способ и устройство для получения биополимерных полей

Формула изобретения

1. Способ получения биополимерных полей (15) на поверхности (14) несущих субстратов (4), причем наносимые биополимеры забирают из одного или нескольких различных источников проб (3) с помощью перемещаемого в многомерном пространстве капиллярного кончика (1) капиллярной трубочки (2) для переноса мельчайших количеств жидкости на поверхность субстрата (4), при этом управление капиллярной трубочкой (2) осуществляют с помощью первого миниатюрного клапана (5) для заполнения капиллярной трубочки (2) запасом жидкости (13), причем одну или несколько капиллярных трубочек перемещают в направлениях Х и Y и ей или им сообщают движение погружения в направлении Z в, по меньшей мере, один источник проб (3) для приема запаса жидкости (13) за счет капиллярной силы, и вторым миниатюрным клапаном (7) для промывки капиллярной трубочки (2) промывной жидкостью управляют таким образом, что промывная жидкость смачивает внутреннюю и наружную стороны, поступает в капиллярную трубочку за счет капиллярной силы, и ее выводят из капиллярной трубочки газовым потоком, который подают по гибкому шлангу (19).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что к миниатюрным клапанам (5) и (7) подсоединено несколько капиллярных трубочек (2).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что несколько капиллярных трубочек (2) размещают параллельно друг другу.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что несколько капиллярных трубочек (2) размещают на таком расстоянии друг от друга, которое соответствует расстоянию между источниками проб (3) на питающем столе.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для перемещения одной или нескольких капиллярных трубочек (2) в направлении Х и Y используют плоттер с управлением от ЭВМ.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для перемещения одной или нескольких капиллярных трубочек (2) в направлении Х и Y используют координатный стол с управлением от ЭВМ.

7. Устройство для получения биополимерных полей (15) на поверхности носителя (4), причем наносимые биополимеры забираются из одного или нескольких различных источников проб (3), содержащее, по меньшей мере, один установленный с возможностью многомерного перемещения капиллярный кончик (1) капиллярной трубочки (2) для переноса мельчайших количеств жидкости на поверхность субстрата (14), причем одна или несколько капиллярных трубочек (2) установлены с возможностью перемещения в направлениях Х и Y и сообщения ей или им движения погружения (12) в направлении Z в, по меньшей мере, один источник проб (3) для приема запаса жидкости (13), при этом для заполнения капиллярной трубочки (2) запасом жидкости предусмотрен первый миниатюрный клапан (5), а для промывки капиллярной трубочки промывной жидкостью предусмотрен второй миниатюрный клапан (7), управляемый таким образом, что в положении закрытия обеспечивает ввод промывной жидкости в капиллярную трубочку (2) за счет капиллярной силы при открытии первого миниатюрного клапана (5), а в положении открытия обеспечивает ввод подаваемого по гибкому шлангу (8,19) газового потока в капиллярную трубочку (2) с выводом из нее промывной жидкости.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что кончик (1) капиллярной трубочки (2) на отбирающем жидкость конце вытянут до внешнего диаметра, лежащего в интервале от 10 до 1000 мкм.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что кончик (1) капиллярной трубочки (2) на отбирающем жидкость конце имеет внешний диаметр от 50 до 300 мкм.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что миниатюрные клапаны (5) и (7) выполнены как шлангозажимные клапаны.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что шлангозажимные клапаны (5) и (7) выполнены как окружающие гибкий шланг (19) к капиллярной трубочке (2) упоры, из которых один упор неподвижен относительно шланга (19) и другой подвижен относительно неподвижного упора для обеспечения пережима и перекрытия гибкого шланга (19).

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа и устройства для получения биополимерных полей (матриц), нуклеиновых кислот, протеинов и/или полисахаридов для расположения проб этих субстанций на носитель или используемый в качестве носителя материал.

