DE19948391A1 - Electrophoresis device for analyzing labeled molecules, especially biological molecules - Google Patents
Electrophoresis device for analyzing labeled molecules, especially biological moleculesInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen (z. B. DNA, DNA-Fragmente oder Proteine), die eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausweitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen und eine Laseranordnung zum Anregen von den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern aufweist, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, sowie eine Erfassungsanordnung zum Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehende Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordnung wenigstens ein sich im wesentlichen parallel zum wenigstens einen Laserstrahl erstreckendes Detektorfeld aufweist, das über eine Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführte Emissionsstrahlung erfaßt. Das Detektorfeld, das sich längs einer vorzugsweise linearen Detektionsstrecke erstreckt und eine ortsaufgelöste Detektion der Emissionsstrahlung längs der durch den Verlauf des die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitts definierten Detektionsstrecke ermöglicht (und betreffend eine lineare Detektionsstrecke deshalb im folgenden auch als lineares Detektorfeld bezeichnet wird), kann von einer Reihe von Detektionselementen, etwa Photodioden oder CCD- Elementen, oder einer Matrix aus mehreren parallelen Reihen von Detektionselementen (etwa Photodioden oder CCD-Elementen) gebildet sein. Es bestehen aber grundsätzlich keine Einschränkungen hinsichtlich der Funktionsweise und des die ortsaufgelöste Detektion ermöglichenden Funktionsprinzips des Detektorfeldes.The present invention relates to an electrophoresis device for Analyze fluorescent marker labeled molecules, in particular biological molecules (e.g. DNA, DNA fragments or proteins) that form a A plurality of substantially parallel to each other and along one Molecular direction of gel electrophoresis lanes, one Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets and assigned a laser arrangement for excitation of the molecules Has fluorescent markers, the laser arrangement in Electrophoresis mode generates laser radiation, which as at least one in essentially transverse to the direction of molecular propagation Laser beam cuts at least several of the gel electrophoresis sheets, um in a detection area of the respective gel electrophoresis web to excite assigned fluorescent markers of the molecules present there, as well as a detection arrangement for the detection of the excited ones Fluorescence markers emitting emission radiation, the Detection arrangement at least one essentially parallel to has at least one laser beam extending detector field, which over a spectral filter and radiation guide arrangement to the detector field guided emission radiation detected. The detector field, which is along one preferably extends linear detection path and a spatially resolved Detection of the emission radiation along the course of the gel Defined electrophoresis path cutting laser beam section Detection path enables (and regarding a linear detection path is therefore also referred to below as a linear detector field) of a number of detection elements, such as photodiodes or CCD Elements, or a matrix of several parallel rows of Detection elements (such as photodiodes or CCD elements) can be formed. However, there are basically no restrictions regarding the Functionality and of the spatially resolved detection Principle of operation of the detector field.
Eine derartige Elektrophorese-Einrichtung ist in mehreren Ausführungsformen aus der WO 96/23213 bekannt, die einen guten Überblick über die Hintergründe der Analyse von biologischen Molekülen mittels der Gel-Elektrophorese sowie über grundlegende Funktionsweisen und Konstruktionsmöglichkeiten derartiger Elektrophorese-Einrichtungen gibt und deren Offenbarung deshalb durch Bezugnahme vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Erfindungsbeschreibung einbezogen wird. In der WO 96/23213 sind mehrere Elektrophorese-Einrichtungen offenbart, die zwei bzw. drei Laserstrahl-Quellen aufweisen, offenbar um zwei oder drei Fluoreszenzfarbstoffe (Fluoreszenzmarker) analysieren zu können. Bei zwei Ausführungsformen werden zwei im wesentlichen quer zu der Molekülausweitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, in Molekülausweitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen von zwei gesonderten Laserlichtquellen in das Elektrophorese- Gel eingekoppelt, denen jeweils ein gesondertes lineares Detektorfeld und ein gesonderter Spektralfilter zugeordnet ist. Als lineare Detektorfelder sind alternativ lineare CCD-Elementfelder und lineare Photodiodenfelder vorgesehen. Zum Sammeln und Fokussieren des Emissionslichts schlägt die WO 96/23213 die Verwendung von Gradientenindexlinsenfeldern (speziell sog. SELFOC gradient-index Mikrolinsen-Arrays) vor.Such an electrophoresis device is in several Embodiments known from WO 96/23213 that a good Overview of the background to the analysis of biological molecules by means of gel electrophoresis and basic functions and design options for such electrophoresis devices and therefore their disclosure is fully incorporated by reference into Disclosure of the present description of the invention is included. In WO 96/23213 discloses several electrophoresis devices which have two or three laser beam sources, apparently by two or three To be able to analyze fluorescent dyes (fluorescent markers). With two Embodiments are two substantially transverse to that Direction of molecular expansion and essentially parallel to each other extending, offset against each other in the direction of molecular expansion Laser beams from two separate laser light sources into the electrophoresis Gel coupled, which each have a separate linear detector field and a separate spectral filter is assigned. As linear detector fields are alternatively linear CCD element fields and linear photodiode fields intended. For collecting and focusing the emission light, the WO 96/23213 the use of gradient index lens fields (specifically so-called SELFOC gradient index microlens arrays).
Die simultane Bestimmung von zwei Nukleinsäuresequenzen unter Verwendung zweier unterschiedlich markierter Primermoleküle für eine Sequenzierungsreaktion in einem einzigen Reaktionsgefäß wurde von Wiemann et al. (Anal. biochem. 224 (1995), 117-121) beschrieben. Weitere Verfahren, bei denen Sequenzierungsreaktionen unter Verwendung zweier unterschiedlicher Fluoreszenzmarkierungen in einem einzigen Reaktionsgefäß, verbunden mit einer gemeinsamen Auftrennung dieser beiden unterschiedlicher Fluoreszenzmarkierungen sind in der DE 195 15 552 A1 und WO 96/34114 beschrieben. Dabei werden zur Auswertung der Sequenzierungsreaktionen Nachweissysteme verwendet, die zwei verschiedene Laser enthalten. Die WO 96/23213 stellt offensichtlich ein Nachweissystem bereit, das eine Auswertung derartiger Sequenzierungsreaktionen ermöglicht.The simultaneous determination of two nucleic acid sequences under Use of two differently labeled primer molecules for one Sequencing reaction in a single reaction vessel was carried out by Wiemann et al. (Anal. Biochem. 224 (1995), 117-121). Further Methods in which sequencing reactions using two different fluorescent labels in one Reaction vessel connected to a common separation of these two different fluorescent labels are in DE 195 15 552 A1 and WO 96/34114. The evaluation of the Sequencing reactions used detection systems, the two different lasers included. WO 96/23213 obviously stops Detection system ready that an evaluation of such Sequencing reactions enabled.
Zum technischen Hintergrund der DNA-Sequenz-Analyse auf Grundlage einer Laser-gestützten Detektion von Fluoreszenzfarbstoff-markierten DNA- Fragmenten kann ergänzend auch auf die folgenden grundlegenden Artikel verwiesen werden: Nature, Bd. 321, 12.06.1986, Seiten 674-679, L. M. Smith et al. "Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis" und Journal of Biochemical and Biophysical Methods, Bd. 13, 1986, Seiten 315-323, W. Ansorge et al. "A non-radioactive automated method for DNA sequence determination". Weitere für das Verständnis des technischen Hintergrunds wichtige Schriften und Aufsätze sind in der WO 96/23213 genannt.Based on the technical background of the DNA sequence analysis a laser-assisted detection of fluorescent dye-labeled DNA Fragments can also be added to the following basic articles Reference: Nature, Vol. 321, June 12, 1986, pages 674-679, L. M. Smith et al. "Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis" and Journal of Biochemical and Biophysical Methods, Vol. 13, 1986, pages 315-323, W. Ansorge et al. "A non-radioactive automated method for DNA sequence determination ". Further for understanding the technical Background writings and essays are in WO 96/23213 called.
Erwähnt werden sollte auch die EP 0 275 440 B1, die sich mit der Minimierung der Hintergrundfluoreszenz vom Gel durch entsprechende Auswahl des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffs und der zur Fluoreszenzanregung verwendeten Laserwellenlänge befaßt.Also worth mentioning is EP 0 275 440 B1, which deals with the Minimization of background fluorescence from the gel by appropriate Selection of the fluorescent dye used and the Fluorescence excitation uses laser wavelength.
Neben einer Primer-spezifischen Fluoreszenzfarbstoff-Markierung wird in der Praxis auch eine Basen-spezifische Fluoreszenzfarbstoff-Markierung verwendet, wofür vorzugsweise Fluoreszenzfarbstoff-markierte Stopp- Nukleotide (markierte Kettenabbruchmoleküle, insbesondere Dideoxyribonukleosidtriphosphate (ddNTPs)) oder markierte Deoxyribonukleosidtriphosphate (dNTPs) eingesetzt werden. Speziell für die Sequenzbestimmung auf Grundlage einer Basen-spezifischen Fluoreszenzfarbstoff-Markierung werden von Perkin Elmer Biosystems (früher Applied Biosystems) Schichtgel-Sequenziergeräte angeboten, die die einem Klon zugeordneten, vier verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffe für die vier verschiedenen Nukleotide mittels eines für alle Farbstoffe gemeinsamen Lasers anregen und die resultierende Fluoreszenzstrahlung über vier jeweils einem Farbstoff zugeordnete Spektralfilteranordnungen erfassen. Aufgrund eines starken spektralen Übersprechens können die vier Farbstoffe aber nicht unabhängig voneinander Farbstoff-aufgelöst detektiert werden. Eine Bestimmung der Sequenz ist nur auf Grundlage einer aufwendigen Software- Korrektur der die Farbstoffe noch nicht auflösenden Roh-Meßdaten möglich, die darauf beruht, daß die vier spezifischen, verschieden markierten Sequenzierungsansätze eines Klons gemeinsam in einer Gelspur aufgetrennt und analysiert werden. Eine probenspezifische Detektion, bei der beispielsweise vier verschiedenen Klonen zugeordnete und verschieden markierte Ansätze in einer Gelspur aufgetrennt und analysiert werden, ist trotz der Software-Korrektur nicht möglich.In addition to a primer-specific fluorescent dye label, the Practice also base-specific fluorescent dye labeling used, for which preferably fluorescent dye-labeled stop Nucleotides (labeled chain termination molecules, in particular Dideoxyribonucleoside triphosphates (ddNTPs)) or labeled Deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs) can be used. Especially for the Sequence determination based on a base-specific Fluorescent dye labeling are from Perkin Elmer Biosystems (formerly Applied Biosystems) offered layer gel sequencing devices that one clone assigned four different fluorescent dyes for the four different nucleotides using one common for all dyes Laser excite and the resulting fluorescent radiation over four each Detect spectral filter arrangements assigned to a dye. Because of strong spectral crosstalk, the four dyes can dye-dissolved cannot be detected independently of one another. A Determination of the sequence is only based on a complex software Correction of the raw measurement data not yet resolving the dyes possible, which is based on the fact that the four specific, differently marked Sequencing approaches of a clone separated together in a gel track and be analyzed. A sample-specific detection in which for example, assigned to four different clones and different marked approaches are separated and analyzed in a gel track not possible despite the software correction.
Ein großer Nachteil der basenspezifischen Markierung ist überdies, daß die angekoppelten Farbstoffe aufgrund unterschiedlicher chemischer Parameter die Mobilität der DNA-Fragmente beeinflussen und sogenannte "Mobility- Shifts" hervorrufen, die durch Software korrigiert werden müssen. Die Korrektur der Mobility-Shifts sowie die Korrektur des oben beschriebenen spektralen Übersprechens führen zu Fehlern und Ungenauigkeiten mit der Folge geringerer Leselängen und höherer Fehlerrate. Das führt dazu, daß mit höherer Redundanz sequenziert werden muß. Das heißt, es muß die gleiche Sequenz mehrfach gelesen werden.Another major disadvantage of base-specific labeling is that the coupled dyes due to different chemical parameters influence the mobility of the DNA fragments and so-called "mobility Shifts "that need to be corrected by software Correction of the mobility shifts as well as the correction of the above spectral crosstalk lead to errors and inaccuracies with the As a result of shorter reading lengths and a higher error rate. This means that with higher redundancy must be sequenced. That means it must be the same Sequence can be read multiple times.
Problematisch bei der gemeinsamen Analyse von mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Sequenzierprodukten, allgemein von mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Molekülen, in einer einzigen Bahn bzw. Gelspur ist generell, daß Fluoreszenzfarbstoffe über einen weiten Wellenbereich hinweg anregbar sind und die Anregungsenergie ebenfalls über einen breiten Bereich wieder abgeben. Darüber hinaus unterliegen die Anregungs- und Emissionsspektren äußeren Bedingungen, die durch Parameter der chemischen Umgebung des Farbstoffs gegeben sind, unter anderem durch den pH-Wert, die Temperatur und die Dielektrizitätszahl der Lösung. Man mußte deshalb annehmen, daß eine gleichzeitige quantitative Erfassung von vier oder mehr voneinander unabhängigen Farbstoff-Spektren - wie sie beispielsweise für eine genaue Auswertung von Sequenzierungsreaktionen erforderlich ist - nicht durchführbar ist.Problematic when analyzing with different Fluorescent dyes labeled sequencing products, generally from with different fluorescent dyes labeled molecules, in one single lane or gel track is generally that fluorescent dyes over a wide wave range can be excited and the excitation energy also return over a wide range. Furthermore the excitation and emission spectra are subject to external conditions, given by parameters of the chemical environment of the dye are, among other things by the pH value, the temperature and the Dielectric constant of the solution. One had to assume that a simultaneous quantitative recording of four or more of each other independent dye spectra - such as those used for accurate Evaluation of sequencing reactions is required - not is feasible.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch eine geschickte Auswahl der verwendeten Spektralfilter hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, der Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität und der Wellenlängen der Laserstrahlen doch vier oder mehr Fluoreszenzmarker-Spektren (Farbstoff-Spektren) voneinander unterscheidbar erfaßt und ausgewertet werden können, so daß beispielsweise eine gemeinsame Auswertung von vier oder mehr Sequenzierungsreaktionen, bei denen jeweils unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt wurden, möglich ist, und zwar speziell auch eine gemeinsame Auswertung von vier oder mehr probenspezifisch (insbesondere Primer-spezifisch) markierten Sequenzierungsreaktionen. Dies ist von großer praktischer Relevanz, da durch die Verwendung von vier oder mehr unterschiedlichen Markierungen in einer einzigen Sequenzierungsreaktion die Kosten für die Durchführung der Sequenzierungsreaktionen wesentlich reduziert werden können. Sowohl die Kosten für Chemikalien als auch für den Arbeitsaufwand werden verringert. Dies ist insbesondere bei Sequenzierungsprojekten im großen Maßstab bedeutend, wie etwa dem "Human Genome"-Projekt oder anderen Genomprojekten.Surprisingly, it has now been found that a clever one Selection of the spectral filters used with regard to their spectral Selectivity, the fluorescent marker with regard to its spectral absorption and emission selectivity and the wavelengths of the laser beams are four or more fluorescent marker spectra (dye spectra) from each other can be differentiated recorded and evaluated, so that for example, a joint evaluation of four or more Sequencing reactions, each different Fluorescent dyes were used, is possible, specifically also a joint evaluation of four or more sample-specific (especially primer-specific) labeled sequencing reactions. This is of great practical relevance because by using four or more different marks in one Sequencing reaction the cost of performing the Sequencing reactions can be significantly reduced. Both the Chemicals and labor costs are reduced. This is especially true in large-scale sequencing projects important, such as the "Human Genome" project or others Genome projects.
Die Erfindung stellt dementsprechend nach einem ersten Aspekt eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarkern- markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereit, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, von denen wenigstens einige voneinander verschiedene Absorptions-Wellenlängenbereiche oder/und voneinander verschiedene Emissions-Wellenlängenbereiche aufweisen, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zur Gel-Elektrophorese-Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung eine Mehrzahl von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten und sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckenden Detektorfeldern aufweist, die jeweils einem bestimmten der Laserstrahlen zugeordnet sind und dafür ausgebildet sind, längs einer dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine jeweils zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Spektralfilteranordnung hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, die Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität, und die Wellenlängen der Laserstrahlen derart aufeinander abgestimmt sind, daß unter Einsatz von wenigstens vier Laserstrahlen und von wenigstens vier Detektorfeldern wenigstens vier verschiedene Fluoreszenzmarker unabhängig voneinander mittels eines jeweils zugeordneten Detektorfeldes nach der jeweiligen Gel-Elektrophorese- Bahn und dem jeweiligen Fluoreszenzmarker aufgelöst detektierbar sind.Accordingly, the invention provides a first aspect Electrophoresis device for analyzing fluorescent markers labeled molecules, especially biological molecules, ready includes: a plurality of substantially parallel and longitudinal a direction of molecular spreading gel electrophoresis tracks, an energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets, one Laser arrangement for exciting a plurality of different ones Fluorescent markers assigned to molecules, at least some of which mutually different absorption wavelength ranges or / and have different emission wavelength ranges, the laser arrangement generating laser radiation in electrophoresis mode, which are considered to be essentially transverse to the direction of molecular propagation and in essentially parallel and in Direction of molecular propagation of mutually offset laser beams cuts at least several of the gel electrophoresis sheets to in one Detection area assigned to the respective gel electrophoresis path To stimulate fluorescent markers of the molecules present there, one Detection arrangement for gel electrophoresis web-resolved and Fluorescence marker-resolved detection of the excited Fluorescence markers of outgoing emission radiation, the Detection arrangement a plurality of in the molecular propagation direction offset from each other and preferably essentially parallel to the laser beams extending detector fields, each are assigned to a specific one of the laser beams and are designed for this are along, preferably to, assigned to the respective laser beam this essentially parallel detection path at least a part that in the detection areas due to the excitation by the respective Laser beam emerging, via a respectively assigned spectral filter and Radiation guidance arrangement guided to the detector field To record emission radiation in a spatially resolved manner, the Spectral filter arrangement with regard to their spectral selectivity, the Fluorescence markers with regard to their spectral absorption and Emission selectivity, and the wavelengths of the laser beams so are coordinated that using at least four Laser beams and at least four of at least four detector fields different fluorescent markers independently of one another by means of a assigned detector field according to the respective gel electrophoresis Web and the respective fluorescent marker are resolvably detectable.
In Verallgemeinerung des der vorgeschlagenen Elektrophorese-Einrichtung zugrundeliegenden Erfindungsgedankens wird ferner eine Elektrophorese- Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereitgestellt, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, von denen wenigstens einige voneinander verschiedene Absorptions-Wellenlängenbereiche oder/und voneinander verschiedene Emissions-Wellenlängenbereiche aufweisen, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufende Laserstrahlen wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese- Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, wobei wenigstens einige der Laserstrahlen räumlich gegeneinander versetzt sind oder/und in gegeneinander versetzten Zeitfenstern auftreten oder/und wobei wenigstens ein Laserstrahl zur Ermöglichung einer phasenempfindlichen Detektion moduliert ist oder/und wobei wenigstens einige der Laserstrahlen voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, eine Erfassungsanordnung zum Gel- Elektrophorese-Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung wenigstens ein sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckendes Detektorfeld aufweist, das dafür ausgebildet ist, längs einer dem Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Spektralfilteranordnung hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, die Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität, und die Wellenlängen der Laserstrahlen derart aufeinander abgestimmt sind, daß unter Einsatz von wenigstens vier Laserstrahlen wenigstens vier verschiedene Fluoreszenzmarker unabhängig voneinander nach der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn und dem jeweiligen Fluoreszenzmarker aufgelöst detektierbar sind.In generalization of the proposed electrophoresis device underlying inventive concept is also an electrophoresis Device for analyzing fluorescence marker-labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a A plurality of substantially parallel to each other and along one Molecular direction of gel electrophoresis lanes, one Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets, one Laser arrangement for exciting a plurality of different ones Fluorescent markers assigned to molecules, at least some of which mutually different absorption wavelength ranges or / and have different emission wavelength ranges, the laser arrangement generating laser radiation in electrophoresis mode, which is considered to be substantially transverse to the direction of molecular propagation extending laser beams at least several of the gel electrophoresis Cuts paths in a detection area of the respective gel Fluorescence markers assigned to the electrophoresis path of those present there Excite molecules, with at least some of the laser beams spatially are offset from one another and / or offset from one another Time windows occur and / or at least one laser beam Allowing a phase-sensitive detection is modulated or / and wherein at least some of the laser beams are different from each other Have wavelengths, a detection arrangement for gel Electrophoresis web-resolved and fluorescent marker-resolved Detection of fluorescent markers originating from the excited Emission radiation, the detection arrangement being at least one preferably extending substantially parallel to the laser beams Has detector field, which is designed for this purpose, along one of the laser beams assigned, preferably essentially parallel to this Detection path at least a part of that in the detection areas resulting from the excitation by the respective laser beam an associated spectral filter and radiation guide arrangement for Detector field guided emission radiation to record, where the spectral filter arrangement with regard to its spectral selectivity, the Fluorescence markers with regard to their spectral absorption and Emission selectivity, and the wavelengths of the laser beams so are coordinated that using at least four Laser beams are independent of at least four different fluorescent markers from each other according to the respective gel electrophoresis path and the respective fluorescent markers can be detected when resolved.
Betrachtet man die Emissions- und Absorptionsspektren der üblicherweise bei der Gel-Elektrophorese eingesetzten Fluoreszenz-Farbstoffe, so erscheint es auf den ersten Blick völlig unmöglich zu sein, vier oder mehr Fluoreszenzmarker nach den jeweiligen Fluoreszenzmarkern aufgelöst, also die Fluoreszenzmarker voneinander unterscheidend, zu detektieren, beispielsweise mit einem spektralen "Restübersprechen" kleiner als 10%. Man wird ohne weiteres Fluoreszenzmarkerkombinationen aus zwei verschiedenen Fluoreszenzmarkern finden, deren Absorptionsspektren sich nicht überlappen und deren Emissionsspektren sich nicht überlappen, so daß offensichtlich eine nach dem Frequenzmarker-aufgelöste Detektion möglich ist. Es wurde aber gefunden, daß auch Fluoreszenzmarker mit sich überlappenden Absorptionsspektren und Fluoreszenzmarker mit sich überlappenden Emissionsspektren Fluoreszenzmarker aufgelöst detektiert werden können. Es wurde nämlich erkannt, daß durch die Laserstrahlung selektiv anregbare Fluoreszenzmarker mit sich überlappenden Emissionsspektren voneinander unterscheidbar sind auf Grundlage einer räumlichen oder/und zeitlich getrennten Laserstrahlanregung oder/und auf Grundlage unterschiedlicher Wellenlängen der Laserstrahlen oder/und auf Grundlage einer phasenempfindlichen Detektion bei Anregung mit modulierter Laserstrahlung. Ferner wurde erkannt, daß durch die Laserstrahlung selektiv oder nicht-selektiv anregbare Fluoreszenzmarker mit zumindest teilweise sich nicht-überlappenden Emissionsspektren unterscheidbar sind auf Grundlage spektral/selektiver Detektion der Emissionsstrahlung sowie ggf. auf Grundlage räumlich getrennter Laserstrahlanregung. Es hat sich gezeigt, daß auf Grundlage dieser Lehre ein spektrales "Restübersprechen" zwischen den Fluoreszenzfarbstoffen in der Detektion kleiner als 10%, nämlich sogar besser als 0,1%, erreichbar ist.Looking at the emission and absorption spectra of the usual fluorescent dyes used in gel electrophoresis, so appears at first glance, it may be completely impossible to be four or more Fluorescence markers resolved after the respective fluorescence markers, that is distinguishing the fluorescent markers from one another, for example with a spectral "residual crosstalk" less than 10%. One easily becomes a combination of two fluorescent labels find different fluorescent markers whose absorption spectra differ do not overlap and their emission spectra do not overlap, so that obviously a detection after the frequency marker-resolved is possible is. However, it was found that there are also fluorescent markers overlapping absorption spectra and fluorescent markers overlapping emission spectra resolved fluorescence markers detected can be. It was recognized that the laser radiation selectively excitable fluorescent markers with overlapping Emission spectra are distinguishable from each other on the basis of a spatially and / or temporally separated laser beam excitation or / and Basis of different wavelengths of the laser beams or / and Basis for phase-sensitive detection when excited with modulated laser radiation. It was also recognized that the Laser radiation with selectively or non-selectively excitable fluorescent markers at least partially non-overlapping emission spectra are distinguishable on the basis of spectral / selective detection of the Emission radiation and possibly based on spatially separated Laser beam excitation. It has been shown that based on this teaching spectral "residual crosstalk" between the fluorescent dyes in the Detection less than 10%, namely even better than 0.1%, is achievable.
Die erfindungsgemäße Elektrophorese-Einrichtung wird bevorzugt dafür eingesetzt, Sequenzierungsreaktionen auf Grundlag einer probenspezifischen (Klon-spezifischen, insbesondere Primer-spezifischen) Fluoreszenzfarbstoff- Markierung auszuwerten. Hierzu werden die zu einem Klon gehörigen vier spezifischen Sequenzierungsansätze in vier verschiedenen Gel- Elektrophorese-Bahnen (Gelspuren) aufgetrennt und analysiert.The electrophoresis device according to the invention is preferred for this used, sequencing reactions based on a sample-specific (Clone-specific, especially primer-specific) fluorescent dye Evaluate the marking. For this purpose, the four belonging to a clone specific sequencing approaches in four different gel Electrophoresis sheets (gel traces) separated and analyzed.
Mittels der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung ist aber auch eine Auswertung von Sequenzierungsreaktionen auf Grundlage einer basenspezifischen Fluoreszenzfarbstoff-Markierung möglich, bei der die zu einem Klon gehörigen vier spezifischen, verschieden markierten Sequenzierungsansätze gemeinsam in einer Gel-Elektrophorese-Bahn (Gelspur) aufgetrennt und analysiert werden. Im Falle von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten, verschiedenen der für die basenspezifische Markierung in Bezug auf einen Klon eingesetzten Farbstoffen zugeordneten Laserstrahlen können die dann gegebenen verschiedenen Separationsdistanzen zur Sequenzbestimmung etwa software-mäßig kompensiert werden. Es kann also eine Korrektur der Laufzeit erfolgen, um für die Sequenzbestimmung eine vergleichende Analyse der Mobilität der Sequenzierungsfragmente zu ermöglichen. In der Regel wird es ausreichen, die Korrektur der Laufzeiten nach einem linearen Ansatz (Dreisatz in Bezug auf die Separationsdistanzen unter der Annahme konstanter Fragmentausbreitungsgeschwindigkeit längs der Gel- Elektrophorese-Bahnen) vorzunehmen. Ferner können die in der Regel zwangsläufig auftretenden "Mobility-Shifts" auf an sich bekannte Art und Weise so weit wie möglich kompensiert werden.By means of the electrophoresis device according to the invention, however, is also a Evaluation of sequencing reactions based on a base-specific fluorescent dye labeling possible, in which the to four specific, differently marked ones belong to a clone Sequencing approaches together in a gel electrophoresis lane (Gel trace) can be separated and analyzed. In the case of in Staggered molecular propagation direction, different ones used for base-specific labeling in relation to a clone Laser beams assigned to dyes can then be given different separation distances for sequence determination, for example software-compensated. So it can be a correction of the Runtime take place in order to compare the sequence determination To enable analysis of the mobility of the sequencing fragments. In the As a rule, it will suffice to correct the maturities according to a linear one Approach (three-sentence with respect to the separation distances under the assumption constant fragment propagation speed along the gel Electrophoresis sheets). Furthermore, the usually necessarily occurring "mobility shifts" in a manner known per se and Be compensated as far as possible.
Die einem Fluoreszenzfarbstoff zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung kann in Verbindung mit dem zugeordneten Detektorfeld als diesem Fluoreszenzfarbstoff zugeordnete Detektionseinheit oder Detektoreinheit aufgefaßt werden, gewünschtenfalls tatsächlich als "als Einheit handhabbare" Detektionseinheit ausgebildet sein. Für die Detektionseinheiten gilt bevorzugt, daß für eine Detektionseinheit das Intensitätsverhältnis des von dem zur jeweiligen Detektionseinheit zugehörigen Fluoreszenzfarbstoff stammenden Lichts zu dem von einem anderen Fluoreszenzfarbstoff stammenden Licht 1 : 0,2 oder größer ist. Vorzugsweise weisen die Detektionseinheiten für die zu erfassende Fluoreszenzstrahlung einen Akzeptanzwinkel von etwa ± 20° bezogen auf eine optische Achse der Detektionseinheit auf.The spectral filter and associated with a fluorescent dye Radiation guidance arrangement can be associated with the Detector field as a detection unit assigned to this fluorescent dye or detector unit, if desired actually as "Detection unit that can be handled as a unit". For the Detection units preferably applies that for a detection unit Intensity ratio of from to the respective detection unit associated fluorescent dye to the light from a other fluorescent dye-derived light is 1: 0.2 or greater. The detection units preferably point to those to be detected Fluorescence radiation an acceptance angle of about ± 20 ° based on an optical axis of the detection unit.
Es wird vorgeschlagen, daß die Wellenlängen der Laserstrahlen oder/und Spektralfilter der Spektralfilteranordnungen auf wenigstens vier verschiedene Fluoreszenzmarker abgestimmt sind, deren Absorptionsmaxima unter Elektrophorese-Betriebsbedingungen wenigstens jeweils 30 nm, vorzugsweise jeweils wenigstens 50 nm voneinander entfernt sind oder/und deren Emissionsmaxima unter Elektrophorese- Betriebsbedingungen wenigstens jeweils 30 nm, vorzugsweise jeweils wenigstens 50 nm voneinander entfernt sind.It is proposed that the wavelengths of the laser beams or / and Spectral filter of the spectral filter arrangements on at least four different fluorescent markers are matched, their Absorption maxima under electrophoresis operating conditions at least each 30 nm, preferably at least 50 nm from each other are removed or / and their emission maxima under electrophoresis Operating conditions at least 30 nm each, preferably each are at least 50 nm apart.
Es ist äußerst zweckmäßig, wenn wenigstens ein Spektralfilter eine spektrale Charakteristik derart aufweist, daß aufgrund der Anregung des jeweils zugeordneten Laserstrahls entstehende Fluoreszenzstrahlung des jeweils zugeordneten Fluoreszenzmarkers für einen Durchlaß- Wellenlängenbereich um ein Emissionsmaximum des Fluoreszenzspektrums dieses Fluoreszenzmarkers oder für einen zu diesem Fluoreszenzmaximum benachbarten Durchlaß-Wellenlängenbereich zum zugeordneten Detektorfeld geführt wird. Weiterbildend wird vorgeschlagen, daß in Bezug auf wenigstens einen der anderen Fluoreszenzmarker wenigstens eine der folgenden Bedingungen a) und b) erfüllt ist, um die nach den Fluoreszenzmarkern aufgelöste Detektion zu ermöglichen: a) die Laserstrahl- Wellenlänge liegt auf einer spektralen Seite eines Absorptionsspektrums des anderen Fluoreszenzmarkers jenseits einer von einem Absorptionsmaximum zur Laserstrahl-Wellenlänge hin bis wenigstens auf eine Restabsorptionsamplitude, die einer höchstens geringen Restabsorption entspricht, abfallenden Flanke des Absorptionsspektrums, b) der Durchlaß- Wellenlängenbereich liegt auf einer spektralen Seite eines Emissionsspektrums des anderen Fluoreszenzmarkers jenseits einer von einem Emissionsmaximum zum Durchlaß-Wellenlängenbereich hin bis auf wenigstens eine Restemissionsamplitude, die einer höchstens geringen Restemission entspricht, abfallenden Flanke des Emissionsspektrums.It is extremely useful if at least one spectral filter is one has spectral characteristics such that due to the excitation of the fluorescence radiation of the respectively associated laser beam each assigned fluorescent marker for a transmission Wavelength range around an emission maximum of the fluorescence spectrum this fluorescence marker or for a fluorescence maximum at this adjacent pass wavelength range to the assigned detector field to be led. Further training is proposed that in relation to at least one of the other fluorescent markers at least one of the following conditions a) and b) is fulfilled, according to the To enable fluorescence markers to be resolved: a) the laser beam Wavelength lies on a spectral side of an absorption spectrum of the other fluorescent markers beyond one of an absorption maximum to the laser beam wavelength down to at least one Residual absorption amplitude, which is at most a low residual absorption corresponds to falling edge of the absorption spectrum, b) the transmission Wavelength range lies on a spectral side of a Emission spectrum of the other fluorescent marker beyond one of an emission maximum down to the transmission wavelength range at least one residual emission amplitude, that of an at most low one Residual emission corresponds to falling edge of the emission spectrum.
Die zur Laserstrahl-Wellenlänge abfallende Flanke kann eine zur längeren Wellenlängen hin abfallende Flanke sein, und die zum Durchlaß- Wellenlängenbereich hin abfallende Flanke kann eine zu kürzeren Wellenlängen hin abfallende Flanke sein.The flank falling to the laser beam wavelength can be one to the longer one Wavelength falling edge, and that to the transmission The falling edge of the wavelength range can be too short Wavelengths falling edge.
Alternativ ist es möglich, daß die zur Laserstrahl-Wellenlänge abfallende Flanke eine zu kürzeren Wellenlängen hin abfallende Flanke ist und die zum Durchlaß-Wellenlängenbereich hin abfallende Flanke eine zu längeren Wellenlängen hin abfallende Flanke ist.Alternatively, it is possible that the one falling to the laser beam wavelength Flank is a flank falling to shorter wavelengths and that to the Passing wavelength range falling edge too long Is the falling edge.
Generell wird vorgeschlagen, daß die Flanke zur Laserstrahl-Wellenlänge bzw. zum Durchlaß-Wellenlängenbereich hin steiler abfällt als eine auf der anderen Seite des Maximums des Spektrums liegende, mit dem Abstand vom Maximum abfallende Flanke des Spektrums. It is generally proposed that the flank be at the laser beam wavelength or falls more steeply towards the pass wavelength range than one on the other side of the maximum of the spectrum, with the distance flank of the spectrum falling from the maximum.
