DE69534418T2

DE69534418T2 - Bioarraychip-reaktionsapparatur und ihre herstellung

Info

Publication number: DE69534418T2
Application number: DE69534418T
Authority: DE
Inventors: M. Donald BESEMER; W. Virginia GOSS; L. James WINKLER
Original assignee: Affymetrix Inc
Current assignee: Affymetrix Inc
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2015-06-09
Also published as: EP1562045A2; US6140044A; JP3884048B2; US5945334A; JPH08166387A; JPH10505410A; AU2943695A; EP0695941B1; WO1995033846A1; JP2006153877A; EP0695941A2; EP0764214A4; US20100298165A1; EP0695941A3; JP3790280B2; EP1562045A3; DE69527585D1; DE69534418D1; EP0764214A1; EP0764214B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung und Platzierung von Materialien an bekannten Orten auf einem Substrat. Eine Ausführungsform der Erfindung stellt insbesondere ein Verfahren und eine zugeordnete Vorrichtung zum Umgeben eines Substrats mit einem Gehäuse bereit, das verschiedene Sequenzen an bekannten Orten auf seiner Oberfläche aufweist.
Verfahren zur Bildung von Sequenzen auf einem Substrat sind bekannt. Beispielsweise können die Sequenzen nach den bahnbrechenden Verfahren gebildet werden, die in US-Patent Nr. 5,143,854 (Pirrung et al.), PCT WO 92/10092 offenbart sind. Die hergestellten Substrate haben ein breites Anwendungsfeld. Zum Beispiel können die Substrate zum Verständnis der Struktur-Aktivität-Beziehung zwischen verschiedenen Materialien oder zur Bestimmung der Sequenz unbekannter Materialien verwendet werden. Die Sequenz eines solchen unbekannten Materials kann beispielsweise durch einen Prozess bestimmt werden, der als Sequenzierung durch Hybridisierung bekannt ist. In einem Verfahren zur Sequenzierung durch Hybridisierung werden Sequenzen verschiedener Materialien an bekannten Orten auf der Oberfläche eines Substrats gebildet. Eine Lösung, die ein oder mehrere zu sequenzierende Ziele enthält, wird auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Die Ziele binden oder hybridisieren nur mit komplementären Sequenzen auf dem Substrat.
Die Orte, an denen Hybridisierung auftritt, können mit geeigneten Detektorsystemen durch Markierung der Ziele mit einem Fluoreszenzfarbstoff, radioaktiven Isotop, Enzym, oder mit einer anderer Markierung detektiert werden. Beispielhafte Systeme sind in US-Patent Nr. 5,143,854 (Pirrung et al.) beschrieben. Informationen bezüglich der Zielsequenzen können aus den mittels solcher Detektionssysteme erhaltenen Daten extrahiert werden.
Durch Kombinieren verschiedener verfügbarer Techniken, wie etwa Photolithographie und Fabrikationstechniken, wurde ein erheblicher Fortschritt bei der Herstellung und Plazierung verschiedener Materialien auf einem Substrat erzielt. Beispielsweise können tausende verschiedene Sequenzen auf einem einzelnen Substrat von etwa 1,28 cm² in nur einem kleinen Bruchteil der Zeit, die in herkömmlichen Verfahren notwendig war, hergestellt werden. Solche Verbesserungen machen diese Substrate zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen praktikabel, wie etwa in der biomedizinischen Forschung, bei der klinischen Diagnose und in anderen industriellen Gebieten, wie etwa dem wachsenden Gebiet der Genomuntersuchung, welche sich auf die Bestimmung der Beziehung zwischen genetischen Sequenzen und der menschlichen Physiologie konzentriert.
WO 93/09668 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Arrays von Polymeren auf einem Substrat, die einen Kanal mit Einlässen zum Einleiten von Flüssigkeiten umfaßt. US 5,310,469 offenbart ein Schleifverfahren zur Segmentierung eines Platinen-ähnlichen Materials, auf dem eine Vielzahl von Elementen in rechtwinkliger Anordnung gebildet werden.
Aufgrund der Verbreitung der kommerziellen Anwendung solcher Substrate ist eine ökonomisch durchführbare und mit hohem Durchsatz arbeitende Vorrichtung und ein Verfahren zum Umgeben von Substraten mit Gehäusen wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es werden Verfahren und Vorrichtungen zum Umgeben eines Substrats mit einem Gehäuse offenbart, wobei das Substrat ein darauf gefertigtes Sonden-Array auf seiner Oberfläche umfasst. In einigen Ausführungsformen wird ein Körper mit einem Hohlraum bereit gestellt. Ein Substrat mit einem Sonden-Array wird an dem Hohlraum angebracht, beispielsweise unter Verwendung von Klebstoff. Der Körper umfasst Einlässe, die es Flüssigkeiten ermöglichen, in und durch den Hohlraum zu fließen. An jedem der Einlässe ist eine Dichtung vorgesehen, um die Flüssigkeit innerhalb des Hohlraums zu halten. Unterhalb des Hohlraums ist eine Öffnung vorgesehen, um eine Temperaturregelvorichtung zum Kontrollieren der Temperatur in dem Hohlraum aufzunehmen. Durch Bilden einer abgedichteten, thermostatisch kontrollierten Kammer, in die Flüssigkeiten leicht eingeführt werden können, wird ein brauchbares Mittel zur Sequenzierung durch Hybridisierung bereitgestellt.
In anderen Ausführungsformen wird der Körper gebildet, indem zwei Stücke akustisch zusammengeschweißt werden. Das Konzept, den Körper aus zwei Stücken zusammenzusetzen, ist vorteilhaft. Zum Beispiel können verschiedene Merkmale des Gehäuses (d.h. die Kanäle, Dichtungsmittel und Orientierungsmittel) gebildet werden, ohne komplizierte Bearbeitungsschritte oder Gestaltungsschritte zu benötigen. Daher können die Gehäuse mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Chip-Gehäuses offenbart. Insbesondere umfasst das Verfahren Schritte, bei denen man zunächst eine Mehrzahl von Sonden-Arrays auf einem Substrat bildet und das Substrat in eine Mehrzahl von Chips unterteilt. Üblicherweise umfasst jeder Chip wenigstens ein Sonden-Array. Anschließend wird ein Chip mit einem Gehäuse zusammengefügt, das eine Reaktionskammer mit Flüssigkeitseinlässen aufweist. Nach dem Zusammenfügen ist das Sonden-Array in Flüssigkeitsverbindung mit der Reaktionskammer.
In einer besonderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Sondenchip bereit, der von einem Gehäuse umgeben ist. Der vorliegende Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, umfasst ein Substrat, das eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist. Die erste Oberfläche umfasst ein Sonden-Array und die zweite Oberfläche ist eine äußere Grenze der ersten Oberfläche. Der vorliegende Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, umfasst ferner einen Körper, der eine Anbaufläche, eine obere Fläche und einen Hohlraum aufweist, der von der Anbaufläche und der oberen Fläche begrenzt wird. Die zweite Fläche ist an dem Hohlraum befestigt und die erste Fläche befindet sich innerhalb des Hohlraums. Eine Abdeckung, die an der Aufbaufläche befestigt ist, um eine obere Grenze des Hohlraums zu bilden, ist ebenfalls umfasst. Der Hohlraum enthält einen Diffusor und einen Konzentrator. Der Diffusor und der Konzentrator ermöglichen eine laminare Flüssigkeitsströmung durch den Hohlraum.
Ein weiterführendes Verständnis des Wesens und der Vorteile der vorliegenden Erfindungen wird durch Bezugnahme auf die übrigen Abschnitte der Beschreibung und die anliegenden Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a zeigt einen Wafer, der mit einer Vielzahl von Sonden-Arrays hergestellt ist.
1b zeigt einen Chip.
2a zeigt ein Gerät zum Einritzen und Brechen.
2b zeigt den Wafer, der auf einem Aufnahme- und Platzierrahmen angeordnet ist.
2c–2d zeigen den Wafer, wie er durch das Gerät zum Einritzen und Brechen während der Ausrichtung angezeigt wird.
3 zeigt eine Chip-Gehäusevorrichtung.
4 zeigt die aus zwei Komponenten zusammengesetzte Chip-Gehäusevorrichtung.
5a–5b zeigen eine Ansicht von oben sowie eine Ansicht von unten einer oberen Hülle der Chip-Gehäusevorrichtung.
5c zeigt eine abweichende Orientierung des Hohlraums.
6 zeigt eine Querschnittsansicht der Gehäusevorrichtung.
7 zeigt eine Ansicht von unten einer unteren Hülle der Chip-Gehäusevorrichtung.
8a–8b zeigen ein akustisches Schweißsystem.
9a–9c zeigen den akustischen Schweißprozess, der beim Zusammenbau der Chip-Gehäusevorrichtung angewendet wird.
10 zeigt ein Klebstoffausgabesystem, das bei der Anbringung des Chips in der Chip-Gehäusevorrichtung verwendet wird.
11–13 zeigen das Klebstoffausgabesystem aus 10 detailierter.
14a–14d zeigen den Vorgang der Ausrichtung des Systems aus 10.
15a–15e zeigen Bilder, die während des Ausrichtungsvorgangs der 14a–14d erhalten wurden.
16a–16b zeigen eine alternative Ausführungsform einer Gehäusevorrichtung.
17a–17b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Gehäusevorrichtung.
18 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Anbringung des Chips an der Gehäusevorrichtung.
19 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Anbringung des Chips an der Gehäusevorrichtung.
20a–20b zeigen noch eine weitere Ausführungsform zur Anbringung des Chips an der Gehäusevorrichtung.
21 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Anbringung des Chips an der Gehäusevorrichtung.
22 zeigt eine andere Ausführungsform zur Anbringung des Chips an der Gehäusevorrichtung.
23 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Abdichten des Hohlraums in der Gehäusevorrichtung.
24 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform zum Abdichten des Hohlraums in der Gehäusevorrichtung.
25 zeigt noch eine andere Ausführungsform zum Abdichten des Hohlraums in der Gehäusevorrichtung.
26a–26b zeigen eine alternative Ausführungsform zum Abdichten des Hohlraums in der Gehäusevorrichtung.
27a–27b zeigen eine alternative Ausführungsform zur Anbringung des Chips.
28 zeigt ein Umwälzsystem (agitation system).
29 zeigt eine alternative Ausführungsform des Umwälzsystems.
30 zeigt eine andere Ausführungsform des Umwälzsystems.
31 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Chip-Gehäusevorrichtung.
32 zeigt Seitenansichten der Chip-Gehäusevorrichtung aus 31.
33–35 zeigen die Chip-Gehäusevorrichtung aus 31 detailierter.
36 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Chip-Gehäusevorrichtung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM INHALT

I. Definitionen
II. Allgemeines
III. Details zu einer Ausführungsform der Erfindung a. Chip-Gehäuse b. Zusammenbau des Chip-Gehäuses c. Chip-Anbringung
IV. Details zu alternativen Ausführungsformen a. Chip-Gehäuse b. Chip-Anbringung c. Flüssigkeit-Speicherung d. Chip-Orientierung e. Parallele Diagnose
V. Details eines Umwälzsystems

I. Definitionen
Die folgenden Begriffe sollen bei ihrer vorliegenden Verwendung die folgenden allgemeinen Bedeutungen haben:

1. Sonde: Eine Sonde ist ein Oberflächen-immobilisiertes Molekül, das von einem bestimmten Ziel erkannt wird, und das gelegentlich als Ligand bezeichnet wird. Beispiele für Sonden, die mit dieser Erfindung untersucht werden können, umfassen (sind jedoch nicht beschränkt auf) Agonisten und Antagonisten für Zellmembranrezeptoren, Toxine und Gifte (venoms), virale Epitope, Hormone (z.B. Opioid-Peptide, Steroide, etc.), Hormonrezeptoren, Peptide, Enzyme, Enzymsubstrate, Cofaktoren, Wirkstoffe, Lektine, Zucker, Oligonukleotide oder Nukleinsäuren, Oligosaccharide, Proteine und monoklonale Antikörper.
2. Ziel: Ein Ziel ist ein Molekül, das eine Affinität für eine gegebene Sonde hat, und das gelegentlich als Rezeptor bezeichnet wird. Ziele können natürlich auftretende oder vom Menschen hergestellte Moleküle sein. Sie können ferner in ihrem unveränderten Zustand oder als Aggregate mit anderen Spezies eingesetzt werden. Ziele können kovalent oder nicht-kovalent an ein Bindeglied gebunden werden, entweder direkt oder über eine spezifische Bindesubstanz. Beispiele für Ziele, die von dieser Erfindung verwendet werden können, umfassen (sind aber nicht beschränkt auf) Antikörper, Zellmembranrezeptoren, monoklonale Antikörper und Antiseren, die mit spezifischen antigenen Determinanten (z.B. auf Viren, Zellen oder anderen Materialien) reagieren können, Wirkstoffe, Oligonukleotide oder Nukleinsäuren, Peptide, Cofaktoren, Lektine, Zucker, Polysaccharide, Zellen, Zellmembranen und Organellen. Die Ziele werden auf diesem Gebiet der Technik gelegentlich als anti-Sonden oder anti-Liganden bezeichnet. So wie der Begriff "Ziele" vorliegend verwendet wird, ist keine abweichende Bedeutung beabsichtigt. Ein "Sonden-Ziel-Paar" wird gebildet, wenn zwei Makromoleküle sich durch molekulare Erkennung zusammenschließen, um einen Komplex zu bilden.

