DE102007038906A1 - Device for execution of electrophoresis experiment, has carrier material and electrically charged particles on side of substrate, where charged particles are detected - Google Patents

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Abstract

The device has a carrier material and the electrically charged particles on a side (7) of a substrate (1), where the charged particles are detected. The substrate is partly semitransparent and an organic photo-detector matrix is partly determined on another side of the substrate. The detector matrix is pixeled. The substrate is transparent in subareas. An independent claim is included for a method for detecting electrophoretically disconnected analytes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion elektrophoretisch aufgetrennter Analyten.The The present invention relates to a method and an apparatus for the detection of electrophoretically separated analytes.

Elektrophorese bezeichnet die Wanderung elektrisch geladener Teilchen durch einen als Trägermaterial dienenden Stoff in einem elektrischen Feld. Zur Detektion elektrophoretisch aufgetrennter Analyten werden bislang mehrere elektrische und optische Detektoren verwendet. Es gibt eine Reihe elektrophoretischer Trennmethoden. Beispielsweise gibt es folgende Arten der Elektrophoreseexperimente: Diskontinuierliche Elektrophorese; Gel-Elektrophorese, Kapillar-Elektrophorese, Gradienten-Elektrophorese, pulsed-Field-Elektrophorese, Dichtegradienten-Elektrophorese (trägerfreie Elektrophorese), Elektrofokussierung, Lipidelektrophorese, Lipidelektrophorese, Serumelektrophorese, zweidimensionale Elektrophorese, Free-Flow-Elektrophorese und Elektroosmose.electrophoresis refers to the migration of electrically charged particles through a as a carrier material serving stuff in an electric field. For detection electrophoretically Separated analytes are so far multiple electrical and optical detectors used. There are a number of electrophoretic separation methods. For example, there are the following types of electrophoresis experiments: Discontinuous electrophoresis; Gel electrophoresis, capillary electrophoresis, gradient electrophoresis, pulsed field electrophoresis, density gradient electrophoresis (Unsupported Electrophoresis), electrofocusing, lipid electrophoresis, lipid electrophoresis, Serum electrophoresis, two-dimensional electrophoresis, free-flow electrophoresis and electroosmosis.

Die wichtigsten qualitativen Methoden – Agarose-Gel-Elektrophorese, SDS-PAGE, isoelektrische Fokussierung – dienen zur Auftrennung von DNA und Proteinen. Zweidimensionale Elektrophorese (SDS-PAGE und isoelektrische Fokussierung) erlaubt höchstmögliche Auflösung mit Auftrennung der Analyte nach Ladung und Molekulargewicht. Bei der Gel-Elektrophorese spielt auch das Verhältnis zwischen dem Teilchenradius und der Porenweite des als Trägermedium dienenden Gels eine Rolle, weil das Gel als Molekularsieb wirkt, so dass sich ein größerer Teilchenradius stärker hemmend auf die Wanderungsgeschwindigkeit auswirkt, als nur durch die Viskosität alleine zu erwarten wäre. Durch die unterschiedliche Innenladung und den Teilchenradius bewegen sich die einzelnen Stoffe (Moleküle, DNA, Proteine) unterschiedlich schnell durch das Trägermaterial und erreichen eine Auftrennung ent sprechend ihrer elektrophoretischen Mobilität. Die wichtigsten Detektionsmethoden bei der Gel-Elektrophorese sind Färbemethoden, Fluoreszenzlabel und Radiomarkierung. Die Detektion als Bild erfolgt über einen Film (z. B. bei radioaktiven Markern) oder einen Flachbettscanner (z. B. bei Färbungsmethoden).The main qualitative methods - agarose gel electrophoresis, SDS-PAGE, isoelectric focusing - serve for the separation of DNA and proteins. Two-dimensional electrophoresis (SDS-PAGE and isoelectric focusing) allows highest possible resolution with separation of the analytes by charge and molecular weight. In the gel electrophoresis plays also the relationship between the particle radius and the pore width of the carrier medium serving gel because the gel acts as a molecular sieve, so that a larger particle radius stronger inhibiting effect on the rate of migration than just by the viscosity alone would be expected. Move through the different internal charge and the particle radius the individual substances (molecules, DNA, proteins) at different speeds through the carrier material and achieve a separation according to their electrophoretic Mobility. The most important detection methods in gel electrophoresis are staining, Fluorescence label and radiolabel. The detection as picture takes place over one Film (eg with radioactive markers) or a flatbed scanner (eg in coloring methods).

