorliegt, während dessen das zuvor gewonnene Biopolymer an dem Substrat angelagert wird. Bei in-situ-Herstellungsverfahren werden Tröpfchen mehrerer unterschiedlicher Reagenzien durch Pulsstrahl oder anhand eines anderen Mittels an einer gegebenen Zielposition aufgebracht, um das abschließende Merkmal zu bilden (somit wird eine Sonde des Merkmals auf dem Arraysubstrat synthetisiert). Die in-situ-Herstellungsverfahren umfassen diejenigen, die in der US 5,449,754 zum Synthetisieren von Peptid-Arrays und in der US 6,180,351 und der WO 98/41531 und den dort erwähnten Referenzdokumenten für Polynucleotide beschrieben sind, und sie können auch Pulsstrahlen zum Aufbringen von Reagenzien verwenden. Das in-situ-Verfahren zum Herstellen eines Polynucleotid-Arrays folgt an jeder der mehreren unterschiedlichen Adressen, an denen Merkmale gebildet werden sollen, üblicherweise derselben herkömmlichen iterativen Sequenz, die beim Bilden von Polynucleotiden aus Nucleosidreagenzien auf einem Träger anhand bekannter Chemie verwendet wird. Diese iterative Sequenz kann als Mehrere des folgenden Anlagerungszyklus an jedem zu bilden den Merkmal betrachtet werden: (a) Koppeln eines aktivierten ausgewählten Nucleosids (einer monomeren Einheit) durch eine Phosphitverbindung an einen funktionalisierten Träger in der ersten Iteration oder eines an das Substrat (d.h. das Nucleosid-modifizierte Substrat) gebundenen Nucleosids in nachfolgenden Iterationen; (b) optional Blockieren von nicht zur Reaktion gebrachten Hydroxylgruppen auf dem substratgebundenen Nucleosid (was manchmal als „Abdecken" bezeichnet wird); (c) Oxidieren der Phosphitverbindung des Schrittes (a), um eine Phosphatverbindung zu bilden; und (d) Entfernen der Schutzgruppe („Schutzrückgängigmachung" bzw. „Schutzbefreiung") aus dem bei Schritt (a) gekoppelten, jetzt substratgebundenen Nucleosid, um eine reaktive Stelle für den nächsten Zyklus dieser Schritte zu erzeugen. Die Kopplung kann durchgeführt werden, indem Tropfen eines Aktivators und Phosphoramidits an den spezifischen gewünschten Merkmalspositionen für das Array aufgebracht werden. Ein abschließender Schutzrückgängigmachungsschritt ist vorgesehen, bei dem stickstoffhaltige Basen und eine Phosphatgruppe gleichzeitig durch eine Behandlung mit Ammoniumhydroxid und/oder Methylamin unter bekannten Bedingungen vom Schutz befreit werden. Die Abdeckung, Oxidation und Schutzrückgängigmachung können dadurch bewerkstelligt werden, dass das gesamte Substrat mit einer Schicht des entsprechenden Reagens behandelt wird („Fluten"). Der funktionalisierte Träger (bei dem ersten Zyklus) oder das vom Schutz befreite gekoppelte Nucleosid (bei nachfolgenden Zyklen) liefert einen substratgebundenen Anteil mit einer Verbindungsgruppe zum Bilden der Phosphitverbindung mit einem nächsten Nucleosid, das bei Schritt (a) gekoppelt werden soll. Die endgültige Schutzbefreiung von Nucleosidbasen kann unter Verwendung von alkalischen Bedingungen wie z.B. Ammoniumhydroxid auf bekannte Weise in einer weiteren Flutungsprozedur bewerkstelligt werden. Herkömmlicherweise ist ein einzelner Pulsstrahl oder eine andere Abgabevorrichtung dafür gedacht, eine einzelne monomere Einheit aufzubringen.
Die vorstehende Chemie der Synthese von Polynucleotiden ist beispielsweise bei Caruthers, Science 230: 281–285, 1985; Itakura et al., Ann. Rev. Biochem. 53: 323–356; Hunkapillar et al., Nature 310: 105–110, 1984; und bei „Synthesis of Oligonucleotide Derivatives in Design and Targeted Reaction of Oligonucleotide Derivatives", CRC Press, Boca Raton, Fla., S. 100 ff., US 4,458,066 , US 4,500,707 , US 5,153,319 , US 5,869,643 , EP 0294196 und an anderer Stelle ausführlich beschrieben. Die Phosphoramidit- und Phosphittriester-Lösungsansätze sind am meisten verbreitet, andere Lösungsansätze umfassen jedoch den Phosphodiester-Lösungsansatz, den Phosphotriester-Lösungsansatz und den H-Phosphonat-Lösungsansatz. Die Substrate werden üblicherweise dahin gehend funktionalisiert, sich an das erste aufgebrachte Monomer zu bonden. Geeignete Techniken zum Funktionalisieren von Substraten mit derartigen Verbindungsanteilen sind beispielsweise in der US 6,258,454 und Southern, E.M., Maskos, U. und Elder, J.K., Genomics, 13, 1007–1017, 1992, beschrieben. Im Fall einer Arrayherstellung können verschiedene Monomere und Aktivatoren während eines beliebigen Zyklus an unterschiedlichen Adressen auf dem Substrat aufgebracht werden, so dass die verschiedenen Merkmale des abgeschlossenen Arrays unterschiedliche gewünschte Biopolymersequenzen aufweisen. Ein oder mehr weitere Zwischenschritte können bei jedem Zyklus erforderlich sein, wie z.B. die herkömmlichen Oxidations-, Abdeckungs- und Waschschritte im Fall einer in-situ-Herstellung von Polynucleotid-Arrays (diese Schritte können wiederum bei einer Flutungsprozedur durchgeführt werden).
Weitere Einzelheiten einer Herstellung von Biopolymer-Arrays durch Aufbringen von entweder zuvor gewonnenen Biopolymeren oder anhand des in-situ-Verfahrens sind in der US 6,242,266 , der US 6,232,072 , der US 6,180,351 und der US 6,171,797 offenbart. Beim Herstellen von Arrays durch Aufbringen zuvor gewonnener Biopolymere oder anhand des in-situ-Verfahrens wird üblicherweise die gesamte Region auf der Substratoberfläche, auf der ein Array gebildet wird (eine „Arrayregion"), vollständig mit einem Reagens oder mehreren Reagenzien in Kontakt gebracht. Beispielsweise werden bei beiden Verfahren Arrayregionen oft mit einer oder mehreren Linkerzusammensetzungen in Kontakt gebracht, um eine geeignete Linkerschicht auf der Oberfläche zu bilden, die sich sowohl an das Substrat als auch an das Biopolymer oder Biomonomer bindet. Besonders geeignete Linkerzusammensetzungen und Verfahren sind in den US-Patentschriften 6,319,674 und 6,444,268 offenbart, die verschiedene silanbasierte Verbindungen als Linker oder andere die Oberfläche modifizierende Mittel verwenden können (beispielsweise um die Oberflächenenergie dahin gehend zu modifizieren, die Ausbreitung aufgebrachter Tropfen zu steuern). Die Lösung, die die Silanverbindungen enthält, wird in einem Reaktor mit einer Substratoberfläche in Kontakt gebracht.
Bei der Arrayherstellung sind die Mengen an verfügbarem Polynucleotid üblicherweise sehr gering und teuer. Außerdem sind Probenmengen, die zum Testen verfügbar sind, üblicherweise ebenfalls sehr gering, und somit ist es wünschenswert, dieselbe Probe gleichzeitig bezüglich einer großen Anzahl unterschiedlicher Sonden auf einem Array zu testen. Diese Bedingungen erfordern eine Verwendung von Arrays mit einer großen Anzahl sehr kleiner, eng beabstandeter Merkmale. Wenn das Array abgelesen wird, z.B. durch Erfassen von Licht, das ansprechend auf ein Abfragelicht aus Merkmalen emittiert wird, kann das gesamte erfasste Lichtsignal von einem Merkmal somit sehr gering sein. Um genaue Ablesewerte zu erhalten, ist es wichtig, dass die Merkmale tatsächlich vorhanden sind und die erwartete oder einheitliche Zusammensetzung in einem Merkmal aufweisen. Ein Nicht-Erfüllen dieser Bedingungen kann zu Schwankungen des erfassten Signals von Merkmalen des Arrays während des Ablesens sowie zu Schwankungen des erfassten Signals über das Array hinweg und von Array zu Array führen, die keine Beziehung zu der Zusammensetzung einer getesteten Probe aufweisen. Dies kann wiederum zu schwerwiegenden Fehlern beim Interpretieren der Ergebnisse aus der Verwendung eines Arrays führen.
Somit wäre es wünschenswert, Arrays zu liefern, die lediglich eine geringe Schwankung der erwarteten Merkmalsqualitäten sowohl innerhalb eines Merkmals, eines Arrays als auch zwischen Arrays aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung erkennt an, dass das Nicht-Bereitstellen einer einheitlichen Linkerzusammensetzung auf einem Substrat zu Schwankungen der Sondendichte bei Merkmalen, innerhalb eines Arrays und über Arrays hinweg führen kann.
Die vorliegende Erfindung liefert also ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächenmodifizierten Substrats, das ein Aufbringen von Tropfen (beispielsweise aus einem Pulsstrahl), die ein Verbindungsreagens umfassen, auf die Oberfläche umfasst, so dass sich das Verbindungsmittel an die Substratoberfläche bindet.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Arrays mehrerer chemischer Sonden, die an unterschiedlichen Merkmalen des Arrays unter Verwendung eines oberflächenmodifizierten Substrats der vorliegenden Erfindung an eine Oberfläche eines Substrats gebondet sind. Bei diesem Verfahren werden Tropfen, die die chemischen Sonden oder Sondenvorläufer umfassen, an den mehreren Merkmalspositionen auf die modifizierte Oberfläche des Substrats aufgebracht, so dass sich die Sonden oder Sondenvorläufer an den Merkmalspositionen an das Verbindungsmittel binden. Dieser Schritt des Aufbringens von eine chemische Sonde umfassenden Tropfen kann nach Bedarf wiederholt werden (beispielsweise an unterschiedlichen Merkmalspositionen oder an denselben Merkmalspositionen), um das Array zu bilden.
Beim Herstellen des oberflächenmodifizierten Substrats können die Tropfen, die das Verbindungsreagens umfassen, so aufgebracht werden, um zusammen eine untereinander verbundene Fläche bzw. einen untereinander verbundenen Bereich auf dem Substrat zu bedecken, die sogar zusammenhängend sein kann und an die sich das Verbindungsmittel dann bindet. Beispielsweise können sie, wenn ein Array hergestellt wird, einen zusammenhängenden Bereich über die Merkmalspositionen des Arrays bedecken.