II. Allgemeines
Die vorliegende Erfindung stellt ökonomische und effiziente Gehäusevorrichtungen für ein Substrat bereit, welches ein darauf gefertigtes Sonden-Array aufweist. Die Sonden-Arrays können durch die bahnbrechenden Verfahren hergestellt werden, die in US-Patent Nr. 5,143,854 (Pirrung et al.), PCT WO 92/10092 offenbart sind.
Gemäß einem Aspekt der darin beschriebenen Verfahren wird eine Vielzahl von Sonden-Arrays an bekannten Orten auf einem großen Substrat oder Wafer immobilisiert.
1a zeigt einen Wafer 100, auf dem zahlreiche Sonden-Arrays 110 gefertigt wurden. Der Wafer 100 kann aus einer großen Vielzahl von Materialien zusammengesetzt sein, entweder aus biologischen, nicht-biologischen, organischen, anorganischen oder einer Kombination von irgendwelchen dieser Materialien, die als Teilchen, Fäden, Präzipitate, Gele, Platten, Röhren, Kugeln, Behältern, Kapillaren, Pads, Scheiben, Filme, Plättchen, Folien, etc. vorliegen. Der Wafer kann irgendeine zweckmäßige Form haben, wie etwa die einer Scheibe, eines Quadrats, einer Kugel, eines Kreises etc. Der Wafer ist vorzugsweise flach, kann aber auch eine Vielzahl von alternativen Oberflächengestaltungen haben. Beispielsweise kann der Wafer angehobene oder vertiefte Bereiche haben, auf denen eine Probe angeordnet ist. Der Wafer und seine Oberfläche bilden vorzugsweise einen festen Träger, auf dem die Probe gebildet werden kann. Der Wafer und seine Oberfläche werden ferner so gewählt, dass sie geeignete lichtabsorbierende Eigenschaften bereit stellen. Der Wafer kann z.B. ein polymerisierter Langmuir^®-Blodgett-Film, funktionalisiertes Glas, Si, Ge, GaAs, GaP, SiO₂, SiN₄, modifiziertes Silicium oder irgendein Material aus einer großen Vielzahl von Gelen oder Polymeren wie etwa (Poly)tetrafluorethylen, (Poly)vinylidendifluorid, Polystyrol, Polycarbonat oder Kombinationen derselben sein. Andere Materialien, aus denen der Wafer aufgebaut sein kann, werden dem Fachmann bei Durchsicht dieser Offenbarung problemlos ersichtlich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wafer ein flaches Glas oder ein Einzelkristall-Silicium.
Die Oberflächen auf dem festen Wafer werden normalerweise, wenn auch nicht immer, aus demselben Material bestehen wie der Wafer. Daher kann die Oberfläche aus irgendeinem von einer großen Vielzahl von Materialien zusammengesetzt sein, z.B. Polymeren, Kunststoffen, Kunstharzen, Polysacchariden, Siliciumdioxid oder Materialien auf Siliciumdioxid-Basis, Kohlenstoff, Metallen, anorganischen Gläsern, Membranen oder aus irgendeinem der oben aufgezählten Wafer-Materialien.
Der Wafer 100 umfasst eine Vielzahl von Markierungen 145, die in Bahnen 150 (Bereich, der an die Sonden-Arrays grenzt) angeordnet sind. Solche Markierungen werden dazu verwendet, um die Masken während des Sonden-Herstellungsprozesses auszurichten. Im Ergebnis identifizieren die Markierungen den Ort, an dem jedes Array 110 herzustellen ist. Die Sonden-Arrays können in einer beliebigen geometrischen Form gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Form des Arrays quadratisch sein, um die Verschwendung von Wafer-Fläche zu minimieren. Nachdem die Sonden-Arrays hergestellt sind, wird der Wafer in kleinere Einheiten geteilt, die als Chips bekannt sind. Der Wafer kann z.B. 12,7 × 12,7 cm (5 × 5 Inch) groß sein, worauf 16 Sonden-Arrays, von denen jedes eine Fläche von etwa 12,8 cm² einnimmt, hergestellt werden.
1b zeigt einen Chip, der von einem Wafer abgetrennt wurde. Wie dargestellt umfasst der Chip 120 ein Sonden-Array 110 und eine Vielzahl von Ausrichtungsmarkierungen 145. Die Markierungen haben mehrere Funktionen, wie etwa: 1) Ausrichten der Masken für die Herstellung der Sonden-Arrays, 2) Ausrichten des Einritzers zum Aufteilen des Wafers in Chips, und 3) Ausrichten des Chips in Bezug auf das Gehäuse während des Anbringungsvorgangs. In einigen Ausführungsformen können diese Chips von dem Typ sein, der als "Very Large Scale Immobilized Polymer Synthesis" (VLSIPS^TM)-Chip bekannt ist.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform umfasst der Chip ein Array von genetischen Sonden, wie etwa ein Array von verschiedenen RNA- oder DNA-Sonden. In einigen Ausführungsformen ist das Sonden-Array gestaltet, um genetische Tendenzen, Charakteristika oder Erkrankungen nachzuweisen oder zu untersuchen. Das Sonden-Array kann z.B. dazu ausgebildet sein, genetische Erkrankungen nachzuweisen oder zu identifizieren, wie etwa zystische Fibrose oder bestimmte Krebsarten (wie etwa das P53 Gen, das für einige Krebsarten relevant ist), wie in der US Patentanmeldung 08/143,312 offenbart ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Wafer unter Verwendung einer Technik, die als Einritzen und Brechen bekannt ist, in eine Vielzahl von Chips aufgeteilt. 2a zeigt ein vollständig programmierbares computergesteuertes Gerät zum Einritzen und Brechen, das in einigen Ausführungsformen ein DX-III Scriber Breaker^TM ist, der von Dynatex International hergestellt wird. Wie dargestellt hat das Gerät 200 eine Basis 205 mit einem Drehteller 220, auf dem ein Wafer befestigt ist. Der Drehteller umfasst eine Vakuumspannvorrichtung zum Fixieren des Wafers darauf. Ein Schrittmotor, der von dem System gesteuert wird, dreht den Teller 220. Oberhalb des Tellers ist eine Kopfeinheit 230 angeordnet, die eine Kamera 232 und einen Schneider 231 umfasst. Die Kopfeinheit 230 ist an einem zweiachsigen Rahmen montiert. Die Kamera erzeugt ein Bild des Wafers auf der Videoanzeige 210. Die Videoanzeige 210 weist eine Fadenkreuz-Ausrichtungsmarkierung 215 auf. Die Kamera, die ein Zoom-Objektiv und eine faseroptische Beleuchtung aufweist, erlaubt es dem Benutzer, den Wafer auf der Videoanzeige 210 in Augenschein zu nehmen. Ein Steuerungsfeld 240 ist an der Basis zur Steuerung des Geräts 200 vorgesehen.
Im Betriebs platziert ein Benutzer einen Wafer 100 auf einem Rahmen 210, wie es in 2b dargestellt ist. Die Oberfläche des Rahmens 210 setzt sich aus einem flexiblen und klebrigen Material zusammen. Die Klebrigkeit des Rahmens verhindert, dass sich der Chip während des Brechvorgangs verzieht oder beschädigt wird. Der Rahmen 210 kann ein "pick and place" Rahmen oder Ring sein, wie er gewöhnlich bei der Herstellung von Halbleitern verwendet wird. Es wird nun wieder auf 2a Bezug genommen; ein Benutzer platziert den Rahmen mit dem Wafer auf den Drehteller 220. In einigen Ausführungsformen wird der Rahmen durch Unterdruck auf dem Drehteller gehalten. Der Benutzer richtet anschließend den Wafer aus, indem er das auf der Videoanzeige 210 angezeigte Bild untersucht.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Wafer-Ausrichtung in zwei Schritten erreicht. Zunächst dreht der Benutzer unter Betätigung des Steuerfeldes 240 den Drehteller 220. Der Drehteller 220 wird gedreht, bis die Bahnen 150 mit dem Fadenkreuz 215 auf der Anzeige ausgerichtet sind, wie es in 2c dargestellt ist. Als nächstes bewegt der Benutzer den Schneider bis dieser im Zentrum einer der Bahnen ausgerichtet ist. Dieser Schritt wird durchgeführt, indem die horizontale Linie 216 des Fadenkreuzes zwischen den Ausrichtungsmarkierungen 145 ausgerichtet wird, wie es in 2d dargestellt ist.
Sobald der Schneider ausgerichtet ist, weist der Benutzer das Gerät an, den Wafer zu ritzen. In einigen Ausführungsformen stehen dem Benutzer verschiedene Optionen zur Verfügung, wie etwa der Einritzwinkel, der Einritzdruck und die Einritztiefe. Diese Parameter werden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und/oder der Dicke des Wafers variieren. Vorzugsweise sind die Parameter festgelegt, um den Wafer zu ritzen und zu brechen, ohne irgendeinen Schaden daran zu verursachen oder durch den Rahmen zu dringen. Das Gerät ritzt den Wafer wiederholt bis alle Bahnen in einer Achse eingeritzt sind, was in einer Ausführungsform 5 mal wiederholt wird (bei einer 4 × 4 Matrix von Sonden-Arrays). Der Benutzer dreht den Drehteller dann um 90°, um die senkrechten Bahnen einzuritzen.
Sobald der Wafer geritzt ist, weist der Benutzer das Gerät an, den Wafer zu brechen oder den Wafer in Chips aufzuteilen. Es wird wieder auf 2a Bezug genommen; das Gerät 200 bricht den Wafer, indem es auf den Wafer unterhalb der Einritzung mit einem Stoßelement schlägt, das unter dem Drehtisch 220 liegt. Die Erschütterung durch das Stoßelement bricht den Wafer entlang der Einritzung. Da die meisten Kräfte entlang der Einritzung aufgenommen werden, ist das Gerät 200 in der Lage, hohe Brechkräfte aufzubringen, ohne signifikante Kräfte auf den Wafer auszuüben. Daher werden die Chips voneinander getrennt, ohne den Wafer zu beschädigen. Sobald die Chips voneinander getrennt sind werden sie mit einem Gehäuse umgeben. Natürlich können auch andere, herkömmlichere Verfahren verwendet werden, wie etwa das in US-Patent Nr. 4,016,855 beschriebene Sägeverfahren.
IV. Details zu einer Ausführungsform der Erfindung
a. Chip-Gehäuse
3 zeigt eine Vorrichtung, um Chips mit einem Gehäuse zu umgeben. Das Gehäuse 300 enthält einen Hohlraum 310, auf dem ein Chip aufgebracht ist. Das Gehäuse umfasst Einlässe 350 und 360, die mit dem Hohlraum 310 kommunizieren. Durch die Einlässe 350 und 360 werden Flüssigkeiten durch den Hohlraum zirkuliert. Ein Septum, Stopfen oder eine andere Dichtung kann dazu eingesetzt werden, um die Flüssigkeiten in dem Hohlraum einzuschließen. Für Ausrichtungszwecke können Ausrichtungslöcher 330 und 335 vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen kann das Gehäuse eine nicht-bündige Kante 320 aufweisen. In einigen Detektorsystemen können die Gehäuse in einen Halter ähnlich wie eine Audiokassette eingesetzt werden. Die asymmetrische Form des Gehäuses stellt sicher, dass das Gehäuse korrekt ausgerichtet ist, wenn es in den Halter eingesetzt wird.
4 zeigt eine Ausführungsform des Gehäuses. Wie in 4 gezeigt ist, wird das Chip-Gehäuse hergestellt, indem zwei im Wesentlichen komplementäre Hüllen 410 und 420 zusammengesetzt werden, um eine fertiggestellte Anordnung 300 zu bilden. Vorzugsweise werden die Hüllen 410 und 420 durch Spritzguss-Kunststoff hergestellt. Der Spritzguss ermöglicht es, die Hüllen kostengünstig herzustellen. Der Zusammenbau des Gehäuses aus zwei Teilen vereinfacht auch die Erstellung von verschiedenen Merkmalen, wie etwa internen Kanälen zum Einführen von Flüssigkeiten in den Hohlraum. Infolgedessen können die Gehäuse zu relativ niedrigen Kosten hergestellt werden.
5a–5b zeigen die obere Hülle 410 detaillierter. 5a zeigt eine Ansicht von oben und 5b eine Ansicht von unten. Unter Bezugnahme auf 5a enthält die obere Hülle 410 eine äußere ebene Oberfläche 501 mit einem Hohlraum 310 darin. In einigen Ausführungsformen nimmt die Fläche der Oberfläche der Hülle 410 den Hohlraum genügend auf. Vorzugsweise hat die obere Hülle eine ausreichende Größe, um Identifizierungskennungen oder Strichcodierungen zusätzlich zu dem Hohlraum aufzunehmen. In einer speziellen Ausführungsform ist die obere Hülle etwa 3,81 cm (1,5'') breit, 5,08 cm (2'') lang und 0,508 cm (0,2'') hoch.
Der Hohlraum 310 ist gewöhnlich, wenn auch nicht immer, im Wesentlichen mittig auf der Oberfläche 501 angeordnet. Der Hohlraum kann jede denkbare Größe, Form oder Orientierung haben. Vorzugsweise ist der Hohlraum etwas kleiner als die die Fläche der Oberfläche des darauf zu platzierenden Chips und hat ein Volumen, das zur Durchführung der Hybridisierung ausreichend ist. In einer Ausführungsform ist der Hohlraum etwa 1,4732 cm (0,58'') breit, 1,4732 cm (0,58'') lang und 0,508 cm (0,2'') tief.