Um eine optische Aufnahme (Foto) mit anschließender Auswertung zu ermöglichen wird das System mit Hilfe einer Kamera fotografiert und per Bildverarbeitung weiterverarbeitet. Alternativ oder ergänzend zur Kameraaufnahme kann ein unter der Probe befindlicher Flachbettscanner das Ergebnis des Experiments aufnehmen. Dies beansprucht in jedem Fall die Einbeziehung zumindest zweier Geräte mit entsprechenden Leitungen, Auswerteelektronik und ist insbesondere für miniaturisierte Elektrophoresesysteme, speziell für die zweidimensionale Gelelektrophorese mit großem gerätetechnischem Aufwand verbunden. Die Realisierung einer miniaturisierten Elektrophorese ist entsprechend teuer und weit davon entfernt, ein Massenprodukt zu sein.Around to allow an optical image (photo) with subsequent evaluation the system is photographed with the help of a camera and image processing further processed. Alternatively or in addition to the camera recording can a flatbed scanner under the sample is the result of the Record experiments. In any case, this requires inclusion at least two devices with corresponding lines, evaluation and in particular for miniaturized Electrophoresis systems, especially for two-dimensional gel electrophoresis with big technical equipment Effort connected. The realization of a miniaturized electrophoresis is accordingly expensive and far from being a mass-produced product to be.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können, insbesondere mit der in einem einfachen, möglichst kostengünstigen Aufbau, die Funktionen in einer Elektrophoresevorrichtung integriert werden, die bislang durch eine Kamera mit entsprechender Optik realisiert wurden.task The present invention is therefore a method and a To provide device with which overcomes the disadvantages of the prior art can be especially with the in a simple, most cost-effective Construction that integrates functions in an electrophoresis device be realized so far by a camera with appropriate optics were.

Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Durchführung eines Elektrophoreseexperiments, zumindest ein zwei dimensional aufgebrachtes Trägermaterial und die zu detektierenden elektrisch geladenen Teilchen auf einem Substrat umfassend, wobei das Substrat zumindest teilweise zumindest semitransparent ist und auf der anderen Seite des Substrats in dem zumindest semitransparenten Bereich sich zumindest teilweise eine organische Photodetektormatrix befindet. Außerdem ist Lösung der Aufgabe und Ge genstand der Erfindung ein Verfahren zur Detektion elektrophoretisch aufgetrennter Analyten, wobei die optische Information eines Elektrophoreseexperiments durch zumindest einen organischen Photodetektor aufgenommen wird.Solution of Object and subject of the invention is therefore an apparatus to carry out a Electrophoresis experiment, at least a two dimensionally applied support material and the electrically charged particles to be detected on a Substrate, wherein the substrate at least partially at least Semitransparent and on the other side of the substrate in the at least partially a semitransparent area at least partially organic photodetector matrix is located. Besides, solution is the Task and Ge object of the invention, a method for detection electrophoretically separated analytes, wherein the optical information an electrophoresis experiment by at least one organic Photodetector is recorded.

Die Verbindung komplizierter Elektrophoreseexperimente, wie sie beispielsweise schon auf miniaturisierten Chips realisiert werden mit großflächig auftragbaren und bei niedrigen Temperaturen prozessierbaren Photodetektoren ist die bislang einzig bekannte Möglichkeit, Elektrophoresechips tatsächlich massenfertigungstauglich zu gestalten und damit eine fundamentale Analysemethode kostengünstig und massenfertigungstauglich zur Verfügung zu stellen.The Connection of complicated electrophoresis experiments, as for example can already be realized on miniaturized chips with large applicability and processable photodetectors at low temperatures the only known possibility so far Electrophoresis chips actually to make it suitable for mass production and thus a fundamental one Method of analysis inexpensive and to make mass production available.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Detektormatrix pixeliert.To a preferred embodiment of Device is the detector matrix pixelated.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist das Substrat zumindest in Teilbereichen transparent mit einer Lichtdurchlässigkeit von zumindest 10%.To an advantageous embodiment of the Device, the substrate is transparent at least in some areas with a light transmission of at least 10%.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung befindet sich auf der gesamten Fläche der einen Seite oder Unterseite des Substrats, die der elektrophoretisch genutzten Fläche auf der anderen Seite oder Oberseite des Substrates entspricht, die Detektormatrix aus organischen Photodetektoren.To an advantageous embodiment of the Device is located on the entire surface of one side or bottom of the substrate that the electrophoretically used surface on the other side or top of the substrate corresponds, the Detector matrix of organic photodetectors.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die pixelierte Photodetektormatrix für Radiographie eingesetzt.To a further embodiment of the method becomes the pixelated photodetector matrix for radiography used.