Andere Komponenten können ebenfalls mit der Substratoberfläche in Kontakt gebracht werden. Beispielsweise können Tropfen, die ein Lösungsmittel umfassen, (vor oder nach den ein Verbindungsmittel enthaltenden Tropfen oder als Teil derselben Tropfen wie der ein Verbindungsmittel enthaltenden Tropfen) auf das Substrat aufgebracht werden, wobei diese Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über die Merkmalspositionen des Arrays bedecken können. Ein weiteres Beispiel sind Tropfen eines zusätzlichen Mittels (beispielsweise um die Oberflächenenergie zu steuern), die auf die Oberfläche aufgebracht werden und die zusammen einen zusammenhängenden Bereich über die Merkmalspositionen des Arrays bedecken können. Diese Tropfen können dieselben sein wie die Tropfen, die das Verbindungsmittel enthalten, oder sich von diesen unterscheiden, so dass sich das zusätzliche Mittel über den bedeckten zusammenhängenden Bereich an die Substratoberfläche bindet, sich jedoch während der Arrayherstellung nicht an die Sonde oder die Sondenvorläufer bindet.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt, die ein Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen können, Arrays, die anhand eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, sowie ein Verfahren zum Verwenden eines Arrays, das anhand eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt wird (das ein Inkontaktbringen eines anhand des Verfahrens hergestellten Arrays mit einer Probe umfassen kann, wobei das Array anschließend abgelesen werden kann).
Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung können einen oder mehrere der folgenden und/oder andere nützliche Vorteile liefern. Beispielsweise kann auf der Substratoberfläche eine ziemlich gleichmäßige Linkerschicht erzeugt werden, was wiederum dazu beiträgt, erwartete Merkmalsqualitäten sowohl innerhalb eines Merkmals, eines Arrays als auch zwischen Arrays zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen Arrayaufbau, der mehrere Arrays trägt, wie sie beispielsweise anhand Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können;
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der 1, die mehrere ideale Punkte oder Merkmale zeigt;
3 ist eine vergrößerte Veranschaulichung eines Abschnitts der 2;
4 veranschaulicht ein Verfahren zum Aufbringen von Tropfen eines Oberflächenverbindungsmittels, eines zusätzlichen Mittels wie z.B. eines Oberflächenenergiemodifizierers, oder eines Lösungsmittels, gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung; und
5 veranschaulicht eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen kann.
Zur Förderung des Verständnisses wurden dort, wo es sich anbot, dieselben Bezugszeichen verwendet, um dieselben Elemente, die die Figuren miteinander gemein haben, zu bezeichnen. Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
Bei der vorliegenden Anmeldung beziehen sich die folgenden Begriffe auf die angegebenen Charakteristika, wenn keine gegenteilige Absicht angegeben ist. Ein „Biopolymer" ist ein Polymer einer oder mehrerer Arten von Wiederholungseinheiten. Biopolymere findet man üblicherweise in biologischen Systemen, und sie umfassen vor allem Polysaccharide (z.B. Kohlehydrate) und Pepide (wobei dieser Begriff dahin gehend verwendet wird, Polypeptide und Proteine zu umfassen, ob diese an ein Polysaccharid angelagert sind oder nicht) und Polynucleotide sowie deren Analoga, z.B. diejenigen Verbindungen, die aus Aminosäureanaloga oder Nicht-Aminosäuregruppen oder Nucleotidanaloga oder Nicht-Nucleotidgruppen gebildet sind oder dieselben enthalten. Dies umfasst Polynucleotide, bei denen die herkömmliche Hauptkette durch eine nicht in der Natur vorkommende oder synthetische Hauptkette ersetzt wurde, und Nucleinsäuren (oder synthetische oder in der Natur vorkommende Analoga), bei denen eine oder mehrere der herkömmlichen Basen durch eine Gruppe (natürlich oder synthetisch) ersetzt wurde, die in der Lage ist, an Wasserstoffbrückenbindungsinteraktionen vom Watson-Crick-Typ teilzunehmen. Polynucleotide umfassen ein- oder mehrsträngige Konfigurationen, wobei einer oder mehrere der Stränge vollständig miteinander ausgerichtet sein können, aber nicht müssen. Ein „Nucleotid" bezieht sich auf eine Untereinheit einer Nucleinsäure und weist eine Phosphatgruppe, einen Zucker mit fünf Kohlenstoffen und eine stickstoffhaltige Base sowie funktionelle Analoga (ob synthetisch oder in der Natur vorkommend) derartiger Teil einheiten auf, die sich in der Polymerform (als Polynucleotid) mit in der Natur vorkommenden Polynucleotiden auf eine sequenzspezifische Weise bilden können, die zu der zweier in der Natur vorkommender Polynucleotide analog ist. Beispielsweise umfasst ein „Biopolymer" DNA (einschließlich cDNA), RNA, Oligonucleotide und PNA und andere Polynucleotide, wie sie in der US 5,948,902 und in derselben erwähnten Referenzdokumenten beschrieben sind, unabhängig von der Quelle. Ein „Oligonucleotid" bezieht sich allgemein auf ein Nucleotid-Multimer einer Länge von etwa 10 bis 100 Nucleotiden, während ein „Polynucleotid" ein Nucleotid-Multimer umfasst, das eine beliebige Anzahl von Nucleotiden aufweist. Ein „Biomonomer" bezieht sich auf eine einzelne Einheit, die mit denselben oder anderen Biomonomeren verbunden sein kann, um ein Biopolymer zu bilden (beispielsweise eine einzelne Aminosäure oder ein einzelnes Nucleotid mit zwei Verbindungsgruppen, von denen eine oder beide entfernbare Schutzgruppen aufweisen kann bzw. können). Ein Biomonomer-Fluid bzw. ein Biopolymer-Fluid bezeichnet eine Flüssigkeit, die ein Biomonomer bzw. ein Biopolymer (üblicherweise in Lösung) enthält.
Wenn keine gegenteilige Absicht angegeben ist, umfasst ein „Array" eine beliebige ein-, zwei- oder dreidimensionale Anordnung adressierbarer Regionen, die einen bestimmten chemischen Anteil oder bestimmte chemische Anteile (beispielsweise Biopolymere wie z.B. Polynucleotid-Sequenzen) tragen, der bzw. die dieser Region zugeordnet ist bzw. sind. Jede Region kann sich in dem Fall, in dem das Substrat porös ist, in eine dritte Dimension erstrecken, wohingegen sie in dem Fall, in dem das Substrat nicht-porös ist, keine wesentliche Abmessung in der dritten Dimension (Dicke) aufweist. Ein Array ist insofern „adressierbar", als es mehrere Regionen unterschiedlicher Anteile (beispielsweise unterschiedlicher Polynucleotid-Sequenzen) aufweist, so dass eine Region (ein „Merkmal" oder „Punkt" des Arrays) an einer jeweiligen vorbestimmten Position (einer „Adresse") auf dem Array ein bestimmtes Target oder eine bestimmte Klasse von Targets erfasst (obwohl ein Merkmal gelegentlich auch Nicht-Targets dieses Merkmals erfassen kann). Ein Arraymerkmal ist allgemein homogen, und die Merkmale sind üblicherweise, aber nicht zwangsläufig, durch Zwischenräume getrennt. Im Fall eines Arrays wird das „Target" als Anteil in einer mobilen Phase (üblicherweise einem Fluid) bezeichnet, der anhand von Sonden („Target-Sonden"), die an den verschiedenen Regionen an das Substrat gebondet sind, erfasst werden soll. Jedoch kann bzw. können entweder das „Target" oder die „Target-Sonden" dasjenige bzw. diejenigen sein, das bzw. die durch das Andere bzw. die Anderen bewertet werden soll(en) (somit könnten beide ein unbekanntes Gemisch aus Polynucleotiden sein, das durch ein Binden mit dem jeweils Anderen ausgewertet werden soll). „Arraylayout" oder „Arraycharakteristika" bezieht sich auf eine oder mehrere physikalische, chemische oder biologische Charakteristika des Arrays, z.B. Merkmalspositionierung, eine oder mehrere Merkmalsabmessungen oder eine Angabe einer Identität oder Funktion (beispielsweise chemisch oder biologisch) eines Anteils an einer gegebenen Position, oder bezüglich dessen, wie das Array gehandhabt werden sollte (beispielsweise Bedingungen, unter denen das Array einer Probe ausgesetzt wird, oder Arrayablesevorgaben oder -steuerungen, die auf eine Probenexposition folgen). In Bezug auf Polynucleotide werden die Begriffe „hybridisieren" und „binden" austauschbar verwendet.
Ein „Kunststoff" ist ein beliebiges synthetisches organisches Polymer einer hohen relativen Molekülmasse (beispielsweise mindestens 1.000 Gramm/Mol oder sogar mindestens 10.000 oder 100.000 Gramm/Mol).
Unter Bezugnahme auf ein Substrat oder eine Substratbahn bezeichnet „flexibel", dass das Substrat um 180 Grad um eine Rolle eines Radius von weniger als 1,25 cm gebogen werden kann. Das Substrat kann mindestens 100 mal ohne Defektbildung (z.B. Rissbildung) oder plastische Verformung wiederholt in jede Richtung gebogen und wieder begradigt wer den. Dieses Biegen muss innerhalb der elastischen Grenzen des Materials liegen. Der vorstehende Test bezüglich der Flexibilität wird bei einer Temperatur von 20°C durchgeführt.
Eine „Bahn" bezeichnet ein langes durchgehendes Stück eines Substratmaterials, dessen Länge größer ist als seine Breite. Beispielsweise kann das Verhältnis der Bahnlänge zur Bahnbreite zumindest 5/1, 10/1, 50/1, 100/1, 200/1 oder 500/1 oder sogar zumindest 1000/1 betragen.
