DE19926985A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gelelektrophorese - Google Patents

Abstract

In einem Gelelektrophoresesystem, bei dem eine Vielzahl von Proben matrixartig in geraden Reihen und Spalten auf ein flächiges Trenngel 131 aufgebracht wird und unter der Wirkung eines elektrischen Feldes durch das Trenngel 130 läuft, wird mit mindestens zwei Elektrodenpaaren 121, 122 bzw. 123, 124, die an gegenüberliegenden Rändern des Trenngels angeordnete Elektroden umfassen, ein elektrischer Strom mit einer effektiven Stromrichtung derart gebildet, daß die Proben entsprechend mit einer Laufrichtung, die von den Reihen- und Spaltenrichtungen der Probenanordnung abweicht, durch das Trenngel laufen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gelelektrophorese mit einem Gelelektrophoresesystem, bei dem eine Vielzahl von Proben simultan und räumlich voneinander ge­ trennt auf eine flächige Gelmatrix in einer Pufferkammer auf­ gebracht werden und unter der Wirkung eines elektrischen Fel­ des durch die Gelmatrix laufen.

Die Gelelektrophorese ist ein allgemein bekanntes analytisches Trennverfahren, bei dem aus verschiedenen Komponenten zusam­ mengesetzte Proben unter der Wirkung eines elektrischen Feldes durch ein Gel laufen, wobei die verschiedenen Komponenten mit verschiedenen elektrischen Eigenschaften sich in ihrer Laufge­ schwindigkeit und damit im Ergebnis der Trennung in ihrer Po­ sition im Gel unterscheiden. Bevorzugte Anwendungen ergeben sich in der Biochemie, Biologie und Medizin, z. B. bei der Ana­ lyse von DNA-Proben (Primer, PCR-Produkte, Plasmide, usw.).

Allgemein gilt bei der Elektrophorese:

= .Q (1)

mit: = elektr. Kraft, = elektr. Feldstärke und Q = elektr. Ladung im Feld.

Die Laufgeschwindigkeit eines Ions ist gegeben durch:

mit ν = Geschwindigkeit, E elektr. Feldstärke, U = elektr. Spannung, R = elektr. Widerstand, I = elektr. Stromstärke und µ_e= elektrophoretische Mobilität.

Bei der Elektrophorese wird meist einer der elektrischen Para­ meter konstant gehalten. Beispielsweise bei konstanter Strom­ stärke bedeutet dies, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der Makromoleküle, die direkt proportional zur Stromstärke ist (Gl. 3), konstant bleibt.

Die Beladung der Gele erfolgt, indem die in gelöster oder sus­ pendierter Form vorliegenden Proben z. B. mit einer Pipette von einem Probenreservoir auf das Gel übertragen werden. Dieser Übertragungsvorgang wirft die folgenden Probleme auf. Bei der Beladung eines Gels mit einer großen Probenzahl stellt die Probenübertragung, selbst wenn zum Beladen Mehrkanalpipetten beispielsweise mit 8 oder 12 Kanälen eingesetzt werden, einen erheblichen Zeitfaktor dar. Dies ist sowohl wegen der Verzöge­ rung bei der Probenbearbeitung als auch wegen der Probenstabi­ lität ein Nachteil. So werden in der Regel kleinste Probenmen­ gen bereitgestellt bzw. der Gelelektrophorese unterzogen, die empfindlich gegenüber Lösungsmittelverlusten durch Abdampfen in die Umwelt sind.

Bei vielen Anwendungen werden die Probenreservoire durch Mikrotiterplatten mit 96, 384 oder mehr Probenkammern (soge­ nannte "Wells") gebildet. Zur Probenaufnahme aus Mikrotiter­ platten sind Pipettiersysteme bekannt, bei denen eine Vielzahl von Mikropipetten entsprechend dem Mikrotiterplattenformat an­ geordnet sind. Bei einem 96-Kanal-Pipettiersystem beträgt der Abstand zwischen benachbarten Pipettenspitzen in Reihen bzw. Spalten jeweils 9 mm. Ein derartiges Pipettiersystem ist auch zur Probenaufnahme an Mikrotiterplatten mit 384 oder mehr Wells geeignet, da in diesen Fällen die Wells in mehreren ver­ setzten 96er-Rastern angeordnet sind.

