Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von markierten Molekülen, insbesondere biologischen MolekülenElectrophoresis device for analyzing labeled molecules, especially biological molecules
Beschreibungdescription
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 analyzing fluorescence marker-labeled molecules, in particular biological molecules (eg DNA, DNA fragments or proteins), which comprise a plurality of gel electrophoresis cells which run essentially parallel to one another and along a direction of molecular expansion. Webs, an energy source for applying an electrical potential at an initial region and an end region of the gel electrophoresis webs and a laser arrangement for exciting the fluorescence markers associated with the molecules, the laser arrangement in the electrophoresis mode generating laser radiation which, as at least one, essentially transversely to the The laser beam extending in the direction of the molecule cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to excite fluorescence markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis track, as well as a detection arrangement for Detection of emission radiation emanating from the excited fluorescence markers, the detection arrangement having at least one detector field which extends essentially parallel to the at least one laser beam and which detects emission radiation guided to the detector field via a spectral filter and radiation guide arrangement. The detector field, which extends along a preferably linear detection path and enables spatially resolved detection of the emission radiation along the detection path defined by the course of the laser beam section cutting the gel electrophoresis paths (and therefore also referred to below as a linear detector field with regard to a linear detection path) , can be used by 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. In principle, however, there are no restrictions with regard to the mode of operation and the functional principle of the detector field that enables the spatially resolved detection.
Eine derartige Elektrophorese-Einrichtung ist in meh reren Ausführungsformen aus der WO96/2321 3 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 WO96/2321 3 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 WO96/2321 3 die Verwendung von Gradientenindexlinsenfeldern (speziell sog. SELFOC gradient-index Mikrolinsen Arrays) vor.Such an electrophoresis device is known in several embodiments from WO96 / 2321 3, which gives a good overview of the background to the analysis of biological molecules by means of gel electrophoresis, as well as the basic functions and design options of such electrophoresis devices and the disclosure thereof is fully incorporated by reference into the disclosure of the present description of the invention. WO96 / 2321 3 discloses several electrophoresis devices which have two or three laser beam sources, apparently in order to be able to analyze two or three fluorescent dyes (fluorescent markers). In two embodiments, two laser beams from two separate laser light sources, which are essentially transverse to the direction of molecular expansion and essentially parallel to one another and are mutually offset in the direction of molecular expansion, are coupled into the electrophoresis gel, each of which is assigned a separate linear detector field and a separate spectral filter. Alternatively, linear CCD element fields and linear photodiode fields are provided as linear detector fields. WO96 / 2321 3 proposes the use of gradient index lens fields (specifically so-called SELFOC gradient-index microlens arrays) to collect and focus the emission light.
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 ( 1 995), 1 1 7-1 21 ) 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 1 95 1 5 552 A1 und WO96/341 14 beschrieben. Dabei werden zur Auswertung der Sequenzierungsreaktionen Nachweissysteme verwendet, die zwei verschiedene Laser enthalten. Die WO96/2321 3 stellt offensichtlich ein N achwei ssystem bereit, d as ei ne Auswertung d erartiger Sequenzierungsreaktionen ermöglicht.The simultaneous determination of two nucleic acid sequences using two differently labeled primer molecules for a sequencing reaction in a single reaction vessel was described by Wiemann et al. (Anal, biochem. 224 (1 995), 1 1 7-1 21). Other methods in which sequencing reactions using two Different fluorescent labels in a single reaction vessel, combined with a joint separation of these two different fluorescent labels, are described in DE 1 95 1 5 552 A1 and WO96 / 341 14. Detection systems containing two different lasers are used to evaluate the sequencing reactions. WO96 / 2321 3 obviously provides a detection system which enables an evaluation of such sequencing reactions.
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 , 1 2.06.1 986, Seiten 674-679, L.M. Smith et al: "Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis" und Journal of Biochemical and Biophysical Methods, Bd. 1 3, 1 986, Seiten 31 5-323, 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 WO96/2321 3 genannt.For the technical background of DNA sequence analysis based on laser-assisted detection of fluorescent dye-labeled DNA fragments, reference can also be made to the following basic articles: Nature, Vol. 321, 1 2.06.1 986, pages 674-679 , LM Smith et al: "Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis" and Journal of Biochemical and Biophysical Methods, Vol. 1 3, 1 986, pages 31 5-323, W. Ansorge et al: "A non-radioactive automated method for DNA sequence determination ". Further writings and articles important for understanding the technical background are mentioned in WO96 / 2321 3.
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.EP 0 275 440 B1 should also be mentioned, which deals with the minimization of the background fluorescence from the gel by appropriate selection of the fluorescent dye used and the laser wavelength used for fluorescence excitation.
Neben einer Primer-spezifischen Fluoreszenzfarbstoff-Markierung wird in der Praxis auch eine Basen-spezifische Fluoreszenzfarbstoff-Markierung verwendet, wofür vorzugsweise Fluoreszenzfarbstoff-markierte Stopp- Nukleotide (markierte Kettenabbbruchmoleküle, insbesondere Dideoxyribonu kleosidtriphosphate (dd NTPs) ) oder markierte Deoxyribonukleosidtriphosphate (dNTPs) eingesetzt werden. Speziell für die Sequenzbestimmung auf Grundlage einer Basen-spezifischen
Fluoreszenzfarbstoff-Markierung werden von Perkin Eimer 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, a base-specific fluorescent dye label is also used in practice, for which preferably fluorescent dye-labeled stop nucleotides (labeled chain termination molecules, in particular dideoxyribonucleoside triphosphates (dd NTPs)) or labeled deoxyribonucleoside triphosphates are used , Specifically for sequence determination based on a base specific Fluorescent dye labeling is offered by Perkin Elmer Biosystems (formerly Applied Biosystems) layer gel sequencing devices that excite the four different fluorescent dyes assigned to a clone for the four different nucleotides by means of a laser common to all dyes, and the resulting fluorescent radiation via four spectral filter arrangements each assigned to one dye to capture. However, due to strong spectral crosstalk, the four dyes cannot be detected independently of one another in a dye-resolved manner. A determination of the sequence is only possible on the basis of a complex software correction of the raw measurement data not yet resolving the dyes, which is based on the fact that the four specific, differently marked sequencing approaches of a clone are separated and analyzed together in a gel trace. A sample-specific detection, in which, for example, four different clones assigned and differently marked approaches are separated and analyzed in a gel trace, is not possible despite the software correction.
Ein großer Nachteil der basen-spezifischen Markierung ist überdies, daß die angekoppelten Farbstoffe aufgrund unterschiedlicherchemischer 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 Ungenaugikeiten 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.A major disadvantage of the base-specific labeling is moreover that the coupled dyes influence the mobility of the DNA fragments due to different chemical parameters and cause so-called "mobility shifts" which have to be corrected by software. The correction of the mobility shifts and the correction of the spectral crosstalk described above lead to errors and inaccuracies with the consequence of shorter reading lengths and a higher error rate. This means that sequencing must be carried out with higher redundancy. This means that the same sequence must be read several times.
Problematisch bei der gemeinsamen Analyse von mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Sequenzierprodukte, 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.The problem with the joint analysis of sequencing products labeled with different fluorescent dyes, generally of molecules labeled with different fluorescent dyes, in a single lane or gel track is generally that fluorescent dyes can be excited over a wide wavelength range and the excitation energy also return over a wide range. In addition, the excitation and emission spectra are subject to external conditions, which are given by parameters of the chemical environment of the dye, including the pH value, the temperature and the dielectric constant of the solution. It was therefore necessary to assume that a simultaneous quantitative recording of four or more independent dye spectra, as required, for example, for an exact evaluation of sequencing reactions, cannot be carried out.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß durch eine geschickte Auswahl der verwendeten Spektralfilter hinsichtlich ihrer spektralen Selektivität, der Fluoreszenzmarker hinsichtlich ihrer spektralen Absorptionsund 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 meh r u nte rsc h i ed l i c h en M a rki eru n g e n i n e i n e r ei n zig e n 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 skilful selection of the spectral filters used with regard to their spectral selectivity, the fluorescent markers with regard to their spectral absorption and emission selectivity and the wavelengths of the laser beams enables four or more fluorescent marker spectra (dye spectra) to be detected and evaluated differently from one another, so that, for example, a joint evaluation of four or more sequencing reactions in which different fluorescent dyes were used in each case is possible, specifically a joint evaluation of four or more sample-specific (in particular primer-specific) marked sequencing reactions. This is of great practical relevance, as the cost of carrying out the sequencing reactions can be significantly reduced by using four or more submersible markings. Both chemical and labor costs are reduced. This is particularly important in large-scale sequencing projects, such as the "Human Genome" project or other genome projects.
Die Erfindung stellt dementsprechend nach einem ersten Aspekt eine Elektrophorese-Einrichtung zum Analysieren von Fluoreszenzmarkern-
markierten Molekülen, insbesonder 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 w e s e ntl i c h e n p a r a l l e l z u e i n a n d e r ve rl a u f e n d e u n d i n Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzte Laserstrahlen wenigstens mehrere der Gel-Elektorphorese-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 Strahlu ng sfü h ru ngsanord n ung zu m Detekto rfeld gefü h rten 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, according to a first aspect, the invention provides an electrophoresis device for analyzing fluorescent markers. labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a plurality of gel electrophoresis tracks substantially parallel to one another and along a molecular propagation direction, a source of energy for applying an electrical potential to a starting area and an end area of the gel electrophoresis tracks, a laser arrangement for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, at least some of which have absorption wavelength ranges which are different from one another and / or emission wavelength ranges which differ from one another, the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which is essentially transverse to the direction of molecular propagation and in parallel with one another and laser beams offset in the direction of molecular propagation, it cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to detect the respective area in a detection area to stimulate fluorescent markers of the molecules present there associated with gel-electrophoresis path, a detection arrangement for gel-electrophoresis-path-resolved and fluorescence-marker-resolved detection of emission radiation emitted by the excited fluorescence markers, the detection arrangement displacing and preferably displacing a plurality of one another in the direction of molecular propagation has detector fields which extend essentially parallel to the laser beams and which are each assigned to a specific one of the laser beams and are designed for this purpose, along a detection path associated with the respective laser beam, preferably essentially parallel to this, at least a portion of those in the detection areas due to the excitation by the respective one Detect the laser beam that arises in a spatially resolved manner via an assigned spectral filter and radiation guide arrangement for the detector field. the spectral filter arrangement with regard to its spectral selectivity, the fluorescent markers with regard to their spectral absorption and emission selectivity, and the wavelengths of the laser beams in this way are coordinated with one another such that, using at least four laser beams and at least four detector fields, at least four different fluorescence 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 fluorescence marker.
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 verlauf enden 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-Elektorphorese- 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 generalizing the concept of the invention on which the proposed electrophoresis device is based, an electrophoresis device for analyzing fluorescent marker-labeled molecules, in particular biological molecules, is also provided, which comprises: a plurality of gel electrophoresis cells which run essentially parallel to one another and along a direction of molecular propagation. Webs, an energy source for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis webs, a laser arrangement for exciting a plurality of different fluorescence markers assigned to the molecules, at least some of which have absorption wavelength ranges that are different from one another and / or different from one another Have emission wavelength ranges, the laser arrangement in the electrophoresis mode generating laser radiation, which is essentially transverse to the direction of molecular propagation of the laser beam len cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to excite fluorescence markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis track, at least some of the laser beams being spatially offset from one another and / or occurring in 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 from one another, a detection arrangement for gel electrophoresis path-resolved and fluorescence marker-resolved detection of radiation emitted by the excited fluorescence markers, the detection arrangement at least one yourself preferably has a detector field which extends essentially parallel to the laser beams and which is designed to use at least part of the detection spectrum which arises in the detection areas due to the excitation by the respective laser beam, via an assigned spectral filter, along a detection path which is assigned to the laser beam, preferably essentially parallel to the latter. and to detect the radiation guiding arrangement for emission radiation guided to the detector field, the spectral filter arrangement being matched to one another 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 such that at least four different fluorescence markers are independent using at least four laser beams resolved from each other after the respective gel electrophoresis path and the respective fluorescent marker are detectable.
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 1 0 %, nämlich sogar besser als 0, 1 %, erreichbar ist.Looking at the emission and absorption spectra of the fluorescent dyes usually used in gel electrophoresis, it appears at first glance to be completely impossible to detect four or more fluorescent markers after the respective fluorescent markers, i.e. to distinguish them from one another, for example with a spectral "residual crosstalk" less than 10%. One will easily find fluorescent marker combinations from two different fluorescent markers whose absorption spectra do not overlap and whose emission spectra do not overlap, so that a detection after the frequency marker is obviously possible. However, it was found that fluorescent markers with overlapping absorption spectra and fluorescence markers with overlapping emission spectra can also be detected in a fluorescence-marker-resolved manner. It was namely recognized that fluorescent markers with selectively excitable laser markers with overlapping emission spectra can be distinguished from one another on the basis of spatially and / or temporally separated laser beam excitation or / and on Basis of different wavelengths of the laser beams or / and on the basis of a phase-sensitive detection when excited with modulated laser radiation. It was also recognized that the laser radiation can be used to distinguish selectively or non-selectively excitable fluorescent markers with at least partially non-overlapping emission spectra on the basis of spectral / selective detection of the emission radiation and possibly on the basis of spatially separated laser beam excitation. It has been shown that, based on this teaching, a spectral "residual crosstalk" between the fluorescent dyes can be achieved in the detection less than 10%, namely even better than 0.1%.
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 preferably used for evaluating sequencing reactions on the basis of a sample-specific (clone-specific, in particular primer-specific) fluorescent dye marking. For this purpose, the four specific sequencing approaches belonging to a clone are separated and analyzed in four different gel electrophoresis lanes (gel tracks).
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 markiertenBy means of the electrophoresis device according to the invention, however, it is also possible to evaluate sequencing reactions based on a base-specific fluorescent dye label, in which the four specific, differently labeled ones belonging to a clone
Sequenzierungsansätze gemeinsam in einer Gel-Elektrophorese-BahnSequencing approaches together in a gel electrophoresis lane
(Gelspur) aufgetrennt und analysiert werden. Im Falle von in Molekülausbreitungsrichtung gegeneinander versetzten, verschiedenen der für die basenspezifische Markierung in Bezug auf einen Klon eingesetzten(Gel trace) can be separated and analyzed. In the case of mutually offset in the molecular propagation direction, different ones used for the base-specific labeling in relation to a clone
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 vergleichendeLaser beams assigned to dyes can then be used to compensate for the different separation distances for sequence determination, for example using software. The runtime can therefore be corrected in order to make a comparative one for the sequence determination
Analyse der Mobilität der Sequenzierungsfragmente zu ermöglichen. In derTo enable analysis of the mobility of the sequencing fragments. In the
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.As a rule, it will suffice to correct the maturities after a linear one Approach (set of three in relation to the separation distances assuming constant fragment propagation speed along the gel electrophoresis lanes). Furthermore, the “mobility shifts” that inevitably occur can be compensated for as far as possible in a manner known per se.
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 radiation guide arrangement assigned to a fluorescent dye can be interpreted in connection with the assigned detector field as a detection unit or detector unit assigned to this fluorescent dye, and if desired can actually be designed as a "unit that can be handled". It is preferred for the detection units that the intensity ratio of the light originating from the fluorescent dye belonging to the respective detection unit to the light originating from another fluorescent dye is 1: 0.2 or greater for a detection unit. The detection units for the fluorescence radiation to be detected preferably have an acceptance angle of approximately ± 20 ° in relation to an optical axis of the detection unit.
Es wird vorgeschlagen, daß die Wellenlängen der Laserstrahlen oder/und Spektralfilter der Spektralfilteranordnungen auf wenigstens vier versch iedene Fluo reszenzmarker abgesti mmt si nd , 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 and / or spectral filters of the spectral filter arrangements be matched to at least four different fluorescence markers, the absorption maxima of which are at least 30 nm, preferably at least 50 nm, apart from each other under electrophoresis operating conditions or / and their Emission maxima are at least 30 nm apart, preferably at least 50 nm apart, under electrophoresis operating conditions.
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 eineIt is extremely expedient if at least one spectral filter has a spectral characteristic in such a way that fluorescence radiation of the respectively assigned fluorescence marker, which arises due to the excitation of the respectively assigned laser beam, for a transmission Wavelength range around an emission maximum of the fluorescence spectrum of this fluorescence marker or for a transmission wavelength range adjacent to this fluorescence maximum is guided to the assigned detector field. In a further development it is proposed that at least one of the following conditions a) and b) is fulfilled with respect to at least one of the other fluorescent markers in order to enable the detection resolved after the fluorescent markers: a) the laser beam wavelength lies on a spectral side of an absorption spectrum of the other fluorescent markers beyond one from an absorption maximum to the laser beam wavelength down to at least one
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.Residual absorption amplitude, which corresponds to an at most low residual absorption, falling edge of the absorption spectrum, b) the transmission wavelength range lies on a spectral side of an emission spectrum of the other fluorescence marker beyond one from an emission maximum to the transmission wavelength range down to at least one residual emission amplitude, which is at most a 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 a flank falling to the longer wavelengths, and the flank falling to the transmission wavelength range can be a flank falling to shorter wavelengths.
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 for the edge falling to the laser beam wavelength to be an edge falling to shorter wavelengths and the edge falling to the pass wavelength range to be an edge falling to longer wavelengths.
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.
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 einder dem Detektorfeld zugeordneten Bildseite der Strahlungsführungsanordnung wenigstens ein bildseitigerSpektralfilterangeordnetsein. Die Strahlungsführungsanordnung kann auch weitere optische Mittel, beispielsweise eine Blendenanordnung umfassen, um die optische bzw. spektrale Trennschärfe zu erhöhen.It is generally proposed that the flank falls more steeply towards the laser beam wavelength or the transmission wavelength range than a flank of the spectrum lying on the other side of the maximum of the spectrum and falling with the distance from the maximum. At least one spectral filter and radiation guide arrangement can comprise a lens arrangement, preferably a gradient index lens field (possibly SELFOC lens field (SLA)), as the radiation guide arrangement. The gradient index field should be designed to map fluorescent light onto the assigned detector field along the relevant detection path alone or in conjunction with other optical components and can also be used as. "Linear gradient index field" are called. At least one spectral filter on the object side can be arranged on an object side of the radiation guide arrangement assigned to the gel electrophoresis tracks. Furthermore, at least one image-side spectral filter can also be arranged on the image side of the radiation guiding arrangement associated with the detector field. The radiation guide arrangement can also comprise further optical means, for example a diaphragm arrangement, in order 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 designed as an interference filter or comprises an interference filter. For this purpose, it is specifically proposed that at least one spectral filter arrangement be designed as a combination of an absorption filter arrangement and an interference filter arrangement. For example, a spectral filter can include an absorption filter, possibly a colored glass filter, which serves as a carrier substrate for thin-film films of an associated interference filter.
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 die von 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 a = 0° und einen Durchlaßbereich des Interferenzfilters für einen einen maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallswinkel umfaßt. Berücksichtigt man einen s o l c h e n , d i e A k z e p t a n z w i n k e I c h a r a k t e r i s t i k d e r Stra h lungsfü h rungsan ord n ung berüc ksichtigend en Durch laß- 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 zuThe use of an interference filter may be surprising, since the spectral selectivity of such a filter depends on the angle of incidence of the emission radiation into the filter. Especially when using a radiation guide arrangement with a high numerical aperture, for example a corresponding gradient index lens field, in order to collect the fluorescence photons emitted by the fluorescence markers with high efficiency, the use of an interference filter appears in view of the desired spectral selectivity of the Filters extremely problematic. However, it was recognized that the interference filter, which defines a transmission range as a transmission wavelength range, which corresponds to a superimposition of transmission ranges of the interference filter for different light incidence angles in the interference filters, does not necessarily pass this transmission wavelength range alone, but with a corresponding arrangement in relation to the radiation guide arrangement defines the transmission wavelength range together with the radiation guide arrangement. A wavelength range can thus be defined as the transmission wavelength range, which includes all transmission ranges of the interference filter for all light incidence angles that occur according to an acceptance angle characteristic of the radiation guide arrangement. For example, a wavelength range can be defined as the transmission wavelength range, which comprises a transmission range of the interference filter for a light incidence angle of a light incidence angle of a = 0 ° and a transmission range of the interference filter for a light incidence angle corresponding to a maximum acceptance angle of the radiation guiding arrangement. If one takes into account such a, the acceptance angle I characteristic of the radiation guiding arrangement is taken into account by the transmission wavelength range in the design of the electrophoresis device, then there are many constructive possibilities in the design and specification of the spectral filter in relation to the Emission spectra of the
_ 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._ using fluorescent dyes, and spectral filter arrangements with comparatively high spectral selectivity can be created using interference filters in order to enable detection that resolves the fluorescent markers.
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.On the basis of the principles explained, the electrophoresis device according to the invention can be designed to detect at least seven markers from the following fluorescent markers: indodicarbocyanine CY 2, Alexa 488, fluorescein iso-thio-cyanate (FITC), 5-carboxy-rhodamine 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.
Speziell können wenigstens die Marker Indodicarbocyanin CY 2, Fluoreszein- Iso-Thio-Cyanat (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Sulforhodamin 1 01 (TexasRed™), Indodicarbocyanin CY 5, Indodicarbocyanin CY 5.5 und IRD 800 detektierbar sein.Specifically, at least the markers indodicarbocyanin CY 2, fluorescein isothio cyanate (FITC), 5-carboxy-rhodamine 6G, sulforhodamine 1 01 (TexasRed ™), indodicarbocyanine CY 5, indodicarbocyanine CY 5.5 and IRD 800 can be detected.
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- Cγanat (FITC), 5-Carboxy-Rhodamin 6G, Alexa 532, Tetramethyl-Rhodamin- Iso-Thio-Cyanat (TRITC), Indodicarbocyanin CY 3, Sulforhodamin 1 01 (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 to detect at least three, preferably at least four, most preferably at least five, markers of fluorescent marker-dissolved and gel-electrophoresis-path-resolved simultaneously of the following fluorescent markers: indodicarbocyanine CY 2, Alexa 488, fluorescein iso -Thio- cγanate (FITC), 5-carboxy-rhodamine 6G, Alexa 532, tetramethyl-rhodamine-iso-thio-cyanate (TRITC), indodicarbocyanine CY 3, sulforhodamine 1 01 (TexasRed ™), indodicarbocyanine CY 5, indodicarbocyanine CY 5.5 , IRD 700, indodicarbocyanine 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-Elektrophore-Bahn-aufgelöst detektierbar sind.Specifically, it is suggested that at least the five markers indodicarbocyanine CY 2, 5-carboxy-rhodamine 6G, Sulforhodamine 101 (TexasRed ™), indodicarbocyanine CY 5.5 and IRD 800 or at least the four markers fluorescein-iso-thio-cyanate (FITC), sulforhodamine 101 (TexasRed ™), indodicarbocyanine 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), Indodicarbocyanin CY 5 and IRD 800 can be detected at the same time as fluorescent marker-resolved and gel-electrophoretic-web-resolved.
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 Anregungs wellenlänge erreichbare Anregungs wirkungsgrad, 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 ± 10bis20nm 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 s p e k t r a I v e r s e t z t e n D u r c h I a ß b e r e i c h e n 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 excitation wavelengths, there are basically many possibilities, which of depend on the available laser systems and the available spectral filters. Basic boundary conditions are only the selectivity of the excitation, the excitation efficiency achievable for a specific excitation wavelength, the selectivity of the detection and the detection efficiency achievable with a certain passband with respect to the spectral sensitivity of a detector used. In practice, however, other boundary conditions will also play an important role, namely the costs of the laser systems in terms of acquisition and maintenance and the costs for the acquisition of the spectral filters and detectors. In the following, some examples of laser systems and spectral filters that can be used are given in relation to various of the fluorescent markers mentioned, which are in no way restrictive, but are only intended to provide an indication. It is obvious, therefore, that in the case of lasers which can be tuned with regard to the wavelength, such as, for example, laser diodes, excitation wavelengths which deviate from the following information are also suitable within the excitation spectra which are generally quite wide. The excitation wavelengths mentioned therefore only stand for a possible wavelength range of, for example, approximately ± 10 to 20 nm on both spectral sides of the wavelength mentioned. The same applies to the pass bands of the spectral filter arrangements specified below. It is obvious that spectral filter arrangements with spectrally narrower passbands in the range of the passbands mentioned and / or radiation guiding arrangements with a smaller acceptance angle range can be used in any case if a lower detection efficiency (higher photon losses) is accepted. But one can also use spectral filter arrangements with larger pass bands or spectra I offset through I a ß ranges and / or radiation guiding arrangements with larger acceptance angle ranges depending 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 spectral limits of the passbands mentioned below only give an indication of the design of the spectral filter arrangements, and the passbands mentioned can be spectrally offset by, for example, approximately ± 10 to 20 nm or expanded to smaller or / and larger wavelengths. However, the data given below for possible excitation wavelengths, pass bands and maximum acceptance angles define preferred embodiments of an electrophoresis device according to the invention, with which excellent analysis results were achieved in electrophoresis operation.
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 a in der Spektralfilteranordnung eine Rolle, so kann die Spektralfilteranordnung unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln a zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 494 nm bis etwa 524 nm für a = 0° und etwa 492 nm bis etwa 514 n m f ür einen einem maximalen Akzeptanzwin kel d er Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwinkel (beispielsweise von etwa 20 °) aufweisen. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Kurzpaßfilter, einen Absorptions-Leitpaßfilter und eine Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.For the detection of the fluorescence marker indodicarbocyanine CY 2, it is proposed to use a frequency-doubled (possibly diode-pumped) neodymium: YAG laser with an emission wavelength of approximately 473 nm. A spectral filter arrangement with a pass band of approximately 494 nm to approximately 424 nm can be assigned to this fluorescence marker. If different light angles of incidence a play a role in the spectral filter arrangement, then the spectral filter arrangement can have different light incidence angles a assigned transmission ranges from approximately 494 nm to approximately 524 nm for a = 0 ° and approximately 492 nm to approximately 514 nm for a maximum acceptance angle d have light incidence angles corresponding to the radiation guide arrangement (for example of approximately 20 °). The spectral filter arrangement may comprise an absorption short pass filter, an absorption guide pass filter and an interference band pass filter.
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 a zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 505 nm bis etwa 555 nm für a = 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.An argon ion laser with an emission wavelength of approximately 488 nm or a frequency-doubled (possibly diode-pumped) neodymium: YAG laser with an emission wavelength of approximately 473 nm can be used for the detection of the fluorescence marker fluorescein iso-thio-cyanate (FITC) become. A spectral filter arrangement with a pass range from approximately 505 nm to approximately 555 nm, possibly with, can be attached to this fluorescent marker Passage ranges of approximately 505 nm to approximately 555 nm for a = 0 ° and approximately 500 nm to approximately 555 nm for a light incidence angle corresponding to a maximum acceptance angle of the radiation guiding arrangement (for example of approximately 20 °) can be assigned to different light incidence angles a. The spectral filter arrangement can comprise an absorption short-pass filter, an absorption long-pass filter and an interference band-pass 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 ei nzusetzen . Die d iese m Fl uoreszenzmarker zugeord n ete Spektralfilteranordnung kann einen Durchlaßbereich von etwa 555 nm bis etwa 578 nm, ggf. unterschiedlichen Licht-Einfallwinkeln a zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 555 nm bis etwa 578 nm für a = 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, it is proposed to use a frequency-doubled (possibly diode-pumped) neodymium: YAG laser with an emission wavelength of approximately 532 nm. The spectral filter arrangement assigned to this fluorescence marker can have a pass band from approximately 555 nm to approximately 578 nm, possibly pass bands assigned to different light incidence angles a from approximately 555 nm to approximately 578 nm for a = 0 ° and approximately 535 nm to approximately Have 569 nm for a light incidence angle corresponding to a maximum acceptance angle of the radiation guide arrangement (for example of approximately 20 °). The spectral filter arrangement can comprise 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 61 3 nm bis etwa 651 nm, ggf. mit unterschiedlichen Lichteinfallwinkeln σ zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 61 3 nm bis 651 nm für a = 0° und etwa 61 3 nm bis etwa 636 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel der Strahlungsführungsanordnung entsprechenden Lichteinfallwikel (beispielsweise von etwa 20°) zugeordnet sein. Die Spektralfilteranordnung kann einen Absorptions-Langpaßfilter und einen Interferenz-Bandpaßfilter umfassen.
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 a zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 655 nm bis etwa 690 nm für a - 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 helium-neon laser with an emission wavelength of approximately 594 nm can be used for the detection of the fluorescence marker Sulforhodamine 101 (TexasRed ™). A spectral filter arrangement with a transmission range of approximately 61 3 nm to approximately 651 nm, possibly with transmission ranges of approximately 61 3 nm to 651 nm for a = 0 ° and approximately 61 3 nm to approximately 636 nm for one assigned to different light incidence angles σ can be assigned to this fluorescence marker corresponding light incidence particles (for example of approximately 20 °) can be assigned to a maximum acceptance angle of the radiation guide arrangement. The spectral filter arrangement can comprise an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter. A helium-neon laser with an emission wavelength of approximately 633 nm or a semiconductor laser with an emission wavelength of approximately 640 nm can be used for the detection of the fluorescence marker indodicarbocyanine CY 5. A spectral filter arrangement with a pass band of approximately 655 nm to approximately 690 nm, possibly with pass band ranges of approximately 655 nm to approximately 690 nm for a - 0 ° and approximately 650 nm to approximately 683 nm for one, assigned to different light incidence angles a can be attached to this fluorescence marker corresponding to a maximum acceptance angle of the radiation guide arrangement corresponding light incidence angle (for example of approximately 20 °). The spectral filter arrangement can comprise an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter.
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 a zugeordnete Durchlaßbereiche von etwa 695 nm bis etwa 745 nm für a = 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.A semiconductor laser with an emission wavelength of approximately 660 nm or approximately 670 nm or approximately 675 nm can be used for the detection of the fluorescence marker indodicarbocyanine CY 5.5 or / and the fluorescence marker IRD 700. The spectral filter arrangement in question can have a transmission range from approximately 655 nm to approximately 690 nm, possibly transmission ranges assigned to different light incidence angles a from approximately 695 nm to approximately 745 nm for a = 0 ° and approximately 695 nm to approximately 730 nm for a maximum acceptance angle have the light incidence angle corresponding to the radiation guide arrangement (for example of approximately 20 ° C.). The spectral filter arrangement can comprise an absorption long-pass filter and an interference band-pass 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 a zugeordneten Durchlaßbereichen von etwa 795 nm bis etwa 835 nm für a = 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 with an emission wavelength of approximately 775 nm or of approximately 780 nm can be used for the detection of the fluorescence marker IRD 800. A spectral filter arrangement with a transmission range of approximately 795 nm to approximately 790 nm, possibly with transmission ranges of approximately 795 nm to approximately 835 nm for a = 0 ° and approximately 790 nm to approximately 830 nm for one assigned to different light incidence angles, can be assigned to this fluorescence marker a maximum Acceptance angles of the radiation guiding arrangement can be assigned corresponding light incidence angles (for example of approximately 20 °). The spectral filter arrangement can comprise an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter.
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.In the electrophoresis device according to the invention, measures are preferably taken to reduce the resolution of the detection in relation to the gel electrophoresis path or / and in relation to the fluorescence markers and / or interference radiation which may impair the signal-to-noise ratio, possibly fluorescent light. Background radiation and / or scattered laser radiation. For example, at least one of the laser beams can be linearly polarized with a polarization vector, which is oriented according to an input-side light guiding direction of the spectral filter and radiation guiding arrangement, possibly at least approximately parallel to this. This minimizes the scattered light emitted in the direction of the detectors, since with the elastic (Rayleigh scattering the scattered light is preferably emitted into a plane perpendicular to the polarization vector of the incident light. Such a direction of polarization can be achieved by arranging the laser appropriately or / and by Use of appropriate optical components, for example polarizers or / and Λ / 2 plates, can be achieved.
Hinsichtlich der Gel-Elektrophorese-Bahnen ist es bevorzugt, daß mindestens 20, vorzugsweise mindestens 40 und besonders bevorzugt mindestens 80 (beispielsweise 1 20 oder sogar 1 92 oder 384 Bahnen) parallel ausgewertet werden können. Die Gel-Elektrophorese-Bahnen können in einer vorzugsweise plattenförmigen Gelmatrixverlaufen, diezwischen Glasplatten aus gefloatetem Borosilikatglas angeordnet ist. Sogenanntes Floated-Glas vermeidet aufgrund seiner hohen Planarität Mehrfachreflektionen 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.
Borosilikatglas ist in Qualitäten mit geringer Eigenfluoreszenz erhältlich, als gefloatetes Borosilikat-Glas beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Borofloat von der Firma Schott in Jena (Deutschland).With regard to the gel electrophoresis lanes, it is preferred that at least 20, preferably at least 40 and particularly preferably at least 80 (for example 1 20 or even 1 92 or 384 lanes) can be evaluated in parallel. The gel electrophoresis sheets can run in a preferably plate-shaped gel matrix which is arranged between glass plates made of floated borosilicate glass. Because of its high planarity, so-called floated glass avoids multiple reflections of the laser beams running between the glass plates, so that an increase in the scattered light and fluorescent light background due to multiple penetration of the laser radiation into the glass plates is avoided. Borosilicate glass is available in qualities with low intrinsic fluorescence, such as floated borosilicate glass, for example under the trade name Borofloat from Schott 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.For the coupling of the laser beams into the gel matrix, it is particularly expedient to use at least one (preferably a common) coupling plate which is essentially parallel to the direction of laser beam propagation, the polished entry and / or exit surfaces for the respective laser beam and a refractive index adapted to the gel matrix having.
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.In order to avoid premature degradation of the fluorescent dyes and thus possibly reduced signal levels, the spatially offset laser beams having different wavelengths can be offset from one another in such a way that the laser radiation wavelength decreases in the molecular propagation direction from laser beam to laser beam. Accordingly, the fluorescent markers first pass through the laser beams with a longer wavelength before they reach the laser beams with a shorter wavelength. A degradation of fluorescent dyes to be excited by laser radiation with a longer wavelength by laser radiation with a shorter wavelength before the detection of the fluorescent marker in question is 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 1 92 Spuren, mehr als 100.000 Basen, z. B. 1 55.000 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 for the analysis of nucleic acids, for example in such a way that products of nucleic acid sequencing reactions labeled with at least four different fluorescent markers are separated together in one lane according to their size and analyzed independently of one another. The separation can be carried out by electrophoresis in a denaturing gel. A parallel separation is preferably carried out in several lanes, each with at least four differently labeled products contain. In this way, using conventional gels, the evaluation of z. B. 1,000-1,200 bases per sequencing reaction, and a simultaneous separation of four sequencing reactions in one lane, using a plate gel with 1 92 tracks, more than 100,000 bases, eg. B. 1 55,000 bases can be determined on a single gel. In the case of gels with a larger number of tracks, as mentioned above, more bases can be determined accordingly. For example, based on doubling 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 electrophoresis device used for the analysis and used as the sequencing device is preferably largely automated (preferably especially with regard to the sequence determination) and preferably has a separate excitation laser and a separate detection unit for each fluorescent dye. To increase the (spectral) selectivity, other optical means, for example diaphragms, are used if desired in addition to the spectral filters mentioned.
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, such that the absorption maxima are at least 30 nm apart, preferably at least 50 nm apart, under the measurement conditions. Furthermore, the fluorescent markers can be selected such that the emission maxima are at least 30 nm apart, preferably at least 50 nm apart, under the measurement conditions.
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, 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, ans Tandem-Duplex- Reaktion, als Sequenzlücken-Auffüllreaktion oder als kompetierende Tandem-Duplex-Reaktion durchgeführt werden.The sequencing products separated together in one lane can originate from a sequencing reaction carried out in a single vessel. At least four differently labeled primers can be used for the sequencing reactions. The sequencing reaction can be carried out as a quadruplex reaction, to the tandem duplex reaction, as a sequence gap filling reaction or as a competitive tandem duplex reaction.
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 electrophoresis device according to the invention, the invention further relates to a reagent kit for sequencing nucleic acids which contains at least four different fluorescent dye labels, each label being provided for determining a different sequence. The kit can contain at least four different primers, each with a different label.
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 F l u o re s ze n z m a r ke r n a u sg e h e n d e E m i s s i o n s str a h l u ng a u f Empfangsoberfächen 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.If one wants to make optimal use of the length of the available gel electrophoresis tracks to maximize the separation distance in view of a high resolution and long reading lengths and to query fluorescence markers by several spatially offset laser beams, then it is desirable to determine the distance between the laser beams to be kept relatively small in the direction of molecular propagation, so that separation distances of the same order of magnitude are available for the fluorescent markers assigned to the laser beams. For this purpose, it is proposed according to a second aspect of the invention that the spectral filter and radiation guiding arrangements redirect the emission radiation emanating from the excited flow mark to reception surfaces of the detector field assigned to the respective laser beam, which at least in relation to the direction of molecular propagation are arranged approximately orthogonally. This enables a compact design of the detection unit in the direction of molecular propagation, so that accordingly the laser beams also cut the gel electrophoresis tracks at a comparatively small distance from one another.
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 w e s e n t l i c h e n p a r a l l e l z u e i n a n d e r u n d l ä n g s e i n e r Molekülausbreitungsrichtung verlauf enden 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 the separation distance in the case. the simultaneous separation of a plurality of fluorescent dyes of interest, so that, according to the second aspect, there is generally provided an electrophoresis device for analyzing fluorescence marker-labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a plurality of substantially parallel gels running parallel to one another and in the length of a molecular propagation direction Electrophoresis webs, an energy source for applying an electrical potential to an initial region and an end region of the gel electrophoresis webs, a laser arrangement for excitation of the fluorescence markers associated with the molecules, the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which is essentially transverse to at least one The laser beam extending in the direction of molecular propagation cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to detect the fluorescence markers of the Mo present there in a detection area of the respective gel electrophoresis track excite a detection arrangement for detecting emission radiation emanating from the excited fluorescent markers, wherein the detection arrangement has at least one detector field, which extends preferably essentially parallel to the at least one laser beam, and which is designed for this purpose, along a path assigned to the laser beam, preferably essentially to the latter parallel detection path to detect at least a part of the emission radiation which arises in the detection areas due to the laser beam excitation and is guided to the detector field via an assigned spectral filter and radiation guide arrangement, the spectral filter and Radiation guidance arrangement deflects the emission radiation emanating from the excited fluorescence marker onto receiving surfaces or receiving surface sections of the detector field, which are arranged at least approximately orthogonally to the direction of molecular propagation.
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 arrange the (respective) detector field on a carrier board which is arranged at least approximately orthogonally to the direction of molecular propagation. As already indicated, a plurality of detector fields, preferably of different wavelengths, assigned to a plurality of laser beams in succession in the molecular propagation direction can be provided, each with receiving surfaces or receiving surface sections arranged at least approximately orthogonally orthogonally to the molecular propagation direction, which are preferably each arranged on a separate carrier board. The spacing of the carrier board is primarily determined by the thickness of any components arranged on the carrier board, 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 can be arranged at a short distance from one another.
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 comprise at least one deflection prism arrangement which is assigned to a respective detector field and extends essentially parallel to this detector field, optionally a deflection prism which is continuous (in the longitudinal direction). The deflection prism arrangement can be arranged on an output side of a lens arrangement, possibly a gradient index lens field, of the spectral filter and radiation guide arrangement.
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 optical path on the image side between a / the lens arrangement, possibly a / the gradient index lens field, the spectral filter and radiation guide arrangement on the one hand and the On the other hand, if the receiving surfaces are at an image-side focal length of the lens arrangement, the deflection prism arrangement can be formed from a highly 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. D a b e i k a n n a u f e i n e r o pti s c h e n E i n g a n g s s e i te d e s Gradientenindexlinsenfelds oder/und auf einer optischen Ausgangsseite des Gradientenindexfelds (ggf. zwischen dem Gradientenindexlinsenfeld und der Umlenkprismaanordnung) wenigstens ein Spektralfilter aufgeklebt sein.The deflection prism arrangement is preferably part of an integral optical module which comprises a / the lens arrangement and at least one spectral filter. 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 producing the integral optical module can be glued together. At least one spectral filter is stuck on the optical index side of the gradient index field (possibly between the gradient index lens field and the deflecting prism arrangement) on the optical index side of the gradient index field (or between the gradient index lens field and the deflection prism arrangement).
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 Trägersubstratfür Dünnschichtfilme eines zugeordneten Interferenzfilters dient.At least one spectral filter of the optical module can be designed as an interference filter or can comprise an interference filter. At least one spectral filter is preferably designed as a combination of an absorption filter and an interference filter. For this purpose, it is proposed that at least one spectral filter of the optical module comprises an absorption filter, possibly a colored glass filter, which serves as a carrier substrate for thin-film films of an associated interference filter.
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.To adjust an optical path in a module carrier, the optical module can be arranged so as to be displaceable in a direction substantially orthogonal to the laser beam sections intersecting the gel electrophoresis tracks and to the direction of molecular propagation.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß eine Mehrzahl von Detektorfeldern, eine Mehrzahl von jeweils einem derA preferred embodiment is characterized in that a plurality of detector fields, a plurality of each one of the
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.Optical modules assigned to detector fields as well as detection electronics assigned to the detector fields in a detector module with a common housing are integrated, the detector module being manageable as a unit and preferably by shifting in a laser beam section intersecting the gel electrophoresis paths and essentially orthogonal to the direction of molecular propagation, a common adjustment of the object-side optical path lengths assigned to all optical modules of the detector module is possible ,
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 d ie Gel- E lektro pho rese-Bah n en sch neid end en 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 first or second aspect of the invention, there are basically many possibilities. With regard to a compact and simple structure of the electrophoresis device and / or with regard to a high directional stability of the laser beams (in this respect, for example, high demands have to be made on DNA sequencing), it is proposed according to a third aspect that the laser arrangement has at least one Has a laser with an optical laser resonator, which is arranged at least approximately parallel to the detector fields in relation to a resonator axis which characterizes the beam path of the laser beam emerging from the resonator, the laser beam emerging from the laser resonator being deflected by means of a beam guiding arrangement, so that a beam which runs transversely to the molecular propagation direction Laser beam section cuts the gel electrophoresis sheets. Alternatively or additionally, it is proposed that the laser arrangement have at least two lasers with a respective laser resonator, which are each arranged at an angle to the detector fields, preferably at least approximately orthogonally to the detector fields, with respect to a resonator axis that characterizes the beam path of the laser beam emerging from the respective resonator are arranged, the laser beam emerging from the respective laser resonator being deflected by means of a beam guidance arrangement, so that a laser beam section running transversely to the direction of molecular propagation intersects the gel electrophoresis tracks and the laser resonators are covered on the resonator axes, at least approximately in accordance with the offset of the gel-electrophoresis paths, the laser beam sections intersecting each other in the molecular propagation direction are offset from one another and have different lateral spacing from the gel electrophoresis tracks.
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 we s e n tl i c h e n p a ra l l e l zu e i n a n d e r ve r l a u f e n d e u n d i n 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 Strahlu ngsf üh rungsanord n u ng zu m Dete ktorfeld gefü hrten 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 La s e r r e so n ato r a u st rete n d e La s e rstr a h l m itte l s e i n e r Strahlführungsanordnung umgelenkt wird, damit ein quer zu der Molekülausbreitungsrichtung verlaufender Laserstrahlabschnitt die Gel- Elektrophorese-Bahnen schneidet.Since the specified structure of the electrophoresis device can not only be advantageous for the electrophoresis device according to the first and / or according to the second aspect, the invention according to the third aspect generally provides an electrophoresis device for analyzing fluorescence marker-labeled molecules, in particular biological molecules, comprising: a plurality of gel electrophoresis sheets substantially parallel to one another and along a molecular propagation direction, an energy source for applying an electrical potential to a start area and an end area of the gel electrophoresis sheets, a laser arrangement for excitation a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, the laser arrangement in electrophoresis mode generating laser radiation which is essentially transverse to the direction of molecular propagation and essentially parallel to one another and extends in the direction of molecular propagation Laser beams of different wavelengths offset against one another intersect at least several of the gel electrophoresis tracks, in order to excite fluorescence markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis track, a detection arrangement for gel-electrophoresis-track-resolved and fluorescence-marker-resolved detection emission radiation emitted by the excited fluorescent markers, the detection arrangement having a plurality of detector fields 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 associated with a specific one of the laser beams and is designed for this purpose, along one associated with the respective laser beam , preferably too This essentially parallel detection path detects at least a part of the emission radiation which is generated in the detection areas due to the excitation by the respective laser beam and is spatially resolved via a respectively assigned spectral filter and radiation guide arrangement to the detector field, the laser arrangement at least one Has a laser with an optical laser resonator, which is arranged at least approximately parallel to the detector fields with respect to a resonator axis that characterizes the beam path of the laser beam emerging from the resonator, the laser beam means that originate from the laser being of its beam guide arrangement is deflected so that a laser beam section running transversely to the molecular propagation direction intersects the gel electrophoresis tracks.
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.A plurality of lasers with at least approximately parallel resonators with respect to a respective resonator axis to the detector fields can be provided, the laser resonators with respect to the resonator axes being at least approximately offset from one another in the direction of molecular propagation in accordance with the offset of the laser beam sections cutting the gel electrophoresis tracks.
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 paral lel zuein ander u nd l ängs ei ner 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 Fluoreszenzmarkerderdort vorhandenen Moleküle anzuregen, eine Erfassungsanordnung zum Gel- Elektrophorese-Bahn-aufgelösten und Fluoreszenzmarker-auf gelösten 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 Strahlungsführungsanordn u ng zum Dete kto rfeld 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 G el- Elektrophorese- Bahnen schneid end en 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-labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a plurality of gel electrophoresis devices which run essentially parallel to one another and along a direction of molecular propagation. Webs, an energy source for applying an electrical potential to an initial region and an end region of the gel electrophoresis webs, a laser arrangement for exciting a plurality of different fluorescent markers assigned to the molecules, the laser arrangement in the electrophoresis mode generating laser radiation which is considered to be essentially transverse to the direction of molecular propagation and essentially parallel to each other Laser beams of different wavelengths running and mutually offset in the direction of molecular propagation intersect at least several of the gel electrophoresis tracks, in order to excite fluorescence markers associated with the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis track, a detection arrangement for the gel electrophoresis track-resolved and fluorescence markers Detected emission radiation emitted by the excited fluorescent markers, the detection arrangement having a plurality of detector fields 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, along one of the respective ones Laser beam associated, preferably to this substantially parallel detection path at least a part of the detection areas due to the excitation to detect locally generated emission radiation generated by the respective laser beam via a respectively assigned spectral filter and radiation guide arrangement to the detector field, the laser arrangement having at least two lasers with a respective laser resonator, each of which relates to the beam path from the respective one The resonator axis characterizing the resonator emerging laser beam at an angle. are arranged to the detector fields, preferably are arranged at least approximately orthogonally to the detector fields, the laser beam emerging from the respective laser resonator being deflected by means of a beam guidance arrangement, so that a laser beam section running transversely to the direction of molecular propagation intersects the gel electrophoresis paths and the laser resonators are related on the resonator axes are at least approximately offset according to the offset of the laser beam sections intersecting the gel electrophoresis tracks and have different lateral spacing from the gel electrophoresis tracks. For this purpose, it is further proposed that the resonator axes lie at least approximately in a respective plane orthogonal to the direction of molecular propagation.
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, vo rzugswei se zu mindest n äheru ng sweise o rthogo nal zu r Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Stufen, die mit zunehmendem Seitenabstand von den Gel-Elektrophorese-Bahnen entgegengesetzt zur Molekülausbreitungsrichtung zumindest näherungs weise entsprechend dem Versatz de r d ie Gel-Ele ktropho rese-Bah n en sch neid end en 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 tracks with steps arranged at an angle / to the direction of molecular propagation, preferably at least approximate or orthogonal to the direction of molecular propagation, with increasing lateral distance from the gel electrophoresis paths opposite to the direction of molecular propagation, at least approximately in accordance with the offset of the gel electrophoresis pathways, increasing and assigned to a respective one of the lasers for holding a respective one assigned to the laser Beam guiding arrangement and / or the laser resonator with its resonator axis extending at least approximately along the stage.
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 eine 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, various variants are conceivable. It is proposed, for example, that the respective beam guidance arrangement be an optical fiber, preferably a single-mode fiber, and / or at least one deflecting mirror or / and at least one optical element for focusing the laser beam and / or adjusting a laser beam waist with respect to the gel electrophoresis paths, if necessary has an optical lens, an optical lens or an optical telescope, and / or an optical element for conditioning, possibly spatial filtering, the laser beam. In this context, it is preferred that at least one deflecting mirror and / or the optical element for adjusting the beam path of the respective 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 cutting the gel electrophoresis tracks goes out, at least approximately in a direction orthogonal to the molecular propagation direction and the laser beam section, preferably at least approximately along the respective stage of the optical bench, for adjustment of the laser beam section cutting the gel electrophoresis tracks or / and that at least one optical element at least approximately in the direction of molecular propagation is displaceable for the adjustment of the laser beam section intersecting the gel electrophoresis tracks.
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 verlauf enden 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 Laserstrahl geführt wird.The use of an optical fiber, preferably a single-mode fiber, in a beam guiding arrangement is also important independently of the rest of the design of an electrophoresis device, since the optical radiation can easily condition and / or guide the laser radiation to the gel electrophoresis tracks can be achieved. Regardless of the optical arrangement used for this purpose, the conditioning of the laser radiation is also of interest with regard to a high triggering capacity and a minimization of the signal-to-noise ratio of the / the electrophoresis device. According to a fourth aspect, the invention therefore provides an electrophoresis device for analyzing fluorescence-labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a plurality of gel electrophoresis tracks which run essentially parallel to one another and along a direction of molecular propagation, an energy source for applying an electrical potential to an initial region and an end region of the gel electrophoresis tracks, a laser arrangement for exciting a plurality of fluorescence markers assigned to the molecules, the laser arrangement in the electrophoresis mode generating laser radiation which acts as at least one laser beam which runs essentially transversely to the molecule propagation direction cuts at least several of the gel electrophoresis tracks in order to excite fluorescence markers of the molecules present in a detection area of the respective gel electrophoresis track, a detection arrangement for gel electrophoresis path-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 which extends essentially parallel to the laser beams and is designed for this purpose along a path assigned to the laser beam , preferably to detect at least a portion of the emission radiation generated in the detection areas due to the excitation by the associated laser beam and guided to the detector field via an assigned spectral filter and radiation guide arrangement, with the laser arrangement having at least one laser whose laser beam is in an optical fiber, preferably single-mode fiber, is coupled in to guide the laser beam to the gel electrophoresis tracks or / and to condition the laser beam, or / u nd 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.
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 geschittenen Gel-Elektrophorese-Bahnen angeordnet ist.By using laser beams conditioned in this way or having such a quality from the outset, the selectivity of the electrophoresis device is maximized, since this is essentially determined by the width of the exciting laser beam in the direction of molecular propagation. The area "illuminated" in the gel is a kind of target line for the migrating molecules, possibly DNA fragments. For a good one Resolution, possibly temporal or vertical resolution, the illuminated area must be as narrow as possible. Furthermore, the areas illuminated in the individual cut gel electrophoresis lanes should differ as little as possible in their width in the direction of molecular propagation in order to achieve comparable results for all lanes. For this purpose, it is also specifically proposed that at least one of the laser beams is guided and, if necessary, focused in such a way that a laser beam region of minimal laser beam diameter, possibly one / the beam waist, along the assigned detector field, for example in the region of a central one of the gel electrophoresis cut by the laser beam. Tracks 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.The resolution achieved with an electrophoresis device, possibly the electrophoresis device according to one of the mentioned aspects of the invention, and generally the quality of the measurement results depend to a large extent on an adjustment of 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. For this purpose, according to a fifth aspect of the invention, an adjustment method for adjusting the course of at least one laser beam with respect to associated gel electrophoresis paths of an electrophoresis device which has at least one excitation laser for generating the laser beam and at least one detector field for recording emission radiation emanating from excited fluorescence markers , provided, in which, according to the invention, the adjustment is carried out on the basis of detection signals recorded by means of a detector field assigned to the (respective) laser beam, which represent a background radiation induced by the laser beam, possibly background fluorescence and / or scattered light.
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 a lens, an objective, a telescope or a deflecting mirror, is used for the recording a background radiation profile is adjusted, and the optical element is then set such that a background radiation is subsequently detected at least approximately according to a maximum and / or a center of the profile.
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 first a laser beam path intersecting the gel electrophoresis paths and then a laser beam path at least approximately orthogonal to the gel electrophoresis paths or / and a laser beam path at least approximately parallel to the assigned detector field 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 intersecting the gel electrophoresis tracks can expediently be set particularly advantageously on the basis of detection signals picked up by at least one detector field section at one end, preferably at the laser beam coupling point into a end of the detector field having the gel electrophoresis tracks and a laser beam path that is at least approximately orthogonal to the gel electrophoresis paths or / and a laser beam path that is at least approximately parallel to the detector field can be set particularly expediently on the basis of detection signals recorded by at least one detector field section at the other end of the detector field. This applies on the condition that there is no or only a slight degree of freedom with regard to the parallelism of the laser beam to a plane defined by the gel electrophoresis paths, possibly the gel matrix. If there is a degree of freedom that requires adjustment in this regard, this parallelism should first be set, for example by taking appropriate structural precautions of the gel electrophoresis device.
Die Justage kann bei entsprechend ausgestatteter Gel-Elektrophorese- Einrichtung motorisch und vorzugsweise automatisch bzw. automatisiert erfolgen.
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 1 1 5, 450-457 ( 1 991 ), beschrieben ist, kann auch bei den Elektrophorese-Einrichtungen nach den genannten Aspekten der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.The adjustment can be carried out by a motor and preferably automatically or automatically if the gel electrophoresis device is equipped accordingly. In gel electrophoresis, so-called thermostatting plates are often used, which serve to keep the gel temperature as constant as possible in the direction perpendicular to the wall direction (direction of molecular propagation) of the molecules, i.e. to ensure a uniform temperature distribution across the direction of molecular propagation. At least one such thermostat plate, as described 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 1 15, 450-457 (1 991) , can also be used advantageously in the electrophoresis devices according to the aspects of the invention mentioned.
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 thermostat plate in the gel (in the gel matrix) to set a temperature gradient in the direction of molecular propagation and / or in a direction associated with a thickness of the gel matrix and essentially orthogonal to the thermostat plate, in the case of a thermostat plate which for the thermostatting of a heat exchanger medium (in general water) is flowed through (approximately like the thermostatic plate known from DE 30 46 729 C2 or the article mentioned), preferably in the state of continuous flow through the thermostatic plate with the heat exchanger 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 i m wesentlichen parallel zuei n ander u nd l ängs ei ner Molekülausbreitungsrichtung verlaufenden Gel-Elektrophorese-Bahnen, die in einer Gelmatrix, ggf. einem Pl.attengel, 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- E l e kt r o p h o r e s e - B a h n e n s c h n e i d e n d e r Q u e r r i c h t u n g z u r 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, according to a sixth aspect, the invention provides an electrophoresis device for analyzing labeled molecules, in particular biological molecules, which comprises: a plurality of gel electrophoresis tracks which run essentially parallel to one another and along a direction of molecular propagation, which run in a gel matrix, possibly a plate gel, at least one thermostatic plate which is in heat exchange connection with a gel matrix surface, an energy source for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis sheets, the thermostatic plate being suitable for this purpose . Establish and / or maintain a uniform temperature distribution in the gel matrix in the gel electrophoresis - path-cutting direction to the direction of molecular propagation, wherein the at least one thermostatic plate is further suitable for a temperature gradient in the direction of molecular propagation in the gel matrix and / or in a thickness associated with the gel matrix, which is essentially orthogonal to the thermostatic plate, wherein in the case of a thermostatic plate through which a heat exchanger means flows, this is preferably suitable for setting the temperature gradient in question in the state of continuous flow through the thermostatic plate with the heat exchanger means. Alternatively or additionally, the at least one thermostatic plate can be 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 the thermostatic plate through which a heat exchanger 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. Heizelementen, Peltierelemente und dergleichen) in Betracht.There are no restrictions with regard to the operating principle of the thermostat plate; this is in particular not limited to the use of heat exchanger means flowing through the plate. For example, direct thermostatting of the plate by means of electrical means (e.g. heating elements, Peltier elements and the like) can be considered.
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. A temperature profile can preferably be set with a temperature that decreases in the direction of molecular propagation, preferably in such a way that the temperature along the gel electrophoresis tracks decreases by several degrees (for example 2-10 °). Since the viscosity of the gel matrix decreases by approximately 2.4% per degree and a higher viscosity the mobility of the molecular bands in the gel Reduced accordingly, the decrease in temperature in the direction of molecular propagation causes the leading edge of each band to move from an area of higher mobility to an area of lower mobility. The result of this is that the bands moving under the influence of the electric field through the gel become sharper towards the detection region or at least diverge less, ie the band diffusion normally occurring during electrophoresis is counteracted at least to a certain extent. This "focusing effect" leads to a higher resolution and, in the case of the analysis of products of 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 expedient to set a temperature profile with a temperature increasing in the direction of molecular propagation, for which the thermostatic plate is preferably suitable. There is a particularly high degree of flexibility when the plate allows an optional setting of different temperature profiles, for example one with increasing temperature in the direction of molecular propagation and one with decreasing temperature in the direction of molecular propagation.
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 mithöherer 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 fürdie 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, based on the direction assigned to the thickness of the gel matrix, a temperature profile with a temperature maximum lying in a central region of the gel matrix can be adjustable. Due to the increasing mobility towards the central area, this leads to a concentration of the molecules in the central area of the gel matrix, which also counteracts a divergence of the band and results in a kind of focusing with higher resolution and longer sequence reading lengths. One explanation for this could be that there are more defined migration conditions for the molecules in the middle area of the gel opposite edge areas of the gel adjacent to the surfaces delimiting the gel. This concentration in the middle range is also with regard to a high excitation and Detection yield by a laser beam having, for example, a Gaussian beam profile is advantageous. In principle, however, the inventive proposal relating to the thermostat plate is independent of the type of marking of the molecules and of the type of detection of the marked molecules. For adjusting the temperature profile with a lying in a central region of the gel matrix maximum temperature it can 'be particularly expedient to arrange the gel matrix between two Thermostatisierplatten.
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.
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 w e s e n t l i c h e n p a r a l l e l z u e i n a n d e r u n d l ä n g s e i n e r 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 durchströmbareThermostatisierplatte, 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.The thermostatic plate can be suitable for setting a local temperature increase in a transverse area of the gel matrix corresponding to an initial area. If a laser arrangement is provided for exciting a plurality of fluorescence markers assigned to the molecules, which generates laser radiation in electrophoresis operation and which cuts at least one of the gel electrophoresis tracks as at least one laser beam which runs essentially transversely to the direction of molecular propagation in order to detect the respective gel areas in a detection area. To excite fluorescence markers associated with the electrophoresis pathway of the molecules present there, the detectability of the molecules marked with fluorescence markers can be improved by setting a local temperature increase in a transverse region including the respective detection region. The thermostatic plate is preferably suitable for this. The temperature increase in the transverse region mentioned leads to a broadening of the fluorescence marker bands and to an increase in the band spacing, as a result of which the bands can be “scanned” better by the regularly spatially narrowly delimited laser beam. The achievable sequence reading length is not significantly deteriorated if, at least over a larger part of the gel electrophoresis paths, the temperature down to the respective detection area is lower than in the said transverse area. When operating an electrophoresis device with a thermostating plate through which a heat exchanger means can flow, it was surprisingly found that a significant improvement in the measurement results with regard to reading length and reliability could be achieved in that the flow of the heat exchanger means (heat exchange medium, possibly water) through the preheated by the heat exchanger means Thermostat plate was interrupted after reaching a predetermined gel temperature and / or a predetermined gel temperature distribution. Accordingly, in a seventh aspect, the invention provides a method of operating an electrophoresis device for analyzing labeled molecules, particularly biological molecules, comprising: a plurality of substantially parallel gel electrophoresis tracks in a gel matrix that are parallel to one another in the direction of molecular propagation , possibly a plate gel, run at least one thermostating plate which is in heat exchange connection with a planar gel matrix surface and through which a heat exchange medium can flow, and which is suitable for producing and / or maintaining a uniform temperature distribution in the gel matrix in the crosswise direction of the molecular propagation path that intersects the gel electrophoresis paths , an energy source for applying an electrical potential to a start region and an end region of the gel electrophoresis sheets. According to the invention, the method has the step of interrupting the flow of the heat exchanger means through the thermostat plate preheated by the heat exchanger means after a predetermined / predeterminable gel temperature or / and a predetermined / predeterminable gel temperature distribution has been reached.
Erfindungsgemäß kann die Thermostatisierplatte in bekannter Art und Weise dafür verwendet werden, eine gleichmäßige Temperaturverteilung inAccording to the invention, the thermostatic plate can be used in a known manner to ensure an even temperature distribution 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.Set and maintain the transverse direction to the molecular propagation direction. After preheating the thermostat plate (also under known as thermostatic plate or thermoplate), however, the heat exchanger medium supply is interrupted, for example a water circuit is interrupted by a thermostated water bath through the plate. This results in positive effects on the electrophoresis analysis, on the one hand, by preventing vibrations that are induced by the circulating heat exchanger means and, above all, affect the glass surfaces of the thermostatic plates. Avoiding these small vibrations is particularly important insofar as, in the case of laser-assisted fluorescence marker detection, these vibrations are transmitted to the laser beam running through the gel layer, grazing the surface of the thermostat plate or even penetrating into the adjacent glass plate of the thermostat plate. For example, since longer DNA fragments in the gel only provide very narrow bands in the direction of molecular propagation (approximately 0.1 mm and less), such vibrations of the laser beam around the bands can reduce the resolution for longer DNA fragments and thus limit the sequence reading length.
Ein positiver Effekt ergibt sich zum anderen daraus, daß nach Unterbrechung des Wärmeaustauschermittelflusses die gleichmäßigeOn the other hand, a positive effect results from the fact that after the interruption of the heat exchanger medium flow, the uniform
Temperatur zuerst in einem gewissen Ausmaß durch die in der benachbarten Gelschicht während der Elektrophorese sich entwickelndenTemperature first to some extent by those developing in the adjacent gel layer during electrophoresis
Jouleschen-Wärme aufrechterhalten wird . Aufgrund einesJoule heat is maintained. Because of a
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 derHeat exchange, in particular by convection (convection of the heat exchange medium in the thermostatting plate and / or the surrounding air in a housing of the electrophoresis device that accommodates the thermostating plate with the gel), will after a time result in a temperature profile in the gel that has the positive effects mentioned, such as focusing of molecular bands. So with a vertical arrangement of the gel matrix and the
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.Thermostat plate with vertical direction of molecular spread from top to bottom a higher temperature in an upper area of the gel matrix and set a lower temperature in a lower region of the gel matrix, the thermostat plate still ensuring that uniform temperature conditions are maintained in the direction transverse to the direction of molecular propagation (and to the electrophoresis field). Due to the temperature distribution in the vertical direction which occurs as a result of the interruption of the heat exchanger medium circuit, the described focusing effect on the molecular bands is achieved by influencing the viscosity of the water buffer in the gel and thus the mobility of the bands in the gel.
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 above-mentioned method for operating an electrophoresis device, it may also be expedient that two thermostatting plates are provided, between which the gel matrix is arranged. Depending on the design and structure of the electrophoresis device, after interrupting the flow in the gel matrix there will be a temperature gradient in the direction of molecular propagation (preferably according to a temperature profile with a decreasing temperature in the direction of molecular propagation) or / and in a direction associated with a thickness of the gel matrix and essentially orthogonal to the thermostatic plate (preferably according to a temperature profile assigned to a direction assigned to the thickness of the gel matrix with a temperature maximum lying in a central region of the gel matrix). It is also possible that, with an appropriate arrangement of the thermostat plate, a temperature profile is set with increasing temperature in the direction of molecular propagation, which can also be expedient. Furthermore, a temperature profile with a local temperature increase or a local temperature decrease can be established in at least one transverse region of the gel matrix. In order to achieve such a temperature profile, the heat radiation from the gel matrix can be specifically influenced by shielding means, for example at least one shielding plate, for example by a temperature increase in 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 - to be obtained in a transverse area including the detection areas of the gel electrophoresis tracks. In the latter case, it is advisable to design and arrange a detector unit that absorbs the fluorescent radiation in such a way that it provides for the appropriate shielding of the gel matrix and thus - as a result of less heat radiation from the gel matrix in the transverse region mentioned - for setting the temperature increase in the transverse region ,
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 advantageously be used in the electrophoresis devices or methods according to the first to fifth aspects of the invention.
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 explained in more detail below with the aid of several exemplary embodiments with reference to the attached figures and in the text or tables included in the figures.
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 einerFIG. 2 shows a detector module of the device of FIG. 1 in one
Ansicht entsprechend einer Draufsicht auf Eingangsseiten von fünf übereinander angeordneten Optik- und Detektorfeld- Modulen des Detektormoduls.View corresponding to a top view of input sides of five optics 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 einerFIG. 3 shows an optics and detector field module according to FIG. 2 in one
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. 4 zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Elektrophorese-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 can be designed as an integral optical module. Fig. 4 shows a horizontal section through an electrophoresis
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 Detekto rfeld s mit zugeord neter An steuer- u nd Aus werteelektronik.1 according to an embodiment variant in the vertical region of a spectral filter and radiation guiding arrangement designed as an integral optical module with a schematic indication of a linear detector field formed by a series of photodiodes with assigned control and evaluation electronics.
Fig. 5 zeigt schematisch den Strahlengang des optischen Moduls derFig. 5 shows schematically the beam path of the optical module of the
Fig. 4 durch eine sogenannte Notched-Platte, einen ersten optischen Spektralfilter, das Gradientenindexlinsenfeld, einen zweiten optischen Spektralfilter, ein Umlenkprisma auf das Photodiodenfeld.4 by 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 alsFIG. 7 shows a diagram which shows the spectral sensitivity of the linear detector field formed from silicon photodiodes
Funktion der Wellenlänge angibt.Function of the wavelength indicates.
Fig. 8 zeigt nomierte Absorptions- und Emissionsspektren der bei derFig. 8 shows nominated absorption and emission spectra of the
Elektrophorese unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung im Falle einer gleichzeitigenElectrophoresis using an electrophoresis device according to the invention in the case of a simultaneous
Analyse von mit vier unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markierten Molekülen, beispielsweise Produkten von N uklei n säu re-Sequenzieru ngsreaktion en , bevorzugt verwendeten vier Fluoreszenzfarbstoffe (Fluoreszenzmarker, Fluorochrome) FITC, TexasRed™, CY 5.5 und. IRD 800 mitAnalysis of molecules labeled with four different fluorescent dyes, for example products of nucleic acid sequencing reactions, preferably using four fluorescent dyes (fluorescent markers, fluorochromes), FITC, TexasRed ™, CY 5.5 and . IRD 800 with
Angabe der bevorzugt zur Anregung des jeweiligen
Fluoreszenzfarbstoffs verwendeten Anregungswellenlänge und des bevorzugt verwendeten Lasertyps.Specification of the preferred to stimulate the particular Fluorescent dye used excitation wavelength and the preferred type of laser used.
Fig.9 zeigt die chemische Struktur von mit einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung bevorzugt eingesetzten9 shows the chemical structure of those preferably used with an electrophoresis device according to the invention
Fluoreszenzfarbstoffen.Fluorescent dyes.
Fig. 10 spezifiziert eine bevorzugt für die Detektion des10 specifies one preferred for the detection of the
Fluoreszenzfarbstoffs CY 2 verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung hinsichtlich einem bevorzugten spektralen Durchlaßbereich und einem bevorzugten Aufbau 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 derFluorescent dye CY 2 used spectral filter and radiation guide arrangement with regard to a preferred spectral passband and a preferred structure of the spectral filter arrangement, wherein in a table (Fig.10a) a transmission of 50% corresponding edge wavelengths of the spectral filter arrangement and data for the transmission of the spectral filter arrangement are given and in the diagram
Fig. 10b das Absorptions- und das Fluoreszenzspektrum des Farbstoffs CY 2 und Filterkennlinien der Spektralfilteranordnung für maximalen und minimalen Lichteinfallswinkel angegeben sind.10b the absorption and the fluorescence spectrum of the dye CY 2 and filter characteristics of the spectral filter arrangement for maximum and minimum light incidence angles are given.
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 Farbstoffs12 specifies those preferred for the detection of the dye
Rhodamin 6G verwendete Spektralfilter- und Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10.Rhodamine 6G used spectral filter and radiation guide arrangement in a representation corresponding to FIG. 10.
Fig. 13 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs13 specifies those preferred for the detection of the dye
TexasRed™ verwendete Spektralfilter- und
Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10.TexasRed ™ used spectral filter and Radiation guidance arrangement 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 CY15 specifies those preferred for the detection of the dye CY
5.5 ve rwe n d ete S p e ktr a l f i lte r- u n d Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10.5.5 USED SPECTRAL FILLING AND RADIATION RADIATION ARRANGEMENT IN A REFERENCE TO FIG. 10.
Fig. 16 spezifiziert die bevorzugt für die Detektion des Farbstoffs IRD16 specifies those preferred for the detection of the dye IRD
800 ve rwe nd ete Sp e ktra l f i lte r- u n d Strahlungsführungsanordnung in einer Darstellung entsprechend Fig. 10.800 used spectral filter and radiation guiding arrangement 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 a = 0° und beispielsweise in Frage kommendeFIG. 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 a = 0 ° and, for example, possible ones
Anregungswellenlängen und Lasertypen angibt.Indicates 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. 1 9 zeigt in Fig. 1 9a eine Querschnittsansicht mit einer sandwichartig zwischen zwei Thermostatisierplatten angeordneten Elektrophorese-Gelschicht und in Fig. 1 9b schematisch einen durch die Anordnung der Fig. 1 9a einstellbaren Temperaturgradienten im Gel in einer der Dicke der Gelschicht zugeordneten Richtung.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. 1 9 shows in Fig. 1 9a a cross-sectional view with an electrophoresis gel layer sandwiched between two thermostatic plates and in Fig. 1 9b schematically shows a temperature gradient in the gel adjustable by the arrangement of Fig. 1 9a 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 1 0 mit einer vertikal angeordneten Gelschicht oder Gelplatte 1 2, die zwischen einer sogenannten Notched- Platte oder Kerbenplatte 1 4 und einer Thermostatisierplatte oder Thermoplatte 1 6 angeordnet ist. Bei der Herstellung der Gelschicht 1 2 wurde eine an einem oberen Rand der Gelschicht 1 2 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 1 92 Geltaschen 1 8 und damit 1 92 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 Beiadens des Elektrophorese-Gels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zu analysierenden Proben bestehen grundsätzlich keine Einschränkungen, es kann beispielsweise auf die aus der W096/27787 und WO98/3091 1 bekannten Techniken und Verfahren verwiesen werden.Reference is first made to Figs. 1-3. Fig. 1 shows schematically a gel electrophoresis device 1 0 with a vertically arranged gel layer or gel plate 1 2, which is arranged between a so-called notched plate or notch plate 1 4 and a thermostatic plate or thermal plate 1 6. In the production of the gel layer 1 2, a row of recesses or pockets open at the top and arranged at an upper edge of the gel layer 1 2 was formed, 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, 1 92 gel pockets 1 8 and thus 1 92 gel electrophoresis sheets lying next to one another can be provided, corresponding, for example, to a sheet width of 1 mm and a sheet gap of 0.6 mm, so that, for example have 48 clones (4 lanes per clone) analyzed in a sequencing analysis 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 WO96 / 27787 and WO98 / 3091 1.
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 singt 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(derMolekülgröße, 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 Molekülen 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 molecules to be analyzed. In the case of the analysis of sequencing products, the upper buffer tank 22 is opposite to the lower buffer tank is more negative potential, 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 sings 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 region 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 the spatial separation of the Molecules in the vertical direction (whose 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 1 6 ist ein thermostatisierbares Wärmeaustauschermediumreservoir, vorzugsweiseeinthermostatisierbares Wasserbad 28 zugeordnet, wobei über eine Pumpe 30 ein Wärmeaustauscherkreislauf, ggf . Wasserkreislauf, durch die Th e rmo stati sie rp l atte 1 6 g ef ü h rt i st, u m g l e i c h m ä ßi g e
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- E i n ri c htu n g e n u n d d en H i nte rg ru nd d e r An a l yse vo n Sequenzierungsprodukten mittels einer derartigen Einrichtung wird ausdrücklich auf die W096/2321 3 verwiesen. Die Thermostatisierplatte 1 6 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 thermostatic plate 1 6 is assigned a thermostattable heat exchange medium reservoir, preferably a thermostattable water bath 28, a heat exchanger circuit, if necessary, via a pump 30. Water cycle, through which the thermostat is carried out 1 6, evenly Adjust or maintain temperature conditions, especially in the horizontal direction, across all gel electrophoresis lanes. 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 equipment and the background of the analysis of sequencing products by means of such a device, reference is expressly made to W096 / 2321 3. The thermostatic plate 1 6 can be designed in accordance with the thermostatic 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 1 2. 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 1 2. Die den vier Lasern zugeordneten Horizontalebenen sind vertikal gestaffelt angeordnet, und zwar vorzugsweise mit einem Vertikalabstand von ungefähr 1 0 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 1 0 mm seitlich in die Gelschicht 1 2 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 1 2 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 helium-neon laser 52 are arranged with a resonator axis defining the laser beam propagation direction at least approximately horizontally in a respective horizontal plane, and at least approximately parallel to gel layer 1 2. The semiconductor lasers 54 and 56 are likewise at least approximately horizontal with their corresponding resonator axis arranged in a respective horizontal plane, 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 emitted by the lasers , 64 and 66. The laser beams are deflected twice by deflection 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 to the at least deflected approximately 90 ° in order to couple the laser beams laterally into the gel layer 1 2 in a vertically 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 1 2, preferably adjustable by motor, in order to offset the laser beams in a respective horizontal plane in the transverse direction parallel to the gel layer and thus as precisely as possible in the Couple the middle of the gel layer (based on the thickness of the gel) into the gel. An adjustment of the laser beams by means of the adjustable Optical elements are preferably based on 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 mutually 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 daßderartige 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 the ideal Gaussian beam. 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 such beam conditioning is generally not necessary.
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 step 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 deflecting mirrors 70 and 72 for a further, Lasers arranged parallel to the lasers 50 and 52 can be mounted in order to couple five laser beams in a vertically stepped manner 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 . 8th). 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 1 06 und ein Gradientenindexlinsenfeld, beispielsweise einsog. SELFOC-Linsenfeld (SLA) 1 08 umfaßt, das beispielsweise vertikal übereinander sechs Reihen von Gradientenindexlinsen aufweist.
Bei dem Gradientenindexlinsenfeld 108 handelt es sich bevorzugt um ein Linsenfeld mit einer numerischen Apertur von etwa 0,6 entsprechend einem maximalen Einfallswinkel von a = ± 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 x 6 mm gegeben. Derartige Linsenfelder sind als Spezialanfertigung von der Nippon Sheet Glass Company, Japan, erhältlich.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, a spectral filter 106 and a gradient index lens field, for example sucked in. SELFOC lens array (SLA) 1 08 comprises, for example, six rows of gradient index lenses vertically one above the other. 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 a = ± 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 field 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 1 02 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 x 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 x 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 1 02 preferably comprises highly sensitive photodiodes with a dimension of the light-sensitive surfaces of about 3 mm, with a view to differentiating the gel electrophoresis sheets at least two photodiodes (pixels) per electrophoresis sheet should be provided, so that the linear Detector field preferably has at least 384 photodiodes arranged side by side. 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 x 0.2 mm is equal to 7.66 mm, corresponding to a very small proportion of only 2.5% of the total detector surface. Such photodiode modules are custom-made available 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 Moiekülausbreitungsrichtung M (im hier beschriebenen Beispielsfall 3 mm) andererseits bestehen hi nsichtl ich der Ausrichtu ng 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 Miekü propagation direction M (3 mm in the example described here) on the other hand, the orientation of the gradient index lens field 108 with respect to the detector field 108 is not particularly demanding.
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, a CCD field or another spatially resolving detector field can also be used, which enables a spatially resolved detection of the fluorescent light along a detection path which is defined by the course of the laser beams in the gel. The detector fields used can certainly have a matrix of detection pixels with several rows of pixels parallel to one another. The term “linear” used in relation to the detector fields is not restrictive in this respect and relates to the possibility of spatially resolved fluorescence light detection along a linear detection path according to the exemplary 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, in the following for a number of usable fluorescent markers suitable spectral filter specifications are given as an example. 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 gegenüberdem 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 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 (of the detector line) in a sectional view with the direction of view corresponding to the direction of molecular propagation M (in the arrangement according 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, whereby the photodetectors of the detector line in Fig. 4 are only indicated schematically.
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 1 08a, einem Absorptionsfilter 106a auf der Bildseite des Gradientenindexlinsenfelds 1 08a, einem optischen Interferenzfilter 1 07a auf der Objektseite des Gradientenindexlinsenfeldes 108a und einem verspiegelten Umlenkprisma aus hochbrechendem Flintglas SF 4 1 10a besteht. Die Spektralfilter 106a, 1 07a und das Umlenkprisma 1 1 0a 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 Abberation bedingte unterschiedliche Weglängen allerdings auch dadurch ausgleichen, daß sich die optischen Einheiten 1 1 2a durch Verschieben auf der optischen Achse einjustieren lassen. Zur Ausbildung der jeweiligen optischen Einheit 1 05a aus den Filtern 1 06a,
1 07a, dem Gradientenindexlinsenfeld 108a und dem Umlenkprisma 1 10a 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 1 08a, an absorption filter 106a on the image side of the Gradient index lens array 1 08a, an optical interference filter 1 07a on the object side of the gradient index lens array 108a and a mirrored deflection prism made of high-index flint glass SF 4 1 10a. The spectral filters 106a, 1 07a and the deflection prism 1 10a are glued directly onto the gradient index lens field 108a and onto an aluminum carrier rail 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 1 1 2a can be adjusted by shifting on the optical axis. To form the respective optical unit 1 05a from the filters 1 06a, 1 07a, the gradient index lens field 108a and the deflecting prism 1 10a can also be added that the bonding can be carried out, for example, by means of an optical adhesive based on silicone, which preferably has a low viscosity and is preferably adapted in terms of its refractive index 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 1 1 4a, auf der auch Taktgeber und Multiplexer 1 1 6a 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 x 0,02 mm = 7,66 mm breit entsprechend einem sehr geringen Anteil von nur 2,5 % an der gesamten Detektorfläche.Like the detector field 102, the linear detector field 102a assigned to the respective fluorescent dye consists of six modules arranged in a linear manner, which are plugged in on a common carrier board 1 1 4a, on which clock generators and multiplexers 1 1 6a 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 x 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.
Die Trägerplatine 1 14a mit den darauf angeordneten Detektorfeldern 102a und die optischen Module 1 1 2a 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 1 14a mit einem jeweiligen Detektorfeld 102a und fünf zugeordnete integrale optische Module 1 1 2a aufweisen. Aufgrund des durch die Umlenkprismen 1 1 0a erreichten geknickten Strahlengangs wird der minimale vertikale Abstand zwischen den einzelnen Detektionsanordnungen durch die Bauhöhe der Gradientenindexlinsenfelder 108a bestimmt, die etwa 1 0 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 gradient index lens field 108a 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. The carrier board 1 14a with the detector fields 102a arranged thereon and the optical modules 1 1 2a are received and held in a common detector module according to FIG. 2 with a common, shielding housing. 1, the detector module 90 can thus have five carrier boards 114a with a respective detector field 102a and five associated integral optical modules 11 2a. Due to the bent beam path achieved by the deflection prisms 1 10a, the minimum vertical distance between the individual detection arrangements is determined by the structural height of the gradient index lens fields 108a, 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). To prevent premature degradation of the To avoid 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, so that the fluorescence marker-labeled molecules first have 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 Emissionsspektrumsund geeignete Anregungs-Lichtquellen ist in Tabelle 1 gegeben.
Basically, there are no restrictions with regard to the fluorescent dyes that can be used. An overview of fluorescent dyes that can be used for DNA sequencing with the maxima of the respective excitation and emission spectrum and suitable excitation light sources is given in Table 1.
Tabelle 1Table 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 e (λem) und der Quantenausbeute q (Λem) des jeweiligen Farbstoffs bei der entsprechenden Anregungswellenlänge Λem angegeben, das ein Maß für die erzielbare Fluσreszenzausbeute 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 thereby fluorochromes that can be excited. The right column of the table shows the product of the extinction coefficient e (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.
Tabelle 2Table 2
Eine Übersicht über in einer erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung beispielsweise ei n setzbare Lasertypen mit Wel lenl ä n ge n , 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.
Tabelle 3An overview of the types of lasers that can be used in an electrophoresis device according to the invention with wavelengths, output powers and the respective absorption maximum of selectively excitable fluorescent dyes is given in Table 3. By selective excitation of the fluorochromes close to the respective absorption maximum, only low laser output powers between 3 and 5 mW are required. Higher laser powers can even be harmful, since effects such as photo-bleaching of the dyes, radiation-induced chemical reactions of the dyes with the gel matrix and change in their refractive index, and an increase in the background due to scattered radiation can occur. Furthermore, the yield of fluorescence does not increase in proportion to the power of the excitation light source, since saturation can occur due to the depletion of the energetic ground state of the fluorochromes. Laser types whose output power cannot be regulated or can only be regulated with difficulty can therefore be weakened, for example, by means of optical neutral filters in the beam path. Table 3
Bezugnehmend auf die Fig. 10 bis 1 6 sollen nun für die bevorzugt eingesetzten Farbstoffe CY 2, FITC, Rhodamin 6G, TexasRed, CY 5, CY 5.5 und IRD 800 die spektralen Eigenschaften der zur Detektion der jeweiligen Emissionsstrahlung gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ei ngesetzten Dete kto rein heiten , speziel l 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 Raylaigh- 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 1 6, the spectral properties of the dyes CY 2, FITC, Rhodamine 6G, Texas Red, CY 5, CY 5.5 and IRD 800 are to be used for the detection of the respective emission radiation according to the exemplary embodiment described here Deta tto purities, especially l of 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 Raylaigh and Raman scattered light in order to be able to detect the comparatively much weaker fluorescent light at all. By selective excitation and detection of the individual fluorescent markers (fluorochromes) it is further ensured 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 a = 0° und ΛC1 = 492 nm und λC2 = 514 nm für einen einem maximalen Akzeptanzwinkel des Gradientenindexlinsenfeldes entsprechenden Lichteinfallwinkel a = 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 1 0"4 im Lichteinfallwinkelbereich 0° bis 20° . Für das Emissionsspektrum des Farbstoffs erhält man bei einem Lichteinfallwinkel von 0° für den Wellenlängenbereich 495 bis 51 5 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 a = 0° und für a = 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. 1 2) 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 an absorption short-pass filter, an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter is used as the filter Edge wavelengths λ c1 , λ C2 of 494 nm and 524 nm for a light incidence angle a = 0 ° and Λ C1 = 492 nm and λ C2 = 514 nm for a light incidence angle a = 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%). In the preferably used excitation wavelength of 473 nm, the transmittance of the spectral filter is less than 1 0 "4 in the light incident angle range 0 ° to 20 °. Is obtained at a light incident angle of 0 ° for the wavelength range 495 for the emission spectrum of the dye to 51 5 nm, a transmission 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 10b shows a diagram which indicates the transmission of the spectral filter arrangement as a function of the wavelength for a = 0 ° and for a = 20 ° In addition, the absorption spectrum A and the emission spectrum E of the dye CY 2 and that are preferred used excitation wavelength 473 nm is drawn in. This is also preferred for the excitation of the dye rhodamine 6G (cf. Fig. 1 2) used excitation wavelength of 532 nm.
Fig. 1 1 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. 1 1 shows corresponding data for a detector assigned to the dye FITC. 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. 1 2 gezeigt. Die Spektralfilteranordnung besteht bevorzugt aus einem
Interferenz-Bandpaßfilter und einem Absorptions-Kurzpaßfilter, dessen Transmission in Fig. 1 2b zusätzlich angegeben ist (Kurve K).The data of a detector assigned to the dye rhodamine 6G are shown in FIG. 1 2. The spectral filter arrangement preferably consists of a Interference bandpass filter and an absorption shortpass filter, the transmission of which is additionally indicated in FIG. 1 2b (curve K).
Der Fluoreszenzmarker TexasRed™ kann beispielsweise mittels eines Detektors detektiert weden, dessen spektralen Spezifikationen in Fig. 1 3 angegeben sind. Die Spektralfilteranordnung ist bevorzugt von einem Interferenz-Bandpaßfilter und einem Absorptions-Langpaßfilter gebildet. Die Transmission des Langpaßfilters ist in Fig. 1 3b zusätzlich angegeben (Kurve L) .The fluorescent marker TexasRed ™ can be detected, for example, by means of a detector, the spectral specifications of which are given in FIG. 1 3. 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. 1 3b (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. 1 5 angegeben. Die Anregung des Farbstoff 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. 1 5 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. 1 5. The dye CY 5.5 can be excited, for example, by means of a laser diode which 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 spektralenFor the detection of the dye IRD 800, which is chemically identical to the fluorochrome IRD 41, a detector can be used, its spectral
Spezifikationen in Fig. 1 6 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. 1 6b und dem entsprechenden Spektrum in Fig. ' 8 ist anzumerken, daß der gezeigte Abfall der Emission zu längeren Wellenlängen hin etwas überzeichnet dargestellt sein dürfte.Specifications are given in Fig. 1 6. The spectral filter arrangement can consist of an absorption long-pass filter and an interference band-pass filter be educated. 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. 1 6b 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. 1 7 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 σ = 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.
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 1 5 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 excitation and absorption spectra of the dyes mentioned, the pass bands of the assigned spectral filter arrangements to be understood as examples, and the excitation wavelengths in question to be understood as examples are summarized in the diagram in FIG. 1 7, of the absorption spectra (A) and the emission spectra (E) in each case the range of a relative signal strength standardized to 1> 0.2 and for the spectral filters in each case the pass range for the light incidence angle σ = 0 ° is given. 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 , The crosstalk of the four detectors for the dyes fluorescein, TexasRed, CY 5.5 and IRD 800 was determined quantitatively as follows: After measuring the thermal background in complete darkness, i.e. lasers switched off, the laser beams assigned to the four detectors were coupled into an electrophoresis gel onto which no samples were applied. The lasers were switched on one after the other with a time interval of about 15 minutes. The measured values for the background radiation were in each case averaged over 40 photodiodes. The following table 4 shows the rise in the output voltage of the detector in digital units of the A / D converter used in absolute terms and as a 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.
Tabelle 4Table 4
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 Einflußder durch die Lasereinstrahlung erhöhten Untergrundstrahlung auf das Signal-zuRausch-Verhältnis des jeweiligen Detektors und damit auf das Trennvermögen des Systems weitgehend vernachlässigt werden kann. Further tests showed that the increase in the radiation background (maximum 34% for the detector for CY 5.5) is constant over time and does not change during the course of the electrophoresis operation. This increase can thus be subtracted arithmetically as a constant background from the electrophoresis useful signal, so that the influence of the background radiation increased by the laser radiation on the signal-to-noise ratio of the respective detector and thus on the separability 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 we rd e n , n i c ht a be r d as D u rch l a ufe n d e r e i g entl i ch e n Sequenzierungsprodukte. Es traten also keinerlei nachweisbare 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.In order to investigate possible radiation of the fluorescence emission light of the dyes into the detectors not assigned to them, a sequencing run was carried out for the four dyes with samples which were labeled with only this one of the four dyes. Labeled primers were used. During the sequencing run, the signals from the non-corresponding detectors were also recorded. The strongest signals appeared at the beginning of each sequencing run as the primers passed through the laser beams. In all cases, only this passage through the primers could be recognized in the other detectors, i n c ht a d a r th th e lo c ting of the sequencing products. So there was no detectable interference in the area of the actual sequence signals. The spectral selectivity of the detector system was therefore sufficient to analyze the DNA samples labeled with different dyes simultaneously, but independently of one another.
In Tabelle 5 und Tabelle 6 sind Ergebnisse zum Auflösungsvermögen des Detektionssystems hinsichtlich der Abstände der Elektrophorese-Bahnen (Spuren) und dem Separationsabstand gezeigt.
Tabelle 5Table 5 and Table 6 show results on the resolving power of the detection system with regard to the distances between the electrophoresis tracks (tracks) and the separation distance. Table 5
Tabelle 6Table 6
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 Gelen in einem Lauf über 1 200 Basen gelesen wurde. 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 independent of the distance between the tracks on the electrophoresis gel, as long as the Nyquist scanning theorem is adhered to, which requires at least two pixels (in the present exemplary embodiment formed by photodiodes) per track. Table 6 makes it clear that doubling the separation distance from 21 cm to 42 cm by using 60 cm long thermostated glass plates brings a considerable advantage, namely an increase in the average number of bases read by 40%, so that with 60 cm long gels in one Run over 1,200 bases was read. To However, it should be taken into account that the beam diameter in the electrophoresis gel is not constant in the beam propagation direction. Ideally, the beam waist of the laser beam is placed in the middle of the gel so that the highest resolution can be expected here. The resolution then decreases towards the edges in accordance with the beam diameter and the divergence angle of the laser beam. On average, reading lengths of over 800 bases were achieved.
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 using an electrophoresis device according to the invention:
Beispiel 1example 1
1 .1 Material und Methoden1 .1 Material and methods
Primerdesign und SynthesePrimer design and synthesis
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), TexasRed- (TR), CY 5.5 und IRD 800 verwendet.Either standard primers (UPO, UP-40, RPO, T7, T7term) or the specific primers 1 to 8 specified below were used as primers. Suitable vectors with inserts to be sequenced were used as matrices for the respective primers. The fluorescent dyes fluorescein isothiocyanate (FITC), TexasRed- (TR), CY 5.5 and IRD 800 were used as labels.
Die Sequenzen und Markierungen der verwendeten Primer sind in Tabelle 7 zusammengefaßt.
Tabelle 7The sequences and labels of the primers used are summarized in Table 7. Table 7
SequenzierprotokolleSequenzierprotokolle
Alle, Sequenzierungsreaktionen wurden als Thermocycling-Reaktionen (Murray et al., Nucleic Acids Res. 1 7 ( 1 989), 8889) unter Verwendung eines Thermocycler (MJ Research, PTC-200) mit dem folgenden Profil durchgeführt: 25 oder 40 Zyklen bei 97 °C für 1 5 sec, 55 °C für 30 sec, 68 °C für 60 sec bzw. 30 sec.All sequencing reactions were performed as thermocycling reactions (Murray et al., Nucleic Acids Res. 17 (1 989), 8889) using a thermal cycler (MJ Research, PTC-200) with the following profile: 25 or 40 cycles at 97 ° C for 1 5 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 templates - number of reaction vessels) were as follows:
Tandem-Duplex-Reaktion (4-2-1 )Tandem duplex response (4-2-1)
3 μl DNA Matrize 1 (1 μg/μl) wurden mit 2 μ\ DNA Matrize 2 (0,5 μg/μl) und jeweils 3 μ\ der Primer FITC-T7term (4 μM), TR-T7, CY 5.5-RPO und IRD 800-UPO (jeweils 2 μM), 2, 1 μ\ 10x Cyclingpuffer, 3 μ\ AmpliTaqFS
(Applied Biosystems) und 1 ,9 μl Wasser vermischt. Das Gemisch wurde in vier Aliquots (jeweils 5 μ\) unterteilt. 3 μ\ der jeweiligen Terminationsmischung (A, C, G, T) wurden in die einzelnen Aliquots gegeben. Dann wurde das Thermocycling gestartet. Nach 25 Zyklen wurden 1 μ\ Stopp-Lösung zu jeder Reaktion gegeben und das Volumen während einer Denaturierung bei 95 °C für etwa 1 0 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurde der Ansatz auf Eis gestellt.3 μl of DNA template 1 (1 μg / μl) were mixed with 2 μ \ DNA template 2 (0.5 μg / μl) and 3 μ each of the primers FITC-T7term (4 μM), TR-T7, CY 5.5-RPO and IRD 800-UPO (2 μM each), 2, 1 μ \ 10x cycling buffer, 3 μ \ AmpliTaqFS (Applied Biosystems) and 1.9 ul water mixed. The mixture was divided into four aliquots (5 μ \ each). 3 μ \ of the respective termination mixture (A, C, G, T) were added to the individual aliquots. Then thermal cycling was started. After 25 cycles, 1μ stop solution was added to each reaction and the volume reduced by about half during denaturation at 95 ° C for about 10 minutes. Then the batch was put on hold.
Quadruplex-Reaktion (4-4-1 ) 2 μ\ DNA Matrize 1 (0,5 μg/μl) wurden mit 3 μ\ DNA Matrize 2 (0,3 μg/μl), 5 μ\ DNA Matrize 3 (0,2 μg/μl), 3 μ\ DNA Matrize 4 (0,3 μg/μl) und jeweils 1 μ\ der Primer 1 bis 4 (jeweils 5 μM), 2,4 μl 1 0 X 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 1 0 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurden die Ansätze auf Eis gestellt.Quadruplex reaction (4-4-1) 2 μ \ DNA template 1 (0.5 μg / μl) was combined with 3 μ \ DNA template 2 (0.3 μg / μl), 5 μ \ DNA template 3 (0, 2 μg / μl), 3 μ \ DNA template 4 (0.3 μg / μl) and 1 μ each of primers 1 to 4 (5 μM each), 2.4 μl 1 X X cycling buffer, 3 μl AmpliTaqFS and 1 , 5 ul DMSO mixed. The mixture was divided into four aliquots (5 μl each) and 3 μl of the respective termination mixture (A, C, G, T) were pipetted into the individual aliquots. Then thermal cycling was started. After 25 cycles, 1 ul stop solution was added to each reaction and the volume reduced by about half during denaturation at 95 ° C for about 10 minutes. Then the approaches were put on hold.
Sequenzlücken-Auffüllreaktion (4-1 -1 )Sequence gap filling reaction (4-1 -1)
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 X 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 1 0 min um etwa die Hälfte verringert. Dann wurden die Ansätze auf Eis gestellt.1.5 μl DNA template 1 (0.7 μg / μl) were mixed with 2 μl each of primers 5 to 8 (2 μM each), 2.1 μl 10 X cycling buffer, 3 μl AmpliTaqFS, 1.5 μl DMSO and 4 , 9 ul water mixed. The mixture was divided into four aliquots (5 μl each) and 3 μl of the respective termination mixture (A, C, G, T) were pipetted into the individual aliquots. Then thermal cycling was started. After 25 cycles, 1 µl of stop solution was added to each reaction and the volume was reduced by about half during a denaturation at 95 ° C for about 10 minutes. Then the approaches were put on hold.
Kompetierende Tandem-Duplex-Reaktion (4-1 -1 )
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 X 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.Competitive tandem duplex reaction (4-1-1) 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, each 2 μM), 2.0 μl 10 X cycling buffer, 3 μl AmpliTaqFS and 3 μl water mixed. The mixture was divided into four aliquots (5 μl each) and 3 μl of the respective termination mixture (A, C, G, T) were pipetted into the individual aliquots. Then thermal cycling was started. After 40 cycles (extension at 68 ° C for 60 sec), 1 ul stop solution was added to each reaction batch and the volume was reduced to about half during a denaturation at 95 ° C for about 10 min. 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.Corresponding results were also achieved with the reagents of the commercial cycle sequencing kit from Applied Biosystems (TaqFS Dye Primer Cycle Sequencing Kit).
1 .2 Automatisierte DNA-Sequenziervorrichtung1 .2 Automated DNA sequencer
Zur Anregung der vier Fluoreszenzfarbstoffe wurden vier Laser mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet, die entsprechend dem jeweiligen Absorptionsspektrum des Flureszenzfarbstoffs ausgewählt worden waren. Die Lasertypen und -leistungen sind in der folgenden Tabelle 8 dargestellt.To excite the four fluorescent dyes, four lasers with different emission wavelengths were used, which had been selected in accordance with the respective absorption spectrum of the fluorescent dye. The laser types and powers are shown in Table 8 below.
Tabelle 8Table 8
Die Laser wurden in das Gel über eine einzige Kopplungsplatte an vier unterschiedlichen Positionen mit einem vertikalen Abstand von jeweils 1 0 mm zwischen den Strahlen eingekoppelt. Eine Feineinstellung der Strahlposition erfolgte individuell für alle vier Laser durch eine motorisierte optische Bühne. The lasers were coupled into the gel via a single coupling plate at four different positions with a vertical distance of 10 mm between the beams. The beam position was fine-tuned individually for all four lasers using a motorized 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 filters were selected for the optimal transmission of the respective emission light spectra and the maximum suppression of scattered excitation laser light and of the infrared background due to glass and gel fluorescence. The high selectivity of the transmission profile was achieved by a combination of absorption and multilayer interference filters (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 focused on the detectors by an optical system that provides a spatially continuous and upright image, high resolution and a high aperture (i.e. minimal photon loss). A gradient index lens array (Nippon Sheet Glass Company, Japan) was used to collect and image fluorescent light.
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 stacked detector arrays (Hamamatsu Photonics, Japan), onto which the fluorescent light was imaged by a respective gradient index lens array (cf. the explanations above for the exemplary embodiment of the electrophoresis device).
1 .3 Gelelektrophorese1 .3 Gel electrophoresis
Die Auftrennung der Produkte der Sequenzierreaktionen erfolgte auf 5,0 % oder 4,3 % Hydrolink Long Ranger denaturierenden Gelen (AT Biochem, Malvern, PA, USA) mit 42 % Harnstoff. Lauf- und Gelpuffer waren 1 ,2 x
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 Gele 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 on 5.0% or 4.3% Hydrolink Long Ranger denaturing gels (AT Biochem, Malvern, PA, USA) with 42% urea. Running and gel buffers were 1, 2 x TBE. 100 ml of gel solution were polymerized by adding 84.5 μl of N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (TEMED) and 650 μl of 10% ammonium peroxodisulfate (APS) solution in water. The gels were 0.30 mm thick. The temperature was 45 ° C. The separation was carried out over a distance of approximately 50 cm using 60 cm long and 34 cm wide glass plates. The electrophoresis was carried out with a power of 60 W and an initial voltage of about 1500 V.
Die Sequenzen aller vier unterschiedlich markierten Reaktionsprodukte mit einer einzigen Gelbahn wurden on-line 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 web were detected on-line and recorded in a computer. The evaluation was carried out automatically after the end of the run using the software packages Lanetracker and Geneskipper (EMBL, Schwager et al.).
1.4 Gelbeladung1.4 Gel loading
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.To handle the large number of samples and the simultaneous loading of the 120 traces of a gel, combs made of porous filter material and a robot system (Beckman Biomek 2000) were 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 (Plexiglas) block with the sample suspension by a pipetting robot. By dipping the teeth of the comb into the pockets of the plexiglass block, the porous material absorbs the sample liquid by capillary action. The comb containing the samples is then inserted between the glass plates just above the straight edge of the polymerized gel. When the electric field is applied, 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.0.6 μl of the sequencing samples were loaded onto the comb using this technique. In addition, four standard sequencing reactions (4-4-4) and two duplex Sequencing reactions (4-2-2) carried out in separate reaction vessels, premixed and loaded onto the comb or loaded separately onto the same teeth of the comb without premixing all four reactions. The results obtained were identical to those of the protocols described above.
1 .5 Ergebnisse1.5 results
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 use of different strategies. Four different matrices were thus prepared in one reaction vessel using four differently labeled primers (4-4-1), two different matrices with a tandem duplex sequence reaction in two directions and four differently labeled primers in one vessel (4-2-1). and sequence gap filling reactions were successfully carried out using four "walking primers" to simultaneously close four gaps on the same template in a vessel (4-1-1).
Bei einer Auflösung von 1000 Basen pro Strang konnten durch die beschriebenen Techniken etwa 4000 Basen pro Sequenzierungsreaktion bestimmt werden. Dies bedeutet, daß 1 20 Sequenzierungsreaktionen auf einem einzigen Gel aufgetrennt werden können, wodurch 1 20 kb Information pro Gel erhalten werden.With a resolution of 1000 bases per strand, about 4000 bases per sequencing reaction could be determined by the techniques described. This means that 1 20 sequencing reactions can be separated on a single gel, thereby obtaining 1 20 kb information 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.
Das mittels der erfindungsgemäßen Elektrophorese-Einrichtung durchführbare Fluoreszenz-Quadruplex-Sequenzierverfahren ist auch für innere Markierungen oder Farbstoff-markierte Terminatoren geeignet.The excitation of the fluorescent dyes and the collection of emission light took place continuously over the width of the gel and continuously over the entire duration. Each dye could be selectively excited and detected. The accuracy and readable sequence length showed no difference compared to standard sequencing reactions. The fluorescence quadruplex sequencing method which can be carried out by means of the electrophoresis device according to the invention is also suitable for internal labels or dye-labeled terminators.
Beispiel 2Example 2
Mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Protokoll wurden gleichzeitig 1 92 Sequenzierungsreaktionen (d. h. 48 Sequenzierungsreaktionen an jeweils unabhängigen Klonen) auf einem einzigen Gel aufgetrennt. Dabei konnten 1 55 kb oder mehr Informationen pro Gel erhalten werden.Using the protocol described in Example 1, 1,92 sequencing reactions (i.e. 48 sequencing reactions on independent clones in each case) were separated simultaneously on a single gel. Thereby, 1 55 kb or more information per gel was obtained.
Beispiel 3Example 3
Der in Beispiel 1 verwendete Farbstoff FITC wurde durch 5-Carboxy- Rhodamin 6G ersetzt. Statt des Argon-Laser 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 replaced by 5-carboxy-rhodamine 6G. Instead of the argon laser, a neodymium-YAG laser with an emission wavelength of 532 nm and a power of 5 to 10 mW was used. Here too, selective excitation and selective detection of four dyes on a gel sheet was possible.
Beispiel 4Example 4
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, dye CY 2 was used. A neodymium YAG laser with a wavelength of 473 nm and a power of 5 to 10 mW was used as the excitation light source.
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 is possible even when five fluorescent dyes are used simultaneously on a gel sheet.
Im folgenden wird die Erfindung hinsichtlich weiterer Aspekte auf Grundlage von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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 3046 729 C2. Die thermostatisierbare Platte 1 6b besteht aus einer unteren Glasplatte 1 1 2 und einer oberen Glasplatte 21 4, die parallel übereinander angeordet sind und von einem mehrteiligen Abstandsstreifen 21 6 in definiertem Abstand voneinander gehalten werden. Die beiden Glasplatten 21 2 und 21 4 haben vorzugsweise den gleichen Umriß, können jedoch unterschiedliche Dicken aufweisen, beispielsweise 3 mm für die untere Glasplatte 21 2 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 21 6 aus Spiegel-Glas oder Floated-Glas, um eine hohe Planizität zu gewährleisten.The invention is explained in more detail below with regard to further aspects on the basis of exemplary embodiments. 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 3046 729 C2 already referred to. The thermostattable plate 1 6b consists of a lower glass plate 1 1 2 and an upper glass plate 21 4, which are arranged in parallel one above the other and are held at a defined distance from one another by a multi-part spacer strip 21 6. The two glass plates 21 2 and 21 4 preferably have the same outline, but can have different thicknesses, for example 3 mm for the lower glass plate 21 2 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 21 6, are made of mirror glass or floated glass in order to ensure high planicity.
Der Abstandsstreifen 21 6 läuft entlang des rechteckigen Umrisses der Glasplatten 21 2 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 21 6 runs along the rectangular outline of the glass plates 21 2 and 214. It consists of two six sections running from top to bottom in FIG. 1, the left one being designated 220 and the right one being 222, and two of them Cross sections 224 and 226 connecting ends.
Der Abstandsstreifen 21 6 ist in sich geschlossen und schließt daher einen Innenraum 228 zwischen den Glasplatten 21 2 und 21 4 ein. Um durch den Innenraum 21 8 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 21 6 integriert.
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 Strömu ngsrichtu ng C des W ä r m e a u s t a u s c h e r m i tt e l s b e v o r z u g t s e n k r e c h t z u r 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.The spacer strip 21 6 is self-contained and therefore includes an interior 228 between the glass plates 21 2 and 21 4. To through the interior 21 8 heat exchanger means, for. B. via a separate thermostat heating water or from the thermal bath and pump assembly 28, 30 (Fig. 1) water, two connections are provided, an inlet connection 230 and an outlet connection 232. The inlet connections are by means of the Glue used glue tightly integrated into the spacer strips 21 6. 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 perpendicular to the direction of molecular propagation M, which in the illustration in FIG. 6 deviates from the illustration in FIG. 1 from bottom to top. 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. 1 8 gezeigt. Die hier gezeigte thermostatisierbare Platte 1 6c weist in Que.rrichtung 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 Ablauf anschluß 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 1 6c entlang der Molekülausbreitungsrichtung M einzustellen. So kann beispielsweise ein rechts der Platte 1 6c 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 1 0°, 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 eine,m 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. 1 8. The thermostattable plate 16c shown here has continuous guide strips 240 'in the transverse direction, 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 16c along the molecular propagation direction M. For example, a temperature profile T, indicated schematically on the right of the plate 1 6c, can be set, according to which the temperature of the plate and thus of the adjacent gel layer increases in the direction of molecular propagation M, while in the transverse direction a substantially constant temperature prevails. 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 molecular propagation direction has proven to be advantageous in order to achieve a kind of focusing effect for the bands moving in the molecular propagation direction 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 the setting of a wide variety of temperature profiles, for example also a temperature profile with increasing temperature in the direction of molecular propagation. Furthermore, it may be advantageous to provide a locally elevated temperature in an initial region of the gel electrophoresis tracks in order to create more denaturing conditions for the DNA.
Die Detektion der Banden mittels wenigstens eines Laserstrahls kann dadurch unterstützt werden, daß im vom Laserstrahl geschnittenen Bereich des . Gels eine Teperaturüberhöhung, 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 be supported in that in the area of the laser beam cut by the laser beam. If a temperature rise, that is a locally higher temperature, is set. This leads to a targeted broadening of the bands and an increase in the band spacing, which results in a better detectability of the bands.
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 M o lekü le i m G el zu schaffen . Ansc h l i eßend wi rd d er 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 Konve ktion . d er u mgebend en Atmosph äre oder/u nd d es 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 2Ausmaß aufrechterhalten aufgrund der während der Elektrophorese im Gel sich entwickelten Jouleschen 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. After this mode of operation, the vertical in a thermostatted plate arranged 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 ensure the conditions for a uniform and parallel migration of the mole cules to be analyzed in g el to create. The heat exchanger medium circuit is then interrupted by the thermostattable plate, for example by uncoupling 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. It also arises 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 a convection. The surrounding atmosphere or / and the heat exchange medium in the plate enter a temperature gradient in the direction of molecular propagation M, with a higher temperature 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 lanes. Despite the interruption of the heat exchange medium circuit, the general temperature level, apart from the temperature gradient, is maintained at least to a certain extent due to the Joule heat developed in the gel during electrophoresis, so that the denaturing conditions in the gel are maintained. This way too using a thermostattable plate as shown in FIG. 6, a temperature profile falling 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 thermostatic plate appropriately and, if necessary, additional shielding measures, other temperature profiles, possibly with a local temperature increase in at least one transverse area of the gel, 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 Jouleschen Wärme sowie beispielsweise zweier thermostatisierbaren Platten 1 6d 1 und 1 6d2, zwischen denen die Gelschicht 1 2d angeordnet ist (vgl. Fig. 1 9a), 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. 1 9b 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.
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 Absorptionsund Emissionsselektivität und die Wellenlängen der zur Anregung der Fluoreszenzmarker eingesetzten Laserstrahlen in entsprechender Weise aufeinander abgestimmt.
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 1 6d 1 and 1 6d2, between which the gel layer 1 2d is arranged (see FIG. 1 9a), a temperature gradient can be set accordingly in the direction mentioned 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. 1 9b. 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. The invention relates to an electrophoresis device for analyzing fluorescent marker-labeled molecules, in particular biological molecules, which according to one aspect of the invention is suitable for independently of one another at least four different fluorescent markers by means of an associated detector field according to the respective gel electrophoresis pathway and the to detect the respective fluorescent marker in a resolved manner. For this purpose, spectral filters are matched to one another in a corresponding manner with regard to their spectral selectivity, the fluorescent markers with regard to their spectral absorption and emission selectivity and the wavelengths of the laser beams used to excite the fluorescent markers.