Der Hohlraum 310 kann Einlässe 350 und 360 umfassen. Ausgewählte Flüssigkeiten werden in und aus dem Hohlraum über die Einlässe eingebracht. In einigen Ausführungsformen befinden sich die Einlässe an gegenüberliegenden Enden des Hohlraums. Diese Gestaltung verbessert die Flüssigkeitszirkulation und die Kontrolle über Blasenbildung in dem Hohlraum. Die Blasen quirlen die Flüssigkeit, was die Hybridisierungsrate zwischen den Zielen und den komplementären Sonden-Sequenzen erhöht. In einer Ausführungsform sind die Einlässe an dem oberen und unteren Ende des Hohlraums angeordnet, wenn das Gehäuse vertikal orientiert ist, wie etwa an gegenüberliegenden Ecken des Hohlraums. Die Anordnung der Einlässe an der höchsten und niedrigsten Position in dem Hohlraum erleichtert die Entfernung von Blasen aus dem Hohlraum. 5c zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Hohlraum 310 so orientiert ist, dass die Kanten des Hohlraums 310 und der Hülle 410 nicht parallel sind. Diese Gestaltung ermöglicht es, die Einlässe 350 und 360 an dem absolut höchsten und niedrigsten Ort in dem Hohlraum anzuordnen, wenn das Gehäuse vertikal orientiert ist. Infolgedessen wird verhindert, dass Blasen oder Flüssigkeitströpfchen möglicherweise in dem Hohlraum eingefangen werden.
Es wird wieder auf 5a Bezug genommen; eine Vertiefung 550 umgibt den Hohlraum. In einigen Ausführungsformen kann eine Rippe 560 am Rand der Vertiefung vorgesehen werden, um auf diese Weise eine Wanne zu bilden. Die Rippe dient dazu, den Chip oberhalb des Hohlraums zu stützen. Zur Anbringung des Chips an dem Gehäuse kann Klebstoff in der Wanne aufgebracht werden. Diese Gestaltung verbessert die effiziente Ausnutzung der Chip-Oberfläche, was die Anzahl der von einem Wafer erhältlichen Chips erhöht.
Die obere Hülle 410 enthält Ausrichtungslöcher 330 und 335. In einigen Ausführungsformen haben die Löcher 330 und 335 eine unterschiedliche Größe, um eine korrekte Orientierung des Gehäuses zu gewährleisten, wenn dieses auf einem Ausrichtungstisch aufgebracht ist. Alternativ können die Löcher unterschiedliche Formen haben, um dieses Ziel zu erreichen. Die Löcher können sich wahlweise von der Oberfläche 501 zu der Oberfläche 502 radial nach innen verjüngen, um die Reibung an Ausrichtungsstiften zu reduzieren, während ein adäquater Kontakt zur Verhinderung von Verschiebungen beibehalten bleibt.
Es wird auf 5b Bezug genommen; auf der inneren Oberfläche 502 sind wahlweise Kanäle 551 und 561 ausgebildet. Die Kanäle 551 und 561 kommunizieren mit den Einlässen 350 bzw. 360. Unter dem Hohlraum ist eine Vertiefung 590 gebildet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Form der Vertiefung 590 symmetrisch zu dem Hohlraum mit Ausnahme der Ecken 595 und 596, die die Einlässe aufnehmen. Die Tiefe der Vertiefung kann beispielsweise etwa 1,778 cm (0,7'') betragen. Infolgedessen ist die Bodenwand des Hohlraums etwa 0,127 cm (0,05'') dick. Die Vertiefung 590 kann eine Temperaturregeleinheit aufnehmen, um die Temperatur zu überwachen und den Hohlraum auf der gewünschten Temperatur zu halten. Indem die Temperaturregeleinheit und der Hohlraum nur durch eine minimale Materialstärke getrennt sind, kann die Temperatur innerhalb des Hohlraums effizienter und genauer geregelt werden. Alternativ dazu können auf der Oberfläche 502 Kanäle gebildet werden, um Luft oder Wasser zur Regelung der Temperatur innerhalb des Hohlraums zu zirkulieren.
In einigen Ausführungsformen können bestimmte Bereiche 595 der inneren Oberfläche 502 eliminiert oder ausgehöhlt werden, ohne die strukturelle Festigkeit des Gehäuses im zusammengebauten Zustand zu beeinträchtigen. Das Aushöhlen der Hülle reduziert die Wanddicke, was bewirkt, dass während des Spritzgussvorgangs weniger Wärme zurückgehalten wird; ein mögliches Schrumpfen oder Verziehen der Hülle wird signifikant reduziert. Auch vermindert das Aushöhlen die Zeit, die zum Kühlen der Hülle während des Herstellungsprozesses erforderlich ist. Daher wir die Herstellungseffizienz verbessert.
In einer Ausführungsform werden die obere Hülle und die untere Hülle zusammengefügt, indem eine Technik angewendet wird, die als akustisches Schweißen oder Ultraschall-Schweißen bekannt ist. Demgemäß werden "Energierichter" 510 bereit gestellt. Energierichter sind erhöhte Rippen oder Punkte, vorzugsweise V-förmig, die bei einem akustischen Schweißvorgang verwendet werden. Die Energierichter sind strategisch angeordnet, z.B. um die Kanäle abzudichten, ohne mit anderen Merkmalen des Gehäuses zu interferrieren, und um eine ausreichende Verbindung zwischen den zwei Hüllen zu liefern. Alternativ dazu können die Hüllen durch Schrauben, Klebstoff, Klammern oder andere Verbindungstechniken zusammengefügt werden.
6 zeigt eine Querschnittsansicht des Hohlraums 310 mit einem darauf aufgebrachten Chip 120 im Detail. Wie gezeigt ist um den Hohlraum 310 eine Vertiefung 550 gebildet. Die Vertiefung umfasst eine Rippe 560, die den Chip 120 trägt. Die Rippe und die Vertiefung erzeugen eine Wanne um den Hohlraum 310. In einigen Ausführungsformen ist diese Wanne groß genug, um einen Klebstoff 630 zur Anbringung des Chips an dem Gehäuse aufzunehmen. In einer Ausführungsform ist die Wanne etwa 0, 2032 cm (0,08'') breit und 0,1524 cm (0,06'') tief. Nach dem Aufbringen ragt der Rand des Chips leicht über die Rippe 550 hinaus, berührt aber die Seite 625 der Vertiefung nicht. Diese Gestaltung ermöglicht es, dass Klebstoff in der Wanne verteilt werden kann und schafft genügend Oberflächenfläche für den Klebstoff, um den Chip 120 an dem Gehäuse zu befestigen.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Rückseite 130 des Chips 120 wenigstens bündig oder unterhalb der durch die Oberfläche 501 der Hülle 410 gebildeten Ebene. Infolgedessen wird der Chip 120 durch die Oberfläche 501 gegen mögliche Beschädigungen abgeschirmt. Diese Gestaltung ermöglicht es auch, dass die Gehäuse mit minimalem Lagerraumbedarf leicht gelagert werden können, da die Oberflächen im Wesentlichen flach sind.
Wahlweise umfasst der Boden des Hohlraums ein lichtabsorbierendes Material, wie etwa einen Glasfilter oder Kohlenstofffarbstoff, um zu verhindern, dass bei der Bildgebung mittels Detektorsysteme das einfallende Licht gestreut oder reflektiert wird. Dieses Merkmal verbessert das Signal/Hintergrund-Verhältnis solcher Systeme, indem die potentielle Bildgebung von unerwünscht reflektiertem Licht signifikant verringert wird.
7 zeigt die innere Oberfläche der unteren Hülle 420 detaillierter. Wie dargestellt ist die untere Hülle 420 im Wesentlichen eben und enthält eine Öffnung 760 darin. Vorzugsweise ist die Hülle 420 ein wenig breiter oder ein wenig länger als die obere Hülle. In einer Ausführungsform ist die Hülle 420 etwa 4,064 cm (1,6'') breit, 5,08 cm (2,0'') lang und 0,254 cm (0,1'') tief, was eine nicht-bündige Kante an der fertiggestellten Anordnung erzeugt. Wie zuvor erwähnt stellt diese Gestaltung sicher, dass das Gehäuse korrekt orientiert ist, wenn es auf ein Detektorsystem aufgebracht wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Öffnung 760 räumlich etwa bei der Vertiefung unterhalb des Hohlraums angeordnet. Die Öffnung hat auch im Wesentlichen die gleiche geometrische Gestalt wie die Vertiefung, um zu ermöglichen, dass die Temperaturregeleinheit mit möglichst viel Boden des Hohlraums in Kontakt ist.
Die innere Oberfläche 701 der Hülle 420 umfasst die Vertiefungen 730 und 740. Ein Anschluss 731 ist in der Vertiefung 730 angeordnet, und ein Anschluss 741 in der Vertiefung 740 angeordnet. Die Anschlüsse 731 und 741 kommunizieren mit Kanälen auf der oberen Hülle (350 und 360 in 5b), wenn das Gehäuse zusammengesetzt ist. Eine Dichtung 790, die ein aus Gummi, Teflon/Gummi-Laminat oder einem anderen Dichtungsmaterial bestehendes Septum sein kann, ist in jeder Vertiefung vorgesehen. Das Septum kann von dem Typ sein, der üblicherweise zum Abdichten und Wiederabdichten von Gefäßen verwendet wird, wenn eine Nadel in das Septum eingeführt wird, um Flüssigkeiten zuzugeben oder zu entfernen. Wenn die Septen in den Vertiefungen sitzen, reichen sie ein wenig über die Oberfläche hinaus, in einigen Ausführungsformen etwa 0,0254 cm (0,01'').
Diese Gestaltung bewirkt, dass die Hüllen 410 und 420 Druck auf das Septum ausüben, was eine Abdichtung zwischen den Anschlüssen und den Kanälen bewirkt. Die Abdichtung bleibt erhalten, auch nachdem Flüssigkeit in dem Hohlraum injiziert wurde, da der Druck das Septum ummittelbar dazu zwingt, sich selbst wieder zu verschließen, nachdem die Nadel oder ein anderes Flüssigkeitinjektionsmittel aus dem Anschluss entfernt ist. Daher wird eine effiziente und ökonomische Dichtung zum Zurückhalten der Flüssigkeit in dem Hohlraum bereitgestellt.
Die Hülle 420 umfasst die komplementären halben Ausrichtungslöcher 330 und 335, die sich von der äußeren Oberfläche aus radial nach Innen verjüngen. Ferner können bestimmte Gebiete 765 auf der inneren Oberfläche 701 ausgehöhlt sein, ähnlich wie die innere Oberfläche der oberen Hülle.
31 ist eine vereinfachte Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Chip-Gehäusevorrichtung 3100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Chip-Gehäusevorrichtung umfasst eine Vielzahl von Hüllen 3200, 3300 und 3400. Die Hüllen können als eine obere Hülle 3200, eine mittlere Hülle 3300, und eine unter Hülle 3400 definiert werden. Die Hüllen werden aus bekannten Kunststoffmaterialien wie z.B. ABS-Plastik, Polyvinylchlorid, Polyethylen, Produkten die unter den Markennamen Teflon^TM und KALREZ^TM und Ähnlichem vertrieben werden, u.ä. hergestellt. Vorzugsweise werden die Hüllen durch einen Spritzguss o.ä. hergestellt. Das Zusammensetzen der Chip-Gehäusevorrichtung aus drei Hüllen erleichtert die Konstruktion für die Herstellung der internen Kanäle und Ähnlichem und kann ebenfalls mit relativ geringen Kosten erfolgen.
Unterstützungsstrukturen (oder Ausrichtungslöcher) kommen an ausgewählten Orten der Chip-Gehäusevorrichtung vor. Die Unterstützungsstrukturen können verwendet werden, um die Chip-Gehäusevorrichtung auf einem Gerät, z.B. einem Scanner oder Ähnlichem, anzubringen oder zu positionieren. In einer Ausführungsform umfasst die obere Hülle 3200 Unterstützungsstrukturen 3201 und 3203 auf jeder Seite einer mittigen Öffnung 3209. Die mittlere Hülle 3300 umfasst ähnliche Unterstützungsstrukturen 3313 und 3315, die jeweils komplementär zu den Unterstützungsstrukturen 3201 und 3203 der oberen Hülle sind. Die untere Hülle umfasst ebenfalls jeweils ähnliche Unterstützungsstrukturen 3403 und 3401, die komplementär zu den Unterstützungsstrukturen in der oberen Hülle und der mittleren Hülle sind. Die Unterstützungsstrukturen sind wie dargestellt auf jeder Seite der mittigen Öffnung zueinander ausgerichtet. Jede Unterstützungsstruktur ist z.B. ein Durchlass durch die Hülle. Der Durchlass umfasst eine äußere Grenze, die durch eine geometrische Form definiert ist, welche rund, rechtwinklig, trapezförmig, hexagonal, o.ä. sein kann.