Nach einer weiteren Ausführungsform hat die pixelierte Photodetektormatrix einen integrierten optischen Filter für Fluoreszenzmatrizen.To a further embodiment the pixelated photodetector matrix has an integrated optical Filter for Fluoreszenzmatrizen.

In der einzigen Figur wird beispielhaft der Aufbau eines Photodetektors, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, erläutert:
Wie in der Figur gezeigt, bestehen organische Photodioden beispielsweise aus einem vertikalen Schichtsystem. Als unterste Schicht ist hier das Substrat 1 zu erkennen. Der Elektrophoreseaufbau wurde der Übersicht halber hier weggelassen. Auf der hier als falscher weise als Unterseite gezeigten Seite 7 des Substrates 1 befindet sich der Aufbau für das Elektrophoreseexperiment, der zumindest ein Trägermaterial und die sich im elektrischen Feld bewegenden Teilchen umfasst.In the single figure, the structure of a photodetector, as used in the context of the present invention, is explained by way of example:
As shown in the figure, organic photodiodes consist, for example, of a vertical layer system. The lowest layer here is the substrate 1 to recognize. The electrophoresis construction has been omitted here for the sake of clarity. On the page shown here as wrong as a subpage 7 of the substrate 1 is the structure for the electrophoresis experiment, which comprises at least one carrier material and the moving in the electric field particles.

Die Unterseite 7 des Substrates 1 wird im Normalfall die Oberseite des Substrates sein. Das Substrat 1 ist zumindest teilweise zumindest semitransparent und besteht aus Materialien wie beispielsweise Glas, Kunststofffolie z. B. Polymerfolie, Metall, beliebigen Legierungen oder anderem.The bottom 7 of the substrate 1 will normally be the top of the substrate. The substrate 1 is at least partially semitransparent and consists of materials such as glass, plastic film z. As polymer film, metal, any alloys or other.

Des weiteren ist eine Bottom-Elektrode 2, die beispielsweise aus ITO, Gold, Platin und/oder Silber sein kann, gezeigt, über der sich eine Lochtransport- und Elektronenblockierschicht 3 (optional), zum Beispiels aus PEDOT:PSS, PANI, oder einem Polyfluorenderivat befindet. Darüber erkennt man die eigentlich photoaktive Schicht 4, beispielsweise ausgebildet aus einem P3HT-PCBM-Blend, einem Poly-3-hexylthiophen und Phenyl-C61-Buttersäuremethylester. Alternativ können ensprechend andere organische Halbleitersysteme auf Polymerbasis oder auf Basis kleiner organischer Moleküle zur Detektion verwendet werden. Über diesem wiederum befindet sich die Top-Elektrode 5, die beispielsweise als Kathode aus Calcium, Barium, Magnesium, Aluminium, Silber, Lithiumflourid und/oder ITO sowie beliebigen Kombinationen dieser Materialien ist. Die Schichtdicken in der gezeigten Figur sind willkürlich und geben keinen Hinweis darauf, wie sich die eingesetzten Schichtdicken zueinander verhalten. Zu bemerken ist lediglich, dass die Elektrodenschichten im allgemeinen dünner als die organischen aktiven Schichten und das Substrat sind.Furthermore, a bottom electrode 2 , which may be, for example, ITO, gold, platinum and / or silver, shown over which is a hole transport and electron blocking layer 3 (optional), for example from PEDOT: PSS, PANI, or a polyfluorene derivative. Above this you can see the actually photoactive layer 4 , for example, formed from a P3HT-PCBM blend, a poly-3-hexylthiophene and phenyl-C61-butyric acid methyl ester. Alternatively, other polymer-based or small organic-based organic semiconductor systems may be used for detection. Above this in turn is the top electrode 5 which is, for example, a cathode of calcium, barium, magnesium, aluminum, silver, lithium fluoride and / or ITO and any combination of these materials. The layer thicknesses in the figure shown are arbitrary and give no indication as to how the layer thicknesses used relate to one another. It should only be noted that the electrode layers are generally thinner than the organic active layers and the substrate.

Außerdem ist eine Strom bzw. Spannungsquelle 6 zu sehen. Selektive Elektroden 2, 5 sind nötig, um ein Diodenverhalten zu gewährleisten. Der Blend 4 aus den beiden Komponenten P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) und PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) ist hier die absorbierende Schicht und wirkt als sogenannte „Hulk Heterojunction", d. h. die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden.In addition, a current or voltage source 6 to see. Selective electrodes 2 . 5 are necessary to ensure a diode behavior. The blend 4 from the two components P3HT (absorber and hole transport component) and PCBM (electron acceptor and transport component) is here the absorbing layer and acts as a so-called "Hulk heterojunction", ie the separation of the charge carriers takes place at the interfaces of the two materials, which are within the form the entire layer volume.

Durch die Wahl eines hochtransparenten Materials für die absorbierende Schicht und/oder durch die Verdünnung der Licht absorbierenden Schicht, können hochtransparente Dioden hergestellt werden.By the choice of a highly transparent material for the absorbent layer and / or by dilution the light-absorbing layer, can be highly transparent diodes getting produced.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können Kosten und Platz für die Kamera und die Optik bislang verwendeter Geräte zur Aufnahme des Bildes eines Elektrophoreseexperimentes reduziert werden. Insbesondere der geometrische Raum für das Elektrophoreseexperiment wird dadurch auch auf ein Minimum reduziert.With Help of the present invention can save costs and space for the camera and the optics of previously used devices to capture the image of a Electrophoresis experiment can be reduced. In particular, the geometric room for the electrophoresis experiment is thereby also reduced to a minimum.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind erstmals komplette Elektrophoresesysteme auf einem Chip von einigen Quadratzentimeter realisierbar. Dabei können diskrete organische Photodetektoren (Fläche von einigen mm2 bis cm2) an bestimmten Stellen des Substrates angebracht werden, oder es wird eine pixelierte Detektormatrix (aktiv- oder passiv Matrix) zur Bildaufnahme implementiert. Dabei sind Pixelgrößen von einigen μm2 bis zu mm2 denkbar.With the aid of the present invention, complete electrophoresis systems can be realized for the first time on a chip of a few square centimeters. In this case, discrete organic photodetectors (area of a few mm 2 to cm 2 ) can be attached to specific locations of the substrate, or a pixelated detector matrix (active or passive matrix) for image acquisition is implemented. In this case, pixel sizes of a few microns 2 up to mm 2 are conceivable.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion elektrophoretisch aufgetrennter Analyten, wobei Kosten und Platz für die Kamera und die Optik bislang verwendeter Geräte zur Aufnahme des Bildes eines Elektrophoreseexperimentes durch den großflächigen Einsatz organischer Photodetektoren eingespart werden.The The present invention relates to a method and an apparatus for the detection of electrophoretically separated analytes, whereby costs and room for the camera and the optics of previously used devices to capture the image an electrophoresis experiment by the large-scale use of organic Photodetectors can be saved.

Claims (7)

Vorrichtung zur Durchführung eines Elektrophoreseexperiments, zumindest ein Trägermaterial und die zu detektierenden elektrisch geladenen Teilchen auf einer Seite (7) eines Substrates (1) umfassend, wobei das Substrat (1) zumindest teilweise zumindest semitransparent ist und auf der anderen Seite des Substrats in dem zumindest semitransparenten Bereich sich zumindest teilweise eine organische Photodetektormatrix befindet.Device for carrying out an electrophoresis experiment, at least one carrier material and the electrically charged particles to be detected on one side ( 7 ) of a substrate ( 1 ), wherein the substrate ( 1 ) is at least partially semitransparent and at least partially an organic photodetector matrix is located on the other side of the substrate in the at least semitransparent region. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektormatrix pixeliert ist.The device of claim 1, wherein the detector array is pixelated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Substrat zumindest in Teilbereichen transparent ist.Device according to one of claims 1 or 2, wherein the substrate is transparent at least in some areas. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der gesamten Fläche der Seite (7) des Substrats (1), die elektrophoretisch genutzt ist, eine Detektormatrix aus organischen Photodetektoren auf der anderen Seite gegenübersteht.Device according to one of the preceding claims, wherein on the entire surface of the page ( 7 ) of the substrate ( 1 ), which is electrophoretically utilized, faces a detector array of organic photodetectors on the other side. Verfahren zur Detektion elektrophoretisch aufgetrennter Analyten, wobei die optische Information eines Elektrophoreseexperiments durch zumindest einen organischen Photodetektor aufgenommen wird.A method for detecting electrophoretically separated analytes, wherein the optical information of an electrophoresis experiment by at least an organic photodetector is recorded. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die pixelierte Photodetektormatrix für Radiographie eingesetzt wird.The method of claim 5, wherein the pixelated photodetector array for radiography is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die pixelierte Photodetektormatrix einen integrierten optischen Filter für Fluoreszenzmatrizen umfasst.Method according to one of claims 5 or 6, wherein the pixelated Photodetector matrix an integrated optical filter for fluorescence matrices includes.
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