Ein herkömmliches, üblicherweise verwendetes Elektrophorese­ system besteht aus einer Pufferkammer mit rechteckiger Grund­ fläche, in der ein Gelträger zur Aufnahme des Trenngels (ggf. auf einem separaten Gelträger) angeordnet ist. An zwei gegen­ überliegenden Seiten der Pufferkammer befindet sich jeweils eine streifenförmige Elektrode. Die Elektroden bilden ein Elektrodenpaar, das bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung im Gel ein elektrisches Feld bildet, unter dessen Wirkung die Probenwanderung erfolgt. Dabei bewegen sich die Proben auf einer geraden Laufstrecke entsprechend der Strom­ richtung zwischen den Elektroden, z. B. bei DNA-Proben von der Kathode zur Anode. Aufgrund der obengenannten Dimensionen der Pipettiersysteme zur Probenaufnahme aus Mikrotiterplatten sind die herkömmlichen Gelelektrophorese-systeme für eine unmittel­ bare Probenübertragung im Mikrotiterplattenformat ungeeignet. Die gerade Probenwanderung würde nämlich entlang der Reihen- bzw. Spaltenausrichtung in der Pipettiermatrix erfolgen, so daß sich bei dem genannten Mikrotiterplattenformat eine maxi­ male Lauf- und damit Trennstrecke von höchstens 9 mm ergibt, die jedoch in der Praxis durch die räumliche Ausdehnung der Probenauflagebereiche auf dem oder im Gel noch verkürzt werden würde (rd. 6 mm). Für eine qualitativ zuverlässige Aussage sind jedoch Trennstrecken von mindestens 20 mm erforderlich. Bisher konnte für diese Diskrepanz nur eine Lösung dadurch ge­ funden werden, daß beispielsweise nur jede dritte Pipette des Pipettiersystems eine Probe auf ein entsprechend vorbereitetes Gel überträgt, so daß genügend Platz für auswertbare Lauf- bzw. Trennstrecken bleibt. Damit ergibt sich jedoch wiederum ein verminderter Probendurchsatz und ein relativ hoher Aufwand an Material (Gel), und Vorbereitungszeit (Präparation des Ge­ lelektrophoresesystems) im Verhältnis zur Anzahl der getrenn­ ten Proben.

Neben den genannten Gelelektrophoresesystemen mit zwei Elek­ troden sind auch komplexere Systeme mit sogenannten Hexagonal­ elektroden bekannt. Die Hexagonalelektroden sind zur Durchfüh­ rung der sogenannten Pulsfeldelektrophorese unter Verwendung von Wechselfeldern ausgelegt, wobei für größere Molekülkompo­ nenten in der Probe eine bessere Auflösung erzielt wird. Auch bei der Pulsfeldelektrophorese laufen die Proben gerade zwischen den Elektroden, d. h. im rechten Winkel zu einer der Seitenkanten des Trenngels. Aus diesem Grund wäre auch bei diesen Systemen bei Verwendung von Mehrkanalpipetten im Mikro­ titerplattenformat eine Begrenzung der Laufstrecke gegeben. Wegen der erforderlichen Trennstrecken von mindestens 20 mm ist daher eine Beladung des Trenngels im Mikrotiterplattenfor­ mat ausgeschlossen.