Wenigstens eine Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung kann als Strahlungsführungsanordnung eine Linsenanordnung, vorzugsweise ein Gradientenindexlinsenfeld (ggf. SELFOC Linsenfeld (SLA)), umfassen. Das Gradientenindexfeld sollte dafür ausgebildet sein, alleine oder in Verbindung mit anderen optischen Komponenten Fluoreszenzlicht auf das zugeordnete Detektorfeld längs der betreffenden Detektionsstrecke abzubilden und kann insoweit auch als "lineares Gradientenindexfeld" bezeichnet werden. Auf einer den Gel-Elektrophorese-Bahnen zugeordneten Gegenstandsseite der Strahlungsführungsanordnung kann wenigstens ein gegenstandseitiger Spektralfilter angeordnet sein. Ferner kann auch ein der dem Detektorfeld zugeordneten Bildseite der Strahlungsführungsanordnung wenigstens ein bildseitiger Spektralfilter angeordnet sein. Die Strahlungsführungsanordnung kann auch weitere optische Mittel, beispielsweise eine Blendenanordnung umfassen, um die optische bzw. spektrale Trennschärfe zu erhöhen.At least one spectral filter and radiation guiding arrangement can be used as Radiation guidance arrangement a lens arrangement, preferably a Gradient index lens field (possibly SELFOC lens field (SLA)). The Gradient index field should be trained, alone or in combination associated with other optical components fluorescent light And can map the detector field along the relevant detection path insofar as they are referred to as a "linear gradient index field". On an object side assigned to the gel electrophoresis tracks Radiation guidance arrangement can at least one object-side Spectral filter can be arranged. Furthermore, one of the detector fields associated image side of the radiation guide arrangement at least one spectral filter on the image side. The radiation guide arrangement can also have other optical means, for example an aperture arrangement include to increase the optical or spectral selectivity.
Vorzugsweise ist wenigstens ein Spektralfilter als Interferenzfilter ausgebildet oder umfaßt einen Interferenzfilter. Hierzu wird speziell vorgeschlagen, daß wenigstens eine Spektralfilteranordnung als Kombination aus einer Absorptionsfilteranordnung und einer Interferenzfilteranordnung ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein Spektralfilter einen Absorptionsfilter, ggf. Farbglasfilter, umfassen, der als Trägersubstrat für Dünnschichtfilme eines zugeordneten Interferenzfilters dient.At least one spectral filter is preferably used as an interference filter formed or includes an interference filter. This is specifically proposed that at least one spectral filter arrangement as Combination of an absorption filter arrangement and one Interference filter arrangement is formed. For example, a Spectral filter include an absorption filter, possibly colored glass filter, which as Carrier substrate for thin-film films of an associated interference filter serves.
Der Einsatz eines Interferenzfilters mag überraschen, da die spektrale Selektivität eines solchen Filters vom Einfallswinkel der Emissionsstrahlung in den Filter abhängt. Speziell dann, wenn man eine Strahlungsführungsanordnung mit hoher numerischer Apertur, beispielsweise ein entsprechendes Gradientenindexlinsenfeld, verwendet, um dievon den Fluoreszenzmarkern abgestrahlten Fluoreszenz-Photonen mit hoher Effizienz zu sammeln, erscheint die Verwendung eines Interferenzfilters im Hinblick auf die gewünschte spektrale Selektivität des Filters äußerst problematisch. Es wurde aber erkannt, daß der Interferenzfilter, der als Durchlaß-Wellenlängenbereich einen Wellenlängenbereich definiert, der einer Überlagerung von Durchlaßbereichen des Interferenzfilters für verschiedene Licht-Einfallswinkel in den Interferenzfiltern entspricht, diesen Durchlaß-Wellenlängenbereich nicht zwingend alleine, sondern bei entsprechender Anordnung in Bezug auf die Strahlungsführungsanordnung den Durchlaß-Wellenlängenbereich gemeinsam mit der Strahlungsführungsanordnung definiert. Damit kann als Durchlaß-Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich definiert sein, der alle Durchlaßbereiche des Interferenzfilters für alle gemäß einer Akzeptanzwinkelcharakteristik der Strahlungsführungsanordnung auftretenden Lichteinfallswinkel umfaßt. Beispielsweise kann als Durchlaß- Wellenlängenbereich ein Wellenlängenbereich definiert sein, der einen Durchlaßbereich des Interferenzfilters für einen einem Lichteinfallswinkel von α = 0° und einen Durchlaßbereich des Interferenzfilters für einen einen maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallswinkel umfaßt. Berücksichtigt man einen solchen, die Akzeptanzwinkelcharakteristik der Strahlungsführungsanordnung berücksichtigenden Durchlaß- Wellenlängenbereich bei der Auslegung der Elektrophorese-Einrichtung, so eröffnen sich vielfältige konstruktive Möglichkeiten bei der Auslegung und Spezifizierung der Spektralfilter in Bezug auf die Emissionsspektren der zu verwendenden Fluoreszenzfarbstoffe, und es lassen sich unter Einsatz von Interferenzfiltern Spektralfilteranordnungen mit vergleichsweise hoher spektraler Selektivität schaffen, um eine die Fluoreszenzmarker auflösende Detektion zu ermöglichen.The use of an interference filter may come as a surprise as the spectral Selectivity of such a filter from the angle of incidence of the emission radiation depends in the filter. Especially if you have one Radiation guidance arrangement with high numerical aperture, for example a corresponding gradient index lens field is used, around the fluorescent photons emitted by the fluorescent markers to collect high efficiency appears to use a Interference filter with regard to the desired spectral selectivity of the Filters extremely problematic. However, it was recognized that the Interference filter, the one as a transmission wavelength range Wavelength range defined, that of an overlay of Passband of the interference filter for different angles of light incidence in the interference filters corresponds to this pass wavelength range not necessarily alone, but with an appropriate arrangement in relation to the radiation guiding arrangement covers the transmission wavelength range defined together with the radiation guide arrangement. So that can Pass-through wavelength range can be defined as a wavelength range that all pass bands of the interference filter for all according to one Acceptance angle characteristic of the radiation guiding arrangement occurring light incidence angle includes. For example, Wavelength range a wavelength range can be defined, the one Passband of the interference filter for a light incidence angle of α = 0 ° and a pass band of the interference filter for one maximum acceptance angle of the radiation guide arrangement corresponding light incidence angle. If you take one into account such, the acceptance angle characteristic of the Radiation guidance arrangement taking into account Wavelength range in the design of the electrophoresis device, so opens up a variety of constructive options for the design and Specification of the spectral filter in relation to the emission spectra of the using fluorescent dyes, and it can be made using Interference filters Spectral filter arrangements with a comparatively high create spectral selectivity to resolve the fluorescent markers To enable detection.
Auf Grundlage der erläuterten Prinzipien kann die erfindungsgemäße Elektrophorese-Einrichtung dafür ausgelegt sein, von den folgenden Fluoreszenzmarkern wenigstens sieben Marker zu detektieren: Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), 5- Carboxy-Rhodamin 6G, Alexa 532, Tetramethyl-Rhodamin-Iso-Thio-Cyanat (TRITC), Indodicarbocyanin CY 3, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 und IRD 800.Based on the principles explained, the inventive one Electrophoresis equipment can be designed from the following To detect fluorescent markers at least seven markers: Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), 5- Carboxy-rhodamine 6G, Alexa 532, tetramethyl-rhodamine-iso-thio-cyanate (TRITC), indodicarbocyanine CY 3, sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 and IRD 800.
Speziell können wenigstens die Marker Indodicarbocyanin CY 2, Fluoreszein- Iso-Thio-Cyanat (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6 G, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800 detektierbar sein.Specifically, at least the markers indodicarbocyanine CY 2, fluorescein Iso-thio-cyanate (FITC), 5-carboxy-rhodamine 6 G, sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5 and IRD 800 be detectable.
Die Elektrophorese-Einrichtung kann speziell dafür ausgelegt sein, von den folgenden Fluoreszenzmarkern wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, höchstvorzugsweise wenigstens fünf Marker gleichzeitig Fluoreszenzmarker aufgelöst und Gel-Elektrophorese-Bahn-aufgelöst zu detektieren: Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluoreszein-Iso-Thio- Cyanat (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Alexa 532, Tetramethyl-Rhodamin- Iso-Thio-Cyanat (TRITC), Indodicarbocyanin CY 3, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 und IRD 800.The electrophoresis device can be specially designed by the following fluorescent markers at least three, preferably at least four, most preferably at least five markers at the same time Fluorescent markers resolved and gel electrophoresis web-resolved too detect: Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluoreszein-Iso-Thio- Cyanate (FITC), 5-carboxy-rhodamine 6G, Alexa 532, tetramethyl-rhodamine- Iso-thio-cyanate (TRITC), indodicarbocyanine CY 3, sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 and IRD 800.
Speziell wird vorgeschlagen, daß wenigstens die fünf Marker Indodicarbocyanin CY 2, 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800 oder wenigstens die vier Marker Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800 oder wenigstens die vier Marker Indodicarbocyanin CY 2, 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Indodicarbocyanin CY 5 und IRD 800 oder wenigstens die drei Marker Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), Indodicarbocyanin CY 5 und IRD 800 gleichzeitig Fluoreszmarker-aufgelöst und Gel-Elektrophorese-Bahn-aufgelöst detektierbar sind.Specifically, it is suggested that at least the five markers Indodicarbocyanine CY 2, 5-carboxy-rhodamine 6G, sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5.5 and IRD 800 or at least the four markers fluorescein iso-thio-cyanate (FITC), sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5.5 and IRD 800 or at least the four markers indodicarbocyanine CY 2, 5-carboxy-rhodamine 6G, Indodicarbocyanin CY 5 and IRD 800 or at least the three markers Fluorescein iso-thio-cyanate (FITC), indodicarbocyanine CY 5 and IRD 800 fluorescent marker-resolved and gel electrophoresis-lane-resolved simultaneously are detectable.
Bei der Auslegung der Spektralfilter und bei der Auswahl der Anregungswellenlängen bestehen grundsätzlich viele Möglichkeiten, die von den zur Verfügung stehenden Lasersystemen und den zur Verfügung stehenden Spektralfiltern abhängen. Grundlegende Randbedingungen sind nur die Selektivität der Anregung, der für eine bestimmte Anregungswellenlänge erreichbare Anregungswirkungsgrad, die Selektivität der Detektion und der bei einem bestimmten Durchlaßbereich in Bezug auf die spektrale Empfindlichkeit eines eingesetzten Detektors erreichbare Detektionswirkungsgrad. In der Praxis werden aber auch andere Randbedingungen eine wichtige Rolle spielen, nämlich die Kosten der Lasersysteme hinsichtlich Anschaffung und Unterhalt und die Kosten für die Anschaffung der Spektralfilter und Detektoren. Im folgenden werden einige Beispiele für einsetzbare Lasersysteme und Spektralfilter im Bezug auf verschiedene der genannten Fluoreszenzmarker gegeben, die keineswegs beschränkend sind, sondern nur einen Anhaltspunkt geben sollen. So ist es offensichtlich, daß bei hinsichtlich der Wellenlänge abstimmbaren Lasern, wie beispielsweise Laserdioden, auch von den folgenden Angaben abweichende Anregungswellenlängen innerhalb der regelmäßig recht breiten Anregungsspektren in Frage kommen. Die genannten Anregungswellenlängen stehen deshalb jeweils nur für einen in Frage kommenden Wellenlängenbereich von beispielsweise etwa ± 10 bis 20 nm auf beiden spektralen Seiten der genannten Wellenlänge. Entsprechendes gilt für die Durchlaßbereiche der im folgenden angegebenen Spektralfilteranordnungen. Es ist offensichtlich, daß man auf jeden Fall Spektralfilteranordnungen mit spektral schmaleren Durchlaßbereichen im Bereich der genannten Durchlaßbereiche oder/und Strahlungsführungsanordnungen mit kleinerem Akzeptanzwinkelbereich verwenden kann, wenn man einen geringeren Detektionswirkungsgrad (höhere Photonenverluste) in Kauf nehmen mag. Man kann aber auch Spektralfilteranordnungen mit größeren Durchlaßbereichen oder spektralversetzten Durchlaßbereichen oder/und Strahlungsführungsanordnung mit größeren Akzeptanzwinkelbereichen in Abhängigkeit von den Emissionsspektren der Fluoreszenzmarker verwenden, solange die Detektionsselektivität der Elektrophorese-Einrichtung als Ganzes gewahrt bleibt. Dementsprechend geben die im folgenden genannten spektralen Grenzen der Durchlaßbereiche jeweils nur einen Anhaltspunkt für die Auslegung der Spektralfilteranordnungen, und die genannten Durchlaßbereiche können um jeweils beispielsweise etwa ± 10 bis 20 nm spektral versetzt oder zu kleineren oder/und größeren Wellenlängen hin erweitert sein. Die im folgenden gegebenen Daten für in Frage kommende Anregungswellenlängen, Durchlaßbereiche und maximale Akzeptanzwinkel definieren aber jedenfalls bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung, mit der im Elektrophoresebetrieb ausgezeichnete Analyseergebnisse erzielt wurden.When designing the spectral filter and when selecting the There are basically many possibilities of excitation wavelengths the available laser systems and the available dependent spectral filters. Basic boundary conditions are only the selectivity of the excitation, for a particular one Excitation wavelength achievable excitation efficiency, the selectivity of detection and at a given pass band with respect to the spectral sensitivity of a detector used can be achieved Detection efficiency. In practice, however, others will Boundary conditions play an important role, namely the cost of Laser systems in terms of purchase and maintenance and the cost of Acquisition of spectral filters and detectors. The following are some Examples of applicable laser systems and spectral filters in relation to given various of the fluorescent markers mentioned, which by no means are restrictive, but should only give a clue. That's the way it is obvious that with lasers tunable in wavelength, such as laser diodes, also from the following information deviating excitation wavelengths within the regularly quite wide range Excitation spectra come into question. The above Excitation wavelengths are therefore only possible for one coming wavelength range of, for example, about ± 10 to 20 nm on both spectral sides of the wavelength mentioned. Corresponding applies to the passband ranges specified below Spectral filter arrangements. It is obvious that you definitely Spectral filter arrangements with spectrally narrow pass bands in the Area of the passband mentioned or / and Radiation guidance arrangements with a smaller acceptance angle range can use if you have a lower detection efficiency (higher photon losses). But you can also Spectral filter arrangements with larger pass bands or spectrally offset passband or / and Radiation guidance arrangement with larger acceptance angle ranges in Use dependence on the emission spectra of the fluorescent markers, as long as the detection selectivity of the electrophoresis device as a whole remains preserved. Accordingly, the following give spectral limits of the pass band only a clue for the design of the spectral filter arrangements, and the above Passbands can vary by, for example, approximately ± 10 to 20 nm spectrally offset or towards smaller or / and longer wavelengths be expanded. The data given below for eligible Excitation wavelengths, pass bands and maximum acceptance angles in any case define preferred embodiments of a electrophoresis device according to the invention, with the Electrophoresis operation excellent analysis results have been achieved.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers Indodicarbocyanin CY 2 wird vorgeschlagen, einen frequenzverdoppelten (ggf. diodengepumpten) Neodym: YAG-Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 473 nm einzusetzen. Diesem Fluoreszenzmarker kann eine Spektralfilteranordnung mit einem Durchlaßbereich von etwa 494 nm bis etwa 424 nm zugeordnet sein. Spielen unterschiedliche Licht-Einfallswinkel α in der Spektralfilteranordnung eine Rolle, so kann die Spektralfilteranordnung unterschiedlichen Licht-Einfallswinkeln α zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 494 nm bis etwa 524 nm für α = 0° und etwa 492 nm bis etwa 514 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°) aufweisen. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Kurzpaßfilter, einen Absorptions-Leitpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.For the detection of the fluorescence marker indodicarbocyanine CY 2 proposed a frequency-doubled (possibly diode-pumped) Neodymium: YAG laser with an emission wavelength of approximately 473 nm to use. A spectral filter arrangement can be used for this fluorescence marker assigned with a pass range from about 494 nm to about 424 nm his. Play different light angles of incidence α in the Spectral filter arrangement a role, so the spectral filter arrangement passband areas of different light incidence angles α about 494 nm to about 524 nm for α = 0 ° and about 492 nm to about 514 nm for a maximum acceptance angle of Radiation guidance arrangement corresponding light incidence angle (for example of about 20 °). The spectral filter arrangement can an absorption short pass filter, an absorption pass filter and one Interference bandpass filters include.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC) kann ein Argon-Ionen-Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 488 nm oder ein frequenzverdoppelter (ggf. diodengepumpter) Neodym: YAG- Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 473 nm eingesetzt werden. Diesem Fluoreszenzmarker kann eine Spektralfilteranordnung mit einem Durchlaßbereich von etwa 505 nm bis etwa 555 nm, ggf. mit unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln α zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 505 nm bis etwa 555 nm für α = 0° und etwa 500 nm bis etwa 555 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkels (beispielsweise von etwa 20°) zugeordnet sein. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Kurzpaßfilter, einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.For the detection of the fluorescence marker fluorescein iso-thio-cyanate (FITC) can be an argon ion laser with an emission wavelength of about 488 nm or a frequency-doubled (possibly diode-pumped) neodymium: YAG- Lasers with an emission wavelength of approximately 473 nm can be used. A spectral filter arrangement with a Pass range from about 505 nm to about 555 nm, possibly with different passages associated with different angles of incidence α from about 505 nm to about 555 nm for α = 0 ° and about 500 nm to about 555 nm for a maximum acceptance angle of Radiation guidance arrangement corresponding light incidence angle (for example of about 20 °). The spectral filter arrangement can be an absorption short pass filter, an absorption long pass filter and an interference bandpass filter.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers 5-Carboxy-Rhodamin 6G wird vorgeschlagen, einen frequenzverdoppelten (ggf. diodengepumpten) Neodym: YAG-Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 532 nm einzusetzen. Die diesem Fluoreszenzmarker zugeordnete Spektralfilteranordnung kann einen Durchlaßbereich von etwa 555 nm bis etwa 578 nm, ggf. unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln α zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 555 nm bis etwa 578 nm für α = 0° und etwa 535 nm bis etwa 569 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°) aufweisen. Die Spektralfilteranordnung kann ein Absorptions-Kurzpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.For the detection of the fluorescent marker 5-carboxy-rhodamine 6G proposed a frequency-doubled (possibly diode-pumped) Neodymium: YAG laser with an emission wavelength of approximately 532 nm to use. The one assigned to this fluorescent marker Spectral filter arrangement can have a pass band from about 555 nm to about 578 nm, possibly associated with different light incidence angles α Pass ranges from about 555 nm to about 578 nm for α = 0 ° and about 535 nm to about 569 nm for a maximum acceptance angle of Radiation guidance arrangement corresponding light incidence angle (for example of about 20 °). The spectral filter arrangement can an absorption short pass filter and an interference band pass filter.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers Sulforhodamin 101 (TexasRed™) kann ein Helium-Neon-Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 594 nm eingesetzt werden. Diesem Fluoreszenzmarker kann eine Spektralfilteranordnung mit einem Durchlaßbereich von etwa 613 nm bis etwa 651 nm, ggf. mit unterschiedlichen Lichteinfallwinkeln α zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 613 nm bis 651 nm für α = 0° und etwa 613 nm bis etwa 636 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°) zugeordnet sein. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen. For the detection of the fluorescent marker Sulforhodamin 101 (TexasRed ™) can be a helium-neon laser with an emission wavelength of about 594 nm are used. This fluorescent marker can be a Spectral filter arrangement with a pass range from approximately 613 nm to about 651 nm, possibly associated with different light incidence angles α Pass ranges from about 613 nm to 651 nm for α = 0 ° and about 613 nm to about 636 nm for a maximum acceptance angle of Radiation guidance arrangement corresponding light incidence angle (for example of about 20 °). The spectral filter arrangement can have an absorption long pass filter and an interference band pass filter include.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers Indodicarbocyanin CY 5 kann ein Helium-Neon-Laser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 633 nm oder ein Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 640 nm eingesetzt werden. Diesem Fluoreszenzmarker kann eine Spektralfilteranordnung mit einem Durchlaßbereich von etwa 655 nm bis etwa 690 nm, ggf. mit unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln α zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 655 nm bis etwa 690 nm für α = 0° und etwa 650 nm bis etwa 683 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°) zugeordnet sein. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.A can be used for the detection of the fluorescence marker indodicarbocyanine CY 5 Helium-neon laser with an emission wavelength of approximately 633 nm or a semiconductor laser with an emission wavelength of about 640 nm be used. This fluorescent marker can be a Spectral filter arrangement with a pass range from about 655 nm to about 690 nm, possibly with different light incidence angles α assigned pass ranges from about 655 nm to about 690 nm for α = 0 ° and about 650 nm to about 683 nm for a maximum Appropriate angle of acceptance of the radiation guide arrangement Light incidence angle (for example of about 20 °) can be assigned. The Spectral filter arrangement can be an absorption long-pass filter and a Interference bandpass filters include.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers Indodicarbocyanin CY 5.5 oder/und des Fluoreszenzmarkers IRD 700 kann ein Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 660 nm oder etwa 670 nm oder etwa 675 nm eingesetzt werden. Die betreffende Spektralfilteranordnung kann einen Durchlaßbereich von etwa 655 nm bis etwa 690 nm, ggf. unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln α zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 695 nm bis etwa 745 nm für α = 0° und etwa 695 nm bis etwa 730 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°C) aufweisen. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.For the detection of the fluorescent marker indodicarbocyanin CY 5.5 or / and the fluorescence marker IRD 700 can be a semiconductor laser with a Emission wavelength of about 660 nm or about 670 nm or about 675 nm are used. The spectral filter arrangement in question can be one Pass range from about 655 nm to about 690 nm, possibly different Passage ranges of approximately 695 nm to assigned to light incidence angles α about 745 nm for α = 0 ° and about 695 nm to about 730 nm for one a maximum acceptance angle of the radiation guiding arrangement corresponding light incidence angle (for example of about 20 ° C) exhibit. The spectral filter arrangement can be an absorption long-pass filter and an interference bandpass filter.
Für die Detektion des Fluoreszenzmarkers IRD 800 kann ein Halbleiterlaser mit einer Emissionswellenlänge von etwa 775 nm oder von etwa 780 nm eingesetzt werden. Diesem Fluoreszenzmarker kann eine Spektralfilteranordnung mit einem Durchlaßbereich von etwa 795 nm bis etwa 790 nm, ggf. mit unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln α zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 795 nm bis etwa 835 nm für α = 0° und etwa 790 nm bis etwa 830 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20°) zugeordnet sein. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.A semiconductor laser can be used to detect the fluorescent marker IRD 800 with an emission wavelength of about 775 nm or of about 780 nm be used. This fluorescent marker can be a Spectral filter arrangement with a pass range from about 795 nm to about 790 nm, possibly with different light incidence angles α assigned pass ranges from about 795 nm to about 835 nm for α = 0 ° and about 790 nm to about 830 nm for a maximum Appropriate angle of acceptance of the radiation guide arrangement Light incidence angle (for example of about 20 °) can be assigned. The Spectral filter arrangement can be an absorption long-pass filter and a Interference bandpass filters include.
Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung Maßnahmen getroffen zur Verringerung von das Auflösungsvermögen der Detektion in Bezug auf die Gel-Elektrophorese-Bahn oder/und in Bezug auf die Fluoreszenzmarker oder/und das Signal-zu-Rauschverhältnis beeinträchtigender Störstrahlung, ggf. Fluoreszenzlicht-Hintergrundstrahlung oder/und gestreuter Laserstrahlung. Beispielsweise kann wenigstens einer der Laserstrahlen linear polarisiert sein mit einem Polarisationsvektor, der nach einer eingangsseitigen Lichtführungsrichtung der Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung ausgerichtet ist, ggf. zu dieser zumindest näherungsweise parallel ist. Hierdurch wird das in Richtung der Detektoren abgestrahlte Streulicht minimiert, da bei der elastischen (Rayleigh-Streuung das Streulicht bevorzugt in eine zum Polarisations-Vektor des einfallenden Lichtes senkrechte Ebene abgestrahlt wird. Eine derartige Polarisationsrichtung kann man durch entsprechende Anordnung des Lasers oder/und durch Einsatz von entsprechenden optischen Komponenten, beispielsweise Polarisatoren oder/und λ/2-Plättchen, erreicht werden.Preferred in the electrophoresis device according to the invention Measures taken to reduce the resolution of the Detection with respect to the gel electrophoresis pathway and / or with respect to the fluorescent markers and / or the signal-to-noise ratio interfering radiation, possibly fluorescent light background radiation or / and scattered laser radiation. For example, at least one the laser beams are linearly polarized with a polarization vector which according to an input-side light guiding direction of the spectral filter and Radiation guidance arrangement is aligned, at least to this at least is approximately parallel. This will make it in the direction of the detectors radiated scattered light is minimized, since elastic (Rayleigh scattering the scattered light preferably into one of the incident polarization vector Light vertical plane is emitted. Such The direction of polarization can be determined by arranging the laser accordingly or / and by using appropriate optical components, for example polarizers or / and λ / 2 platelets can be achieved.
Hinsichtlich der Gel-Elektrophorese-Bahnen ist es bevorzugt, daß mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40 und besonders bevorzugt mindestens 80 (beispielsweise 120 oder sogar 192 oder 384 Bahnen) parallel ausgewertet werden können. Die Gel-Elektrophorese-Bahnen können in einer vorzugsweise plattenförmigen Gelmatrixverlaufen, die zwischen Glasplatten aus gefloatetem Borosilikatglas angeordnet ist. Sogenanntes Floated-Glas vermeidet aufgrund seiner hohen Planarität Mehrfachreflexionen der zwischen den Glasplatten verlaufenden Laserstrahlen, so daß eine Erhöhung des Streulicht- und Fluoreszenzlichtuntergrunds aufgrund eines mehrfachen Eindringens der Laserstrahlung in die Glasplatten vermieden wird. With regard to gel electrophoresis sheets, it is preferred that at least 20, preferably at least 40 and particularly preferably at least 80 (e.g. 120 or even 192 or 384 lanes) evaluated in parallel can be. The gel electrophoresis sheets can be in one preferably plate-shaped gel matrix runs between glass plates made of floated borosilicate glass. So-called floated glass avoids multiple reflections due to its high planarity laser beams running between the glass plates, so that an increase of the scattered light and fluorescent light background due to a multiple Penetration of the laser radiation into the glass plates is avoided.
Borosilikatglas ist in Qualitäten mit geringer Eigenfluoreszenz erhältlich, als gefloatetes Borosilikat-Glas beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Borofloat von der Firma Schott in Jena (Deutschland).Borosilicate glass is available in qualities with low intrinsic fluorescence than floated borosilicate glass, for example, under the trade name Borofloat from the Schott company in Jena (Germany).
Für die Einkopplung der Laserstrahlen in die Gelmatrix ist es besonders zweckmäßig, wenigstens eine (vorzugsweise eine gemeinsame) zur Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung im wesentlichen parallele Koppelplatte zu verwenden, die polierte Eintritts- oder/und Austrittsflächen für den jeweiligen Laserstrahl sowie einen an die Gelmatrix angepaßten Brechungsindex aufweist.It is special for the coupling of the laser beams into the gel matrix expedient, at least one (preferably a common one) Laser beam propagation direction essentially parallel coupling plate use the polished entry and / or exit surfaces for the each laser beam and one adapted to the gel matrix Has refractive index.
Um eine vorzeitige Degradation der Fluoreszenzfarbstoffe und damit unter Umständen reduzierte Signalpegel zu vermeiden, können die räumlich gegeneinander versetzten, unterschiedliche Wellenlängen aufweisenden Laserstrahlen derart gegeneinander versetzt sein, daß die Laserstrahlungswellenlänge in Molekülausbreitungsrichtung von Laserstrahl zu Laserstrahl abnimmt. Die Fluoreszenzmarker durchlaufen dementsprechend zuerst die Laserstrahlen mit längerer Wellenlänge, bevor sie die Laserstrahlen mit kürzerer Wellenlänge erreichen. Eine Degradation von durch Laserstrahlung längerer Wellenlänge anzuregender Fluoreszenzfarbstoffe durch Laserstrahlung kürzerer Wellenlänge vor der Detektion des betreffenden Fluoreszenzmarkers wird dementsprechend vermieden.To prevent premature degradation of the fluorescent dyes and thus under Circumstances to avoid reduced signal levels can be spatial offset against each other, having different wavelengths Laser beams are offset against each other in such a way that the Laser radiation wavelength in the molecular propagation direction of laser beam decreases to laser beam. Pass through the fluorescent markers accordingly first the laser beams with longer wavelength before they reach the laser beams with a shorter wavelength. A degradation of longer wavelength to be excited by laser radiation Fluorescent dyes from laser radiation of shorter wavelength before Detection of the fluorescent marker in question becomes accordingly avoided.
Die beschriebene Elektrophorese-Einrichtung kann zur Analyse von Nukleinsäuren eingesetzt werden, beispielsweise derart, daß mit mindestens vier unterschiedlichen Fluoreszenzmarkern markierte Produkte von Nukleinsäure-Sequenzierungsreaktionen zusammen in einer Bahn nach ihrer Größe aufgetrennt und, voneinander unabhängig analysiert werden. Die Auftrennung kann durch Elektrophorese in einem denaturierenden Gel erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine parallele Auftrennung in mehreren Bahnen, die jeweils mindestens vier unterschiedlich markierte Produkte enthalten. Auf diese Weise können unter Verwendung konventioneller Gele, die eine Auswertung von z. B. 1.000-1.200 Basen pro Sequenzierungsreaktion erlauben, und einer gleichzeitigen Auftrennung von vier Sequenzierungsreaktionen in einer Bahn, bei Verwendung eines Plattengels mit 192 Spuren, mehr als 100.000 Basen 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019948391 00004 99880, z. B. 155.000 Basen, auf einem einzigen Gel bestimmt werden. Im Falle von Gelen mit größerer Spuranzahl, wie vorstehend erwähnt, lassen sich entsprechend mehr Basen bestimmen, So konnten auf Grundlage einer Verdoppelung der Spurdichte (384 Spuren auf einem einzigen Gel) mehr als 200.000 Basen, z. B. 300.000 bis 384.000 Basen, auf einem einzigen Gel bestimmt werden.The electrophoresis device described can be used to analyze Nucleic acids are used, for example in such a way that with at least four different fluorescent markers from Nucleic acid sequencing reactions together in one lane after their Size separated and analyzed independently. The Separation can be done by electrophoresis in a denaturing gel respectively. A parallel separation is preferably carried out in several Lanes, each with at least four differently marked products contain. In this way, using conventional gels, an evaluation of z. B. 1,000-1,200 bases per Allow sequencing reaction and simultaneous separation of four sequencing reactions in one lane using one Plate gels with 192 tracks, more than 100,000 bases 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002019948391 00004 99880, e.g. B. 155,000 bases, can be determined on a single gel. In the case of gels with larger Number of tracks, as mentioned above, can be correspondingly more bases determine, So based on a doubling of the track density (384 tracks on a single gel) more than 200,000 bases, e.g. B. 300,000 to 384,000 bases can be determined on a single gel.
Die zur Analyse verwendete, als Sequenziervorrichtung eingesetzte Gel- Elektrophorese-Einrichtung ist vorzugsweise weitgehend automatisiert (vorzugsweise speziell auch hinsichtlich der Sequenzbestimmung) und weist für jeden Fluoreszenzfarbstoff vorzugsweise einen separaten Anregungslaser und eine separate Detektionseinheit auf. Zur Erhöhung der (spektralen) Trennschärfe werden neben den erwähnten Spektralfiltern gewünschtenfalls auch weitere optische Mittel, beispielsweise Blenden, eingesetzt.The gel used for analysis and used as a sequencing device The electrophoresis device is preferably largely automated (preferably especially with regard to sequence determination) and points preferably a separate excitation laser for each fluorescent dye and a separate detection unit. To increase the (spectral) If desired, selectivity is available in addition to the spectral filters mentioned other optical means, for example diaphragms, are also used.
Die Fluoreszenzmarker können beispielsweise so ausgewählt werden, daß die Absorptionsmaxima unter den Meßbedingungen mindestens jeweils 30 nm, vorzugsweise jeweils mindestens 50 nm voneinander entfernt sind. Ferner können die Fluoreszenzmarker so ausgewählt werden, daß die Emissionsmaxima unter den Meßbedingungen mindestens jeweils 30 nm, vorzugsweise jeweils mindestens 50 nm voneinander entfernt sind.The fluorescent markers can be selected, for example, in such a way that the absorption maxima under the measuring conditions at least 30 each nm, preferably at least 50 nm from each other. Furthermore, the fluorescent markers can be selected so that the Emission maxima under the measuring conditions at least 30 nm each, are preferably at least 50 nm apart.
Als Fluoreszenzfarbstoffe können die oben genannten Fluoreszenzfarbstoffe verwendet werden, beispielsweise die Farbstoffkombination: Fluorescein, TexasRed™, CY 5.5 und IRD 800, oder beispielsweise die Farbstoffkombination: 5-Carboxy-Rhodamin 6G, TexasRed™, CY 5.5, IRD 800 und ggf. CY 2, oder beispielsweise die Farbstoffkombination: 5- Carboxy-Rhodamin 6G, TexasRed™, CY 5.5, CY 7 und ggf. CY 2 oder/und IRD 800.The above-mentioned fluorescent dyes can be used as fluorescent dyes are used, for example the dye combination: fluorescein, TexasRed ™, CY 5.5 and IRD 800, or for example the Dye combination: 5-carboxy-rhodamine 6G, TexasRed ™, CY 5.5, IRD 800 and possibly CY 2, or for example the dye combination: 5- Carboxy-Rhodamine 6G, TexasRed ™, CY 5.5, CY 7 and possibly CY 2 or / and IRD 800.
Die zusammen in einer Bahn aufgetrennten Sequenzierprodukte können aus einer in einem einzigen Gefäß durchgeführten Sequenzierungsreaktion stammen. Für die Sequenzierungsreaktionen können mindestens vier unterschiedlich markierte Primer verwendet werden. Die Sequenzierungsreaktion kann als Quadruplex-Reaktion, als Tandem-Duplex- Reaktion, als Sequenzlücken-Auffüllreaktion oder als kompetierende Tandem-Duplex-Reaktion durchgeführt werden.The sequencing products separated together in one lane can be made from a sequencing reaction performed in a single vessel come. At least four can be used for the sequencing reactions differently labeled primers can be used. The Sequencing reaction can be carried out as a quadruplex reaction, as a tandem duplex Reaction, as a sequence gap filling reaction or as a competing Tandem duplex reaction can be carried out.