Для в высшей степени параллельной аналитики биополимеров, например нуклеиновых кислот, протеинов и/или полисахаридов, используется, как правило, система многочисленных маленьких проб, нанесенных в виде капель на ровные носители или используемые в качестве носителя субстанции. В качестве предметного носителя для нанесения проб используются синтетические пленки или мембраны или также предметные стекла, часто используемые в микроскопии. При типичных анализах на предметный носитель наносятся от нескольких сотен до нескольких тысяч анализируемых капель.

Для нанесения мельчайших количеств анализируемых жидких проб в диапазоне от нескольких пиколитров до нескольких нанолитров на предметный носитель или используемые в качестве носителя материалы пользуются, например, техникой струйной печати. При использовании техники струйной печати наносимые пробы анализируемой жидкости подвергаются значительным механическим и/или термическим нагрузкам, которые могут повредить чувствительные биополимеры. При использовании данной аппликационной техники часто может также наблюдаться нежелательное образование газовых пузырей, мешающих точному нанесению капель жидкости и, тем самым, созданию равномерной матрицы. Кроме того, часто наблюдаются колебания вязкости наносимой жидкости.

Из Science 270, 1995, S.467-470, M. Schena et.al. известен способ, основанный на принципе перьевой авторучки. При этом известном из уровня техники способе используются металлические штифты с кончиками соответствующей формы. Они погружаются в наносимую жидкость; часть наносимой жидкости остается висеть на поверхности кончика; далее при опускании наконечника эта жидкость попадает на обрабатываемую поверхность носителя или материал носителя. Недостатком такого способа является ограниченная емкость соответственно сформированного кончика в том случае, если после окунания в жидкость требуется обрабатывать несколько поверхностей для создания анализируемых матриц с одним и тем же образцом.

Если нанести на кончики окунаемых в анализируемую жидкость металлических штифтов борозды или канавки для увеличения их емкости относительно наносимой жидкости, то это влечет за собой все недостатки, связанные со сложным и длительным процессом их очистки. Очистка же абсолютно необходима для предотвращения попадания еще находящихся на кончике штифта остатков прежнего субстрата в сосуд с новой пробой и, тем самым, загрязнения капель новой пробы субстанцией предыдущей пробы.

В международной заявке WO 98/04358 описано устройство для нанесения предварительно выбранных количеств жидкости на субстрат. Аппликационное устройство включает в себя приспособления для впуска и выпуска жидкости и предназначено для нанесения на субстрат мельчайших капелек жидкости определенного размера и предварительно выбранного качества. Предусмотрен вытеснительный насос для дозирования определенных количеств жидкости, последовательно соединенный со входом дозирующего устройства, при этом количество и/или расход наносимой жидкости может самым точным образом дозироваться аппликационным устройством. Количество и/или расход в значительной степени не зависит от специфических эксплуатационных параметров аппликационного устройства. В частности, аппликационное устройство имеет аэрозольный дозатор с выпускным приспособлением.

Он включает в себя питающий воздушный шланг, оканчивающийся соплом. Предусмотрен впуск с каналом для жидкости, оканчивающийся у отверстия, имеющего форму сопла Вентури, и предназначенный для смешения жидкости с воздушным потоком, в результате чего у субстрата создается аэрозольный туман.

Международная заявка WO 98/20020 касается иммобилизации нуклеиновых кислот. Описываются способ и устройства для иммобилизации нуклеиновых кислот на не растворяющейся поверхности, которая, в частности, может использоваться для масс-спектрометрического детектирования нуклеиновых кислот. Предусмотрены поля, содержащие иммобилизованные нуклеиновые кислоты, которые широко применяются в качестве твердой фазы нуклеиновых кислот, например, для синтеза нуклеиновой кислоты (химического и ферментативного) и комплексного анализа. Аппликаторы, включенные последовательно и параллельно, производят определенный объем жидкости для получения многоэлементных полей и нанесения проб на поверхность носителя. Описываемые устройства могут включать в себя ряд элементов «Vesicel» или штифтов, при этом каждый штифт имеет внутреннюю камеру для приема объема жидкости, лежащего в диапазоне нанолитров. С помощью устройств на поверхность субстрата могут наноситься точки жидкости, при этом жидкость набрызгивается с кончика штифта, касающегося поверхности субстрата или образующего каплю, касающуюся поверхности субстрата. С помощью описанных устройств могут создаваться поля испытуемого материала, при этом подача испытуемого материала осуществляется в рамках последовательности шагов, в ходе которых содержащие испытуемый материал штифты перемещаются в различные позиции над поверхностью субстрата в соответствии с формой желаемого поля. Созданные таким образом поля с пробами после соответствующей подготовки могут подвергаться масс-спектрометрическому анализу.

В международной заявке WO 00/01798 описано исполнение капиллярного кончика для переноса жидкости. Описаны керамический кончик, а также напорная головка для переноса мельчайших количеств жидкости. Напорная головка собирает и переносит пробы жидкости, чтобы доставить их от являющейся источником пластины к точке назначения. Напорная головка 230 может быть запрограммирована таким образом, что она будет точно воспроизводить на цели 30 пробы жидкости, содержащейся на являющейся источником пластине 29, или создавать на цели желаемый образец. Керамический кончик и напорная головка могут применяться для следующего участка аппликации, например для создания полей DNA или анализа DNA. Кончик используется как капилляр или штифт для всасывания или сбора исходной жидкости и для создания пятен или нанесения жидкости на субстрат путем физического контакта. В другом предпочтительном варианте исполнения керамический кончик используется в сочетании с всасывающе-выталкивающей системой, при помощи которой исходная жидкость активно всасывается и в дальнейшем наносится контактным или бесконтактным способом.

Ввиду известных из уровня техники решений в основе настоящего изобретения лежит задача создать анализируемые биополимерные поля или матрицы простыми средствами, экономично и надежно.

В соответствии с изобретением эта задача решается способом получения биополимерных полей на поверхности несущих субстратов, при котором наносимые биополимеры забирают из одного или нескольких источников проб с помощью капиллярного кончика капиллярной трубочки для переноса мельчайших количеств жидкости на поверхность субстрата, при этом управление капиллярной трубочкой осуществляют с помощью первого миниатюрного клапана для заполнения капиллярной трубочки запасом жидкости, причем одну или несколько капиллярных трубочек перемещают в направлении Х и Y и выполняют движение погружения в направлении Z в, по меньшей мере, один источник проб для приема запаса жидкости за счет капиллярной силы и вторым миниатюрным клапаном для промывки капиллярной трубочки промывной жидкостью управляют таким образом, что промывную жидкость вводят в капиллярную трубочку за счет капиллярной силы и выводят из капиллярной трубочки газовым потоком, который подают по гибкому шлангу.

Согласно еще одной форме выполнения способа к миниатюрным клапанам и подсоединяют несколько капиллярных трубочек. При этом несколько капиллярных трубочек размещают параллельно друг другу.

При еще одной форме выполнения несколько капиллярных трубочек размещают на расстоянии друг от друга, которое соответствует расстоянию между источниками проб на питающем столе. Для перемещения одной или нескольких капиллярных трубочек в направлении Х и Y используют обычный плоттер с управлением от ЭВМ. Или же для перемещения одной или нескольких капиллярных трубочек в направлении Х и Y используют координатный стол с управлением от ЭВМ.

Изобретение также относится к устройству для получения биополимерных полей на поверхности носителя, при котором наносимые биополимеры забираются из одного или нескольких источников проб, содержащему, по меньшей мере, один капиллярный кончик капиллярной трубочки для переноса мельчайших количеств жидкости на поверхность субстрата, причем для заполнения капиллярной трубочки запасом жидкости предусмотрен первый миниатюрный клапан, а для промывки капиллярной трубочки промывной жидкостью предусмотрен второй миниатюрный клапан, управляемый таким образом, что промывочная жидкость вводится в капиллярную трубочку за счет капиллярной силы, и газовым потоком, который подается по гибкому шлангу, промывная жидкость выводится из капиллярной трубочки.

Согласно одной форме выполнения кончик капиллярной трубочки на отбирающем жидкость конце вытянут до внешнего диаметра, лежащего в интервале от 10 мкм до 1000 мкм. При этом кончик капиллярной трубочки на отбирающем жидкость конце имеет внешний диаметр от 50 мкм до 300 мкм.

При еще одной форме выполнения устройства согласно изобретению миниатюрные клапаны выполнены как шлангозажимные клапаны. При этом шлангозажимные клапаны выполнены как окружающие гибкий шланг к капиллярной трубочке упоры, из которых один упор неподвижен относительно шланга и другой подвижен относительно неподвижного упора для обеспечения пережима и перекрытия гибкого шланга.

Преимущества предлагаемого решения следует видеть прежде всего в том, что простым образом с помощью единственной заправки капилляра может обрабатываться большое число пластинок носителя.

Для предотвращения переноса пробы достаточно двух промывок капилляра, что на практике в достаточной степени исключает вероятность взаимного загрязнения источника и наносимой пробы. С другой стороны, с помощью управляемых независимо друг о друга миниатюрных клапанов промывка используемого для отбора проб капилляра может повторяться сколь угодно часто.

В предпочтительном исполнении способа, предложенного согласно изобретению, несколько или одна капиллярная трубочка могут перемещаться в направлении Х или Y, при этом, далее, существует возможность их погружения в направлении Z для отбора жидкости из сосуда с субстратом. Благодаря возможности трехкоординатного управления соответствующими капиллярными трубочками создается возможность для максимального использования пространства на пластинах для анализа. Для управления и перемещения одной или несколькими капиллярными трубочками, с помощью которых на соответствующие поверхности носителей наносятся мельчайшие количества анализируемой жидкости, выгодным образом используется обычный, поддерживаемый ЭВМ плоттер с возможностью перемещения по осям Х и Y. Путем управления обычным плоттером через персональную ЭВМ (ПК) обеспечивается экономичное перемещение и создается возможность надежного управления одной или несколькими капиллярными трубочками.

Вместо обычного плоттера, с помощью которого обеспечивается перемещение одной или нескольких трубочек по осям Х или Y, можно использовать также управляемые с помощью ЭВМ координатные столы.

Далее изобретение более подробно поясняется чертежом.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа, предлагаемого согласно изобретению, в котором капиллярная трубочка вместе с капиллярным кончиком может передвигаться в трех направлениях.

В устройстве, представленном на чертеже, имеется одна капиллярная трубочка 2, изготовленная, преимущественно, из стекла и предназначенная для отбора предназначенного для пипетирования раствора биополимера. Трубочка опускается в источник проб 3, называемый также "чашка для микротитрования". При открывании первого миниатюрного клапана 5, выполненного, например, как шлангозажимный клапан и соединенного с атмосферой 6, происходит выравнивание давления с атмосферой 6, после чего вследствие капиллярного эффекта через капиллярный кончик 1 в капиллярную трубочку 2 поступает определенное количество пробы 13.

В предпочтительном исполнении капиллярная трубочка 2 изготовлена из стекла, при этом внешний диаметр капиллярного кончика лежит в диапазоне от 10 мкм до 1000 мкм, а в наиболее предпочтительном исполнении предлагаемой в соответствии с изобретением капиллярной трубочки - в диапазоне от 50 мкм до 300 мкм. Для отбора наносимых на поверхности 14 носителя 4 проб раствора биополимера капиллярный кончик 1 капиллярной трубочки 2 опускается в раствор, содержащийся в источнике проб 3, вмещаемом 96, 384 или 1536 отдельных проб. При погружении в раствор капиллярного кончика 1 клапан 7, управляющий подачей газа в капиллярную трубочку 2, остается сначала закрытым. И, напротив, клапан 5, соединенный с капиллярной трубочкой 2 с помощью тройника 11 и гибкого шланга 19, открывается и обеспечивает выравнивание давления с окружающей атмосферой 6. Вследствие действия капиллярных сил жидкость 13 из источника проб 3, в который погружен капиллярный кончик 1, движется внутрь капиллярной трубочки 2.

Затем капиллярный кончик 1 извлекается из раствора и перемещается в необходимую позицию по направлениям Х и Y над поверхностью 14 носителя 4, после чего капли анализируемой жидкости по отдельности наносятся на указанную поверхность в виде образцов биополимера 15 на точно установленном расстоянии 16 друг от друга. При перемещении капиллярного кончика 1 вниз в направлении 12 (направление Z) к поверхности 14 носителя 4 положение первого клапана 5 и положение второго клапана 7 не меняются. С помощью устройства 20, которое обеспечивает перемещение капиллярной трубочки 2 по направлениям X, Y и Z с промежуточным подключением обычного плоттера, можно очень простым и экономичным образом вновь поднять капиллярный кончик 1 от поверхности 14 носителя 4, при этом на поверхности 14 носителя 4 останется маленькое пятно биополимерного раствора. С помощью устройства 20, например подключенного плоттера, может производиться перемещение капиллярной трубочки 2 вместе с находящимся в ней запасом жидкости 13 в направлениях Х и Y в соответствии с командами плоттера, что дает возможность последовательно и аналогичным образом наносить пятна биоплимера на другие поверхности 14 носителя 4. При этом, например, пятна биополимера преимущественным образом наносятся в виде образцов биополимера 15, при этом биополимерная матрица преимущественно отличается тем, что отдельные пятна пробы расположены на одинаковом расстоянии 16 друг от друга.

Перед отбором новой пробы, то есть перед погружением в новый источник проб 3, капиллярный кончик 1 должен быть тщательно промыт во избежание загрязнения новой пробы остатками старой. Для этого капиллярный кончик 1 сначала устанавливается над сосудом для отходов 9; после этого первый клапан 5, устанавливающий контакт с атмосферой 6, закрывается, а через второй миниатюрный клапан 7 в капиллярную трубочку 2 по гибкому шлангу 19 поступает поток газа, преимущественно отфильтрованного воздуха или азота.

Теперь для тщательной промывки кончик капилляра 1 помещается над промывным сосудом 10, при этом после того, как будет закрыт второй миниатюрный клапан 7, то есть газовый клапан, и открыт первый миниатюрный клапан 5, то есть клапан для подачи атмосферного воздуха, происходит окунание капиллярного кончика 1 в промывную жидкость. Благодаря капиллярным силам промывная жидкость поступает внутрь капиллярной трубочки 2. Капиллярный кончик 1 капиллярной трубочки 2 вновь перемещается в положение над сосудом для отходов 9, и промывная жидкость после открытия второго миниатюрного клапана 7 и закрытия первого миниатюрного клапана 5 выталкивается в атмосферу 6. Альтернативно это может также осуществляться в погруженном в промывную жидкость состоянии, если обеспечить постоянное обновление промывной жидкости в промывном сосуде 10, например, за счет ее непрерывного перекачивания. В этих целях промывной сосуд 10 оснащается циркуляционным насосным контуром 17 для промывной жидкости, по которому, с одной стороны, в промывной сосуд 10 подается свежая промывная жидкость, а с другой стороны, непрерывно удаляются уже израсходованная промывная жидкость и отложения твердых частиц со дна сосуда.