Es ist ferner allgemein bekannt, herkömmliche Gelelektrophore­ sesysteme mit einer Pufferkammer mit zwei Elektroden so auszu­ legen, daß eine Probenmatrix mit rechteckiger Grundfläche in Bezug auf die Elektroden schräg ausgerichtet ist. Damit wird zwar eine Verlängerung der Laufstrecke erzielt. Es ergibt sich jedoch ein relativ hoher Materialaufwand für ungenutzte Gelbe­ reiche und eine erheblich vergrößerte Pufferkammer, deren Grundfläche sich beispielsweise verdoppelt, so daß das System gegebenenfalls mit handelsüblichen Auftragegeräten (Temperie­ rung, Lagerung usw.) nicht mehr kompatibel ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Gelelektro­ phoreseverfahren anzugeben, mit dem die Nachteile der herkömm­ lichen Systeme überwunden werden und das insbesondere eine un­ mittelbare Probenübertragung von gängigen Probenreservoirfor­ maten auf das Trenngel ermöglicht. Das neue Verfahren soll ferner eine Verlängerung der Laufstrecken im Trenngel ohne eine Pufferkammervergrößerung ermöglichen. Die Aufgabe der Er­ findung ist es auch, ein Gelelektrophoresesystem zur Realisie­ rung eines derartigen Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 9 bzw. 10 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen Gelelektrophoresesystem werden die Proben matrixartig in geraden Reihen und Spalten auf das Trenngel aufgebracht und mindestens zwei Elektrodenpaare jeweils an den zueinander gegenüberliegenden Rändern des Trenngels, deren Elektroden sich parallel zu den Reihen bzw. Spalten erstrecken, mit elektrischen Spannungen derart beauf­ schlagt, daß sich im Trenngel ein elektrisches Feld ausbildet, dessen Richtung von den Reihen- und Spaltenrichtungen der Probenanordnung abweicht. Damit wird ein elektrischer Strom mit einer effektiven Stromrichtung in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Teilströme jeweils eines Elektrodenpaares und damit eine Laufrichtung derart eingestellt, daß die Proben zwischen den benachbarten Proben bzw. Probenlaufstrecken hin­ durchlaufen. Die elektrischen Spannungen können Gleichspannun­ gen, gepulste Gleichspannungen oder auch hochfrequente Wech­ selspannungen sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gelelektrophoresesystem im wesentlichen wie ein herkömmliches System mit einer rechteckigen Pufferkammer aufgebaut, wobei jedoch nicht nur ein Elektrodenpaar sondern mindestens zwei Elektrodenpaare vorgesehen sind. An den paarweise gegenüber­ liegenden Seiten der Pufferkammer befindet sich jeweils eine gerade, streifen- oder bandförmige Kathode bzw. Anode.

Gemäß abgewandelten Ausführungsformen ist es auch möglich, mehr als zwei Elektrodenpaare um das Trenngel anzuordnen, wo­ bei die einzelnen Elektroden gerade, streifen- oder bandförmi­ ge Elektroden sind, die sich parallel zu den Reihen oder Spal­ ten der Probenmatrixanordnung erstrecken.

Werden elektrische Felder mit verschiedenen Richtungen gebil­ det, so ergibt sich die effektive Wanderungs- oder Laufrich­ tung aus der Summe aller angelegten Feldvektoren.

Im einfacheren Fall mit zwei Elektrodenpaaren gilt somit:

F_R = √F₁² + F₂² + 2F₁F₂ cosy (4)

mit F_R = Betrag der resultierenden Kraft, F₁ = Betrag Einzel­ kraft 1 und F₂ = Betrag Einzelkraft 2, γ = Winkel zwischen den Einzelkräften. Bilden beide Kräfte einen rechten Winkel, so vereinfacht sich die Gleichung zu

F_R = √F₁² + F₂² (5)

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist die Gestaltung der Probentaschen im Trenngel mit einem Gelkamm. Die Proben­ taschen sind Ausnehmungen im Trenngel mit einer üblicherweise rechteckigen Grundfläche, wobei die Normale zur längeren Taschenseite, die die Startlinie beim Trennvorgang bildet, eine von den Reihen- bzw. Spaltenrichtungen abweichende Aus­ richtung besitzt, die vorzugsweise mit der Feldrichtung im Trenngel übereinstimmt. Zur Bildung derart ausgerichteter Pro­ bentaschen wird ein Gelkamm beschrieben, der eine Vielzahl von Zähnen zum Einprägen der Probentaschen im Gel besitzt. Die Zähne sind im Mikrotiterplattenformat angeordnet und jeweils gegenüber der Matrixausrichtung um einen vorbestimmten Winkel verdreht.

Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Gesamtanordnung zur Gelelektrophorese, bestehend aus einer Pufferkammer mit mehreren Elektroden, einem Gelträger und einem Gelkamm.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstma­ lig ein Gelelektrophoresesystem geschaffen, mit dem das Trenn­ gel mit einem vollständig 96er-Pipettiersystem direkt beladen werden kann. Dies ermöglicht, insbesondere bei großen Proben­ zahlen, eine erhebliche Zeiteinsparung (Arbeitszeit pro Gel) und bietet auch eine Automatisierungsfähigkeit. Das manuelle Beladen des Gels mit Einfach- oder Multipipetten entfällt. Da­ durch werden Pipettierfehler vermieden und der Materialver­ brauch in Bezug auf die beim manuellen Beladen ständig auszu­ wechselnden Pipettenspitzen drastisch reduziert. Durch die direkte, schnelle Probenübertragung von Probenreservoiren auf das Gel wird eine unkontrollierte Migration der Proben im Gel und eine undefinierte Probenverdunstung ausgeschlossen. Die erfindungsgemäß gestaltete Pufferkammer besitzt das 96er- Mikrotiterplattenformat, so daß die Kompatibilität mit den verfügbaren Laborsystemen erhalten bleibt. Aufgrund des rela­ tiv zur Matrixausrichtung schrägen Wanderns der Probe werden Laufstrecken von mehr als 25 mm erzielt.

Des weiteren wird die Ausnutzung der Trenngele erheblich ver­ bessert. Erstens ist das Gel in der Pufferkammer im 96er- Mikrotiterplattenformat kleiner als bisher für vergleichbare Probenmengen benutzte Gele. Außerdem liegen die Trennstrecken dichter beieinander. Dadurch reduzieren sich die Kosten für die Bereitstellung des Trenngels.

Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Gelelektrophorese die Sensitivität des Trennverfahrens gesteigert. Es sind bei­ spielsweise weniger als 0.5 µl PCR-Produkt pro Probentasche erforderlich, um dennoch eine gut sichtbare und auswertbare, aussagekräftige Bande im Trenngel zu erhalten.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit einem relativ einfachen Elektrodenaufbau elektrische Feldbe­ dingungen im Gel eingestellt werden können, die einerseits den gewünschten Schräglauf der Proben ermöglichen und gleichzeitig für die Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse an sämtlichen Proben genügend homogen sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersicht­ lich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die Pufferkammer einer erfindungsgemäßen Gelelektrophoresevorrichtung,

Fig. 2 eine Perspektivansicht der Pufferkammer gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Übersichtsdarstellung eines Gelelek­ trophoresesystems,

Fig. 4 einen Gelkamm zur Ausbildung erfindungs­ gemäß orientierter Probentaschen, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein Trenngel nach Durchführung der elektrophoretischen Probentrennung.

Die Fig. 1 und 2 illustrieren eine erfindungsgemäße Gelelek­ trophoresevorrichtung 100 in schematischer Draufsicht bzw. in Perspektivansicht. In den Abbildungen werden lediglich wesent­ liche Merkmale der Pufferkammer 110 mit den Elektroden 120 und dem Gelträger 130 gezeigt. Weitere Einzelheiten der Gelelek­ trophoresevorrichtung, wie z. B. die Bereitstellung von Verbin­ dungen mit einer Steuereinrichtung, gegebenenfalls Abdeckein­ richtungen, Temperiereinrichtungen und dgl., sind an sich von der herkömmlichen Gelelektrophorese bekannt und werden daher im einzelnen nicht beschrieben. Die Erfindung wird beispiel­ haft unter Bezug auf eine 96-er Matrix entsprechend dem häufig verwendeten Mikrotiterplattenformat beschrieben, ist jedoch entsprechend mit größeren (z. B. 384-er Matrix) oder kleineren (z. B. 8-er oder 12-er Matrix) Formaten realisierbar.

Die Pufferkammer 110 wird durch die rechteckige Grundfläche 111 und die Seitenwände 112 in Form einer flachen, nach oben offenen Schale gebildet. Sie besteht vorzugsweise aus einem transparenten Kunststoffmaterial. An den Innenseiten der Seitenwände 112 sind Elektrodenhalterungen 113 (in Fig. 1 nicht dargestellt) vorgesehen. Die Elektrodenhalterungen 113 sind in den Eckbereichen der Pufferkammer 110 angeordnet, wo­ bei jeweils zwei Elektrodenhalterungen als Träger für eine Elektrode (121-124) dient, die sich zwischen den Elektroden­ halterungen 113 gerade längs der Seitenwand im Inneren der Pufferkammer 110 erstrecken. In den Seitenwänden 112 sind fer­ ner elektrische Durchführungen 114 vorgesehen. Jede Durchfüh­ rung 114 enthält eine elektrische Leitungsverbindung zwischen einer zugehörigen Elektrode (121-124) und einer (nicht darge­ stellten) Steuereinrichtung. Zur Vermeidung von Feldverzerrun­ gen sind die Durchführungen 114 vorzugsweise gleichförmig in den Ecken der Pufferkammer 110 angeordnet.