Wenn ein Posten als „fern" bzw. „entfernt" von einem anderen angegeben ist, bezieht sich dies darauf, dass sich die zwei Posten zumindest in unterschiedlichen Gebäuden befinden und zumindest eine Meile, zehn Meilen oder zumindest hundert Meilen auseinander liegen können. Ein „Kommunizieren" von Informationen bezieht sich auf ein Senden der Daten, die diese Informationen darstellen, als elektrische Signale über einen geeigneten Kommunikationskanal (beispielsweise ein privates oder öffentliches Netzwerk). Ein „Weiterleiten" eines Postens bezieht sich auf ein beliebiges Mittel, diesen Posten von einer Position zur nächsten zu befördern, ob dies durch ein physisches Transportieren dieses Postens oder auf andere Weise (wo dies möglich ist) geschieht, und umfasst zumindest in dem Fall von Daten ein physisches Transportieren eines Mediums, das die Daten trägt oder die Daten kommuniziert. Ein Array-„Aufbau" kann das Array plus lediglich ein Substrat, auf das das Array aufgebracht ist, sein, obwohl der Aufbau in Form eines Gehäuses vorliegen kann, das andere Merkmale umfasst (beispielsweise eine Häusung mit einer Kammer). Eine „Kammer" bezieht sich auf ein umschlossenes Volumen (obwohl eine Kammer durch ein oder mehrere Tore zugänglich sein kann). Man wird ferner erkennen, dass Wörter wie z.B. „vordere (s, r)", „hintere(s, r)", „obere(s, r)" und „untere(s, r)" bei der gesamten vorliegenden Anmeldung lediglich in einem relativen Sinn verwendet werden. „Fluid" wird hierin verwendet, um auf eine Flüssigkeit Bezug zu nehmen. Eine Bezug nahme auf einen singulären Posten umfasst die Möglichkeit, dass mehrere derselben Posten vorliegen. „Kann" bzw. „können" bzw. „eventuell" bezieht sich auf optional. Jegliches angeführte Verfahren kann in einer Sequenz von Ereignissen durchgeführt werden, die in der erwähnten Reihenfolge erfolgt.
Ein „Pulsstrahl" ist eine beliebige Vorrichtung, die bei der Bildung eines Arrays Tropfen abgeben kann. Pulsstrahlen arbeiten, indem sie einen Druckpuls (z.B. anhand eines piezoelektrischen oder thermoelektrischen Elements) auf eine Flüssigkeit ausüben, die zu einem Auslass oder einer Öffnung benachbart ist, so dass ein Tropfen aus demselben bzw. derselben abgegeben wird.
Eine an die Oberfläche gebundene „Verbindungsschicht" kann eine Dicke von beispielsweise weniger als 200 Ångström oder sogar weniger als 10 Ångström (oder weniger 8, 6 oder 4 Ångström) aufweisen. Eine derartige Schicht kann eine minimale Polynucleotid-, Protein-, Nucleosid- oder Aminosäure-Bindungsaffinität von 10⁴ bis 10⁶ Einheiten/μ² aufweisen. Die Schichtdicke kann unter Verwendung einer UV- oder Röntgenstrahlenelipsometrie ausgewertet werden.
„Zusammenhängend" in Bezug auf eine Fläche bzw. einen Bereich auf der Substratoberfläche bezeichnet eine Fläche bzw. einen Bereich, die bzw. der durch keinerlei Zwischenräume in diesem Bereich unterbrochen ist. Die gesonderten Merkmale eines Arrays können dann in einem derartigen zusammenhängenden Bereich gebildet sein.
Eine „Gruppe" in Bezug auf eine chemische Formel umfasst sowohl substituierte als auch nicht substituierte Formen der Gruppe.
„Niederes-Alkyl-Gruppe" ist eine Alkylgruppe mit zwischen 1 bis 6 C-Atomen, und sie kann eventuell lediglich entweder 1, 2, 3 oder 4 C-Atome aufweisen.
„Oberflächenenergie" hat die in der US 6,444,268 definierte Bedeutung.
Die Schritte eines beliebigen hierin erwähnten Verfahrens können in der angeführten Reihenfolge oder in einer beliebigen anderen Reihenfolge, die logisch möglich ist, durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme zunächst auf 1-3 können Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Arrayaufbau erzeugen, der ein Substrat umfasst, das beispielsweise in Form eines starren Substrats (beispielsweise eines transparenten nicht-porösen Materials wie z.B. Glas oder Silika) einer begrenzten Länge oder in Form einer länglichen flexiblen Bahn (oder eines länglichen flexiblen Bandes) 10, die ein oder mehrere Arrays 12 trägt, die entlang einer vorderen Oberfläche 11a des Substrats 10 angeordnet und durch Zwischenarraybereiche 17 getrennt sind, vorliegen kann. Eine Rückseite 11b des Substrats 10 trägt keine Arrays 12. Die Arrays auf dem Substrat 10 können für ein Testen in Bezug auf eine beliebige Probenart ausgelegt sein, ob dies eine Versuchsprobe; eine Referenzprobe; eine Kombination der Vorstehenden; oder ein bekanntes Gemisch aus Polynucleotiden, Proteinen, Polysacchariden und dergleichen ist (wobei die Arrays in diesem Fall aus Merkmalen gebildet sein können, die unbekannte auszuwertende Sequenzen tragen). Obwohl in 1 vier Arrays 12 gezeigt sind, wird man verstehen, dass das Substrat 10 und die bei demselben zu verwendenden Ausführungsbeispiele eine beliebige Anzahl gewünschter Arrays 12 verwenden können, z.B. zumindest eines, zwei, fünf, zehn, zwanzig, fünfzig oder einhundert (oder sogar zumindest fünfhundert, eintausend oder zumindest dreitausend). Wenn mehr als ein Array 12 vorliegt, können dieselben entlang der Längsrichtung des Substrats 10 Ende an Ende angeordnet sein. Je nach der beabsichtigten Verwendung können jegliche oder alle der 12 Arrays identisch sein oder sich voneinander un terscheiden, und jedes enthält mehrere Punkte oder Merkmale 16 von Biopolymeren in Form von Polynucleotiden.
Ein typisches Array 12 kann mehr als zehn, mehr als einhundert, mehr als eintausend oder zehntausend Merkmale oder sogar mehr als von einhunderttausend Merkmale enthalten. Beispielsweise können Merkmale Breiten (d.h. Durchmesser bei einem runden Punkt) im Bereich zwischen 10 μm und 1,0 cm aufweisen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jedes Merkmal eine Breite im Bereich zwischen 1,0 μm und 1,0 mm, üblicherweise 5,0 μm und 500 μm und noch üblicher 10 μm und 200 μm, aufweisen. Nicht-runde Merkmale können Flächengrößenordnungen aufweisen, die äquivalent zu denen von kreisförmigen Merkmalen mit den vorstehenden Breitengrößenordnungen (Durchmessergrößenordnungen) sind. Zumindest manche oder auch alle Merkmale weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf (wenn beispielsweise jegliche Wiederholungen jedes Merkmals derselben Zusammensetzung ausgeschlossen sind, können die übrigen Merkmale zumindest 5 %, 10 % oder 20 % der Gesamtanzahl an Merkmalen ausmachen).
Jedes Array 12 kann eine Fläche von weniger als 100 cm² oder sogar weniger als 50 cm², 10 cm² oder 1 cm² bedecken. Bei vielen Ausführungsbeispielen, insbesondere wenn das Substrat 10 starr ist, kann es allgemein als rechteckiger Feststoff geformt sein (obwohl auch andere Formen möglich sind), der eine Länge von mehr als 4 mm und weniger als 1 m, üblicherweise mehr als 4 mm und weniger als 600 mm, noch üblicher weniger als 400 mm; eine Breite von mehr als 4 mm und weniger als 1 m, üblicherweise weniger als 500 mm und noch üblicher weniger als 400 mm; und eine Dicke von mehr als 0,01 mm und weniger als 5,0 mm, üblicherweise mehr als 0,1 mm und weniger als 2 mm, und noch üblicher mehr als 0,2 und weniger als 1 mm aufweist. Wenn das Substrat 10 flexibel ist, kann es verschiedene Längen aufweisen, einschließlich zumindest 1 m, zumindest 2 m oder zumindest 5 m (oder sogar zumindest 10 m). Bei Arrays, die durch ein Erfassen der Fluoreszenz abgelesen werden, kann das Substrat 10 aus einem Material bestehen, das auf eine Beleuchtung mit dem Anregungslicht hin eine geringe Fluoreszenz emittiert. In dieser Situation kann das Substrat zusätzlich relativ transparent sein, um die Absorption des einfallenden beleuchtenden Laserlichts und eine anschließende Erwärmung _zu verringern, wenn sich der fokussierte Laserstrahl zu langsam über eine Region bewegt. Beispielsweise kann das Substrat 10 zumindest 20 % oder 50 % (oder sogar zumindest 70 %, 90 % oder 95 %) des auf die Vorderseite einfallenden Beleuchtungslichts, gemäß der Messung über das gesamte integrierte Spektrum eines derartigen Beleuchtungslichts, oder alternativ bei 532 nm oder 633 nm, transmittieren.
In dem Fall, in dem Arrays 12 durch die herkömmliche in-situ- oder Aufbringung zuvor gewonnener Anteile, wie oben beschrieben, gebildet werden, liegen durch ein Aufbringen, für jedes Merkmal, eines Tröpfchens eines Reagens in jedem Zyklus, z.B. durch Verwenden eines Pulsstrahls wie beispielsweise eines Kopfes vom Tintenstrahltyp, üblicherweise (aber nicht unbedingt) Zwischenmerkmalsbereiche 17 vor, die kein Polynucleotid tragen. Jedoch wird man erkennen, dass die Zwischenmerkmalsbereiche 17 verschiedene Größen und Konfigurationen aufweisen könnten. Ferner wird man erkennen, dass kein Raum vorhanden sein muss, der die Arrays 12 voneinander trennt (beispielsweise wenn die Arrays unter Verwendung von Licht-gelenkten Techniken hergestellt werden). Jedes Merkmal trägt ein vorbestimmtes Polynucleotid (das die Möglichkeit von Gemischen von Polynucleotiden umfasst). Üblicherweise stellen A, C, G, T die üblichen Nucleotide dar. „Verbindung" (siehe insbesondere 3) stellt ein Verbindungsmittel (-molekül) dar, das kovalent an die vordere Oberfläche gebondet ist, und ein erstes Nucleotid dar, wie es durch ein Verfahren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und nachfolgend näher beschrieben ist.
Das Substrat 10 weist ferner einen oder mehrere Identifizierer in Form von Strichcodes 356 auf. Identifizierer wie z.B. andere optische oder magnetische Identifizierer könnten statt der Strichcodes 356 verwendet werden, die die nachfolgend erörterten Informationen tragen. Jeder Identifizierer kann neben einem zugeordneten Array 12 positioniert sein. Jedoch muss dies nicht der Fall sein, und Identifizierer wie z.B. der Strichcode 356 können andernorts auf dem Substrat 10 positioniert sein. Ferner kann ein einziger Identifizierer vorgesehen sein, der mehr als einem Array 12 zugeordnet ist, und ein derartiger oder mehrere derartige Identifizierer können an einem vorderen oder hinteren Ende (von denen keines gezeigt ist) des Substrats 10 positioniert sein. Das Substrat kann zu Ausrichtungszwecken während der Arrayherstellung ferner eine oder mehrere Justiermarken 18 aufweisen.