Im Hinblick auf eine derartige Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung betrifft die Erfindung ferner ein Reagenzienkit zur Sequenzierung von Nukleinsäuren, das mindestens vier unterschiedliche Fluoreszenzfarbstoff-Markierungen enthält, wobei jede Markierung für die Bestimmung einer unterschiedlichen Sequenz vorgesehen ist. Das Kit kann mindestens vier verschiedene Primer enthalten, die jeweils eine unterschiedliche Markierung tragen.With regard to such a use of the invention The invention further relates to an electrophoresis device for a reagent kit Sequencing of nucleic acids that are at least four different Contains fluorescent dye labels, with each label for the Determination of a different sequence is provided. The kit can contain at least four different primers, each one wear different markings.
Möchte man im Hinblick auf ein hohes Auflösungsvermögen und hohe Leselängen die Länge der zur Verfügung stehenden Gel-Elektrophorese- Bahnen zur Maximierung der Separations-Distanz optimal ausnutzen und dabei Fluoreszenzmarker durch mehrere räumlich gegeneinander versetzte Laserstrahlen abfragen, so ist es wünschenswert, den Abstand der Laserstrahlen in Molekülausbreitungsrichtung relativ gering zu halten, so daß für die den Laserstrahlen zugeordneten Fluoreszenzmarker Separationsdistanzen gleicher Größenordnung zur Verfügung stehen. Hierzu wird nach einem zweiten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, daß die Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnungen die von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehende Emissionsstrahlung auf Empfangsoberflächen des dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten Detektorfelds umlenkt, die zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungsweise orthogonal angeordnet sind. Hierdurch ist eine kompakte Ausbildung der Detektionseinheit in Molekülausbreitungsrichtung möglich, so daß dementsprechend auch die Laserstrahlen in vergleichsweise kleinem Abstand voneinander die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneiden.Would you like in terms of high resolution and high Reading lengths the length of the available gel electrophoresis Make optimal use of webs to maximize the separation distance and fluorescent markers are spatially offset from one another Interrogate laser beams, so it is desirable to know the distance of the To keep laser beams in the molecular propagation direction relatively low, so that for the fluorescent markers assigned to the laser beams Separation distances of the same order of magnitude are available. For this It is proposed according to a second aspect of the invention that the Spectral filter and radiation guide arrangements that of the excited Fluorescence markers emitted emission radiation Receiving surfaces of the associated laser beam Detector field deflects, at least to the direction of molecular propagation are arranged approximately orthogonally. This makes it compact Formation of the detection unit possible in the direction of molecular propagation, so that, accordingly, the laser beams are comparatively small Cut the gel electrophoresis sheets at a distance from each other.
Dieser Erfindungsgedanke ist auch unabhängig von der Maximierung der Separations-Distanz im Falle der simultanen Trennung mehrerer Fluoreszenzfarbstoffe von Interesse, so daß nach dem zweiten Aspekt allgemein eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereitgestellt wird, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen von den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zum Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung wenigstens ein sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dem wenigstens einen Laserstrahl erstreckendes Detektorfeld aufweist, das dafür ausgebildet ist, längs einer dem Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Laserstrahlanregung entstehenden, über eine zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung die von den angeregten Fluoreszenzmarker ausgehende Emissionsstrahlung auf Empfangsoberflächen oder Empfangsoberflächenabschnitte des Detektorfeldes umlenkt, die zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungsweise orthogonal angeordnet sind.This inventive concept is also independent of the maximization of Separation distance in the case of simultaneous separation of several Fluorescent dyes of interest, so according to the second aspect generally an electrophoresis device for analyzing Fluorescence marker-labeled molecules, especially biological ones Molecules is provided, which comprises: a plurality of im essentially parallel to each other and along one Molecular direction of gel electrophoresis lanes, one Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets, one Laser arrangement for excitation of the molecules assigned Fluorescence markers, the laser arrangement in electrophoresis mode Laser radiation is generated which is essentially transverse to at least one at least in the direction of molecular propagation cuts several of the gel electrophoresis webs around in one Detection area assigned to the respective gel electrophoresis path To stimulate fluorescent markers of the molecules present there, one Detection arrangement for detecting the excited ones Fluorescence markers of outgoing emission radiation, the Detection arrangement at least one preferably essentially parallel to the at least one laser beam extending detector field has, which is designed along one of the laser beam assigned, preferably essentially parallel to this Detection path at least a part of that in the detection areas resulting from the laser beam excitation, via an assigned Spectral filter and radiation guide arrangement guided to the detector field Detect emission radiation spatially resolved, the spectral filter and Radiation guidance arrangement of the excited fluorescent marker outgoing emission radiation on receiving surfaces or Deflects receiving surface sections of the detector field, which for Molecular direction of propagation at least approximately orthogonal are arranged.
Besonders zweckmäßig ist es, das (jeweilige) Detektorfeld auf einer Trägerplatine anzuordnen, die zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungsweise orthogonal angeordnet ist. Wie schon angedeutet, können in Molekülausbreitungsrichtung hintereinander mehrere einer Mehrzahl von Laserstrahlen vorzugsweise unterschiedliche Wellenlänge zugeordnete Detektorfelder jeweils mit zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungsweise orthogonal angeordneten Empfangsoberflächen oder Empfangsoberflächenabschnitten vorgesehen sein, die vorzugsweise jeweils auf einer eigenen Trägerplatine angeordnet sind. Der Abstand der Trägerplatine wird primär durch die Dicke etwaiger auf der Trägerplatine angeordneter Komponenten, ggf. der Detektorfelder, oder einer Abmessung der Strahlungsführungsanordnung bestimmt, nicht aber durch die Größe der einzelnen Detektorfelder, so daß die Trägerplatinen in geringem Abstand voneinander angeordnet sein können.It is particularly expedient to place the (respective) detector field on one Arrange carrier board, at least to the direction of molecular propagation is arranged approximately orthogonally. As already indicated, can several of a plurality of Laser beams preferably assigned different wavelengths Detector fields each with at least the direction of molecular propagation approximately orthogonally arranged receiving surfaces or Receiving surface sections may be provided, each preferably are arranged on their own carrier board. The distance of the Carrier board is primarily due to the thickness of any on the carrier board arranged components, possibly the detector fields, or a dimension of the radiation guide arrangement, but not by the size of the individual detector fields, so that the carrier boards at a short distance can be arranged from each other.
Die Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung kann wenigstens eine einem jeweiligen Detektorfeld zugeordnete und sich im wesentlichen parallel zu diesem Detektorfeld erstreckende Umlenkprismaanordnung, ggf. ein (in Längsrichtung) durchgehendes Umlenkprisma, umfassen. Die Umlenkprismaanordnung kann auf einer Ausgangsseite einer Linsenanordnung, ggf. einem Gradientenindexlinsenfeld, der Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung angeordnet sein.The spectral filter and radiation guide arrangement can have at least one assigned to a respective detector field and essentially parallel deflecting prism arrangement extending to this detector field, possibly an (in Longitudinal direction) continuous deflecting prism. The Deflection prism arrangement can be on an output side Lens arrangement, possibly a gradient index lens field, the spectral filter and radiation guiding arrangement can be arranged.
Zur Anpassung eines bildseitigen optischen Weges zwischen einer/der Linsenanordnung, ggf. einem/dem Gradientenindexlinsenfeld, der Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung einerseits und den Empfangsoberflächen andererseits an eine bildseitige Fokuslänge der Linsenanordnung, kann die Umlenkprismaanordnung aus einem hochbrechenden optischen Material, ggf. Flintglas SF4, gebildet sein.To adapt an image-side optical path between a Lens arrangement, possibly a / the gradient index lens field, the Spectral filter and radiation guide arrangement on the one hand and the Receiving surfaces on the other hand to an image-side focus length of the Lens arrangement, the deflection prism arrangement from one high-refractive optical material, possibly flint glass SF4.
Vorzugsweise ist die Umlenkprismaanordnung Teil eines integralen optischen Moduls, welches eine/die Linsenanordnung und wenigstens einen Spektralfilter umfaßt. Beispielsweise können die Umlenkprismaanordnung, die als Gradientenindexlinsenfeld ausgebildete Linsenanordnung, der wenigstens eine Spektralfilter und gewünschtenfalls eine Trägerschiene zur Herstellung des integralen optischen Moduls miteinander verklebt sein. Dabei kann auf einer optischen Eingangsseite des Gradientenindexlinsenfelds oder/und auf einer optischen Ausgangsseite des Gradientenindexfelds (ggf. zwischen dem Gradientenindexlinsenfeld und der Umlenkprismaanordnung) wenigstens ein Spektralfilter aufgeklebt sein.The deflecting prism arrangement is preferably part of an integral one optical module, which one / the lens arrangement and at least one Spectral filter includes. For example, the deflection prism arrangement, the lens arrangement designed as a gradient index lens field, the at least one spectral filter and, if desired, a carrier rail for Production of the integral optical module can be glued together. It can be on an optical input side of the Gradient index lens field or / and on an optical output side of the Gradient index field (possibly between the gradient index lens field and the Deflection prism arrangement) at least one spectral filter can be glued on.
Wenigstens ein Spektralfilter des optischen Moduls kann als Interferenzfilter ausgebildet sein oder einen Interferenzfilter umfassen. Vorzugsweise ist wenigstens ein Spektralfilter als Kombination aus einem Absorptionsfilter und einem Interferenzfilter ausgebildet. Hierzu wird vorgeschlagen, daß wenigstens ein Spektralfilter des optischen Moduls einen Absorptionsfilter, ggf. Farbglasfilter, umfaßt, der als Trägersubstrat für Dünnschichtfilme eines zugeordneten Interferenzfilters dient.At least one spectral filter of the optical module can be used as an interference filter be formed or include an interference filter. Preferably at least one spectral filter as a combination of an absorption filter and an interference filter. It is proposed that at least one spectral filter of the optical module, an absorption filter, optionally colored glass filter, which is used as a carrier substrate for thin-film films assigned interference filter is used.
Das optische Modul kann zur Justage eines optischen Weges in einem Modulträger in einer zu den die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitten und zu der Molekülausbreitungsrichtung im wesentlichen orthogonalen Richtung verschiebbar angeordnet sein.The optical module can be used to adjust an optical path in one Module carrier in one of those that intersect the gel electrophoresis webs Laser beam sections and the direction of molecular propagation in the substantially orthogonal direction can be arranged displaceably.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß eine Mehrzahl von Detektorfeldern, eine Mehrzahl von jeweils einem der Detektorfelder zugeordneten optischen Modulen sowie den Detektorfeldern zugeordnete Detektionselektronik in ein Detektormodul mit einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind, wobei das Detektormodul als eine Einheit handhabbar ist und vorzugsweise durch Verlagerung in einer zu die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitten und zu der Molekülausbreitungsrichtung im wesentlichen orthogonalen Richtung eine gemeinsame Justage zugeordneter objektseitiger optischer Weglängen für alle optischen Module des Detektormoduls ermöglicht.A preferred embodiment is characterized in that a A plurality of detector fields, a plurality of each one of the Optical modules assigned to detector fields and the detector fields assigned detection electronics in a detector module with a common housing are integrated, the detector module as one Unit is manageable and preferably by relocating to one Gel electrophoresis and laser cutting sections Molecular direction of propagation essentially orthogonal one common adjustment of assigned optical path lengths for the object enables all optical modules of the detector module.
Hinsichtlich des grundlegenden Aufbaus einer Elektrophorese-Einrichtung, beispielsweise der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtungen nach dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung, bestehen grundsätzlich viele Möglichkeiten. Im Hinblick auf einen kompakten und einfachen Aufbau der Elektrophorese-Einrichtung oder/und im Hinblick auf eine hohe Richtungs- Stabilität der Laserstrahlen (diesbezüglich müssen beispielsweise zur DNA- Sequenzierung hohe Anforderungen gestellt werden) wird nach einem dritten Aspekt vorgeschlagen, daß die Laseranordnung wenigstens einen Laser mit einem optischen Laserresonator aufweist, der bezogen auf eine den Strahlverlauf des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls kennzeichnende Resonatorachse zumindest näherungsweise parallel zu den Detektorfeldern angeordnet ist, wobei der aus dem Laserresonator austretende Laserstrahl mittels einer Strahlführungsanordnung umgelenkt wird, damit ein quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahlabschnitt die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, daß die Laseranordnung wenigstens zwei Laser mit einem jeweiligen Laserresonator aufweist, die jeweils bezogen auf eine den Strahlverlauf des aus dem jeweiligen Resonator austretenden Laserstrahls kennzeichnende Resonatorachse unter einem Winkel zu den Detektorfeldern angeordnet sind, vorzugsweise zumindest näherungsweise orthogonal zu den Detektorfeldern angeordnet sind, wobei der aus dem jeweiligen Laserresonator austretende Laserstrahl mittels einer Strahlführungsanordnung umgelenkt wird, damit ein quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahlabschnitt die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidet und wobei die Laserresonatoren bezogen auf die Resonatorachsen zumindest näherungsweise entsprechend dem Versatz der die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitte in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzt sind sowie unterschiedlichen Seitenabstand von den Gel- Elektrophorese-Bahnen haben.With regard to the basic structure of an electrophoresis device, for example, the electrophoresis devices according to the invention In the first or second aspect of the invention, there are basically many Possibilities. With a view to a compact and simple construction of the Electrophoresis device or / and with a view to a high directional Stability of the laser beams (in this regard, for example, DNA Sequencing high demands will be made after a third aspect proposed that the laser arrangement at least one Has laser with an optical laser resonator, based on a the beam path of the laser beam emerging from the resonator characteristic resonator axis at least approximately parallel to the Detector fields is arranged, the one from the laser resonator emerging laser beam deflected by means of a beam guidance arrangement so that a crosswise to the molecular propagation direction Laser beam section cuts the gel electrophoresis sheets. Alternatively or in addition it is proposed that the laser arrangement at least has two lasers with a respective laser resonator, each based on the beam path from the respective resonator emerging laser beam characterizing resonator axis under a Angles to the detector fields are arranged, preferably at least are arranged approximately orthogonally to the detector fields, wherein the laser beam emerging from the respective laser resonator by means of a Beam guidance arrangement is deflected so that a cross to the Molecular propagation direction laser beam section the gel Cuts electrophoresis webs and covered the laser resonators on the resonator axes at least approximately according to the Offset of those cutting the gel electrophoresis sheets Laser beam sections against each other in the direction of molecular propagation are offset as well as different side distance from the gel Have electrophoresis webs.
Da der angegebene Aufbau der Elektrophorese-Einrichtung nicht nur für die Elektrophorese-Einrichtung nach dem ersten oder/und nach dem zweiten Aspekt vorteilhaft sein kann, stellt die Erfindung nach dem dritten Aspekt allgemein eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereit, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel- Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese- Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zum Gel-Elektrophorese- Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung eine Mehrzahl von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten und sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckenden Detektorfeldern aufweist, die jeweils einem bestimmten der Laserstrahlen zugeordnet sind und dafür ausgebildet sind, längs einer dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine jeweils zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Laseranordnung wenigstens einen Laser mit einem optischen Laserresonator aufweist, der bezogen auf eine den Strahlverlauf des aus dem Resonator austretenden Laserstrahls kennzeichnende Resonatorachse zumindest näherungsweise parallel zu den Detektorfeldern angeordnet ist, wobei der aus dem Laserresonator austretende Laserstrahl mittels einer Strahlführungsanordnung umgelenkt wird, damit ein quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahlabschnitt die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidet.Since the specified structure of the electrophoresis device is not only for the Electrophoresis device after the first and / or after the second Aspect can be advantageous, the invention according to the third aspect generally an electrophoresis device for analyzing Fluorescence marker-labeled molecules, especially biological ones Molecules ready comprising: a plurality of substantially parallel to each other and along a direction of molecular propagation gel Electrophoresis webs, an energy source for applying an electrical Potential at a start area and an end area of the gel Electrophoresis webs, a laser arrangement for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, where the laser arrangement in the electrophoresis mode generates laser radiation which as essentially across the direction of molecular propagation and in essentially parallel and in Direction of molecular propagation of mutually offset laser beams different wavelength at least several of the gel electrophoresis Cuts paths in a detection area of the respective gel Fluorescence markers assigned to the electrophoresis path of those present there To stimulate molecules, a sensing arrangement for gel electrophoresis Lane-resolved and fluorescent marker-resolved detection of the excited fluorescent markers emitting emission radiation, the Detection arrangement a plurality of in the molecular propagation direction offset from each other and preferably essentially parallel to the laser beams extending detector fields, each are assigned to a specific one of the laser beams and are designed for this are along, preferably to, assigned to the respective laser beam this essentially parallel detection path at least a part that in the detection areas due to the excitation by the respective Laser beam emerging, via a respectively assigned spectral filter and Radiation guidance arrangement guided to the detector field Detect emission radiation spatially resolved, the laser arrangement has at least one laser with an optical laser resonator, the based on the beam path of the emerging from the resonator Laser beam characteristic resonator axis at least approximately is arranged parallel to the detector fields, the one from the Laser resonator emerging laser beam by means of a Beam guidance arrangement is deflected so that a cross to the Molecular propagation direction laser beam section the gel Cuts electrophoresis webs.
Es können mehrere Laser mit bezogen auf eine jeweilige Resonatorachse zu den Detektorfelder zumindest näherungsweise parallelen Resonatoren vorgesehen sein, wobei die Laserresonatoren bezogen auf die Resonatorachsen zumindest näherungsweise entsprechend dem Versatz der die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitte in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzt sind.Several lasers can be connected with respect to a respective resonator axis the detector fields at least approximately parallel resonators be provided, the laser resonators based on the Resonator axes at least approximately according to the offset of the the laser beam sections intersecting the gel electrophoresis tracks Molecular direction of propagation are offset from each other.
Ferner stellt die Erfindung nach dem dritten Aspekt eine Elektrophorese- Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereit, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge wenigstens mehrere der Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zum Gel- Elektrophorese-Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung eine Mehrzahl von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten und sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckenden Detektorfeldern aufweist, die jeweils einem bestimmten der Laserstrahlen zugeordnet sind und dafür ausgebildet sind, längs einer dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine jeweils zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Laseranordnung wenigstens zwei Laser mit einem jeweiligen Laserresonator aufweist, die jeweils bezogen auf eine den Strahlverlauf des aus dem jeweiligen Resonator austretenden Laserstrahls kennzeichnende Resonatorachse unter einem Winkel zu den Detektorfeldern angeordnet sind, vorzugsweise zumindest näherungsweise orthogonal zu den Detektorfeldern angeordnet sind, wobei der aus dem jeweiligen Laserresonator austretende Laserstrahl mittels einer Strahlführungsanordnung umgelenkt wird, damit ein quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahlabschnitt die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidet und wobei die Laserresonatoren bezogen auf die Resonatorachsen zumindest näherungsweise entsprechend dem Versatz der die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitte in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzt sind sowie unterschiedlichen Seitenabstand von den Gel- Elektrophorese-Bahnen haben. Hierzu wird weiterbildend vorgeschlagen, daß die Resonatorachsen zumindest näherungsweise in einem jeweiligen zur Molekülausbreitungsrichtung orthogonalen Ebene liegen.Furthermore, according to the third aspect, the invention provides an electrophoresis Device for analyzing fluorescence marker-labeled molecules, especially biological molecules, comprising: a plurality of essentially parallel to one another and along one Molecular direction of gel electrophoresis lanes, one Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets, one Laser arrangement for exciting a plurality of different ones Fluorescence markers assigned to molecules, the laser arrangement in the Electrophoresis produces laser radiation that is considered essentially transverse to the direction of molecular propagation and substantially parallel to each other extending and mutually offset in the direction of molecular propagation Laser beams of different wavelengths at least several of the gel Electrophoresis slices to cut in a detection area fluorescent markers assigned to the respective gel electrophoresis lane there to stimulate existing molecules, a detection arrangement for gel Electrophoresis web-resolved and fluorescent marker-resolved Detection of fluorescent markers originating from the excited Emission radiation, wherein the detection arrangement a plurality of in Molecular propagation direction offset and against each other preferably extending substantially parallel to the laser beams Has detector fields, each a specific one of the laser beams are assigned and are designed for this, along one to the respective Laser beam assigned, preferably to this essentially parallel detection path at least part of the in the Detection areas based on the excitation by the respective Laser beam emerging, via a respectively assigned spectral filter and Radiation guidance arrangement guided to the detector field Detect emission radiation spatially resolved, the laser arrangement has at least two lasers with a respective laser resonator, the each based on the beam path of the respective Exiting laser beam characterizing resonator axis below are arranged at an angle to the detector fields, preferably arranged at least approximately orthogonally to the detector fields are, the laser beam emerging from the respective laser resonator is deflected by means of a beam guidance arrangement, so that a transverse to in the direction of molecular propagation, the laser beam section Cuts electrophoresis webs and covered the laser resonators on the resonator axes at least approximately according to the Offset of those cutting the gel electrophoresis sheets Laser beam sections against each other in the direction of molecular propagation are offset as well as different side distance from the gel Have electrophoresis webs. For this purpose, it is further proposed that the resonator axes at least approximately in a respective Molecular direction of propagation lie orthogonal plane.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich aus durch eine seitlich der Gel-Elektrophorese-Bahnen angeordnete gestufte optische Bank mit unter einem/dem Winkel zur Molekülausbreitungsrichtung angeordneten, vorzugsweise zumindest näherungsweise orthogonal zur Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Stufen, die mit zunehmendem Seitenabstand von den Gel-Elektrophorese-Bahnen entgegengesetzt zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungsweise entsprechend dem Versatz der die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitte ansteigen und einem jeweiligen der Laser zugeordnet sind zur Halterung einer dem Laser zugeordneten jeweiligen Strahlführungsanordnung oder/und des mit seiner Resonatorachse zumindest näherungsweise sich längs der Stufe erstreckenden Laserresonators.A particularly preferred embodiment is characterized by a Stepped optical bench arranged to the side of the gel electrophoresis sheets with arranged at an angle to the direction of molecular propagation, preferably at least approximately orthogonal to Molecular propagation stages that increase with increasing Side distance from the gel electrophoresis lanes opposite to Molecular propagation direction at least approximately according to the Offset of those cutting the gel electrophoresis sheets Laser beam sections rise and assigned to a respective one of the lasers are for holding a respective assigned to the laser Beam guiding arrangement and / or with its resonator axis extending at least approximately along the step Laser resonators.
Hinsichtlich der Ausbildung der Strahlführungsanordnung sind diverse Varianten denkbar. Es wird beispielsweise vorgeschlagen, daß die jeweilige Strahlführungsanordnung eine optische Faser, vorzugsweise Monomodefaser, oder/und wenigstens einen Umlenkspiegel oder/und wenigstens ein optisches Element zur Fokussierung des Laserstrahls oder/und Einstellung einer Laserstrahltaille in Bezug auf die Gel- Elektrophorese-Bahnen, ggf. eine optische Linse, ein optisches Objektiv oder ein optisches Teleskop, oder/und ein optisches Element zur Konditionierung, ggf. räumlichen Filterung, des Laserstrahl, aufweist. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, daß wenigstens ein Umlenkspiegel oder/und das optische Element zur Justierung des Strahlverlaufs des jeweiligen Laserstrahls verstellbar, vorzugsweise motorisch verstellbar ist.With regard to the configuration of the beam guidance arrangement, there are various Variants conceivable. For example, it is proposed that the respective Beam guiding arrangement an optical fiber, preferably Single-mode fiber, or / and at least one deflecting mirror or / and at least one optical element for focusing the laser beam or / and setting a laser beam waist in relation to the gel Electrophoresis sheets, possibly an optical lens, an optical lens or an optical telescope, and / or an optical element for Conditioning, possibly spatial filtering, of the laser beam. In In this context, it is preferred that at least one deflecting mirror or / and the optical element for adjusting the beam path of the each laser beam is adjustable, preferably adjustable by motor.
Hierzu wird weiterbildend vorgeschlagen, daß ein Umlenkspiegel, von dem der die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidende Laserstrahlabschnitt ausgeht, zumindest näherungsweise in einer zu der Molekülausbreitungsrichtung und dem Laserstrahlabschnitt orthogonalen Richtung, vorzugsweise zumindest näherungsweise längs der jeweiligen Stufe der optischen Bank, verschiebbar ist zur Justage des die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitts oder/und daß wenigstens ein optisches Element zumindest näherungsweise in der Molekülausbreitungsrichtung verschiebbar ist zur Justage des die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidenden Laserstrahlabschnitts.For this purpose, it is further developed that a deflecting mirror from which the laser beam section intersecting the gel electrophoresis sheets goes out, at least approximately in one to the Molecular propagation direction and the laser beam section orthogonal Direction, preferably at least approximately along the respective Stage of the optical bench, can be moved to adjust the gel Electrophoresis-cutting laser beam section or / and that at least one optical element at least approximately in the Molecular propagation direction is displaceable for adjusting the gel Electrophoresis path cutting laser beam section.
Der Einsatz einer optischen Faser, vorzugsweise Monomodefaser, in einer Strahlführungsanordnung hat auch unabhängig von der übrigen Ausbildung einer Elektrophoreseeinrichtung Bedeutung, da sich durch eine optische Faser auf einfache Weise eine Konditionierung der Laserstrahlung oder/und einer Führung der Laserstrahlung zu den Gel-Elektrophorese-Bahnen erreichen läßt. Die Konditionierung der Laserstrahlung ist auch unabhängig von der hierfür eingesetzten optischen Anordnung im Hinblick auf ein hohes Auslösungsvermögen und eine Minimierung des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses einer/der Elektrophorese-Einrichtung von Interesse. Die Erfindung stellt deshalb nach einem vierten Aspekt eine Elektrophorese- Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereit, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen, eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern, wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zum Gel-Elektrophorese-Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung, wobei die Erfassungsanordung wenigstens ein sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckendes Detektorfeld aufweist, das dafür ausgebildet ist, längs einer dem Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den zugeordneten Laserstrahl entstehenden, über eine zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen, wobei die Laseranordnung wenigstens einen Laser aufweist, dessen Laserstrahl in eine optische Faser, vorzugsweise Monomodefaser, eingekoppelt wird, um den Laserstrahl zu den Gel-Elektrophorese-Bahnen zu führen oder/und den Laserstrahl zu konditionieren, oder/und wobei die Laseranordnung wenigstens einen Laser aufweist, dessen Laserstrahl durch wenigstens ein optisches Element zur Konditionierung, ggf. räumlichen Filterung, des Laserstrahls geführt wird.The use of an optical fiber, preferably single-mode fiber, in one Beam guiding arrangement also has independent of the rest of the training an electrophoresis device meaning, since an optical Fiber easily conditioning the laser radiation or / and guiding the laser radiation to the gel electrophoresis tracks can be achieved. The conditioning of the laser radiation is also independent of the optical arrangement used for this with regard to a high Triggering capability and minimizing the signal-to-noise Ratio of an / the electrophoresis device of interest. The According to a fourth aspect, the invention therefore provides an electrophoresis Device for analyzing fluorescence marker-labeled molecules, especially biological molecules, comprising: a plurality of essentially parallel to one another and along one Molecular direction of gel electrophoresis lanes, one Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets, one Laser arrangement for exciting a plurality of the molecules assigned fluorescent markers, the laser arrangement in Electrophoresis mode generates laser radiation, which as at least one in essentially transverse to the direction of molecular propagation Laser beam cuts at least several of the gel electrophoresis sheets, um in a detection area of the respective gel electrophoresis web to excite assigned fluorescent markers of the molecules present there, a detection arrangement for gel electrophoresis web-resolved and Fluorescence marker-resolved detection of the excited Fluorescence markers of outgoing emission radiation, the Detection arrangement at least one preferably essentially Has a detector field extending parallel to the laser beams, therefor is formed, preferably along one associated with the laser beam this essentially parallel detection path at least a part which in the detection areas due to the excitation by the associated laser beam arising via an assigned Spectral filter and radiation guide arrangement guided to the detector field Detect emission radiation spatially resolved, the laser arrangement has at least one laser, the laser beam into an optical fiber, preferably single-mode fiber, is coupled in to the laser beam to guide the gel electrophoresis tracks and / or the laser beam condition, and / or wherein the laser arrangement at least one laser has, the laser beam through at least one optical element for Conditioning, possibly spatial filtering, of the laser beam.
Hierzu wird weiterbildend vorgeschlagen, daß der ggf. vornherein ein nicht- Gauß'sches Profil aufweisende Laserstrahl derart konditioniert wird, daß er zumindest näherungsweise ein Gauß-Profil oder/und eine reduzierte Divergenz oder/und einen reduzierten Strahltaille-Durchmesser oder/und einen reduzierten, mit dem Produkt aus einem die Divergenz beschreibenden Divergenzwinkel und dem Strahltaille-Durchmesser ansteigenden Kollimationsfaktor, ggf. sogenannter M2-Faktor, aufweist.For this purpose, it is further developed that the laser beam, which may have a non-Gaussian profile beforehand, is conditioned in such a way that it is at least approximately a Gaussian profile and / or a reduced divergence or / and a reduced beam waist diameter or / and a reduced one , with the product of a divergence angle describing the divergence and the beam waist diameter increasing collimation factor, possibly so-called M 2 factor.
Durch Einsatz von derart konditionierten oder von vornherein eine derartige Qualität aufweisenden Laserstrahlen wird die Trennschärfe der Elektrophorese-Einrichtung maximiert, da diese im wesentlichen durch die Breite des anregenden Laserstrahls in Molekülausbreitungsrichtung bestimmt ist. Der im Gel "ausgeleuchtete" Bereich stellt nämlich eine Art Ziellinie für die wandernden Moleküle, ggf. DNA-Fragmente dar. Für eine gute Auflösung, ggf. zeitliche bzw. vertikale Auflösung, muß der ausgeleuchtete Bereich so schmal wie möglich sein. Ferner sollten sich die in den einzelnen geschnittenen Gel-Elektrophorese-Bahnen ausgeleuchteten Bereiche in ihrer Breite in Molekülausbreitungsrichtung möglichst wenig unterscheiden, um für alle Bahnen vergleichbare Ergebnisse zu erreichen. Hierzu wird speziell auch vorgeschlagen, daß wenigstens einer der Laserstrahlen derart geführt und ggf. fokussiert wird, daß ein Laserstrahlbereich minimalen Laserstrahldurchmessers, ggf. eine/die Strahltaille, längs des zugeordneten Detektorfeldes, etwa im Bereich einer mittleren der vom Laserstrahl geschnittenen Gel-Elektrophorese-Bahnen angeordnet ist.By using such conditioned or from the outset such The quality of the laser beam is the selectivity of the Electrophoresis device maximized, as this is essentially due to the Width of the exciting laser beam determined in the direction of molecular propagation is. The area "illuminated" in the gel provides a kind of finish line for the migrating molecules, possibly DNA fragments. For a good one Resolution, possibly temporal or vertical resolution, must be the illuminated one Area as narrow as possible. Furthermore, the individual cut gel electrophoresis webs in their illuminated areas Difference in width in the direction of molecular propagation as little as possible in order to achieve comparable results for all railways. This is specifically also suggested that at least one of the laser beams be guided in this way and possibly focusing that a laser beam area is minimal Laser beam diameter, possibly one / the beam waist, along the assigned Detector field, approximately in the area of a middle one of the laser beam cut gel electrophoresis sheets is arranged.
Das mit einer Elektrophorese-Einrichtung, ggf. der Elektrophorese- Einrichtung nach einem der genannten Aspekte der Erfindung, erzielte Auflösungsvermögen und allgemein die Qualität der Meßergebnisse hängt in hohem Maße von einer Justage der verschiedenen Komponenten und insbesondere des Verlaufs der Laserstrahlen (allgemein: wenigstens eines Laserstrahls) in Bezug auf zugeordnete Gel-Elektrophorese-Bahnen ab. Hierzu wird nach einem fünften Aspekt der Erfindung ein Justageverfahren zum Justieren des Verlaufs wenigstens eines Laserstrahls in Bezug auf zugeordnete Gel-Elektrophoresebahnen einer Elektrophorese-Einrichtung, die wenigstens einen Anregungslaser zum Erzeugen des Laserstrahls und wenigstens ein Detektorfeld zum Aufnehmen von von angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung aufweist, bereitgestellt, bei dem erfindungsgemäß die Justage auf Grundlage von mittels eines dem (jeweiligen) Laserstrahl zugeordneten Detektorfeldes aufgenommenen Detektionssignalen erfolgt, die eine durch den Laserstrahl induzierte Hintergrundstrahlung, ggf. Hintergrundfluoreszenz oder/und Streulicht, repräsentieren.That with an electrophoresis device, possibly the electrophoresis Device according to one of the aforementioned aspects of the invention Resolving power and generally the quality of the measurement results depends to a large extent by adjusting the various components and in particular the course of the laser beams (generally: at least one Laser beam) in relation to assigned gel electrophoresis tracks. According to a fifth aspect of the invention, an adjustment method is used for this for adjusting the course of at least one laser beam with respect to associated gel electrophoresis webs of an electrophoresis device, the at least one excitation laser for generating the laser beam and at least one detector field for picking up excited Has fluorescent markers of outgoing emission radiation, provided, according to the invention the adjustment based on by means of a detector field assigned to the (respective) laser beam Detection signals recorded, one by the laser beam induced background radiation, possibly background fluorescence or / and Flare, represent.
Hierzu wird weiterbildend vorgeschlagen, daß im Zuge des Justierens wenigstens ein dem Laserstrahl zugeordnetes optisches Element, ggf. eine Linse, ein Objektiv, ein Teleskop oder ein Umlenkspiegel, zur Aufnahme eines Hintergrundstrahlungsprofils verstellt wird, und das optische Element dann derart eingestellt wird, daß in Folge eine Hintergrundstrahlung zumindest nährerungsweise entsprechend einem Maximum oder/und einer Mitte des Profils detektiert wird.For this purpose, it is further developed that in the course of the adjustment at least one optical element associated with the laser beam, possibly one Lens, a lens, a telescope or a deflecting mirror, for taking a background radiation profile is adjusted, and the optical element is then set in such a way that a background radiation at least approximately according to a maximum and / or one Center of the profile is detected.
Besonders bevorzugt ist, daß zuerst ein die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidender Laserstrahlverlauf und dann ein zu den Gel-Elektrophorese- Bahnen zumindest näherungsweise orthogonaler Laserstrahlverlauf oder/und ein zum zugeordneten Detektorfeld zumindest näherungsweise paralleler Laserstrahlverlauf eingestellt wird.It is particularly preferred that the gel electrophoresis lanes be used first intersecting laser beam path and then one to the gel electrophoresis Paths at least approximately orthogonal laser beam path or / and one that is at least approximately parallel to the assigned detector field Laser beam path is set.