Die Elektroden 120 umfassen zwei Elektrodenpaare 121, 122 bzw. 123, 124, von denen jeweils eine Elektrode eine Kathode 121 bzw. 123 und die zweite Elektrode eine Anode 122 bzw. 124 bil­ det. Die zusammengehörigen Kathoden und Anoden sind einander gegenüberliegend an den entgegengesetzten Seitenwänden 112 der Pufferkammer 110, sich über die gesamte Seitenlänge der Sei­ tenwände 112 oder zumindest über die Seitenlänge des Gelträ­ gers 130 (s. unten) erstreckend, angeordnet. Jede der Elektro­ den ist so aufgebaut, wie es von den herkömmlichen Gelelektro­ phoresevorrichtungen an sich bekannt ist und besteht bei­ spielsweise aus einem inerten Metallstreifen oder -draht, der zwischen den zugehörigen Elektrodenhalterungen 113 gerade auf­ gespannt ist.

In der Mitte der Pufferkammer 110 ist der Gelträger 130 zur Aufnahme des Trenngels 131 angeordnet. Der Gelträger besitzt eine rechteckige Form und eine Gestalt, die vom Rand des Gel­ trägers 130 zur benachbarten Seitenwand 112 der Pufferkammer 110 jeweils den gleichen Abstand läßt. Typische Dimensionen sind beispielsweise für den Gelträger 130 eine Fläche von rd. 150 mm.100 mm und für die Grundfläche der Pufferkammer 110 und 270 mm.220 mm. Ein besonderer Vorteil dieser Dimensio­ nierung besteht darin, daß der Gelträger so aufgebaut ist, daß er in die Mikrotiterplattenaufnahme üblicherweise Pipettier­ systeme bzw. Probenauftragesysteme (s. Fig. 3) paßt.

Im Gelträger 130 befindet sich die Gelmatrix (Trenngel), die aus einem üblichen Trennmedium, wie z. B. Agarose oder Polyacrylamid, besteht. In der Oberfläche des Trenngels sind Probentaschen 132 ausgebildet. Es ist eine Vielzahl von Pro­ bentaschen 132 vorgesehen (nur teilweise dargestellt), die matrixartig, flächig in geraden Reihen bzw. Spalten angeordnet sind. In Fig. 1 sind nur die äußeren Probentaschen gezeigt. Die Zahl der Probentaschen und ihre Abstände werden anwen­ dungsabhängig entsprechend der Probenanordnung in einem Probenreservoir gewählt, von dem die Proben auf das Gel über­ tragen werden sollen. Die Probenreservoire sind vorzugsweise Mikrotiterplatten. Daher wird die Anordnung der Probentaschen dem jeweils verwendeten Mikrotiterplattenformat angepaßt.

Übliche Formate sind z. B. das 96er-Format (wie in Fig. 1 und 2 dargestellt) mit 12 Spalten und 8 Reihen, das 384er-Format mit 24 Spalten und 16 Reihen oder auch das 1536er-Format mit 48 Spalten und 32 Reihen. In jedem Fall ist noch eine Zusatzspal­ te 133 zur Aufbringung von Referenzproben oder Markern vorge­ sehen. Die entsprechenden Mitte-Mitte-Abstände der Proben­ taschen betragen bei diesen Formaten jeweils entsprechend 9 mm, 4.5 mm bzw. 2.25 mm in Reihen- bzw. Spaltenrichtung. Die Probentaschen werden mit einem erfindungsgemäß gestalteten Gelkamm in das Trenngel 131 eingeprägt, wie dies unten im ein­ zelnen unter Bezug auf Fig. 4 erläutert wird.