Die vorliegende Chip-Gehäusevorrichtung lässt sich durch Verwendung der komplementären Ausrichtungsstifte und -bohrungen auf den Hüllen zusammensetzen. Durch die Ausrichtungsstifte (nicht gezeigt) wird die obere Hülle mit der mittleren Hülle 3300 ausgerichtet und in die Ausrichtungsbohrungen 3301, 3303 eingefügt. Alternativ dazu kann die mittlere Hülle Ausrichtungsstifte und Ähnliches umfassen, und die obere Hülle hat die Ausrichtungsbohrungen oder Ähnliches. Die untere Hülle umfasst Ausrichtungsstifte 3407 und 3409, die mit Ausrichtungsbohrungen (nicht gezeigt) in unteren Bereichen der mittleren Hülle ausgerichtet und in diese eingefügt werden. Die Verwendung von Ausrichtungsbohrungen und Stiften führt zu einem vereinfachten Zusammensetzen des Chipträgers. Beim Zusammensetzen verhindern die Ausrichtungsbohrungen und -stifte auf den Hüllen, dass die Hüllen sich lateral zueinander bewegen.
Eine mittige Öffnung 3209 in der oberen Hülle liegt auf einem mittigen Bereich 3317 der mittleren Hülle 3300 auf. Der mittige Bereich 3317 der mittleren Hülle umfasst eine innere kranzförmigen Region (oder Hohlraumkanten) mit einem unteren Bereich, der vorzugsweise ein flacher unterer Bereich ist. Der flache untere Bereich der mittleren Hülle und Bereiche der unteren Hülle umfassen Kanten, die einen Hohlraum 3405 festlegen. Ein Chip wird auf einem darunter liegenden Bereich des Hohlraums 3405 aufgelegt.
Wahlweise ist ein Temperaturregelmechanismus, wie z.B. ein Heizgerät, Kühlgerät oder eine Kombination davon in der mittigen Öffnung gegen den unteren Bereich der mittleren Hülle angeordnet. Der Temperaturregelmechanismus kann jedes geeignete thermisch geregelte Element sein, wie z.B. ein Widerstandselement, ein temperaturgeregelter Block oder eine temperaturgeregelte Masse, thermoelektrische Module oder Ähnliches. Der Temperaturregelmechanismus überträgt Wärme mittels Leitung an den unteren mittigen Bereich, der die Wärme z.B. an die Flüssigkeit in dem Hohlraum oder dem Chip überträgt. Alternativ dazu entnimmt der Temperaturregelmechanismus Wärme z.B. aus der Flüssigkeit in dem Hohlraum oder dem Chip durch den unteren mittigen Bereich. Der Temperaturregelmechanismus hält eine gewählte Temperatur in dem Hohlraum aufrecht. Der Temperaturregelmechanismus umfasst ebenfalls eine Temperaturdetektionsvorrichtung wie z.B. ein Thermokoppel, welches Signale, die Temperaturablesungen entsprechen, bereitstellt. Eine Steuereinheit erhält die Signale, die den Temperaturablesungen entsprechen, und justiert die Stromabgabe für den Temperaturregelmechanismus, um die ausgewählte Temperatur zu erhalten.
Die obere Hülle 3200 umfasst ebenfalls Kanäle 3205 und 3207 für die Übertragung von Flüssigkeit. Kanäle 3205 und 3207 kommunizieren mit den kranzförmigen Regionen 3309 und 3311 auf der mittleren Hülle 3300 für die Übertragung von Flüssigkeit. Ein Septum, ein Stopfen, ein O-Ring, ein Dichtungsring oder Ähnliches dichten die Flüssigkeiten durch die kranzförmigen Regionen 3309 und 3311 innerhalb der Kanäle 3205 und 3207 der oberen Hülle und der mittleren Hülle ab. Die untere Hülle umfasst Kanäle 3411 und 3413, die in Verbindung mit den Kanälen 3307 und 3305 stehen. Ein Septum, ein Stopfen, ein O-Ring, ein Dichtungsring, oder Ähnliches dichten die Flüssigkeit innerhalb der Kanäle 3411 und 3413 der unteren Hülle und den Kanälen 3305 und 3307 der mittleren Hülle ab.
Die Chip-Gehäusevorrichtung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit (oder des Flüssigkeitsflusses) durch den Hohlraum über eine obere Oberfläche (oder innere oder aktive Oberfläche) des Chips. Eine ausgewählte Flüssigkeit tritt z.B. durch Kanal 3207 ein, fließt durch Kanal 3307, ändert die Richtung und fließt durch Kanal 3411 und verteilt sich gleichmäßig im Hohlraum 3405 über die obere Oberfläche des Chips. Wie zuvor festgestellt wird der Hohlraum durch den flachen unteren Bereich und die Hohlraumkanten festgelegt. Eine ausgewählte Flüssigkeit tritt aus dem Hohlraum durch den Kanal 3413, den Kanal 3305 und den Kanal 3205 aus. Der Flüssigkeitsfluss über die obere Oberfläche des Chips ist vorzugsweise laminar, kann aber auch turbulent, eine Kombination davon oder Ähnliches sein. Durch die vorliegende Chip-Gehäusevorrichtung verbleibt ein beträchtlicher Anteil an turbulentem Fluss in einem oberen Bereich des Kanals 3411, und tritt nicht in den Hohlraum ein.
Vorzugsweise tritt eine ausgewählte Flüssigkeit durch den Kanal 3205, den Kanal 3305 und den Kanal 3413 in den Hohlraum ein. Die ausgewählte Flüssigkeit tritt durch den Kanal 3411, den Kanal 3307 und den Kanal 3207 aus dem Hohlraum aus. In einer bevorzugten Ausführungsform fließt die Flüssigkeit gegen die Gravitationsrichtung durch den Hohlraum. Selbstverständlich können auch andere Wege des Flüssigkeitsflusses abhängig von der jeweiligen Anwendung ausgeführt werden.
32 zeigt eine zusammengesetzte Chip-Gehäusevorrichtung 3100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind eine Ansicht von oben 3200, eine Seitenansicht 3500, eine Ansicht von unten 3400 und eine Ansicht von vorne 3600 der zusammengesetzten Chip-Gehäusevorrichtung 3100. Die zusammengesetzte Chip-Gehäusevorrichtung 3100 umfasst die untere Hülle 3400, die mittlere Hülle 3300 und die obere Hülle 3200.
Die Ansicht von oben 3200 der oberen Hülle umfasst die Ausrichtungsstrukturen 3205, 3215, die die Öffnung 3209 umschließen. Die Öffnung 3209 umfasst eine abgeschrägte kranzförmige Region 3211, die die Peripherie des Kanals 3209 umschließt. Die Ausrichtungsbohrungen 3203 und 3201 umfassen ebenfalls abgeschrägte kranzförmigen Regionen 3213 und 3215. Eine abgeschrägte kranzförmige Region 3217, 3221 umfasst ebenfalls jeden Flüssigkeitskanal 3205, 3207 um den Flüssigkeitsfluss dadurch zu unterstützen.
Die Ansicht von unten 3400 der unteren Hülle umfasst Ausrichtungsstrukturen 3401, 3403, die den Hohlraum 3405 umschließen. Der Hohlraum umfasst einen flachen peripheren Bereich 3415, einen abgeschrägten Bereich 3417, der sich von dem flachen unteren peripheren Bereich erstreckt, und einen flachen oberen Bereich 3419, der den abgeschrägten Bereich umschließt. Der Chip umfasst eine äußere Peripherie, die an dem flachen unteren peripheren Bereich 3415 anliegt. Der abgeschrägte Bereich richtet den Chip an dem flachen unteren peripheren Bereich 3415 aus. Ähnlich zu den vorhergehenden Ausführungsformen erstreckt sich die obere Hülle auf die Außenseite 3421 der mittleren und unteren Hüllen.
Der Hohlraum 3405 ist vorzugsweise in der Mitte der unteren Hülle lokalisiert, kann aber auch an anderen Orten lokalisiert sein. Der Hohlraum kann rund, quadratförmig, rechtwinklig sein oder jede andere Form oder Orientierung haben. Der Hohlraum ist vorzugsweise kleiner als die Oberfläche des Chips, der darauf platziert wird und hat ein Volumen, das ausreicht, um die Hybridisierung oder Ähnliches durchführen zu können. In einer Ausführungsform umfasst der Hohlraum Abmessungen, die beispielsweise eine Länge von ungefähr 1,524 cm (0,6 Inch), eine Breite von ungefähr 1,524 cm (0,6 Inch) und eine Tiefe von ungefähr 0,1778 cm (0,07 Inch) haben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die untere Hülle mit den ausgewählten Hohlraumabmessungen von der mittleren und oberen Hülle entfernt und durch eine andere untere Hülle mit anderen Hohlraumabmessungen ersetzt. Dies erlaubt es einem Benutzer durch Wechsel der unteren Hülle einen Chip, der eine andere Größe oder Form hat, anzubringen und dabei die Verwendung von verschiedenen Chipgrößen, Formen oder Ähnlichem zu erleichtern. Selbstverständlich hängen die Größe, Form und Orientierung des Hohlraums von der jeweiligen Anwendung ab.
33–35 zeigen detaillierter die Chip-Gehäusevorrichtung der 31. 33 zeigt vereinfacht die Ansicht von oben 3260 und die Ansicht von unten 3250 der oberen Hülle 3200. Wie gezeigt beziehen sich die Referenznummern auf die gleichen Elemente wie bei der oberen Hülle der 31. 34 zeigt eine vereinfachte Ansicht von oben 3350 und die Ansicht von unten 3360 der mittleren Hülle 3300. Wie gezeigt beziehen sich die Referenznummern auf die gleichen Elemente wie bei der mittleren Hülle der 31. Zusätzlich enthält die Ansicht von unten der Hülle eine im Wesentlichen glatte und planare untere Oberfläche 3361. Ein Bereich der unteren Oberfläche definiert einen oberen Bereich des Hohlraums. Aber die untere Oberfläche kann ebenfalls textuiert, gezahnt, oder Ähnliches sein, um Turbulenzen oder einen ausgewählten Flüssigkeitsfluss durch den Hohlraum herzustellen. Die untere Oberfläche ist vorzugsweise eine hydrophobe Oberfläche, die den laminaren Fluss durch den Hohlraum erleichtert. Selbstverständlich hängt die Art der unteren Oberfläche von der jeweiligen Anwendung ab.
35 zeigt vereinfacht die Ansicht von oben 3460 und die Ansicht von unten 3450 der unteren Hülle 3400. Wie gezeigt beziehen sich die Referenznummern auf die gleichen Elemente wie bei der unteren Hülle der 31. In einer Ausführungsform ändert die Flüssigkeit aus Kanal 3305 die Richtung an einem oberen Bereich 3431 des Kanals und fließt zu einem unteren Bereich 3433 des Kanals. Die Flüssigkeit verteilt sich gleichmäßig von dem unteren Bereich 3433 durch einen Flüssigkeitsverteilungspunkt 3435. Die verteilte Flüssigkeit läuft über eine abgeschrägte Kante (oder konische Kante) 3437, die Flüssigkeit gleichmäßig auf eine obere Oberfläche des Chips in dem Hohlraum tropft. Durch die abgeschrägte Kante 3427, die zu einem Flüssigkeitskonzentrierungspunkt 3425 ansteigt, verlässt die Flüssigkeit den Hohlraum und tritt in den Kanal 3411 ein. Insbesondere verlässt die Flüssigkeit den Hohlraum und tritt an einen unteren Bereich 3423 des Kanals ein, fließt durch den Kanal und ändert die Richtung an einem oberen Bereich 3421 des Kanals. Jeder Kanal umfasst eine Länge L und eine Breite W. Der Verteilungspunkt und der Konzentrationspunkt sind in einem Abstand von dem Hohlraum positioniert, um im Wesentlichen die Bildung von Turbulenzen in dem Hohlraum zu verhindern und insbesondere über der oberen Oberfläche des Chips. Die Kanäle sind in einem Winkel θ angeordnet, der von 2° bis ungefähr 90° reicht, aber vorzugsweise 5° bis 45° ist. Der Winkel verbessert eine gleichmäßige Verteilung des laminaren Flusses in dem Hohlraum. Selbstverständlich hängen der exakte Winkel, die Kanalform und Abmessungen von der jeweiligen Anwendung ab.
36 zeigt eine vereinfachte Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform 3600 der Chip-Gehäusevorrichtung. Die Chip-Gehäusevorrichtung umfasst drei Hüllen 3200, 3300 und 3400 der vorherigen Ausführungsform und umfasst ebenfalls hohle Stifte, Nadeln, oder Ähnliches 3601 und 3603. Jeder der Stifte überführt eine ausgewählte Flüssigkeit zu und von dem Hohlraum 3405. Vorzugsweise umfasst jeder Stift 3601 eine externe Öffnung 3609, eine röhrenförmige Region 3611, eine innere Öffnung 3607, eine Spitze 3605 und andere Elemente. Der Stift wird aus einem geeigneten Material wie z.B. Glas, rostfreiem Stahl oder jedem anderen qualitativ hochwertigen Material zur Überführung von Flüssigkeiten zu und von dem Hohlraum 3405 hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder Stift in seiner Kanalregion 3205 oder 3207 eingesetzt. Ein Punkt auf der Stiftspitze sticht durch z.B. ein Septum an eine kranzförmige Region 3309 oder 3311. Eine ausgewählte Flüssigkeit gelangt durch den Stift 3603 (durch den Kanal 3205 und mindestens ein Bereich von 3305) und tritt in die obere Region des Kanals 3413 und den Hohlraum 3405 ein. Die ausgewählte Flüssigkeit gelangt von dem Hohlraum durch den Stift 3601 zu dem externen Apparat. Alternativ dazu tritt die ausgewählte Flüssigkeit über den Stift 3601 in den Hohlraum ein und tritt über den Stift 3603 aus dem Hohlraum aus. Die ausgewählte Flüssigkeit kann ebenfalls über einen Stift in den Hohlraum eintreten und den Hohlraum durch die Kanäle ohne Verwendung eines Stiftes verlassen. Die ausgewählte Flüssigkeit kann des Weiteren in den Hohlraum durch die Kanäle ohne die Verwendung eines Stiftes eintreten und durch einen Stift austreten. Selbstverständlich hängt der verwendete Stift und Flüssigkeitsfluss von der Anwendung ab.
