WO2002094442A1 - Biosensor chip/dispenser arrangement and method for dispensing a solution to be dispensed using said dispenser device on a biosensor chip - Google Patents

Biosensor chip/dispenser arrangement and method for dispensing a solution to be dispensed using said dispenser device on a biosensor chip Download PDF

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WO2002094442A1
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biosensor chip
dispensing
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Roland Thewes
Eugen Unger
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Infineon Technologies Ag
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    • B01L2400/0415Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C40COMBINATORIAL TECHNOLOGY
    • C40BCOMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
    • C40B60/00Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries
    • C40B60/14Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries for creating libraries

Definitions

  • the invention relates to a biosensor chip dispensing arrangement and a method for dispensing a solution to be dispensed using the dispensing arrangement on a biosensor chip
  • Bio- / chemo-arrays miniaturized on substrates serve the detection of certain molecules in solutions to be examined.
  • the sensors are in large numbers on a semiconductor substrate, e.g. a silicon chip that certain electronic
  • the high degree of parallelization enables a number of different examinations to be carried out simultaneously, e.g. Examinations for the presence of different substances (i.e. molecules to be detected) in a given liquid to be examined.
  • This property results in a variety of applications for such sensor array chips with a corresponding evaluation system, for example in medical diagnostics, in the pharmaceutical industry, for example for high-throughput screening processes ("High Throughput Screening” (HTS)), in the chemical industry, in the Food analysis, as well as in environmental and food technology.
  • HTS High Throughput Screening
  • catcher molecules for example with
  • a substrate made of a suitable material Microdispensing techniques are applied and immobilized in various ways.
  • 7 schematically shows such a substrate 700 with n positions 701, on each of which different capture molecules are immobilized.
  • Such a substrate 700 is usually first brought into contact with the liquid to be examined at all positions for diagnosis (for example, to test a liquid to be examined for the presence of different molecules to be detected). Such contacting usually takes place by flooding the entire substrate 700 with the liquid to be examined.
  • the catcher molecules can bind to a molecule present in the liquid to be examined in a specific binding reaction according to the key-lock principle, according to which only those molecules in the liquid to be examined are bound by the catcher molecules for which the latter have a binding specificity, the molecule is specifically bound in the liquid to be examined by the capture molecules. If this is not the case, the molecule in the liquid to be examined is not bound by the capture molecule. Subsequent evaluation of the respective positions 701 of the substrate 700 then reveals whether a molecule or which molecule was present in the liquid to be examined.
  • Such substrates 700 are often used to detect nucleic acids in liquids to be examined. As described above, this takes place in that both the catcher molecule and the molecule to be detected in the liquid to be examined are both nucleic acids, ie DNA or RNA, with a specific binding being the complete or at least for hybridization of both nucleic acid strands requires sufficient complementarity between these two molecules.
  • nucleic acids can be used as capture molecules for peptides or proteins that bind specifically to nucleic acids. It is also known to use peptides or proteins as capture molecules for others
  • capture peptide or capture protein binding proteins or peptides are used.
  • low molecular weight chemical compounds as capture molecules for these low molecular weight binding proteins or peptides and vice versa, i.e. the use of proteins and peptides as capture molecules for low-molecular compounds which may be present in a liquid to be examined.
  • a fluorescent marking substance (“label”) is specifically bound to the molecules present in the solution to be examined, which can be excited to glow when exposed to, for example, UV light.
  • this bond is a chemically covalent bond.
  • the optical detection method has the particular disadvantage that a relatively complicated and expensive optical system must be used for the evaluation. This makes e.g. the use of such an optical detection method in a doctor's office.
  • capture molecules are immobilized on predetermined areas of a substrate.
  • this immobilization takes place by applying a solution containing these capture molecules to the predetermined area of the substrate by means of dispensing technology.
  • the capture molecules present in this solution can then react with the respective predetermined area of the substrate to be immobilized on this.
  • the predetermined area is often any area on the substrate which is discrete from other areas on the substrate, the nature of which is often identical to that of the rest of the substrate.
  • the predetermined area is often an exposed electrode on the surface of the substrate or an electrode which is coated with another material, for example with the material of the rest of the substrate surrounding the electrode.
  • FIGS. 3A and 3B are a substrate 300, a predetermined area 301 of the substrate 300, a dispensing device 302 (here a nozzle), a solution 303 to be dispensed, large guide projections 304, and a cavity 306, which is above the predetermined area 301 is formed by the large guide projections 304.
  • a dispensing device 302 here a nozzle
  • a solution 303 to be dispensed a solution 303 to be dispensed
  • large guide projections 304 large guide projections 304
  • a cavity 306 which is above the predetermined area 301 is formed by the large guide projections 304.
  • FIG. 3A and 3B show the case where the guide protrusions 304 are made relatively large so that they are able to completely absorb the dispensed volume of the solution 303.
  • Figure 3A shows a drop of solution 303 that is being dispensed from nozzle 302.
  • FIG. 3B shows the result after the solution 303 has been dispensed from the nozzle 302. It should be noted that the solution 303 in FIG.
  • FIG. 3A and 3B show the case that smaller guide protrusions 305 than that in Figs. 3A and 3B are provided.
  • Figure 3C shows the drop of solution 303 as it is being dispensed from nozzle 302.
  • 3D shows the case after dispensing the drop of solution 303 from the nozzle 302 such that this drop is now between the guide projections 305 above the predetermined range, but the volume of the drop of solution 303 in FIG. 3D is due of the small guide protrusions 305 cannot be fully received by them. For this reason, the drop of solution 303 extends upward beyond the guide protrusions 305, the surface tension of the solution 303 tending to maintain a generally spherical shape of the drop of the solution 303 above the predetermined area 301. It should be noted that the predetermined area 301 shown in Fig. 3D is complete, i.e. is evenly wetted by the drop of solution 303, which is the ideal case.
  • Fig. A shows a substrate 800, a predetermined area 801 on the substrate 800, a solution 802 to be dispensed, large guide projections 803, an air bubble 804 enclosed during the dispensing between the solution 802 and the predetermined area 801, and by the 8B shows a substrate 800, a predetermined area 801 on the substrate 800, a solution 802 to be dispensed, small guide projections 805, an air bubble 804 enclosed during the dispensing between the solution 802 and the predetermined area 801, and cavity 806 formed by the small guide projections 805.
  • FIG. 8A corresponds to FIG. 3B, but an air bubble 804 is enclosed between the solution 802 and the predetermined 801 during the dispensing. Since the dispensing often takes place with very small volumes in the applications described above (for example with volumes in the nanoliter range), the air bubble 804 cannot move upwards in order to be discharged into the atmosphere surrounding the solution 802. For this reason, the air bubble 804 below the solution 802 remains in contact with the predetermined area 801, so that this area of the predetermined area 801 cannot contact any catcher molecules to be immobilized in the solution 802. Thus, none are to be immobilized
  • Capture molecules are immobilized on that area of the predetermined area 801 that lies below the air bubble 804, while capture molecules to be immobilized on the area of the predetermined area 801 that directly contacts the solution 802 are immobilized in the solution 802.
  • this volume can move to the side of the desired trajectory of this volume between the nozzle and the substrate, which means the exact placement of the volume of the dispensing solution on a specific location of the substrate difficult.
  • a biosensor chip dispenser arrangement has a substrate.
  • the substrate has an upper surface and a lower surface.
  • the dispensing arrangement has a dispensing device for receiving a solution to be dispensed.
  • the dispensing device is arranged at a distance above the upper surface of the substrate such that the solution to be dispensed can be dispensed above a predetermined area of the upper surface of the substrate, the predetermined area of the upper surface of the substrate being set up in such a way that catcher molecules are applied to it are immobilizable.
  • the substrate is electrically contacted such that an electrical potential can be generated between the predetermined area and the dispensing device.
  • the electrical potential generated between the predefined area and the dispensing device enables the direction of the dispensing of the solution to be dispensed to the predefined area to be controlled.
  • the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention has the advantage that by applying an electrical Potential between at least the predetermined area of the substrate and the dispensing device, a volume of the solution to be dispensed is actively electrostatically drawn towards the target position, that is, the predetermined area of the substrate.
  • the trajectory of a very small volume of the solution to be dispensed from the dispensing device is determined by the electrostatic field lines existing between the predetermined area of the substrate and the dispensing device, as a result of which the volume of the dispensed device migrates sideways
  • Solution outside the intended trajectory of the volume of the solution to be dispensed is reduced and therefore the location-specific accuracy with which the volume of the solution to be dispensed can be applied to the substrate is increased.
  • the active, electostatic drawing of the volume of the solution to be dispensed to a certain predetermined area reduces the risk that an air bubble is enclosed between the volume of the solution to be dispensed and the predetermined area of the substrate during dispensing.
  • the volume of the solution to be dispensed is effectively drawn onto it by the field lines between the dispensing device and the predetermined area of the substrate, so that the volume of the solution to be dispensed clings closely to the predetermined area, i.e. completely and evenly wets the predetermined area of the substrate.
  • the electrical contacting of the substrate is set up in such a way that the electrical potential is applied to the entire surface of the substrate can be.
  • there is a potential for controlling a volume of the solution to be dispensed from the nozzle to the substrate, and the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed represents a conceptually delimited subdivision of the entire upper surface of the substrate.
  • the predetermined area according to this exemplary embodiment carries the same electrostatic charge as the entire upper surface of the substrate.
  • two options are preferably provided with regard to the structure of the substrate.
  • the substrate itself consists of an electrically conductive material, and the electrical contact is a direct electrical contact between the substrate itself and a voltage source coupled to the substrate.
  • Possible electrically conductive materials from which the substrate could consist are, for example, polysilicon or different metals such as gold.
  • field lines between the dispensing device and the upper surface of the substrate come not only between the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed and the dispensing device, but also between other areas on the top surface of the substrate and the dispensing device.
  • the flight path of the dispensed volume of the solution to be dispensed is determined by the shortest field line to the upper surface of the substrate.
  • this shortest field line is the field line which runs perpendicular to the predetermined area on the upper surface of the substrate.
  • the lateral position of the dispensing device as precisely as possible above the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed, so that the field lines determining the trajectory of the solution to be dispensed between the dispensing device and the predetermined area of the substrate is that field line from the plurality of field lines that is the shortest.
  • the substrate in which the potential is applied to the entire surface of the upper surface of the substrate, the substrate consists of a non-electrically conductive material and the electrical contact is an indirect electrical contact between the substrate and an electrically conductive body coupled to a voltage source ,
  • the volume of the solution to be dispensed is not dispensed directly on the electrically conductive material, but rather on the non-electrically conductive material of the substrate.
  • a preferred, non-electrically conductive material is silicon dioxide or silicon nitride.
  • Preferred, electrically conductive materials from which the body coupled to the voltage source can be created include all metals with high electrical conductivity. For example, aluminum, gold, platinum, Copper, tungsten or palladium can be used as the material for the electrically conductive body.
  • this electrically conductive body connected to a voltage source is arranged within the substrate between the upper surface and the lower surface of the substrate.
  • the electrically conductive body connected to a voltage source is arranged below the lower surface of the substrate.
  • the electrical contacting is created in such a way that the electrical potential can be applied to only a single predetermined region of the substrate.
  • the substrate preferably consists of a non-electrically conductive material and the predetermined region of the substrate is an electrode which is coupled to a voltage source.
  • the electrode that is to say the predetermined region of the substrate, is one of a plurality of electrodes on the upper surface of the substrate, on the position-specific relative to the other electrodes on the surface of the substrate, the volume of which is to be dispensed Solution attracting potential can be created.
  • the electrode can be arranged not only above the surface of the substrate, but also below the upper surface of the substrate. According to such an embodiment, the solution to be dispensed is not dispensed directly onto the electrode itself, but rather onto the electrically non-conductive material of the substrate.
  • the electrode which represents the predetermined region of the substrate, has gold.
  • gold not only enables high electrical conductivity, but also the immobilization of capture molecules applied to the electrode by means of a known gold-sulfur coupling.
  • a suitable, non-electrically conductive material is silicon dioxide or silicon nitride.
  • silicon dioxide or silicon nitride.
  • other materials for example polymeric materials such as polyethylene, polypropylene, polyethylene-polypropylene block copolymers, polystyrene, aluminum oxide, titanium oxide, and tantalum oxide can be used.
  • the dispensing device is a nozzle.
  • the nozzle is preferably set up in such a way that the solution to be dispensed can be dispensed in volumes up to one nanoliter.
  • piezo micro nozzles are preferred.
  • the dispensing device for example a nozzle, contains capture molecules to be immobilized. Because the solution to be dispensed is dispensed onto a certain predetermined area of the substrate, the capture molecules contained in the solution to be dispensed are applied in a location-specific manner to the predetermined area of the substrate, so that they can be immobilized on the substrate.