2 und 3 veranschaulichen ideale Merkmale 16 eines Arrays 12, wobei die tatsächlichen gebildeten Merkmale dieselben sind wie die Target-(bzw. „Ziel"-)Merkmale, wobei jedes Merkmal 16 bezüglich der Form, der Größe und der Zusammensetzung einheitlich ist, und wobei die Merkmale regelmäßige Abstände aufweisen. Wenn ein derartiges Array anhand von Tropfenaufbringungsverfahren hergestellt wird, würde es erfordern, dass alle Reagenströpfchen für jedes Merkmal eine einheitliche Form aufweisen und präzise an der Zielmerkmalsposition aufgebracht werden. In der Praxis kann ein derartiges ideales Ergebnis auf Grund von feststehenden und zufälligen Fehlern während der Herstellung schwierig zu erzielen sein.
In Bezug auf ein Bereitstellen der Verbindungsgruppen auf der Oberfläche 11a kann dies bewerkstelligt werden, indem die vordere Oberfläche 11a des Substrats 10 zuerst modifiziert wird, indem Tropfen, die ein Verbindungsmittel (z.B. ein Verbindungsmittel und ein geeignetes Lösungsmittel) enthalten, auf die Oberfläche aufgebracht werden, so dass sich das Verbindungsmittel an die Substratoberfläche bindet. Zusätzlich können Tropfen, die ein zusätzliches Mittel umfassen, auf die Oberfläche aufgebracht werden, wobei die se Tropfen dieselben Tropfen sein können wie diejenigen, die das Verbindungsmittel enthalten, oder sich von diesen unterscheiden können. In beiden Fällen sind die aufgebrachten Tropfen, die das Verbindungsmittel und das zusätzliche Mittel enthalten, von einer derartigen Größe, und liegen ausreichend nahe beieinander, so dass diese Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über die Oberfläche bedecken. Beispielsweise bedecken zumindest 10, zumindest 100, zumindest 200 oder zumindest 1000 Tropfen, die an unterschiedlichen Regionen auf der Oberfläche aufgebracht werden, zusammen eine zusammenhängende Fläche bzw. einen zusammenhängenden Bereich auf der Oberfläche 11a. Bedecken eines „zusammenhängenden Bereichs" auf der Oberfläche bedeutet nicht, dass die Tropfen gleichzeitig in flüssiger Form vorliegen müssen, sondern in der Tat können manche bereits getrocknet sein. Stattdessen müssen sie lediglich eine ausreichende Größe aufweisen und nahe genug beieinander liegen, so dass die abschließende Gesamtfläche, die sie einnehmen (trocken oder nicht), zusammenhängend ist. Die Tropfengröße und die Tropfenbeabstandung können anhand bekannter Verfahren eingestellt werden, insbesondere wenn zum Aufbringen der Tropfen Pulsstrahlen verwendet werden.
Eine Vorgehensweise in 4 veranschaulicht. Bei 4 führt bzw. führen einer oder mehrere Köpfe wie z.B. Kopf 210 (siehe unten) einen Durchlauf durch, um Tropfen einer Flüssigkeit (beispielsweise Lösungsmittel, Verbindungsmittel oder zusätzliches Mittel) aufzubringen. Bei 4 wurden acht Tropfen 42 aufgebracht, um eine durchgehende Schicht 40 zu bilden. Um zu gewährleisten, dass keine Zwischenräume vorliegen, führt der Kopf einen weiteren Durchlauf durch, um dieselbe Flüssigkeit in acht Tropfen 46 aufzubringen, um eine weitere durchgehende Schicht 44 zu bilden. Somit bedecken die Tropfen 42 und 46 zusammen einen zusammenhängenden Bereich (wobei die Vereinigung der Flächen durch Schichten 40 und 44 dargestellt ist) ohne Zwischenräume. In der Praxis kann der zusammenhängende Bereich die gesamte Fläche einer Substratoberfläche oder zumindest 50 %, 25 %, 10 % oder 5 % einer derartigen Fläche ausmachen. Ungeachtet des Vorstehenden bedeckt die zusammenhängende Fläche normalerweise zumindest die zusammenhängende Fläche, die durch mehrere benachbarte Merkmale eines Arrays 12 eingenommen wird, das auf dem Substrat herzustellen ist, oder die gesamte zusammenhängende Fläche, die durch ein Array 12 eingenommen wird, mit unterschiedlichen zusammenhängenden Flächen für unterschiedliche Arrays 12. Alternativ dazu kann die zusammenhängende Fläche zumindest 0,1 cm², zumindest 0,2 cm² oder zumindest 0,5 cm² oder 1 cm² betragen.
Um anhand eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung ein oberflächenmodifiziertes Substrat zu erzeugen, können Tropfen, die ein Lösungsmittel umfassen, zuerst unter Verwendung des in Verbindung mit 4 beschriebenen Verfahrens auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, um eine zusammenhängende Fläche zu bedecken. Tropfen, die das Verbindungsmittel umfassen, können anschließend auf die in Verbindung mit 4 beschriebene Weise aufgebracht werden, um ebenfalls eine selbe zusammenhängende Fläche wie die aufgebrachten Lösungsmitteltropfen zu bedecken. Diese Tropfen können ein zusätzliches Mittel umfassen, oder ein derartiges zusätzliches Mittel kann in Tropfen vorliegen, die später aufgebracht werden, um eine selbe zusammenhängende Fläche zu bedecken, wie sie durch die das Verbindungsmittel enthaltenden Tropfen bedeckt wurde. In beiden Fällen bindet sich das Verbindungsmittel an die Oberfläche, so dass sich eine Sonde oder Sondenvorläufer, die anschließend in weiteren Tropfen an Zielmerkmalspositionen für ein Array 12 aufgebracht wird bzw. werden, an das Verbindungsmittel, jedoch nicht an das zusätzliche Mittel bindet bzw. binden. Jedoch kann eine weitere Verarbeitung einer funktionellen Gruppe an einem Verbindungsmittel notwendig sein, damit eine derartige Bindung stattfindet.
Verbindungsmittel können ein beliebiges geeignetes Verbindungsmittel sein, das sich von jeglicher Sonde oder jegli chem Sondenvorläufer, die bzw. der beim Herstellen des Arrays verwendet wird bzw. werden, unterscheidet. Was geeignete zusätzliche Mittel betrifft, können diese vor allem beliebige der ersten Silane sein, wie sie ausführlich in der US 6,444,268 dargelegt sind, wohingegen das Verbindungsmittel ein beliebiges der dort erwähnten zweiten Silane sein kann, und das Lösungsmittel kann ein Lösungsmittel sein, wie es ebenfalls in jener Patentschrift beschrieben ist (beispielsweise Toluen). Bei einem Ausführungsbeispiel, wie es in der vorstehenden Patentschrift beschrieben ist, weist das erste Silan die Formel R¹-Si (R^LR^xR^y) auf, und das zweite Silan weist die Formel R²-(L)_n-Si (R^LR^xR^y) auf, so dass ein Anbinden an die Oberfläche -Si-R¹-Gruppen und -Si-(L)_n-R²-Gruppen auf derselben liefert, wobei die R^L-Anteile, die identisch oder unterschiedlich sein können, Austrittsgruppen sind, das R^x und R^y unabhängig voneinander Niederes-Alkyl- oder Austrittsgruppen sind, R¹ ein chemisch inerter Anteil ist, der auf ein Binden an die Substratoberfläche hin die Oberflächenenergie derselben verringert, n 0 oder 1 ist, L eine Verbindungsgruppe ist und R² eine funktionelle Gruppe ist, die eine kovalente Bindung eines molekularen Anteils oder einer modifizierbaren Gruppe, die in eine derartige funktionelle Gruppe umgewandelt werden kann, ermöglicht. Austrittsgruppen in dem Vorstehenden können Halogen und Alkoxy umfassen. Sowohl das erste als auch das zweite Silan binden sich durch reaktive hydrophile Anteile auf der Oberfläche an dieselbe, wobei die reaktiven hydrophilen Anteile aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Hydroxyl, Carboxyl, Thiol, Amino und Kombinationen derselben besteht. Die vorstehenden Begriffe und andere Ausführungsbeispiele des ersten und des zweiten Silans sind in der vorstehenden Patentschrift näher definiert. Anders als bei der vorstehenden Patentschrift können bei der vorliegenden Erfindung jedoch Tropfen des Lösungsmittels (beispielsweise Toluen) auf die Oberfläche 11a abgegeben werden, so dass sie zusammen eine zusammenhängende Fläche ohne Zwischenräume bedecken, wie in Verbindung mit 4 beschrieben ist. Darauf kann ein Aufbringen von Tropfen des zweiten Silans folgen, um dieselbe zusammenhängende Fläche zu bedecken. Die das zweite Silan enthaltenden Tropfen können auch das erste Silan enthalten. Das Substrat 10 kann anschließend gemäß der ausführlichen Beschreibung in der US 6,444,268 physikalisch und chemisch verarbeitet werden. Wenn das zweite Silan nicht in den Tropfen vorlag, die das erste Silan enthalten, dann können Tropfen, die das zweite Silan enthalten, auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, um dieselbe zusammenhängende Fläche an diesem Punkt zu bedecken, und eventuell lässt man sie 30 Minuten damit reagieren. In beiden Situationen können die relativen Mengen des ersten und des zweiten Silans angepasst werden, um die Oberflächenenergie zu steuern, wie ebenfalls ausführlich in der US 6,444,268 beschrieben ist.
Bei einem Beispiel können zwei Druckköpfe 210 verwendet werden, der erste, um ein Gemisch aus Toluen/Wasser-Lösungsmittel-Gemisch aufzubringen, und ein zweiter, um das reine oder verdünnte Gemisch des ersten und des zweiten Silans aufzubringen. Auf Grund der niedrigen Oberflächenspannung von Toluen werden lediglich einige wenige Durchläufe der Druckköpfe benötigt, um eine vollständige Bedeckung einer vorderen Oberfläche 11a des Substrats 10 zu erhalten. Insbesondere werden Tropfen des Lösungsmittel- und Silan-Gemischs jeweils in einem Muster aufgebracht, das dem in 4 gezeigten ähnelt. Ein Gesamtvolumen von 5 ml bildet eine 200 μm dicke durchgehende Schicht einer Toluen/Wasser-Lösung oder einer Silanlösung auf einem 6 Zoll mal 6 Zoll aufweisenden Substrat, und bei den in der vorstehenden Patentschrift beschriebenen Konzentrationen enthält die Silan enthaltende Schicht ausreichend Silan, um mit allen Stellen auf der benetzten Substratoberfläche vollständig zu reagieren. Das Substrat wird anschließend etwa 20 Minuten lang in eine Haltekammer platziert, um zu ermöglichen, dass die Reaktion (kovalente Bindung des ersten und des zweiten Silans mit reaktiven Hydroxylen auf der Substratoberfläche) vollständig erfolgt.