Fig. 3 zeigt gemäß einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung ein Gelelektrophoresesystem, bei dem eine Gelelektrophorese­ vorrichtung 100 gemäß den Fig. 1 bzw. 2 mit einem an sich be­ kannten Pipettiersystem 200 kombiniert ist. Das Pipettier­ system 200 umfaßt eine Pipettenmatrix 210, die mit einem Trä­ ger- und Antriebssystem 220 zwischen einer Mikrotiterplatte 230 und der Gelelektrophoresevorrichtung 100 in allen Raum­ richtungen verfahrbar und an der Mikrotiterplatte 230 zur Pro­ benaufnahme bzw. an der Vorrichtung 100 zur Probenablage aus­ gebildet ist. Die Pipettenmatrix 210 umfaßt z. B. 96 Mikropi­ petten 211, die in 12 geraden Reihen bzw. 8 geraden Spalten entsprechend dem 96er-Mikrotiterplattenformat angeordnet sind (nur teilweise gezeigt). Die Pipettenmatrix wird in an sich bekannter Weise, wie es beispielsweise beim Betrieb von Pik­ king-Spotting-Robotern üblich ist, so betätigt, daß sämtliche Mikropipetten simultan an der Mikrotiterplatte 230 mit Proben beladen werden. Die Pipettenmatrix 210 ist auch zur Probenauf­ nahme an den obengenannten engeren Mikrotiterplattenformaten angepaßt, wobei dann gegebenenfalls 4 bzw. 16 Probenaufnahme­ vorgänge sequentiell erfolgen.

Im einzelnen erfolgt eine erfindungsgemäße Gelelektrophorese entsprechend den folgenden Schritten. Zuerst wird ein Gelträ­ ger 130 mit einem vorbereiteten Trenngel in einem Gelelektro­ phoresesystem gemäß Fig. 3 mit Proben beladen (Pfeil A) und in die Pufferkammer 110 eingesetzt (Pfeil B). Anschließend wird der Gelträger mit der beladenen Trenngelmatrix mit einem soge­ nannten Laufpuffer (Elektrolyt) überschichtet. Danach folgt der eigentliche Trennvorgang, in dem an die ersten und zweiten Elektrodenpaare 121, 122 bzw. 123, 124 Gleichspannungen zur Erzeugung elektrischer Felder angelegt werden, unter deren Wirkung ein Stromfluß durch das Trenngel 131 erfolgt. Durch Einstellung eines bestimmten Spannungs- oder Stromverhältnis­ ses zwischen den Elektrodenpaaren wird die Feldrichtung des sich aus den einzelnen elektrischen Feldern zusammensetzenden Gesamtfeldes in vorbestimmter Weise um einen Feldwinkel α von den Reihen- oder Spaltenrichtungen der Probentaschen 132 ab­ weichend eingestellt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung be­ steht darin, daß mit den beiden Elektrodenpaaren ein resultie­ rendes elektrisches Feld im gesamten Trenngel mit dem defi­ nierten Feldwinkel α erzeugt wird, der bei der dargestellten Ausführunsform lediglich von den zwischen den Elektrodenpaaren fließenden Strömen I₁, I₂ gemäß

tan α = I₁/I₂ (6)

abhängt (α in Bezug auf Spaltenrichtung, siehe auch Fig. 1). Bei typischen Strömen von z. B. I₁ = 20 mA und I₂ = 60 mA ergibt sich ein Feldwinkel α von rd. 19°.

Der Feldwinkel α (Laufwinkel) wird anwendungsabhängig gewählt, um möglichst lange, freie Trennstrecken zu erzielen. Allgemein ist der Feldwinkel α zwischen 0° und 90° in Bezug auf die Reihenrichtung (oder entsprechend in Bezug auf die Spalten­ richtung) einstellbar. Die Laufrichtung der Probe entspricht dem Feldwinkel.

Die konkreten elektrischen Parameter (Spannungen, Stromstär­ ken) werden in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit insbe­ sondere vom Material des Trenngels 131 und von der Elektrolyt­ lösung gewählt. Typische Werte liegen bei Trennungen in Agaro­ se bei Spannungen von rd. 200 V bzw. Stromstärken im mA- Bereich. Bei Trennungen im PCA wird mit Spannungen bis in den kV-Bereich gearbeitet (hochauflösende Sequenzierung). Die Spannungs- bzw. Stromstärkenverhältnisse zwischen den Elektro­ denpaaren werden je nach dem gewünschten Trennwinkel α einge­ stellt. Zur Einstellung der elektrischen Parameter werden vor­ zugsweise geregelte Netzteile verwendet, die den elektrischen Strom konstant halten und die Spannung nachregeln. Da es wäh­ rend der Elektrophorese zur Wärmeentwicklung kommt, würde sich sonst bei konstanter Spannung in nachteiliger Weise die Wande­ rungsgeschwindigkeit verringern.