Es ist zu bemerken, dass eine gleichmäßige Verteilung des Flüssigkeitsflusses durch den Hohlraum das Auftreten von "Hot Spots" in dem Hohlraum verhindert. Zum Beispiel verhindert die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit durch den Hohlraum durch Verwendung der vorigen Ausführungsform wesentlich, dass die Flüssigkeit an bestimmten Orten turbulent wird. Dies verhindert "Hot Spots", die durch solch eine turbulente Flüssigkeit verursacht werden. Die "Hot Spots" werden häufig durch höhere chemische Aktivität oder exotherme Reaktionen und Ähnlichem durch Turbulenz an solchen bestimmten Orten verursacht.
b. Zusammensetzen des Chip-Gehäuses
Gemäß einer Ausführungsform werden die obere und die untere Hülle durch eine als Ultraschall- oder akustisches Schweißen bekannte Technik miteinander verbunden. 8a ist eine schematische Darstellung eines akustischen Schweißsystems, das zum Zusammensetzen des Gehäuses verwendet wird. In einigen Ausführungsformen ist das Schweißsystem 800 ein HS Dialog Ultraschallschweißer, der von Herrmann Ultrasonics Inc. hergestellt wird. Das System 800 umfasst eine Plattform 850, die auf einer Basis 810 montiert ist. Die Plattform 850 nimmt die oberen und unteren Hüllen während des Zusammenbauvorgangs auf.
Ein Schalltrichter 860 ist an einem Rahmen oberhalb der Plattform 850 angebracht. Der Trichter verschiebt sich vertikal (von der Plattform 850 weg und auf sie zu) an dem Rahmen durch Luftdruck. Der Trichter ist mit einem Frequenzgenerator 870 verbunden, der in einigen Ausführungsformen ein 20 KHz Generator, hergestellt von Herrmann Ultrasonics Inc. ist. Das System 800 wird durch eine Steuereinheit 880 gesteuert, die beispielsweise eine Dialog 2012 ist, welche von Herrmann Ultrasonics Inc. hergestellt wird. Die Steuereinheit 880 kann so ausgelegt sein, um Befehle von einem digitalen Computersystem 890 aufzunehmen. Der Computer 890 kann jeder geeignet programmierte digitale Computer von der Art sein, die Fachleuten wohl bekannt ist, z.B. eine Gateway 486DX, die bei 33 MHz arbeitet.
8b zeigt die Plattform 850 detaillierter. Die Plattform 850 ist im Wesentlichen eben und weist Ausrichtungsstifte 851 und 852 auf. Die Ausrichtungsstifte 851 und 852 werden dazu verwendet, um sowohl die obere als auch die untere Hülle während des Schweißvorgangs auszurichten. In einigen Ausführungsformen ist ein Kissen 890, das aus Silikonkautschuk oder anderem energieabsorbierendem Material zusammengesetzt sein kann, auf der Plattform 850 angeordnet, um Beschädigungen des Gehäuses während des Zusammensetzens zu vermeiden.
9a zeigt das akustische Schweißsystem im Betrieb. Wie dargestellt ist die untere Hülle 420 mit einem Septum 790 in jeder Vertiefung sitzend auf den Plattformtisch 850 gelegt und durch die Ausrichtungsstifte an Ort und Stelle gehalten. Die obere Hülle 410 wird dann oberhalb der unteren Hülle mit den Ausrichtungsstiften ausgerichtet. Das System beginnt dann den Schweißvorgang durch Absenken des Trichters 860, bis er die obere Oberfläche der Hülle 410 berührt.
9b zeigt die Hülle und den Trichter im Detail. Wie dargestellt drückt der Trichter 860 gegen die obere Hülle 410, und drückt dadurch die Energierichter 510 in Anlage an die untere Hülle 420. Das System aktiviert dann den Frequenzgenerator, was die Vibration des Schweißtrichters bewirkt.
9c zeigt im Detail die Energierichter während des Schweißvorgangs. Wie dargestellt drückt der Schweißtrichter 860 in Schritt 9001 die Energierichter 510 gegen die untere Hülle 420. Bei Schritt 9002 versetzt das System den Schweißtrichter in Vibration, was in einigen Ausführungsformen bei 20 KHz sein kann. Die von dem Trichter erzeugte Energie schmilzt die Energierichter. Gleichzeitig verschiebt sich der Trichter nach unten gegen das Gehäuse. Bei Schritt 9003 bewirkt der von dem Trichter ausgeübte Druck, dass die Energierichter mit der unteren Hülle verschmelzen. Bei Schritt 9004 ist der Schweißvorgang abgeschlossen, wenn der Trichter seine Schweißtiefe erreicht, z.B. von etwa 0,0254 cm (0,01''). Natürlich können verschiedene Schweißparameter gemäß der Zusammensetzung der verwendeten Materialien variiert werden, um optimale Resultate zu erreichen.
c. Chip-Anbringung
Gemäß einigen Ausführungsformen wird der Chip durch einen ultraviolett aushärtenden Klebstoff an dem Gehäuse angebracht. 10 zeigt schematisch ein Klebstoffausgabesystem, das bei der Anbringung des Chips verwendet wird. Das Ausgabesystem 1000 umfasst einen Befestigungstisch 1040, um das Gehäuse während des Anbringungsvorgangs aufzunehmen. Ein Chip-Ausrichtungstisch 1050 zum Ausrichten des Chips ist benachbart dem Befestigungstisch 1040 angeordnet. Eine Kopfeinheit 1030 zum Ausgeben von Klebstoff ist über den Tischen 1040 und 1050 angeordnet. Die Kopfeinheit 1030 umfasst auch eine Kamera, die eine Ausgabe für eine Videoanzeige 1070 erzeugt. Die Videoanzeige 1070 umfasst in einigen Ausführungsformen eine Fadenkreuz-Ausrichtungsmarkierung 1071. Die Kopfeinheit ist an einem zweiachsigen (x-y) Rahmen zur Positionierung während der Ausrichtung und der Anbringung des Chips montiert. Der Betrieb des Ausgabesystems wird von einem Computer 1060 gesteuert, der in einigen Ausführungsformen eine bei 33 MHz arbeitende Gateway 486DX sein kann.
11 zeigt den Befestigungstisch detaillierter. Der Befestigungstisch 1040 hat eine im Wesentlichen flache Plattform 1110, die von einer Mehrzahl von Beinen 1105 getragen wird. Ausrichtungsstifte 1115 und 1116, die das Gehäuse während des Anbringungsvorgangs sichern, sind an der Oberfläche der Plattform 1110 angeordnet.
Wahlweise ist eine Nadel 1120 vorgesehen. Die Nadel 1120 hat einen Kanal 1121 und ist mit einer Vakuumpumpe verbunden. Im Betrieb wird die Nadel in einem der Anschlüsse des Gehäuses eingeführt, um einen Unterdruck in dem Hohlraum zu erzeugen. Der Unterdruck hält den Chip an dem Gehäuse während des Anbringungsvorgangs fest.
12a zeigt den Tisch 1050 detaillierter. Der Tisch 1050 weist eine im Wesentlichen flache Plattform 1210 mit einer Vertiefung 1240 zum Bereithalten eines Chips auf. In einigen Ausführungsformen ist ein Anschluss 1241 in der Vertiefung 1240 vorgesehen. Der Anschluss 1241 ist mit einer Vakuumpumpe verbunden, die einen Unterdruck in der Vertiefung erzeugt, um den Chip darin unbeweglich zu halten. Die Plattform 1210 ist auf einer Kombination aus einer linearen Drehstufe 1246, die in einigen Ausführungsformen ein Modell 26LR, hergestellt von DARDAL sein kann, und einer Einzelachsen-Verschiebungsstufe 1245 angeordnet, die ein Modell CR2226HSE2, hergestellt von DARDAL sein kann.
12b zeigt die Vertiefung 1240 detaillierter. Wie dargestellt umgibt ein Vorsprung 1241 die Vertiefung 1240. Der Vorsprung 1241 trägt den Chip, wenn er über der Vertiefung 1240 platziert ist. Da die Chips mit den Sonden dem Tisch zugewandt über der Vertiefung platziert werden, schützt dieser Gestaltung die Sonden vor möglicher Beschädigung bei der Ausrichtung.
13 zeigt die Kopfeinheit 1030 detaillierter. Wie dargestellt weist die Kopfeinheit 1030 einen Kameraaufbau 1320 auf, der eine Ausgabe für eine Videoanzeige liefert. Eine Lampe 1360 ist vorgesehen, um es der Kamera zu ermöglichen, auf ein interessierendes Objekt zu fokussieren und es abzubilden. Die Kopfeinheit weist auch eine Ultraviolettlampe 1350 zum Härten des Klebstoffs, einen Vakuumaufnehmer 1330 zum Bewegen des Chips während des Anbringungsvorgangs und einen Klebstoffspender 1340 auf.
Im Betrieb wird ein Chip-Gehäuse auf dem Tisch 1040 platziert. Wie zuvor beschrieben fixieren die Ausrichtungsstifte das Gehäuse auf dem Tisch. Der Benutzer beginnt den Chip-Anbringungsvorgang mit der Kalibrierung der Kopfeinheit. Dies kann geschehen, indem die Kamera über das Gehäuse bewegt und mit einer Markierung auf dem Gehäuse ausgerichtet wird, wie in 14a gezeigt. Bequemerweise kann einer der Ausrichtungsstifte als eine Ausrichtungsmarkierung verwendet werden. 14b zeigt ein typisches Bild 1440, wie es von der Kamera während dieses Schritts erzeugt wird. Wie dargestellt ist die Kopfeinheit nicht mit dem Stift 1480 ausgerichtet. Um die Kopfeinheit auszurichten, verschiebt der Benutzer sie sowohl in x- als auch in y-Richtung bis der Stift 1480 am Schnittpunkt 1477 des Fadenkreuzes auf der Videoanzeige liegt, wie in 14c gezeigt.
Als nächstes wird der Chip in die Vertiefung auf dem Chip-Ausrichtungstisch eingesetzt. 14d ist ein Flussdiagramm, das die Schritte für die Ausrichtung des Chips anzeigt. Bei Schritt 1410 positioniert das System die Kamera (Kopfeinheit) über einer der Ausrichtungsmarkierungen des Chips. Die Kamera zeigt die Ausrichtungsmarkierung auf der Videoanzeige an. An diesem Punkt ist die Markierung normalerweise nicht richtig ausgerichtet (d.h. die Markierung liegt nicht im Schnittpunkt der Fadenkreuz-Ausrichtungsmarkierung). Bei Schritt 1420 stellt der Benutzer den Chip-Ausrichtungstisch sowohl in x- als auch in y-Richtung ein, bis die Markierung im Wesentlichen an dem Schnittpunkt des Fadenkreuzes liegt. Da keine Dreheinstellungen vorgenommen wurden, kann die Markierung in Bezug auf einen Winkel falsch ausgerichtet sein.
Bei Schritt 1430 weist der Benutzer das System an, die Kamera über eine zweite Ausrichtungsmarkierung zu bewegen, die sich normalerweise an der gegenüberliegenden Ecke des Chips befindet. Wieder wird ein Bild der Ausrichtungsmarkierung angezeigt. Bei dieser Stufe ist die Ausrichtungsmarkierung wahrscheinlich in x-, y-Richtung und mit Bezug auf ihren Winkel nicht richtig ausgerichtet. Bei Schritt 1440 stellt der Benutzer die Drehstufe, die x-Stufe und die y-Stufe, wenn nötig, ein, um die Markierung mit dem Fadenkreuz auf der Videoanzeige auszurichten. In Fällen, wo die Drehstufe gedreht worden ist, kann die erste Ausrichtungsmarkierung geringfügig fehlausgerichtet werden. Um diese Verschiebung zu kompensieren wiederholt der Benutzer den Ausrichtungsvorgang beginnend bei Schritt 1450, bis beide Markierungen ausgerichtet sind. Natürlich können auch Bildverarbeitungstechniken für eine automatische Ausrichtung von Kopfeinheit und Chip eingesetzt werden.
15a ist ein Beispiel für ein auf dem Videoschirm während Schritt 1410 angezeigtes Bild. Wie dargestellt ist die erste Ausrichtungsmarkierung (untere linke Ecke des Chips) nicht mit der Fadenkreuzmarkierung ausgerichtet. 15b zeigt beispielhaft ein Bild der ersten Ausrichtungsmarkierung, nachdem Einstellungen von dem Benutzer vorgenommen wurden. 15c zeigt ein typisches, von dem Videoschirm während Schritt 1430 angezeigtes Bild. Wie dargestellt ist die zweite Ausrichtungsmarkierung (obere rechte Ecke des Chips) in x-, y- und Winkelrichtung falsch ausgerichtet. 15d zeigt ein Bild der zweiten Markierung nach ersten Einstellungen durch den Benutzer bei Schritt 1440. 15e zeigt die Orientierung der zweiten Ausrichtungsmarkierung, nachdem der Chip ausgerichtet worden ist.