  • a capture molecule contained in the solution to be dispensed can therefore be immobilized on either an electrically conductive material or a non-electrically conductive material.
  • a dielectric layer is arranged above the upper surface of the substrate, so that the dielectric layer covers the upper surface of the substrate and if present, covers the electrode located on the top surface of the substrate.
  • the electrode which may be located on the surface of the substrate is thereby covered, it is protected from external influences by such a dielectric layer. Whether a dielectric layer is applied to the upper surface of the substrate depends, for example, on how the capture molecules to be immobilized are to be immobilized or also how the electrical potential between the predetermined area of the substrate and the
  • Dispensing device of the dispensing arrangement is to be generated.
  • Such a dielectric layer which can be applied to the upper surface of the substrate and, if present, to the electrode arranged on the upper surface of the substrate, can have silicon dioxide or silicon nitride.
  • Dielectric layer arranged laterally upwardly extending guide projections.
  • Such guide projections have guide surfaces that lead inwards to the predetermined area.
  • Guide projections can be used to collect the solution to be dispensed in a targeted manner above the predetermined area of the substrate.
  • the effect of the guide projections is particularly important in those cases in which incorrect placement of the volume of the solution to be dispensed is to be avoided laterally above the predetermined area of the substrate. This could be the case, for example, in the embodiment of FIG Case in which a potential can be applied to the entire surface of the substrate, so that between the
  • Dispensing device and the substrate several field lines can influence the trajectory of a volume of the solution to be dispensed. This could lead to an undesired “flowing away” of the volume of the solution to be dispensed from the predetermined area on the surface of the substrate. Such "missing” should therefore be avoided.
  • the dispensing device and / or the substrate are moved relative to one another in such a way that, after the movement has been completed, the dispensing device is resting above the predetermined area comes.
  • the predetermined area of the substrate is set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it.
  • the surface of the substrate in the predetermined area itself or an additional layer applied to the substrate in the predetermined area is set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it.
  • An electrical potential is applied between the predetermined area of the substrate and the dispensing device.
  • Dispensing device is caused to dispense a volume of the solution to be dispensed.
  • the potential existing between the dispensing device and the predetermined area of the substrate is allowed to act on the dispensed volume of the solution to be dispensed, so that a volume of the solution to be dispensed is controlled in the direction of the predetermined area.
  • Fig.l is a schematic representation of a
  • Embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention in which a potential can be applied to the substrate over the entire surface;
  • FIG. 2 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which different potentials to different areas of the substrate are specific to the position
  • Substrate can be created
  • Embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention in which a potential can be generated over the entire surface along the substrate by means of a body located in the substrate;
  • FIG. 5 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which a
  • FIG. 6 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which different potentials can be applied to different predetermined areas of the substrate and in which a dielectric layer is applied above the upper surface of the substrate;
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of incomplete wetting of a predetermined area of a substrate using a dispensing arrangement according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a substrate 100, predetermined areas 101 of the substrate 100, a voltage source 102, a
  • Dispensing device 103 (here a nozzle 103), a solution 104 to be dispensed, field lines 105 along which the solution 104 to be dispensed is drawn towards the substrate 100, and an earthing device 106.
  • the substrate 100 is made of an electrically conductive material, so that the substrate 100 is directly, ie directly, coupled to a voltage source 102 in order to generate an electrical potential on the entire surface of the substrate 100.
  • the substrate 100 has a plurality of predetermined regions 101, of which, viewed electrically, each predetermined region 101 is electrically separated from the surrounding upper surface of the substrate 100.
  • the solution 104 to be dispensed contained in the nozzle 103 is in electrical contact with the nozzle 103. Since the nozzle 103 is grounded due to the grounding 106, the solution 104 to be dispensed contained in the nozzle 103 is also grounded.
  • the nozzle 103 should be positioned directly above the desired, here the central, predetermined area 101 of the substrate 100, so that the dispensed volume of the solution 104 to be dispensed along the shortest field line, here the field line 107, to the desired predetermined area 101 of the substrate 100 can be controlled.
  • FIG. 2 shows a substrate 200, a positively charged, predetermined area 201 of the substrate 200, a dispensing device 202 (here a nozzle 202), a solution 203 to be dispensed, field lines 204, along which the solution 203 to be dispensed is drawn towards the substrate 200 field lines 205 along which the solution 203 to be dispensed is repelled from the substrate 200, a plurality of negatively charged predetermined regions 206 of the substrate 200, and an earth 207.
  • a dispensing device 202 here a nozzle 202
  • field lines 204 along which the solution 203 to be dispensed is drawn towards the substrate 200
  • field lines 205 along which the solution 203 to be dispensed is repelled from the substrate 200
  • an earth 207 an earth
  • the substrate 200 consists of a non-electrically conductive material, for example of SiO 2 , so that the predetermined regions 201, 206 of the substrate 200 are arranged and remain electrically insulated from one another. For this reason, different potentials can be applied to different predetermined areas 201, 206 of the substrate 200. In the embodiment shown in FIG. 2, it is desirable to dispense the solution 203 to be dispensed onto the predetermined area 201, wherein no solution 203 to be dispensed is to be dispensed onto the predetermined areas 206 of the substrate 200.
  • a position-specific potential is applied to a specific predetermined area of the substrate 200, here to the predetermined area 201, controlled by means of a computer and the individual couplings existing between the predetermined areas 201, 206 and the voltage source (not shown).
  • FIG. 4 shows a substrate 400, a plurality of predetermined areas 401 on the upper surface of the substrate 400, a voltage source 402, a dispensing device 403 (here a nozzle 403), a solution 404 to be dispensed, field lines 405, along which the solution 404 to be dispensed is attracted towards the substrate 400, a body 406 made of electrical conductive material, a ground 407 and the shortest field line 408 between the nozzle 403 and the substrate 400.
  • the substrate 400 consists of non-electrically conductive material and the predetermined regions 401 on the upper surface of the substrate 400 are to be understood as electrical regions of the upper surface of the substrate 400.
  • the nozzle 403 must be positioned exactly above the desired predetermined area of the substrate 400, that is to say above the predetermined area 401 central in FIG. 4, so that the Volume of the solution 404 to be dispensed can be controlled along the shortest field line 408 between the nozzle 403 and the substrate 400 to this desired predetermined area 401 of the substrate 400.
  • Body 406 a potential can be generated over the entire surface of the upper surface of the substrate 400.
  • the body 406 is directly coupled to a voltage source 402 and is preferably made of metals with a high conductivity, such as aluminum, copper, gold, platinum, tungsten or palladium.
  • FIG. 5 shows a substrate 500, a plurality of predetermined areas 501 on the upper surface of the substrate 500, a voltage source 502, a dispensing device 503 (here a nozzle 503), a solution 504 to be dispensed, field lines 505, along which the solution 504 to be dispensed is attracted toward the substrate 500, a body of electrically conductive material 506 below the lower surface of the Substrate 500, a ground 507 and a shortest field line 508 between the nozzle 503 and the substrate 500.
  • the body 506 shown in FIG. 5 is located under the lower surface of the substrate 500. Otherwise, the explanation for FIG. 4 applies accordingly to FIG. 5.
  • FIG. 6 shows a substrate 600, a desired predetermined area 601 to which a solution 603 to be dispensed is to be dispensed, a dispensing device 602, field lines 604, along which the solution 603 to be dispensed is drawn towards the substrate 600, field lines 605, along which the solution 603 to be dispensed is repelled from the substrate 600, a plurality of predetermined areas 606 to which the solution 603 to be dispensed is not to be dispensed, a grounding 607 and a dielectric layer 608 on the upper surface of the substrate 600.
  • the explanation of FIG applies accordingly to Fig. 6.
  • FIG. 6 differs from FIG. 2 in that a dielectric layer 608 is applied to the upper surface of the substrate 600. Accordingly, capture molecules which are contained in the solution 603 to be dispensed are not dispensed directly onto the predetermined area 601 (which is preferably an electrode in themselves), but rather are dispensed onto the dielectric layer 608 above the predetermined area 601.
  • the dielectric layer 608 could preferably consist of the same, non-electrically conductive material as the substrate 600.
  • a suitable, non-electrically conductive material for this purpose is silicon dioxide or silicon nitride.
  • the applied dielectric layer 608 can be provided to protect the predetermined areas 601, 606 of the substrate 600, so that catcher molecules contained in the solution 603 to be dispensed are not dispensed directly on the conductive material of the respective predetermined area 601, 606, but on the dielectric layer 608 above the respective predetermined area 601, 606.
  • the dielectric layer 608 may also be advantageous not to form the dielectric layer 608 flush with the material of the substrate 600, so that the dielectric layer 608 after the dispensing of different capture molecules on the respective predetermined areas 601 , 606 for further evaluation or detection can be separated from the substrate 600 with its predetermined areas 601, 606.
  • This has the advantage that the position specificity of the predetermined areas 601, 606 of the substrate 600 results in a corresponding position specificity of the solution 606 dispensed in each case on the dielectric layer 608.
  • Such a specific position transfer from the respective predefined areas 601, 606 of the substrate 600 to the dielectric layer 608 has the advantage that, using ever new dielectric layers 608, the dispensing arrangement, consisting of the substrate 600, the predefined areas 601, 606, the nozzle 602 and the grounding 607 can be used repeatedly.
  • dispensing device here a nozzle
  • dispensing device here a nozzle

Abstract

The dispenser arrangement comprises a substrate (100). The substrate (100) has an upper and lower surface. The dispenser arrangement also comprises a dispenser device (103) for receiving a solution to be dispensed (104). The dispenser device (103) is arranged at a distance above the upper surface of the substrate (100) in such a way that the solution to be dispensed (104) can be dispensed above a given area (101) of the upper surface of the substrate (100). The substrate is electrically contacted in such a way that an electric potential can be generated between the given area and the dispenser device. The electric potential generated between the given area and the dispenser device makes it possible to control the direction in which the solution is dispensed towards said given area.

Description

Beschreibungdescription
Biosensorchip-Dispensier-A ordnung und Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem BiosensorchipBiosensor chip dispensing arrangement and method for dispensing a solution to be dispensed using the dispensing arrangement on a biosensor chip
Die Erfindung betrifft eine Biosensorchip-Dispensier-Anordnung und ein Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem BiosensorchipThe invention relates to a biosensor chip dispensing arrangement and a method for dispensing a solution to be dispensed using the dispensing arrangement on a biosensor chip
Auf Substrate miniaturisierte Bio-/Chemo-Arrays dienen dem Nachweis bestimmter Moleküle in zu untersuchenden Lösungen. Die Sensoren sind in großer Zahl auf einem Halbleitersubstrat, z.B. einem Siliziumchip, der bestimmte elektronischeBio- / chemo-arrays miniaturized on substrates serve the detection of certain molecules in solutions to be examined. The sensors are in large numbers on a semiconductor substrate, e.g. a silicon chip that certain electronic
Funktionen bereitstellt, realisierbar oder auch auf einem Substrat aus Glas, Plastik, oder einem anderen Substratmaterial. Der hohe Parallelisierungsgrad ermöglicht die zeitgleiche parallele Durchführung einer Reihe verschiedener Untersuchungen, so z.B. Untersuchungen auf das Vorhandensein verschiedener Substanzen (d.h. zu erfassender Moleküle) in einer gegebenen, zu untersuchenden Flüssigkeit. Durch diese Eigenschaft ergeben sich für derartige Sensor- Array-Chips mit entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, in der Pharmaindustrie zum Beispiel für Hochdurchsatz- Musterungsverfahren ("High Throughput Screening" (HTS) ) , in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, sowie in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.Provides functions, realizable or on a substrate made of glass, plastic, or another substrate material. The high degree of parallelization enables a number of different examinations to be carried out simultaneously, e.g. Examinations for the presence of different substances (i.e. molecules to be detected) in a given liquid to be examined. This property results in a variety of applications for such sensor array chips with a corresponding evaluation system, for example in medical diagnostics, in the pharmaceutical industry, for example for high-throughput screening processes ("High Throughput Screening" (HTS)), in the chemical industry, in the Food analysis, as well as in environmental and food technology.