Bei einem zweiten Beispiel können drei Druckköpfe 210 verwendet werden. Einer wird dazu verwendet, Tropfen des Toluen/Wasser-Gemischs aufzubringen, und ein weiterer jeweils für ein reines oder verdünntes erstes und zweites Silan. Dieses Beispiel ist dasselbe wie das erste Beispiel, mit der Ausnahme, dass Tropfen, die das erste und das zweite Silan enthalten, hier separat aufgebracht werden. Insbesondere werden nach der Aufbringung der das Toluen/Wasser-Lösungsmittel enthaltenden Tropfen anschließend Tropfen, die das zweite Silan enthalten, aufgebracht, um eine durchgehende Schicht über der vorderen Oberfläche des Substrats zu liefern (wiederum können etwa 5 ml verwendet werden). Die Konzentration des zweiten Silans wird dahin gehend angepasst, mit lediglich mit einem Teil der zur Reaktion auf der vorderen Oberfläche insgesamt zur Verfügung stehenden Stellen zu reagieren. Nach einer Wartezeit von 20 Minuten bei Raumtemperatur wird das Substrat in Toluen gewaschen und getrocknet. An diesem Punkt wird das Verbindungsmittel mit einem Teil der Stellen auf der vorderen Oberfläche verbunden. Eine Oberflächenfunktionalisierung wird anschließend abgeschlossen, indem Tropfen aus Toluen/Wasser, dann Tropfen, die das erste Silan enthalten, aufgebracht werden, wobei die erste Silankonzentration im Übermaß eingestellt wird, um mit dem 1000fachen der auf der vorderen Oberfläche des Substrats insgesamt verfügbaren Stellen zu reagieren. Nach der Aufbringung wird das Substrat etwa 20 Minuten lang in einer Haltekammer platziert, um zu ermöglichen, dass die Reaktion (kovalente Bindung des ersten Silans an die reaktiven Hydroxyle auf der Oberfläche) zum Abschluss kommt. Dieses Verfahren hilft dabei, jegliche Artefakte, die sich aus einer „Wulstbildung" der Lösung ergeben, während die Bildung der sich selbst organisierenden Silan-Monoschicht in der Gegenwart des ersten Silans vorankommt, zu hemmen, und hilft ferner dabei, eine Bildung von Inseln auf der Molekularebene zu hemmen, die andernfalls die effektive lokale Konzentration eines zweiten Silans mit endständiger Hydroxylgruppe (im Anschluss an eine Borierung und Oxidation, wie sie in der US 6,444,268 beschrieben ist) verringern könnte. Man beachte, dass bei beiden Beispielen die Atmosphäre in der Haltekammer gesteuert wird, um eine übermäßige Verdampfung oder Oberflächenverunreinigung zu verhindern. Außerdem kann der Prozess beider Beispiele bei Bedarf wiederholt werden, um eine angemessene Funktionalisierung der Substratoberfläche mit dem zweiten Silan (sowie eine entsprechende Konzentration des ersten Silans, um die gewünschte Qualität der Oberflächenenergie zu erhalten) zu gewährleisten. Das Substrat, das sich aus einem der beiden Beispiele ergibt, kann anschließend dazu verwendet werden, unter Verwendung einer Tropfenaufbringung anhand eines insitu- oder eines anderen Prozesses (beispielsweise Aufbringung von zuvor erhaltenen Sondenanteilen, z.B. Polynucleotiden oder Proteinen) ein Array herzustellen. Dies kann erfolgen, indem Tropfen, die die chemischen Sonden oder Sondenvorläufer an den mehreren Merkmalspositionen des herzustellenden Arrays enthalten, auf die zusammenhängende funktionalisierte Fläche auf der Substratoberfläche aufgebracht werden, so dass sich die Sonden oder Sondenvorläufer an den Merkmalspositionen an das Verbindungsmittel binden. Dieser Schritt kann an einem oder mehreren Merkmalen wiederholt werden, insbesondere wenn das in-situ-Verfahren zum Herstellen von Biopolymeren verwendet wird. Derartige Verfahren und ihre Chemie sind ausführlich in den Referenzdokumenten beschrieben, die in dem obigen Abschnitt „Hintergrund" erwähnt sind, einschließlich z.B. US 6,242,266 , US 6,232,072 , US 6,180,351 , US 6,171,797 , US 6,323,043 , US und japanische Patentveröffentlichung Nr. 2001-02155 (britische Patentschrift Veröffentlichungsnummer 2355716) sowie in den in denselben aufgeführten Referenzdokumenten.
Die Verwendung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung liefert eine relativ gleichmäßige Beschichtung leichter als dies dadurch erhalten werden könnte, dass das Substrat in einer Reaktionskammer mit den Silanen in Kontakt gebracht wird. Wenn außerdem eine Reaktionskammer verwendet wird, bei der die Silane als Lösungsvolumen in die Kammer eingebracht werden, um die Substratoberfläche zu bedecken, kön nen Flusscharakteristika innerhalb der Kammer zu einer Schwankung der Linkerdichte über die Oberfläche führen. Derartige Schwankungen können zu Schwankungen der Sondendichte (gegenüber der erwarteten Sondendichte) innerhalb eines Merkmals, über das Array hinweg und zwischen Arrays führen. Dies gilt besonders dort, wo es wünschenswert sein kann, die Silane in das Lösungsmittel in der Kammer zu injizieren und nicht als Teil einer Lösungsmittellösung, mit der die Kammer gefüllt ist, um eine mögliche Polymerisation der Silane zu verringern. Mit zunehmender Substratgröße können diese Probleme, die mit der Verwendung einer Reaktionskammer verbunden sind, noch schwerwiegender werden. Dagegen weisen Zunahmen der Substratgröße bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht denselben Effekt auf. Außerdem ist es bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu einer Reaktionskammer nicht notwendig, eine gesamte Oberfläche des Substrats zu funktionalisieren. Stattdessen müssen lediglich diejenigen Teile einer Substratoberfläche funktionalisiert werden, auf denen Arrays hergestellt werden. Andere Bereiche derselben Substratoberfläche stehen dann zur weiteren Reaktion oder Verwendung zur Verfügung, beispielsweise für eine Aufbringung eines Siliziumklebstoffs, um eine Dichtung zu bilden, um bei einer passenden Kopplung mit einer Bedeckung eine Hybridisierungslösung zurückzuhalten, oder zum Drucken von Strichcodes 356 oder von Justiermarken 18.
Unter Bezugnahme auf 5 ist nun eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die ein Verfahren der vorliegenden Erfindung ausführen kann. Die gezeigte Vorrichtung weist im Wesentlichen zwei Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt, auf dem eine Oberfläche des Substrats 10 funktionalisiert werden kann, und einen zweiten Abschnitt, in dem das Array, auf der funktionalisierten Oberfläche des Substrats hergestellt wird. Obwohl diese beiden Abschnitte in 5 als Teil einer Vorrichtung gezeigt sind, wird man erkennen, dass sie gänzlich getrennt sein können, wobei der erste Abschnitt viele funktionalisierte Substrate erstellt, die zur Arrayherstellung an den Herstellungsabschnitt weitergeleitet werden, wobei möglicherweise ein oder mehrere erste Abschnitte und ein oder mehrere zweite Abschnitte vorliegen, die fern voneinander sind.
Der erste Abschnitt der Vorrichtung der 5 umfasst eine erste Substratstation 70, die ein angebrachtes Substrat 10 halten kann, einen dritten Transporter 70, eine Kopfhaltevorrichtung 76, und ein erstes Tropfenaufbringungssystem in Form eines stationären Pulsstrahlkopf(78)-Systems. Das Pulsstrahlkopfsystem 78 kann zwei oder drei Pullstrahlköpfe umfassen, die Tropfen des Lösungsmittel, Verbindungsmittels und zusätzlichen Mittels wie bereits beschrieben auf die Oberfläche 11a des Substrats 10 abgeben, um diese Oberfläche zu funktionalisieren. Tropfen werden aus dem stationären Pulsstrahlkopf 78 abgegeben, während das Substrat 10 unter demselben durch den Transporter 70 vorgeschoben wird, wobei all dies unter der Steuerung eines Prozessors 140 geschieht. Eine (nicht gezeigte) geeignete Haltekammer kann während einer derartigen Funktionalisierung zu den bereits beschriebenen Zwecken ebenfalls vorgesehen sein. Eine mechanische Einrichtung (z.B. ein Roboterarm) kann vorgesehen sein, um ein Substrat 10 von einer Substratstation 10 an die Haltekammer und an eine zweite Substratstation 20 zu transferieren, wenn die Funktionalisierung der Oberfläche 11a abgeschlossen ist. Die Funktionalisierung kann in einer Kammer erfolgen, und die Kammern, in denen ein Halten und eine Funktionalisierung erfolgen kann, können beide eine gesteuerte Atmosphäre aufweisen, die vorliegt, um eine übermäßige Verdampfung oder Oberflächenverunreinigung zu unterbinden; beispielsweise kann die gesteuerte Atmosphäre eine Stickstoffatmosphäre sein.
Der zweite Abschnitt der Vorrichtung der 5 umfasst die Substratstation 20 (die manchmal als „Substrathaltevorrichtung" bezeichnet wird), an der ein Substrat 10 angebracht sein oder festgehalten werden kann. Stifte oder ähnliche Einrichtungen (nicht gezeigt) können auf der Substratstati on 20 vorgesehen sein, mittels derer das Substrat 10 ungefähr auf eine nominale Position darauf ausgerichtet werden kann (wobei zum Zweck einer verfeinerten Ausrichtung Ausrichtungsmarkierungen 18 auf dem Substrat 10 verwendet werden). Die Substratstation 20 kann einen Vakuumteller umfassen, der mit einer geeigneten (nicht gezeigten) Vakuumquelle verbunden ist, um ein Substrat 10 zu halten, ohne zu viel Druck darauf auszuüben, da das Substrat 10 oft aus Glas hergestellt ist. Eine Flutstation 68 ist vorgesehen, die die gesamte Oberfläche des Substrats 10, wenn es an einer Station 68 positioniert ist, wie in 9 in gestrichelten Linien veranschaulicht ist, mit einem üblicherweise bei dem in-situ-Prozess verwendeten Fluid in Kontakt bringen kann, mit dem während jedes Zyklus alle Merkmale in Kontakt gebracht werden müssen (beispielsweise Oxidationsmittel, Schutzrückgängigmachungsmittel und Waschpuffer). Im Fall einer Aufbringung eines zuvor gewonnenen Polynucleotids muss die Flutstation 68 nicht vorliegen.