Nachdem der Chip ausgerichtet ist, wird der den Chip auf dem Befestigungstisch haltende Unterdruck abgebaut. Danach entfernt der Aufnehmer an der Kopfeinheit den Chip von dem Tisch und richtet ihn auf dem Hohlraum des Gehäuses aus. In einigen Ausführungsformen wird der Chip von dem Aufnehmer durch Unterdruck gehalten.
Der Benutzer kann wahlweise eine Prüfung durchführen, um sicherzustellen, dass der Chip auf dem Hohlraum korrekt ausgerichtet ist, indem er die Ausrichtungsmarkierungen des Chips mit der Kamera untersucht. Wenn der Chip außer Position ist, wird der Chip entfernt und auf dem Ausrichtungstisch neu ausgerichtet. Wenn der Chip richtig positioniert ist, bringt das System einen Klebstoff auf, indem der Spender entlang der den Hohlraum umgebenden Wanne bewegt wird. In einigen Ausführungsformen wird der Unterdruck abgebaut, bevor der Klebstoff in die Wanne eingebracht wird. Dieser Schritt ist lediglich eine Vorsichtsmaßnahme und wird ausgeführt, um sicherzustellen, dass der Unterdruck nicht bewirkt, dass irgendwelche Teile des Klebstoffs in den Hohlraum einsickern. Sobald der Klebstoff aufgebracht ist, untersucht das System den Chip erneut, um festzustellen, ob der Klebstoff den Chip außer Position bewegt hat. Wenn der Chip immer noch ausgerichtet ist, positioniert die Kopfeinheit die Ultraviolettlampe über den Klebstoff und härtet ihn für eine ausreichende Zeit, um den Klebstoff auszuhärten, was in einer Ausführungsform etwa 10 Sekunden dauert. Andernfalls wird der Chip neu ausgerichtet.
Nach Fertigstellung hat das Chip-Gehäuse eine Vielzahl von Anwendungen. Zum Beispiel ist das Chip-Gehäuse beim Sequenzieren von genetischem Material durch Hybridisierung verwendbar. Bei einer Sequenzierung durch Hybridisierung ist das Chip-Gehäuse auf einer Hybridisierungsstation angeordnet, wo es mit einem Flüssigkeitszufuhrsystem verbunden ist. Ein solches System wird mit dem Gehäuse verbunden, indem Nadeln in die Anschlüsse eingeführt werden und die darin befindlichen Septen durchstechen. Auf diese Weise werden verschiedene Flüssigkeiten in den Hohlraum eingeführt, um sie während des Hybridisierungsvorgangs mit den Sonden in Kontakt zu bringen.
Gewöhnlich wird die Hybridisierung durchgeführt, indem die Probe zunächst einer Prähybridisierungslösung ausgesetzt wird. Als nächstes wird die Probe unter Bindebedingung mit einer Zielmoleküle enthaltenden Lösung unter Bindebedingungen über einen ausreichende Bindungszeitraum inkubiert. Die Bindungsbedingungen variieren abhängig von der Anwendung und werden gemäß den allgemeinen bekannten Bindungsverfahren ausgewählt, einschließlich denen, die in den folgenden Veröffentlichungen erwähnten sind: Maniatis et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual (1989), 2. Auflage, Cold Spring Harbor, N.Y., und Berger und Kimmel, Methods in Enzymology, Volume 152, Guide to Molecular Cloning Techniques) 1987), Academic Press, Inc., San Diego, CA; Young and Davis (1983) Proc. Natl. Acad. Sci. (U.S.A.) 80: 1194. In einigen Ausführungsformen kann die Lösung etwa 1 mol/l Salz und etwa 1 bis 50 nanomol/l Ziele enthalten. Wahlweise umfasst das Flüssigkeitszufuhrsystem eine Umwälzeinrichtung, um die Durchmischung in dem Hohlraum zu verbessern, was den Inkubationszeitraum verkürzt. Schließlich wird die Probe mit einem Puffer gewaschen, der ein 6X SSPE-Puffer sein kann, um ungebundene Ziele zu entfernen. In einigen Ausführungsformen wird der Hohlraum nach dem Waschen der Probe mit dem Puffer gefüllt.
Danach kann das Gehäuse auf einem Detektions- oder Abbildesystem ausgerichtet werden, wie etwa die in US-Patent Nr. 5,143,854 (Pirrung et al.) oder der US Patentanmeldung Nr. 08/495,889 offenbart wird. Solche Detektionssystem können sich die Asymmetrie des Gehäuses (d.h. die nicht-bündige Kante) zunutze machen, indem ein besonders zu der Form des Gehäuses passender Halter eingesetzt wird. Daher ist sichergestellt, dass das Gehäuse richtig orientiert und zum Scannen ausgerichtet ist. Die Abbildungssysteme sind in der Lage, die Reaktion zwischen den Sonden und den Zielen qualitativ zu analysieren. Auf Grundlage dieser Analyse werden Sequenzinformationen der Ziele extrahiert.
III. Details zu alternativen Ausführungsformen
a. Chip-Gehäuse-Orientierung
16a–16b zeigen eine alternative Ausführungsform des Gehäuses. 16a zeigt eine Ansicht von oben und 16b eine Ansicht von unten. Wie in 16a gezeigt wird, ist ein Hohlraum 1620 auf der oberen Fläche 1610 des Gehäusekörpers 1600 angeordnet. Der Gehäusekörper hat Ausrichtungslöcher 1621 und 1622, die beispielsweise dazu verwendet werden, um den Chip in das Gehäuse einzupassen. Wahlweise ist an dem Ende 1660 des Körpers eine Vielzahl von Rippen 1690 angeordnet. Die durch die Rippen 1690 erzeugte Reibung erlaubt es, das Gehäuse einfach, ohne Rutschen zu handhaben.
Der Körper umfasst auch zwei im Wesentlichen parallele Kanten 1630 und 1640. Wie dargestellt verjüngt sich die Kante 1640 am Ende 1665, um eine ungleichmäßige Kante 1645 zu bilden. Die asymmetrische Gestalt des Körpers erleichtert die korrekte Orientierung, wenn er in Detektionssysteme eingesetzt wird. Zum Beispiel können die Detektionssysteme einen Halter haben, ähnlich dem einer Tonbandkassette, in den das Ende 1665 eingeführt wird.
Unter Bezugnahme auf 16b kommunizieren die Anschlüsse 1670 und 1671 mit dem Hohlraum 1620. In jedem Anschluss ist eine Dichtung vorgesehen, um Flüssigkeit in dem Hohlraum zurückzuhalten. Ähnlich der oberen Oberfläche kann die untere Oberfläche wahlweise eine Vielzahl von Rippen 1690 am Ende 1660 aufweisen.
17a–17b zeigen eine alternative Ausführungsform des Gehäuses. 17a zeigt eine Ansicht von oben und 17b zeigt eine Ansicht von unten. Unter Bezugnahme auf 17a ist ein Hohlraum 1720 an der oberen Oberfläche 1710 des Gehäusekörpers 1700 angeordnet. Der Körper kann in Form einer Scheibe mit zwei im Wesentlichen parallelen Kanten 1730 und 1740 gebildet werden. Ausrichtungslöcher 1721 und 1722, die sich in Größe oder Form unterscheiden können, sind an dem Körper angeordnet. In einigen Ausführungsformen wird das Gehäuse wie eine Tonbandkassette in Detektionssysteme in eine Richtung parallel zu den Kanten 1730 und 1740 eingesetzt. Die Kanten 1730 und 1740 und die Ausrichtungslöcher verhindern, dass das Gehäuse falsch in die Detektionssysteme eingesetzt wird.
Wie in 17b gezeigt sind die Anschlüsse 1730 und 1740 an der unteren Oberfläche 1715 des Gehäuses angeordnet. Die Anschlüsse 1730 und 1740 kommunizieren mit dem Hohlraum 1720 und enthalten jeweils eine Dichtung 1780, um Flüssigkeiten in dem Hohlraum abzudichten.
b. Chip-Anbringung
18 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Anbringen des Chips an dem Gehäuse. Wie dargestellt umgeben zwei konzentrische Vorsprünge 1810 und 1820 den Umfang des Hohlraums 310. Der Vorsprung 1820 trägt den Chip 120, wenn dieser über dem Hohlraum 310 aufgelegt ist. Der Vorsprung 1810, der über den Chip 120 hinausreicht, nimmt Klebstoff 1860 auf, wie etwa durch ultravioletthärtbares Silikon, Bindemittel, oder andere Klebstoffe, um den Chip daran anzubringen.
19 zeigt eine andere Ausführungsform zur Anbringung des Chips an dem Gehäuse. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Vorsprung 1910 um den Hohlraum 310 gebildet. Vorzugsweise ist dieser Vorsprung ausreichend groß, um Klebstoff 1920, wie etwa eine Klebefolie, eine Klebeschicht, Klebeband oder irgendeine andere Klebstofflage aufzunehmen. Der Chip 120 wird an dem Gehäuse angebracht, wenn er in Kontakt mit dem Klebstofffilm kommt.
20a zeigt noch eine andere Ausführungsform zur Anbringung des Chips an dem Gehäuse. Wie dargestellt hält eine Klammer 2010, wie etwa ein Rahmen mit einer Vielzahl von Fingern 2015, den Chip an dem Gehäuse fest. 20b zeigt eine Querschnittsansicht. Eine Rippe 2020 umgibt den Hohlraum 310 auf der Oberfläche 501. Die Rippe weist einen Vorsprung 2025 auf, auf dem der Chip 120 ruht. Wahlweise ist eine Dichtung oder Abdichtung 2070 zwischen dem Vorsprung und dem Chip angeordnet, um eine dichte Abdichtung um den Hohlraum 310 sicherzustellen. Die Klammer 2010 ist an der Seite 2040 der Rippe 2020 und an der Oberfläche 501 befestigt. In einigen Ausführungsformen ist die Klammer 2010 akustisch an den Körper angeschweißt. Demgemäß hat die Klammer 2010 Energierichtungsgeber 2050 angeordnet an ihrer Unterseite. Alternativ können Schrauben, Clips, Klebstoffe oder andere Anbringungsstechniken verwendet werden, um die Klammer 2010 und das Gehäuse miteinander zu verbinden. Nach der Verbindung fixieren die Finger 2015 den Chip 120 an dem Gehäuse.
21 zeigt eine alternative Ausführungsform zum Anbringen des Chips an dem Gehäuse. Eine Rippe 2110 umfasst den Hohlraum 310, wobei eine Nut 2115 an oder nahe dem oberen Ende der Rippe 2110 vorhanden ist. Der Chip 120 wird von der Nut 2115 eingeklemmt und in Position gehalten. Danach wird ein als Wärmeschweißen bekannter Prozess verwendet, um den Chip zu befestigen. Das Wärmeschweißen beinhaltet die Anwendung von Wärme und Kraft an der Seite 2111 der Rippe, was die Rippe eng gegen oder um den Chip 120 drückt.
22 zeigt eine andere Ausführungsform der Anbringung eines Chips an einem Gehäuse. Wie dargestellt umgibt ein Kanal 2250 den Hohlraum 310. Eine Nut 2240 zur Aufnahme des Chips 120 ist entlang oder nahe an dem oberen Ende des Hohlraums 310 gebildet. In einigen Ausführungsformen ist ein Dichtungsring oder eine Dichtung 2270 am Boden der Nut plaziert, um eine dichte Abdichtung sicherzustellen, wenn der Chip angebracht ist. Sobald der Chip in der Nut plaziert ist, wird ein V-förmiger Keil 2260 in den Kanal 2250 eingeführt. Der Keil zwingt den Körper, gegen die Rippe des Chips und die Dichtung 2260 zu drücken, um so den Chip mit dem Gehäuse zusammenzufügen. Dieser Prozess ist als Kompressionsdichtung bekannt. Andere Techniken wie Einsatzgießen, Wellenlöten, Oberflächendiffusion, Laserschweißen, Schrumpfhüllen, O-Ringdichtungen, Oberflächenätzen oder Wärmeschweißen von der Oberseite können auch eingesetzt werden.
c. Flüssigkeitszurückhaltung
23 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Gehäuses, das Absperrventile zur Abdichtung der Einlässe einsetzt. Wie dargestellt kommunizieren Vertiefungen 2305 und 2315 über Einlässe 350 und 360 mit dem Hohlraum 310. Die Absperrventile 2310 und 2320, die in einigen Ausführungsformen Entenschnabelventile sein können, sitzen in den Vertiefungen 2305 und 2315. Um eine Flüssigkeit in den Hohlraum einzuführen, wird eine Nadel in das Absperrventil eingeführt. Wenn die Nadel entfernt wird, dichtet sich das Absperrventil selbst wieder ab, um Auslecken von Flüssigkeit zu verhindern.
24 zeigt ein anderes Gehäuse, das wiederverwendbares Klebeband zum Abdichten des Hohlraums 310 verwendet. wie dargestellt ist ein Klebeband 2400 über den Einlässen 350 und 360 angeordnet. Vorzugsweise ist das Ende 2430 des Klebebands permanent an der Oberfläche 2480 fixiert, während das Ende 2410 unfixiert bleibt. Der mittlere Abschnitt 2420 des Bandes weist nicht-permanenten Klebstoff auf. Diese Gestaltung ermöglicht es, die Einlässe bequem abgedichtet oder unabgedichtet zu halten, ohne das Klebeband vollständig von dem Gehäuse entfernen zu müssen.