Ein die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidender Laserstrahlverlauf kann zweckmäßigerweise besonders günstig auf Grundlage von durch wenigstens einen Detektorfeldabschnitt an einem Ende, vorzugsweise an dem einer Laserstrahleinkoppelstelle in eine/die die Gel-Elektrophorese-Bahnen aufweisende Gelmatrix nächsten Ende, des Detektorfelds aufgenommenen Detektionssignalen eingestellt werden und ein zu den Gel-Elektrophorese- Bahnen zumindest näherungsweise orthogonaler Laserstrahlverlauf oder/und ein zum Detektorfeld zumindest näherungsweise paralleler Laserstrahlverlauf kann besonders zweckmäßig auf Grundlage von durch wenigstens einen Detektorfeldabschnitt am anderen Ende des Detektorfelds aufgenommenen Detektionssignalen eingestellt werden. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß hinsichtlich der Parallelität des Laserstrahls zu einer von den Gel- Elektrophorese-Wegen definierten Ebene, ggf. der Gelmatrix, kein oder nur noch ein geringer Freiheitsgrad besteht. Besteht diesbezüglich ein eine Justage erfordernder Freiheitsgrad, so sollte diese Parallelität zuerst eingestellt werden, beispielsweise unter Ausnutzung entsprechender konstruktiver Vorkehrungen der Gel-Elektrophorese-Einrichtung.A laser beam path cutting the gel electrophoresis tracks can expediently particularly favorable on the basis of at least a detector field section at one end, preferably at one Laser beam coupling point into the gel electrophoresis lanes having the gel matrix next end, the detector field recorded Detection signals are set and a to the gel electrophoresis Paths at least approximately orthogonal laser beam path or / and a laser beam path at least approximately parallel to the detector field can be particularly useful on the basis of at least one Detector field section recorded at the other end of the detector field Detection signals can be set. This applies provided that that with regard to the parallelism of the laser beam to one of the gel Electrophoresis paths defined level, possibly the gel matrix, no or only there is still a low degree of freedom. Is there a one in this regard? Degree of freedom requiring adjustment, so this parallelism should be first can be set, for example, using appropriate constructive arrangements of the gel electrophoresis device.
Die Justage kann bei entsprechend ausgestatteter Gel-Elektrophorese- Einrichtung motorisch und vorzugsweise automatisch bzw. automatisiert erfolgen. The adjustment can be carried out with appropriately equipped gel electrophoresis Device motorized and preferably automatic or automated respectively.
Bei der Gel-Elektrophorese werden häufig sogenannte Thermostatisierplatten verwendet, die dazu dienen, die Geltemperatur in Richtung senkrecht zur Wandungsrichtung (Molekülausbreitungsrichtung) der Moleküle möglichst konstant zu halten, also für eine gleichmäßige Temperaturverteilung quer zur Molekülausbreitungsrichtung zu sorgen. Wenigstens eine derartige Thermostatisierplatte, wie sie beispielsweise in der DE 30 46 729 C2 oder im Aufsatz "Improvements of DNA Sequencing Gels" von H. Garoff und W. Ansorge, Analytical Biochemistry 115, 450-457 (1991), beschrieben ist, kann auch bei den Elektrophorese-Einrichtungen nach den genannten Aspekten der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.So-called thermostatic plates are often used in gel electrophoresis used, which serve the gel temperature in the direction perpendicular to Wall direction (direction of molecular propagation) of the molecules if possible to keep constant, so for an even temperature distribution across To worry about molecular propagation direction. At least one like that Thermostat plate, as for example in DE 30 46 729 C2 or in the article "Improvements of DNA Sequencing Gels" by H. Garoff and W. Ansorge, Analytical Biochemistry 115, 450-457 (1991). can also be used in the electrophoresis devices according to the named Aspects of the invention can be used advantageously.
Es wurde nun gefunden, daß es vorteilhaft sein kann, mittels der Thermostatisierplatte im Gel (in der Gelmatrix) einen Temperaturgradienten in Molekülausbreitungsrichtung oder/und in einer eine Dicke der Gelmatrix zugeordneten, zur Thermostatisierplatte im wesentlichen orthogonalen Richtung einzustellen, im Falle einer Thermostatisierplatte, die zur Thermostatisierung von einem Wärmeaustauschermittel (im allgemeinen Wasser) durchströmt wird (etwa wie die aus der DE 30 46 729 C2 oder dem genannten Aufsatz bekannte Thermostatisierplatte), vorzugsweise im Zustand fortwährender Durchströmung der Thermostatisierplatte mit dem Wärmeaustauschermittel.It has now been found that it can be advantageous to use the Thermostatic plate in the gel (in the gel matrix) a temperature gradient in the direction of molecular propagation and / or in a thickness of the gel matrix assigned to the thermostatic plate essentially orthogonal Set the direction, in the case of a thermostatic plate, which is used for Thermostatization of a heat exchange medium (in general Water) is flowed through (such as that from DE 30 46 729 C2 or the above-mentioned thermostat plate), preferably in Condition of continuous flow through the thermostat plate with the Heat exchange medium.
Allgemein stellt die Erfindung nach einem sechsten Aspekt eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, bereit, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, die in einer Gelmatrix, ggf. einem Plattengel, verlaufen, wenigstens eine mit einer Gelmatrixoberfläche in Wärmeaustauschverbindung stehende Thermostatisierplatte, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel- Elektrophorese-Bahnen, wobei die Thermostatisierplatte dazu geeignet ist, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Gelmatrix in die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidender Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung herzustellen oder/und aufrechtzuerhalten, wobei die wenigstens eine Thermostatisierplatte ferner dazu geeignet ist, in der Gelmatrix einen Temperturgradienten in Molekülausbreitungsrichtung oder/und in einer einer Dicke der Gelmatrix zugeordneten, zur Thermostatisierplatte im wesentlichen orthogonalen Richtung einzustellen, wobei im Falle einer von einem Wärmeaustauschermittel durchströmten Thermostatisierplatte diese vorzugsweise dazu geeignet ist, den betreffenden Temperaturgradient im Zustand fortwährender Durchströmung der Thermostatisierplatte mit dem Wärmeaustauschermittel einzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Thermostatisierplatte dazu geeignet sein, ein Temperaturprofil mit einer lokalen Temperaturüberhöhung oder einer lokalen Temperaturabsenkung in wenigstens einem Querbereich der Gelmatrix einzustellen, im Falle der von einem Wärmeaustauschermittel durchströmten Thermostatisierplatte vorzugsweise im Zustand fortwährender Durchströmung.In general, the invention provides a sixth aspect Electrophoresis device for analyzing labeled molecules, especially biological molecules, comprising: a plurality of essentially parallel to one another and along one Molecular direction of gel electrophoresis pathways run in a gel matrix, possibly a plate gel, at least one with are in heat exchange connection on a gel matrix surface Thermostatic plate, an energy source for applying an electrical Potential at a start area and an end area of the gel Electrophoresis sheets, the thermostatic plate being suitable for a uniform temperature distribution in the gel matrix in the gel Electrophoresis webs cutting transverse direction to Establish and / or maintain molecular propagation direction wherein the at least one thermostatic plate is also suitable for a temperature gradient in the direction of molecular propagation in the gel matrix or / and in a thickness associated with the gel matrix, for Thermostat plate to adjust in the substantially orthogonal direction, in the case of which a heat exchanger means flows through Thermostat plate this is preferably suitable for relevant temperature gradient in the state of continuous flow the thermostat plate with the heat exchanger medium. Alternatively or additionally, the at least one thermostatic plate be able to use a temperature profile with a local Temperature rise or a local temperature drop in set at least one transverse region of the gel matrix, in the case of a thermostat plate through which heat exchange medium flows preferably in the state of continuous flow.
Hinsichtlich des Funktionsprinzips der Thermostatisierplatte bestehen keine Einschränkungen; dieses ist insbesondere nicht auf den Einsatz von durch die Platte fließenden Wärmeaustauschermittel beschränkt. Es kommt beispielsweise eine unmittelbare Thermostatisierung der Platte mittels elektrischer Mittel (z. B. Heizelemente, Peltierelemente und dergleichen) in Betracht.With regard to the functional principle of the thermostatic plate, there are none Limitations; this is particularly not due to the use of the plate flowing heat exchanger means limited. It is coming for example, direct thermostatting of the plate electrical means (e.g. heating elements, Peltier elements and the like) in Consideration.
Es wird vorgeschlagen, daß zwei Thermostatisierplatten vorgesehen sind, zwischen denen die Gelmatrix angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein Temperaturprofil mit in Molekülausbreitungsrichtung abnehmender Temperatur einstellbar, vorzugsweise derart, daß die Temperatur längs der Gel-Elektrophorese-Bahnen um mehrere Grad (beispielsweise 2-10°), abnimmt. Da die Viskosität der Gelmatrix pro Grad um etwa 2,4% abnimmt und eine höhere Viskosität die Mobilität der Molekülbanden im Gel dementsprechend verringert, hat die Abnahme der Temperatur in Molekülausbreitungsrichtung zur Folge, daß die voranlaufende Flanke jeder Bande sich von einem Bereich höherer Mobilität in einen Bereich geringerer Mobilität bewegt. Dies hat zur Folge, daß die sich unter Einfluß des elektrischen Felds durch das Gel bewegenden Banden in Richtung zum Detektionsbereich scharfer werden oder zumindest weniger stark auseinanderlaufen, also der normalerweise während der Elektrophorese auftretenden Bandendiffusion zumindest in einem gewissen Ausmaß entgegengewirkt wird. Dieser "Fokussiereffekt" führt zu einer höheren Auflösung und im Falle der Analyse von Produkten von Sequenzierungsreaktionen zu längeren Sequenzleselängen.It is proposed that two thermostatic plates are provided between which the gel matrix is arranged. Preferably is a Temperature profile with decreasing in the direction of molecular propagation Temperature adjustable, preferably such that the temperature along the Gel electrophoresis tracks by several degrees (for example 2-10 °), decreases. As the viscosity of the gel matrix decreases by about 2.4% per degree and a higher viscosity the mobility of the molecular bands in the gel accordingly decreased, the decrease in temperature in Direction of molecular propagation means that the leading edge of each Bound from an area of higher mobility to an area of less Mobility moves. This has the consequence that the under the influence of electric field through the gel moving bands towards the Detection area become sharper or at least less strong diverge, usually during electrophoresis band diffusion occurring at least to a certain extent is counteracted. This "focusing effect" leads to a higher one Dissolution and in the case of analysis of products by Sequencing reactions to longer sequence reading lengths.
Es kann unter Umständen aber auch zweckmäßig sein, ein Temperaturprofil mit in Molekülausbreitungsrichtung zunehmender Temperatur einzustellen, wofür die Thermostatisierplatte vorzugsweise geeignet ist. Eine besonders hohe Flexibilität ist dann gegeben, wenn die Platte eine wahlweise Einstellung verschiedener Temperaturprofile ermöglicht, beispielsweise eines mit in Molekülausbreitungsrichtung ansteigender und eines mit in Molekülausbreitungsrichtung abnehmender Temperatur.Under certain circumstances, however, it can also be useful to have a temperature profile with increasing temperature in the direction of molecular propagation, for which the thermostat plate is preferably suitable. A special one High flexibility is given when the plate is an optional one Different temperature profiles can be set, for example one with increasing in the direction of molecular propagation and one with in Molecular direction of spread of decreasing temperature.
Alternativ oder zusätzlich kann bezogen auf die der Dicke der Gelmatrix zugeordnete Richtung ein Temperaturprofil mit einem in einem mittleren Bereich der Gelmatrix liegenden Temperaturmaximum einstellbar sein. Dies führt aufgrund der zum mittleren Bereich hin zunehmenden Mobilität zu einer Konzentration der Moleküle im mittleren Bereich der Gelmatrix, was ebenfalls einem Auseinanderlaufen der Bande entgegenwirkt und eine Art Fokussierung mit höherer Auflösung und längeren Sequenzleselängen ergibt. Eine Erklärung hierfür könnte sein, daß im mittleren Bereich des Gels gegenüber Randbereichen des Gels angrenzend zu das Gel begrenzenden Oberflächen definiertere Migrationsbedingungen für die Moleküle herrschen. Diese Konzentration im mittleren Bereich ist bei Fluoreszenzmarker- markierten Molekülen auch im Hinblick auf eine hohe Anregungs- und Detektionsausbeute durch einen beispielsweise ein Gauß'sches Strahlprofil aufweisenden Laserstrahl vorteilhaft. Grundsätzlich ist der die Thermostatisierplatte betreffende Erfindungsvorschlag aber von der Art der Markierung der Moleküle sowie von der Art der Detektion der markierten Moleküle unabhängig. Zum Einstellen des Temperaturprofils mit einem in einem mittleren Bereich der Gelmatrix liegenden Temperaturmaximums kann es besonders zweckmäßig sein, die Gelmatrix zwischen zwei Thermostatisierplatten anzuordnen.Alternatively or additionally, it can be based on the thickness of the gel matrix assigned direction a temperature profile with one in a middle Temperature maximum in the area of the gel matrix. This leads to increasing mobility towards the middle area a concentration of the molecules in the central region of the gel matrix, what also counteracts a divergence of the gang and a kind Focusing with higher resolution and longer sequence reading lengths results. One explanation for this could be that in the middle area of the gel opposite edge areas of the gel adjacent to the gel boundaries There are more defined migration conditions for the molecules. This concentration in the middle range is with fluorescence marker labeled molecules also with a view to high excitation and Detection yield by, for example, a Gaussian beam profile having laser beam advantageous. Basically, that's the Thermostat plate invention proposal but of the type of Labeling of the molecules and the type of detection of the labeled Molecules independent. To set the temperature profile with an in can lie in a central region of the gel matrix it may be particularly convenient to use the gel matrix between two Thermostat plates to be arranged.
Die Thermostatisierplatte kann dafür geeignet sein, eine lokale Temperaturüberhöhung in einem einem Anfangsbereich entsprechenden Querbereich der Gelmatrix einzustellen. Ist eine Laseranordnung zum Anregen einer Mehrzahl von den Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern vorgesehen, die im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, so kann die Detektierbarkeit der Fluoreszenzmarker-markierten Moleküle dadurch verbessert werden, daß in einem den jeweiligen Detektionsbereich einschließenden Querbereich eine lokale Temperaturüberhöhung eingestellt wird. Hierfür ist die Thermostatisierplatte vorzugsweise geeignet. Die Temperaturüberhöhung im genannten Querbereich führt zu einer Verbreiterung der Fluoreszenzmarker-Banden sowie zu einer Vergrößerung der Bandenabstände, wodurch sich die Banden besser durch den regelmäßig räumlich eng begrenzten Laserstrahl "abtasten" lassen. Die erreichbare Sequenzleselänge wird dann nicht wesentlich verschlechtert, wenn wenigstens über einen größeren Teil der Gel-Elektrophorese-Wege bis zum jeweiligen Detektionsbereich eine niedrigere Temperatur als im genannten Querbereich herrscht. The thermostatic plate can be suitable for a local Excess temperature in a starting area Adjust the transverse area of the gel matrix. Is a laser arrangement for Excitation of a plurality of the molecules assigned Fluorescence markers are provided which are used in electrophoresis Laser radiation is generated which is essentially transverse to at least one at least in the direction of molecular propagation cuts several of the gel electrophoresis webs around in one Detection area assigned to the respective gel electrophoresis path To excite fluorescent markers of the molecules present there, the Detectability of the fluorescence marker-labeled molecules be improved that in a respective detection area enclosing transverse area set a local temperature increase becomes. The thermostatic plate is preferably suitable for this. The Excessive temperature in the named cross region leads to a Broadening of the fluorescence marker bands and an enlargement the band gaps, which makes the gangs better through the regular "scan" the spatially limited laser beam. The attainable Sequence reading length is not significantly worsened if at least over a larger part of the gel electrophoresis routes to a lower temperature than in the respective detection range Cross area prevails.
Beim Betrieb einer Elektrophorese-Einrichtung mit einer von einem Wärmeaustauschermittel durchströmbaren Thermostatisierplatte wurde überraschenderweise gefunden, daß eine deutliche Verbesserung der Meßergebnisse hinsichtlich Leselänge und Zuverlässigkeit dadurch erreicht werden konnte, daß die Strömung des Wärmeaustauschermittels (Wärmeaustauschermediums, ggf. Wassers) durch die durch das Wärmeaustauschermittel vorgeheizte Thermostatisierplatte nach Erreichen einer vorgegebenen Geltemperatur oder/und einer vorgegebenen Geltemperaturverteilung unterbrochen wurde. Dementsprechend stellt die Erfindung nach einem siebten Aspekt ein Verfahren bereit zum Betreiben einer Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, die umfaßt: eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, die in einer Gelmatrix, ggf. einem Plattengel, verlaufen, wenigstens eine mit einer planaren Gelmatrixoberfläche in Wärmeaustauschverbindung stehende, von einem Wärmeaustauschermittel durchströmbare Thermostatisierplatte, die dafür geeignet ist, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Gelmatrix in die Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidender Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung herzustellen oder/und aufrechtzuerhalten, eine Energiequelle zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen. Das Verfahren weist erfindungsgemäß den Schritt des Unterbrechens der Strömung des Wärmeaustauschermittels durch die durch das Wärmeaustauschermittel vorgeheizte Thermostatisierplatte nach Erreichen einer vorgegebenen/vorgebbaren Geltemperatur oder/und einer vorgegebenen/vorgebbaren Geltemperaturverteilung auf.When operating an electrophoresis device with one of one Heat exchanger means flowable thermostat plate surprisingly found that a significant improvement in Measurement results in terms of reading length and reliability achieved could be that the flow of the heat exchanger (Heat exchange medium, possibly water) by the through the Heat exchanger means preheated thermostat plate after reaching a predetermined gel temperature and / or a predetermined Gel temperature distribution was interrupted. Accordingly, the Invention according to a seventh aspect, a method ready for operation an electrophoresis device for analyzing labeled molecules, especially biological molecules, comprising: a plurality of im essentially parallel to each other and along one Molecular direction of gel electrophoresis pathways run in a gel matrix, possibly a plate gel, at least one with a planar gel matrix surface in heat exchange connection, Thermostat plate through which a heat exchanger medium flows, which is suitable for an even temperature distribution in the Gel matrix in the transverse direction cutting the gel electrophoresis sheets To establish and / or maintain molecular propagation direction Energy source for applying an electrical potential to one Start area and end area of the gel electrophoresis sheets. The According to the invention, the method has the step of interrupting the Flow of the heat exchanger through the through the Heat exchanger means preheated thermostat plate after reaching a predetermined / predeterminable gel temperature or / and one predetermined / predeterminable gel temperature distribution.
Erfindungsgemäß kann die Thermostatisierplatte in bekannter Art und Weise dafür verwendet werden, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung einzustellen und aufrechtzuerhalten. Nach Vorheizen der Thermostatisierplatte (auch unter dem Namen thermostatische Platte oder Thermoplatte bekannt) wird allerdings die Wärmeaustauschermittelversorgung unterbrochen, beispielsweise ein Wasserkreislauf von einem thermostatisierten Wasserbad durch die Platte unterbrochen. Hierdurch ergeben sich positive Effekte auf die Elektrophorese-Analyse zum einen durch Unterbindung von Vibrationen, die durch das umlaufende Wärmeaustauschermittel induziert werden und vor allem die Glasoberflächen der Thermostatisierplatten betreffen. Eine Vermeidung dieser kleinen Vibrationen ist besonders wichtig insofern, als diese Vibrationen im Falle einer lasergestützten Fluoreszenzmarkerdetektion auf den durch die Gelschicht verlaufenden, die Oberfläche der Thermostatisierplatte streifenden oder sogar in die angrenzende Glasplatte der Thermostatisierplatte eindringenden Laserstrahl übertragen werden. Da beispielsweise längere DNA-Fragmente im Gel nur sehr schmale Banden in der Molekülausbreitungsrichtung (etwa 0,1 mm und weniger) liefern, können derartige Vibrationen des Laserstrahls um die Banden die Auflösung für längere DNA-Fragmente verringern und damit die Sequenzleselänge begrenzen.According to the invention, the thermostatic plate can be used in a known manner used for even temperature distribution in Set transverse direction to the direction of molecular propagation and maintain. After preheating the thermostat plate (also under known as the thermostatic plate or thermal plate) however the heat exchanger medium supply is interrupted, for example a water cycle from a thermostatted water bath interrupted by the plate. This has positive effects electrophoresis analysis on the one hand by preventing vibrations, which are induced by the circulating heat exchanger means and especially affect the glass surfaces of the thermostatic plates. A Avoiding these small vibrations is particularly important in that these vibrations in the case of laser-assisted fluorescence marker detection on the surface running through the gel layer Thermostatic plate grazing or even in the adjacent glass plate the penetrating laser beam are transmitted. There for example longer DNA fragments in the gel only very narrow bands in the direction of molecular propagation (about 0.1 mm and less), such vibrations of the laser beam around the bands can dissolve them for longer DNA fragments and thus reduce the sequence reading length limit.
Ein positiver Effekt ergibt sich zum anderen daraus, daß nach Unterbrechung des Wärmeaustauschermittelflusses die gleichmäßige Temperatur zuerst in einem gewissen Ausmaß durch die in der benachbarten Gelschicht während der Elektrophorese sich entwickelnden Joule'schen-Wärme aufrechterhalten wird. Aufgrund eines Wärmeaustausches insbesondere durch Konvektion (Konvektion des Wärmeaustauschermediums in der Thermostatisierplatte oder/und der umgebenden Luft in einem die Thermostatisierplatte mit dem Gel aufnehmenden Gehäuse der Elektrophorese-Einrichtung) wird sich nach einiger Zeit ein Temperaturprofil im Gel einstellen, das die genannten positiven Effekte, etwa Fokussierung der Molekülbanden, haben kann. So kann sich bei einer vertikalen Anordnung der Gelmatrix und der Thermostatisierplatte mit vertikaler Molekülausbreitungsrichtung von oben nach unten eine höhere Temperatur in einem oberen Bereich der Gelmatrix und eine niedrigere Temperatur in einem unteren Bereich der Gelmatrix einstellen, wobei die Thermostatisierplatte nach wie vor dafür sorgt, daß in Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung (und zum Elektrophoresefeld) gleichmäßige Temperaturverhältnisse aufrechterhalten werden. Aufgrund der infolge der Unterbrechung des Wärmeaustauschermittelkreislaufs sich einstellenden Temperaturverteilung in vertikaler Richtung wird, wie schon beschrieben, über die Beeinflussung der Viskosität des Wasserpuffers im Gel und damit der Mobilität der Banden im Gel der beschriebene Fokussierungseffekt auf die Molekülbanden erreicht.On the other hand, a positive effect results from the fact that after Interruption of the heat exchanger medium flow the even Temperature to some extent first by that in the neighboring gel layer developing during electrophoresis Joule heat is maintained. Because of a Heat exchange especially by convection (convection of the Heat exchange medium in the thermostat plate or / and the surrounding air in a the thermostat plate with the gel housing of the electrophoresis device) will look after set a temperature profile in the gel for some time, which the mentioned can have positive effects, such as focusing the molecular bands. So can occur with a vertical arrangement of the gel matrix and the Thermostatic plate with vertical direction of molecular expansion from above down a higher temperature in an upper area of the gel matrix and a lower temperature in a lower region of the gel matrix adjust, the thermostat plate still making sure that in Transverse direction to the direction of molecular propagation (and to the electrophoresis field) uniform temperature conditions are maintained. Because of due to the interruption of the heat exchanger medium circuit adjusting temperature distribution in the vertical direction will, as has been done described about influencing the viscosity of the water buffer in the Gel and thus the mobility of the bands in the gel as described Focusing effect on the molecular bands achieved.
Beim genannten Verfahren zum Betreiben einer Elektrophorese-Einrichtung kann es ebenfalls zweckmäßig sein, daß zwei Thermostatisierplatten vorgesehen sind, zwischen denen die Gelmatrix angeordnet ist. Je nach Auslegung und Aufbau der Elektrophorese-Einrichtung wird sich nach Unterbrechen der Strömung in der Gelmatrix ein Temperaturgradient in Molekülausbreitungsrichtung (vorzugsweise gemäß einem Temperaturprofil mit in Molekülausbreitungsrichtung abnehmender Temperatur) oder/und in einer eine Dicke der Gelmatrix zugeordneten, zur Thermostatisierplatte im wesentlichen orthogonalen Richtung (vorzugsweise gemäß einem einer der Dicke der Gelmatrix zugeordneten Richtung zugeordneten Temperaturprofil mit einem in einem mittleren Bereich der Gelmatrix liegenden Temperaturmaximum) einstellen. Es ist auch möglich, daß sich bei entsprechender Anordnung der Thermostatisierplatte ein Temperaturprofil mit in Molekülausbreitungsrichtung zunehmender Temperatur einstellt, was ebenfalls zweckmäßig sein kann. Ferner kann sich unter Umständen ein Temperaturprofil mit einer lokalen Temperaturüberhöhung oder einer lokalen Temperaturabsenkung in wenigstens einem Querbereich der Gelmatrix einstellen. Um ein derartiges Temperaturprofil zu erreichen, kann - beispielsweise - die Wärmeabstrahlung von der Gelmatrix durch Abschirmungsmittel, etwa wenigstens einer Abschirmungsplatte, gezielt beeinflußt werden, beispielsweise um eine Temperaturüberhöhung in einem einem Anfangsbereich entsprechenden Querbereich der Gelmatrix oder/und - im Falle Laser-gestützter Fluoreszenzmarkerdetektion im Hinblick auf die Detektierbarkeit - in einem die Detektionsbereiche der Gel-Elektrophorese- Bahnen einschließenden Querbereich zu erhalten. Im letzteren Fall bietet es sich an, eine/die die Fluoreszenzstrahlung aufnehmende Detektoreinheit so auszubilden und anzuordnen, daß sie für die entsprechende Abschirmung der Gelmatrix und damit - in Folge geringerer Wärmeabstrahlung von der Gelmatrix im genannten Querbereich - für die Einstellung der Temperaturüberhöhung im Querbereich sorgt.In the aforementioned method for operating an electrophoresis device it may also be appropriate that two thermostatic plates are provided, between which the gel matrix is arranged. Depending on The design and construction of the electrophoresis device will change Interrupting the flow in the gel matrix a temperature gradient in Molecular direction of propagation (preferably according to a temperature profile with decreasing temperature in the direction of molecular propagation) or / and in a thickness of the gel matrix assigned to the thermostat plate in substantially orthogonal direction (preferably according to one of the Thickness of temperature profile assigned to the direction of the gel matrix with one lying in a middle area of the gel matrix Temperature maximum). It is also possible that at Corresponding arrangement of the thermostat plate, a temperature profile with increasing temperature in the direction of molecular propagation what can also be useful. Furthermore, under certain circumstances Temperature profile with a local temperature increase or a local one Lowering of temperature in at least one transverse region of the gel matrix to adjust. To achieve such a temperature profile, for example - the heat radiation from the gel matrix Shielding means, such as at least one shielding plate, targeted be influenced, for example by a temperature increase in one a transverse area of the gel matrix corresponding to an initial area or / and - in the case of laser-assisted fluorescence marker detection with regard to the Detectability - in one of the detection areas of gel electrophoresis Obtain transverse area including webs. In the latter case, it offers itself, a / the detector unit receiving the fluorescent radiation train and arrange that for the appropriate shielding the gel matrix and thus - as a result of less heat radiation from the Gel matrix in the mentioned cross-section - for setting the Temperature rise in the transverse area ensures.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann vorteilhaft bei den Elektrophorese-Einrichtungen bzw. Verfahren nach dem ersten bis fünften Aspekt der Erfindung angewendet werden.The operating method according to the invention can be advantageous in the Electrophoresis devices or methods according to the first to fifth Aspect of the invention can be applied.
Die Erfindung und ihre verschiedenen Aspekte werden im folgenden anhand mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren und im Text bzw. in den Figuren aufgenommenen Tabellen näher erläutert.The invention and its various aspects are described below several embodiments with reference to the accompanying figures and Text or tables included in the figures explained in more detail.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung. Fig. 1 shows schematically the structure of an embodiment of an electrophoresis device according to the invention.
Fig. 2 zeigt ein Detektormodul der Einrichtung der Fig. 1 in einer Ansicht entsprechend einer Draufsicht auf Eingangsseiten von fünf übereinander angeordneten Optik- und Detektorfeld- Modulen des Detektormoduls. FIG. 2 shows a detector module of the device of FIG. 1 in a view corresponding to a top view of input sides of five optical and detector field modules of the detector module arranged one above the other.
Fig. 3 zeigt ein Optik- und Detektorfeld-Modul gemäß Fig. 2 in einer Explosionsansicht mit einem linearen Detektorfeld und einer von einem Gradientenindexlinsenfeld und einem Spektralfilter gebildeten Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung, die als integrales optisches Modul ausgebildet sein kann. FIG. 3 shows an optics and detector field module according to FIG. 2 in an exploded view with a linear detector field and a spectral filter and radiation guide arrangement formed by a gradient index lens field and a spectral filter, which arrangement can be designed as an integral optical module.
Fig. 4 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Elektrophorese- Gelplatten-Anordnung der Einrichtung der Fig. 1 gemäß einer Ausführungsvariante im Vertikalbereich einer als integrales optisches Modul ausgebildeten Spektralfilter und Strahlungsführungsanordnung mit schematischer Andeutung eines von einer Reihe von Photodioden gebildeten linearen Detektorfelds mit zugeordneter Ansteuer- und Auswerteelektronik. FIG. 4 shows a horizontal section through an electrophoresis gel plate arrangement of the device of FIG. 1 in accordance with an embodiment variant in the vertical region of a spectral filter and radiation guide arrangement designed as an integral optical module with a schematic indication of a linear detector field formed by a series of photodiodes with associated control and Evaluation electronics.
Fig. 5 zeigt schematisch den Strahlengang des optischen Moduls der Fig. 4 durch eine sogenannte Notched-Platte, einen ersten optischen Spektralfilter, das Gradientenindexlinsenfeld, einen zweiten optischen Spektralfilter, ein Umlenkprisma auf das Photodiodenfeld. FIG. 5 schematically shows the beam path of the optical module of FIG. 4 through a so-called notched plate, a first optical spectral filter, the gradient index lens field, a second optical spectral filter, a deflection prism on the photodiode field.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der in Fig. 4 schematisch gezeigten Thermoplatte (Thermostatisierplatte). FIG. 6 shows a preferred embodiment of the thermal plate (thermostatic plate) shown schematically in FIG. 4.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das die spektrale Empfindlichkeit des aus Silicium-Photodioden gebildeten linearen Detektorfelds als Funktion der Wellenlänge angibt. FIG. 7 shows a diagram indicating the spectral sensitivity of the linear detector field formed from silicon photodiodes as a function of the wavelength.
Fig. 8 zeigt normierte Absorptions- und Emissionsspektren der bei der Elektrophorese unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung im Falle einer gleichzeitigen Analyse von mit vier unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Molekülen, beispielsweise Produkten von Nukleinsäure-Sequenzierungsreaktionen, bevorzugt verwendeten vier Fluoreszenzfarbstoffe (Fluoreszenzmarker, Fluorochrome) FITC, TexasRed™, CY 5.5 und IRD 800 mit Angabe der bevorzugt zur Anregung des jeweiligen Fluoreszenzfarbstoffs verwendeten Anregungswellenlänge und des bevorzugt verwendeten Lasertyps. Fig. 8 normalized absorption and emission spectra showing the four fluorescent dyes in the electrophoresis using an inventive electrophoresis device in the event of a simultaneous analysis of labeled with four different fluorescent dyes molecules, for example products from nucleic acid sequencing reactions, preferably used (fluorescent label fluorochromes) FITC , TexasRed ™, CY 5.5 and IRD 800 with details of the excitation wavelength preferred for the excitation of the respective fluorescent dye and the preferred type of laser used.
Fig. 9 zeigt die chemische Struktur von mit einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung bevorzugt eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffen. Fig. 9 shows the chemical structure of the invention with an electrophoretic device preferably fluorescent dyes used.
Fig. 10 spezifiziert eine bevorzugt für die Detektion des Fluoreszenzfarbstoffs CY 2 verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung hinsichtlich eines bevorzugten spektralen Durchlaßbereichs und eines bevorzugten Aufbaus der Spektralfilteranordnung, wobei in einer Tabelle (Fig. 10a) einer Transmission von 50% entsprechende Kantenwellenlängen der Spektralfilteranordnung und Daten zur Transmission der Spektralfilteranordnung angegeben sind und im Diagramm der Fig. 10b das Absorptions- und das Fluoreszenzspektrum des Farbstoffs CY 2 und Filterkennlinien der Spektralfilteranordnung für maximalen und minimalen Lichteinfallswinkel angegeben sind. FIG. 10 specifies a spectral filter and radiation guide arrangement which is preferably used for the detection of the fluorescent dye CY 2 with regard to a preferred spectral passband and a preferred construction of the spectral filter arrangement, with in a table ( FIG. 10a) a transmission wavelength of 50% corresponding edge wavelengths of the spectral filter arrangement and data for the transmission of the spectral filter arrangement and the absorption and fluorescence spectrum of the dye CY 2 and filter characteristics of the spectral filter arrangement for maximum and minimum light incidence angles are indicated in the diagram in FIG. 10b.
Fig. 11 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs FITC verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 11 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the dye FITC in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 12 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs Rhodamin 6G verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 12 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the dye rhodamine 6G in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 13 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs TexasRed™ verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 13 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the TexasRed ™ dye in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 14 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs CY 5 verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 14 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the dye CY 5 in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 15 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs CY 5.5 verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 15 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the dye CY 5.5 in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 16 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs IRD 800 verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10. FIG. 16 specifies the spectral filter and radiation guide arrangement preferably used for the detection of the dye IRD 800 in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 17 zeigt ein Diagramm, das einige Daten der Fig. 10 bis 16 zusammenfaßt und die spektrale Lage der Absorptions- und Emissionsspektren entsprechend einer relativen Amplitude von wenigstens 0,2, die vorgeschlagenen spektralen Durchlaßbereiche der dem jeweiligen Fluoreszenzfarbstoff jeweils zugeordneten Spektralfilteranordnungen entsprechend einer Transmission von wenigstens 0,5 für Einfallswinkel α = 0° und beispielsweise in Frage kommende Anregungswellenlängen und Lasertypen angibt. FIG. 17 shows a diagram which summarizes some of the data from FIGS. 10 to 16 and the spectral position of the absorption and emission spectra corresponding to a relative amplitude of at least 0.2, the proposed spectral passband of the spectral filter arrangements respectively assigned to the respective fluorescent dye according to a transmission of at least 0.5 for angle of incidence α = 0 ° and, for example, suitable excitation wavelengths and laser types.