Поступление промывной жидкости внутрь капиллярной трубочки 2 и ее удаление оттуда может производиться с помощью обоих миниатюрных клапанов 5 и 7, которые преимущественно могут быть выполнены как шлангозажимные клапаны, любое число раз до тех пор, пока внутренняя поверхность капиллярной трубочки 2 и ее внешняя сторона не будут достаточно чистыми и не станет возможным продолжение процесса нанесения биополимерных матриц на поверхность 14 носителя 4. В нижеследующем примере исполнения дается более подробное описание аппаратуры, изображенной на чертеже. На каретке обычного плоттера с осями Х и Y (например, ROLAND DXY 1150A) закреплен маленький держатель для двух миниатюрных шлангозажимных клапанов. Из стеклянной микропипетки 2, например стеклянного капилляра из боросиликата фирмы «Hilgenberg», с внешним диаметром 1,0 мм и внутренним диаметром 0,8 мм в пламени газовой горелки был вытянут кончик 1 с внешним диаметром около 200 мкм. Внешний диаметр стеклянной пипетки 2 (1 мм) легко проходит с достаточно малым зазором в изготовленную из высококачественной стали полую иглу шприца 1,5×100. Эта полая игла может простым образом использоваться в качестве направляющего элемента перьевой ручки обычного плоттера с осями перемещения Х и Y. Стеклянная микропипетка 2 легко перемещается в этой направляющей игле по вертикали, не проседая вниз под тяжестью гибкого шланга 19. В альтернативном варианте тяжесть шланга может быть компенсирована с помощью маленькой пружины.

С помощью команд «Подача ручки вверх» и «Подача ручки вниз», поступающих на плоттер от обычного персонального компьютера, осуществляются вертикальные перемещения направляющего элемента с капиллярной трубочкой 2. Соединение с капиллярной трубочкой 2 осуществляется с помощью тройника 11, установленного в шланге на участке между клапанами 5, 7 и гибким шлангом 19.

Неожиданным образом оказалось, что такое устройство дает возможность с помощью только одной заправки жидкостью 13 внутреннего пространства капиллярной трубочки 2 обработать столько пластинчатых носителей 4, сколько их может поместиться в рабочем поле A3 плоттера рядом с пластиной для микротитрования. При изготовлении носителей 4 с образцами биополимера 15 из нуклеиновой кислоты оказалось, что в обычном случае полностью достаточно двух этапов промывки в растворе 0,5% TWEEN-80 для того, чтобы на практике предотвратить перенос остатков пробы. При промывке стеклянного капилляра 2 необходимо обеспечить смачивание внутренней поверхности капиллярного кончика 1 промывной жидкостью, которая вновь может удаляться из внутреннего пространства стеклянного капилляра с помощью потока газа, подача которого регулируется вторым миниатюрным клапаном 7. Путем погружения стеклянного капиллярного кончика 1 в емкость с промывной жидкостью обеспечивается контакт с промывной жидкостью также и внешней стороны капиллярного кончика 1 и, тем самым, его промывка от остатков пробы, которая анализировалась ранее. При продувке промывной жидкости при нахождении капиллярной трубочки 2 в погруженном состоянии необходимо обеспечить, чтобы путем образования газовых пузырьков в промывном растворе с помощью поднимающегося вдоль капилляра 2 пузырька хорошо очищалась также и внешняя сторона капилляра капиллярной трубочки 2.

С помощью предлагаемого устройства по сравнению с обычно используемыми до сих пор устройствами обеспечивается большой экономический эффект. С одной стороны, играет свою положительную роль наличие в торговле обычных и очень точно изготовленных капиллярных трубочек 2 по сравнению с необходимостью изготовления тщательно отшлифованных металлических штифтов специальной формы, с другой стороны, можно за очень невысокую цену приобрести X-Y-плоттеры в качестве автоматических координатных столов и использовать их в предлагаемой согласно изобретению системе для изготовления биополимерных матриц на поверхности носителей.

Перечень цифровых обозначений на чертеже:

1 Капиллярный кончик

2 Капиллярная трубочка

3 Источник проб

4 Носитель

5 Первый миниатюрный клапан

6 Атмосфера

7 Второй миниатюрный клапан

8 Шланг для газа

9 Сосуд для отходов

10 Сосуд с промывной жидкостью

11 Тройник

12 Путь перемещения Z капиллярной трубочки 2

13 Взятая проба

14 Поверхность носителя

15 Образец биополимера

16 Расстояние

17.1 Подача промывной жидкости

17.2 Отвод промывной жидкости

18 Уровень промывной жидкости

19 Гибкий шланг

20 Устройство управления

Направление Х

Направление Y

Направление Z (направление аппликации)