25 stellt noch eine andere Ausführungsform des Gehäuses dar, das Stopfen verwendet, um Flüssigkeiten innerhalb des Hohlraums zurückzuhalten. Wie dargestellt kommunizieren die Vertiefungen 2520 und 2530 über Einlässe 350 und 360 mit dem Hohlraum 310. Ein Stopfen 2510, der in einigen Ausführungsformen aus Gummi oder anderem Dichtungsmaterial zusammengesetzt sein kann, ist in jede der Vertiefungen eingefügt. Die Stopfen 2510 können leicht eingesetzt oder entfernt werden, um den Hohlraum während des Hybridisierungsvorgangs abzudichten und zu öffnen.
26a zeigt ein Gehäuse, das gleitende Dichtungen zum Zurückhalten von Flüssigkeiten in dem Hohlraum verwendet. Die Dichtungen sind in Schlitzen 2610 positioniert, die über den Einlässen angeordnet sind. Die Schlitze dienen als Schienen zum Zu- und Wegführen der Dichtungen von den Einlässen. 26b zeigt die Dichtung detaillierter. Die Dichtung 2640, die aus Gummi, Teflonkautschuk oder anderem Dichtungsmaterial zusammengesetzt sein kann, ist in jeden Schlitz 2610 eingeführt. Die Dichtung hat einen Griff 2650, der durch den Schlitz hindurch verläuft. Wahlweise hat der Boden der Dichtung einen runden Vorsprung 2645, um ein Ineinanderpassen mit dem Einlaß 350 sicherzustellen. Der Einlaß wird abgedichtet oder geöffnet, indem die Dichtung in geeigneter Weise entlang des Schlitzes positioniert wird. Alternativ können federbelastete Kugeln, Drehkugelventile, Stopfenventile oder andere Techniken zur Zurückhaltung von Flüssigkeit eingesetzt werden.
d. Chip-Orientierung
27a–27b zeigen eine alternative Ausführungsform des Gehäuses. 27a zeigt eine Ansicht von oben und 27b eine Querschnittsansicht. Wie dargestellt hat das Gehäuse 2700 einen Hohlraum 2710 auf einer Oberfläche 2705. Ein Chip 2790, der ein Sonden-Array 2795 auf der Oberfläche 2791 hat, ist mit Klebstoff 2741 mit dem Boden des Hohlraums 2710 verbunden. Der Klebstoff kann z.B. Silikon, Klebeband oder ein anderer Klebstoff sein. Alternativ können Klammern oder andere Befestigungstechniken eingesetzt werden. Wahlweise kann der Boden des Hohlraums eine Vertiefung aufweisen, in der ein Chip sitzt.
Diese Gestaltung bietet mehrere Vorteile, wie etwa: 1) sie gestattet die Verwendung von jeglichem Typ von Substrat (d.h. nicht-transparent oder nicht-lichtdurchlässig), 2) sie ergibt mehr Chips pro Wafer, da die Chips keinen Kante zur Anbringung benötigen, und 3) sie erlaubt, dass Chips mit verschiedenen Größen oder mehrere Chips in dem Gehäuse befestigt werden.
Ein Deckel 2770 wird an dem Gehäuse befestigt, um den Hohlraum abzudichten. Der Deckel 2770 ist vorzugsweise aus einem lichtdurchlässigen oder transparenten Material wie etwa Glas, Acryl oder einem anderen Material, durch das Licht hindurchdringen kann, zusammengesetzt. Der Deckel 2770 kann an der Oberfläche 2705 mit einem Klebstoff 2772 befestigt werden, der in einigen Ausführungsformen Silikon, Klebefilm oder ein anderer Klebstoff sein kann. Wahlweise kann eine Vertiefung um den Hohlraum herum gebildet sein, so dass die Oberfläche 2271 des Deckels bündig mit der Oberfläche 2705 ist. Alternativ kann der Deckel an der Oberfläche gemäß irgendeiner der hierin beschriebenen Chip-Anbringungstechniken befestigt werden.
Es sind Einlässe 2750 und 2751 vorgesehen, die mit dem Hohlraum 2710 kommunizieren. Ausgewählte Flüssigkeiten werden durch die Einlässe 2750 und 2751 durch den Hohlraum zirkuliert. Um die Flüssigkeiten in dem Hohlraum abzudichten, kann ein Septum, Stopfen oder eine andere Dichtung eingesetzt werden. In alternativen Ausführungsformen kann irgendeine der hierin beschriebenen Flüssigkeitszurückhaltungstechniken eingesetzt werden.
e. Parallele Hybridisierung und Diagnosen
In einer alternativen Ausführungsform ist der Körper mit einer Vielzahl von Hohlräumen gestaltet. Die Hohlräume können z.B. in einem Mikrotiterformat mit 96 Vertiefungen sein. In einigen Ausführungsformen wird ein Chip individuell auf jeden Hohlraum gemäß den oben beschriebenen Verfahren aufgebracht. Alternativ können die Sonden-Arrays auf dem Wafer in einem zu den Hohlräumen passenden Format gebildet werden. Demgemäß ist das Unterteilen des Wafers vor der Anbringung der Sonden-Arrays an dem Gehäuse nicht notwendig. Dieses Format bietet einen signifikant erhöhten Durchsatz, indem es paralleles Testen einer Vielzahl von Proben ermöglicht.
V. Details eines Umwälzsystems
28 zeigt ein Umwälzsystem im Detail. Wie dargestellt weist das Umwälzsystem 2800 zwei Flüssigkeitsbehälter 2810 und 2820 auf, die in einigen Ausführungsformen jeweils 10 ml Volumen haben. Der Behälter 2810 kommuniziert mit dem Anschluss 350 über einen Schlauch 2850 und der Behälter 2820 kommuniziert mit dem Anschluss 360 über einen Schlauch 2860. Ein Einlassanschluss 2812 und ein Belüftungsanschluss 2811 sind an oder nahe der Oberseite des Behälters 2810 angeordnet. Der Behälter 2820 umfasst ebenfalls einen Einlassanschluss 2822 und eine Belüftung 2821 an oder nahe seiner Oberseite. Der Anschluss 2812 des Behälters 2810 und der Anschluss 2822 des Behälters 2820 sind beide über Ventile 2840 und 2841 mit einer Ventilanordnung 2828 verbunden. Ein Anregungsmittel 2801, das Stickstoffgas (N₂) oder ein anderes Gas sein kann, ist mit der Ventilanordnung 2828 über den Anschluss 2851 verbunden. Die Ventile 2840 und 2841 steuern den Strom von N₂ in die jeweiligen Behälter. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche Behälter (nicht gezeigt) vorgesehen sein, ähnlich dem Behälter 2810, um einen Puffer und/oder andere Flüssigkeit in den Hohlraum einzuführen.
Im Betrieb wird eine Flüssigkeit in den Behälter 2810 eingebracht. Die Flüssigkeit kann z.B. Ziele enthalten, die mit den Sonden auf dem Chip hybridisiert werden sollen. Der Behälter 2810 wird durch Schließen des Anschlusses 2811 abgedichtet, während der Behälter 2820 durch Öffnen des Anschlusses 2821 belüftet wird. Als nächstes wird N₂ in den Behälter 2810 injiziert, wodurch Flüssigkeit durch den Schlauch 2850, den Hohlraum 310 und schließlich in den Behälter 2820 gedrückt wird. Die durch das N₂ gebildeten Blasen mischen die Flüssigkeit, wenn sie durch das System zirkuliert. Wenn die Flüssigkeitsmenge im Behälter 2810 beinahe geleert ist, kehrt das System die Strömungsrichtung der Flüssigkeit durch Schließen des Ventils 2840 und des Anschlusses 2821 und Öffnen des Ventils 2841 und des Anschlusses 2811 um. Der Zyklus wird wiederholt, bis die Reaktion zwischen den Sonden und den Zielen abgeschlossen ist.
In einigen Anwendungen kann sich Schaum bilden, wenn N₂ in Wechselwirkung mit der Flüssigkeit tritt. Schäumen kann das Strömen der Flüssigkeit durch das System verhindern. Um dieses Problem zu vermindern kann ein Detergens wie etwa Cetyltrymethylammonium-bromid (CTAB) der Flüssigkeit zugesetzt werden. In einer Ausführungsform beträgt die Menge an zugesetztem CTAB etwa 1 millimol/l. Außerdem beeinflusst das CTAB die Sonden und Ziele positiv, indem die Bindungsrate erhöht und so die erforderliche Reaktionszeit vermindert wird.
Das in 28 dargestellte System kann in einer alternativen Weise betrieben werden. Gemäß dieser Technik wird in dem zweiten Behälter ein Rücklaufdruck eingesetzt, um die Strömung der Lösung umzukehren. Im Betrieb wird die Flüssigkeit in dem Behälter 2810 gebracht und die beiden Anschlüsse 2811 und 2821 werden geschlossen. Wenn N₂ in den Behälter 2810 injiziert wird, wird die Flüssigkeit durch die Leitung 2850, den Hohlraum 310 und schließlich in den Behälter 2820 gedrückt. Da der Belüftungsanschluss in dem Behälter 2820 geschlossen ist, beginnt sich der Druck darin zu erhöhen, wenn sich das Volumen der Flüssigkeit und des N₂ erhöht. Wenn die Flüssigkeitsmenge in dem Behälter 2810 beinahe geleert ist, wird der Strom des N₂ in den Behälter 2810 durch Schließen des Ventils 2840 beendet. Als nächstes wird das Zirkulationssystem durch Öffnen des Anschlusses 2811 des Behälters 2810 belüftet. Infolgedessen drückt der Druck in dem Behälter 2820 die Lösung zurück durch das System zu dem Behälter 2810. In einer Ausführungsform wird für etwa 3 Sekunden N₂ injiziert und für etwa 3 Sekunden belüftet. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Hybridisierung zwischen den Sonden und den Zielen abgeschlossen ist.
29 zeigt eine alternative Ausführungsform des Mischsystems. Das System 2900 umfasst einen Vortexer 2910, auf dem das Chip-Gehäuse 300 angebracht ist. Ein Behälter 2930 zum Bereithalten der Flüssigkeit kommuniziert mit dem Einlaß 350 über die Leitung 2950. Ein Ventil 2935 kann vorgesehen sein, um die Strömung der Lösung in den Hohlraum zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann der Zirkulierer 2901, was eine N₂-Quelle oder eine andere Gasquelle sein kann, mit dem Behälter 2930 verbunden sein. Alternativ kann eine Pumpe oder ein anderes Flüssigkeitstransfergerät eingesetzt werden. Der Strom des N₂ in den Behälter 2930 wird durch ein Ventil 2936 geregelt. Der Zirkulator 2901 ist auch mit der Einlaßleitung 2950 über ein Ventil 2902 verbunden.
Ein Abfallbehälter 2920 kommuniziert über die Auslassleitung 2955 mit dem Anschluss 360. In einer Ausführungsform kann ein Flüssigkeitssensor 2940 vorgesehen sein, um das Vorhandensein von Flüssigkeit in der Auslassleitung 2955 zu erfassen. Der Zugang zu dem Abfallbehälter kann durch ein Ventil 2921 kontrolliert werden. Wahlweise können zusätzliche Behälter (nicht gezeigt), ähnlich dem Behälter 2930, eingesetzt werden, um einen Puffer oder andere Flüssigkeit in den Hohlraum einzuführen.
Das System wird initialisiert, indem alle Ventile geschlossen werden und der Behälter 2930 z.B. mit einer Ziele enthaltenden Flüssigkeit gefüllt wird. Als nächstes werden die Ventile 2936, 2935 und 2921 geöffnet. Dies ermöglicht es, dass N₂ in den Behälter 2930 eintritt, was die Flüssigkeit zum Fließen durch die Leitung 2950 und in den Hohlraum treibt. Wenn der Hohlraum gefüllt ist, werden die Ventile 2935, 2936 und 2921 geschlossen, um die Flüssigkeit in dem Hohlraum abzudichten. Als nächstes wird der Vortexer aktiviert, um das Chip-Gehäuse in Vibration zu versetzen, ähnlich einem Farb-Mischer. In einigen Ausführungsformen kann der Vortexer das Gehäuse mit etwa 3.000 Zyklen pro Minute in Vibration versetzen. Die Bewegung vermischt die Ziele in der Flüssigkeit, was den Inkubationszeitraum verkürzt. In einigen Ausführungsformen dreht der Vortexer das Chip-Gehäuse, bis die Hybridisierung abgeschlossen ist. Nach deren Abschluss werden die Ventile 2902 und 2921 geöffnet, um N₂ in den Hohlraum zu lassen. Das N₂ leert die Flüssigkeit in den Abfallbehälter 2920. Anschließend kann der Hohlraum mit einem Puffer oder anderer Flüssigkeit gefüllt werden.
30 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der das Umwälzsystem teilweise in das Chip-Gehäuse integriert ist. Wie dargestellt umfasst das Chip-Gehäuse 300 einen Hohlraum 310, an dem der Chip angebracht ist. Der Hohlraum 310 ist mit Einlässen 360 und 350 versehen. Das Gehäuse umfasst auch Kammern 3010 und 3020. In der Kammer 3010 ist ein Anschluss 3021 vorgesehen und mit dem Einlaß 360 über einen Kanal 3025 verbunden.