Fig. 18 zeigt eine Variante der Thermostatisierplatte der Fig. 6, mit der sich ein Temperaturgrandient in der Ausbreitungsrichtung der Moleküle während der Elektrophorese einstellen läßt. FIG. 18 shows a variant of the thermostatic plate of FIG. 6, with which a temperature gradient in the direction of propagation of the molecules can be set during electrophoresis.
Fig. 19 zeigt in Fig. 19a eine Querschnittsansicht mit einer sandwichartig zwischen zwei Thermostatisierplatten angeordneten Elektrophorese-Gelschicht und in Fig. 19b schematisch einen durch die Anordnung der Fig. 19a einstellbaren Temperaturgradienten im Gel in einer der Dicke der Gelschicht zugeordneten Richtung. FIG. 19 shows a cross-sectional view in FIG. 19a with an electrophoresis gel layer sandwiched between two thermostatic plates, and FIG. 19b schematically shows a temperature gradient in the gel that can be adjusted by the arrangement of FIG. 19a in a direction assigned to the thickness of the gel layer.
Es wird zuerst auf Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Fig. 1 zeigt schematisch eine Gel-Elektrophorese-Einrichtung 10 mit einer vertikal angeordneten Gelschicht oder Gelplatte 12, die zwischen einer sogenannten Notched- Platte oder Kerbenplatte 14 und einer Thermostatisierplatte oder Thermoplatte 16 angeordnet ist. Bei der Herstellung der Gelschicht 12 wurde eine an einem oberen Rand der Gelschicht 12 angeordnete Reihe von nach oben hin offenen Aussparungen oder Taschen im Gel ausgebildet, die jeweils am Anfang einer zugeordneten Gel-Elektrophorese-Bahn liegen und die zu analysierenden Proben aufnehmen. Auf einer Gel-Breite von beispielsweise 305 mm können beispielsweise 192 Geltaschen 18 und damit 192 nebeneinander liegende Gel-Elektrophorese-Bahnen vorgesehen sein, entsprechend beispielsweise einer Bahnbreite von 1 mm und einem Bahnzwischenraum von 0,6 mm, so daß sich beispielsweise bei einer Sequenzierungsanalyse pro selektiv detektierbaren Fluoreszenzmarker 48 Klone (4 Bahnen pro Klon) analysieren lassen. Hinsichtlich der Art und Weise des Beladens des Elektrophorese-Gels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zu analysierenden Proben bestehen grundsätzlich keine Einschränkungen, es kann beispielsweise auf die aus der WO 96/27787 und WO 98/30911 bekannten Techniken und Verfahren verwiesen werden.Reference is first made to Figs. 1-3. Fig. 1 is a gel electrophoresis device schematically shows 10 with a vertically arranged layer of gel or gel slab 12 which is arranged between a so-called Notched plate or notch plate 14 and a plate 16 or thermal Thermostatisierplatte. In the production of the gel layer 12 , a row of upwardly open recesses or pockets in the gel was formed on an upper edge of the gel layer 12 , each of which lies at the beginning of an associated gel electrophoresis path and receives the samples to be analyzed. On a gel width of 305 mm, for example, 192 gel pockets 18 and thus 192 gel electrophoresis sheets lying next to one another can be provided, corresponding, for example, to a sheet width of 1 mm and a sheet space of 0.6 mm, so that, for example, a sequencing analysis Have 48 clones (4 lanes per clone) analyzed per selectively detectable fluorescent marker. With regard to the manner in which the electrophoresis gel of the device according to the invention is loaded with samples to be analyzed, there are basically no restrictions; reference can be made, for example, to the techniques and methods known from WO 96/27787 and WO 98/30911.
Während des Elektrophorese-Betriebs wird mittels einer Spannungsquelle 20 ein elektrisches Potential zwischen einem oberen Puffertank und einem unteren Puffertank 24 angelegt entsprechend der Ladung von zu analysierenden Molekülen, wobei im Falle der Analyse von Sequenzierungsprodukten der obere Puffertank 22 auf gegenüber dem unteren Puffertank negativerem Potential liegt, so daß sich die negativ geladenen DNA-Fragmente entlang der elektrischen Feldlinien von oben nach unten durch das Gel, im Regelfall ein Poly-Acrylamid-Gel, von oben nach unten bewegen (Molekülausbreitungsrichtung M). Im Zuge ihrer Bewegung längs der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn erfolgt eine Trennung der Moleküle, ggf. DNA-Segmente, nach ihrem Molekulargewicht bzw. ihrer Größe bzw. Länge. Die Migrationsgeschwindigkeit der Moleküle sinkt überproportional mit steigender Molekülgröße bzw. steigendem Molekulargewicht, so daß Moleküle kleineren Molekulargewichts (kürzere DNA-Fragmente) sich schneller als Moleküle größeren Molekulargewichts (längere DNA-Fragmente) bewegen und zuerst einen in einem unteren Bereich des Gels liegenden Detektionsbereich erreichen. Hier werden die mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Moleküle über vom jeweiligen Fluoreszenzmarker ausgehende Fluoreszenzstrahlung optisch detektiert, die durch optische Anregung des jeweiligen Fluoreszenzmarkers durch Laserstrahlung induziert wird. Aufgrund der Abhängigkeit der Molekülausbreitungsgeschwindigkeit (Migrationsgeschwindigkeit) von dem Molekulargewicht (der Molekülgröße, ggf. DNA-Fragmentlänge) durchlaufen zuerst die Moleküle kleineren Molekulargewichts (die kleineren Moleküle bzw. die kürzeren DNA-Fragmente) den zur Anregung dienenden Laserstrahl, so daß eine räumliche Separation der Moleküle in Vertikalrichtung (deren vertikale Separations-Distanz) in eine zeitliche Information umgesetzt wird, nämlich in die Reihenfolge, in der die Moleküle durch den Laserstrahl treten. Im Falle der Analyse von DNA- Sequenzierungsprodukten kann diese zeitliche Information beispielsweise mittels einer Computereinheit 26 in Sequenzinformation umgesetzt werden.During the electrophoresis operation, an electrical potential is applied between an upper buffer tank and a lower buffer tank 24 by means of a voltage source 20 in accordance with the charge of the molecules to be analyzed, the upper buffer tank 22 being at a more negative potential than the lower buffer tank in the case of the analysis of sequencing products , so that the negatively charged DNA fragments move along the electric field lines from top to bottom through the gel, usually a poly-acrylamide gel, from top to bottom (molecular propagation direction M). In the course of their movement along the respective gel electrophoresis path, the molecules, possibly DNA segments, are separated according to their molecular weight or their size or length. The migration rate of the molecules decreases disproportionately with increasing molecular size or molecular weight, so that molecules of smaller molecular weight (shorter DNA fragments) move faster than molecules of larger molecular weight (longer DNA fragments) and first reach a detection area located in a lower area of the gel . Here, the molecules marked with fluorescent dyes are optically detected via fluorescence radiation emanating from the respective fluorescent marker, which is induced by optical excitation of the respective fluorescent marker by laser radiation. Due to the dependence of the molecular propagation speed (migration speed) on the molecular weight (the molecule size, possibly DNA fragment length), the molecules of smaller molecular weight (the smaller molecules or the shorter DNA fragments) first pass through the laser beam used for excitation, so that spatial separation the molecules in the vertical direction (their vertical separation distance) is converted into temporal information, namely in the order in which the molecules pass through the laser beam. In the case of the analysis of DNA sequencing products, this temporal information can be converted into sequence information, for example by means of a computer unit 26 .
Der Thermostatisierplatte 16 ist ein thermostatisierbares Wärmeaustauschermediumreservoir, vorzugsweise ein thermostatisierbares Wasserbad 28 zugeordnet, wobei über eine Pumpe 30 ein Wärmeaustauscherkreislauf, ggf. Wasserkreislauf, durch die Thermostatisierplatte 16 geführt ist, um gleichmäßige Temperaturbedingungen vor allem in Horizontalrichtung über alle Gel- Elektrophorese-Bahnen einzustellen bzw. aufrechtzuerhalten. Von der genannten Zahl der Elektrophorese-Bahnen und der Bahnbreiten und Bahnzwischenräumen abgesehen, entspricht die Gel-Elektrophorese- Einrichtung 10, soweit bisher beschrieben, herkömmlichen Elektrophorese- Einrichtungen. Zum grundsätzlichen Aufbau derartiger Elektrophorese- Einrichtungen und den Hintergrund der Analyse von Sequenzierungsprodukten mittels einer derartigen Einrichtung wird ausdrücklich auf die WO 96/23213 verwiesen. Die Thermostatisierplatte 16 kann entsprechend den aus der DE 30 46 729 C2 bekannten Thermostatisierplatten ausgebildet sein. Auf die DE 30 46 729 C2 wird ausdrücklich verwiesen, und die Offenbarung dieser Schrift wird durch Bezugnahme in die Offenbarung der vorliegenden Beschreibung einbezogen.The thermostat plate 16 is assigned a thermostattable heat exchange medium reservoir, preferably a thermostattable water bath 28 , a heat exchanger circuit, possibly a water circuit, being guided through the thermostat plate 16 via a pump 30 in order to set and / or set uniform temperature conditions, especially in the horizontal direction, over all gel electrophoresis tracks to maintain. Apart from the mentioned number of electrophoresis lanes and the lane widths and interstices, the gel electrophoresis device 10 , as far as described so far, corresponds to conventional electrophoresis devices. For the basic structure of such electrophoresis devices and the background of the analysis of sequencing products using such a device, reference is expressly made to WO 96/23213. The thermostat plate 16 can be designed in accordance with the thermostat plates known from DE 30 46 729 C2. Reference is expressly made to DE 30 46 729 C2, and the disclosure of this document is incorporated by reference into the disclosure of the present description.
Im folgenden werden nun weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert, die gegenüber dem Stand der Technik zu wesentlichen Vorteilen führen.Further details of an electrophoresis device according to the invention in accordance with the exemplary embodiment shown in FIG. 1 are now explained below, which lead to significant advantages over the prior art.
Die Elektrophorese-Einrichtung 10 der Fig. 1 ist dafür ausgebildet, Laserstrahlung von fünf verschiedenen Lasern zur Detektion der Fluoreszenzmarker der markierten, längs der Richtung M migrierenden Moleküle einzusetzen, von denen in Fig. 1 nur vier Laser gezeigt sind, nämlich ein bei 488 nm emittierender Argon-Ionen-Laser 50, ein bei 594 nm emittierender Helium-Neon-Laser 52, ein im Bereich von 675 nm emittierender und beispielsweise mittels eines Peltierelements auf die Emissionswellenlänge von 675 nm abstimmbarer Halbleiterlaser (auch als Laserdiode bezeichnet) 54 und ein im Bereich von 775 nm emittierender, beispielsweise mittels eines Peltierelements auf eine Wellenlänge von 775 nm abstimmbarer Halbleiterlaser 56. Von den Lasern ist jeweils nur der eigentliche, den Laserresonator aufweisende Laser bzw. Laserkopf gezeigt, nicht aber zugeordnete Steuergeräte und dergleichen. Der Argon-Ionen- Laser 50 und der Helium-Neon-Laser 52 sind mit einer die Laserstrahlausbreitungsrichtung definierenden Resonatorachse zumindest näherungsweise horizontal in einer jeweiligen Horizontalebene angeordnet, und zwar zumindest näherungsweise parallel zur Gelschicht 12. Die Halbleiterlaser 54 und 56 sind mit ihrer entsprechenden Resonatorachse ebenfalls zumindest näherungsweise horizontal in einer jeweiligen Horizontalebene angeordnet, und zwar zumindest näherungsweise orthogonal zur Gelschicht 12. Die den vier Lasern zugeordneten Horizontalebenen sind vertikal gestaffelt angeordnet, und zwar vorzugsweise mit einem Vertikalabstand von ungefähr 10 mm entsprechend einem Vertikalabstand der von den Lasern abgegebenen Laserstrahlen 60, 62, 64 und 66. Die Laserstrahlen werden durch Umlenkspiegel 70 und 72 im Falle der Strahlen 60 und 62 vom Argon-Ionenlaser 50 und Helium-Neon- Laser 52 zweimal und im Falle der Laserstrahlen 64 und 66 von den Halbleiterlasern 54 und 56 einmal um jeweils zumindest näherungsweise 90° umgelenkt, um die Laserstrahlen vertikal gestaffelt mit dem genannten Vertikalabstand von beispielsweise etwa 10 mm seitlich in die Gelschicht 12 einzukoppeln. Zur Fokussierung der Laserstrahlen ist im Strahlengang der Laserstrahlen jeweils eine optische Linse 74, beispielsweise eine Plankonvex-Linse, angeordnet, mittels der die Taille des Laserstrahlprofils, idealerweise eines zumindest näherungsweise einem Gauß'schen Strahlprofil entsprechendes Strahlprofil, ungefähr in die Mitte des Gels im Bezug auf die Breite b gelegt wird. Zur Feineinstellung des Verlaufs der Laserstrahlen in vertikaler Richtung sind die Linsen 74 vorzugsweise höhenverstellbar, vorzugsweise motorisch höhenverstellbar. Die die Umlenkung der Laserstrahlen in Richtung zum Gel bewirkenden Umlenkspiegel 72 sind vorzugsweise in einer zur Gelschicht 12 zumindest näherungsweise orthogonalen Richtung verstellbar, vorzugsweise motorisch verstellbar, um die Laserstrahlen in einer jeweiligen Horizontalebene in Querrichtung zur Gelschicht parallel zu versetzen und so möglichst genau in der Mitte der Gelschicht (bezogen auf die Dicke des Gels) in das Gel einzukoppeln. Eine Justage der Laserstrahlen mittels der verstellbaren optischen Elemente erfolgt vorzugsweise auf Grundlage von Detektionssignalen vom jeweiligen Detektorfeld, die beispielsweise auf Streulicht oder Hintergrund-Fluoreszenzlicht der Gelschicht oder/und angrenzender Glasplatten beruhen. Es wird dabei vorzugsweise ein Hintergrundstrahlungsprofil aufgenommen und dann einen einem Maximum oder/und einer Mitte des Hintergrundstrahlungsprofils entsprechender Laserstrahlverlauf eingestellt, vorteilhafterweise jeweils bezüglich wenigstens einem Detektorfeldabschnitt an zueinander entgegengesetzten Enden des Detektorfelds. Das Einkoppeln in das Gel erfolgt vorzugsweise über eine gemeinsame, das Gel seitlich begrenzende Einkoppelplatte.The electrophoresis device 10 of FIG. 1 is designed to use laser radiation from five different lasers for the detection of the fluorescent markers of the marked molecules migrating along the direction M, of which only four lasers are shown in FIG. 1, namely one at 488 nm emitting argon ion laser 50 , a helium-neon laser 52 emitting at 594 nm, a semiconductor laser emitting in the region of 675 nm and tunable, for example, by means of a Peltier element to the emission wavelength of 675 nm (also referred to as laser diode) 54 and an im Range of 775 nm emitting semiconductor lasers 56 , for example tunable to a wavelength of 775 nm by means of a Peltier element. Of the lasers, only the actual laser or laser head having the laser resonator is shown, but not associated control devices and the like. The argon-ion laser 50 and the helium-neon laser 52 are arranged at least approximately horizontally in a respective horizontal plane with a resonator axis defining the laser beam propagation direction, and at least approximately parallel to the gel layer 12 . The semiconductor lasers 54 and 56 are likewise arranged with their corresponding resonator axis at least approximately horizontally in a respective horizontal plane, and at least approximately orthogonally to the gel layer 12 . The horizontal planes assigned to the four lasers are arranged in a vertical staggered manner, preferably with a vertical distance of approximately 10 mm corresponding to a vertical distance of the laser beams 60 , 62 , 64 and 66 emitted by the lasers. The laser beams are deflected twice by deflecting mirrors 70 and 72 in the case of beams 60 and 62 from argon ion laser 50 and helium-neon laser 52 and in the case of laser beams 64 and 66 by semiconductor lasers 54 and 56 once each by at least approximately 90 ° in order to couple the laser beams laterally into the gel layer 12 in a vertical staggered manner with the aforementioned vertical spacing of, for example, approximately 10 mm. To focus the laser beams, an optical lens 74 , for example a plano-convex lens, is arranged in the beam path of the laser beams, by means of which the waist of the laser beam profile, ideally a beam profile corresponding at least approximately to a Gaussian beam profile, approximately in the center of the gel in relation is placed on the width b. For fine adjustment of the course of the laser beams in the vertical direction, the lenses 74 are preferably adjustable in height, preferably adjustable in height by motor. The deflecting mirrors 72 which deflect the laser beams in the direction of the gel are preferably adjustable in a direction at least approximately orthogonal to the gel layer 12 , preferably by means of a motor, in order to offset the laser beams parallel in a respective horizontal plane in the transverse direction to the gel layer and thus as precisely as possible in the middle the gel layer (based on the thickness of the gel) into the gel. The laser beams are preferably adjusted by means of the adjustable optical elements on the basis of detection signals from the respective detector field, which are based, for example, on scattered light or background fluorescent light from the gel layer and / or adjacent glass plates. A background radiation profile is preferably recorded and then a laser beam profile corresponding to a maximum and / or a center of the background radiation profile is set, advantageously in each case with respect to at least one detector field section at opposite ends of the detector field. The coupling into the gel is preferably carried out via a common coupling plate which laterally delimits the gel.
Zu den Halbleiterlasern ist noch nachzutragen, daß deren an sich vergleichsweise stark divergenten Laserstrahlen mittels eines jeweiligen, in Fig. 1 nicht dargestellten Teleskops gebündelt werden, um den Strahl- Durchmesser auf unter 1 mm bringen. Die Laserstrahlen können zusätzlich jeweils einen Raumfilter, beispielsweise eine Lochblende, durchlaufen, um einen möglichst idealen Gauß'schen Strahl zu erreichen. Im Falle des Argon-Ionen-Lasers und des Helium-Neon-Lasers entspricht das Laserstrahlprofil im Regelfall schon recht gut einem Gauß'schen Strahlprofil, so daß derartige Strahlkontitionierungen in der Regel entbehrlich sind.It should also be added to the semiconductor lasers that their comparatively strongly divergent laser beams are bundled by means of a respective telescope, not shown in FIG. 1, in order to bring the beam diameter to less than 1 mm. The laser beams can additionally pass through a spatial filter, for example a pinhole, in order to achieve a Gaussian beam that is as ideal as possible. In the case of the argon-ion laser and the helium-neon laser, the laser beam profile generally corresponds quite well to a Gaussian beam profile, so that beam conditioning of this type is generally unnecessary.
Die genannten optischen Komponenten (Umlenkspiegel 70 und 72, Linsen 74 usw.) sowie die Halbleiterlaser 54 und 56 sind auf einer stufenförmigen optischen Bank 80 montiert, deren Stufen 82 seitlich entsprechend dem Versatz zwischen den Laserstrahlen ansteigen, wie in Fig. 1 zu erkennen. Mittels der gestuften optischen Bank kann auf besonders einfache Weise eine kompakte Anordnung mit hoher Stabilität erreicht werden unter Ermöglichung der genannten Laserstrahlengänge. Die oberste Stufe der gestuften optischen Bank 82 ist gemäß Fig. 1 ungenutzt, hier könnte ein weiterer Halbleiterlaser mit entsprechenden optischen Komponenten oder eine weitere Anordnung aus Umlenkspiegeln 70 und 72 für einen weiteren, parallel zu den Lasern 50 und 52 angeordneten Laser montiert sein, um fünf Laserstrahlen vertikal gestuft in die Gelschicht einzukoppeln.The optical components mentioned (deflection mirrors 70 and 72 , lenses 74 etc.) and the semiconductor lasers 54 and 56 are mounted on a step-shaped optical bench 80 , the steps 82 of which rise laterally in accordance with the offset between the laser beams, as can be seen in FIG. 1. By means of the stepped optical bench, a compact arrangement with high stability can be achieved in a particularly simple manner while enabling the laser beam paths mentioned. The top stage of the stepped optical bench 82 is unused according to FIG. 1, here a further semiconductor laser with corresponding optical components or a further arrangement of deflection mirrors 70 and 72 for a further laser arranged parallel to the lasers 50 and 52 could be mounted around to couple five laser beams vertically graded into the gel layer.
Die Laserstrahlen mit den vier verschiedenen Wellenlängen dienen zur Anregung von zugeordneten Fluoreszenzmarkern, beispielsweise der Fluoreszenzmarker FITC, TexasRed™, CY 5.5 und IRD 800, die sich nur geringfügig überlappende Anregungs- und Emissionsspektren aufweisen und so eine selektive Anregung und Detektion ermöglichen (vgl. Fig. 8). Den eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffen und damit den Laserstrahlen ist jeweils eine Detektionsanordnung zum Detektieren der von den angeregten Fluoreszenzmarkern emittierten Emissionsstrahlung zugeordnet. Die Detektoranordnungen sind in ein Detektormodul 90 integriert, das in der Ansicht der Fig. 1 hinter der Kerbenplatte 14 angeordnet ist und anhand der Fig. 2 und 4 näher erläutert wird.The laser beams with the four different wavelengths serve to excite assigned fluorescent markers, for example the fluorescent markers FITC, TexasRed ™, CY 5.5 and IRD 800, which have only slightly overlapping excitation and emission spectra and thus enable selective excitation and detection (see Fig . 8). A detection arrangement for detecting the emission radiation emitted by the excited fluorescence markers is assigned to the fluorescent dyes used and thus to the laser beams. The detector arrangements are integrated in a detector module 90 which, in the view in FIG. 1, is arranged behind the notch plate 14 and is explained in more detail with reference to FIGS . 2 and 4.
Fig. 2 zeigt das Detektormodul 90 in Draufsicht auf Eingangsseiten von fünf Optik- und Detektorfeld-Modulen 94, 96, 98 und 100, von denen die Module 92 bis 98 den Laserstrahlen 60, 62, 64 und 66 zugeordnet sind, wobei in Fig. 2 gestrichelt der ideale Verlauf der Laserstrahlen in Bezug auf die Eingangsseiten der Optik- und Detektorfeld-Module angegeben ist, nämlich parallel zu einer Längsachse der Module in der Mitte der jeweiligen Eingangsseite. FIG. 2 shows the detector module 90 in a top view of input sides of five optics and detector field modules 94 , 96 , 98 and 100 , of which the modules 92 to 98 are assigned to the laser beams 60 , 62 , 64 and 66 , with FIG. 2, the ideal course of the laser beams with respect to the input sides of the optics and detector field modules is indicated in dashed lines, namely parallel to a longitudinal axis of the modules in the middle of the respective input side.
Ein möglicher Aufbau der Optik- und Detektorfeld-Module ist in Fig. 3 gezeigt. Das dort gezeigte Optik- und Detektorfeld-Modul ist von einem linearen Detektorfeld 102, das beispielsweise eine Reihe von Photodioden 104 aufweist, und einer Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung gebildet, die im Falle des Beispiels der Fig. 3 einen Spektralfilter 106 und ein Gradientenindexlinsenfeld, beispielsweise ein sog. SELFOC-Linsenfeld (SLA) 108 umfaßt, das beispielsweise vertikal übereinander sechs Reihen von Gradientenindexlinsen aufweist. A possible construction of the optics and detector field modules is shown in FIG. 3. The optics and detector field module shown there is formed by a linear detector field 102 , which has, for example, a series of photodiodes 104 , and a spectral filter and radiation guide arrangement, which in the example of FIG. 3 has a spectral filter 106 and a gradient index lens field, for example comprises a so-called SELFOC lens array (SLA) 108 which, for example, has six rows of gradient index lenses vertically one above the other.
Bei dem Gradientenindexlinsenfeld 108 handelt es sich bevorzugt um ein Linsenfeld mit einer numerischen Apertur von etwa 0,6 entsprechend einem maximalen Einfallswinkel von α = ± 22,5°, also einem Öffnungswinkel eines eintreffenden Strahlenbündels von etwa 45°, wobei die einzelnen Linsen von zylinderförmigen Elementen mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge von 10 mm in den genannten 6 Zeilen zu je 300 Linsen gebildet sind. Ein Linsenfeld enthält etwa 1.800 derartiger Linsen und es ist eine Gesamt-Lichteintrittsfläche von 305 mm × 6 mm gegeben. Derartige Linsenfelder sind als Spezialanfertigung von der Nippon Sheet Glass Company, Japan, erhältlich.The gradient index lens field 108 is preferably a lens field with a numerical aperture of approximately 0.6, corresponding to a maximum angle of incidence of α = ± 22.5 °, that is to say an opening angle of an incoming beam of rays of approximately 45 °, the individual lenses being cylindrical Elements with a diameter of 1 mm and a length of 10 mm are formed in the 6 lines mentioned, each with 300 lenses. A lens array contains approximately 1,800 such lenses and there is a total light entry area of 305 mm × 6 mm. Such lens fields are available as custom-made products from the Nippon Sheet Glass Company, Japan.
Das lineare Detektorfeld 102 umfaßt bevorzugt hochempfindliche Photodioden mit einer Abmessung der lichtempfindlichen Oberflächen von etwa 3 mm, wobei im Hinblick auf eine Unterscheidung der Gel- Elektrophorese-Bahnen wenigstens zwei Photodioden (Pixel) pro Elektrophorese-Bahn vorgesehen sein sollten, so daß das lineare Detektorfeld vorzugsweise wenigstens 384 nebeneinandergereihte Photodioden aufweist. Das lineare Detektorfeld 104 ist vorzugsweise aus sechs linear aneinandergereihten Modulen gebildet, die in Hybridbauweise ausgeführt sein können und jeweils 64 Photodioden auf einem gemeinsamen Chip mit einer Breite von 2 Zoll (5,08 cm) tragen können, vorzugsweise zusammen mit zugehörigen integrierenden Operationsverstärkern. Gute Ergebnisse wurden erzielt mit einer lichtempfindlichen Gesamtfläche pro Detektorzeile von 30,5 cm × 3 mm, unterteilt in die genannten 384 Photodioden, die jeweils 0,8 mm breit sind. Zur Minimierung des lichtunempfindlichen Bereichs sollten die lichtunempfindlichen Zonen zwischen den einzelnen Photodioden möglichst schmal sein. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die lichtunempfindliche Zone zwischen den Photodioden nur jeweils 0,02 mm, so daß der gesamte lichtunempfindliche Bereich 383 × 0,2 mm gleich 7,66 mm breit ist entsprechend einem sehr geringen Anteil von nur 2,5% an der gesamten Detektorfläche. Derartige Photodiodenmodule sind als Spezialanfertigung von der Firma Hamamatsu Photonics, Japan, erhältlich. Die spektrale Empfindlichkeit der Silicium-Photodioden ist in Fig. 7 gezeigt und kann durch Änderung der Dotierung gewissen Grenzen eingestellt werden.The linear detector field 102 preferably comprises highly sensitive photodiodes with a dimension of the light-sensitive surfaces of approximately 3 mm, with at least two photodiodes (pixels) per electrophoresis path being provided with a view to differentiating the gel electrophoresis paths, so that the linear detector field preferably has at least 384 photodiodes juxtaposed. The linear detector array 104 is preferably formed from six modules lined up in a linear manner, which can be implemented in hybrid construction and can each carry 64 photodiodes on a common chip with a width of 2 inches (5.08 cm), preferably together with associated integrating operational amplifiers. Good results were achieved with a light-sensitive total area of 30.5 cm × 3 mm per detector line, divided into the 384 photodiodes mentioned, each 0.8 mm wide. To minimize the light-insensitive area, the light-insensitive zones between the individual photodiodes should be as narrow as possible. In the preferred embodiment, the light-insensitive zone between the photodiodes is only 0.02 mm each, so that the entire light-insensitive area 383 × 0.2 mm is equal to 7.66 mm, corresponding to a very small proportion of only 2.5% of the total Detector area. Such photodiode modules are available as custom-made products from Hamamatsu Photonics, Japan. The spectral sensitivity of the silicon photodiodes is shown in FIG. 7 and certain limits can be set by changing the doping.
Die Gradientenindexlinsen des Gradientenindexlinsenfeldes 108 erzeugen jeweils sich gegenseitig überlappende Einzelbilder auf der Bildseite, also auf den Photodioden, wobei es zu einer räumlich-kontinuierlichen 1-zu-1- Abbildung kommt. Aufgrund dessen sowie aufgrund der hohen numerischen Apertur einerseits und der Abmessungen der Photodioden in Molekülausbreitungsrichtung M (im hier beschriebenen Beispielsfall 3 mm) andererseits bestehen hinsichtlich der Ausrichtung des Gradientenindexlinsenfeldes 108 im Bezug auf das Detektorfeld 108 keine hohen Anforderungen.The gradient index lenses of the gradient index lens field 108 each generate mutually overlapping individual images on the image side, that is to say on the photodiodes, with a spatially continuous 1-to-1 imaging occurring. Because of this and because of the high numerical aperture on the one hand and the dimensions of the photodiodes in the direction of molecular propagation M (3 mm in the example described here) on the other hand, there are no high requirements with regard to the orientation of the gradient index lens field 108 with respect to the detector field 108 .
Anstelle eines aus Photodioden gebildeten linearen Detektorfelds kann auch ein CCD-Feld oder ein anderes ortsauflösendes Detektorfeld eingesetzt werden, das längs einer Detektionsstrecke, die durch den Verlauf der Laserstrahlen im Gel definiert ist, eine ortsaufgelöste Erfassung des Fluoreszenzlichts ermöglicht. Die verwendeten Detektorfelder können durchaus eine Matrix von Detektionspixeln mit mehreren zueinander parallelen Pixelreihen aufweisen. Der in Bezug auf die Detektorfelder verwendete Begriff "linear" ist insoweit nicht beschränkend und bezieht sich auf die Möglichkeit der ortsaufgelösten Fluoreszenzlichterfassung längs einer entsprechend dem Ausführungsbeispiel linearen Detektionsstrecke.Instead of a linear detector field formed from photodiodes, it is also possible a CCD field or another spatially resolving detector field is used be that along a detection path, which is determined by the course of the Laser beams are defined in the gel, a spatially resolved detection of the Fluorescent light enables. The detector fields used can quite a matrix of detection pixels with several to each other have parallel rows of pixels. The one in relation to the detector fields The term "linear" used is not restrictive and refers to this on the possibility of spatially resolved fluorescence light detection along a linear detection section according to the embodiment.
Als Spektralfilter kommen Absorptionsfilter (beispielsweise Farbglasfilter) und Interferenzfilter und, vor allem, Kombinationen aus wenigstens einem Absorptionsfilter und wenigstens einem Interferenzfilter in Betracht. Die Durchlaßbereiche der Spektralfilter der verschiedenen Optik- und Detektorfeld-Module ist entsprechend den Anregungswellenlängen und den Emissionsspektren der verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe zu wählen, wobei im folgenden für eine Reihe von verwendbaren Fluoreszenzmarkern geeignete Spektralfilterspezifikationen als Beispiel angegeben werden. Bemerkenswerterweise können auch Fluoreszenzmarker mit sich überlappenden Emissionsspektren voneinander unterschieden werden, sofern diese selektiv anregbar sind und eine räumlich getrennte Laserstrahlanregung, beispielsweise mittels von gegeneinander versetzten Laserstrahlen wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2, erfolgt. Alternativ kommt auch eine zeitlich getrennte Laserstrahlanregung und eine Anregung mit unterschiedlich modulierten Laserstrahlen zur Ermöglichung einer phasenempfindlichen Detektion in Betracht. Ferner können auch selektiv oder nicht-selektiv anregbare Fluoreszenzmarker mit sich überlappenden Emissionsspektren unterschieden werden, sofern die Emissionsspektren sich nur bereichsweise überlappen, also sich nicht überlappende Spektralbereiche aufweisen und die Emissionsstrahlung spektral-selektiv detektiert wird, ggf. in Verbindung mit einer räumlich getrennten Laserstrahlanregung oder/und einer zeitlich getrennten Laserstrahlanregung oder/und einer Anregung mit modulierter Laserstrahlung zur Ermöglichung einer phasenempfindlichen Detektion.Absorption filters (for example colored glass filters) and interference filters and, above all, combinations of at least one absorption filter and at least one interference filter come into consideration as spectral filters. The passband of the spectral filter of the various optics and detector field modules is to be selected in accordance with the excitation wavelengths and the emission spectra of the fluorescent dyes used, suitable spectral filter specifications being given below as examples for a number of usable fluorescent markers. Remarkably, fluorescent markers with overlapping emission spectra can also be distinguished from one another, provided that these can be selectively excited and spatially separated laser beam excitation takes place, for example by means of mutually offset laser beams as in the exemplary embodiment in FIGS. 1 and 2. Alternatively, temporally separated laser beam excitation and excitation with differently modulated laser beams can also be considered to enable phase-sensitive detection. Furthermore, it is also possible to differentiate selectively or non-selectively excitable fluorescent markers with overlapping emission spectra, provided that the emission spectra only overlap in regions, i.e. do not have overlapping spectral ranges and the emission radiation is detected in a spectrally selective manner, possibly in connection with spatially separated laser beam excitation or / and a temporally separated laser beam excitation or / and an excitation with modulated laser radiation to enable phase-sensitive detection.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnungen des Detektormoduls jeweils als integrales optisches Modul ist in den Fig. 4 und 5 in räumlicher und funktionsmäßiger Beziehung zu einem gegenüber dem integralen optischen Modul gesonderten linearen Detektorfeld gezeigt. Zur Erläuterung der Ausführungsvariante der Fig. 4 und 5 werden die gleichen Bezugszeichen wie für die Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 für analoge oder identische Komponenten unter Nachstellung des Buchstabens "a" verwendet, wobei nur die Unterschiede gegenüber der vorangehend beschriebenen Ausführungsform beschrieben werden und ansonsten ausdrücklich auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird.A particularly preferred embodiment of the spectral filter and radiation guide arrangements of the detector module, each as an integral optical module, is shown in FIGS. 4 and 5 in spatial and functional relation to a linear detector field that is separate from the integral optical module. To explain the embodiment variant of FIGS. 4 and 5, the same reference numerals are used as for the embodiment of FIGS. 1 to 3 for analog or identical components followed by the letter "a", only the differences from the previously described embodiment being described and otherwise, reference is expressly made to the preceding description.
Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der optischen und elektronischen Elemente einer einem Laserstrahl zugeordneten Detektoreinheit mit dem Detektorfeld (der Detektorzeile) in einer schnittartigen Darstellung mit Sichtrichtung entsprechend der Molekülausbreitungsrichtung M (bei der Anordnung entsprechend Fig. 1 also von oben) und Fig. 5 zeigt die Elemente der Detektoreinheit in einer zur Gelschicht, der Kerbenplatte und der Thermostatisierplatte orthogonalen Schnittebene, wobei die Photodetektoren der Detektorzeile in Fig. 4 nur schematisch angedeutet sind. FIG. 4 schematically shows the arrangement of the optical and electronic elements of a detector unit assigned to a laser beam with the detector field (the detector line) in a sectional illustration with a direction of view corresponding to the direction of molecular propagation M (in the arrangement corresponding to FIG. 1, therefore, from above) and FIG. 5 shows the elements of the detector unit in a sectional plane orthogonal to the gel layer, the notch plate and the thermostat plate, the photodetectors of the detector line being only indicated schematically in FIG. 4.
Gemäß der Variante der Fig. 4 und 5 ist für die Führung der aus der Anregung durch einen Anregungs-Laser resultierenden Fluoreszenzmarker- Emissionsstrahlung ein integrales optisches Modul für den jeweiligen Laser vorgesehen, das aus einem Gradientenindexlinsenfeld 108a, einem Absorptionsfilter 106a auf der Bildseite des Gradientenindexlinsenfelds 108a, einem optischen Interferenzfilter 107a auf der Objektseite des Gradientenindexlinsenfeldes 108a und einem verspiegelten Umlenkprisma aus hochbrechendem Flintglas SF 4 110a besteht. Die Spektralfilter 106a, 107a und das Umlenkprisma 110a sind direkt auf das Gradientenindexlinsenfeld 108a sowie auf eine Trägerschiene aus Aluminium geklebt, um eine optische Einheit mit definierter optischer Weglänge zu erhalten. Der Strahlengang für die Emissionsstrahlung von den angeregten Fluoreszenzmarkern ist in Fig. 5 zu erkennen. Die optische Weglänge Z (λ) beträgt etwa 20 mm, wobei aufgrund des hochbrechenden Umlenkprismas die für die Abbildung benötigte optische Weglänge auf Grundlage einer relativ kurzen geometrischen Weglänge erreicht wird. Zur Abstimmung der optischen Weglänge an die verschiedenen Fluoreszenzwellenlängen können für die einzelnen, den Detektorzeilen zugeordneten optischen Module Umlenkungsprismen mit unterschiedlichem Brechungsindex verwendet werden. In einem gewissen Ausmaß lassen sich durch chromatische Aberration bedingte unterschiedliche Weglängen allerdings auch dadurch ausgleichen, daß sich die optischen Einheiten 112a durch Verschieben auf der optischen Achse einjustieren lassen. Zur Ausbildung der jeweiligen optischen Einheit 105a aus den Filtern 106a, 107a, dem Gradientenindexlinsenfeld 108a und dem Umlenkprisma 110a ist noch nachzutragen, daß die Verklebung beispielsweise mittels eines optischen Klebstoffs auf Silikonbasis erfolgen kann, der vorzugsweise eine niedrige Viskosität aufweist und hinsichtlich seines Brechungsindexes vorzugsweise an die Brechungsindizes der Filtergläser und des Gradientenindexlinsenfelds angepaßt ist.According to the variant of FIGS. 4 and 5, an integral optical module for the respective laser is provided for guiding the fluorescence marker emission radiation resulting from the excitation by an excitation laser, which consists of a gradient index lens field 108 a, an absorption filter 106 a on the image side of the gradient index lens field 108 a, an optical interference filter 107 a on the object side of the gradient index lens field 108 a and a mirrored deflection prism made of highly refractive flint glass SF 4 110 a. The spectral filters 106 a, 107 a and the deflecting prism 110 a are glued directly onto the gradient index lens field 108 a and onto a support rail made of aluminum in order to obtain an optical unit with a defined optical path length. The beam path for the emission radiation from the excited fluorescent markers can be seen in FIG. 5. The optical path length Z (λ) is approximately 20 mm, the optical path length required for the imaging being achieved on the basis of a relatively short geometric path length due to the highly refractive deflection prism. In order to match the optical path length to the different fluorescence wavelengths, deflection prisms with different refractive indexes can be used for the individual optical modules assigned to the detector rows. To a certain extent, however, different path lengths caused by chromatic aberration can also be compensated for by the fact that the optical units 112 a can be adjusted by shifting on the optical axis. To form the respective optical unit 105 a from the filters 106 a, 107 a, the gradient index lens field 108 a and the deflecting prism 110 a, it must also be added that the bonding can be carried out, for example, by means of a silicone-based optical adhesive, which preferably has a low viscosity and in terms of its refractive index is preferably adapted to the refractive indices of the filter glasses and the gradient index lens field.
Das dem jeweiligen Fluoreszenzfarbstoff zugeordnete lineare Detektorfeld 102a besteht wie das Detektorfeld 102 aus sechs linear aneinandergereihten Modulen, die auf einer gemeinsamen Trägerplatine 114a, auf der auch Taktgeber und Multiplexer 116a untergebracht sind, eingesteckt sind. Die einzelnen Module sind in Hybridbauweise ausgeführt und tragen jeweils 64 Photodioden auf einem gemeinsamen Chip mit der Breite von zwei Zoll ( = 5,08 cm), zusammen mit den zugehörigen integrierenden Operationsverstärkern. Die gesamte lichtempfindliche Fläche einer Detektorzeile ist somit 30,5 cm breit und 3 mm hoch, unterteilt in 385 Photodioden von 0,8 mm Breite. Die lichtunempfindliche Zone zwischen den einzelnen Photodioden ist jeweils 0,02 mm breit. Der gesamte lichtunempfindliche Bereich ist demgemäß 383 × 0,02 mm = 7,66 mm breit entsprechend einem sehr geringen Anteil von nur 2,5% an der gesamten Detektorfläche.The linear detector field 102 a assigned to the respective fluorescent dye, like the detector field 102, consists of six modules lined up linearly, which are inserted on a common carrier board 114 a, on which clock generators and multiplexers 116 a are also accommodated. The individual modules are designed in hybrid construction and each carry 64 photodiodes on a common chip with a width of two inches (= 5.08 cm), together with the associated integrating operational amplifiers. The entire light-sensitive area of a detector line is thus 30.5 cm wide and 3 mm high, divided into 385 photodiodes 0.8 mm wide. The light-insensitive zone between the individual photodiodes is 0.02 mm wide. The entire light-insensitive area is accordingly 383 × 0.02 mm = 7.66 mm wide, corresponding to a very small proportion of only 2.5% of the total detector area.
Das Gradientenindexlinsenfeld 108a kann dem Gradientenindexlinsenfeld 108 entsprechen und beispielsweise eine hohe numerische Apertur NA von etwa 0,6 und sechs Reihen von Linsenelementen übereinander aufweisen, um einen großen vertikalen Erfassungsbereich für Fluoreszenzstrahlung (Objekthöhe) von 3 mm bei voller numerischer Apertur zu gewährleisten. Durch die sich überlagernde aufrechte Abbildung der einzelnen Linsen im Feld ist ein horizontales Alignement der Linsenelemente mit den Photodioden nicht unbedingt erforderlich. The gradient index lens field 108 a can correspond to the gradient index lens field 108 and, for example, have a high numerical aperture NA of approximately 0.6 and six rows of lens elements one above the other in order to ensure a large vertical detection range for fluorescence radiation (object height) of 3 mm with a full numerical aperture. Due to the overlapping upright image of the individual lenses in the field, a horizontal alignment of the lens elements with the photodiodes is not absolutely necessary.
Die Trägerplatine 114a mit den darauf angeordneten Detektorfeldern 102a und die optischen Module 112a sind in einem gemeinsamen Detektormodul entsprechend Fig. 2 mit einem gemeinsamen, abschirmenden Gehäuse aufgenommen und gehalten. Bezugnehmend auf Fig. 1 kann das Detektormodul 90 also fünf Trägerplatinen 114a mit einem jeweiligen Detektorfeld 102a und fünf zugeordnete integrale optische Module 112a aufweisen. Aufgrund des durch die Umlenkprismen 110a erreichten geknickten Strahlengangs wird der minimale vertikale Abstand zwischen den einzelnen Detektionsanordnungen durch die Bauhöhe der Gradientenindexlinsenfelder 108a bestimmt, die etwa 10 mm beträgt. Bei Verwendung von etwa 60 cm langen Glasplatten zur Begrenzung der Gelschicht kann man beispielsweise Separationsdistanzen (Laufstrecke der zu analysierenden Moleküle oder Fragmente) von 46 cm bis zum obersten Detektor bzw. von 50 cm bis zum untersten Detektor erreichen.The carrier board 114 a with the detector fields 102 a arranged thereon and the optical modules 112 a are received and held in a common detector module according to FIG. 2 with a common, shielding housing. Referring to Fig. 1, the detector module 90 may therefore five carrier boards 114 a with a respective detector array 102 a and have five associated integral optical modules 112 a. Due to the bent beam path achieved by the deflection prisms 110 a, the minimum vertical distance between the individual detection arrangements is determined by the structural height of the gradient index lens fields 108 a, which is approximately 10 mm. When using approximately 60 cm long glass plates to limit the gel layer, separation distances (running distance of the molecules or fragments to be analyzed) from 46 cm to the top detector or from 50 cm to the bottom detector can be achieved.
Die linearen Detektorfelder können von Silicium-Photodioden gebildet sein, die einen weiten spektralen Empfindlichkeitsbereich aufweisen (siehe Fig. 7). Es können aber auch andere Materialien, beispielsweise Gallium-Arsenid- Phosphit verwendet werden. Letzteres Halbleitermaterial hat den großen Vorteil, daß die spektrale Empfindlichkeit durch Variation der Anteile von Arsenid und Phosphit in einen weiten Bereich verschoben werden kann, um eine spezielle Anpassung an die jeweils zu detektierende Emissionsstrahlung vorzusehen. Überdies ist dieses Material auf thermische Hintergrund- Strahlung im Vergleich zu Silicium relativ unempfindlich. Man könnte auch daran denken, die Pixeldichte der Detektorfelder weiter zu erhöhen, um eine höhere Spurdichte, beispielsweise eine Verdopplung bis Verdreifachung der Spurdichte, zu erreichen.The linear detector fields can be formed by silicon photodiodes, which have a wide spectral sensitivity range (see FIG. 7). However, other materials, for example gallium arsenide phosphite, can also be used. The latter semiconductor material has the great advantage that the spectral sensitivity can be shifted into a wide range by varying the proportions of arsenide and phosphite in order to provide a special adaptation to the emission radiation to be detected in each case. Furthermore, this material is relatively insensitive to thermal background radiation compared to silicon. One could also think of further increasing the pixel density of the detector fields in order to achieve a higher track density, for example a doubling or tripling of the track density.
Die Elektrophorese-Einrichtung in der in Fig. 1 gezeigten Form kann beispielsweise zur Analyse von Molekülen dienen, die durch vier verschiedene Fluoreszenzmarker, beispielsweise FITC, TexasRed™, CY 5.5 und IRD 800, markiert sind (vgl. Fig. 8). Um eine vorzeitige Degradation der Fluoreszenzmarker durch Laserstrahlung zu vermeiden, die eine kürzere Wellenlänge als die zur Anregung jeweils dienende Laserstrahlung aufweist, sind die Laser und die Laserstrahlen derart vertikal gestaffelt, daß entlang der Molekülausbreitungsrichtung M die Anregungswellenlängen zunehmen, daß also die Fluoreszenzmarker-markierten Moleküle zuerst die langwelligste Laserstrahlung von 775 nm, dann die kürzerwelligere Laserstrahlung von 675 nm, dann die Laserstrahlung von 594 nm und schließlich die Laserstrahlung kürzester Wellenlänge von 488 nm durchlaufen. Eine entsprechende Anordnung wird vorzugsweise auch dann vorgesehen, wenn andere Anregungswellenlängen und andere Laserquellen eingesetzt werden.The electrophoresis device in the form shown in FIG. 1 can be used, for example, to analyze molecules which are marked by four different fluorescent markers, for example FITC, TexasRed ™, CY 5.5 and IRD 800 (cf. FIG. 8). In order to avoid premature degradation of the fluorescent markers by laser radiation which has a shorter wavelength than the laser radiation used for excitation, the lasers and the laser beams are staggered vertically in such a way that the excitation wavelengths increase along the direction of molecular propagation M, that is to say the molecules marked with fluorescent markers first the long-wave laser radiation of 775 nm, then the shorter-wave laser radiation of 675 nm, then the laser radiation of 594 nm and finally the laser radiation of the shortest wavelength of 488 nm. A corresponding arrangement is preferably also provided when other excitation wavelengths and other laser sources are used.
Grundsätzlich bestehen hinsichtlich der einsetzbaren Fluoreszenzfarbstoffe keine Beschränkungen. Eine Übersicht über zur DNA-Sequenzierung verwendbare Fluoreszenzfarbstoffe mit den Maxima des jeweiligen Anregungs- und Emissionsspektrums und geeignete Anregungs-Lichtquellen ist in Tabelle 1 gegeben. Basically, there are fluorescent dyes that can be used no restrictions. An overview of DNA sequencing usable fluorescent dyes with the maxima of each Excitation and emission spectrum and suitable excitation light sources is given in Table 1.
In Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung entsprechend Fig. 1 haben sich vor allem die Farbstoffe CY 2, FITC, Rhodamin 6G, TexasRed™, CY 5, CY 5.5 und IRD 800 bewährt. Für viele Anwendungen wird es ausreichen, wenn die Elektrophorese-Einrichtung hinsichtlich der Ausbildung ihrer Detektoren so ausgelegt ist, daß von den Laser-Farbstoff-Kombinationen nur vier gleichzeitig benutzbar sind. Für einige der in der Tabelle 1 angegebenen Farbstoffe ist die chemische Struktur in Fig. 9 angegeben.In connection with an electrophoresis device according to the invention according to FIG. 1, the dyes CY 2, FITC, Rhodamine 6G, TexasRed ™, CY 5, CY 5.5 and IRD 800 have proven particularly useful. For many applications it will be sufficient if the electrophoresis device is designed with regard to the design of its detectors in such a way that only four of the laser-dye combinations can be used simultaneously. For some of the dyes listed in Table 1, the chemical structure is shown in Fig. 9.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die in Fig. 1 gezeigten Anregungs-Laser nur als Beispiel dienen. Tabelle 2 gibt Beispiele von zu DNA-Sequenzierung verwendbaren Anregungslasern mit ihrer Emissionswellenlänge λem und hierdurch anregbaren Fluorochromen. In der rechten Spalte der Tabelle ist das Produkt aus dem Extinktionskoeffizienten ε (λem) und der Quantenausbeute q (λem) des jeweiligen Farbstoffs bei der entsprechenden Anregungswellenlänge λem angegeben, das ein Maß für die erzielbare Fluoreszenzausbeute ist. Da die Anregung selektiv im jeweiligen Absorptionsmaximum erfolgt, sind nur geringe Ausgangsleistungen der Laser erforderlich. It should be noted that the excitation lasers shown in Fig. 1 serve only as an example. Table 2 gives examples of excitation lasers that can be used for DNA sequencing with their emission wavelength λ em and fluorochromes that can be excited thereby. The right column of the table shows the product of the extinction coefficient ε (λ em ) and the quantum yield q (λ em ) of the respective dye at the corresponding excitation wavelength λ em , which is a measure of the fluorescence yield that can be achieved. Since the excitation takes place selectively at the respective absorption maximum, only low laser output powers are required.
Eine Übersicht über in einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung beispielsweise einsetzbare Lasertypen mit Wellenlängen, Ausgangsleistungen und dem jeweiligen Absorptionsmaximum selektiv anregbarer Fluoreszenz-Farbstoffe ist in Tabelle 3 angegeben. Durch selektive Anregung der Fluorochrome nahe dem jeweiligen Absorptionsmaximum sind nur geringe Laser-Ausgangsleistungen zwischen 3 bis 5 mW erforderlich. Höhere Laserleistungen können sogar schädlich sein, da Effekte wie ein Ausbleichen der Farbstoffe (Photo-bleaching), durch Strahlung induzierte chemische Reaktionen der Farbstoffe mit der Gelmatrix und Veränderung ihres Brechungsindexes sowie eine Erhöhung des Hintergrunds durch Streustrahlung auftreten kann. Überdies erhöht sich die Ausbeute der Fluoreszenz nicht proportional zur Leistung der Anregungs- Lichtquelle, da eine Sättigung durch Entleerung des energetischen Grundzustands der Fluorochrome eintreten kann. Lasertypen, deren Ausgangsleistung nicht oder nur schlecht regelbar ist, können deshalb ggf. beispielsweise durch optische Neutralfilter im Strahlengang abgeschwächt werden. An overview of in an electrophoresis device according to the invention for example usable laser types with wavelengths, Output powers and the respective absorption maximum selectively stimulable fluorescent dyes are given in Table 3. By selective excitation of the fluorochromes close to each Absorption maximums are only low laser output powers between 3 to 5 mW required. Higher laser powers can even be harmful due to effects such as fading of the dyes (photo-bleaching) Radiation induced chemical reactions of the dyes with the gel matrix and change in their refractive index as well as an increase in the Background can occur due to scattered radiation. Moreover, the The yield of fluorescence is not proportional to the performance of the excitation Light source as a saturation by emptying the energetic Basic state of the fluorochromes can occur. Laser types whose Output power is not or only poorly controllable, can therefore weakened, for example, by optical neutral filters in the beam path become.
Bezugnehmend auf die Fig. 10 bis 16 sollen nun für die bevorzugt eingesetzten Farbstoffe CY 2, FITC, Rhodamin 6 G, TexasRed, CY 5, CY 5.5 und IRD 800 die spektralen Eigenschaften der zur Detektion der jeweiligen Emissionsstrahlung gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel eingesetzten Detektoreinheiten, speziell der eingesetzten Spektralfilteranordnungen in Verbindung mit den Eigenschaften des jeweiligen Gradientenindexlinsenfeldes, angegeben werden. Die Verwendung der optischen Strahlungsfilteranordnung ermöglicht es, das Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht der Laser sowie teilweise von der Hintergrundfluoreszenz sowie von Rhaleigh- und Raman-Streulicht zu trennen, um so das vergleichsweise deutlich schwächere Fluoreszenzlicht überhaupt nachweisen zu können. Durch selektive Anregung und Detektion der einzelnen Fluoreszenzmarker (Fluorochrome) wird ferner sichergestellt, daß mehrere verschiedenfarbig markierte Moleküle, ggf. DNA-Fragmente, gleichzeitig, aber unabhängig voneinander im gleichen Elektrophorese-Gel analysiert werden können. Die optischen Strahlungsfilter können Bandpaß- Filter, bei denen sich an einen Bereich hoher Transmission (Durchlaßbereich) zu kürzeren und längeren Wellenlängen hin Bereiche mit niedriger Transmission (Sperrbereiche) anschließen oder/und Kantenfilter, bei denen sich an einem Bereich hoher Transmission ein Bereich niedriger Transmission anschließt, oder umgekehrt, aufweisen, wobei als Kantenfilter Langpaß- Filter, bei denen der Durchlaßbereich bei längeren Wellenlängen als der Sperrbereich liegt, oder/und Kurzpaß-Filter, bei denen der Durchlaßbereich bei kürzeren Wellenlängen als der Sperrbereich liegt, zum Einsatz kommen können. Als Bandpaß-Filter werden bevorzugt Interferenzfilter eingesetzt, die mit Absorptions-Kurzpaß- oder/und Absorptions-Langpaß-Filtern kombiniert sein können. Je nach eingesetztem Gradientenindexlinsenfeld kann für optimale Abbildungs-Eigenschaften des optischen Systems die mögliche Gesamtdicke der Filteranordnung auf einen bestimmten Wert, beispielsweise ca. 2 mm, festgelegt sein, wobei aber grundsätzlich auch ein Ausgleich durch Einsatz von Materialien mit entsprechend angepaßtem Brechungsindex möglich ist. Ein besonders einfacher optischer Aufbau, der sich auch einfach justieren läßt, wird dann erreicht, wenn die spektralen Filter für alle Detektoren eine vorgegebene Gesamt-Dicke aufweisen. Die Filterkennlinie der jeweiligen Absorptionsfilter kann dann primär über die für die Herstellung des Absorptionsfilters verwendete Schmelze angepaßt werden. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, daß als Substrat für die Herstellung der Interferenzfilter ein jeweiliger Absorptionsfilter verwendet wird. Als Absorptionsfilter können Kurzpaß- und Langpaß-Filter der Firma Schott (Mainz, Deutschland) eingesetzt werden.With reference to FIGS. 10 to 16, the spectral properties of the detector units used for the detection of the respective emission radiation according to the exemplary embodiment described here should now be used for the dyes CY 2, FITC, Rhodamine 6 G, Texas Red, CY 5, CY 5.5 and IRD 800 which are preferably used , specifically the spectral filter arrangements used in connection with the properties of the respective gradient index lens field. The use of the optical radiation filter arrangement makes it possible to separate the fluorescent light from the excitation light of the lasers and partly from the background fluorescence as well as from Rhaleigh and Raman scattered light, so that the comparatively significantly weaker fluorescent light can be detected at all. Selective excitation and detection of the individual fluorescent markers (fluorochromes) also ensure that several differently colored molecules, possibly DNA fragments, can be analyzed simultaneously but independently of one another in the same electrophoresis gel. The optical radiation filters can be band-pass filters in which areas with low transmission (cut-off areas) are connected to a region of high transmission (pass band) towards shorter and longer wavelengths and / or edge filters in which a region of high transmission is followed by a region of low transmission connects, or vice versa, where long-pass filters in which the pass band is at longer wavelengths than the stop band, and / or short-pass filters in which the pass band is shorter than the stop band can be used as edge filters. Interference filters, which can be combined with absorption short-pass and / or absorption long-pass filters, are preferably used as bandpass filters. Depending on the gradient index lens field used, the possible total thickness of the filter arrangement can be set to a certain value, for example approx. 2 mm, for optimal imaging properties of the optical system, but in principle compensation is also possible by using materials with a correspondingly adapted refractive index. A particularly simple optical structure, which can also be easily adjusted, is achieved if the spectral filters have a predetermined total thickness for all detectors. The filter characteristic of the respective absorption filter can then be adapted primarily via the melt used for the production of the absorption filter. In this context, it is appropriate that a respective absorption filter is used as the substrate for the production of the interference filter. Short-pass and long-pass filters from Schott (Mainz, Germany) can be used as absorption filters.
Die zentralen Daten der zur Detektion des Fluoreszenzlichts des Fluoreszenzmarkers CY 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eingesetzten Spektralfilteranordnung sind in der Tabelle der Fig. 10a angegeben. Als Filter wird eine Kombination aus Absorptions-Kurzpaßfilter, Absorptions-Langpaßfilter und Interferenz-Bandpaßfilter eingesetzt mit Kantenwellenlängen λC1, λC2 von 494 nm und 524 nm für einen Lichteinfallwinkel α = 0° und λC1 = 492 nm und λC2 = 514 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel des Gradientenindexlinsenfeldes entsprechenden Lichteinfallwinkel α = 20°. Als Kantenwellenlänge ist hier jeweils eine eine Transmission von 0,5 (50%) gebende Wellenlänge bezeichnet. Bei der bevorzugt eingesetzten Anregungswellenlänge von 473 nm ist die Transmission der Spektralfilteranordnung kleiner als 10-4 im Lichteinfallwinkelbereich 0° bis 20°. Für das Emissionsspektrum des Farbstoffs erhält man bei einem Lichteinfallwinkel von 0° für den Wellenlängenbereich 495 bis 515 nm eine Transmission größer als 0,8. Bei einem Lichteinfallwinkel von 20° erhält man eine Transmission größer als 0,8 für den Wellenlängenbereich 490 bis 505 nm. Für Wellenlängen größer als das Emissionsspektrum des Farbstoffes erhält man eine Transmission kleiner als 10-3 für den Lichteinfallwinkelbereich 0° bis 20°. Fig. 10b zeigt ein Diagramm, das die Transmission der Spektralfilteranordnung für α = 0° und für α = 20° als Funktion der Wellenlänge angibt. Zusätzlich ist das Absorptionsspektrum A und das Emissionsspektrum E des Farbstoffs CY 2 sowie die bevorzugt eingesetzte Anregungswellenlänge 473 nm eingezeichnet. Ferner ist die bevorzugt für die Anregung des Farbstoffs Rhodamin 6G (vgl. Fig. 12) verwendete Anregungswellenlänge von 532 nm eingezeichnet.The central data of the spectral filter arrangement used to detect the fluorescent light of the fluorescent marker CY 2 according to a preferred exemplary embodiment are given in the table in FIG. 10a. A combination of absorption short-pass filter, absorption long-pass filter and interference band-pass filter is used as the filter with edge wavelengths λ C1 , λ C2 of 494 nm and 524 nm for a light incidence angle α = 0 ° and λ C1 = 492 nm and λ C2 = 514 nm for a light incidence angle α = 20 ° corresponding to a maximum acceptance angle of the gradient index lens field. Here, an edge wavelength is denoted in each case by a wavelength giving a transmission of 0.5 (50%). At the excitation wavelength of 473 nm which is preferably used, the transmission of the spectral filter arrangement is less than 10 -4 in the light incidence angle range 0 ° to 20 °. For the emission spectrum of the dye, a transmission greater than 0.8 is obtained at a light incidence angle of 0 ° for the wavelength range 495 to 515 nm. With a light incidence angle of 20 °, a transmission greater than 0.8 is obtained for the wavelength range 490 to 505 nm. For wavelengths greater than the emission spectrum of the dye, a transmission less than 10 -3 is obtained for the light incidence angle range 0 ° to 20 °. Fig. 10b shows a graph indicating the transmission of the spectral filter for α = 0 ° and α = 20 ° as a function of wavelength. In addition, the absorption spectrum A and the emission spectrum E of the dye CY 2 as well as the excitation wavelength of 473 nm, which is preferably used, are shown. Furthermore, the excitation wavelength of 532 nm, which is preferably used for the excitation of the dye rhodamine 6G (cf. FIG. 12), is shown.
Fig. 11 zeigt entsprechende Daten für einen dem Farbstoff FITC zugeordneten Detektor. Die Spektralfilteranordnung umfaßt wiederum bevorzugt einen Absorptions-Kurzpaßfilter, einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter. Neben einer Anregung mittels eines Argon-Ionen-Lasers mit einer Wellenlänge von 488 nm kommt beispielsweise auch die Verwendung eines frequenzverdoppelten Neodym: YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 473 nm in Betracht. Fig. 11 shows corresponding data for the dye FITC associated detector. The spectral filter arrangement in turn preferably comprises an absorption short-pass filter, an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter. In addition to excitation by means of an argon ion laser with a wavelength of 488 nm, the use of a frequency-doubled neodymium: YAG laser with a wavelength of 473 nm can also be considered, for example.
Die Daten eines dem Farbstoff Rhodamin 6G zugeordneten Detektors sind in Fig. 12 gezeigt. Die Spektralfilteranordnung besteht bevorzugt aus einem Interferenz-Bandpaßfilter und einem Absorptions-Kurzpaßfilter, dessen Transmission in Fig. 12b zusätzlich angegeben ist (Kurve K).The data from a detector associated with the Rhodamine 6G dye are shown in FIG . The spectral filter arrangement preferably consists of an interference bandpass filter and an absorption shortpass filter, the transmission of which is additionally indicated in FIG. 12b (curve K).
Der Fluoreszenzmarker TexasRed™ kann beispielsweise mittels eines Detektors detektiert weden, dessen spektralen Spezifikationen in Fig. 13 angegeben sind. Die Spektralfilteranordnung ist bevorzugt von einem Interferenz-Bandpaßfilter und einem Absorptions-Langpaßfilter gebildet. Die Transmission des Langpaßfilters ist in Fig. 13b zusätzlich angegeben (Kurve L).The TexasRed ™ fluorescent marker can be detected, for example, by means of a detector whose spectral specifications are given in FIG. 13. The spectral filter arrangement is preferably formed by an interference bandpass filter and an absorption longpass filter. The transmission of the long-pass filter is also shown in Fig. 13b (curve L).
Für die Detektion des vom Farbstoff CY 5 ausgehenden Fluoreszenzlichts kann beispielsweise eine von einem Absorptions-Langpaßfilter und einem Interferenz-Bandpaßfilter gebildete Spektralfilteranordnung eingesetzt werden, deren spektralen Daten in Fig. 14 angegeben sind. Neben einer Anregung mittels eines Helium-Neon-Lasers mit der Emissionswellenlänge von λ = 632,8 nm kommt beispielsweise auch die Anregung mittels eines Halbleiterlasers, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 640 nm in Betracht.A spectral filter arrangement formed by an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter can be used, for example, for the detection of the fluorescent light emitted by the dye CY 5, the spectral data of which are given in FIG. 14. In addition to excitation by means of a helium-neon laser with the emission wavelength of λ = 632.8 nm, excitation by means of a semiconductor laser, for example with a wavelength of 640 nm, can also be considered.
Der Farbstoff CY 5.5 kann beispielsweise mittels einer Spektralfilteranordnung detektiert werden, die von einem Absorptions- Langpaßfilter und einem Interferenz-Bandpaßfilter gebildet ist. Die spektralen Daten eines geeigneten Detektors sind in Fig. 15 angegeben. Die Anregung des Farbstoffs CY 5.5 kann beispielsweise mittels einer Laserdiode erfolgen, die bei 675 nm emittiert. Auch eine bei 660 nm emittierende Halbleiter- Laserdiode kommt in Betracht. Der in Fig. 15 spezifizierte Detektor kann auch für die Detektion des Farbstoffes IRD 700 verwendet werden.The dye CY 5.5 can be detected, for example, by means of a spectral filter arrangement which is formed by an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter. The spectral data of a suitable detector are given in FIG. 15. The dye CY 5.5 can be excited, for example, by means of a laser diode that emits at 675 nm. A semiconductor laser diode emitting at 660 nm can also be used. The detector specified in FIG. 15 can also be used for the detection of the dye IRD 700.
Für die Detektion des mit dem Fluorochrom IRD 41 chemisch identischen Farbstoffs IRD 800 kann ein Detektor verwendet werden, dessen spektrale Spezifikationen in Fig. 16 angegeben sind. Die Spektralfilteranordnung kann von einem Absorptions-Langpaßfilter und einem Interferenz-Bandpaßfilter gebildet sein. Eine Anregung des Farbstoffes kann mit einer Laserdiode erfolgen, die beispielsweise bei 775 nm emittiert. Hinsichtlich des Emissionsspektrums (E) in Fig. 16b und dem entsprechenden Spektrum in Fig. 8 ist anzumerken, daß der gezeigte Abfall der Emission zu längeren Wellenlängen hin etwas überzeichnet dargestellt sein dürfte.For the detection of the dye IRD 800, which is chemically identical to the fluorochrome IRD 41, a detector can be used, the spectral specifications of which are given in FIG. 16. The spectral filter arrangement can be formed by an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter. The dye can be excited with a laser diode that emits at 775 nm, for example. With regard to the emission spectrum (E) in FIG. 16b and the corresponding spectrum in FIG. 8, it should be noted that the decrease in emission shown towards longer wavelengths should be somewhat exaggerated.
Die Anregungs- und Absorptionsspektren der genannten Farbstoffe, die als Beispiele zu verstehenden Durchlaßbereiche der zugeordneten Spektralfilteranordnungen sowie die in Frage kommenden, als Beispiele zu verstehenden Anregungswellenlängen sind im Diagramm der Fig. 17 zusammenfassend dargestellt, wobei von den Absorptionsspektren (A) und den Emissionsspektren (E) jeweils der Bereich einer relativen, auf 1 normierten Signalstärke ≧ 0,2 und für die Spektralfilter jeweils der Durchlaßbereich für den Lichteinfallswinkel α = 0° angegeben ist. Wie man sieht, gibt es spektral breite Überlappungen zwischen den Absorptionsspektren der Farbstoffe sowie zwischen den Emissionsspektren der Farbstoffe. Trotz dieser Überlappungen können durch Einsatz von vier unabhängigen Detektionssystemen vier mit unterschiedlichen Fluoreszenz- Farbstoffen markierte Proben gleichzeitig und unabhängig voneinander detektiert werden, beispielsweise mit den Farbstoffen Fluorescein, TexasRed, CY 5.5 und IRD 800 markierte Proben (vier unterschiedliche Farbstoffe). Ferner lassen sich mittels der für die fünf Farbstoffe CY 2, Rhodamin 6G, TexasRed, CY 5.5 und IRD 800 spezifizierten Detektoreinheiten diese fünf Farbstoffe gleichzeitig und unabhängig voneinander detektieren. Auf Grundlage der Lehre der vorliegenden Erfindung wird der Fachmann auch ohne weiteres eine Elektrophorese- Einrichtung mit fünf oder mehr unabhängigen Detektionssystemen aufbauen können, die für eine andere Farbstoffkombination von fünf Farbstoffen oder für mehr als fünf zugeordnete unterschiedliche Fluoreszenz-Farbstoffe eine gleichzeitige Detektion unabhängig voneinander ermöglicht. The excitation and absorption spectra of the dyes mentioned, the pass bands of the assigned spectral filter arrangements to be understood as examples and the possible excitation wavelengths to be understood as examples are summarized in the diagram in FIG. 17, with the absorption spectra (A) and the emission spectra ( E) the range of a relative signal strength ≧ 0.2 standardized to 1 and the passband for the light incidence angle α = 0 ° are given for the spectral filters. As can be seen, there are spectrally wide overlaps between the absorption spectra of the dyes and between the emission spectra of the dyes. Despite these overlaps, the use of four independent detection systems enables four samples labeled with different fluorescent dyes to be detected simultaneously and independently of one another, for example samples labeled with the dyes fluorescein, TexasRed, CY 5.5 and IRD 800 (four different dyes). Furthermore, these five dyes can be detected simultaneously and independently of one another by means of the detector units specified for the five dyes CY 2, Rhodamine 6G, TexasRed, CY 5.5 and IRD 800. On the basis of the teaching of the present invention, the person skilled in the art will easily be able to set up an electrophoresis device with five or more independent detection systems which enables simultaneous detection independently of one another for another dye combination of five dyes or for more than five assigned different fluorescent dyes .