Nach dem Durchlaufen der Trennstrecke wird der Trennvorgang beendet, der Gelträger mit dem Trenngel 131 aus der Pufferkam­ mer 110 entnommen und der weiteren Auswertung zugeführt.

Fig. 4 zeigt einen Gelkamm 140 in Draufsicht und zwei Seiten­ ansichten. Der Gelkamm 140 dient der Ausbildung der Probenta­ schen 132 im Trenngel 131 (s. Fig. 2). Hierzu besitzt der Gel­ kamm 140 eine Vielzahl von matrixartig in geraden Reihen und Spalten angeordneten Zähnen 141, die aus einer gemeinsamen Trägerplatte 142 entsprechend der gewünschten Tiefe der Pro­ bentaschen 132 herausragen. An der Trägerplatte 142 sind fer­ ner Justierungselemente 143, vorzugsweise an den Ecken der Platte angebracht, die mit entsprechenden Justierungselementen des Gelträgers 130 zusammenwirken. Jeder Zahn besitzt eine rechteckige Grundfläche. Wie in der Draufsicht gemäß Fig. 4 illustriert ist, sind die Zähne 141 in Bezug auf die Reihen- bzw. Spaltenausrichtung der Matrixanordnung um einen Winkel α gedreht angeordnet, der vorzugsweise dem Feldwinkel α ent­ spricht. Beim dargestellten Beispiel beträgt α 19°. Es ist je­ doch nicht zwingend erforderlich, daß die Verdrehung der Zähne 141 und der Feldwinkel identisch sind. Es können auch geringe Abweichungen auftreten, ohne daß das Trennergebnis gestört wird.

Typische Dimensionen des Gelkamms 140 gemäß Fig. 4 sind eine Trägerplattendicke von rd. 7 mm, eine Zahnhöhe von rd. 3 mm, eine Trägerplattenfläche von rd. 150 mm.100 mm und eine Höhe der Justierelemente 143 von rd. 4 mm. Die Matrixanordnung der Zähne 141 entspricht der Probenanordnung im Probenreservoir und somit vorzugsweise einem Mikrotiterplattenformat, wie dies oben erläutert wurde. Die einzelnen Zähne 141 besitzen einen zum Ende hin geringer werdenden Querschnitt. Der Winkel β für die Neigung der Zähne beträgt z. B. 92°.

Zur Bereitstellung der gewünschten Probentaschen 132 im Trenn­ gel 131 (s. Fig. 2) wird der Gelträger 130 mit einem Gel im flüssigen Zustand gefüllt. Der Gelkamm 140 wird über Kopf auf den Gelträger 130 aufgesetzt und das Trenngel 131 gehärtet. Anschließend wird der Gelkamm 140 abgenommen und der Gelträger steht für die Probenbeladung bereit.

Fig. 5 illustriert ein mit dem erfindungsgemäße Gelelektropho­ resesystem erzieltes Trennergebnis. Die dunklen Punkte lassen die Positionen der Probentaschen 132 mit den abgelegten, zu trennenden Proben erkennen. Die schwächer geschwärzten Spuren zeigen die Trennstrecken 134, die mit einem Winkel α = 26° gegenüber der Reihenausrichtung versetzt sind. Im linken Teil der Abbildung sind die Trennergebnisse der Referenzproben 133 erkennbar.

Abweichend von den beschriebenen Ausführungsformen kann ein erfindungsgemäßes Gelelektrophoresesystem wie folgt modifi­ ziert werden. Es ist möglich, anstelle von vier Einzelelektro­ den, die die zwei Elektrodenpaare bilden, mehr Einzelelektro­ den vorzusehen, um den Feldverlauf der Probenkammer zu homoge­ nisieren oder feiner einzustellen. So können beispielsweise an jeder Probenkammerseite zwei gerade, einzeln ansteuerbare Ein­ zelelektroden vorgesehen sein, die mit den jeweiligen gegen­ überliegenden Elektroden ein Elektrodenpaar bilden. Der Gel­ kamm kann anstelle des 96er-Formats für ein 384er-Format oder auch ein 1536er-Format ausgelegt sein, wobei Zahn-Zahn- Abstände von 4,5 mm bzw. 2,2 mm ausgebildet werden. Die Grund­ fläche der einzelnen Probentasche wird dann entsprechend ver­ kleinert.

Claims (14)

1. Verfahren zur Gelelektrophorese, bei dem eine Vielzahl von Proben matrixartig in geraden Reihen und Spalten auf ein flächiges Trenngel (131) aufgebracht werden und unter der Wir­ kung eines elektrischen Feldes durch das Trenngel (131) laufen, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens zwei Elektrodenpaaren (121, 122 bzw. 123, 124), die an gegenüberliegenden Rändern des Trenngels (131) angeord­ nete Elektroden umfassen, ein elektrischer Strom mit einer ef­ fektiven Stromrichtung derart gebildet wird, daß die Proben entsprechend mit einer Laufrichtung, die von den Reihen- und Spaltenrichtungen der Probenanordnung abweicht, durch das Trenngel laufen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Laufrichtung der Proben so eingestellt wird, daß sich für jede Probe eine Trennstrecke ergibt, die im Trenngel durch Lücken zwischen benachbarten Proben verläuft.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem elektrische Fel­ der mit verschiedenen Richtungen gebildet werden, wobei sich die effektive Laufrichtung der Proben aus der Summe aller an­ gelegten Feldvektoren ergibt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem an jeder Seite des Trenngels (131) eine der Elektroden (121-124) angebracht ist, von denen jeweils zwei gegenüberliegende Elektroden ein Elek­ trodenpaar bilden und mit Spannungen zur Erzeugung elektri­ scher Ströme (I₁, I₂) in einem vorbestimmten Verhältnis I₁/I₂ beaufschlagt werden, das mit einem Feldwinkel α zwischen der Laufrichtung und der Reihen- oder Spaltenausrichtung gemäß I₁/I₂ = tan α zusammenhängt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem an jeder Seite des Trenngels (131) mehrere Elektroden vorgesehen sind, die zur Feineinstellung der Stromrichtung separat mit Spannungen be­ aufschlagt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Proben jeweils in einer Probentasche (132) mit rechteckiger Grundfläche abgelegt werden, die entsprechend der Laufrichtung gegenüber der matrixartigen Probenanordnung verdreht ist.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Proben mit einer Pipettiermatrix (210) auf das Trenngel (131) aufgebracht wer­ den.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Proben entsprechend dem Format einer Mikrotiterplatte aufgebracht werden.

9. Verfahren zur Gelelektrophorese, bei dem mit einer Pipettiermatrix (210) Proben von einer Mikrotiterplatte (230) auf ein Trenngel (131) eines Gelträgers (130) entsprechend dem Format der Probenanordnung in der Mikrotiterplatte (230) auf­ gebracht und einer Gelelektrophorese mit schräg zu den Spal­ ten- bzw. Reihenrichtungen der Probenanordnung ausgerichteten Trennstrecken ausgesetzt wird.

10. Gelelektrophoresesystem mit einer Pufferkammer (110), in der ein flächiger Gelträger (130) mit einem Trenngel (131) an­ geordnet ist und an deren Seitenwänden streifenförmige Elek­ troden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden mindestens zwei Elektrodenpaare (121, 122 bzw. 123, 124) bilden, wobei die Elektroden jedes Elektrodenpaares an verschiedenen, paarweise zueinander gegenüberliegenden Seiten des Gelträgers (130) angeordnet sind.

11. Gelelektrophoresesystem gemäß Anspruch 10, bei dem der Gelträger (130) das Format einer Mikrotiterplatte besitzt.

12. Gelelektrophoresesystem gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem ein Gelkamm (140) zur Einbringung von Probentaschen (132) in das Trenngel (131) vorgesehen ist, wobei der Gelkamm (140) matrixartig, in geraden Reihen und Spalten angeordnete Zähne (141) mit einer Grundfläche aufweist, die gegenüber der Aus­ richtung der Spalten bzw. Reihen verdreht ist.

13. Verwendung eines Gelelektrophoreseverfahrens oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Probenanalyse in der Biochemie, Biologie und/oder Medizin.

14. Verwendung eines Gelelektrophoreseverfahrens oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse von DNA-Proben.