Das Grundprinzip vieler bekannter Sensoren besteht darin, dass positionsspezifisch auf einem Substrat aus geeignetem Material zunächst bekannte sogenannte Fängermoleküle zum Beispiel mit Mikrodispensiertechniken aufgebracht und auf verschiedene Arten immobilisiert werden. Fig.7 zeigt schematisch ein solches Substrat 700 mit n Positionen 701, auf denen jeweils unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind. Ein solches Substrat 700 wird üblicherweise zur Diagnose (z.B. zum Testen einer zu untersuchenden Flüssigkeit auf das Vorhandensein unterschiedlicher, zu erfassender Moleküle) zunächst auf allen Positionen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht. In der Regel geschieht ein solches Inkontaktbringen durch Fluten des gesamten Substrats 700 mit der zu untersuchenden Flüssigkeit. Sofern die Fängermoleküle gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, gemäß dem nur diejenigen Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit von den Fängermolekülen gebunden werden, für die die letzteren eine Bindungsspezifität besitzen, mit einem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen Molekül eine spezifische Bindungsreaktion eingehen können, wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Fängermoleküle spezifisch gebunden. Ist dies nicht der Fall, so wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit nicht durch das Fängermolekül gebunden. Ein anschließendes Auswerten der jeweiligen Positionen 701 des Substrats 700 ergibt dann, ob ein Molekül bzw. welches Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhanden war.The basic principle of many known sensors is that so-called catcher molecules, for example with, are initially known in a position-specific manner on a substrate made of a suitable material Microdispensing techniques are applied and immobilized in various ways. 7 schematically shows such a substrate 700 with n positions 701, on each of which different capture molecules are immobilized. Such a substrate 700 is usually first brought into contact with the liquid to be examined at all positions for diagnosis (for example, to test a liquid to be examined for the presence of different molecules to be detected). Such contacting usually takes place by flooding the entire substrate 700 with the liquid to be examined. If the catcher molecules can bind to a molecule present in the liquid to be examined in a specific binding reaction according to the key-lock principle, according to which only those molecules in the liquid to be examined are bound by the catcher molecules for which the latter have a binding specificity, the molecule is specifically bound in the liquid to be examined by the capture molecules. If this is not the case, the molecule in the liquid to be examined is not bound by the capture molecule. Subsequent evaluation of the respective positions 701 of the substrate 700 then reveals whether a molecule or which molecule was present in the liquid to be examined.
Solche Substrate 700 werden häufig zum Erfassen von Nukleinsäuren in zu untersuchenden Flüssigkeiten verwendet. Wie oben beschrieben erfolgt dies dadurch, dass sowohl das Fängermolekül als auch das zu erfassende Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit beide Nukleinsäuren, d.h. DNA oder RNA sind, wobei eine spezifische Bindung die vollständige oder mindestens für eine Hybridisierung beider Nukleinsäurestränge miteinander ausreichende Komplementarität zwischen diesen beiden Molekülen voraussetzt.Such substrates 700 are often used to detect nucleic acids in liquids to be examined. As described above, this takes place in that both the catcher molecule and the molecule to be detected in the liquid to be examined are both nucleic acids, ie DNA or RNA, with a specific binding being the complete or at least for hybridization of both nucleic acid strands requires sufficient complementarity between these two molecules.
Es sind aber auch andere Kombinationen zwischen Fängermolekülen auf dem Substrat 700 und zu erfassenden Molekülen in der zu untersuchenden Flüssigkeit möglich. So können beispielsweise Nukleinsäuren als Fängermoleküle für Nukleinsäuren spezifisch bindende Peptide oder Proteine verwendet werden. Weiterhin bekannt ist die Verwendung von Peptiden oder Proteinen als Fängermoleküle für andere, dasHowever, other combinations between catcher molecules on the substrate 700 and molecules to be detected in the liquid to be examined are also possible. For example, nucleic acids can be used as capture molecules for peptides or proteins that bind specifically to nucleic acids. It is also known to use peptides or proteins as capture molecules for others
Fängerpeptid bzw. Fängerprotein bindende Proteine oder Peptide zu verwenden. Von sehr großer Bedeutung für die pharmazeutische Industrie ist die Verwendung von niedermolekularen (d.h. weniger als etwa 1.700 g/Mol Molekulargewicht) chemischen Verbindungen als Fängermoleküle für diese niedermolekulare Verbindungen bindende Proteine oder Peptide sowie umgekehrt, d.h. die Verwendung von Proteinen und Peptiden als Fängermoleküle für eventuell in einer zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandene, niedermolekulare Verbindungen.To use capture peptide or capture protein binding proteins or peptides. Of very great importance to the pharmaceutical industry is the use of low molecular weight (i.e. less than about 1,700 g / mol molecular weight) chemical compounds as capture molecules for these low molecular weight binding proteins or peptides and vice versa, i.e. the use of proteins and peptides as capture molecules for low-molecular compounds which may be present in a liquid to be examined.
Zum Nachweis der erfolgten Bindung zwischen dem auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekül und dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen, zu erfassenden Molekül ist es bekannt, ein optisches Nachweisverfahren oder ein elektronisches Nachweisverfahren zu verwenden.It is known to use an optical detection method or an electronic detection method to detect the binding that has taken place between the capture molecule applied to the substrate and the molecule to be detected that is present in the liquid to be examined.
Bei einem bekannten optischen Verfahren wird an die in der zu untersuchenden Lösung vorhandenen Moleküle spezifisch ein Fluoreszenzmarkierungsstoff ("Label") gebunden, der bei Beaufschlagen mit beispielsweise UV-Licht zum Leuchten angeregt werden kann. In der Regel ist diese Bindung eine chemisch kovalente Bindung. Wird nun das Substrat nach dem Inkontaktbringen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und nach einem weiteren Spülschritt, in dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit zwar vorhandene, jedoch nicht gebundene Moleküle entfernt werden, mit Licht beaufschlagt, so kann aufgrund der Kenntnis der Lokalisierung der jeweiligen Fängermoleküle bestimmt werden, an welchen Positionen des Substrats eine spezifische Bindung stattgefunden hat und an welchen Positionen keine spezifische Bindung stattgefunden hat. Aufgrund der genauen Kenntnis der verwendeten Fängermoleküle kann auf die Existenz bzw. die fehlende Existenz bestimmter, zu erfassender Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit geschlossen werden.In a known optical method, a fluorescent marking substance (“label”) is specifically bound to the molecules present in the solution to be examined, which can be excited to glow when exposed to, for example, UV light. As a rule, this bond is a chemically covalent bond. Now the substrate after the Contacting the liquid to be examined and after a further rinsing step in which existing but not bound molecules in the liquid to be examined are removed with light can be determined on the basis of the knowledge of the location of the respective capture molecules at which positions of the Specific binding has occurred substrate and at which positions no specific binding has occurred. On the basis of the exact knowledge of the capture molecules used, it can be concluded that there are certain molecules in the liquid to be detected, or that none of them exist.
Das optische Nachweisverfahren weist im Vergleich zu einem bekannten elektrischen Nachweisverfahren insbesondere den Nachteil auf, dass ein relativ kompliziertes und teures optisches System zur Auswertung verwendet werden muss. Dies erschwert z.B. den Einsatz eines solchen optischen Nachweisverfahrens in einer Arztpraxis.In comparison to a known electrical detection method, the optical detection method has the particular disadvantage that a relatively complicated and expensive optical system must be used for the evaluation. This makes e.g. the use of such an optical detection method in a doctor's office.
Ferner ist es zum Nachweis der erfolgten Bindung bekannt, ein elektrisches Nachweis erfahren einzusetzen. Beispiele eines solchen elektrischen Nachweisverfahrens sind aus [1] , [2] , [3], [4], [5], [6], [7] und [8] bekannt.It is also known for the detection of the binding that has been made to use an electrical detection. Examples of such an electrical detection method are known from [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] and [8].
Bei sowohl optischen als auch bei elektrischen Nachweisverfahren werden Fängermoleküle auf vorgegebene Bereiche eines Substrats immobilisiert. In der Regel erfolgt diese Immobilisierung durch Aufbringen einer diese Fängermoleküle enthaltende Lösung mittels Dispensiertechnik auf den vorgegebenen Bereich des Substrats. Die in dieser Lösung vorhandenen Fängermoleküle können dann mit dem jeweiligen vorgegebenen Bereich des Substrats reagieren, um auf diesem immobilisiert zu werden. Bei optischen Nachweisverfahren ist der vorgegebene Bereich oft ein beliebiger, von anderen Bereichen auf dem Substrat diskreter Bereich auf dem Substrat, dessen Beschaffenheit oft identisch ist mit derjenigen des übrigen Substrats. Bei elektrischen Nachweisverfahren ist der vorgegebene Bereich oft eine freiliegende Elektrode auf der Oberfläche des Substrats oder eine Elektrode, die mit einem anderen Material, z.B. mit dem Material des übrigen, die Elektrode umgebenden Substrats, überzogen ist.In both optical and electrical detection methods, capture molecules are immobilized on predetermined areas of a substrate. As a rule, this immobilization takes place by applying a solution containing these capture molecules to the predetermined area of the substrate by means of dispensing technology. The capture molecules present in this solution can then react with the respective predetermined area of the substrate to be immobilized on this. In optical detection methods, the predetermined area is often any area on the substrate which is discrete from other areas on the substrate, the nature of which is often identical to that of the rest of the substrate. In the case of electrical detection methods, the predetermined area is often an exposed electrode on the surface of the substrate or an electrode which is coated with another material, for example with the material of the rest of the substrate surrounding the electrode.
Im folgenden wird erläutert, wie das Dispensieren einer Lösung, die zu immobilisierende Fängermoleküle enthält, mittels bekannter Dispensiertechnik auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats idealerweise aufgebracht wird.The following explains how the dispensing of a solution containing capture molecules to be immobilized is ideally applied to a predetermined area of a substrate by means of known dispensing technology.
In Fig.3A und 3B sind ein Substrat 300, ein vorgegebener Bereich 301 des Substrats 300, eine Dispensiervorrichtung 302 (hier eine Düse) , eine zu dispensierende Lösung 303, große Führungs orSprünge 304, und eine Kavität 306, die oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 durch die großen Führungsvorsprünge 304 gebildet ist, dargestellt.In FIGS. 3A and 3B are a substrate 300, a predetermined area 301 of the substrate 300, a dispensing device 302 (here a nozzle), a solution 303 to be dispensed, large guide projections 304, and a cavity 306, which is above the predetermined area 301 is formed by the large guide projections 304.
Fig.3A und 3B zeigen den Fall, dass die Führungsvorsprünge 304 relativ groß ausgebildet sind, so dass sie imstande sind, das dispensierte Volumen der Lösung 303 vollständig aufzunehmen. Fig.3A zeigt einen Tropfen der Lösung 303, der gerade aus der Düse 302 dispensiert wird. Fig.3B zeigt das Ergebnis nach dem Dispensieren der Lösung 303 aus der Düse 302. Es ist anzumerken, dass die Lösung 303 in der Fig.3B den vorgegebenen3A and 3B show the case where the guide protrusions 304 are made relatively large so that they are able to completely absorb the dispensed volume of the solution 303. Figure 3A shows a drop of solution 303 that is being dispensed from nozzle 302. FIG. 3B shows the result after the solution 303 has been dispensed from the nozzle 302. It should be noted that the solution 303 in FIG
Bereich 301 vollständig benetzt, was den Idealfall darstellt. In Fig.3C und 3D sind ein Substrat 300, ein vorgegebener Bereich 301 des Substrats 300, eine Dispensiervorrichtung 302 (hier eine Düse), eine zu dispensierende Lösung 303, kleine Führungsvorsprünge 305, und eine Kavität 306, die oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 durch die kleinen Führungsvorsprünge 304 gebildet ist, dargestellt.Area 301 completely wetted, which is the ideal case. In FIGS. 3C and 3D, a substrate 300, a predetermined area 301 of the substrate 300, a dispensing device 302 (here a nozzle), a solution 303 to be dispensed, small guide projections 305, and a cavity 306 that pass through the predetermined area 301 the small guide projections 304 is formed.
Fig.3C und 3D zeigen den Fall, dass kleinere Führungsvorsprünge 305 als diejenige in den Fig.3A und 3B vorgesehen sind. Die Fig.3C zeigt den Tropfen der Lösung 303, während dieser aus der Düse 302 gerade dispensiert wird. Die Fig.3D zeigt den Fall nach der Dispensierung des Tropfens der Lösung 303 aus der Düse 302 derart, dass dieser Tropfen jetzt zwischen den Führungsvorsprüngen 305 zwar oberhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, jedoch ist das Volumen des Tropfens der Lösung 303 in Fig.3D aufgrund der kleinen Führungsvorsprünge 305 von diesen nicht vollständig aufzunehmen. Aus diesem Grund erstreckt sich der Tropfen der Lösung 303 über die Führungsvorsprünge 305 nach oben hinaus, wobei die Oberflächenspannung der Lösung 303 dazu führt, dass eine im Allgemeinen kugelförmige Form des Tropfens der Lösung 303 oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 beibehalten wird. Es ist anzumerken, dass der in der Fig.3D gezeigte vorgegebene Bereich 301 vollständig, d.h. gleichmäßig, von dem Tropfen der Lösung 303 benetzt ist, was den Idealfall darstellt.3A and 3B show the case that smaller guide protrusions 305 than that in Figs. 3A and 3B are provided. Figure 3C shows the drop of solution 303 as it is being dispensed from nozzle 302. 3D shows the case after dispensing the drop of solution 303 from the nozzle 302 such that this drop is now between the guide projections 305 above the predetermined range, but the volume of the drop of solution 303 in FIG. 3D is due of the small guide protrusions 305 cannot be fully received by them. For this reason, the drop of solution 303 extends upward beyond the guide protrusions 305, the surface tension of the solution 303 tending to maintain a generally spherical shape of the drop of the solution 303 above the predetermined area 301. It should be noted that the predetermined area 301 shown in Fig. 3D is complete, i.e. is evenly wetted by the drop of solution 303, which is the ideal case.