Das Übersprechhalten der vier Detektoren für die Farbstoffe Fluoreszein, TexasRed, CY 5.5 und IRD 800 wurde quantitativ wie folgt bestimmt: Nach Messung des thermischen Untergrunds bei völliger Dunkelheit, also ausgeschalteten Lasern, wurden die den vier Detektoren zugeordneten Laserstrahlen in ein Elektrophoresegel eingekoppelt, auf das keine Proben aufgetragen waren. Die Laser wurden dabei nacheinander mit einem zeitlichen Abstand von etwa 15 Min. eingeschaltet. Die Meßwerte für die Untergrundstrahlung wurden jeweils über 40 Photodioden gemittelt. In der folgenden Tabelle 4 ist der Anstieg der Ausgangsspannung des Detektors in digitalen Einheiten des verwendeten A/D-Wandlers absolut und prozentual (bezogen auf den rein thermischen Strahlungsuntergrund) angegeben. Der von dem dem jeweiligen Detektor zugeordneten Laser verursachte Anstieg ist in der Tabelle durch Fettschrift hervorgehoben.The crosstalk of the four detectors for the dyes fluorescein, TexasRed, CY 5.5 and IRD 800 were quantified as follows: Measurement of the thermal background in complete darkness, so switched off lasers, were assigned to the four detectors Laser beams coupled into an electrophoresis gel, on which no samples were applied. The lasers were used one after the other time interval of about 15 minutes switched on. The measured values for the Background radiation was averaged over 40 photodiodes. In the Table 4 below is the rise in the output voltage of the detector in digital units of the A / D converter used, absolute and percentage (based on the purely thermal radiation background). The increase caused by the laser assigned to the respective detector is highlighted in bold in the table.
Bei weiteren Versuchen zeigte sich, daß der Anstieg des Strahlungsuntergrunds (maximal 34% beim Detektor für CY 5.5) zeitlich konstant ist und sich im Verlauf des Elektrophoresebetriebs nicht ändert. Dieser Anstieg kann somit rechnerisch als konstanter Untergrund vom Elektrophorese-Nutzsignal substrahiert werden, so daß der Einfluß der durch die Lasereinstrahlung erhöhten Untergrundstrahlung auf das Signal-zu- Rausch-Verhältnis des jeweiligen Detektors und damit auf das Trennvermögen des Systems weitgehend vernachlässigt werden kann.Further experiments showed that the increase in Radiation background (maximum 34% for the detector for CY 5.5) in time is constant and does not change in the course of electrophoresis operation. This increase can therefore be calculated as a constant background from Useful electrophoresis signal are subtracted, so that the influence of the laser radiation increases the background radiation to the signal Noise ratio of the respective detector and thus on the Separation capacity of the system can be largely neglected.
Um mögliche Einstrahlungen des Fluoreszenz-Emissionslichtes der Farbstoffe in die nicht ihnen zugeordneten Detektoren zu untersuchen, wurde für die vier Farbstoffe je ein Sequenzierungslauf mit Proben durchgeführt, die mit nur diesem einen der vier Farbstoffe markiert waren. Es wurden markierte Primer verwendet. Während des Sequenzierungslaufs wurden auch die Signale der jeweils nicht korrespondierenden Detektoren aufgezeichnet. Die stärksten Signale traten am Anfang jedes Sequenzierungslaufs beim Durchlaufen der Primer durch die Laserstrahlen auf. In allen Fällen konnte nur dieses Durchlaufen der Primer in den jeweils anderen Detektoren erkannt werden, nicht aber das Durchlaufen der eigentlichen Sequenzierungsprodukte. Es traten also keinerlei nachweisbaren Interferenzen im Bereich der eigentlichen Sequenzsignale auf. Die spektrale Trennschärfe des Detektorsystems reichte also aus, die mit verschiedenen Farbstoffen markierten DNA-Proben gleichzeitig, aber unabhängig voneinander zu analysieren.For possible irradiation of the fluorescent emission light from the dyes in the detectors not assigned to them was investigated for the four dyes each performed a sequencing run with samples using only this one of the four dyes were marked. There have been marked Primer used. During the sequencing run, the Signals from the respective non-corresponding detectors are recorded. The strongest signals came at the beginning of each sequencing run Pass through the primer by the laser beams. In all cases only this passing through the primers was detected in the other detectors be, but not going through the actual Sequencing products. So there was no detectable interference in the area of the actual sequence signals. The spectral selectivity the detector system was sufficient with different dyes labeled DNA samples simultaneously, but independently of each other analyze.
In Tabelle 5 und Tabelle 6 sind Ergebnisse zum Auflösungsvermögen des Detektionssystems hinsichtlich der Abstände der Elektrophorese-Bahnen (Spuren) und dem Separationsabstand gezeigt. Table 5 and Table 6 show results on the resolving power of the Detection system with regard to the distances of the electrophoresis lanes (Traces) and the separation distance.
Tabelle 5 zeigt, daß das erzielbare Auflösungsvermögen weitgehend unabhängig vom Abstand der Spuren auf dem Elektrophorese-Gel ist, solange das Nyquist-Abtast-Theorem eingehalten wird, das wenigstens zwei Pixel (beim vorliegenden Ausführungsbeispiel von Photodioden gebildet) pro Spur verlangt. Tabelle 6 macht deutlich, daß eine Verdopplung der Separationsdistanz von 21 cm auf 42 cm durch Einsatz von 60 cm langen thermostatisierten Glasplatten einen erheblichen Vorteil bringt, nämlich eine Erhöhung der durchschnittlichen Anzahl gelesener Basen um 40%, so daß bei 60 cm langen Gels in einem Lauf über 1200 Basen gelesen wurden. Zu berücksichtigen ist allerdings, daß der Strahldurchmesser im Elektrophorese- Gel in Strahlausbreitungsrichtung nicht konstant ist. Idealerweise wird die Strahltaille des Laserstrahls in die Mitte des Gels gelegt, so daß hier die höchste Auflösung zu erwarten ist. Zu den Rändern hin nimmt die Auflösung dann entsprechend dem Strahldurchmesser und dem Divergenzwinkel des Laserstrahls ab. Im Durchschnitt wurden Leselängen von über 800 Basen erreicht.Table 5 shows that the achievable resolving power is largely is independent of the distance between the tracks on the electrophoresis gel, as long as the Nyquist sampling theorem is adhered to, at least two Pixels (formed by photodiodes in the present embodiment) per Track demands. Table 6 makes it clear that doubling the Separation distance from 21 cm to 42 cm by using 60 cm long ones thermostated glass plates brings a significant advantage, namely one Increase the average number of bases read by 40% so that were read with 60 cm long gels in a run over 1200 bases. To However, it must be taken into account that the beam diameter in the electrophoresis Gel is not constant in the direction of beam spread. Ideally, the Beam waist of the laser beam placed in the middle of the gel, so here the highest resolution is expected. Towards the edges Resolution then according to the beam diameter and Divergence angle of the laser beam. On average, reading lengths were reached from over 800 bases.
Im folgenden werden Beispiele für die Analyse von Nukleinsäuren unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung gegeben:The following are examples of the analysis of nucleic acids below Given the use of an electrophoresis device according to the invention:
Als Primer wurden entweder Standardprimer (UPO, UP-40, RPO, T7, T7term) oder die im folgenden angegebenen spezifischen Primer 1 bis 8 eingesetzt. Als Matrizen wurden für die jeweiligen Primer passende Vektoren mit zu sequenzierenden Inserts verwendet. Als Markierungen wurden die Fluoreszenzfarbstoffe Fluoreszein-Isothiocyanat (FITC), Texas Red(TR), CY 5.5 und IRD 800 verwendet.Either standard primers (UPO, UP-40, RPO, T7, T7term) or the specific primers 1 to 8 given below used. Suitable primers were used as matrices Vectors with inserts to be sequenced used. As markings the fluorescent dyes were fluorescein isothiocyanate (FITC), Texas Red (TR), CY 5.5 and IRD 800 used.
Die Sequenzen und Markierungen der verwendeten Primer sind in Tabelle 7 zusammengefaßt. The sequences and labels of the primers used are in Table 7 summarized.
Alle, Sequenzierungsreaktionen wurden als Thermocycling-Reaktionen (Murray et al., Nucleic Acids Res. 17 (1989), 8889) unter Verwendung eines Thermocycler (MJ Research, PTC-200) mit dem folgenden Profil durchgeführt: 25 oder 40 Zyklen bei 97°C für 15 sec, 55°C für 30 sec, 68°C für 60 sec bzw. 30 sec.All of the sequencing reactions were considered thermal cycling reactions (Murray et al., Nucleic Acids Res. 17 (1989), 8889) using a thermal cycler (MJ Research, PTC-200) with the following profile carried out: 25 or 40 cycles at 97 ° C for 15 sec, 55 ° C for 30 sec, 68 ° C for 60 sec or 30 sec.
Die Protokolle für die Reaktionen (Anzahl Primer - Anzahl Matrizen - Anzahl Reaktionsgefäße) waren wie folgt:The protocols for the reactions (number of primers - number of matrices - number Reaction tubes) were as follows:
3 µl DNA-Matrize 1 (1 µg/µl) wurden mit 2 µl DNA-Matrize 2 (0,5 µg/µl) und jeweils 3 µl der Primer FITC-T7term (4 µM), TR-T7, CY 5.5-RPO und IRD 800-UPO (jeweils 2 µM), 2,1 µl 10 × Cyclingpuffer, 3 µl AmpliTaqFS (Applied Biosystems) und 1,9 µl Wasser vermischt. Das Gemisch wurde in vier Aliquots (jeweils 5 µl) unterteilt. 3 µl der jeweiligen Terminationsmischung (A, C, G, T) wurden in die einzelnen Aliquots gegeben. Dann wurde das Thermocycling gestartet. Nach 25 Zyklen wurden 1 µl Stopp-Lösung zu jeder Reaktion gegeben und das Volumen während einer Denaturierung bei 95°C für etwa 10 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurde der Ansatz auf Eis gestellt.3 µl DNA template 1 (1 µg / µl) were mixed with 2 µl DNA template 2 (0.5 µg / µl) and 3 µl each of the primers FITC-T7term (4 µM), TR-T7, CY 5.5-RPO and IRD 800-UPO (2 µM each), 2.1 µl 10 × cycling buffer, 3 µl AmpliTaqFS (Applied Biosystems) and 1.9 µl water mixed. The mixture was in four aliquots (5 µl each) divided. 3 µl of each Termination mixes (A, C, G, T) were in each aliquot given. Then thermal cycling was started. After 25 cycles 1 µl stop solution was added to each reaction and the volume during denaturation at 95 ° C for about 10 minutes by about half decreased. Then the batch was put on hold.
2 µl DNA-Matrize 1 (0,5 µg/µl) wurden mit 3 µl DNA-Matrize 2 (0,3 µg/µl), 5 µl DNA-Matrize 3 (0,2 µg/µl), 3 µl DNA-Matrize 4 (0,3 µg/µl) und jeweils 1 µl der Primer 1 bis 4 (jeweils 5 µM), 2,4 µl 10 × Cyclingpuffer, 3 µl AmpliTaqFS und 1,5 µl DMSO vermischt. Das Gemisch wurde in vier Aliquots (jeweils 5 µl) unterteilt und 3 µl der jeweiligen Terminationsmischung (A, C, G, T) wurden in die einzelnen Aliquots pipettiert. Dann wurde das Thermocycling gestartet. Nach 25 Zyklen wurde 1 µl Stopp-Lösung zu jeder Reaktion zugegeben und das Volumen während einer Denaturierung bei 95°C für etwa 10 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurden die Ansätze auf Eis gestellt.2 µl DNA template 1 (0.5 µg / µl) were mixed with 3 µl DNA template 2 (0.3 µg / µl), 5 µl DNA template 3 (0.2 µg / µl), 3 µl DNA template 4 (0.3 µg / µl) and each 1 µl of primers 1 to 4 (5 µM each), 2.4 µl 10 × cycling buffer, 3 µl AmpliTaqFS and 1.5 µl DMSO mixed. The mixture was divided into four Aliquots (5 µl each) and 3 µl of each Termination mixes (A, C, G, T) were in each aliquot pipetted. Then thermal cycling was started. After 25 cycles 1 µl stop solution was added to each reaction and the volume during denaturation at 95 ° C for about 10 minutes by about half decreased. Then the approaches were put on hold.
1,5 µl DNA-Matrize 1 (0,7 µg/µl) wurden mit jeweils 2 µl der Primer 5 bis 8 (jeweils 2 µM), 2,1 µl 10 × Cyclingpuffer, 3 µl AmpliTaqFS, 1,5 µl DMSO und 4,9 µl Wasser vermischt. Die Mischung wurde in vier Aliquots (jeweils 5 µl) unterteilt und 3 µl der jeweiligen Terminationsmischung (A, C, G, T) wurden in die einzelnen Aliquots pipettiert. Dann wurde das Thermocycling gestartet. Nach 25 Zyklen wurde 1 µl Stopp-Lösung zu jeder Reaktion gegeben und das Volumen wurde während einer Denaturierung bei 95°C für etwa 10 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurden die Ansätze auf Eis gestellt.1.5 µl DNA template 1 (0.7 µg / µl) were added with 2 µl each of primers 5 to 8 (2 µM each), 2.1 µl 10 × cycling buffer, 3 µl AmpliTaqFS, 1.5 µl DMSO and 4.9 ul water mixed. The mixture was divided into four aliquots (each 5 µl) divided and 3 µl of the respective termination mixture (A, C, G, T) were pipetted into the individual aliquots. Then thermal cycling started. After 25 cycles, 1 µl stop solution was added to each reaction given and the volume was at 95 ° C during denaturation reduced by about half for about 10 min. Then the approaches put on ice.
4 µl DNA Matrize 1 (1 µg/µl) wurden mit jeweils 2 µl Primern (FITC-RP, TR- 40, RPO-CY 5.5, IRD 800-40, jeweils 2 µM), 2,0 µl 10 × Cyclingpuffer, 3 µl AmpliTaqFS und 3 µl Wasser vermischt. Das Gemisch wurde in vier Aliquots (jeweils 5 µl) unterteilt und 3 µl der jeweiligen Terminationsmischung (A, C, G, T) wurden jeweils in die einzelnen Aliquots pipettiert. Dann wurde das Thermocycling gestartet. Nach 40 Zyklen (Extension bei 68°C für 60 sec) wurde 1 µl Stopp-Lösung zu jedem Reaktionsansatz gegeben und das Volumen wurde während einer Denaturierung bei 95°C für etwa 10 min auf etwa die Hälfte verringert. Dann wurden die Ansätze auf Eis gestellt.4 µl DNA template 1 (1 µg / µl) were each with 2 µl primers (FITC-RP, TR- 40, RPO-CY 5.5, IRD 800-40, 2 µM each), 2.0 µl 10 × cycling buffer, 3 µl AmpliTaqFS and 3 µl water mixed. The mixture was divided into four Aliquots (5 µl each) and 3 µl of each Termination mixes (A, C, G, T) were each in the individual aliquots pipetted. Then thermal cycling was started. After 40 cycles (Extension at 68 ° C for 60 sec) 1 µl stop solution was added to each Reaction batch was given and the volume was during a Denaturation at 95 ° C for about 10 min reduced to about half. Then the approaches were put on hold.
Entsprechende Ergebnisse wurden auch mit den Reagenzien des kommerziellen Cycle-Sequenzierkits der Fa. Applied Biosystems (TaqFS Dye Primer Cycle Sequencing Kit) erzielt.Similar results were also obtained with the reagents from commercial cycle sequencing kits from Applied Biosystems (TaqFS Dye Primer Cycle Sequencing Kit).
Zur Anregung der vier Fluoreszenzfarbstoffe wurden vier Laser mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet, die entsprechend dem jeweiligen Absorptionsspektrum des Fluoreszenzfarbstoffs ausgewählt worden waren. Die Lasertypen und -leistungen sind in der folgenden Tabelle 8 dargestellt.Four lasers were used to excite the four fluorescent dyes different emission wavelengths used, which correspond to the selected absorption spectrum of the fluorescent dye had been. The laser types and powers are in the following table 8 shown.
Die Laser wurden in das Gel über eine einzige Kopplungsplatte an vier unterschiedlichen Positionen mit einem vertikalen Abstand von jeweils 10 mm zwischen den Strahlen eingekoppelt. Eine Feineinstellung der Strahlposition erfolgte individuell für alle vier Laser durch eine motorisierte optische Bühne.The lasers were placed in the gel via a single coupling plate on four different positions with a vertical distance of 10 each mm coupled between the beams. A fine adjustment of the Beam position was done individually for all four lasers by a motorized one optical stage.
Gemäß den Emissionsspektren der vier Fluoreszenzfarbstoffe wurden optische Bandpassfilter für die optimale Transmission der jeweiligen Emissionslichtspektren und die maximale Unterdrückung von gestreutem Anregungslaserlicht sowie von Infrarot-Hintergrund aufgrund von Glas- und Gelfluoreszenz ausgewählt. Die hohe Selektivität des Transmissionsprofils wurde durch eine Kombination von Absorptions- und Mehrschicht- Interferenzfiltern erreicht (Schott, Mainz, Deutschland).According to the emission spectra of the four fluorescent dyes optical bandpass filter for the optimal transmission of each Emission light spectra and the maximum suppression of scattered Excitation laser light and infrared background due to glass and Gel fluorescence selected. The high selectivity of the transmission profile was created by a combination of absorption and multilayer Interference filtering reached (Schott, Mainz, Germany).
Das Licht wurde gesammelt und durch ein optisches System, welches ein räumlich kontinuierliches und aufrechtes Bild, hohe Auflösung und eine hohe nomerische Apertur (d. h. minimalen Photonenverlust) ergibt, auf die Detektoren fokussiert. Zum Sammeln und Abbilden von Fluoreszenzlicht wurde ein Gradientenindex-Linsenarray (Nippon Sheet Glass Company, Japan) verwendet.The light was collected and through an optical system, which a spatially continuous and upright image, high resolution and high monomeric aperture (i.e. minimal photon loss) to which Detectors focused. For collecting and imaging fluorescent light a gradient index lens array (Nippon Sheet Glass Company, Japan) used.
Die Detektion des Fluoreszenzlichts erfolgte mittels vier übereinander gestapelten Detektorarrays (Hamamatsu Photonics, Japan), auf die durch ein jeweiliges Gradientenindexlinsenarray das Fluoreszenzlicht abgebildet wurde (vgl. die obigen Ausführungen zum Ausführungsbeispiel der Elektrophorese-Einrichtung).The fluorescent light was detected by means of four one above the other stacked detector arrays (Hamamatsu Photonics, Japan) on which by a respective gradient index lens array imaged the fluorescent light was (cf. the above statements on the embodiment of Electrophoresis device).
Die Auftrennung der Produkte der Sequenzierreaktionen erfolgte auf 5,0% oder 4,3% Hydrolink Long R 16894 00070 552 001000280000000200012000285911678300040 0002019948391 00004 16775anger denaturierenden Gels (AT Biochem, Malvern, PA, USA) mit 42% Harnstoff. Lauf- und Gelpuffer waren 1,2 × TBE. 100 ml Gellösung wurden durch Zugabe von 84,5 µl N,N,N',N'- Tetramethylethylendiamin (TEMED) und 650 µl 10% Ammoniumperoxodisulfat (APS) Lösung in Wasser polymerisiert. Die Gels waren 0,30 mm dick. Die Temperatur war 45°C. Die Auftrennung erfolgte über eine Strecke von etwa 50 cm unter Verwendung von 60 cm langen und 34 cm breiten Glasplatten. Die Elektrophorese wurde mit einer Leistung von 60 W und einer Anfangsspannung von etwa 1500 V durchgeführt.The products of the sequencing reactions were separated to 5.0% or 4.3% Hydrolink Long R 16894 00070 552 001000280000000200012000285911678300040 0002019948391 00004 16775anger denaturing gels (AT Biochem, Malvern, PA, USA) with 42% urea. Running and gel buffers were 1.2 × TBE. 100 ml of gel solution was added by adding 84.5 µl of N, N, N ', N'- Tetramethylethylenediamine (TEMED) and 650 µl 10% Ammonium peroxodisulfate (APS) solution polymerized in water. The gels were 0.30 mm thick. The temperature was 45 ° C. The separation took place over a distance of about 50 cm using 60 cm long and 34 cm wide glass plates. The electrophoresis was performed with a performance of 60 W and an initial voltage of about 1500 V.
Die Sequenzen aller vier unterschiedlich markierten Reaktionsprodukte mit einer einzigen Gelbahn wurden online detektiert und in einem Computer aufgezeichnet. Die Auswertung erfolgte automatisch nach Ende des Laufs unter Verwendung der Software-Pakete Lanetracker und Geneskipper (EMBL, Schwager et al.).The sequences of all four differently labeled reaction products with A single gel lane was detected online and in a computer recorded. The evaluation took place automatically after the end of the run using the software packages Lanetracker and Geneskipper (EMBL, Schwager et al.).
Zur Handhabung der großen Anzahl von Proben und der gleichzeitigen Beladung der 120 Spuren eines Gels wurden Kämme aus porösem Filtermaterial und ein Robotsystem (Beckman Biomek 2000) eingesetzt. Dieses Verfahren ist im einzelnen bei Erfle et al. (Nucleic Acids Res. 25 (1997), 2229-2230) beschrieben und beinhaltet das Beladen der Vertiefungen eines Polyacryl (Plexiglas)-Blocks mit der Probensuspension durch einen Pipettierroboter. Durch Eintauchen der Zähne des Kamms in die Taschen des Plexiglasblocks absorbiert das poröse Material die Probenflüssigkeit durch Kapillarwirkung. Der die Proben enthaltende Kamm wird dann zwischen den Glasplatten direkt oberhalb des geraden Rands des polymerisierten Gels eingesetzt. Bei Anlegen des elektrischen Felds werden die Proben aus dem Kamm und in das Gel gezogen.For handling the large number of samples and the simultaneous Loading the 120 traces of a gel were made of porous combs Filter material and a robot system (Beckman Biomek 2000) are used. This method is described in detail by Erfle et al. (Nucleic Acids Res. 25 (1997), 2229-2230) and includes loading the Wells of a polyacrylic (plexiglass) block with the sample suspension by a pipetting robot. By immersing the teeth of the comb in the Plexiglas block pockets absorbs the porous material Sample liquid by capillary action. The comb containing the samples is then placed between the glass plates just above the straight edge of the polymerized gel used. When applying the electric field the samples are pulled out of the comb and into the gel.
Jeweils 0,6 µl der Sequenzierproben wurden mit dieser Technik auf den Kamm geladen. Zusätzlich wurden als Kontrolle vier Standard- Sequenzierungsreaktionen (4-4-4) und zwei Duplex- Sequenzierungsreaktionen (4-2-2) in separaten Reaktionsgefäßen durchgeführt, vorgemischt und auf den Kamm geladen oder ohne Vormischen aller vier Reaktionen separat auf dieselben Zähne des Kamms geladen. Dabei wurden identische Ergebnisse wie bei den zuvor beschriebenen Protokollen erhalten.In each case 0.6 µl of the sequencing samples were applied to the Comb loaded. In addition, four standard Sequencing reactions (4-4-4) and two duplex Sequencing reactions (4-2-2) in separate reaction tubes performed, premixed and loaded onto the comb or without Premix all four reactions separately on the same teeth on the comb loaded. The results were identical to those of the previous ones receive the protocols described.
Das Fluoreszenz-Quadruplex-Sequenzierverfahren erlaubt die Anwendung unterschiedlicher Strategien. So wurden vier verschiedenen Matrizen in einem Reaktionsgefäß unter Verwendung vier unterschiedlich markierter Primer (4-4-1), zwei verschiedene Matrizen mit einer Tandem-Duplex- Sequenzreaktion in zwei Richtungen und vier verschieden markierten Primern in einem Gefäß (4-2-1) sowie Sequenzlücken-Auffüllungsreaktionen unter Verwendung von vier "Walking-Primern" zum gleichzeitigen Schließen von vier Lücken auf derselben Matrize in einem Gefäß (4-1-1) erfolgreich durchgeführt.The fluorescence quadruplex sequencing method allows the application different strategies. So four different matrices were in a reaction vessel using four differently labeled Primer (4-4-1), two different matrices with a tandem duplex Sequence reaction in two directions and four differently marked Primers in a vessel (4-2-1) and sequence gap filling reactions using four "walking primers" for simultaneous closure of four gaps on the same template in a vessel (4-1-1) successfully carried out.
Bei einer Auflösung von 1000 Basen pro Strang konnten durch die beschriebenen Techniken etwa 4000 Basen pro Sequenzierungsreaktion bestimmt werden. Dies bedeutet, daß 120 Sequenzierungsreaktionen auf einem einzigen Gel aufgetrennt werden können, wodurch 120 kb Information pro Gel erhalten werden.With a resolution of 1000 bases per strand, the techniques described about 4000 bases per sequencing reaction be determined. This means that there are 120 sequencing reactions can be separated into a single gel, making 120 kb Information can be obtained per gel.
Die Anregung der Fluoreszenzfarbstoffe und das Sammeln von Emissionslicht erfolgte dabei kontinuierlich über die Breite des Gels und kontinuierlich über die gesamte Laufdauer. Jeder Farbstoff konnte selektiv angeregt und detektiert werden. Die Genauigkeit und die lesbare Sequenzlänge zeigten keinen Unterschied gegenüber Standard- Sequenzierungsreaktionen. The excitation of fluorescent dyes and the collection of Emission light occurred continuously across the width of the gel and continuously over the entire duration. Any dye could be selective be excited and detected. The accuracy and readable Sequence length showed no difference compared to standard Sequencing reactions.
Das mittels der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung durchführbare Fluoreszenz-Quadruplex-Sequenzierverfahren ist auch für innere Markierungen oder Farbstoff-markierte Terminatoren geeignet.That by means of the electrophoresis device according to the invention feasible fluorescence quadruplex sequencing is also available for inner markings or dye-marked terminators are suitable.
Mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Protokoll wurden gleichzeitig 192 Sequenzierungsreaktionen (d. h. 48 Sequenzierungsreaktionen an jeweils unabhängigen Klonen) auf einem einzigen Gel aufgetrennt. Dabei konnten 155 kb oder mehr Informationen pro Gel erhalten werden.With the protocol described in Example 1, 192 Sequencing reactions (i.e. 48 sequencing reactions on each independent cloning) on a single gel. Could 155 kb or more information can be obtained per gel.
Der in Beispiel 1 verwendete Farbstoff FITC wurde durch 5-Carboxy- Rhodamin 6 G ersetzt. Statt des Argon-Lasers wurde ein Neodym-YAG-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 532 nm und einer Leistung von 5 bis 10 mW eingesetzt. Auch hier war eine selektive Anregung und selektive Detektion von vier Farbstoffen auf einer Gelbahn möglich.The dye FITC used in Example 1 was modified by 5-carboxy Rhodamine 6 G replaced. Instead of the argon laser, a neodymium-YAG laser was used with an emission wavelength of 532 nm and a power of 5 to 10 mW used. Again, there was a selective suggestion and selective Detection of four dyes possible on a gel sheet.
Zusätzlich zu der in Beispiel 3 beschriebenen Farbstoffkombination wurde der Farbstoff CY 2 verwendet. Als Anregungslichtquelle diente ein Neodym- YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 473 nm und einer Leistung von 5 bis 10 mW.In addition to the dye combination described in Example 3 the dye CY 2 used. A neodymium YAG laser with a wavelength of 473 nm and a power of 5 to 10 mW.
Es wurde gefunden, daß eine selektive Anregung und selektive Detektion auch bei gleichzeitiger Verwendung von fünf Fluoreszenzfarbstoffen auf einer Gelbahn möglich ist.It has been found that selective excitation and selective detection even when using five fluorescent dyes at the same time a gel track is possible.
Im folgenden wird die Erfindung hinsichtlich weiterer Aspekte auf Grundlage von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In the following the invention is based on further aspects of exemplary embodiments explained in more detail.
Zum Temperieren des Gels kann eine erfindungsgemäße Elektrophorese- Einrichtung eine thermostatisierbare Platte von der Art aufweisen, wie sie als Beispiel in Fig. 6 gezeigt ist. Die Fig. 6 entspricht der Fig. 1 der schon in Bezug genommenen DE 30 46 729 C2. Die thermostatisierbare Platte 16b besteht aus einer unteren Glasplatte 112 und einer oberen Glasplatte 214, die parallel übereinander angeordet sind und von einem mehrteiligen Abstandsstreifen 216 in definiertem Abstand voneinander gehalten werden. Die beiden Glasplatten 212 und 214 haben vorzugsweise den gleichen Umriß, können jedoch unterschiedliche Dicken aufweisen, beispielsweise 3 mm für die untere Glasplatte 212 und 1,5 mm für die obere Glasplatte 214, die mit der Gelschicht in Berührung steht. Die außenliegende Oberseite der oberen Glasplatte 214 kann vorbehandelt sein, um gelabstoßend ausgebildet zu sein und so das Ablösen der an der Oberseite zur Anlage kommende Gelschicht zu erleichtern. Die beiden Glasplatten bestehen ebenso wie der mehrteilige Abstandsstreifen 216 aus Spiegel-Glas oder Floated-Glas, um eine hohe Planizität zu gewährleisten.To temper the gel, an electrophoresis device according to the invention can have a thermostattable plate of the type shown in FIG. 6 as an example. FIG. 6 corresponds to FIG. 1 of DE 30 46 729 C2 already referred to. The thermostattable plate 16 b consists of a lower glass plate 112 and an upper glass plate 214 , which are arranged in parallel one above the other and are held at a defined distance from each other by a multi-part spacer strip 216 . The two glass plates 212 and 214 preferably have the same outline, but can have different thicknesses, for example 3 mm for the lower glass plate 212 and 1.5 mm for the upper glass plate 214 which is in contact with the gel layer. The outer upper side of the upper glass plate 214 can be pretreated in order to be gel-repellent and thus to facilitate the detachment of the gel layer coming into contact with the upper side. The two glass plates, like the multi-part spacer strip 216, are made of mirror glass or floated glass in order to ensure high planicity.
Der Abstandsstreifen 216 läuft entlang des rechteckigen Umrisses der Glasplatten 212 und 214. Er besteht aus zwei in Fig. 1 von oben nach unten verlaufenden sechs Abschnitten, von denen der linke mit 220 und der rechte mit 222 bezeichnet ist, sowie aus zwei deren Enden verbindenden Querabschnitten 224 und 226.The spacer strip 216 runs along the rectangular outline of the glass plates 212 and 214 . It consists of two six sections running from top to bottom in FIG. 1, of which the left one is designated 220 and the right one is designated 222 , and two cross sections 224 and 226 connecting the ends thereof.
Der Abstandsstreifen 216 ist in sich geschlossen und schließt daher einen Innenraum 228 zwischen den Glasplatten 212 und 214 ein. Um durch den Innenraum 218 Wärmeaustauschermittel, z. B. über eine gesonderte Thermostatheizung erwärmtes Wasser bzw. von der Wärmebad- und Pumpenanordnung 28, 30 (Fig. 1) stammendes Wasser, leiten zu können, sind zwei Anschlüsse vorgesehen, ein Zulaufanschluß 230 und ein Ablaufanschluß 232. Die Zulaufanschlüsse sind mittels des zum Einkleben verwendeten Klebstoffs dicht in den Abstandsstreifen 216 integriert. The spacer strip 216 is self-contained and therefore includes an interior 228 between the glass plates 212 and 214 . To through the interior 218 heat exchanger means, for. B. via a separate thermostat heating water or from the heating bath and pump arrangement 28 , 30 ( FIG. 1) water, two connections are provided, an inlet connection 230 and an outlet connection 232 . The supply connections are integrated by means of the adhesive used for gluing tightly into the spacer strips 216th
Im Innenraum 228 sind mehrere Leitstreifen 240 eingesetzt, um einen mäanderförmigen (zickzackförmigen oder schlangenförmigen) Durchflußweg 238 für das Wärmeaustauschermedium zu erreichen. Zwischen den Leitstreifen 240 verläuft die Strömungsrichtung C des Wärmeaustauschermittels bevorzugt senkrecht zur Molekülausbreitungsrichtung M, die in der Darstellung der Fig. 6 in Abweichung von der Darstellung in Fig. 1 von unten nach oben verläuft. Die thermostatisierbare Platte kann für den Einsatz bei der Elektrophorese für eine Auftrennung in vertikaler Richtung von oben nach unten nach Wunsch ausgerichtet angeordnet werden. Die Leitstreifen 240 können aus Glas oder - alternativ - aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer, bestehen. Durch letzteres kann die Temperaturkonstanz in Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung M verbessert werden.A plurality of guide strips 240 are used in the interior 228 in order to achieve a meandering (zigzag-shaped or serpentine) flow path 238 for the heat exchange medium. Between the guide strips 240 , the flow direction C of the heat exchanger means preferably runs perpendicular to the molecular propagation direction M, which in the illustration in FIG. 6 runs from bottom to top in deviation from the illustration in FIG. 1. The thermostattable plate can be arranged for use in electrophoresis for vertical separation from top to bottom as desired. The conductive strips 240 can be made of glass or - alternatively - made of a good heat-conducting material, e.g. B. copper exist. The latter can improve the temperature constancy in the transverse direction to the molecular propagation direction M.