Ein zweites Tropfenaufbringungssystem liegt in Form eines Abgabekopfes 210 vor, der durch eine Kopfhaltevorrichtung 208 gehalten wird. Wie jedoch oben erwähnt wurde, kann das Kopfsystem mehr als einen durch dieselbe Kopfhaltevorrichtung 208 gehaltenen Kopf 210 umfassen, so dass sich derartige gehaltene Köpfe im Einklang miteinander bewegen. Das Transportersystem umfasst einen Wagen 62, der mit einem ersten Transporter 60 verbunden ist, der durch eine Leitung 66 hindurch seitens des Prozessors 140 gesteuert wird, und der mit einem zweiten Transporter 100 verbunden ist, der durch eine Leitung 106 hindurch seitens des Prozessors 140 gesteuert wird. Der Transporter 60 und der Wagen 62 werden dazu verwendet, eine Achsenpositionierung der Station 20 (und somit des angebrachten Substrats 10), die dem Abgabekopf 210 zugewandt ist, auszuführen, indem sie sie in die Richtung der Achse 63 bewegen, während der Transporter 100 dazu verwendet wird, eine Anpassung der Position der Kopfhaltevorrichtung 208 (und somit des Kopfes 210) in einer Richtung der Achse 204 zu liefern (und somit den Kopf 210 in die Bewegungsrichtung 204a, die eine Richtung auf der Achse 204 ist, zu bewegen). Auf diese Weise kann der Kopf 210 entlang paralleler Zeilen auf Rasterart Zeile um Zeile bewegt werden, indem er unter Verwendung des Transporters 100 in der Richtung der Achse 204 entlang einer Zeile über das Substrat 10 bewegt wird, während eine Zeile-Zu-Zeile-Übergangsbewegung des Substrats 10 in einer Richtung der Achse 63 durch den Transporter 60 bereitgestellt wird. Der Transporter 60 kann auch den Substrathalter 20 bewegen, um das Substrat 10 in der Flutstation 68 zu positionieren (wie durch das in 9 in gestrichelten Linien gezeigte Substrat 10 veranschaulicht ist). Der Kopf 210 kann durch einen anderen (nicht gezeigten) geeigneten Transporter optional auch in einer vertikalen Richtung 202 bewegt werden, und sein Drehwinkel bezüglich des Kopfes 210 kann ebenfalls angepasst werden. Man wird erkennen, dass während der Arrayherstellung andere Scanning- bzw. Abtast- bzw. Bewegungskonfigurationen verwendet werden könnten. Ferner wird man erkennen, dass beide Transporter 60 und 100, oder einer der beiden, bei einer geeigneten Konstruktion dazu verwendet werden könnte(n), das vorstehende Scannen bzw. Abtasten bzw. Bewegen des Kopfes 210 bezüglich des Substrats 10 auszuführen. Wenn in der vorliegenden Erfindung also von „Positionieren", „Bewegen", oder dergleichen, eines Elements (z.B. des Kopfes 210) bezüglich eines anderen Elements (z.B. der Station 20 oder des Substrats 10) die Rede ist, wird man erkennen, dass jegliches erforderliche Bewegen dadurch bewerkstelligt werden kann, dass entweder eines der beiden Elemente oder eine Kombination beider Elemente bewegt wird. Der Kopf 210, das Transportersystem und der Prozessor 140 fungieren zusammen als das Aufbringungssystem der Vorrichtung. Ein Codierer 30 kommuniziert mit dem Prozessor 140, um Daten über die genaue Position der Substratstation 20 (und somit des Substrats 10, wenn es korrekt an der Substratstation 20 positioniert ist) zu liefern, während der Codierer 34 Daten über die genaue Position der Haltevorrichtung 208 (und somit des Kopfes 210, wenn er korrekt an der Haltevorrichtung 208 positioniert ist) lie fert. Jeglicher geeignete Codierer, z.B. ein optischer Codierer, der Daten über eine lineare Position liefert, kann verwendet werden.
Der Prozessor 140 hat durch ein Kommunikationsmodul 144 auch Zugang zu einem Kommunikationskanal 180, um mit einer fernen Station zu kommunizieren. Der Kommunikationskanal 180 kann beispielsweise ein Weitverkehrsnetzwerk („WAN"), ein Telefonnetzwerk, ein Satellitennetzwerk oder ein beliebiger anderer geeigneter Kommunikationskanal sein.
Jeder des einen oder der mehreren Köpfe 210 kann ein Typ sein, der ähnlich demjenigen ist, der bei einem Drucker vom Tintenstrahltyp verwendet wird, und kann beispielsweise fünf oder mehr Kammern (zumindest eine für jeden von vier Nucleosid-Phosphoramidit-Monomeren plus zumindest eine für eine Aktivatorlösung) umfassen, von denen jede mit einem entsprechenden Satz von mehreren Tropfenabgabeöffnungen und mehreren Ausstoßvorrichtungen, die gegenüber jeweiligen Öffnungen in den Kammern positioniert sind, kommuniziert. Jede Ausstoßvorrichtung liegt in Form eines elektrischen Widerstands vor, der als Heizelement unter der Steuerung des Prozessors 140 fungiert (obwohl stattdessen auch piezoelektrische Elemente verwendet werden könnten). Jede Öffnung definiert mit ihrer zugeordneten Ausstoßvorrichtung und ihrem zugeordneten Teil der Kammer einen entsprechenden Pulsstrahl. Man wird erkennen, dass der Kopf 210 je nach Wunsch beispielsweise mehr oder weniger Pulsstrahlen aufweisen könnte (beispielsweise zumindest zehn oder zumindest einhundert Pulsstrahlen, wobei ihre Düsen in Reihen und Spalten organisiert sind). Ein Anlegen eines einzigen elektrischen Pulses an eine Ausstoßvorrichtung bewirkt, dass ein Tröpfchen aus einer entsprechenden Öffnung abgegeben wird. Bestimmte Elemente des Kopfes 210 können aus Teilen einer im Handel erhältlichen Thermotintenstrahldruckkopfvorrichtung, die als Teil Nummer HP51645A von Hewlett-Packard Co. erhältlich ist, angepasst sein. Eine geeignete Kopfkonstruktion ist in der US-Patentschrift 6,461,812 be schrieben. Alternativ dazu könnten statt eines einzigen Kopfes 210 mehrere Köpfe verwendet werden, wobei sie alle bezüglich ihrer Konstruktion dem Kopf 210 ähneln und anhand desselben Transporters im Einklang miteinander bewegbar sind oder mit entsprechenden Transportern unter der Steuerung des Prozessors 140 zum Zweck einer unabhängigen Bewegung versehen sind. Bei dieser alternativen Konfiguration kann jeder Kopf ein entsprechendes Biomonomer (beispielsweise eines von vier Nucleosid-Phosphoramiditen) oder eine Aktivatorlösung abgeben.
Jeder Kopf des Kopfsystems 78 kann auch ein Typ sein, der dem jedes Kopfes 210 ähnelt, wie bereits beschrieben. Da jedoch jeder Kopf lediglich flüssige Tropfen eines Typs (Lösungsmittel oder eines der beiden Silane) liefert, muss jeder Kopf nur eine Kammer aufweisen, um ein Fluid an alle Pulsstrahlen dieses Kopfes zu liefern.
Wie in der Technik des Tintenstrahldruckens hinreichend bekannt ist, kann die Fluidmenge, die bei einem einzigen Aktivierungsereignis eines Pulsstrahls ausgeworfen wird, dadurch gesteuert werden, dass einer oder mehrere einer Anzahl von Parametern geändert werden, einschließlich, unter anderem, des Öffnungsdurchmessers, der Öffnungslänge (Dicke des Öffnungsbauglieds an der Öffnung), der Größe der Aufbringungskammer und der Größe des Heizelements. Die Fluidmenge, die während eines einzigen Aktivierungsereignisses ausgeworfen wird, liegt allgemein im Bereich von etwa 0,1 bis 1000 pL, üblicherweise etwa 0,5 bis 500 pL und noch üblicher etwa 1,0 bis 250 pL. Eine typische Geschwindigkeit, mit der das Fluid aus der Kammer ausgeworfen wird, beträgt mehr als etwa 1 m/s, üblicherweise mehr als etwa 10 m/s, und kann sogar etwa 20 m/s oder mehr betragen. Wie oben erörtert wurde, ist die eigentliche Aufbringungsstelle des Materials dann, wenn sich die Öffnung zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Ausstoßvorrichtung aktiviert wird, bezüglich der Substratoberfläche in Bewegung ist, nicht die Stelle, die zu dem Zeitpunkt der Aktivierung senkrecht mit einer Öff nung ausgerichtet ist. Jedoch ist die Stelle der eigentlichen Aufbringung für die gegebenen Entfernungen und Geschwindigkeiten vorhersehbar.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Anzeige 310, einen Lautsprecher 314 und eine Bedienperson-Eingabevorrichtung 312. Die Bedienperson-Eingabevorrichtung 312 kann beispielsweise eine Tastatur, Maus oder dergleichen sein. Der Prozessor 140 hat Zugang zu einem Speicher 141 und steuert das Druckkopfsystem 78 und den Druckkopf 210 (im Einzelnen die Aktivierung der Ausstoßvorrichtungen in demselben), den Betrieb des Transportersystems und des dritten Transporters 72 sowie den Betrieb der Anzeige 310 und des Lautsprechers 314. Der Speicher 141 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, in der der Prozessor 140 Daten speichern und wiedergewinnen kann, beispielsweise magnetische, optische oder Halbleiterspeicherungsvorrichtungen (einschließlich Magnetplatten oder optischer Platten oder Magnetbänder oder optischer Bänder oder RAM oder einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung, entweder ortsfest oder tragbar). Der Prozessor 140 kann einen digitalen Mehrzweck-Mikroprozessor umfassen, der ausgehend von einem computerlesbaren Medium, das einen notwendigen Programmcode trägt, auf geeignete Weise programmiert ist, um alle für die vorliegende Erfindung erforderlichen Schritte auszuführen, oder kann jegliche Hardware- oder Softwarekombination, die diese oder äquivalente Schritte ausführt, umfassen. Die Programmierung kann durch den Kommunikationskanal 180 dem Prozessor 141 aus der Ferne bereitgestellt werden oder vorab in einem Computerprogrammprodukt wie z.B, dem Speicher 141 oder einem anderen tragbaren oder ortsfesten computerlesbaren Speicherungsmedium, das beliebige der unten in Verbindung mit dem Speicher 141 erwähnten Vorrichtungen verwendet, gespeichert werden. Beispielsweise kann eine Magnet- oder optische Platte 324a die Programmierung tragen, und sie kann durch eine Plattenschreib-/-lesevorrichtung 326 gelesen werden. Eine Schneidevorrichtung 152 ist vorgesehen, um das Substrat 10 in einzelne Arrayeinheiten 15 zu schneiden, die jeweils ein entsprechendes Array 12 tragen.