Jedoch ist ein solcher Idealfall mit herkömmlichen Chip- Anordnungen mit Sensorelektroden in der Regel nicht realisierbar. Fig.δA zeigt ein Substrat 800, einen vorgegebenen Bereich 801 auf dem Substrat 800, eine zu dispensierende Lösung 802, große Führungsvorsprünge 803, eine beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen Bereich 801, sowie durch die großen Führungsvorsprünge 803 gebildete Kavität 806. Fig.8B zeigt ein Substrat 800, einen vorgegebenen Bereich 801 auf dem Substrat 800, eine zu dispensierende Lösung 802, kleine Führungsvorsprünge 805, eine beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen Bereich 801, sowie durch die kleinen Führungsvorsprünge 805 gebildete Kavität 806.However, such an ideal case cannot usually be realized with conventional chip arrangements with sensor electrodes. Fig. A shows a substrate 800, a predetermined area 801 on the substrate 800, a solution 802 to be dispensed, large guide projections 803, an air bubble 804 enclosed during the dispensing between the solution 802 and the predetermined area 801, and by the 8B shows a substrate 800, a predetermined area 801 on the substrate 800, a solution 802 to be dispensed, small guide projections 805, an air bubble 804 enclosed during the dispensing between the solution 802 and the predetermined area 801, and cavity 806 formed by the small guide projections 805.
Die Fig.8A entspricht der Fig.3B, wobei allerdings während des Dispensierens eine Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen 801 eingeschlossen wird. Da das Dispensieren bei den oben beschriebenen Anwendungen oftmals mit sehr kleinen Volumen stattfindet (beispielsweise mit Volumen im Nanoliter-Bereich) , kann die Luftblase 804 sich nicht nach oben bewegen, um in die die Lösung 802 umgebende Atmosphäre abgeleitet zu werden. Aus diesem Grund bleibt die Luftblase 804 unterhalb der Lösung 802 in Kontakt mit dem vorgegebenen Bereich 801, so dass dieser Bereich des vorgegebenen Bereichs 801 keine zu immobilisierenden Fängermoleküle in der Lösung 802 kontaktieren kann. Somit werden keine zu immobilisierendenFIG. 8A corresponds to FIG. 3B, but an air bubble 804 is enclosed between the solution 802 and the predetermined 801 during the dispensing. Since the dispensing often takes place with very small volumes in the applications described above (for example with volumes in the nanoliter range), the air bubble 804 cannot move upwards in order to be discharged into the atmosphere surrounding the solution 802. For this reason, the air bubble 804 below the solution 802 remains in contact with the predetermined area 801, so that this area of the predetermined area 801 cannot contact any catcher molecules to be immobilized in the solution 802. Thus, none are to be immobilized
Fängermoleküle auf jenen Bereich des vorgegebenen Bereichs 801, der unterhalb der Luftblase 804 liegt, immobilisiert, während auf dem Bereich des vorgegebenen Bereichs 801, der die Lösung 802 direkt kontaktiert, zu immobilisierende Fängermoleküle in der Lösung 802 immobilisiert werden.Capture molecules are immobilized on that area of the predetermined area 801 that lies below the air bubble 804, while capture molecules to be immobilized on the area of the predetermined area 801 that directly contacts the solution 802 are immobilized in the solution 802.
Somit führt eine unvollständige Benetzung des vorgegebenen Bereichs 801 mit der Lösung 802 zu dem unerwünschten Zustand, dass nach der Immobilisierungsphase ein Teilbereich des vorgegebenen Bereichs 801 immobilisierte Fängermoleküle aufweist, während ein anderer Teilbereich des vorgegebenen Bereichs 801 keine immobilisierten Fängermoleküle aufweist. Im späteren Nachweisverfahren könnte eine solche, ungleichmäßige Immobilisierung von Fängermolekülen auf dem vorgegebenen Bereich 801 zu unerwünschten Messartefakten führen.Thus, incomplete wetting of the predetermined area 801 with the solution 802 leads to the undesirable state that after the immobilization phase, a partial area of the predetermined area 801 has immobilized capture molecules, while another partial area of the predetermined area 801 has no immobilized capture molecules. In the later detection procedure, such a, uneven Immobilization of capture molecules on the specified area 801 leads to undesired measurement artifacts.
Ein weiterer Nachteil bei solchen Dispensierverfahren im Stand der Technik liegt darin, dass wegen der kleinen Volumen, die bei solchen Dispensierverfahren verwendet werden, das Dispensieren an sich hinsichtlich des gewünschten Dispensierortes oft sehr unpräzise erfolgt. Wie oben erläutert, werden solche Dispensierverfahren im Stand der Technik oft mit sehr kleinen Volumen, zum Beispiel mit Volumen im Nanoliter-Bereich, durchgeführt. Das Volumen der zu dispensierenden Lösung erfährt daher an sich oft aufgrund seines Gewichtes, eine Gewichts raft, die etwa so groß ist wie die Kraft durch den Luftwiderstand, den ein solches Volumen während des Dispensierens erfährt. Nach dem Austreten aus, zum Beispiel, einer Düse bei einem solchen Dispensierverfahren kann also vor dem Ruhen des Volumens der zu dispensierenden Lösung aufgrund dieses Luftwiderstandes zur Seite der Sollflugbahn dieses Volumens zwischen der Düse und dem Substrat wandern, was das genaue Platzieren des Volumens der zu dispensierenden Lösung auf einem bestimmten Ort des Substrats erschwert.Another disadvantage with such dispensing methods in the prior art is that because of the small volumes used in such dispensing methods, the dispensing itself is often very imprecise with regard to the desired dispensing location. As explained above, such dispensing methods in the prior art are often carried out with very small volumes, for example with volumes in the nanoliter range. The volume of the solution to be dispensed is therefore often experienced per se because of its weight, a weight that is approximately as great as the force due to the air resistance that such a volume experiences during the dispensing. After exiting, for example, a nozzle in such a dispensing method, therefore, before the volume of the solution to be dispensed is at rest due to this air resistance, this volume can move to the side of the desired trajectory of this volume between the nozzle and the substrate, which means the exact placement of the volume of the dispensing solution on a specific location of the substrate difficult.
Ferner ist in [9] ein Mikroportionierer für Flüssigkeiten bekannt mit einem Mittel zur Erzeugung einer elektrischenFurthermore, in [9] a micro portioner for liquids is known with a means for generating an electrical one
Potentialdifferenz zwischen der Auslassöffnung einer Kapillare und einem ihr gegenüberliegenden Ort außerhalb der Kapillare, wobei das Mittel derart eingerichtet ist, dass aus der Kapillare austretende Tropfen mittels der elektrischen Potentialdifferenz abgerissen werden.Potential difference between the outlet opening of a capillary and a location opposite it outside the capillary, the means being set up such that drops emerging from the capillary are torn off by means of the electrical potential difference.
Weitere Vorrichtungen zum Aufbringen einer Flüssigkeit auf ein Substrat sind in [10] , [11] , [12] sowie [13] beschrieben. Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die räumliche Genauigkeit, mit der ein Volumen der zu dispensierenden Lösung auf ein Substrat dispensiert werden kann, zu verbessern.Further devices for applying a liquid to a substrate are described in [10], [11], [12] and [13]. The invention is therefore based on the problem of improving the spatial accuracy with which a volume of the solution to be dispensed can be dispensed onto a substrate.
Dieses Problem wird mit einer Biosensorchip-Dispensier- Anordnung und einem Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem Biosensorchip mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.This problem is solved with a biosensor chip dispensing arrangement and a method for dispensing a solution to be dispensed onto a predetermined area of a substrate using the dispensing arrangement on a biosensor chip with the features according to the independent patent claims.
Eine Biosensorchip-Dispensier-Anordnung weist ein Substrat auf. Das Substrat weist eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche auf. Weiterhin weist die Dispensier-Anordnung eine Dispensiervorrichtung zur Aufnahme einer zu dispensierenden Lösung auf. Die Dispensiervorrichtung ist in einem Abstand oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet derart, dass die zu dispensierende Lösung oberhalb eines vorgegebenen Bereichs der oberen Oberfläche des Substrats dispensiert werden kann, wobei der vorgegebene Bereich der oberen Oberfläche des Substrats derart eingerichtet ist, dass auf ihr Fängermoleküle immobilisierbar sind. Hierbei ist das Substrat elektrisch kontaktiert derart, dass zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung ein elektrisches Potential erzeugt werden kann. Das zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung erzeugte elektrische Potential ermöglicht, dass die Richtung des Dispensierens der zu dispensierenden Lösung zum vorgegebenen Bereich hin gesteuert werden kann.A biosensor chip dispenser arrangement has a substrate. The substrate has an upper surface and a lower surface. Furthermore, the dispensing arrangement has a dispensing device for receiving a solution to be dispensed. The dispensing device is arranged at a distance above the upper surface of the substrate such that the solution to be dispensed can be dispensed above a predetermined area of the upper surface of the substrate, the predetermined area of the upper surface of the substrate being set up in such a way that catcher molecules are applied to it are immobilizable. Here, the substrate is electrically contacted such that an electrical potential can be generated between the predetermined area and the dispensing device. The electrical potential generated between the predefined area and the dispensing device enables the direction of the dispensing of the solution to be dispensed to the predefined area to be controlled.
Die Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß der Erfindung bringt den Vorteil, dass durch Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen zumindest dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung ein Volumen der zu dispensierenden Lösung aktiv in Richtung der Zielposition, das heißt des vorgegebenen Bereiches des Substrats, elektrostatisch hingezogen wird. Somit wird die Flugbahn eines auch sehr kleinen Volumens der zu dispensierenden Lösung aus der Dispensiervorrichtung durch die zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrates und der Dispensiervorrichtung existierenden elektrostatischen Feldlinien bestimmt, wodurch ein seitliches Wandern des Volumens der zu dispensierendenThe biosensor chip dispensing arrangement according to the invention has the advantage that by applying an electrical Potential between at least the predetermined area of the substrate and the dispensing device, a volume of the solution to be dispensed is actively electrostatically drawn towards the target position, that is, the predetermined area of the substrate. Thus, the trajectory of a very small volume of the solution to be dispensed from the dispensing device is determined by the electrostatic field lines existing between the predetermined area of the substrate and the dispensing device, as a result of which the volume of the dispensed device migrates sideways
Lösung ausserhalb der beabsichtigten Flugbahn des Volumens der zu dispensierenden Lösung reduziert und daher die ortsspezifische Genauigkeit, mit der das Volumen der zu dispensierenden Lösung auf das Substrat aufgebracht werden kann, erhöht wird.Solution outside the intended trajectory of the volume of the solution to be dispensed is reduced and therefore the location-specific accuracy with which the volume of the solution to be dispensed can be applied to the substrate is increased.
Des weiteren wird durch das aktive, elektostatische Hinziehen des Volumens der zu dispensierenden Lösung zu einem bestimmten vorgegebenen Bereich die Gefahr reduziert, dass beim Dispensieren zwischen dem Volumen der zu dispensierenden Lösung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats eine Luftblase eingeschlossen wird. Das Volumen der zu dispensierenden Lösung wird effektiv durch die Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats auf diesen gezogen, so dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung sich an den vorgegebenen Bereich eng anschmiegt, d.h. den vorgegebenen Bereichs des Substrats vollständig und gleichmäßig benetzt.Furthermore, the active, electostatic drawing of the volume of the solution to be dispensed to a certain predetermined area reduces the risk that an air bubble is enclosed between the volume of the solution to be dispensed and the predetermined area of the substrate during dispensing. The volume of the solution to be dispensed is effectively drawn onto it by the field lines between the dispensing device and the predetermined area of the substrate, so that the volume of the solution to be dispensed clings closely to the predetermined area, i.e. completely and evenly wets the predetermined area of the substrate.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßenAccording to an embodiment of the invention
Biosensorchip-Dispensier-Anordnung ist die elektrische Kontaktierung des Substrats derart eingerichtet, dass das elektrische Potential ganzflächig an das Substrat angelegt werden kann. In diesem Szenario besteht zwischen der gesamten oberen Oberfläche des Substrats und der Dispensiervorrichtung ein für das Steuern eines Volumens der zu dispensierenden Lösung aus der Düse zum Substrat hin maßgebendes Potential, und der vorgegebene Bereich des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, stellt eine gedanklich abgegrenzte Unterteilung der gesamten oberen Oberfläche des Substrats dar. Demnach trägt der vorgegebene Bereich gemäß diesem Ausführungsbeispiel dieselbe elektrostatische Ladung wie die gesamte obere Oberfläche des Substrats .Biosensor chip dispensing arrangement, the electrical contacting of the substrate is set up in such a way that the electrical potential is applied to the entire surface of the substrate can be. In this scenario, between the entire upper surface of the substrate and the dispensing device, there is a potential for controlling a volume of the solution to be dispensed from the nozzle to the substrate, and the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed, represents a conceptually delimited subdivision of the entire upper surface of the substrate. Accordingly, the predetermined area according to this exemplary embodiment carries the same electrostatic charge as the entire upper surface of the substrate.
Bei einem ganzflächig auf das Substrat angelegten Potential sind vorzugsweise zwei Möglichkeiten hinsichtlich des Aufbaus des Substrats vorgesehen.With a potential applied to the entire surface of the substrate, two options are preferably provided with regard to the structure of the substrate.
Bei der ersten Möglichkeit besteht das Substrat selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material, und die elektrische Kontaktierung ist eine unmittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat selbst und einer mit dem Substrat gekoppelten Spannungsquelle. Mögliche elektrisch leitfähige Materialien, aus denen das Substrat bestehen könnte, sind beispielsweise Polysilizium oder unterschiedliche Metalle wie zum Beispiel Gold.In the first possibility, the substrate itself consists of an electrically conductive material, and the electrical contact is a direct electrical contact between the substrate itself and a voltage source coupled to the substrate. Possible electrically conductive materials from which the substrate could consist are, for example, polysilicon or different metals such as gold.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel das Potential ganzflächig auf das Substrat angelegt werden kann, kommen Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und der oberen Oberfläche des Substrats nicht nur zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, und der Dispensiervorrichtung, sondern auch zwischen anderen Bereichen auf der oberen Oberfläche des Substrats und der Dispensiervorrichtung zustande . In diesem Fall wird der Flugweg des dispensierten Volumens der zu dispensierenden Lösung durch die kürzeste Feldlinie zu der oberen Oberfläche des Substrats hin bestimmt. Bei senkrecht zur oberen Oberfläche ausgerichteter Dispensiervorrichtung ist diese kürzeste Feldlinie diejenige Feldlinie, die senkrecht zu dem vorgegebenen Bereich auf der oberen Oberfläche des Substrats verläuft. Aus diesem Grund ist es bei einem solchen Ausführungsbeispiel wichtig, die laterale Position der Dispensiervorrichtung möglichst genau oberhalb des vorgegebenen Bereichs des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, zu positionieren, so dass die die Flugbahn des zu dispensierenden Lösung bestimmenden Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats diejenige Feldlinie aus der Mehrzahl der Feldlinien ist, die am kürzesten ist.Since in this embodiment the potential can be applied to the entire surface of the substrate, field lines between the dispensing device and the upper surface of the substrate come not only between the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed and the dispensing device, but also between other areas on the top surface of the substrate and the dispensing device. In this In this case, the flight path of the dispensed volume of the solution to be dispensed is determined by the shortest field line to the upper surface of the substrate. In the case of a dispensing device oriented perpendicular to the upper surface, this shortest field line is the field line which runs perpendicular to the predetermined area on the upper surface of the substrate. For this reason, it is important in such an embodiment to position the lateral position of the dispensing device as precisely as possible above the predetermined area of the substrate to which the solution to be dispensed is to be dispensed, so that the field lines determining the trajectory of the solution to be dispensed between the dispensing device and the predetermined area of the substrate is that field line from the plurality of field lines that is the shortest.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem das Potential ganzflächig auf die obere Oberfläche des Substrats angelegt ist, besteht das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material und die elektrische Kontaktierung ist eine mittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat und einem elektrisch leitfähigen, mit einer Spannungsquelle gekoppelten Körper. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Volumen der zu dispensierenden Lösung nicht direkt auf dem elektrisch leitfähigen Material, sondern auf das nicht elektrisch leitfähige Material des Substrats dispensiert. Ein bevorzugtes, nicht elektrisch leitfähiges Material ist Siliziumdioxid oder Siliziunanitrid. Bevorzugte, elektrisch leitfähige Materialien, aus denen der mit der Spannungsquelle gekoppelte Körper geschaffen sein kann, umfassen alle Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Beispielsweise kann Aluminium, Gold, Platin, Kupfer, Wolfram oder Palladium als Material für den elektrisch leitfähigen Körper verwendet werden.In a second exemplary embodiment, in which the potential is applied to the entire surface of the upper surface of the substrate, the substrate consists of a non-electrically conductive material and the electrical contact is an indirect electrical contact between the substrate and an electrically conductive body coupled to a voltage source , In this embodiment, the volume of the solution to be dispensed is not dispensed directly on the electrically conductive material, but rather on the non-electrically conductive material of the substrate. A preferred, non-electrically conductive material is silicon dioxide or silicon nitride. Preferred, electrically conductive materials from which the body coupled to the voltage source can be created include all metals with high electrical conductivity. For example, aluminum, gold, platinum, Copper, tungsten or palladium can be used as the material for the electrically conductive body.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieser elektrisch leitfähige, mit einer Spannungsquelle verbundene Körper innerhalb des Substrates zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats angeordnet.According to an embodiment of the invention, this electrically conductive body connected to a voltage source is arranged within the substrate between the upper surface and the lower surface of the substrate.
Der elektrisch leitfähige, mit einer Spannungsquelle verbundene Körper ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung unterhalb der unteren Oberfläche des Substrats angeordnet .According to another exemplary embodiment of the invention, the electrically conductive body connected to a voltage source is arranged below the lower surface of the substrate.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrische Kontaktierung derart geschaffen, dass das elektrische Potential auf nur einen einzelnen vorgegebenen Bereich des Substrats angelegt werden kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen nur zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung Feldlinien, die ein elektrisches Feld symbolisch darstellen, das ein Volumen der zu dispensierenden Lösung zum Substrat hin zieht. Auf andere Bereiche des Substrats, die nicht der vorgegebene Bereich des Substrats sind, wird entweder kein Potential oder ein das Volumen der zu dispensierenden Lösung abstoßendes Potential angelegt. Da Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung zum Substrat hin angezogen wird, nur zwischen dem gewünschten vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung bestehen, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung die genaue Positionierung der Dispensiervorrichtung oberhalb des vorgegebenen Bereiches des Substrats nicht von der Bedeutung wie bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei welchen das Potential ganzflächig an das Substrat angelegt wird.According to a further exemplary embodiment of the invention, the electrical contacting is created in such a way that the electrical potential can be applied to only a single predetermined region of the substrate. According to this exemplary embodiment of the invention, there are only field lines between the predetermined region of the substrate and the dispensing device, which symbolically represent an electric field that pulls a volume of the solution to be dispensed towards the substrate. No other potential or a potential repelling the volume of the solution to be dispensed is applied to other areas of the substrate that are not the predetermined area of the substrate. Since field lines, along which the solution to be dispensed is drawn towards the substrate, only exist between the desired predetermined area of the substrate and the dispensing device, the exact positioning of the dispensing device above the predetermined area of the substrate is not as important as in this exemplary embodiment of the invention both Embodiments of the invention in which the potential is applied to the substrate over the entire surface.
Bevorzugt besteht das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigem Material und der vorgegebene Bereich des Substrats ist eine Elektrode, die mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Elektrode, also der vorgegebene Bereich des Substrats, eine von einer Mehrzahl von Elektroden auf der oberen Oberfläche des Substrats, auf die Positionsspezi isch relativ zu den anderen Elektroden auf der Oberfläche des Substrats ein das Volumen der zu dispensierenden Lösung anziehendes Potential angelegt werden kann.The substrate preferably consists of a non-electrically conductive material and the predetermined region of the substrate is an electrode which is coupled to a voltage source. According to such an embodiment of the invention, the electrode, that is to say the predetermined region of the substrate, is one of a plurality of electrodes on the upper surface of the substrate, on the position-specific relative to the other electrodes on the surface of the substrate, the volume of which is to be dispensed Solution attracting potential can be created.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Elektrode nicht nur oberhalb der Oberfläche des Substrats, sondern auch unterhalb der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet sein. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel wird die zu dispensierende Lösung nicht direkt auf die Elektrode selbst dispensiert, sondern auf das elektrisch nicht leitfähige Material des Substrats.According to a further exemplary embodiment of the invention, the electrode can be arranged not only above the surface of the substrate, but also below the upper surface of the substrate. According to such an embodiment, the solution to be dispensed is not dispensed directly onto the electrode itself, but rather onto the electrically non-conductive material of the substrate.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektrode, die den vorgegebenen Bereich des Substrats darstellt, Gold auf. Die Verwendung von Gold ermöglicht nicht nur eine hohe elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die Immobilisierung von auf der Elektrode aufgebrachten Fängermolekülen mittels einer bekannten Gold- Schwefel-Kopplung.According to a particularly preferred exemplary embodiment of the invention, the electrode, which represents the predetermined region of the substrate, has gold. The use of gold not only enables high electrical conductivity, but also the immobilization of capture molecules applied to the electrode by means of a known gold-sulfur coupling.
Bei allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist ein geeignetes, nicht elektrisch leitfähiges Material Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Je nach Verwendungszweck können jedoch andere Materialien, z.B. polymerische Materialien wie Polyethylen, Polypropylen, Polyethylen- Polypropylen Block Copolymere, Polystyrol, Aluminiumoxid, Titanoxid, sowie Tantaloxid verwendet werden.In all of the preceding exemplary embodiments, a suitable, non-electrically conductive material is silicon dioxide or silicon nitride. Depending on the purpose However, other materials, for example polymeric materials such as polyethylene, polypropylene, polyethylene-polypropylene block copolymers, polystyrene, aluminum oxide, titanium oxide, and tantalum oxide can be used.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dispensiervorrichtung eine Düse. Bevorzugt ist die Düse derart eingerichtet, dass die zu dispensierende Lösung in Volumen bis zu einem Nanoliter dispensiert werden kann. Zu Mikrodispensierzwecken sind beispielsweise Piezomikrodüsen bevorzugt .According to one embodiment of the invention, the dispensing device is a nozzle. The nozzle is preferably set up in such a way that the solution to be dispensed can be dispensed in volumes up to one nanoliter. For microdispensing purposes, for example, piezo micro nozzles are preferred.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Dispensiervorrichtung, beispielsweise eine Düse, zu immobilisierende Fängermoleküle. Dadurch, dass die zu dispensierende Lösung auf einen bestimmten vorgegebenen Bereich des Substrats dispensiert wird, werden die in der zu dispensierenden Lösung enthaltenen Fängermoleküle auf dem vorgegebenen Bereich des Substrat ortsspezifisch aufgebracht, so dass diese auf dem Substrat immobilisiert werden können.In a further exemplary embodiment of the invention, the dispensing device, for example a nozzle, contains capture molecules to be immobilized. Because the solution to be dispensed is dispensed onto a certain predetermined area of the substrate, the capture molecules contained in the solution to be dispensed are applied in a location-specific manner to the predetermined area of the substrate, so that they can be immobilized on the substrate.
Dies setzt voraus, dass die Beschaffenheit des vorgegebenen Bereichs derart ist, dass eine chemische, d.h. kovalente, Bindung zwischen dem zu immobilisierenden Fängermolekül und sich selbst möglich ist. Die Immobilisierung eines in der zu dispensierenden Lösung enthaltenen Fängermoleküls je nach Aufbau des Substrats kann also auf ein entweder elektrisch leitfähiges Material oder ein nicht elektrisch leitfähiges Material erfolgen.This presupposes that the nature of the specified area is such that a chemical, i.e. covalent, bond between the capture molecule to be immobilized and itself is possible. Depending on the structure of the substrate, a capture molecule contained in the solution to be dispensed can therefore be immobilized on either an electrically conductive material or a non-electrically conductive material.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats eine Dielektrikumschicht angeordnet, so dass die Dielektrikumschicht die obere Oberfläche des Substrats sowie, falls vorhanden, die auf der oberen Oberfläche des Substrats angeordnete Elektrode bedeckt. Zwar wird dadurch die eventuell auf der Oberfläche des Substrats sich befindliche Elektrode bedeckt, jedoch wird diese durch eine solche Dielektrikumschicht von äußeren Einflüssen beschützt. Ob eine Dielektrikumschicht auf die obere Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, hängt beispielsweise also davon ab, wie die zu immobilisierenden Fängermoleküle immobilisiert werden sollen oder auch wie das elektrische Potential zwischen dem vorgegebnen Bereich des Substrats und derAccording to a further exemplary embodiment of the invention, a dielectric layer is arranged above the upper surface of the substrate, so that the dielectric layer covers the upper surface of the substrate and if present, covers the electrode located on the top surface of the substrate. Although the electrode which may be located on the surface of the substrate is thereby covered, it is protected from external influences by such a dielectric layer. Whether a dielectric layer is applied to the upper surface of the substrate depends, for example, on how the capture molecules to be immobilized are to be immobilized or also how the electrical potential between the predetermined area of the substrate and the
Dispensiervorrichtung der Dispensier-Anordnung erzeugt werden soll.Dispensing device of the dispensing arrangement is to be generated.