Die Kammer 3010 ist mit Anschlüssen 3011 und 3012 ausgestattet. Der Anschluss 3012 kommuniziert durch einen Kanal 3015 mit dem Einlaß 350. Der Kanal 3015 ist mit einem Abfallanschluss 3016 versehen, der über eine Leitung 3501 mit einem Flüssigkeitsentsorgungssystem 3500 kommuniziert. Ein Ventil 3502 reguliert den Strom der Flüssigkeiten in das Entsorgungssystem. In einigen Ausführungsformen umfasst das Entsorgungssystem einen Abfallbehälter 3510 und einen Flüssigkeitsrückgewinnungsbehälter 3520, die durch eine Leitung 3501 verbunden sind. Ein Ventil 3530 ist vorgesehen, um den Strom der Flüssigkeiten entweder in den Abfallbehälter oder in den Rückgewinnungsbehälter zu lenken.
Der Anschluss 3011 ist mit einem Flüssigkeitszufuhrsystem 3600 durch eine Leitung 3601 gekoppelt. Von dem Flüssigkeitszufuhrsystem in die Kammer 3010 fließende Flüssigkeiten werden durch ein Ventil 3602 gesteuert. Das Flüssigkeitszufuhrsystem umfasst Flüssigkeitsbehälter 3610 und 3620, die durch eine Leitung 3690 miteinander verbunden sind. Der Behälter 3610, der eine Flüssigkeit mit Zielen aufnehmen kann, umfasst Anschlüsse 3616 und 3615. Der Anschluss 3616 ist mit der Leitung 3690 verbunden. Ein Ventil 3612 steuert den Strom der Flüssigkeit aus dem Behälter 3610 heraus. Ein Zirkulator 3605, der eine N₂-Quelle sein kann, ist mit dem Anschluss 3615 des Behälters 3610 verbunden. Alternativ kann jede Art von Gas, eine Pumpe oder ein anderes Flüssigkeitstransfergerät eingesetzt werden. Der Strom des N₂ in dem Behälter 3610 wird durch ein Ventil 3618 gesteuert. Ein Ventil 3619 kann auch vorgesehen sein, um den Behälter 3610 zu belüften.
Der Behälter 3620, der einen Puffer enthalten kann, ist mit Anschlüssen 3625 und 3626 versehen. Der Zirkulator 3605 ist mit dem Anschluss 3625 verbunden. Ein Ventil 3621 ist vorgesehen, um den Strom des N₂ in dem Behälter 3620 zu steuern. Der Anschluss 3626 ist über ein Ventil 3622 mit der Leitung 3690 verbunden. Das Ventil 3622 regelt den Strom des Puffers aus dem Behälter 3620 heraus. Wahlweise können zusätzliche Behälter (nicht gezeigt), ähnlich dem Behälter 3620, vorgesehen sein, um andere Flüssigkeiten in den Hohlraum einzuführen. Ein Ventil 3690 verbindet den Zirkulator 3605 mit der Leitung 3690, um den Strom des N₂ direkt in die Verpackung zu steuern. Ein Ventil 3652 ist zum Belüften des Flüssigkeitszufuhrsystems vorgesehen.
Zu Beginn des Betriebs sind alle Ventile geschlossen. Um den Hybridisierungsvorgang zu starten, wird eine Ziele enthaltende Flüssigkeit in die Kammer 301 eingeführt, indem die Ventile 3602, 3612 und 3618 geöffnet werden. Dadurch wird N₂ in den Behälter 3610 injiziert, das die Flüssigkeit zum Fließen durch die Leitung 3601 und in die Kammer 3010 drückt. Wenn die Kammer 3010 gefüllt ist, werden die Ventile 3612 und 3618 geschlossen. Als nächstes wird das Ventil 3642 geöffnet, was es dem N₂ erlaubt, direkt in die Kammer 3010 zu fließen. Das N₂ mischt und zirkuliert die Flüssigkeit in den Hohlraum 310 und aus der Kammer 3020. Wenn das Volumen der Flüssigkeit und des N₂ in der Kammer 3020 ansteigt, erhöht sich ebenso der Druck darin. Wenn sich die Kammer 3020 ihrem Fassungsvermögen nähert, wird das Ventil 3642 geschlossen, um den Flüssigkeitsstrom zu stoppen. Danach wird das System durch Öffnen des Ventils 3652 belüftet. Das Belüften des Systems ermöglicht es, dass der Rücklaufdruck in der Kammer 3020 den Strom der Flüssigkeiten zurück in die Kammer 3010 umkehrt. Wenn die Kammer 3010 gefüllt ist, wird das Ventil 3652 geschlossen und das Ventil 3642 wird geöffnet, um den Flüssigkeitsstrom umzukehren. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Hybridisierung abgeschlossen ist.
Wenn die Hybridisierung abgeschlossen ist, kann das System trockengelegt werden. Diese Prozedur hängt davon ab, in welcher Kammer sich Flüssigkeit befindet. Wenn sich die Flüssigkeit in der Kammer 3020 befindet, wird das Ventil 3502 geöffnet, während das Ventil 3530 positioniert wird, um die Flüssigkeit in den richtigen Behälter (Rückgewinnung oder Abfall) zu lenken. Der Druck in der Kammer 3020 drückt die Flüssigkeit durch den Anschluss 3016, die Leitung 3501 und in das Entsorgungssystem. Wenn die Flüssigkeit sich in Kammer 3010 befindet, dann werden die Ventile 3502 und 3642 geöffnet. Infolgedessen drückt N₂ die Flüssigkeit in Kammer 3010 durch den Anschluss 3501 heraus und in das Entsorgungssystem.
Sobald das System geleert ist, werden alle Ventile geschlossen. Ein Puffer oder andere Flüssigkeit kann in den Hohlraum eingeführt werden. Beispielsweise kann der Hohlraum mit einem Puffer gefüllt werden, indem die Ventile 3601, 3621 und 3622 geöffnet werden. Dadurch wird N₂ in den Behälter 3620 injiziert, wodurch der Puffer darin zum Fließen durch das System gedrückt wird, bis er den Hohlraum 310 füllt. Alternativ kann Ultraschall, Wärme, magnetische Kügelchen, oder andere Umwälztechniken eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt kommerziell einsetzbare Einrichtungen zum Umgeben eines Sonden-Chips mit einem Gehäuse bereit. Es soll verständlich sein, dass die obige Beschreibung der Illustration dient und nicht einschränkend gemeint ist. Für Fachleute werden bei Durchsicht der obigen Beschreibung viele Ausführungsformen ersichtlich sein. Lediglich als ein Beispiel kann das Gehäuse aus einem einzigen Materialstück, anstatt aus zweien, gegossen oder herausgearbeitet werden. Ferner können auch andere asymmetrische Gestaltungen eingesetzt werden, um das Gehäuse in Detektionssysteme einzusetzen.
Der Umfang der Erfindung soll daher nicht durch die obige Beschreibung sondern durch die anhängigen Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Umgeben von Sondenchips mit Gehäusen, das Schritte umfaßt, bei denen man: ein Substrat (100) in eine Vielzahl von Chips (120) aufteilt, wobei jeder der Chips mindestens ein Sondenarray (110) darauf umfaßt; und mindestens einen der Chips (120) mit einem Gehäuse verbindet, wobei das Gehäuse eine Reaktionskammer (310, 1720, 2710, 3405) umfaßt, wobei die Reaktionskammer Einlässe (350, 360, 1730, 1740, 2750, 2751, 3205, 3207) zum Fließen von Flüssigkeit darin umfaßt, wobei das mindestens eine Sondenarray in Flüssigkeitsverbindung mit der Reaktionskammer steht, wobei das Gehäuse eine Ausrichtungsstruktur (330, 335, 1621, 1622, 1721, 1722, 3201, 3203, 3401, 3403) zur Anordnung des Gehäuses an einem gewünschten Ort in Bezug auf einen Scanner umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausrichtungsstruktur bereitgestellt wird, um das Gehäuse an einem gewünschten Ort in Bezug auf einen Scanner, der ein Detektionssystem enthält, zu platzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausrichtungsstruktur bereitgestellt wird, um das Gehäuse an einem gewünschten Ort in Bezug auf einen Scanner, der ein Bildgebungssystem enthält, zu platzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse eine obere Hülle (410) enthält, die eine äußere ebene Oberfläche (501) aufweist, die einen Hohlraum (310) aufweist, wobei der Chip in dem Hohlraum platziert wird, um mit dem Gehäuse verbunden zu werden und dabei die Reaktionskammer zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine den Hohlraum umgebende Vertiefung (550) und eine Rippe (560) am Rande der Vertiefung bereitgestellt werden, um den Chip an dem Gehäuse zu befestigen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem sich die Einlässe an den entgegengesetzten Enden des Hohlraums befinden, um die Flüssigkeitszirkulation und die Regulierung der Blasenbildung in dem Hohlraum zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung durchgeführt wird, um den Chip an dem Gehäuse in einer Weise zu befestigen, daß das Sondenarray innerhalb der Reaktionskammer vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung durchgeführt wird, um den Chip an dem Gehäuse zu befestigen und die Reaktionskammer in einer Weise zu versiegeln, daß das Sondenarray innerhalb der Reaktionskammer vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Bildgebungssystem konstruiert ist, um die Reaktion zwischen dem Sondenarray und den Zielmolekülen qualitativ zu analysieren.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Bildgebungssystem konstruiert ist, um Sequenzinformationen von hybridisierten Zielmolekülen basierend auf der qualitativen Analyse zu extrahieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Scanner eine Halterung verwendet, die so ausgebildet ist, daß sie an die Form des Gehäuses angepaßt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt der Bereitstellung eines Barcodes umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, umfassend: einen Chip (120), der mindestens ein Sondenarray (110) darauf umfaßt, wobei der Chip mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Gehäuse eine Reaktionskammer (310, 1720, 2710, 3405) umfaßt, wobei die Reaktionskammer Einlässe (350, 360, 1730, 1740, 2750, 2751, 3205, 3207) zum Fließen von Flüssigkeit darin umfaßt, wobei das mindestens eine Sondenarray in Flüssigkeitsverbindung mit der Reaktionskammer steht, und eine Ausrichtungsstruktur (330, 335, 1621, 1622, 1721, 1722, 3201, 3203, 3401, 3403), um das Gehäuse an einer gewünschten Stelle in Bezug zu einem Scanner zu platzieren.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 13, der eine untere Hülle (3400) umfaßt, die eine Anbaufläche (3415) mit einem Flüssigkeitshohlraum (3405) aufweist.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach einem der Ansprüche 13–14, der ferner einen Barcode umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach einem der Ansprüche 13–15, bei dem das Sondenarray ein Array von Oligonukleotidsonden umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach einem der Ansprüche 13–16, bei dem das Sondenarray eins von den folgenden umfaßt: Proteine, Agonisten und Antagonisten für einen Zellmembranrezeptor, Toxine, Gifte, virale Epitope, Hormone, Hormonrezeptoren, Enzyme, Enzymsubstrate, Cofaktoren, Wirkstoffe, Lektine, Zucker, Oligosacharide und monoklonale Antikörper.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 14, bei dem der Hohlraum einen Diffusor (3435) und einen Konzentrator (3425) umfaßt, wobei der Diffusor und der Konzentrator eine laminare Flüssigkeitsströmung durch den Hohlraum erlauben.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 18, der eine obere Hülle (3200) und eine mittlere Hülle (3300) umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 19, bei dem die obere Hülle eine Vertiefung (3209) zur Aufnahme eines Temperaturregelelementes zur Aufrechterhaltung einer Reaktionstemperatur in dem Hohlraum umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 20, bei dem die mittlere Hülle einen ersten Kanal (3305) und einen zweiten Kanal (3307) umfaßt, wobei der erste Kanal in Flüssigkeitsverbindung mit dem Diffusor und der zweite Kanal in Flüssigkeitsverbindung mit dem Konzentrator steht.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 20, bei dem die obere Hülle einen dritten Kanal (3205) und einen vierten Kanal (3207) umfaßt, wobei der dritte Kanal in Flüssigkeitsverbindung mit dem ersten Kanal und der vierte Kanal in Flüssigkeitsverbindung mit dem zweiten Kanal steht.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 21, bei dem der erste Kanal und der zweite Kanal durchdringbare Versiegelungen zum Versiegeln der Flüssigkeit in dem Hohlraum umfassen.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach einem der Ansprüche 17–23, bei dem das Substrat ein flaches Glas umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach einem der Ansprüche 17–23, bei dem das Substrat SiO₂ umfaßt.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 13, bei dem das Gehäuse eine obere Hülle (410) enthält, die eine äußere ebene Oberfläche (501) umfaßt, die einen Hohlraums (310) umfaßt, wobei der Chip in dem Hohlraum platziert wird, um mit dem Gehäuse verbunden zu werden und dabei die Reaktionskammer zu bilden.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 26, bei dem eine Vertiefung (550), die den Hohlraum umgibt, und eine Rippe (560) am Rande der Vertiefung bereitgestellt werden, um den Chip an dem Gehäuse zu befestigen.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 26, bei dem sich die Einlässe an entgegengesetzten Enden des Hohlraums befinden, um die Flüssigkeitszirkulation und die Regulationen der Blasenbildung in dem Hohlraum zu verbessern.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 27, bei dem der Hohlraum etwas kleiner als die Oberfläche des Chips ist und ein Volumen aufweist, das ausreicht, um eine Hybridisierung durchzuführen.
Sondenchip, der von einem Gehäuse umgeben ist, nach Anspruch 13, bei dem das Gehäuse durch Verbinden von zwei im Wesentlichen komplementären Hüllen (410 und 420) hergestellt wird, um eine fertige Einheit (300) zu bilden.