Im Folgenden wird nun die Funktionsweise der Herstellungsstation beschrieben. Es wird angenommen, dass ein Substrat 10 bereits an der Substratstation 70 angebracht ist. In diesem Fall wird das Substrat unter Verwendung des Toluen/Wasser-Lösungsmittels und des ersten und des zweit_en Silans gemäß dem bereits beschriebenen Verfahren funktionalisiert. Um dies zu bewerkstelligen, schiebt das Transportersystem 72 das angebrachte Substrat 10 unter dem Kopfsystem 78 vor, während Lösungsmitteltropfen aufgebracht werden, um die durchgehende Lösungsmittelschicht ohne Zwischenräume zu liefern, wie bereits beschrieben wurde. Dieser Vorgang kann wiederholt werden, wobei dann jedoch Tropfen aufgebracht werden, die das zweite Silan enthalten. Das erste Silan kann in den Tropfen mit dem zweiten Silan enthalten sein, oder das Vorstehende kann in dem Fall, in dem das erste Silan als Tropfen einer separaten Lösung geliefert wird, wiederholt werden. Das Substrat kann an die Haltekammer zwischen dem zweiten und dem ersten Silan (falls sie separat sind) und anschließend an eine Aufbringung von beiden unter Verwendung eines Roboterarms oder manuell seitens einer Bedienperson, gemäß dem bereits beschriebenen Verfahren, transferiert werden.
Anschließend kann das Substrat mit der funktionalisierten Oberfläche 11a entweder manuell oder anhand des Roboterarms an die Substratstation 20 transferiert werden. Es wird angenommen, dass der Prozessor 140 mit den notwendigen Layoutinformationen zum Herstellen von Targetarrays 12 programmiert ist. Unter Verwendung von Informationen wie z.B. des vorstehenden Targetlayouts sowie der Anzahl und der Position von Tropfenabgabevorrichtungen in dem Kopf 210 kann der Prozessor 140 anschließend ein Reagenzientropfenaufbringungsmuster bestimmen. Alternativ dazu könnte ein derartiges Muster durch einen anderen Prozessor (z.B. einen fernen Prozessor) ermittelt und durch den Kommunikationska nal 180 oder durch Weiterleiten eines tragbaren Speicherungsmediums, das derartige Daten trägt, zum Zweck eines Lesens durch die Lese-/Schreibvorrichtung 326 an den Speicher 141 kommuniziert werden. Der Prozessor 140 steuert die Herstellung, gemäß dem Aufbringungsmuster, um das eine oder die mehreren Arrays 12 auf dem Substrat 10 zu erzeugen, indem er für jedes Targetmerkmal während jedes Zyklus einen Reagenzientropfensatz, wie er zuvor beschrieben wurde, aufbringt. Tropfen werden während einer Bewegung entlang jeder Zeile des Rasters während des Abtastens aus dem Kopf aufgebracht. Für Merkmale oder ansonsten während eines Zeilenübergangs werden keine Tropfen abgegeben. Der Prozessor 140 sendet auch das Substrat 10 zum Zweck einer Zykluszwischenschaltung oder abschließender Schritte nach Bedarf an die Flutstation 68, alles gemäß dem oben beschriebenen herkömmlichen in-situ-Polynucleotidarray-Herstellungsprozess. Das Substrat 10 kann anschließend an eine Schneidevorrichtung 152 gesendet werden, bei der Abschnitte des Substrats 10, die ein oder mehr Arrays 12 tragen, von dem restlichen Substrat 10 getrennt werden, um mehrere Arrayeinheiten 15 zu liefern, von denen jedes ein oder mehr Arrays 12 aufweist. Eine oder mehr Arrayeinheiten 15 können anschließend an einen oder mehrere ferne Nutzer weitergeleitet werden. Der Prozessor 140 bewirkt ferner eine Aufbringung von Tropfen aus allen Multiabgabetropfengruppen an separaten Teststellen, beispielsweise an einem Testmuster 250, das von den Arrays 12 getrennt sein kann, die oben bereits beschrieben wurden. Die vorstehende Arrayherstellungssequenz kann an der Herstellungsstation nach Wunsch wiederum für mehrere Substrate 10 wiederholt werden.
Während der Arrayherstellung können Fehler überwacht und auf jegliche der in der japanischen Patentschrift Veröffentlichungsnummer 2001-02155 (britische Patentschrift Veröffentlichungsnummer 2355716) und in der US 6,232,072 beschriebenen Arten verwendet werden. Optional können Charakteristika der hergestellten Arrays in einem Code enthalten sein, der an das Arraysubstrat oder ein Gehäuse angelegt wird, oder sie können in einer mit einem solchen Code verbindbaren Datei enthalten sein, auf eine Weise, wie sie in der vorstehenden Patentanmeldung und in der US 6,180,351 beschrieben ist.
Im Anschluss an einen Empfang eines Arrays gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen Benutzer wird es üblicherweise mit einer durchgehenden Schicht einer selben Probe (beispielsweise einer Probe, die ein fluoreszierend markiertes Polynucleotid oder Protein enthält) in Kontakt gebracht, und anschließend wird das Array abgelesen. Das Ablesen des Arrays kann dadurch bewerkstelligt werden, dass das Array beleuchtet wird und die Position und Intensität der resultierenden Fluoreszenz an jedem Merkmal des Arrays abgelesen wird. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Scanner verwendet werden, der dem von Agilent Technologies, Palo Alto, CA, USA, hergestellten AGILENT MICROARRAY SCANNER ähnelt. Andere geeignete Vorrichtungen und Verfahren sind in den US-Patentanmeldungen- Seriennummer 09/846125 „Reading Multi-Featured Arrays" von Dorsel et al.; und US 6,406,849 beschrieben. Jedoch können Arrays auch anhand eines anderen Verfahrens oder einer anderen Vorrichtung als des bzw. der vorstehenden abgelesen werden, wobei andere Ableseverfahren andere optische Techniken (beispielsweise ein Erfassen von chemilumineszenten oder elektrolumineszenten Markierungen) oder elektrische Techniken (wobei jedes Merkmal mit einer Elektrode versehen ist, um eine Hybridisierung an diesem Merkmal auf eine in den US 6,251,685 , US 6,221,583 und anderswo offenbarte Weise zu erfassen) umfassen. Eine Merkmalsextraktion (bei der Merkmale und ihre entsprechenden Signale in einem Bild eines Ablesearrays identifiziert werden) kann unter Verwendung von Prozeduren, wie sie in der US 6,591,196 , der europäischen Patentschrift Veröffentlichungsnummer 1162572 und in der US-Patentschrift Veröffentlichungsnummer 20020193962 A1, alle unter dem Titel „Method And System For Extracting Data From Surface Array Deposited Features", beschrieben sind, durchgeführt werden. Ergebnisse des Ablesens können Rohergebnisse (z.B. Fluoreszenzintensitätsablesewerte für jedes Merkmal in einem oder mehreren Farbkanälen) sein, oder sie können verarbeitete Ergebnisse sein, wie sie beispielsweise dadurch erhalten werden, dass ein Ablesewert für ein Merkmal, der unter einer vorbestimmten Schwelle liegt, zurückgewiesen wird, und/oder dass auf der Basis des von dem Array abgelesenen Musters Schlussfolgerungen gezogen werden (beispielsweise ob eine bestimmte Targetsequenz in der Probe vorgelegen haben mag oder nicht, oder ob ein Muster auf einen bestimmten Zustand eines Organismus, von dem die Probe stammte, hinweist oder nicht). Die Ergebnisse des Ablesevorgangs (verarbeitet oder nicht) können, falls gewünscht, (z.B. mittels Kommunikation) an eine ferne Position weitergeleitet werden und dort zum Zweck einer weiteren Verwendung (z.B. zur Weiterverarbeitung) empfangen werden.
Modifikationen der oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich möglich. Beispielsweise kann jede Einheit 15 in einem geeigneten Gehäuse enthalten sein. Ein derartiges Gehäuse kann eine geschlossene Kammer umfassen, die durch ein oder mehr Tore, die normalerweise durch das Substrat 10 tragende Scheidewände geschlossen sind, zugänglich ist. Dort, wo ein Muster von Arrays gewünscht ist, kann eine beliebige andere einer Vielzahl von Geometrien konstruiert werden, die nicht die organisierten Reihen und Spalten der Arrays 12 der 1 umfasst. Beispielsweise können die Arrays 12 in einer Serie von krummlinigen Reihen über die Substratoberfläche hinweg (beispielsweise in einer Serie von konzentrischen Kreisen oder Halbkreisen von Punkten) und dergleichen angeordnet sein. Die Länge der länglichen Merkmale könnte entlang dieser oder der oben beschriebenen linearen Reihen oder in einem beliebigen Winkel dazu orientiert sein, wie oben in Verbindung mit linearen Reihen von Merkmalen beschrieben wurde. Desgleichen kann das Muster von Merkmalen 16, wie erwähnt wurde, bezüglich der organisierten Reihen und Spalten von Punkten in 2 variieren, um beispielsweise eine Serie von krummlinigen Reihen über die Substratoberfläche hinweg und dergleichen zu umfassen (beispielsweise eine Serie von konzentrischen Kreisen oder Halbkreisen von Punkten).
Die Substratoberfläche, auf die die Polynucleotid-Zusammensetzungen oder andere Anteile aufgebracht werden, kann porös oder nicht-porös, glatt oder im Wesentlichen planar sein oder Unregelmäßigkeiten wie z.B. Vertiefungen oder Erhöhungen aufweisen. Das Substrat kann aus ein und demselben Material oder aus einem mehrschichtigen Aufbau hergestellt sein. Dort, wo ein Muster von Arrays gewünscht ist, kann eine beliebige andere einer Vielzahl von Geometrien konstruiert werden, die nicht die organisierten Reihen und Spalten der Arrays 12 der 1 umfasst. Beispielsweise können die Arrays 12 in einer Serie von krummlinigen Reihen über die Substratoberfläche hinweg (beispielsweise in einer Serie von konzentrischen Kreisen oder Halbkreisen von Punkten) und dergleichen angeordnet sein. Desgleichen kann das Muster von Merkmalen 16 bezüglich der organisierten Reihen und Spalten von Merkmalen in 2 variieren, um beispielsweise eine Serie von krummlinigen Reihen über die Substratoberfläche hinweg und dergleichen zu umfassen (beispielsweise eine Serie von konzentrischen Kreisen oder Halbkreisen von Punkten). Obwohl verschiedene Konfigurationen der Merkmale verwendet werden können, sollte der Benutzer mit Mitteln (beispielsweise durch den Arrayidentifizierer) ausgestattet sein, um in der Lage zu sein, zumindest manche Charakteristika der Merkmale festzustellen (beispielsweise eine(s) oder mehrere der folgenden: Merkmalszusammensetzung, -position, -größe, -verhaltenscharakteristika bezüglich der Bedeutung in Variationen von Bindungsmustern bei unterschiedlichen Proben oder dergleichen). Die Konfiguration des Arrays kann je nach Herstellungs-, Handhabungs- und Verwendungsüberlegungen gewählt werden. Die vorliegenden Verfahren und Vorrichtungen können dazu verwendet werden, Arrays von anderen Biopolymeren, Polymeren oder anderen Anteilen auf Oberflächen auf eine Weise herzustellen und zu verwenden, die zu den oben beschriebenen analog ist. Demgemäß kann eine Bezugnahme auf Polymere, Biopolymere oder Polynucleotide oder dergleichen oft durch eine Bezugnahme auf „chemische Anteile" ersetzt werden.
Verschiedene weitere Modifikationen der oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich möglich. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben ausführlich beschriebenen jeweiligen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Arrays von mehreren chemischen Sonden, die an verschiedenen Merkmalen des Arrays an eine Oberfläche eines Substrats gebondet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Aufbringen von Tropfen, die ein Verbindungsmittel umfassen, auf die Oberfläche, so dass sich das Verbindungsmittel an die Substratoberfläche bindet; und (b) Aufbringen von Tropfen, die die chemischen Sonden oder Sondenvorläufer umfassen, an den mehreren Merkmalspositionen, so dass sich die Sonden oder Sondenvorläufer an den Merkmalspositionen an das Verbindungsmittel binden; (c) Wiederholen von (b) nach Bedarf, um das Array zu bilden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die das Verbindungsreagens umfassenden Tropfen aus einem Pulsstrahl abgegeben werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Array ein Polynucleotid- oder Polyaminsäure-Array ist und die Tropfen Nucleosid- oder Aminsäuremonomere umfassen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Arrays mehrerer chemischer Sonden, die an verschiedenen Merkmalen des Arrays gemäß Anspruch 1 an eine Oberfläche eines Substrats gebondet sind, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: (a) Aufbringen von Tropfen, die ein Verbindungsmittel umfassen, auf die Oberfläche, wobei die Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über den Merkmalspositionen des Arrays bedecken, so dass sich das Verbindungsmittel über dem bedeckten zusammenhängenden Bereich an die Substratoberfläche bindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, das zusätzlich ein Aufbringen von Tropfen, die ein Lösungsmittel umfassen, auf die Oberfläche umfasst, wobei die Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über den Merkmalspositionen des Arrays bedecken.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem vor einer Aufbringung der Sonde oder der Sondenvorläufer ein Lösungsmittel an einer Merkmalsposition aufgebracht wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem Tropfen, die Sondenvorläufer umfassen, bei (b) aufgebracht werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, das zusätzlich ein Aufbringen von Tropfen, die ein zusätzliches Mittel umfassen, auf die Oberfläche umfasst, wobei die Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über den Merkmalspositionen des Arrays bedecken, und wobei diese dieselben wie die das Verbindungsmittel umfassenden Tropfen sein oder sich von diesen unterscheiden können, so dass sich das zusätzliche Mittel über dem bedeckten zusammenhängenden Bereich an die Substratoberfläche bindet, sich jedoch nicht an die Sonde oder die Sondenvorläufer bindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die das Verbindungsreagens umfassenden Tropfen und die das zusätzliche Mittel umfassenden Tropfen unterschiedliche Tropfen sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die ein Verbindungsreagens umfassenden Tropfen aus Pulsstrahlen aufgebracht werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die das Verbindungsreagens umfassenden Tropfen und das zusätzliche Mittel umfassende Tropfen aus unterschiedlichen Pulsstrahlen aufgebracht werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die Pulsstrahlen piezoelektrische Pulsstrahlen sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Substratoberfläche reaktive hydrophile Anteile auf derselben aufweist, und bei dem das zusätzliche Mittel ein erstes Silan ist und das Verbindungsmittel ein zweites Silan ist, wobei das erste Silan die Formel R¹-Si (R^LR^xR^y) aufweist und das zweite Silan die Formel R²-(L)_n-Si(R^LR^xR^y) aufweist, so dass ein Binden an die Oberfläche -Si-R¹-Gruppen und -Si-(L)_n-R²-Gruppen auf derselben liefert, wobei die R^L-Anteile, die dieselben oder unterschiedlich sein können, Austrittsgruppen sind, das R^x und das R^y unabhängig voneinander Niederes-Alkyl- oder Austrittsgruppen sind, R¹ ein chemisch inerter Anteil ist, der auf ein Binden an die Substratoberfläche hin die Oberflächenenergie derselben verringert, n 0 oder 1 ist, L eine Verbindungsgruppe ist und R² eine funktionelle Gruppe ist, die eine kovalente Bindung eines molekularen Anteils oder einer modifizierbaren Gruppe, die in eine derartige funktionelle Gruppe umgewandelt werden kann, ermöglicht.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die reaktiven hydrophilen Anteile aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Hydroxyl, Carboxyl, Thiol, Amino und Kombinationen derselben besteht.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die reaktiven hydrophilen Anteile Hydroxylgruppen sind.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die R^L aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Halogen und Alkoxy besteht.
Ein Verfahren zum Verwenden eines Arrays, das ein Inkontaktbringen eines anhand des Verfahrens gemäß Anspruch 1 erzeugten Arrays mit einer Probe umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 17, das zusätzlich ein Ablesen des Arrays umfasst.
Ein Verfahren, das ein Weiterleiten eines Ergebnisses eines anhand des Verfahrens gemäß Anspruch 18 erhaltenen Ablesewerts an eine ferne Position umfasst.
Ein Verfahren, das ein Senden von Daten, die ein Ergebnis eines anhand des Verfahrens gemäß Anspruch 18 erhaltenen Ablesewerts darstellen, umfasst.
Ein Verfahren, das ein Empfangen eines Ergebnisses eines anhand des Verfahrens gemäß Anspruch 18 erhaltenen Ablesewerts umfasst.
Ein Array, das nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erzeugt wird.
Ein Verfahren zum Erzeugen eines oberflächenmodifizierten Substrats zum Herstellen eines Arrays mehrerer chemischer Sonden, das ein Aufbringen von ein Verbindungsmittel umfassenden Tropfen auf die Oberfläche umfasst, so dass sich das Verbindungsmittel an die Substratoberfläche bindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem das Substrat Glas ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 23, das zusätzlich ein Aufbringen von Tropfen, die ein zusätzliches Mittel umfassen, auf die Oberfläche umfasst, wobei die Tropfen zusammen einen zusammenhängenden Bereich über der Oberfläche bedecken, und wobei diese dieselben wie die das Verbindungsmittel umfassenden Tropfen sein oder sich von diesen unterscheiden können, so dass sich das zusätzliche Mittel über dem bedeckten zusammenhängenden Bereich an die Substratoberfläche bindet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem die das Verbindungsreagens umfassenden Tropfen und die das zusätzliche Mittel umfassenden Tropfen unterschiedliche Tropfen sind.
Eine Vorrichtung zum Herstellen eines Arrays, das mehrere chemische Merkmale aufweist, auf einem Substrat, die folgende Merkmale umfasst eine Substrathaltevorrichtung, an der das Substrat angebracht werden kann; ein erstes Tropfenaufbringungssystem, um Tropfen auf ein angebrachtes Substrat aufzubringen und dabei von demselben beabstandet zu sein; ein zweites Tropfenaufbringungssystem, um Tropfen der Chemikalien oder chemischen Vorläufer aufzubringen; und einen Prozessor, der die Tropfenaufbringungssysteme steuert, so dass die aufgebrachten Tropfen aus dem ersten Tropfenaufbringungssystem zusammen über den Merkmalspositionen auf der Oberfläche einen zusammenhängenden Bereich bedecken, während die aufgebrachten Tropfen aus dem zweiten Tropfenaufbringungssystem an Merkmalspositionen aufgebracht werden, die auf dem zu sammenhängenden Bereich positioniert sind, um das Array zu bilden.
Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 27, bei der das Tropfenaufbringungssystem Pulsstrahlen umfasst, die thermoelektrische oder piezoelektrische Pulsstrahlen sind.
Ein Computerprogrammprodukt zur Verwendung bei einer Vorrichtung zum Herstellen eines Arrays, das mehrere chemische Merkmale auf einem Substrat aufweist, wobei das Programmprodukt ein computerlesbares Speicherungsmedium umfasst, auf dem ein Computerprogramm gespeichert ist, das die Vorrichtung dahin gehend steuert, das folgende Verfahren durchzuführen: (a) Aufbringen von ein Verbindungsmittel umfassenden Tropfen, die über den Merkmalspositionen des Arrays einen zusammenhängenden Bereich auf dem Substrat bedecken; anschließend (b) für jedes von mehreren Merkmalen, Aufbringen mehrerer Tropfen, von denen zumindest manche die Chemikalien oder chemischen Vorläufer tragen, aus einem Tropfenaufbringungskopfsystem der Vorrichtung auf das Substrat, während das Kopfsystem von dem Substrat beabstandet ist, um das Array herzustellen.
Ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 29, bei dem das Programm eine Bewegung eines Transporters und mehrerer Pulsstrahlen eines Aufbringungskopfsystems dahin gehend steuert, Tropfen aufzubringen, die den zusammenhängenden Bereich auf dem Substrat, auf dem die Merkmale angeordnet sein werden, bedecken.