Eine modifizierte Ausführungsform der thermostatisierbaren Platte ist in Fig. 18 gezeigt. Die hier gezeigte thermostatisierbare Platte 16c weist in Querrichtung durchgehende Leitstreifen 240' auf, die den Innenraum 228' in sieben voneinander getrennte Durchflußbereiche 239' unterteilen. Zusätzlich zu den Anschlüssen 230' und 232' sind weitere Anschlüsse 234' vorgesehen, so daß jeder Durchflußbereich 239' einen Zulaufanschluß und einen Ablaufanschluß aufweist. Entlang der Molekülausbreitungsrichtung M unmittelbar aufeinanderfolgende Anschlüsse können paarweise miteinander verbunden werden, um einen mäanderförmigen Durchlauf des Wärmeaustauschermittels durch die Platte wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zu erreichen. Alternativ kann man jedem Durchflußbereich 239' Wärmeaustauschermedium mit unterschiedlich eingestellter Temperatur zuführen, um einen Temperaturgradienten in der Thermostatisierplatte 16c entlang der Molekülausbreitungsrichtung M einzustellen. So kann beispielsweise ein rechts der Platte 16c schematisch angedeutetes Temperaturprofil T eingestellt werden, nach dem die Temperatur der Platte und damit der angrenzenden Gelschicht in Molekülausbreitungsrichtung M ansteigt, während in Querrichtung im wesentlichen konstante Temperatur herrscht. Es kann sich um ein linear oder auch parabelförmig ansteigendes Temperaturprofil handeln. Bei 60 cm langen Platten hat sich ein Temperaturanstieg über einige Grad, beispielsweise 2 bis 10°, längs der Platte in Molekülausbreitungsrichtung als vorteilhaft herausgestellt, um über eine Beeinflussung der Viskosität des Gels eine Art Fokussierungseffekt für die sich in Molekülausbreitungsrichtung M bewegenden Banden zu erreichen. Dieser Fokussierungseffekt basiert darauf, daß sich die vorderen Flanken der Banden von einem Bereich höherer Mobilität in einen Bereich niedrigerer Mobilität bewegen. Durch diese Fokussierung wird zumindest in einem gewissen Ausmaß die naturgemäß bei der Elektrophorese auftretende Bandendiffussion kompensiert, und es lassen sich höhere Auflösungen und längere Sequenzleselängen erreichen.A modified embodiment of the thermostattable plate is shown in FIG. 18. The thermostattable plate 16 c shown here has transverse guide strips 240 'which divide the interior 228 ' into seven separate flow areas 239 '. In addition to the connections 230 'and 232 ', further connections 234 'are provided, so that each flow area 239 ' has an inlet connection and an outlet connection. Connections immediately following one another along the direction of molecular propagation M can be connected to one another in pairs in order to achieve a meandering passage of the heat exchanger means through the plate, as in the embodiment of FIG. 6. Alternatively, each flow area 239 'can be supplied with heat exchange medium with a differently set temperature in order to set a temperature gradient in the thermostating plate 16 c along the molecular propagation direction M. For example, a temperature profile T, indicated schematically on the right of the plate 16 c, can be set, according to which the temperature of the plate and thus the adjacent gel layer increases in the direction of molecular propagation M, while the temperature in the transverse direction is essentially constant. It can be a temperature profile that increases linearly or also parabolically. In the case of 60 cm long plates, a temperature rise over a few degrees, for example 2 to 10 °, along the plate in the direction of molecular propagation has proven to be advantageous in order to achieve a kind of focusing effect for the bands moving in the direction of molecular propagation M by influencing the viscosity of the gel. This focusing effect is based on the front flanks of the bands moving from a higher mobility area to a lower mobility area. This focusing compensates at least to a certain extent for the band diffusion that naturally occurs in electrophoresis, and higher resolutions and longer sequence reading lengths can be achieved.
Die thermostatisierbare Platte ermöglicht die Einstellung verschiedenster Temperaturprofile, beispielsweise auch ein Temperaturprofil mit in Molekülausbreitungsrichtung zunehmender Temperatur. Ferner kann es vorteilhaft sein, in einem Anfangsbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen eine lokal erhöhte Temperatur vorzusehen, um damit stärker denaturierende Bedingungen für die DNA zu schaffen.The thermostattable plate enables a wide variety of settings Temperature profiles, for example a temperature profile with in Molecular direction of propagation of increasing temperature. Furthermore, it can be advantageous in an initial area of the gel electrophoresis lanes to provide a locally elevated temperature in order to make it more denaturing To create conditions for DNA.
Die Detektion der Banden mittels wenigstens eines Laserstrahls kann dadurch unterstützt werden, daß im vom Laserstrahl geschnittenen Bereich des Gels eine Temperaturüberhöhung, also eine lokal höhere Temperatur, eingestellt wird. Dies führt zu einer gezielten Verbreiterung der Banden und Erhöhung des Bandenabstands, was eine bessere Detektierbarkeit der Banden ergibt.The detection of the bands by means of at least one laser beam can are supported in that in the area cut by the laser beam of the gel a temperature increase, i.e. a locally higher temperature, is set. This leads to a targeted broadening of the bands and Increase in the bandgap, which means better detectability of the Gangs results.
Es wurde gefunden, daß sich ein die Fokussierung bewirkender Temperaturgradient in Molekülausbreitungsrichtung auch auf andere Weise unter Einsatz einer thermostatisierbaren Platte wie in Fig. 6 gezeigt, erreichen läßt auf Grundlage einer speziellen Betriebsweise für die thermostatisierbare Platte. Nach dieser Betriebsweise wird die vertikal in einem Gehäuse angeordnete thermostatisierbare Platte zuerst mittels des Wärmeaustauschermittelkreislaufs auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise 45°C erwärmt, um denaturierende Bedingungen im Gel zu schaffen und das Gel gleichmäßig zu erwärmen, um die Voraussetzungen für einen gleichmäßige und parallele Migration der zu analysierenden Moleküle im Gel zu schaffen. Anschließend wird der Wärmetauschermittelkreislauf durch die thermostatisierbare Platte unterbrochen, beispielsweise durch Abkopplung der Platte vom Wasserbad. Hierdurch wird zum einen erreicht, daß durch Druckschwankungen des Wärmeaustauschermittels induzierte Vibrationen der Thermostatisierplatte eliminiert werden, die zu Nichtplanaritäten der Thermostatisierplatte führen und damit über eine Modifikation der Laserstrahlführung im Gel, insbesondere zusätzliche Reflexionen des jeweiligen Laserstrahls an dem Glas der Thermostatisierplatte, eine Erhöhung des Hintergrund- Strahlungsuntergrunds (zusätzliches Streulicht oder/und zusätzliches Fluoreszenzlicht aufgrund einer Eigenfluoreszenz des Glases) bewirkt, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verschlechtert wird und damit die Sequenzleselänge begrenzt wird. Ferner stellt sich aufgrund eines Wärmeaustausches mit der Umgebung der thermostatisierbaren Platte im umgebenden Gehäuse der Elektrophorese-Einrichtung (in Fig. 1 nicht dargestellt), speziell der Umgebungsatmosphäre, sowie ggf. aufgrund einer Konvektion der umgebenden Atmosphäre oder/und des Wärmeaustauschermediums in der Platte ein Temperaturgradient in Molekülausbreitungsrichtung M ein, wobei sich eine höhere Temperatur am oberen Ende des Gels, also am Anfang der Gel-Elektrophorese-Bahnen und eine niedrigere Temperatur am unteren Ende des Gels, also am Ende der Gel-Elektrophorese-Bahnen, sich einstellt. Trotz der Unterbrechung des Wärmeaustauschermediumkreislaufs wird das allgemeine Temperaturniveau, vom Temperaturgradienten abgesehen, zumindest in einem gewissen Ausmaß aufrechterhalten aufgrund der während der Elektrophorese im Gel sich entwickelten Joule'schen Wärme, so daß die denaturierenden Bedingungen im Gel aufrechterhalten bleiben. Auf diese Weise kann auch unter Einsatz einer thermostatisierbaren Platte wie in Fig. 6 gezeigt, ein um einige Grad in Molekülausbreitungsrichtung abfallendes Temperaturprofil erreicht werden, um den erläuterten Fokussierungseffekt zu erreichen.It has been found that a focusing temperature gradient in the molecular propagation direction can also be achieved in other ways using a thermostatted plate as shown in Fig. 6, based on a special mode of operation for the thermostatted plate. According to this mode of operation, the thermostattable plate, which is arranged vertically in a housing, is first heated to a predetermined temperature, for example 45 ° C., by means of the heat exchanger medium circuit in order to create denaturing conditions in the gel and to heat the gel uniformly in order to meet the requirements for a uniform and parallel migration of the molecules to be analyzed in the gel. The heat exchanger medium circuit is then interrupted by the thermostattable plate, for example by decoupling the plate from the water bath. In this way, on the one hand it is achieved that vibrations of the thermostat plate induced by pressure fluctuations of the heat exchanger means are eliminated, which lead to non-planarities of the thermostat plate and thus via a modification of the laser beam guidance in the gel, in particular additional reflections of the respective laser beam on the glass of the thermostat plate, an increase in the background - Radiation background (additional scattered light and / or additional fluorescent light due to an inherent fluorescence of the glass) causes, whereby the signal-to-noise ratio is deteriorated and thus the sequence reading length is limited. Furthermore, due to heat exchange with the surroundings of the thermostattable plate in the surrounding housing of the electrophoresis device (not shown in FIG. 1), especially the ambient atmosphere, and possibly due to convection of the surrounding atmosphere and / or the heat exchange medium in the plate Temperature gradient in the molecular propagation direction M, whereby a higher temperature occurs at the upper end of the gel, i.e. at the beginning of the gel electrophoresis webs, and a lower temperature at the lower end of the gel, i.e. at the end of the gel electrophoresis webs. Despite the interruption of the heat exchange medium circuit, the general temperature level, apart from the temperature gradient, is maintained at least to some extent due to the Joule heat developed in the gel during electrophoresis, so that the denaturing conditions are maintained in the gel. In this way, even with the use of a thermostattable plate as shown in FIG. 6, a temperature profile which drops by a few degrees in the direction of molecular propagation can be achieved in order to achieve the focusing effect explained.
Durch entsprechende Anordnung der Thermostatisierplatte und ggf. zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen können auch andere Temperaturprofile, ggf. mit einer lokalen Temperaturüberhöhung in wenigstens einem Gel-Querbereich, erreicht werden.By arranging the thermostat plate accordingly and if necessary additional shielding measures can also be used by others Temperature profiles, possibly with a local temperature increase in at least one cross-gel area can be achieved.
Eine Art Fokussierungseffekt kann auch auf Grundlage eines Temperaturprofils mit einem Temperaturgradienten in einer einer Dicke der Gelschicht entsprechenden Richtung erhalten werden. Auf Grundlage der im Gel bei der Elektrophorese entstehenden Joule'schen Wärme sowie beispielsweise zweier thermostatisierbaren Platten 16d1 und 16d2, zwischen denen die Gelschicht 12d angeordnet ist (vgl. Fig. 19a), kann ein Temperaturgradient in der genannten Richtung eingestellt werden entsprechend einem Temperaturprofil, bei dem die Temperatur in der Mitte des Gels maximal ist und zu den thermostatisierbaren Platten hin abnimmt. Ein entsprechendes Temperaturprofil ist als Beispiel in Fig. 19b gezeigt. Da die migrierenden Moleküle sich in einem Bereich höherer Mobilität, also geringerer Viskosität konzentrieren, kommt es zu einer Ansammlung der Moleküle gleichen Molekulargewichts (gleicher Fragmentlänge) in einem mittleren Bereich der Gelschicht, wodurch störende Effekte an der Grenzschicht zwischen benachbarten Glasplatten und dem Gel vermindert werden. Hierdurch wird ebenfalls ein Fokussierungseffekt im Bezug auf die migrierenden Banden erreicht. Man kann einen Temperaturgradient sowohl in Molekülausbreitungsrichtung M als auch in der der Geldicke zugeordneten Richtung vorsehen. Alternativ kann man einen Temperaturgradienten nur in Molekülausbreitungsrichtung M oder nur in der der Geldicke zugeordneten Richtung vorsehen. A kind of focusing effect can also be obtained on the basis of a temperature profile with a temperature gradient in a direction corresponding to a thickness of the gel layer. On the basis of the Joule heat generated in the gel during electrophoresis and, for example, two thermostattable plates 16 d1 and 16 d2, between which the gel layer 12 d is arranged (cf. FIG. 19a), a temperature gradient in the direction mentioned can be set accordingly a temperature profile at which the temperature in the middle of the gel is at a maximum and decreases towards the thermostattable plates. A corresponding temperature profile is shown as an example in FIG. 19b. Since the migrating molecules concentrate in an area of higher mobility, i.e. lower viscosity, there is an accumulation of molecules of the same molecular weight (same fragment length) in a central area of the gel layer, which reduces disruptive effects at the interface between adjacent glass plates and the gel . This also has a focusing effect on the migrating bands. A temperature gradient can be provided both in the direction of molecular propagation M and in the direction associated with the gel thickness. Alternatively, a temperature gradient can only be provided in the direction of molecular propagation M or only in the direction associated with the gel thickness.
Die Erfindung betrifft eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarker-markierten Molekülen, insbesondere biologischen Molekülen, die nach einem Aspekt der Erfindung dafür geeignet ist, mindestens vier verschiedene Fluoreszenzmarker unabhängig voneinander mittels eines jeweils zugeordneten Detektorfeldes nach der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn und dem jeweiligen Fluoreszenzmarker aufgelöst zu detektieren. Hierzu sind Spektralfilter hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, die Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität und die Wellenlängen der zur Anregung der Fluoreszenzmarker eingesetzten Laserstrahlen in entsprechender Weise aufeinander abgestimmt.The invention relates to an electrophoresis device for analyzing Fluorescence marker-labeled molecules, especially biological ones Molecules which, according to one aspect of the invention, are suitable for at least four different fluorescent markers independently of one another by means of an assigned detector field according to the respective gel Electrophoresis web and the respective fluorescent marker resolved to detect. Here are spectral filters with regard to their spectral Selectivity, the fluorescent markers in terms of their spectral absorption and emission selectivity and the wavelengths used to excite the Fluorescence markers used laser beams in a corresponding manner coordinated.
Claims (98)
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen einer
Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten
Fluoreszenzmarkern, von denen wenigstens einige voneinander
verschiedene Absorptions-Wellenlängenbereiche (A) oder/und
voneinander verschiedene Emissions-Wellenlängenbereiche (E)
aufweisen,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zur Gel-Elektrophorese-Bahn- aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung,
wobei die Spektralfilteranordnung (106; 106a, 107) hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, die Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität, und die Wellenlängen der Laserstrahlen derart aufeinander abgestimmt sind, daß unter Einsatz von wenigstens vier Laserstrahlen und von wenigstens vier Detektorfeldern wenigstens vier verschiedene Fluoreszenzmarker unabhängig voneinander mittels eines jeweils zugeordneten Detektorfeldes nach der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn und dem jeweiligen Fluoreszenzmarker aufgelöst detektierbar sind.1. Electrophoresis device ( 10 ) for analyzing fluorescent marker-labeled molecules, in particular biological molecules, comprising:
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, at least some of which have different absorption wavelength ranges (A) and / or different emission wavelength ranges (E),
wherein the laser arrangement in the electrophoresis mode generates laser radiation which cuts at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) as laser beams ( 60 , 62 , 64 , 66 ) which are essentially transverse to the direction of molecular propagation and essentially parallel to one another and offset in the direction of molecular propagation, in order to excite fluorescent markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis path, - a detection arrangement ( 90 ) for gel electrophoresis web-resolved and fluorescence marker-resolved detection of emission radiation emitted by the excited fluorescence markers,
wherein the spectral filter arrangement ( 106 ; 106 a, 107 ) in terms of their spectral selectivity, the fluorescence markers in terms of their spectral absorption and emission selectivity, and the wavelengths of the laser beams are matched to one another such that at least four laser beams and at least four detector fields are used to match at least four different fluorescent markers can be detected independently of one another by means of an assigned detector field according to the respective gel electrophoresis path and the respective fluorescent marker.
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen einer
Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten
Fluoreszenzmarkern, von denen wenigstens einige voneinander
verschiedene Absorptions-Wellenlängenbereiche (A) oder/und
voneinander verschiedene Emissions-Wellenlängenbereiche (E)
aufweisen,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufende Laserstrahlen (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese- Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, wobei wenigstens einige der Laserstrahlen (60, 62, 64, 66) räumlich gegeneinander versetzt sind oder/und in gegeneinander versetzten Zeitfenstern auftreten oder/und wobei wenigstens ein Laserstrahl zur Ermöglichung einer phasenempfindlichen Detektion moduliert ist oder/und wobei wenigstens einige der Laserstrahlen voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zum Gel-Elektrophorese-Bahn-
aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von
von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender
Emissionsstrahlung,
wobei die Erfassungsanordung wenigstens ein sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckendes Detektorfeld (102; 102a) aufweist, das dafür ausgebildet ist, längs einer dem Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung (106, 108; 112a) zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen,
wobei die Spektralfilteranordnung (106; 106a, 107) hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, die Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptions- und Emissionsselektivität, und die Wellenlängen der Laserstrahlen derart aufeinander abgestimmt sind, daß unter Einsatz von wenigstens vier Laserstrahlen wenigstens vier verschiedene Fluoreszenzmarker unabhängig voneinander nach der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn und dem jeweiligen Fluoreszenzmarker aufgelöst detektierbar sind.
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, at least some of which have different absorption wavelength ranges (A) and / or different emission wavelength ranges (E),
wherein the laser arrangement in the electrophoresis mode generates laser radiation which, as laser beams ( 60 , 62 , 64 , 66 ) which run essentially transversely to the molecular propagation direction, cuts at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) in order to detect in a detection area of the respective gel electrophoresis Excite fluorescent markers of the molecules present there, which are assigned to the path, at least some of the laser beams ( 60 , 62 , 64 , 66 ) being spatially offset from one another and / or occurring in mutually offset time windows or / and wherein at least one laser beam is modulated to enable phase-sensitive detection or / and wherein at least some of the laser beams have different wavelengths, - a detection arrangement ( 90 ) for gel electrophoresis web-resolved and fluorescence marker-resolved detection of emission radiation emanating from the excited fluorescence markers,
wherein the detection arrangement has at least one detector field ( 102 ; 102 a) which preferably extends essentially parallel to the laser beams and which is designed to along at least a portion of the in the detection areas along a detection path assigned to the laser beam, preferably essentially parallel to this To detect excitation caused by the respective laser beam, using an assigned spectral filter and radiation guide arrangement ( 106 , 108 ; 112 a), to detect emission radiation guided to the detector field in a spatially resolved manner,
wherein the spectral filter arrangement ( 106 ; 106 a, 107 ) in terms of their spectral selectivity, the fluorescent markers in terms of their spectral absorption and emission selectivity, and the wavelengths of the laser beams are matched to one another in such a way that at least four different fluorescent markers can be used independently of one another using at least four laser beams the respective gel electrophoresis path and the respective fluorescent marker can be detected in a resolved manner.
- a) die Laserstrahl-Wellenlänge liegt auf einer spektralen Seite eines Absorptionsspektrums (A) des anderen Fluoreszenzmarkers jenseits einer von einem Absorptionsmaximum zur Laserstrahl-Wellenlänge hin bis wenigstens auf eine Restabsorptionsamplitude, die einer höchstens geringen Restabsorption entspricht, abfallenden Flanke des Absorptionsspektrums,
- b) der Durchlaß-Wellenlängenbereich liegt auf einer spektralen Seite eines Emissionsspektrums (E) des anderen Fluoreszenzmarkers jenseits einer von einem Emissionsmaximum zum Durchlaß-Wellenlängenbereich hin bis auf wenigstens eine Restemissionsamplitude, die einer höchstens geringen Restemission entspricht, abfallenden Flanke des Emissionsspektrums.
- a) the laser beam wavelength lies on a spectral side of an absorption spectrum (A) of the other fluorescence marker beyond a slope of the absorption spectrum falling from an absorption maximum to the laser beam wavelength down to at least a residual absorption amplitude which corresponds to an at most minimal residual absorption,
- b) the transmission wavelength range lies on a spectral side of an emission spectrum (E) of the other fluorescent marker beyond a flank of the emission spectrum falling from an emission maximum to the transmission wavelength range down to at least one residual emission amplitude, which corresponds to a minimal residual emission.
Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Alexa 532, Tetramethyl-Rhodamin- Iso-Thio-Cyanat (TRITC), Indodicarbocyanin CY 3, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 und IRD 800.20. Device according to one of claims 1 to 19, characterized in that at least three, preferably at least four, most preferably at least five markers of the following fluorescent markers are simultaneously resolved fluorescent markers and gel electrophoresis web-resolved are detectable:
Indodicarbocyanin CY 2, Alexa 488, Fluorescein-Iso-Thio-Cyanate (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Alexa 532, Tetramethyl-Rhodamine-Iso-Thio-Cyanate (TRITC), Indodicarbocyanin CY 3, Sulforhodamine 101 (TexasRed ™ ), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5, IRD 700, Indodicarbocyanin CY 7, IRD 40 and IRD 800.
Indodicarbocyanin CY 2, 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800
oder wenigstens die vier Marker
Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), Sulforhodamin 101 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800
oder wenigstens die vier Marker
Indodicarbocyanin CY 2, 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Indodicarbocyanin CY 5 und IRD 800
oder wenigstens die drei Marker
Fluoreszein-Iso-Thio-Cyanat (FITC), Indodicarbocyanin CY 5 und IRD 800
gleichzeitig Fluoreszmarker-aufgelöst und Gel-Elektrophorese-Bahn aufgelöst detektierbar sind.21. The device according to claim 20, characterized in that at least the five markers
Indodicarbocyanin CY 2, 5-carboxy-Rhodamine 6G, Sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5.5 and IRD 800
or at least the four markers
Fluorescein iso-thio-cyanate (FITC), Sulforhodamine 101 (TexasRed ™), Indodicarbocyanin CY 5.5 and IRD 800
or at least the four markers
Indodicarbocyanin CY 2, 5-carboxy-Rhodamine 6G, Indodicarbocyanin CY 5 and IRD 800
or at least the three markers
Fluorescein iso-thio-cyanate (FITC), indodicarbocyanine CY 5 and IRD 800
fluorescent marker-resolved and gel electrophoresis web resolved can be detected simultaneously.
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen von den
Molekülen zugeordneten Fluoreszenzmarkern,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zum Erfassen von von den
angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender
Emissionsstrahlung,
wobei die Erfassungsanordung wenigstens ein sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu dem wenigstens einen Laserstrahl erstreckendes Detektorfeld (102; 102a) aufweist, das dafür ausgebildet ist, längs einer dem Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Laserstrahlanregung entstehenden, über eine zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung (106, 108; 112a) zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen,
wobei die Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung die von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehende Emissionsstrahlung auf Empfangsoberflächen oder Empfangsoberflächenabschnitte (104a) des Detektorfeldes (102a) umlenkt, die zur Molekülausbreitungsrichtung (M) zumindest näherungsweise orthogonal angeordnet sind.
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting fluorescent markers assigned to the molecules,
the laser arrangement in the electrophoresis mode generating laser radiation which, as at least one laser beam ( 60 , 62 , 64 , 66 ) running essentially transversely to the molecular propagation direction, cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to detect in a detection area of the respective gel electrophoresis track to excite assigned fluorescent markers of the molecules present there, - a detection arrangement ( 90 ) for detecting emission radiation emanating from the excited fluorescent markers,
wherein the detection arrangement has at least one detector field ( 102 ; 102 a) which preferably extends essentially parallel to the at least one laser beam and is designed for this purpose along at least part of the in the detection areas along a detection path assigned to the laser beam, preferably essentially parallel to it to detect emission radiation that is caused by the laser beam excitation and is spatially resolved via an assigned spectral filter and radiation guide arrangement ( 106 , 108 ; 112 a),
the spectral filter and radiation guide arrangement deflecting the emission radiation emitted by the excited fluorescent markers onto receiving surfaces or receiving surface sections ( 104 a) of the detector field ( 102 a), which are arranged at least approximately orthogonally to the direction of molecular propagation (M).
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen,
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen einer
Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten
Fluoreszenzmarkern,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen (60, 62, 64, 66) unterschiedlicher Wellenlänge wenigstens mehrere der Gel- Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zum Gel-Elektrophorese-Bahn
aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von
von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender
Emissionsstrahlung,
wobei die Erfassungsanordung eine Mehrzahl von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten und sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckenden Detektorfeldern (102; 10a) aufweist, die jeweils einem bestimmten der Laserstrahlen zugeordnet sind und dafür ausgebildet sind, längs einer dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine jeweils zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung (106, 108; 112a) zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen,
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks,
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules,
wherein the laser arrangement in the electrophoresis mode generates laser radiation which, as laser beams ( 60 , 62 , 64 , 66 ) of different wavelengths which run essentially transversely to the direction of molecular propagation and essentially parallel to one another and are offset with respect to one another in the direction of molecular propagation, has at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) cuts in order to excite fluorescent markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis path, - a detection arrangement ( 90 ) for the gel electrophoresis web-resolved and fluorescence marker-resolved detection of emission radiation emanating from the excited fluorescence markers,
wherein the detection arrangement comprises a plurality of detector fields ( 102 ; 10 a) which are offset from one another in the molecular propagation direction and preferably extend essentially parallel to the laser beams, each of which is assigned to a specific one of the laser beams and is designed for this purpose, preferably along a respective one of the laser beams to detect at least a part of the essentially parallel detection section of the emission radiation which is generated in the detection areas due to the excitation by the respective laser beam and which is guided to the detector field via an associated spectral filter and radiation guide arrangement ( 106 , 108 ; 112 a),
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen einer
Mehrzahl von verschiedenen, den Molekülen zugeordneten
Fluoreszenzmarkern,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung und im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen (60, 62, 64, 66) unterschiedlicher Wellenlänge wenigstens mehrere der Gel- Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zum Gel-Elektrophorese-Bahn
aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von
von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender
Emissionsstrahlung,
wobei die Erfassungsanordung eine Mehrzahl von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten und sich vorzugsweise im wesentlichen parallel zu den Laserstrahlen erstreckenden Detektorfeldern (102; 102a) aufweist, die jeweils einem bestimmten der Laserstrahlen zugeordnet sind und dafür ausgebildet sind, längs einer dem jeweiligen Laserstrahl zugeordneten, vorzugsweise zu diesem im wesentlichen parallelen Detektionsstrecke wenigstens einen Teil der in den Detektionsbereichen aufgrund der Anregung durch den jeweiligen Laserstrahl entstehenden, über eine jeweils zugeordnete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung (106, 108; 112a) zum Detektorfeld geführten Emissionsstrahlung ortsaufgelöst zu erfassen,
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules,
wherein the laser arrangement in the electrophoresis mode generates laser radiation which, as laser beams ( 60 , 62 , 64 , 66 ) of different wavelengths which run essentially transversely to the direction of molecular propagation and essentially parallel to one another and are offset with respect to one another in the direction of molecular propagation, has at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) cuts in order to excite fluorescent markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis path, - a detection arrangement ( 90 ) for the gel electrophoresis web-resolved and fluorescence marker-resolved detection of emission radiation emanating from the excited fluorescence markers,
wherein the detection arrangement comprises a plurality of detector fields ( 102 ; 102a ) which are offset from one another in the direction of molecular propagation and preferably extend essentially parallel to the laser beams, each of which is assigned to a specific one of the laser beams and is designed for this purpose, preferably along one associated with the respective laser beam to detect at least a part of the essentially parallel detection section of the emission radiation which is generated in the detection areas due to the excitation by the respective laser beam and which is guided to the detector field via an associated spectral filter and radiation guide arrangement ( 106 , 108 ; 112 a),
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - eine Laseranordnung (50, 52, 54, 56) zum Anregen einer
Mehrzahl von den Molekülen zugeordneten
Fluoreszenzmarkern,
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel-Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen, - - eine Erfassungsanordnung (90) zum Gel-Elektrophorese-Bahn aufgelösten und Fluoreszenzmarker-aufgelösten Erfassen von von den angeregten Fluoreszenzmarkern ausgehender Emissionsstrahlung,
wobei die Laseranordnung wenigstens einen Laser aufweist, dessen Laserstrahl in eine optische Faser, vorzugsweise Monomodefaser, eingekoppelt wird, um den Laserstrahl zu den Gel-Elektrophorese- Bahnen zu führen oder/und den Laserstrahl zu konditionieren, oder/und
wobei die Laseranordnung wenigstens einen Laser aufweist, dessen Laserstrahl durch wenigstens ein optisches Element zur Konditionierung, ggf. räumlichen Filterung, des Laserstrahls geführt wird.73. Electrophoresis device ( 10 ), optionally according to one of claims 64 to 72, for analyzing molecules marked with fluorescent markers, in particular biological molecules, comprising:
- a plurality of gel electrophoresis tracks ( 12 ) which run essentially parallel to one another and along a molecular propagation direction (M),
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
- a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) for exciting a plurality of fluorescence markers assigned to the molecules,
the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which, as at least one laser beam ( 60 , 62 , 64 , 66 ) running essentially transversely to the molecular propagation direction, cuts at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) in order to detect in a detection area of the respective gel To excite fluorescent markers of the molecules present there, assigned to the electrophoresis path, - a detection arrangement ( 90 ) for the gel electrophoresis web-resolved and fluorescence marker-resolved detection of emission radiation emanating from the excited fluorescence markers,
wherein the laser arrangement has at least one laser, the laser beam of which is coupled into an optical fiber, preferably a single-mode fiber, in order to guide the laser beam to the gel electrophoresis tracks and / or to condition the laser beam, or / and
wherein the laser arrangement has at least one laser, the laser beam of which is guided through at least one optical element for conditioning, possibly spatial filtering, the laser beam.
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12), die in einer Gelmatrix (12), ggf. einem Plattengel (12), verlaufen,
- - wenigstens eine mit einer Gelmatrixoberfläche in Wärmeaustauschverbindung stehende Thermostatisierplatte (16; 16a; 16c; 16d),
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
wobei die wenigstens eine Thermostatisierplatte (16c) ferner dazu geeignet ist, in der Gelmatrix (12) einen Temperaturgradienten in Molekülausbreitungsrichtung (M) oder/und in einer einer Dicke der Gelmatrix (12) zugeordneten, zur Thermostatisierplatte (16d) im wesentlichen orthogonalen Richtung einzustellen, oder/und dazu geeignet ist, ein Temperaturprofil mit einer lokalen Temperaturüberhöhung oder einer lokalen Temperaturabsenkung in wenigstens einem Querbereich der Gelmatrix einzustellen,
wobei im Falle einer von einem Wärmeaustauschermittel durchströmten Thermostatisierplatte (16c) diese dazu geeignet ist, den betreffenden Temperaturgradient bzw. das Temperaturprofil im Zustand fortwährender Durchströmung der Thermostatisierplatte (16c) mit dem Wärmeaustauschermittel einzustellen.83. Electrophoresis device ( 10 ) for analyzing labeled molecules, in particular biological molecules, comprising:
- - a plurality of substantially parallel to each other and along a molecule propagation direction (M) running gel electrophoresis tracks (12) extending in a gel matrix (12), possibly a slab gel (12),
- - at least one thermostatic plate ( 16 ; 16 a; 16 c; 16 d) in heat exchange connection with a gel matrix surface,
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
wherein the at least one thermostatic plate ( 16 c) is further suitable for in the gel matrix ( 12 ) a temperature gradient in the direction of molecular propagation (M) or / and in a thickness of the gel matrix ( 12 ) associated with the thermostatic plate ( 16 d) substantially orthogonal Set direction, or / and is suitable for setting a temperature profile with a local temperature increase or a local temperature decrease in at least one transverse region of the gel matrix,
in the case of a thermostatic plate ( 16 c) through which a heat exchanger means flows, this is suitable for setting the relevant temperature gradient or the temperature profile in the state of continuous flow through the thermostatic plate ( 16 c) with the heat exchanger means.
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen,
wobei in einem den jeweiligen Detektionsbereich einschließenden Querbereich der Gelmatrix eine lokale Temperaturüberhöhung einstellbar ist.88. Device according to one of claims 83 to 87, characterized in that a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) is provided for exciting a plurality of fluorescent markers assigned to the molecules,
the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which, as at least one laser beam ( 60 , 62 , 64 , 66 ) running essentially transversely to the molecular propagation direction, cuts at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) in order to detect in a detection area of the respective gel To excite fluorescent markers of the molecules present there, assigned to the electrophoresis path,
wherein a local temperature increase can be set in a transverse region of the gel matrix that encloses the respective detection region.
- - eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zueinander und längs einer Molekülausbreitungsrichtung (M) verlaufenden Gel- Elektrophorese-Bahnen (12), die in einer Gelmatrix (12), ggf. einem Plattengel (12), verlaufen,
- - wenigstens eine mit einer Gelmatrixoberfläche in Wärmeaustauschverbindung stehende, von einem Wärmeaustauschermittel durchströmbare Thermostatisierplatte (16b), die dafür geeignet ist, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Gelmatrix (12) in die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidender Querrichtung zur Molekülausbreitungsrichtung (M) herzustellen oder/und aufrechtzuerhalten,
- - eine Energiequelle (20) zum Anlegen eines elektrischen Potentials an einem Anfangsbereich und einem Endbereich der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12),
- - a plurality of substantially parallel to each other and along a molecule propagation direction (M) running gel electrophoresis tracks (12) extending in a gel matrix (12), possibly a slab gel (12),
- - At least one with a gel matrix surface in heat exchange connection, through which a heat exchanger flowable thermostatic plate ( 16 b), which is suitable for producing a uniform temperature distribution in the gel matrix ( 12 ) in the gel electrophoresis pathways cutting transverse direction to the molecular propagation direction (M) or / and maintain,
- an energy source ( 20 ) for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis tracks ( 12 ),
wobei die Laseranordnung im Elektrophoresebetrieb Laserstrahlung erzeugt, die als wenigstens einer im wesentlichen quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahl (60, 62, 64, 66) wenigstens mehrere der Gel-Elektrophorese-Bahnen (12) schneidet, um in einem Detektionsbereich der jeweiligen Gel- Elektrophorese-Bahn zugeordnete Fluoreszenzmarker der dort vorhandenen Moleküle anzuregen,
wobei in einem den jeweiligen Detektionsbereich einschließenden Querbereich der Gelmatrix eine lokale Temperaturüberhöhung eingestellt wird.96. The method according to any one of claims 91 to 95, characterized in that a laser arrangement ( 50 , 52 , 54 , 56 ) is used to excite a plurality of fluorescent markers assigned to the molecules,
the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which, as at least one laser beam ( 60 , 62 , 64 , 66 ) running essentially transversely to the molecular propagation direction, cuts at least several of the gel electrophoresis tracks ( 12 ) in order to detect in a detection area of the respective gel To excite fluorescent markers of the molecules present there, assigned to the electrophoresis path,
wherein a local temperature increase is set in a transverse region of the gel matrix that encloses the respective detection region.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |