DE69617742T2

DE69617742T2 - Mit einer vielzahl von kapillaren ausgerüstetes biochemisches analysegerät mit absperrvorrichtung

Info

Publication number: DE69617742T2
Application number: DE69617742T
Authority: DE
Inventors: J. Dovichi; Zhong Zhang
Original assignee: University of Alberta
Current assignee: University of Alberta
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: AU716682B2; CA2245167C; EP0877933A1; EP0877933B1; US5567294A; DE69617742D1; CA2245167A1; WO1997028443A1; AU1090297A; ATE210290T1; JP2000506606A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche für die biochemische Analyse verwendet werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die gleichzeitige Analyse einer großen Anzahl von biologischen Proben ist anwendbar bei verschiedenen Arten der Analyse, beispielsweise bei der Durchflusscytometrie, dem DNA-Sequenzieren, der Flüssigkeitschromatographie, der Oligonucleotid-Analyse, und verschiedenen elektrophoretischen Techniken. Eine schnelle DNA-Analyse ist insbesondere wichtig beim menschlichen Genom-Projekt, welches ein Versuch ist, die Basensequenz in der menschlichen DNA zu identifizieren.
Ein Verfahren, welches bei dem Sequenzieren der DNA angewandt worden ist, ist die kapillare Elektrophorese. Bei diesem Verfahren wird eine geeignete Lösung polymerisiert oder geliert, um eine poröse Matrix in einer Kapillarröhre aus geschmolzener Silica mit inneren Abmessungen in der Größenordnung von 50 um auszuformen. Über die Matrix wird dann ein elektrisches Feld angelegt. Fragmente von DNA Proben, welche in ein Ende der Kapillarröhre eingespritzt werden, wandern durch die Matrix unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bei Geschwindigkeiten, welche von der Länge des Fragmentes abhängen. Daher erreichen Fragmente mit unterschiedlichen Längen einen Erfassungsteil der Kapillarröhre zu unterschiedlichen Zeiten. Das Dideoxynucleotid an einem Ende des Fragments kann mit einer fluoreszierenden Markierung gekennzeichnet werden, während eines Reaktionsschritts. Die fluoreszierende Markierung ist mit dem begrenzenden Dideoxynucleotid zugeordnet. Wenn das Fragment durch einen Lichtstrahl von einem Laser in einem Erfassungsbereich hindurchtritt, leuchtet die fluoreszierende Kennzeichnung, und das Fluoreszieren kann als elektrisches Signal erfasst werden. Die Intensität des elektrischen Signals hängt von der Menge der fluoreszierenden Markierung ab, welche sich in der Matrix in dem Erfassungsbereich befindet. Das Dideoxynucleotid an dem Ende des Fragments kann dann durch verschiedene Verfahren identifiziert werden. Da Fragmente mit unterschiedlichen Längen durch die Matrix aufgrund des angelegten Feldes wandern, kann ein Profil des Fragments erhalten werden.
Ein mit einer Vielzahl von Kapillaren ausgerüstetes biochemisches Analysegerät zur Verwendung bei der kapillaren Elektrophorese und für andere Anwendungen ist in unserem US- Patent 5,439,578 offenbart, welches am 8. Aug. 1995 veröffentlicht worden ist. In diesem Patent ist ein mit einer Vielzahl von Kapillaren versehenes Analysegerät offenbart, welches neben anderen Merkmalen das Erfassen von Licht von einer Vielzahl von Kapillaren offenbart, welche in eine Flusskammer münden. Eine Mantelflüssigkeit reißt individuelle Probenströme von den Kapillaren mit, und parallel gerichtete Probenanregungsstrahlung wird gleichzeitig auf die Enden der Kapillaren angewandt. Von der angeregten Probe emittiertes Licht wird durch ein optisches Erfassungssystem erfasst. Die Offenbarung und die Zeichnungen dieses Patents werden hiermit vollständig durch Bezug in diese Beschreibung aufgenommen.
In einer Ausführungsform des in dem oben genannten Patent offenbarten Analysegeräts sind die Reihen der Kapillaren versetzt, wobei die hinterste Reihe der Kapillaren am weitesten stromabwärts liegt, so dass die Reihen der Kapillaren eine Treppenform bilden. Diese versetzte Ausgestaltung ermöglicht es, Proben, welche von einer Anzahl von Reihen von mehreren Kapillaren her wandern, gleichzeitig auf Fotodetektoren abgebildet zu werden, und zwar ohne dass sie sich überlappen. Das Abbilden geschieht durch eine der Wände der Cuvette.
Die offenbarte Treppenkonfiguration hat mehrere Nachteile. Zunächst werden die Reihen der Kapillaren im hinteren Bereich der Cuvette durch eine Mantelflüssigkeit von einem Millimeter oder mehr hindurch abgebildet, während die Kapillaren im vorderen Bereich der Cuvette durch nur wenige Mikrometer des Fluids abgebildet werden. Die entstehende Differenz in der Länge des optischen Pfads führt zu optischer Verzerrung. Während die Verzerrung (Aberration) in grober Form korrigiert werden kann durch Vorsehen eines Prismas in dem optischen Weg, kann sie nur schwer vollständig korrigiert werden.
Zweitens erhellt gestreutes Laserlicht die Kapillaren, was zu einer Streuung von Hintergrundlicht und Fluoreszenz führt. Während mit einer sorgfältigen Einstellung der Beleuchtungsbedingungen versucht werden kann, dieses Problem zu lösen, ist ein zweidimensionales Feld von Kapillaren inhärent empfindlicher für Lichtstreuung als ein eindimensionales Feld von Kapillaren. Ein zweidimensionales Feld von Kapillaren ist jedoch bevorzugt, so dass Proben von einer großen Anzahl von Kapillaren gleichzeitig analysiert werden können.
Drittens ist es wünschenswert, dass die Kapillaren gleichmäßig beabstandet sind, um einen guten Mantelfluss zu erzielen sowie gleichmäßig beabstandete Probenströme, und so dass die Lage jedes Fluoreszenzpunkts bekannt ist und sich nicht mit einem nicht fluoreszierenden Punkt überlappt. Diese gleichmäßige Beabstandung ist sehr schwierig zu erzielen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung in einer ihrer Aspekte, eine mit einer Vielzahl von Kapillaren versehene Analysevorrichtung zu schaffen, welche einige der oben genannten Nachteile lösen kann. Zu diesem Zweck schafft die Erfindung in einem ihrer Aspekte eine Analysevorrichtung zum Analysieren einer organischen Probe, wobei die Analysevorrichtung folgendes aufweist:
(a) mehrere Kapillarröhren, welche Seite an Seite angeordnet sind, wobei jede Kapillarröhre ein erstes und ein zweites Ende hat, wobei die zweiten Enden der Kapillarröhren angrenzend aneinander münden und die ersten Enden mit einer Quelle für organische Proben verbindbar sind,
(b) eine Flusskammer mit einem inneren Hohlraum, wobei die zweiten Enden der Kapillarröhren in den inneren Hohlraum münden,
(c) Mittel zum Zwingen der organischen Probe durch die Kapillarröhren von den ersten Enden der Kapillarröhren zu den zweiten Enden der Kapillarröhren,
(d) Mittel zum Vorsehen von Mantelflüssigkeit in den inneren Hohlraum der Flusskammer, um einen Fluss von Mantelflüssigkeit an den zweiten Enden der Kapillarröhren vorbei zu schaffen und um organische Proben von den Kapillarröhren in individuellen Probenströmen von den zweiten Enden der Kapillarröhren mitzureißen,
(e) ein Sperrelement, welches von den zweiten Enden der Kapillarröhren beabstandet ist, wobei das Sperrelement mehrere Öffnungen beinhaltet, wobei die Öffnungen mit den zweiten Enden der Kapillarröhren für die individuellen Probenströme ausgerichtet sind, so dass diese durch die Öffnungen hindurchtreten, wobei das Sperrelement eine erste Seite hat, welche den zweiten Enden der Kapillarröhren gegenüberliegt, und eine zweite Seite gegenüber von der ersten Seite,
(f) ein Strahlungsmittel, welches elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zur Verfügung stellt, welche die Probe anregen kann, so dass sie Strahlung aussendet, wobei das Strahlungsmittel so angeordnet ist, dass es die Probenströme zwischen den zweiten Enden der Kapillarröhren und der ersten Seite des Sperrelements beleuchtet,
(g) und ein Strahlungserfassungsmittel an der zweiten Seite der Sperrmittel zum Erfassen von Strahlung, welche von den Probenströmen ausgesandt wird und welche durch die Öffnungen zu der zweiten Seite des Sperrelements hindurchtreten.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gesehen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Analysesystems gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Bereichs der Analysevorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Platte des Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 4-4 in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Kantenansicht der Platte der Fig. 3 und 4.
Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine obere Kappe des Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine Blechunterlage es Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf eine Unterlegscheibe des Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf eine Gummidichtung des Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine untere Platte des Bereichs der Analysevorrichtung in Fig. 2.
Fig. 11 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von zwei Kapillaren und anderen Elementen des Analysesystems in Fig. 1.
Fig. 12 zeigt ein modifiziertes Kapillarenfeld für die Analysevorrichtung in Fig. 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Zunächst wird Bezug genommen auf die Fig. 1 und 2, welche eine Analysevorrichtung 20 zum Analysieren einer organischen Probe, wie beispielsweise DNA, zeigen. Die Analysevorrichtung 20 beinhaltet eine Mantelflusscuvette 22, welche die Enden 24 (in Fig. 2 in gepunkteten Linien dargestellt) einer Reihe von Kapillarröhren 26 umgibt.
Die Kapillarröhren 26 sind in einem im wesentlichen rechteckigen Feld angeordnet, welches in dem dargestellten Beispiel ein Feld von fünf Röhren mal fünf Röhren ist. Die anderen Enden 28 der Kapillarröhren 26 münden in fünfundzwanzig Kanäle 30 einer herkömmlichen Microtiterplate 32.
Die Kapillarröhren 26 sind herkömmliche Kapillaren aus geschmolzener Silica mit einem inneren Durchmesser von ungefähr 50 um und einem äußeren Durchmesser von ungefähr 150 um, und sie sind bei vielen herkömmlichen kommerziellen Quellen erhältlich. Die Flüssigkeit in den Kanälen 30 beinhaltet die zu analysierenden Proben (eine unterschiedliche Probe befindet sich in jedem Kanal).
Die Enden 24 der Kapillaren 26, welche sich in der Cuvette 22 befinden, sind in einer inneren Kammer 34 (Fig. 2) in der Cuvette 22 angeordnet. Die Kapillarenenden 24 werden in der Kammer 34 in leckagesicherer Art und Weise durch einen Sandwichaufbau für die Cuvette 22 gehalten. Dieser Sandwichaufbau wird nun beschrieben.
Die Cuvette 22 beinhaltet eine rechteckig Platte 40 aus rostfreiem Stahl, welche in einem Beispiel 29 mal 59 mm maß und 5 mm dick war, mit einer Öffnung 42 mit den Abmessungen 13 mal 13 mm. Die Öffnung 42 definiert die Baugröße der Kammer 34. Die Platte 40 ist auch in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Zwei Nuten 44 sind in eine Seite der Platte 40 eingefräst, jeweils ungefähr 4 mm dick, und sie erstrecken sich von der Öffnung 42 bis zu den Kanten der Platte. Zwei Glasfenster 46, jeweils 12 mm mal 4 mm, sind in die Nut eingeklebt, welche jede Seite der Öffnung 42 begrenzt. Die Fenster 46 ermöglichen den Ein- und Austritt eines Lasers in die Kammer 34, wie noch beschrieben wird.
Die Platte 40 beinhaltet auch vier Bolzenöffnungen 48, welche in viereckiger Ausgestaltung angeordnet sind, durch welche Bolzen 50 (Fig. 2) hindurchtreten können, um die Sandwichkonstruktion zusammenzuhalten. Die Platte 50 beinhaltet auch zwei Öffnungen 52, um zu ermöglichen, dass die Cuvette an einer Anbringbefestigung (nicht dargestellt) sowie einem Plättchen 54 zur Verbindung eines Erdungsdrahtes (wie noch beschrieben wird) angebracht werden kann. Die Platte 40 beinhaltet auch zwei röhrenartige Öffnungen 56 (beispielsweise mit einem Durchmesser von 3,3 mm), damit Mantelflüssigkeit in die Kammer 34 eintreten kann.
Oberhalb der Platte 40 ist ein Stapel vorgesehen, welcher eine Kappe 60 aus rostfreiem Stahl aufweist (auch in Fig. 6 zu sehen) sowie drei identische Blechunterlagen 62, 64, 66 aus rostfreiem Stahl (Fig. 7), jeweils getrennt durch identische Plastikunterlegscheiben 68, 70 (beispielsweise aus Teflon, Fig. 8). Eine dritte identische Plastikunterlegscheibe 72 (beispielsweise aus Teflon) trennt die Blechunterlage 66 von der Metallplatte 40. Die Unterlegscheiben 68, 70, 72 dienen zur Verhinderung von Leckage. Jede Unterlegscheibe in dem beschriebenen Beispiel misst 29 mal 29 mm und ist 1 bis 2 mm dick, jeweils mit einer kreisförmigen mittleren Öffnung 74 und mit vier Bolzenöffnungen 76 für Bolzen 50.
Jede Blechunterlage 62, 64, 66 aus rostfreiem Stahl beinhaltet vier Bolzenöffnungen 78 und ein Feld von fünf mal fünf Öffnungen 8 für die Kapillarröhren 26. Die Öffnungen 80 können durch jedes bekannte Verfahren ausgebildet werden, beispielsweise durch Bohren, Ultraschallformen oder Elektroformen, und sie haben jeweils den gleichen Durchmesser wie der äußere Durchmesser der Kapillaren (beispielsweise 150 um). Die Öffnungen 80 sind vorzugsweise normalerweise so eng wie möglich voneinander beabstandet, wobei noch genügend Material dazwischen vorhanden sein sollte, um eine ausreichende mechanische Festigkeit zu schaffen, um die Kapillarröhren festzuhalten. Vorzugsweise überschreitet der Abstand zwischen den Öffnungen 80 nicht ungefähr einen äußeren Durchmesser der Kapillarröhren. Wenn der Abstand zu groß ist, mag es schwierig sein, den Laserstrahl (wird noch beschrieben) über den großen Bereich zu fokussieren, welcher durch weit voneinander beabstandete Kapillaren definiert ist, und das Sammeln von Licht von einem großen Bereich kann auch schwieriger werden.
In der Mittelöffnung 74 der Unterlegscheibe 70 befindet sich eine kreisförmige Silikongummischeibe oder Dichtung 84 (Fig. 9), welche geringfügig dicker ist als die Unterlegscheibe 70. Die Scheibe 84 beinhaltet auch ein Feld von fünf mal fünf Öffnungen 86 für die Kapillarröhren 26. Jede Öffnung 86 kann durch Durchstanzen der Scheibe 84 mit einer Kapillare ausgeformt sein, wenn die Scheibe in dem Stapel angeordnet ist, wodurch sichergestellt wird, dass die Öffnungen 86 den gleichen Durchmesser haben wie der äußere Durchmesser der Kapillaren. Wenn der Stapel zusammengesetzt ist, wird die Gummischeibe 84 zwischen, den angrenzenden Blechunterlagen 64, 66 zusammengedrückt, wodurch eine leckagesichere Dichtung um die Kapillarröhren 26 an der Oberseite der Kammer 34 herum entsteht.
Wenn man unter die Platte 40 sieht, ist eine weitere dünne Blechunterlage aus Metall oder ein Sperrelement 90 auf die Unterseite der Platte 40 geklebt (und auf die Fenster 46) Die Blechunterlage oder das Sperrelement 90 gleicht exakt den Blechunterlagen 62, 64, 66 und hat die gleichen Bolzenöffnungen 74 und die gleichen Öffnungen 80, welche präzise mit den Öffnungen 80 in den Blechunterlagen 62, 64, 66 ausgerichtet sind.
Unterhalb des Sperrelements 90 ist eine weitere Plastikunterlegscheibe 92 (beispielsweise aus TEFLONTM) angeordnet, und unterhalb davon befindet sich eine zweite Platte 94 aus rostfreiem Stahl, auch in Fig. 10 zu sehen. Die Platte 94 in dem dargestellten Beispiel maß 29 mal 29 mm, war 4 mm dick und hatte eine innere Öffnung 96, welche 18 mal 18 mm maß. Vier röhrenartige Ablässe 98 (beispielsweise mit einem Durchmesser von 2,3 mm) erstrecken sich von jeder Seite der Öffnung 96. Auf die Unterseite der Platte 4 ist ein Glasfenster 100 geklebt, welches die Öffnung 96 abdeckt. Der Raum zwischen der Blechunterlage 90 und dem Fenster 100 definiert eine untere Kammer 102, welche in dem dargestellten Beispiel ungefähr 5 bis 6 mm dick war (inklusive der Dicke der Unterlegscheibe 22 von 1 bis 2 mm).
Eine Mantelflüssigkeit wird von der Quelle 110 her zugeführt. Die Mantelflüssigkeit ist so ausgewählt, dass sie den gleichen oder einen ähnlichen Brechungsindex hat wie der wässrige Puffer, welcher verwendet wird, um die Polymermischung herzustellen, welche die Kapillarröhren 26 ausfüllt. Die Mantelflüssigkeit tritt in die Kammer 34 über Öffnungen oder Einlässe 56 in der Platte 40 ein, und sie wird von der Quelle 110 in einem nicht pulsierenden Fluss befördert, beispielsweise durch eine einfache Schwerkraftzuführung (unter einer Säule von beispielsweise ungefähr 5 cm) oder durch ein sehr niedrig pulsierendes Pumpmittel wie eine Spritzenpumpe hoher Qualität (nicht dargestellt). Die Mantelflüssigkeit fließt durch die Öffnungen 80 in dem Sperrelement 90 und in die untere Kammer 102, aus welcher es über die vier röhrenartigen Öffnungen 98 und Ablassröhren 112 abfließt. Wie in unserem oben genannten Patent beschrieben, sollte die Formung von Tropfen vermieden werden, beispielsweise durch Ablassen der Mantelflüssigkeit (inklusive des Flusses von den Kapillarröhren (wie noch beschrieben wird) in einen Behälter 114, in welchen Ablassröhren 112 eingetaucht sind. Der Behälter 114 lässt seinerseits in den Behälter 116 ab, welcher an einen Abfluss ablässt.
Eine Hochspannungsquelle 120 ist vorgesehen mit einem Pol 122, welcher durch eine konduktive Platte 32 mit der Flüssigkeit in jedem der Kanäle 30 verbunden ist. Der andere Pol 124 der Quelle 120 ist verbunden mit dem Plättchen 54 der Platte 40, welches Plättchen aus Sicherheitsgründen geerdet ist. Die Quelle 120 schafft eine Antriebsspannung von beispielsweise 30 kV, welche mittels der Flüssigkeit in der Kammer 34 über die Länge der Kapillaren 26 auftritt. Wie wohlbekannt ist, verursacht das durch die Spannungsquelle 120 erzeugte elektrische Feld, dass Fragmente von DNA Proben von den Kanälen 30 durch die Matrix oder das Gel in den Kapillaren 26 wandern. An den Enden 24 der Kapillarröhren 26 reißt die Mantelflüssigkeit Probenflüssigkeit von den Kapillaren mit in Form von individuellen Fäden 126 von Flüssigkeit, wie am besten in Fig. 11 zu sehen ist. Die Fäden sind mit Öffnungen 80 in dem Sperrelement 90 ausgerichtet und treten zusammen mit der Mantelflüssigkeit durch diese Öffnungen 80 hindurch. In der unteren Kammer 102 vermischen sich die Fäden 126 mit der Mantelflüssigkeit, und die gemischten Flüssigkeiten werden über Öffnungen 98 abgelassen.
Ein Laser 130 oder eine andere Quelle von parallel gerichteter elektromagnetischer Strahlung schafft einen parallel gerichteten Strahl 132 von Licht, welcher so ausgerichtet ist, dass er von einer Fokussierlinse 134 in die Kammer 34 eintritt, und zwar so nahe wie möglich oberhalb des Sperrelements 90. Vorzugsweise ist der Laserstrahl 132 elliptisch gestaltet, um alle Probenströme gleichzeitig zu erleuchten. Alternativ kann der Strahl 132 in eine Reihe von parallelen Strahlen mit geeigneter Optik aufgespalten werden, mit einem parallelen Strahl pro Kapillarenreihe. Fluoreszenz wird in der Kammer 34 oberhalb des Sperrelements 90 angeregt.
Die Fluoreszenz tritt durch die Öffnungen 80 in dem Sperrelement 90, durch das Glasfenster 100 an der Unterseite der unteren Kammer 102, und durch eine zweistückige Kondensatorlinse 136 mit Luftzwischenraum, typischerweise betrieben bei Einheitenvergrößerung. Der Kondensator 136 bildet die Fluoreszenz auf einen Fotodetektor 138 ab. Ein Spektralfilter, welcher schematisch in gepunkteten Linien bei 139 dargestellt ist, kann verwendet werden, um Fluoreszenz von bestimmten Farbstoffen zu isolieren. Der Filter 139 kann ein einstellbarer Filter sein oder eine Reihe von Filtern an einem rotierenden Rad, oder er kann ein Gitter oder ein Prisma sein. Der Filter 139 ist vorzugsweise in dem Raum zwischen den Linsen des Kondensators 136 angeordnet, da dort das Licht relativ gut parallel gerichtet ist und die Lichtstrahlen im wesentlichen im rechten Winkel auf den Filter einfallen. Wenn die Filter in dem divergierenden Bereich des Strahls angeordnet wären, entweder vor oder nach dem Kondensator 136, dann würde sich das Spektrum des übertragenen Lichts über die Öffnung des Filters verändern, da das übertragene Spektrum von dem Einfallswinkel abhängt.
Vorzugsweise ist der Fotodetektor 138 ein großflächiger CCD- Chip einer CCD-Kamera 140. Die Fläche des Chips 138 ist so groß wie oder größer als die Fläche des Kapillarenfeldes, so dass eine hohe Sammeleffizient gewährleistet ist. (Wenn gewünscht, kann das Fenster 100 eine Linse sein oder sogar ein Teil der CCD-Kamera 140.) Der Chip 138 ist mit einem Computer 142 verbunden, so dass die Ausgaben des Chips analysiert werden können.
Die dargestellte Anordnung hat mehrere Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, dass der Fotodetektor gerade und direkt auf die Kapillaren schaut, so dass keine optischen Korrekturelemente notwendig sind, um ein Bild der Fluoreszenz mit hoher Qualität zu erhalten. Außerdem ist die Pfadlänge durch die Flüssigkeit gleich für die Fluoreszenz von jedem Faden oder Probenstrom 126, so dass keine Verzerrung aufgrund unterschiedlicher Pfadlängen eingeführt wird. Das Sperrelement 90 stellt sicher, dass die individuellen Probenfäden 126 oberhalb des Sperrelements 90 intakt bleiben (d. h. in dem Bereich, wo sie erleuchtet werden), so dass die fluoreszierenden Punkte an ihren Enden betrachtet werden können, sogar obwohl die Fäden 126 unterhalb des Sperrelements 90 ihren individuellen Charakter verlieren. Der Fluss in der unteren Kammer 102 sollte vorzugsweise nicht turbulent sein, aber bei den verwendeten niedrigen Flussgeschwindigkeiten ist es sehr unwahrscheinlich, dass eine turbulente Strömung auftritt. (Für die DNA Sequenzierung, wo es keinen starken Strom durch die Kapillaren gibt, sondern stattdessen die analytischen Moleküle von der Spitze der Kapillaren abgezogen werden und in dem Mantelflüssigkeitsstrom mitgerissen werden, ist der Fluss im wesentlichen nur der Mantelflüssigkeitsfluss, welcher typischerweise ungefähr 10 Mikroliter/Minute pro Kapillare oder beispielsweise 0,25 Milliliter/Minute für eine Ausgestaltung mit 25 Kapillaren und 1 Millimeter/Minute für eine Ausgestaltung mit 96 Kapillaren sein kann. (Bei einer Nicht-DNA-Analyse würde der Fluss verstärkt durch eine Probenflussgeschwindigkeit von typischerweise 0,1 bis 1 Mikroliter/Minute von jeder Kapillare.)
Zweitens hält die dargestellte Sandwichkonstruktion die Kapillaren an festen Mittelpunkten in leckagesicherer Art und Weise, so dass die geeignete Ausrichtung der Kapillaren unkritisch ist.
Drittens hält das Sperrelement 90 eine wesentliche Menge von gestreutem Laserlicht von dem Fotodetektor ab, beispielsweise von dem CCD Chip 138. Der reduzierte Fluoreszenzhintergrund ermöglicht ein besseres Verhältnis von Signalen zu Rauschen und eine verbesserte Genauigkeit der Ergebnisse.
Während normalerweise eine enge Beabstandung der Kapillaren bevorzugt ist, können sie auch weiter voneinander beabstandet sein, wenn dies gewünscht ist (beispielsweise um mehr als einen äußeren Kapillarendurchmesser), und ein Beugungsgitter (bei 144 in Fig. 11 gezeigt) kann zwischen dem Fenster 100 und der Kamera 140 eingefügt sein, um das Emissionsspektrum von jedem fluoreszierenden Punkt zu zerstreuen, um so zu helfen, DNA Sequenzen zu bestimmen, oder eine andere Analyse durchzuführen.
Beim Zusammenbau der Cuvette 22 in Fig. 2 wird zunächst der obere Teil der Cuvette 22 zusammengesetzt, bestehend aus den Blechunterlagen 62, 64, 66 und den zugehörigen Unterlegscheiben. Diese Anordnung wird auf eine Platte wie eine untere Platte 94 platziert, welche ihrerseits auf einer flachen, weichen, feste Oberfläche platziert ist. Die Kapillarröhren 26 werden dann durch die Öffnungen 80 in den Blechunterlagen 62, 64, 66 hineingebohrt, wobei während dieses Prozesses die Öffnungen in der Gummiunterlegscheibe oder Scheibe 84 ausgeformt werden, bis die Kapillarröhren die untere lagernde Fläche erreichen. Dies stellt sicher, dass die Enden 24 der Kapillarröhren 26 in einer Ebene liegen. Wenn die gesamte Kammer zusammengebaut ist, befindet sich die Ebene, in welcher die Kapillarenenden 24 liegen, in dem dargestellten Beispiel ungefähr 1 mm oberhalb des Sperrelements 90.
Während ein rechteckiges Feld von Kapillarröhren 26 dargestellt worden ist, können, wenn gewünscht, auch andere Formen des Feldes angewandt werden, beispielsweise eine Konfiguration in Fig. 12, wo abwechselnd Reihen 146 versetzt sind, so dass sie in den Zwischenräumen zwischen angrenzenden Reihen 148 positioniert sind. Eine dichtere Anordnung ist vorteilhaft für eine effiziente Beleuchtung und Erfassung. Wenn der Abstand zu groß ist, kann eine geringe Effizienz der optischen Anregung und Sammlung auftreten, da es schwierig ist, einen Laserstrahl über den großen Bereich zu fokussieren, welcher durch weit voneinander beabstandete Kapillaren definiert ist, und es kann schwierig sein, Fluoreszenz von weit voneinander beabstandeten Kapillaren zu sammeln. Die Verwendung von einem großflächigen CCD-Chip 132 wird das letztere Problem jedoch lösen, und die Verwendung des blickdichten Sperrelements 90 blockiert gestreutes Licht, welches durch einen nicht ideal fokussierten Laserstrahl erzeugt werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform ist die durch das über die Kapillarröhren 26 angelegte elektrische Feld erzeugte Antriebskraft begrenzt auf die Kapillaren, und die Probenstromfäden werden von den Kapillaren mittels der Mantelflüssigkeit herausgezogen. Wenn gewünscht, können andere Antriebsmittel für die Probe verwendet werden, wie in unserem oben genannten Patent beschrieben. Beispielsweise kann die Probe durch die Kapillarröhren 26 mittels einer geeigneten Pumpe hindurchgezwungen werden, wie bei der Durchflusscytometrie. Außerdem kann die Anzahl der Kapillarröhren in dem verwendeten Feld sich ändern. Beispielsweise können 96 Kapillaren in einem Feld von 12 mal 8 verwendet werden, um zu einer Microtiterplate mit 96 Kanälen zu passen. In einem weiteren Beispiel können 864 Kapillaren in einem Feld von 36 mal 24 verwendet werden, um zu einer Microtiterplate mit 864 Kanälen zu passen. Andere Felder können wie gewünscht ausgestaltet werden.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist es selbstverständlich, dass Modifikationen gemacht werden können und alle diese Modifikationen durch die folgenden Ansprüche erfasst werden sollen.

Claims

1. Analysevorrichtung (20) zum Analysieren einer organischen Probe, wobei die Analysevorrichtung folgendes aufweist:

(a) mehrere Kapillarröhren (26), welche Seite an Seite angeordnet sind, wobei jede Kapillarröhre ein erstes und ein zweites Ende (28, 24) hat, wobei die zweiten Enden (24) der Kapillarröhren angrenzend aneinander münden und die ersten Enden (28) mit einer Quelle für organische Proben (30) verbindbar sind,

(b) eine Flusskammer mit einem inneren Hohlraum (34), wobei die zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) in den inneren Hohlraum münden,

(c) Mittel (120) zum Zwingen der organischen Probe durch die Kapillarröhren (26) von den ersten Enden (28) der Kapillarröhren zu den zweiten Enden (24) der Kapillarröhren,

(d) Mittel (110, 56) zum Vorsehen von Mantelflüssigkeit in den inneren Hohlraum (34) der Flusskammer, um einen Fluss von Mantelflüssigkeit an den zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) vorbeizuschaffen und um organische Proben von den Kapillarröhren in individuellen Probenströmen von den zweiten Enden (24) der Kapillarröhren mitzureißen,

(e) ein Sperrelement (90), welches von den zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) beabstandet ist, wobei das Sperrelement (90) mehrere Öffnungen (80) beinhaltet, wobei die Öffnungen mit den zweiten Enden der Kapillarröhren für die individuellen Probenströme ausgerichtet sind, so dass diese durch die Öffnungen hindurchtreten, wobei das Sperrelement eine erste Seite hat, welche den zweiten Enden der Kapillarröhren gegenüberliegt, und eine zweite Seite gegenüber von der ersten Seite,

(f) einem Strahlungsmittel (130), welches elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zur Verfügung stellt, welche die Probe anregen kann, so dass sie Strahlung aussendet, wobei das Strahlungsmittel so angeordnet ist, dass es die Probenströme zwischen den zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) und der ersten Seite des Sperrelements (90) beleuchtet,

(g) und ein Strahlungserfassungsmittel (138) an der zweiten Seite der Sperrmittel (90) zum Erfassen von Strahlung, welche von den Probenströmen ausgesandt wird und welche durch die Öffnungen (80) zu der zweiten Seite des Sperrelements hindurchtreten.

2. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei das Strahlungsmittel (130) einen Strahl (132) von parallel gerichteter elektromagnetischer Strahlung zur Verfügung stellt, welcher sich durch die Probenströme unmittelbar angrenzend an die erste Seite des Sperrelements (90) erstreckt.

3. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 2, mit einem Fenster (100), welches an der zweiten Seite des Sperrelements (90) vorgesehen ist, wobei das Fenster zusammen mit dem Sperrelement eine Sammelkammer (102) zum Sammeln von Mantelflüssigkeit und der Probenströme von den Kapillarröhren (26) definiert, und wobei eine Ablass (98) in der Sammelkammer zum Abziehen von gesammelter Flüssigkeit aus der Sammelkammer vorhanden ist.

4. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 3, wobei das Sperrelement (90) die Form einer dünnen flachen blickdichten Platte hat.

5. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 4, wobei das Strahlungserfassungsmittel (138) einen CCD-Kamerachip beinhaltet.

6. Analysevorrichtung (20) nach Ansprüch 4, wobei die zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) alle in gleichmäßigen Abständen von der ersten Seite des Sperrelements (90) beabstandet sind.

7. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 6, wobei dieser Abstand unterhalb von ungefähr 1 mm liegt.

8. Analysevorrichtung (20) nach Anspruch 4, wobei das Fenster (100) um ungefähr 5 bis 6 mm von der zweiten Seite des Sperrelements (90) beabstandet ist.

9. Analysevorrichtung (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer elektrophoretischen Spannungsquelle (120), welche über die Kapillarröhren (26) hinüber angeschlossen ist, um die organische Probe durch die Kapillarröhren von den ersten Enden (28) zu den zweiten Enden (24) zu zwingen.

10. Analysevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) in mehreren Reihen angeordnet sind, wobei jede Reihe mehrere Kapillarröhren beinhaltet.

11. Analysevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Sandwichmitteln zum Halten der zweiten Enden (24) der Kapillarröhren (26) in dem inneren Hohlraum (34), wobei die Sandwichmittel ein Paar von festen Platten (64, 66) und einen nachgiebigen Abstandshalter (84) dazwischen aufweisen, wobei die festen Platten und der nachgiebige Abstandshalter ausgerichtete Durchgangsöffnungen (80, 86) für die Kapillarröhren aufweisen, so dass diese dort hindurchtreten können, und Mittel (50) vorhanden sind zum Zusammendrücken der festen Platten zueinander gegen den nachgiebigen Abstandshalter, so dass der nachgiebige Abstandshalter eine flüssigkeitsdichte Versiegelung um die Kapillarröhren herum bildet.

12. Analysevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Spektrum-Zerstreuungsmitteln (144) zum Zerstreuen des Strahlungsspektrums, welches von den Probenströmen ausgesandt wird, nachdem die Strahlung durch die Öffnungen (80) in dem Sperrelement (90) hindurchgetreten ist.

13. Analysevorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Spektralfilter (139), welcher den Strahlungserfassungsmitteln (138) zugeordnet ist, um ein gewähltes Strahlungsband aus der von den Probenströmen ausgesandten Strahlung zu isolieren.