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CN101341030A - 用于将物质放置到基板上的喷墨设备，用于将物质放置到基板上的方法以及喷墨设备的使用 - Google Patents

用于将物质放置到基板上的喷墨设备，用于将物质放置到基板上的方法以及喷墨设备的使用 Download PDF

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CN101341030A
CN101341030A CNA2006800477866A CN200680047786A CN101341030A CN 101341030 A CN101341030 A CN 101341030A CN A2006800477866 A CNA2006800477866 A CN A2006800477866A CN 200680047786 A CN200680047786 A CN 200680047786A CN 101341030 A CN101341030 A CN 101341030A
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ink
jet apparatus
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element heater
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CNA2006800477866A
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R·G·F·A·费尔贝克
R·J·M·施罗德斯
A·科列斯尼琴科
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Abstract

本发明提供了一种用于将物质放置到基板上的喷墨设备，该设备包括至少一个打印头，该打印头包括被提供用于喷射含有物质的液滴的喷嘴，该喷墨设备进一步包括至少一个加热元件，将所述加热元件如此布置，使得可以在液滴滴落在基板上之前、期间和/或之后对该基板进行加热。

Description

用于将物质放置到基板上的喷墨设备，用于将物质放置到基板上的方法以及喷墨设备的使用
技术领域
本发明涉及一种用于将物质放置到基板上的喷墨设备。本发明进一步涉及一种使用喷墨设备将物质放置到基板上的方法。本发明还涉及喷墨设备的使用。
本发明公开了一种用于将物质放置到基板上的喷墨设备、方法、以及喷墨设备的使用。尤其对于医疗诊断来说，需要基板，需要在基板上以非常准确且精确的方式放置特定的物质。通常，在基板上放置这些物质，以便在基板上进行大量的生物化学测试或反应。根据本发明的用于将物质放置到基板上的喷墨设备、方法以及喷墨设备的使用优选被应用于将物质打印在基板上的打印过程，其中将该物质以特定方式放置到基板的材料的斑点区域上或斑点区域中。重要的是能够控制物质的浓度以及物质在该基板的斑点区域内的分布。
背景技术
喷墨设备是众所周知的。例如，美国专利申请US2004/0196319 A1公开了一种图像记录装置，其包括具有多个喷嘴的记录头、托架、传送机构、驱动机构、用于光学检测喷射日期的检测机构、以及控制器。将多个喷嘴分成多个喷嘴组。控制器使得每个喷嘴组的喷射时刻与任何其它喷嘴组的喷射时刻不同。根据上面引用的美国专利申请的记录头或多个记录头可以位于打印区域的外部，以便可以执行控制操作。该控制操作可以提供一个或多个打印头或打印喷嘴是否正确工作的问题的答案，例如由于墨阻塞了喷嘴等。当打印头位于打印区域的外部而在控制区域或检测区域中时，打印头或打印喷嘴不面对记录介质，其中打印头在打印区域中将墨滴施加到记录介质上。在检测区域中，液滴的轨迹与光电检测器检测的光束相交，从而控制打印头正常工作。已知设备的一个缺陷在于：物质在基板的斑点区域中的分布是不易受影响的。这限制了使用打印物质来进行进一步诊断的可能性，这是因为尤其是例如荧光颗粒的最低可检测浓度是重要的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于将物质的液滴受控地放置到基板上的喷墨设备，它可以将打印物质以可控、预定的方式分布在基板的斑点区或斑点区域内。