Eine solche Dielektrikumschicht die auf die obere Oberfläche des Substrats sowie, falls vorhanden, auf die obere Oberfläche des Substrats angeordnete Elektrode aufgebracht werden kann, kann Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufweisen.Such a dielectric layer, which can be applied to the upper surface of the substrate and, if present, to the electrode arranged on the upper surface of the substrate, can have silicon dioxide or silicon nitride.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auf der oberen Oberfläche oder, falls vorhanden, auf derAccording to a further embodiment of the invention, on the upper surface or, if present, on the
Dielektrikumschicht seitlich des vorgegebenen Bereiches sich nach oben hin erstreckende Führungsvorsprünge angeordnet .Dielectric layer arranged laterally upwardly extending guide projections.
Solche Führungsvorsprünge weisen Führungsflächen auf, die nach innen hin zum vorgegebenen Bereich führen. SolcheSuch guide projections have guide surfaces that lead inwards to the predetermined area. Such
Führungsvorsprünge können verwendet werden, um die zu dispensierende Lösung gezielt oberhalb des vorgegebenen Bereiches des Substrats zu sammeln. Der Effekt der Führungsvorsprünge kommt insbesondere in den Fällen zum tragen, bei denen ein Fehlplatzieren des Volumens der zu dispensierenden Lösung seitlich oberhalb des vorgegebenen Bereichs des Substrats vermieden werden soll. Dies könnte beispielsweise bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel der Fall sein, bei dem ein Potential ganzflächig auf das Substrat angelegt werden kann, so dass zwischen derGuide projections can be used to collect the solution to be dispensed in a targeted manner above the predetermined area of the substrate. The effect of the guide projections is particularly important in those cases in which incorrect placement of the volume of the solution to be dispensed is to be avoided laterally above the predetermined area of the substrate. This could be the case, for example, in the embodiment of FIG Case in which a potential can be applied to the entire surface of the substrate, so that between the
Dispensiervorrichtung und dem Substrat mehrere Feldlinien die Flugbahn eines Volumens der zu dispensierenden Lösung beeinflussen können. Dadurch könnte es zu einem unerwünschten „Wegfliessen" des Volumens der zu dispensierenden Lösung aus dem vorgegebenen Bereich hinaus auf der Oberfläche des Substrats kommen. Ein solches „WegfHessen" sollte daher vermieden werden.Dispensing device and the substrate several field lines can influence the trajectory of a volume of the solution to be dispensed. This could lead to an undesired "flowing away" of the volume of the solution to be dispensed from the predetermined area on the surface of the substrate. Such "missing" should therefore be avoided.
Bei einem Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats unter Verwendung der Dispensier-Anordnung wie oben erläutert, werden die Dispensiervorrichtung und/oder das Substrat relativ zueinander bewegt derart, dass nach vollzogener Bewegung die Dispensiervorrichtung oberhalb des vorgegebenen Bereichs zum Ruhen kommt. Der vorgegebene Bereich des Substrats ist derart eingerichtet, dass auf diesem Fängermoleküle immobilisierbar sind. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Oberfläche des Substrats in dem vorgegebenen Bereich selbst oder eine auf dem Substrat in dem vorgegebenen Bereich aufgebrachte zusätzliche Schicht derart eingerichtet ist dass auf dieser Fängermoleküle immobilisierbar sind. Ein elektrisches Potential wird zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung angelegt. DieIn a method for dispensing a solution to be dispensed onto a predetermined area of a substrate using the dispensing arrangement as explained above, the dispensing device and / or the substrate are moved relative to one another in such a way that, after the movement has been completed, the dispensing device is resting above the predetermined area comes. The predetermined area of the substrate is set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it. In other words, the surface of the substrate in the predetermined area itself or an additional layer applied to the substrate in the predetermined area is set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it. An electrical potential is applied between the predetermined area of the substrate and the dispensing device. The
Dispensiervorrichtung wird zum Dispensieren eines Volumens der zu dispensierenden Lösung veranlasst. Man lässt das zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats existierende Potential auf das dispensierte Volumen der zu dispensierenden Lösung wirken, so dass ein Volumen der zu dispensierenden Lösung in Richtung des vorgegebenen Bereichs hin gesteuert wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.Dispensing device is caused to dispense a volume of the solution to be dispensed. The potential existing between the dispensing device and the predetermined area of the substrate is allowed to act on the dispensed volume of the solution to be dispensed, so that a volume of the solution to be dispensed is controlled in the direction of the predetermined area. Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Fig.l eine schematische Darstellung einesFig.l is a schematic representation of a
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei dem ein Potential ganzflächig an das Substrat angelegt werden kann;Embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which a potential can be applied to the substrate over the entire surface;
Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der positionsspezifisch auf das Substrat unterschiedliche Potentialien an unterschiedliche Bereiche des2 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which different potentials to different areas of the substrate are specific to the position
Substrats angelegt werden können;Substrate can be created;
Fig.3 eine schematische Darstellung verschiedener3 shows a schematic representation of various
Biosensorchip-Dispensier-Anordnungen gemäß dem Stand der Technik;Biosensor chip dispensing arrangements according to the prior art;
Fig.4 eine schematische Darstellung eines4 shows a schematic representation of a
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der ein Potential ganzflächig entlang des Substrats mittels eines in dem Substrat sich befindlichen Körpers erzeugbar ist;Embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which a potential can be generated over the entire surface along the substrate by means of a body located in the substrate;
Fig.5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der ein5 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which a
Potential ganzflächig entlang des Substrats mittels eines unterhalb des Substrats sich befindlichen Körpers er∑eugbar ist;Potential over the whole area along the substrate can be seen by means of a body located below the substrate;
Fig.6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der unterschiedliche Potentiale an unterschiedliche vorgegebene Bereiche des Substrats angelegt werden können und bei dem eine Dielektrikumschicht oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats aufgebracht ist;6 shows an embodiment of the biosensor chip dispensing arrangement according to the invention, in which different potentials can be applied to different predetermined areas of the substrate and in which a dielectric layer is applied above the upper surface of the substrate;
Fig.7 ein adressierbares Substrat mit mehreren vorgegebenen Bereichen gemäß dem Stand der Technik;7 shows an addressable substrate with a plurality of predetermined areas according to the prior art;
Fig.8 eine schematische Darstellung einer unvollständigen Benetzung eines vorgegebenen Bereichs eines Substrats unter Verwendung einer Dispensier-Anordnung gemäß dem Stand der Technik.8 shows a schematic illustration of incomplete wetting of a predetermined area of a substrate using a dispensing arrangement according to the prior art.
Fig.l zeigt ein Substrat 100, vorgegebene Bereiche 101 des Substrats 100, eine Spannungsquelle 102, eine1 shows a substrate 100, predetermined areas 101 of the substrate 100, a voltage source 102, a
Dispensiervorrichtung 103 (hier eine Düse 103) , eine zu dispensierende Lösung 104, Feldlinien 105, entlang derer die zu dispensierende Lösung 104 zum Substrat 100 hin angezogen wird, und eine Erdung 106.Dispensing device 103 (here a nozzle 103), a solution 104 to be dispensed, field lines 105 along which the solution 104 to be dispensed is drawn towards the substrate 100, and an earthing device 106.
In dem in der Fig.l gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 100 aus einem elektrisch leitfähigem Material, so dass zum Erzeugen eines elektrischen Potentials auf der gesamten Oberfläche des Substrats 100 das Substrat 100 mit einer Spannungsquelle 102 direkt, d.h. unmittelbar, gekoppelt ist. Das Substrat 100 weist mehrere vorgegebene Bereiche 101 auf, wovon, elektrisch gesehen, jeder vorgegebene Bereich 101 elektrisch von der umgebenen oberen Oberfläche des Substrats 100 getrennt ist. Die in der Düse 103 enthaltene, zu dispensierende Lösung 104 steht in elektrischem Kontakt mit der Düse 103. Da die Düse 103 aufgrund der Erdung 106 geerdet ist, ist die in der Düse 103 enthaltene, zu dispensierende Lösung 104 ebenfalls geerdet. Aus diesem Grund besteht zwischen der oberen Oberfläche des Substrats 100 mit den vorgegebenen Bereichen 101 des Substrats 100 und der zu dispensierenden Lösung 104 ein elektrisches Potential, das durch die mehreren Feldlinien 105 symbolisch dargestellt ist. Da nicht nur zwischen dem gewünschten, hier dem zentralen, vorgegebenen Bereich 101 und der zu dispensierenden Lösung 104 ein elektrisches Feld besteht, sondern auch zwischen der Düse 103 und der oberen Oberfläche den umgebenden Bereichen des Substrats 100 sowie den anderen vorgegebenen Bereichen 101 des Substrats 100, sollte die Düse 103 direkt oberhalb des gewünschten, hier des zentralen, vorgegebenen Bereiches 101 des Substrats 100 positioniert werden, so dass das dispensierte Volumen der zu dispensierenden Lösung 104 entlang der kürzesten Feldlinie, hier der Feldlinie 107, zum gewünschten vorgegebenen Bereich 101 des Substrats 100 gesteuert werden kann.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the substrate 100 is made of an electrically conductive material, so that the substrate 100 is directly, ie directly, coupled to a voltage source 102 in order to generate an electrical potential on the entire surface of the substrate 100. The substrate 100 has a plurality of predetermined regions 101, of which, viewed electrically, each predetermined region 101 is electrically separated from the surrounding upper surface of the substrate 100. The solution 104 to be dispensed contained in the nozzle 103 is in electrical contact with the nozzle 103. Since the nozzle 103 is grounded due to the grounding 106, the solution 104 to be dispensed contained in the nozzle 103 is also grounded. For this reason, there is between the upper surface of the substrate 100 and the predetermined areas 101 of the substrate 100 and the solution 104 to be dispensed, an electrical potential which is symbolically represented by the plurality of field lines 105. Since there is not only an electric field between the desired, here the central, predetermined area 101 and the solution 104 to be dispensed, but also between the nozzle 103 and the upper surface, the surrounding areas of the substrate 100 and the other predetermined areas 101 of the substrate 100 , The nozzle 103 should be positioned directly above the desired, here the central, predetermined area 101 of the substrate 100, so that the dispensed volume of the solution 104 to be dispensed along the shortest field line, here the field line 107, to the desired predetermined area 101 of the substrate 100 can be controlled.
Fig.2 zeigt ein Substrat 200, einen positiv geladenen, vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200, eine Dispensiervorrichtung 202 (hier eine Düse 202) , eine zu dispensierende Lösung 203, Feldlinien 204, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 zum Substrat 200 hin angezogen wird, Feldlinien 205, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird, mehrere negativ geladenen vorgegebenen Bereiche 206 des Substrats 200, und eine Erdung 207.2 shows a substrate 200, a positively charged, predetermined area 201 of the substrate 200, a dispensing device 202 (here a nozzle 202), a solution 203 to be dispensed, field lines 204, along which the solution 203 to be dispensed is drawn towards the substrate 200 field lines 205 along which the solution 203 to be dispensed is repelled from the substrate 200, a plurality of negatively charged predetermined regions 206 of the substrate 200, and an earth 207.
Das Substrat 200 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel aus Si02, so dass die vorgegebenen Bereiche 201, 206 des Substrats 200 elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und bleiben. Aus diesem Grund können verschiedene Potentiale auf verschiedene vorgegebene Bereiche 201, 206 des Substrats 200 angelegt werden. In der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform ist es gewünscht, die zu dispensierende Lösung 203 auf den vorgegebenen Bereich 201 zu dispensieren, wobei auf die vorgegebenen Bereiche 206 des Substrats 200 keine zu dispensierende Lösung 203 dispensiert werden soll. Tritt ein Volumen der zu dispensierenden Lösung 203 aus der Düse 202 heraus, wird dieses aufgrund der zwischen dem vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200 und der Düse 202 existierenden, anziehenden elektrischen Potential entlang den Feldlinien 204 zu dem vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200 hingezogen. Hierbei wird durch die Feldlinien 205, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird, vermieden, dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung 203 zu anderen Orten, beispielsweise zu den vorgegebenen Bereichen 206 oder zu einem anderen Ort auf der Oberfläche des SubstratsThe substrate 200 consists of a non-electrically conductive material, for example of SiO 2 , so that the predetermined regions 201, 206 of the substrate 200 are arranged and remain electrically insulated from one another. For this reason, different potentials can be applied to different predetermined areas 201, 206 of the substrate 200. In the embodiment shown in FIG. 2, it is desirable to dispense the solution 203 to be dispensed onto the predetermined area 201, wherein no solution 203 to be dispensed is to be dispensed onto the predetermined areas 206 of the substrate 200. If a volume of the solution 203 to be dispensed emerges from the nozzle 202, this is drawn to the predetermined region 201 of the substrate 200 due to the attractive electrical potential existing between the predetermined region 201 of the substrate 200 and the nozzle 202 along the field lines 204. In this case, the field lines 205 along which the solution 203 to be dispensed is repelled from the substrate 200 prevent the volume of the solution 203 to be dispensed from moving to other locations, for example to the predetermined areas 206 or to another location on the surface of the substrate
200, hingezogen wird. Hierfür sollte jeder vorgegebene Bereich200, is drawn. For this, every given area should
201, 206 des Substrats 200 einzeln mit einer Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) gekoppelt werden. Demnach erfolgt das Anlegen eines positionsspezifischen Potentials an einen bestimmten vorgegebenen Bereich des Substrats 200, hier an den vorgegebenen Bereich 201, gesteuert mittels eines Computers sowie der einzelnen, zwischen dem vorgegebenen Bereichen 201, 206 und der Spannungsquelle (nicht gezeigt) existierenden Kopplungen.201, 206 of the substrate 200 are individually coupled to a voltage source (not shown here). Accordingly, a position-specific potential is applied to a specific predetermined area of the substrate 200, here to the predetermined area 201, controlled by means of a computer and the individual couplings existing between the predetermined areas 201, 206 and the voltage source (not shown).
Fig.4 zeigt ein Substrat 400, mehrere vorgegebene Bereiche 401 auf der oberen Oberfläche des Substrats 400, eine Spannungsquelle 402, eine Dispensiervorrichtung 403 (hier eine Düse 403), eine zu dispensierende Lösung 404, Feldlinien 405, entlang derer die zu dispensierende Lösung 404 zum Substrat 400 hin angezogen wird, einen Körper 406 aus elektrisch leitfähigem Material, eine Erdung 407 und die kürzeste Feldlinie 408 zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400.4 shows a substrate 400, a plurality of predetermined areas 401 on the upper surface of the substrate 400, a voltage source 402, a dispensing device 403 (here a nozzle 403), a solution 404 to be dispensed, field lines 405, along which the solution 404 to be dispensed is attracted towards the substrate 400, a body 406 made of electrical conductive material, a ground 407 and the shortest field line 408 between the nozzle 403 and the substrate 400.
Bei dem in der Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 400 aus nicht elektrisch leitfähigem Material und die vorgegebenen Bereiche 401 auf der oberen Oberfläche des Substrats 400 sind als elektrische Bereiche der oberen Oberfläche des Substrats 400 zu verstehen. Wie bereits oben für die Fig.l erläutert, ist es daher wichtig, das die Düse 403 genau oberhalb des gewünschten vorgegebenen Bereiches des Substrats 400, dass heißt oberhalb des in der Fig.4 zentralen vorgegebenen Bereiches 401, positioniert werden muss, so dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung 404 entlang der kürzesten Feldlinie 408 zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400 zu diesem gewünschten vorgegebenen Bereich 401 des Substrats 400 gesteuert werden kann.In the exemplary embodiment shown in the figure, the substrate 400 consists of non-electrically conductive material and the predetermined regions 401 on the upper surface of the substrate 400 are to be understood as electrical regions of the upper surface of the substrate 400. As already explained above for FIG. 1, it is therefore important that the nozzle 403 must be positioned exactly above the desired predetermined area of the substrate 400, that is to say above the predetermined area 401 central in FIG. 4, so that the Volume of the solution 404 to be dispensed can be controlled along the shortest field line 408 between the nozzle 403 and the substrate 400 to this desired predetermined area 401 of the substrate 400.
Wie anhand der Plus-Zeichen in der Fig.4 zu sehen ist, ist mittels des zwischen der oberen Oberfläche des Substrats 400 und der unteren Oberfläche des Substrats 400 eingebrachtenAs can be seen from the plus signs in FIG. 4, is introduced between the upper surface of the substrate 400 and the lower surface of the substrate 400
Körpers 406 ein Potential ganzflächig auf die obere Oberfläche des Substrats 400 erzeugbar. Der Körper 406 ist direkt mit einer Spannungsquelle 402 gekoppelt und besteht vorzugsweise aus Metallen mit einer hohen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, Platin, Wolfram oder Palladium.Body 406 a potential can be generated over the entire surface of the upper surface of the substrate 400. The body 406 is directly coupled to a voltage source 402 and is preferably made of metals with a high conductivity, such as aluminum, copper, gold, platinum, tungsten or palladium.
Fig.5 zeigt ein Substrat 500, mehrere vorgegebene Bereiche 501 auf der oberen Oberfläche des Substrats 500, eine Spannungsquelle 502, eine Dispensiervorrichtung 503 (hier eine Düse 503), eine zu dispensierende Lösung 504, Feldlinien 505, entlang derer die zu dispensierende Lösung 504 zum Substrat 500 hin angezogen wird, einen Körper aus elektrisch leitfähigem Material 506 unterhalb der unteren Oberfläche des Substrats 500, eine Erdung 507 und eine kürzeste Feldlinie 508 zwischen der Düse 503 und dem Substrat 500.5 shows a substrate 500, a plurality of predetermined areas 501 on the upper surface of the substrate 500, a voltage source 502, a dispensing device 503 (here a nozzle 503), a solution 504 to be dispensed, field lines 505, along which the solution 504 to be dispensed is attracted toward the substrate 500, a body of electrically conductive material 506 below the lower surface of the Substrate 500, a ground 507 and a shortest field line 508 between the nozzle 503 and the substrate 500.
Der in der Fig.5 gezeigte Körper 506 befindet sich unter der unteren Oberfläche des Substrats 500. Ansonsten gilt die Erläuterung für die Fig.4 entsprechend für die Fig.5.The body 506 shown in FIG. 5 is located under the lower surface of the substrate 500. Otherwise, the explanation for FIG. 4 applies accordingly to FIG. 5.
Die Fig.6 zeigt ein Substrat 600, einen gewünschten vorgegebenen Bereich 601, auf den eine zu dispensierende Lösung 603 dispensiert werden soll, eine Dispensiervorrichtung 602, Feldlinien 604, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 zum Substrat 600 hin angezogen wird, Feldlinien 605, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 vom Substrat 600 abgestoßen wird, mehrere vorgegebene Bereiche 606, auf die zu dispensierende Lösung 603 nicht dispensiert werden soll, eine Erdung 607 und eine Dielektrikumschicht 608 auf der oberen Oberfläche des Substrats 600. Die Erläuterung der Fig.2 gilt entsprechend für die Fig.6.6 shows a substrate 600, a desired predetermined area 601 to which a solution 603 to be dispensed is to be dispensed, a dispensing device 602, field lines 604, along which the solution 603 to be dispensed is drawn towards the substrate 600, field lines 605, along which the solution 603 to be dispensed is repelled from the substrate 600, a plurality of predetermined areas 606 to which the solution 603 to be dispensed is not to be dispensed, a grounding 607 and a dielectric layer 608 on the upper surface of the substrate 600. The explanation of FIG applies accordingly to Fig. 6.
Die Fig.β unterscheidet sich von der Fig.2 darin, dass auf der oberen Oberfläche des Substrats 600 eine Dielektrikumschicht 608 aufgebracht ist. Demnach werden Fängermoleküle, die in der zu dispensierenden Lösung 603 enthalten sind, nicht direkt auf den vorgegebenen Bereich 601 (der für sich vorzugsweise eine Elektrode ist) dispensiert, sondern oberhalb des vorgegebenen Bereichs 601 auf die Dielektrikumschicht 608 dispensiert.FIG. 6 differs from FIG. 2 in that a dielectric layer 608 is applied to the upper surface of the substrate 600. Accordingly, capture molecules which are contained in the solution 603 to be dispensed are not dispensed directly onto the predetermined area 601 (which is preferably an electrode in themselves), but rather are dispensed onto the dielectric layer 608 above the predetermined area 601.
Vorzugsweise könnte die Dielektrikumschicht 608 aus dem selben, nicht elektrisch leitfähigen Material wie das Substrat 600 bestehen. Ein geeignetes, nicht elektrisch leitfähiges Material zu diesem Zweck ist, wie für die Fig.2 bereits erläutert, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Die aufgebrachte Dielektrikumschicht 608 kann zum Schutz der vorgegebenen Bereiche 601, 606 des Substrats 600 vorgesehen sein, so dass Fängermoleküle die in der zu dispensierenden Lösung 603 enthalten sind, nicht direkt auf dem leitenden Material des jeweiligen vorgegebenen Bereichs 601, 606 dispensiert werden, sondern auf die Dielektrikumschicht 608 oberhalb des jeweiligen vorgegebenen Bereichs 601, 606. In dieser Hinsicht kann es auch vorteilhaft sein, die Dielektrikumschicht 608 nicht stoffbündig mit dem Material des Substrat 600 auszubilden, so dass die Dielektrikumschicht 608 nach dem Dispensieren unterschiedlicher Fängermoleküle auf den jeweiligen vorgegebenen Bereichen 601, 606 zur weiteren Auswertung bzw. Erfassung von dem Substrat 600 mit seinen vorgegebenen Bereichen 601, 606 getrennt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Positionsspezifität der vorgegebenen Bereiche 601, 606 des Substrats 600 eine entsprechende Positionsspezifität der jeweils dispensierten Lösung 606 auf der Dielektrikumschicht 608 ergibt. Ein solcher spezifischer Positionstransfer von den jeweiligen vorgegebenen Bereichen 601, 606 des Substrats 600 auf die Dielektrikumschicht 608 bringt den Vorteil mit sich, dass unter Verwendung immer neuer Dielektrikumschichten 608 die Dispensier-Anordnung, bestehend aus dem Substrat 600, den vorgegebenen Bereichen 601, 606, die Düse 602 sowie die Erdung 607, wiederholt verwendbar ist.The dielectric layer 608 could preferably consist of the same, non-electrically conductive material as the substrate 600. A suitable, non-electrically conductive material for this purpose, as already explained for FIG. 2, is silicon dioxide or silicon nitride. The applied dielectric layer 608 can be provided to protect the predetermined areas 601, 606 of the substrate 600, so that catcher molecules contained in the solution 603 to be dispensed are not dispensed directly on the conductive material of the respective predetermined area 601, 606, but on the dielectric layer 608 above the respective predetermined area 601, 606. In this regard, it may also be advantageous not to form the dielectric layer 608 flush with the material of the substrate 600, so that the dielectric layer 608 after the dispensing of different capture molecules on the respective predetermined areas 601 , 606 for further evaluation or detection can be separated from the substrate 600 with its predetermined areas 601, 606. This has the advantage that the position specificity of the predetermined areas 601, 606 of the substrate 600 results in a corresponding position specificity of the solution 606 dispensed in each case on the dielectric layer 608. Such a specific position transfer from the respective predefined areas 601, 606 of the substrate 600 to the dielectric layer 608 has the advantage that, using ever new dielectric layers 608, the dispensing arrangement, consisting of the substrate 600, the predefined areas 601, 606, the nozzle 602 and the grounding 607 can be used repeatedly.
Die Fig.7 und die Fig.8 sind bereits in dem einleitenden Teil im Lichte des Standes der Technik erläutert worden. ie folgenden Referenzen wurden in diesem Dokument zitiert:7 and 8 have already been explained in the introductory part in the light of the prior art. The following references were cited in this document:
[1] M. Paeschke et al . , Electroanalysis 1996, 7, No. 1, p. 1-8[1] M. Paeschke et al. , Electroanalysis 1996, 7, No. 1, p. 1-8
[2] R. Hintzsche et al . , "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology" , in "Frontiers in Biosensorics I[2] R. Hintzsche et al. , "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology", in "Frontiers in Biosensorics I
- Fundamental Aspects", F. W. Scheller et al . ed., 1997, Birkhauser Verlag Basel- Fundamental Aspects ", F. W. Scheller et al. Ed., 1997, Birkhauser Verlag Basel
[3] WO 93/22678[3] WO 93/22678
[4] DE 196 10 115 AI[4] DE 196 10 115 AI
[5] US Serial No 60 / 007840[5] US Serial No 60/007840
[6] Peter Van Gerwen et al., Transducers '97, p. 907-910[6] Peter Van Gerwen et al., Transducers '97, p. 907-910
[7] Christian Krause et al . , Langmuir, Vol. 12, No. 25, 1996 p. 6059-6064[7] Christian Krause et al. , Langmuir, Vol. 12, No. 25, 1996 p. 6059-6064
[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol. 12 No. 9-10, pp. 977-989[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol. 12 No. 9-10, pp. 977-989
[9] DE 24 54 104 AI[9] DE 24 54 104 AI
[10] US 3,914,312[10] US 3,914,312
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[12] DE 42 29 005 AI[12] DE 42 29 005 AI
[13] US 4,740,799 Bezugszeichenliste[13] US 4,740,799 LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Substrat100 substrate
101 Vorgegebene Bereiche101 Specified areas
102 Spannungsquelle102 voltage source
103 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)103 dispensing device (here a nozzle)
104 Zu dispensierende Lösung104 Solution to be dispensed
105 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 104 zum Substrat 100 hin angezogen wird105 field lines along which the solution 104 to be dispensed is drawn towards the substrate 100
106 Erdung106 grounding
107 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 103 und dem Substrat 100107 Shortest field line between the nozzle 103 and the substrate 100
200 Substrat200 substrate
201 Positiv geladene, vorgegebene Bereiche201 positively charged, predefined areas
202 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)202 dispensing device (here a nozzle)
203 Zu dispensierende Lösung203 Solution to be dispensed
204 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 zum Substrat 200 hin angezogen wird204 field lines along which the solution 203 to be dispensed is drawn towards the substrate 200
205 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird205 field lines along which the solution 203 to be dispensed is repelled by the substrate 200
206 Negativ geladene, vorgegebene Bereiche206 Negatively charged, predetermined areas
207 Erdung207 grounding
300 Substrat300 substrate
301 Vorgegebene Bereiche301 Specified areas
302 Dispensiervorrichtung (hier Düse)302 dispensing device (here nozzle)
303 Zu dispensierende Lösung 304 Große Führungsvorsprünge 305 Kleine Führungsvorsprünge303 Solution to be dispensed 304 Large guide tabs 305 Small guide tabs
306 Durch die Führungsvorsprünge gebildete Kavität306 Cavity formed by the guide projections
400 Substrat400 substrate
401 Vorgegebene Bereiche 402 Spannungsquelle401 Specified areas 402 voltage source
403 Dispensiervorrichtung (hier Düse)403 dispensing device (here nozzle)
404 Zu dispensierende Lösung404 Solution to be dispensed
405 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 404 zum Substrat 400 hin angezogen wird405 field lines along which the solution 404 to be dispensed is drawn towards the substrate 400
406 Körper aus elektrisch leitfähigem Material 407 Erdung406 body made of electrically conductive material 407 grounding
408 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400408 Shortest field line between nozzle 403 and substrate 400
500 Substrat500 substrate
501 vorgegebene Bereiche501 predefined areas
502 Spannungsquelle502 voltage source
503 Dispensiervorrichtung (hier Düse)503 dispensing device (here nozzle)
504 Zu dispensierende Lösung504 Solution to be dispensed
505 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 504 zum Substrat 500 hin angezogen wird505 field lines along which the solution 504 to be dispensed is drawn towards the substrate 500
506 Körper aus elektrisch leitfähigem Material506 body made of electrically conductive material
507 Erdung507 grounding
508 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 503 und dem Substrat 500508 Shortest field line between nozzle 503 and substrate 500
600 Substrat600 substrate
601 Positiv geladener, vorgegebener Bereich601 Positively charged, specified area
602 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)602 dispensing device (here a nozzle)
603 Zu dispensierende Lösung603 Solution to be dispensed
604 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 zum Substrat 600 hin angezogen wird604 field lines along which the solution 603 to be dispensed is drawn towards the substrate 600
605 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 vom Substrat 600 abgestoßen wird605 field lines along which the solution 603 to be dispensed is repelled by the substrate 600
606 Negativ geladene, vorgegebene Bereiche606 Negatively charged, predetermined areas
607 Erdung607 grounding
608 Dielektrikumschicht auf der oberen Oberfläche des Substrats 600608 dielectric layer on the top surface of the substrate 600
700 Chip/Substrat700 chip / substrate
701 vorgegebene Bereiche701 predefined areas
800 Substrat800 substrate
801 Vorgegebener Bereich801 specified range
802 Zu dispensierende Lösung802 Solution to be dispensed
803 Große Führungsvorsprünge803 Great leadership
804 Beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase804 Air bubble trapped during dispensing
805 Kleine Führungsvorsprünge805 Small leadership tabs
806 Durch die Führungsvorsprünge gebildete Kavität 806 Cavity formed by the guide projections

Claims

Patentansprüche claims
1. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, mit1. Biosensor chip dispensing arrangement, with
• einem Substrat, das eine obere Oberflache und eine untere Oberflache aufweist; undA substrate that has an upper surface and a lower surface; and
• einer Dispensiervorrichtung zur Aufnahme einer zu dispensierenden Losung, welche Dispensiervorrichtung in einem Abstand oberhalb der oberen Oberflache des Substrats angeordnet ist derart, dass die zu dispensierende Losung oberhalb eines vorgegebenenA dispensing device for receiving a solution to be dispensed, which dispensing device is arranged at a distance above the upper surface of the substrate such that the solution to be dispensed is above a predetermined one
Bereichs der oberen Oberflache des Substrats dispensiert werden kann, wobei der vorgegebene Bereich der oberen Oberflache des Substrats derart eingerichtet ist, dass auf ihr Fangermolekule immobilisierbar sind, • wobei das Substrat elektrisch kontaktiert ist derart, dass zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung ein elektrisches Potential erzeugt werden kann, so dass die Richtung des Dispensierens der zu dispensierenden Losung zum vorgegebenen Bereich hin gesteuert werden kann.Area of the upper surface of the substrate can be dispensed, the predetermined area of the upper surface of the substrate being set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it, • the substrate being electrically contacted such that an electrical potential exists between the predetermined area and the dispensing device can be generated so that the direction of dispensing the solution to be dispensed can be controlled towards the predetermined area.
2. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der die elektrische Kontaktierung derart ist, dass das elektrische Potential ganzflachig auf das Substrat angelegt werden kann.2. Biosensor chip dispenser arrangement according to claim 1, in which the electrical contact is such that the electrical potential can be applied to the substrate over the entire surface.
3. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 2, bei der das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, und die elektrische Kontaktierung eine unmittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat und einer mit dem Substrat gekoppelten Spannungsquelle ist.3. The biosensor chip dispensing arrangement as claimed in claim 2, in which the substrate consists of an electrically conductive material, and the electrical contact is a direct electrical contact between the substrate and a voltage source coupled to the substrate.
4. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 2, bei der das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material besteht, und die elektrische Kontaktierung eine mittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat und einem elektrisch leitfähigen, mit einer Spannungsquelle gekoppelten Körper ist.4. biosensor chip dispenser arrangement according to claim 2, in which the substrate consists of a non-electrically conductive material, and the electrical contact is an indirect electrical contact between the substrate and an electrically conductive body coupled to a voltage source.
5. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der der mit einer Spannungsquelle verbundene Körper5. Biosensor chip dispenser arrangement according to claim 4, wherein the body connected to a voltage source
• innerhalb des Substrats zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats; oderInside the substrate between the upper surface and the lower surface of the substrate; or
• unterhalb der unteren Oberfläche des Substrats angeordnet ist .Is arranged below the lower surface of the substrate.
6. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der die elektrische Kontaktierung derart ist, dass das elektrische Potential an einen einzelnen vorgegebenen Bereich des Substrats angelegt werden kann.6. The biosensor chip dispenser arrangement as claimed in claim 1, in which the electrical contact is such that the electrical potential can be applied to a single predetermined region of the substrate.
7. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 6, bei der das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material besteht, und der vorgegebene Bereich des Substrats eine Elektrode ist, die mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist .7. The biosensor chip dispenser arrangement as claimed in claim 6, in which the substrate consists of a non-electrically conductive material, and the predetermined region of the substrate is an electrode which is coupled to a voltage source.
8. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der die Elektrode8. biosensor chip dispenser arrangement according to claim 7, wherein the electrode
• auf der oberen Oberfläche des Substrats; oderOn the top surface of the substrate; or
• unterhalb der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet ist.Is arranged below the upper surface of the substrate.
9. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8 , bei der die Elektrode Gold aufweist. 9. biosensor chip dispenser arrangement according to claim 7 or 8, wherein the electrode comprises gold.
10. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4, 5, 7, 8 oder 9, bei der das nicht elektrisch leitfähige Material Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Polyethylen, Polypropylen, Polyethylen-Polypropylen Block Copolymere, Polystyrol, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Tantaloxid aufweist.10. Biosensor chip dispensing arrangement according to one of claims 4, 5, 7, 8 or 9, in which the non-electrically conductive material comprises silicon dioxide, silicon nitride, polyethylene, polypropylene, polyethylene-polypropylene block copolymers, polystyrene, aluminum oxide, titanium oxide or tantalum oxide ,
11. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Dispensiervorrichtung eine Düse ist.11. Biosensor chip dispensing arrangement according to one of the preceding claims, in which the dispensing device is a nozzle.
12. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 11, bei der die Düse derart eingerichtet ist, dass die zu dispensierende Lösung in Volumen bis zu 0,1 nl oder geringer dispensiert werden kann.12. The biosensor chip dispenser arrangement according to claim 11, in which the nozzle is set up in such a way that the solution to be dispensed can be dispensed in volumes of up to 0.1 nl or less.
13. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die zu dispensierende Lösung auf dem vorgegebenen Bereich zu immobilisierende Fängermoleküle enthält.13. Biosensor chip dispenser arrangement according to one of the preceding claims, in which the solution to be dispensed contains capture molecules to be immobilized on the predetermined area.
14. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats eine Dielektrikumschicht angeordnet ist, so dass die Dielektrikumschicht die obere Oberfläche des Substrats sowie, falls vorhanden, die auf der oberen Oberfläche des Substrats angeordnete Elektrode bedeckt .14. Biosensor chip dispenser arrangement according to one of the preceding claims, in which a dielectric layer is arranged above the upper surface of the substrate, so that the dielectric layer covers the upper surface of the substrate and, if present, the electrode arranged on the upper surface of the substrate ,
15. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß Anspruch 14, bei der die Dielektrikumschicht Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufweist. 15. The biosensor chip dispenser arrangement as claimed in claim 14, in which the dielectric layer comprises silicon dioxide or silicon nitride.
16. Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der auf der oberen Oberfläche oder, falls vorhanden, auf der Dielektrikumschicht seitlich des vorgegebenen Bereichs sich nach oben hin erstreckende Führungsvorsprünge angeordnet sind.16. Biosensor chip dispensing arrangement according to one of the preceding claims, in which on the upper surface or, if present, on the dielectric layer laterally extending guide projections are arranged on the side of the predetermined area.
17. Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats unter Verwendung der Dispensier-Anordnung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auf einem Biosensorchip, wobei der vorgegebene Bereich des Substrats derart eingerichtet ist, dass auf ihr Fängermoleküle immobilisierbar sind, • bei dem die Dispensiervorrichtung und/oder das Substrat relativ zueinander bewegt werden derart, dass nach vollzogener Bewegung die Dispensiervorrichtung oberhalb des vorgegebenen Bereichs zum Ruhen kommt;17. A method for dispensing a solution to be dispensed onto a predetermined area of a substrate using the dispensing arrangement according to one of the preceding claims on a biosensor chip, the predetermined area of the substrate being set up in such a way that capture molecules can be immobilized on it, in which the dispensing device and / or the substrate are moved relative to one another in such a way that after the movement has been completed, the dispensing device comes to rest above the predetermined range;
• bei dem zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung ein elektrisches Potential angelegt wird;• in which an electrical potential is applied between the predetermined area and the dispensing device;
• bei dem die Dispensiervorrichtung zum Dispensieren eines Volumens der zu dispensierenden Lösung veranlasst wird; und • bei dem man das zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich existierende Potential auf das dispensierte Volumen der zu dispensierenden Lösung wirken lässt, so dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung in Richtung des vorgegebenen Bereichs hin gesteuert wird.In which the dispensing device is caused to dispense a volume of the solution to be dispensed; and • in which the potential existing between the dispensing device and the predetermined area is allowed to act on the dispensed volume of the solution to be dispensed, so that the volume of the solution to be dispensed is controlled in the direction of the predetermined area.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Dispensieranordnung eine Mehrzahl vorgegebener Bereiche auf dem Substrat aufweist, an die jeweils alternierende Potentiale angelegt werden. 18. The method according to claim 17, in which the dispensing arrangement has a plurality of predetermined areas on the substrate, to which alternating potentials are applied in each case.
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