上述目的由根据本发明的用于将物质放置到基板上的喷墨设备和方法以及根据本发明的喷墨设备的使用来实现。用于将物质放置到基板上的喷墨设备包括至少一个打印头，该打印头包括被提供用于喷射含有物质的液滴的喷嘴。该喷墨设备进一步包括至少一个加热元件，将所述加热元件如此布置，使得可以在液滴滴落在基板上之前、期间和/或之后对该基板进行加热。
通过加热基板，非常有利的是可以在斑点区域内提供预定分布的打印物质，这是非常有用的，特别是为了提高对所述打印物质在斑点区域处发生的生物化学反应的结果进行检测的可能性。例如，在较小区域内具有较高打印物质分子浓度的打印物质的分布使得：标记分子(特别是利用荧光标记)可以固定或绑定到更高浓度的区域，从而获得更好的光学检测能力。
此外，在斑点区域内提供预定分布的打印物质也是非常有用的，这是为了提高在斑点区域发生(生物化学)反应(特别是杂化反应)的概率。
非常优选地，在该基板的第一侧上设置打印头，而在基板的与该第一侧相对的第二侧上设置至少一个加热元件。优点在于：不需要将基板第一侧上的任何空间用于加热元件。这尤其重要，因为打印头周围的空间非常珍贵，因为打印头离基板越近，液滴滴落就越精确。
此外，在液滴滴落到基板之前，该加热元件不对该液滴进行直接加热。
此外，加热元件是光源，尤其是LED(发光二极管)，和/或红外光源，和/或发出的光的吸收波长不同于红外线的光源。从而，根据本发明选择一种提供加热元件的成本效益非常高的方式。
在本发明的优选实施例中，喷墨设备包括多个加热元件。优点在于可以仅加热基板的相关区域，而不需要对该基板不发生打印过程的其它区域进行加热。
进一步优选的是，该基板包括多个基板区域，每个基板区域优选是由膜夹具夹持的单独的膜。这样，通过使用本发明的喷墨设备，可以产生多个单独的膜。
非常优选地，为每个基板区域分配至少一个加热元件。优点在于还可以更好地并更加适合地加热基板。
进一步优选的是，该喷墨设备包括打印台或固定板，其中该打印台或固定板包括用于每个膜夹具的凹槽或孔，并且/或者将分配给每个基板区域的加热元件设置在该凹槽或孔中。从而，可以精确地加热不同的膜区域。
根据本发明更加优选的是，使用一种喷墨设备，该喷墨设备进一步包括(优选是稳定并且沉重的)打印台和打印桥、固定板以及打印头，其中该固定板固定地安装在直线平台上，以允许相对于打印台沿着第一方向(X方向)直线运动，而打印头附着到被安装在直线平台上的打印头夹具，以允许相对于打印桥沿着第二方向(Y方向)直线运动。从而，可以将物质的液滴打印或释放在所应用的大面积上，这样，可以使打印产品的生产非常有成本效益，这是因为可以将大的基板或各个膜作为一批进行打印。
根据本发明，基板优选是平坦的基板、结构化的基板或多孔基板。更加优选地，基板是尼龙膜、硝酸纤维膜或PVDF膜。由于基板优选是多孔的，因此斑点或液滴不仅位于表面上，而且还渗透到膜中。
进一步优选地，该基板包括多个基板位置，这些基板位置彼此之间至少隔开了位于多个基板位置之一上的液滴的平均直径。从而，可以将物质的不同液滴准确且独立地放置在基板上的精确位置。同样可行并有利的是将多个液滴放置在同一基板位置上。
根据本发明，非常更加优选的是，该物质是透明的或者高度半透明的。非常优选地，该物质是水溶液，其中存在不同的分子或不同的化合物，尤其是生物分子。当然，根据本发明，可以使用各种溶液，只要其中的生物分子稳定并且该溶液可以打印。还可以使用能够吸收加热元件的辐射的溶液，例如通过在溶液中提供着色剂。
本发明还包括一种使用喷墨设备将物质放置到基板上的方法，其中该喷墨设备包括至少一个打印头，该打印头具有被提供用于喷射含有物质的液滴的喷嘴，该喷墨设备进一步包括至少一个加热元件，将所述加热元件如此布置，使得可以在液滴滴落在基板上之前、期间和/或之后对该基板进行加热。
从而，可以在基板的斑点区域内获得物质的非常有利并且可控地预定分布。
根据本发明优选的是，加热所述基板以使得位于一个斑点上的物质在基板的面对该基板第一侧的上半部中积聚得比在基板的面对第二侧的下半部中积聚得多，其中在基板的第一侧上设置打印头，并且其中在基板的与第一侧相对的第二侧上设置至少一个加热元件。从而，可以限定物质的有利分布，以使得荧光颗粒的检测更加简化。
进一步优选的是，加热所述基板，以使得位于一个斑点上的物质基本上位于所述基板的上半部。从而，可以得到甚至更大的浓度，且在更大浓度下，具有更高的检测该标记(例如，荧光颗粒)的概率。
在进一步优选的实施例中，将多种不同的物质施加到基板上，使得第一物质位于第一基板位置上，而第二物质位于第二基板位置上。优点在于：通过执行同一打印过程以及仅更换打印头或物质贮存器，就可以实现将大量不同的物质打印在基板上，其中，可以在生物化学化验筒内采用所述基板。
本发明还包括根据本发明的创造性喷墨设备的使用，其中该物质包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。为了该目的，通过使用本发明的喷墨设备，可以非常准确且精确地将某一数量的物质放置在基板上。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的这些和其它特征、特点和优点将变得显而易见，附图通过示例说明了本发明的原理。该描述仅作为示例给出，并不限定本发明的范围。下面提到的参考数字指的是附图。
图1示意性示出了本发明的喷墨设备的实施例的顶视图；
图2示意性示出了贯穿基板区域、膜夹具和固定板的横截面；
图3示意性示出了具有多个膜区域和加热元件的本发明的喷墨设备的固定板；
图4示意性示出了本发明的喷墨设备的固定板的可选实施例；
图5a和图5b示意性示出了与膜夹具和完整的膜在一起的基板区域的一部分；以及
图6示意性示出了具有物质斑点的基板部分的更加详细的图。
具体实施方式
将参照具体实施例并参照特定附图来描述本发明，但是，本发明并不限于此，而仅由权利要求限定。所描绘的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，可以放大某些元件的尺寸，并且为了说明的目的而并未按照比例绘制。
在使用诸如“一”、“一个”、“所述”之类的不定冠词或者定冠词来引用单数名词的情况下，除非特别声明，其仍然包括该名词的复数形式。
此外，在说明书和权利要求书中，术语第一、第二、第三等用于区分相似元件，而未必用于描述次序或时间顺序。应当理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这里所描述或说明的其它顺序操作。
而且，在说明书和权利要求书中，术语顶部、底部、上方、下方等用于说明的目的，而未必用于描述相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当情况下是可互换的，并且此处所描述的本发明的实施例能够以不同于这里所描述或说明的其它方位进行操作。
注意，不应该将本说明书和权利要求书中使用的术语“包括”解释为局限于其后列出的手段；它不排除其它元件或步骤。因此，“一种包括装置A和B的设备”的表述的范围应当不局限于仅由部件A和B组成的设备。对于本发明来说，这仅意味着A和B是所述设备的仅有的相关部件。
在图1中，示出了根据本发明的喷墨设备10的示意性平面图。在打印台50(优选由沉重的花岗岩制成)上，固定板55固定地附着到直线平台上，这允许相对于花岗岩台进行直线运动。在该固定板55中，放置了具有膜41的多个膜夹具44。这些膜41共同形成基板40。因此，膜41也可以称为“基板41”。为了清楚起见，在下文中，术语“基板40”指的是“膜41”的可打印区域的全体。膜夹具44基本上仅是一个环44。圆形膜41被焊接到该环上。因此，在打印后，环44和膜41共同形成最终产品。将打印桥51设置成可相对于固定板55移动，并且相对于打印台50固定安装。打印桥51载有可移动的打印头夹具51’。具有固定板55的平台可沿第一方向，即X方向移动。打印头20安装在可移动的打印头夹具51’上，使得它可沿着第二方向，即Y方向相对于打印桥51移动。当然，同样可能的是：固定板55可以在第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)上移动，并且打印头20是固定的。在下文中，仅描述了固定板可在第一方向(X方向)上移动而打印头20可在第二方向(Y方向)上移动的实施例，但并不限制本发明的范围。根据本发明，优选的是，第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)相互垂直。从而，打印头20可以在固定板55的某一区域上移动，并且打印头20可以释放存储在打印头20附近的贮存器(未示出)中的物质的液滴。在X方向上以均匀距离并且在Y方向上以均匀距离，将膜41安装在固定板55中，该固定板55也称为定位板(registration plate)55。X方向上的距离可以与Y方向上的距离不同。在图1的实施例中，设置了控制照相机30，使得控制照相机30能够检测到从打印头20的喷嘴中喷射的物质的液滴(在图2中示出)。在图1所示的本发明的优选实施例中，所述控制照相机30固定放置在可移动的打印头夹具51’上的打印头20附近。
提供的打印台50的优选形式是花岗岩台。可选地，还可以使用其它非常沉重的材料。根据本发明，打印台50应当布置在振动干扰非常小的环境中。相对于花岗岩台(打印台50)，安装精密直线平台，并且安装在该平台上的固定板55根据定义在第一方向(X方向)上移动。
在图2中，示出了单个膜夹具44和部分固定板55的示意性横截面图。膜夹具44承载了作为基板40的一部分的一个膜41。一个膜41还被称为基板区域41。每个单个的膜夹具44位于固定板55上。在基板40上，即在每个膜41上，提供了多个基板位置42，使得各个液滴或液滴点(在图2中，由附图标记22示意性表示)能够彼此相隔一定距离。从而，可以在每个基板位置42上分配或者放置不同种类的物质。膜夹具44位于固定板55或定位板55的孔57内。
基板40可以由用于检测传染病的生物活性膜制成。医疗诊断需要可靠性非常高的打印过程。荧光图案的读取将疾病直接与特定的捕获探针的位置相关联。因此，必要的是具有一种非常可靠的在基板40上正确地放置捕获探针的过程。喷墨打印是一种在没有关于基板40上的液滴的实际存在和布局的任何反馈的情况下的精确定量给料技术。问题在于没有任何关于物质在基板40上分布的信息，即，例如没有关于物质的渗透深度的信息。本发明描述的是可以控制物质在基板40上的分布。通常，液滴22含有被放置在基板40上的物质23。液滴22通常也含有溶剂，例如水或酒精。溶剂通常在液滴22已经被放置在基板40上之后蒸发。利用加热元件70，尤其是利用专门或尤其发射红外光和/或热辐射的光源(例如，LED，即发光二极管)，可以在液滴22滴落在基板40上之前、期间和/或之后对基板40进行可控加热。
喷墨设备10的打印头20优选位于基板40的第一(“上”)侧40’上，加热元件70优选位于基板40的第二(“下”)侧40”上，其中第二侧40”与第一侧40’相对设置。仅在图2中示意性示出了加热元件70，即，例如没有连接线等。对本领域技术人员显而易见的是，这样的连接线必须存在，以便能够利用处理设备和/或控制设备(未示出)来激励加热元件70。优选地，提供加热元件70，使其作为光源。
在图3中，示出了固定板55的示意顶视图，其具有多个膜区域41、41a、41b和加热元件70、70a、70b。向每个膜区域41、41a、41b分配一个加热元件70、70a、70b。这意味着：如果例如激励加热元件70a，那么分配给膜区域41a的加热元件70a能够对膜区域41a进行加热。对于分配给膜区域41b的加热元件70b和分配给膜区域41的加热元件70而言，情况相同。利用设置在基板40上的不同位置处的多个这样的加热元件70，可以精确且独立地对膜区域41进行加热。利用这种方式，可以在液滴22滴落之前和/或液滴22滴落期间和/或液滴22滴落之后对膜区域41进行加热。
在图4中，示出了本发明的喷墨设备10的固定板55的可选实施例的示意图。在固定板55的该可选实施例中，膜夹具44位于固定板55的凹槽56中。在这些凹槽56中，示意性地示出了加热元件70。膜区域41位于膜夹具44上。
在图5a中，从顶部示出了膜41或基板区域41的一部分。在基板区域41上，定义了多个基板位置42、42a、42b。该基板位置42、42a、42b是根据本发明的喷墨设备10将要放置液滴22的位置。还可以将多个液滴放置在一个单个的基板位置42上。由打印头20喷射且滴落在基板40上的液滴22将以一平均直径43围绕基板位置42、42a、42b覆盖某一液滴区域22’或斑点22’，该平均直径43比基板位置42、42a、42b的相互距离43’(间距)小。非常优选的是，斑点22’由一个单个的液滴或多个液滴22构成。
在图5b中，示出了基板区域41的顶视图，在该顶视图中，多个基板位置42由小圆圈代表。根据本发明，可以将许多不同的物质放置在这些不同的基板位置42上，以便将基板区域41的膜用于诊断的目的。根据本发明，可以定义基板位置42的几个组42’，以便在基板位置42的一个组42’和它们各自的物质内执行一组完整的测试。
在图6中，更加详细地示出了具有物质23的斑点22’的基板40/膜41的一部分的视图。加热元件70设置在基板40/膜41的下方。此外，示出了处于向基板40运动的两个液滴22。液滴22通常包括物质23以及溶剂(未示出)。在液滴22滴落在膜41上之后，溶剂蒸发。溶剂的蒸发主要依赖于膜41在液滴22滴落期间的温度。蒸发时间影响物质23渗透到膜的材料中的深度，其中，在所述蒸发时间之后，一个单个液滴22的溶剂完全蒸发掉。通过在液滴22滴落在膜41上之前和/或期间和/或之后对膜41/基板40进行加热，可以控制蒸发时间以及物质23进入膜41的材料的渗透深度。
在图6中，利用不同的线结构来表示不同渗透深度的四种不同情况。物质23的液滴斑点22’的第一渗透深度用实线表示。在第一渗透深度的例子中，物质23仅位于基板40或膜41的上半部48内，而基板40的下半部49完全没有或者至少基本上没有物质23。物质23的液滴斑点22’的第二渗透深度用具有小短划线的虚线表示，物质23的液滴斑点22’的第三渗透深度用具有中等短划线的虚线表示，物质23的液滴斑点22’的第四渗透深度用具有长短划线的虚线表示。提供第三渗透深度和更加有力的第二渗透深度，以使得聚集在基板40/膜41的上半部48中的物质比聚集在基板40的下半部49中的物质多，而上半部48面对第一侧40’(参照图2)，并且下半部49面对第二侧40”(参照图2)。
根据本发明，优选以下列方式处理打印协议：优选地，首先，相对于打印台50或固定板55排列膜41。通过这么做，这用于确保液滴22在三维中的位置信息是已知的。优选地，利用照相机来检测从打印头20、20a、20b喷射出来的液滴22。来自传感器或照相机的所有信号和数据由软件记录并且存储在存储器中。
在基板区域41上，可以提供例如130个斑点或基板位置42，在该斑点或基板位置42处，可以打印液滴22，每个液滴需要例如大约1nl的体积。斑点或液滴22的直径43例如是200μm，并且它们被放置在间距例如为400μm的图案中。当然，也可以提供更小的斑点，这仅需要缩小间距，例如，间距为300μm，或仅为200μm、100μm或者50μm。例如，利用设置有不同物质23的一个单个打印头20和/或并行的多个打印头和/或并行的多个喷嘴来打印130个斑点。例如，在固定板55上，布置140个膜夹具44，它们由喷墨设备10在一批打印中处理。根据本发明，液滴斑点的间距43’位于10至500μm的范围内。液滴22的斑点的直径43在实际间距43’的大约20％至70％的范围内。液滴22的体积不得不适应于斑点的优选尺寸，并且不得不适应于所使用的基板40的材料(例如，取决于基板是否强烈还是微弱地吸收所施加的物质)。典型地，液滴22的体积大约是0.001nl至10nl。还可以改变打印物质23的浓度。

Claims (19)

1、用于将物质(23)放置到基板(40)上的喷墨设备(10)，所述设备(10)包括至少一个打印头(20)，所述打印头(20)包括被提供用于喷射含有所述物质(23)的液滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨设备(10)进一步包括至少一个加热元件(70)，将所述加热元件(70)如此布置，使得可以在液滴(22)滴落在所述基板(40)上之前、期间和/或之后对所述基板(40)进行加热。
2、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中在所述基板(40)的第一侧(40’)上设置所述打印头(20)，并且其中在所述基板(40)的与所述第一侧(40’)相对的第二侧(40”)上设置至少一个加热元件(70)。
3、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述加热元件(70)是光源，尤其是LED，和/或红外光源，和/或发出的光的吸收波长不同于红外线的光源。
4、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)包括多个加热元件(70、70a、70b)。
5、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)包括多个基板区域(41)，每个基板区域(41)优选是由膜夹具(44)夹持的单独的膜(41)。
6、根据权利要求5所述的喷墨设备(10)，其中为每个基板区域(41、41a、41b)分配至少一个加热元件(70、70a、70b)。
7、根据权利要求6所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)包括固定的打印台(50)和可移动的固定板(55)，其中所述固定板(55)包括用于每个膜夹具(44)的凹槽(56)或孔(57)。
8、根据权利要求7所述的喷墨设备(10)，其中将分配给每个基板区域(41、41a、41b)的所述加热元件(70、70a、70b)设置在所述凹槽(56)或孔(57)中。
9、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述喷墨设备(10)进一步包括打印台(50)和固定附着到所述台上的打印桥(51)、固定板(55)、以及安装在可移动的打印头夹具(51’)上的所述打印头(20)，其中将所述固定板(55)安装成可相对于所述打印台(50)沿着第一方向(X方向)移动，而且所述可移动的打印头夹具(51’)安装到所述打印桥(51)上，使得所述打印头(20)可相对于所述打印桥(51)沿着第二方向(Y方向)移动。
10、根据权利要求9所述的喷墨设备(10)，其中所述第一方向(X方向)和所述第二方向(Y方向)相互垂直。
11、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)是平坦的基板、结构化的基板或多孔的膜(41)，优选是尼龙膜、硝酸纤维膜或PVDF膜。
12、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述基板(40)包括多个基板位置(42、42a、42b)，所述基板位置(42、42a、42b)彼此之间至少隔开了位于所述基板位置(42、42a、42b)之一上的斑点(22’)的平均直径(43)。
13、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中多个液滴(22)叠加在一个基板位置(42、42a、42b)上，以形成斑点(22’)。
14、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)，其中所述物质(23)是透明的或高度半透明的。
15、一种使用喷墨设备(10)将物质(23)放置到基板(40)上的方法，所述喷墨设备(10)包括至少一个打印头(20)，所述打印头(20)包括被提供用于喷射含有所述物质(23)的液滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨设备(10)进一步包括至少一个加热元件(70)，将所述加热元件(70)如此布置，使得可以在液滴(22)滴落在所述基板(40)上之前、期间和/或之后对所述基板(40)进行加热。
16、根据权利要求15所述的方法，其中加热所述基板(40)，以使得位于一个斑点(22’)上的所述物质(23)在基板(40)的面对所述基板(40)第一侧(40’)的上半部(48)中积聚得比在所述基板(40)的面对第二侧(40”)的下半部(49)中积聚得多，其中在所述基板(40)的所述第一侧(40’)上设置所述打印头(20)，并且其中在所述基板(40)的与所述第一侧(40’)相对的所述第二侧(40”)上设置所述至少一个加热元件(70)。
17、根据权利要求16所述的方法，其中加热所述基板(40)，以使得位于一个斑点(22’)上的所述物质(23)基本上位于所述基板(40)的所述上半部(48)中。
18、根据权利要求15所述的方法，其中将多种不同物质(23)施加到所述基板(40)上，使得第一物质(23a)位于第一基板位置(42a)上，而第二物质(23b)位于第二基板位置(42b)上。
19、根据权利要求1所述的喷墨设备(10)的使用，其中所述物质(23)包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。
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