DE4216696C2 - Method and apparatus for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assays - Google Patents
Method and apparatus for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assaysInfo
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Empfindlichkeits- und Selektivitätssteigerung bei Immuno-Assays, Molekül-Rezeptor-, DNA-kom plementär-DNA- und Gast-Wirtsmolekül-Wechselwirkungs-Assays nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung nach Anspruch 17.The invention is directed to a method for sensitivity and Selectivity increase in immunoassays, molecule receptor, DNA com complementary DNA and guest host molecule interaction assays according to claim 1 and a device for carrying it out according to claim 17.
Die quantitative Analyse komplexer Stoffgemische unter Ausnutzung der sehr selektiven Antikörper-Antigen-Bindung (Schlüssel-Schloß-Prinzip) und der DNA-Paarbildung bei den sogenannten DNA-Sonden ist in der Bio chemie und klinischen Chemie eine etablierte Analysenmethode und, dement sprechend weit verbreitet. Meist werden kompetitive Tests mit markierten Antigenen, Antikörpern oder DNA-Molekülen benutzt. Beim Radio-Immuno-As say (RIA) ist das der Meßlösung zugesetzte Antigen (bzw. das Antikörper molekül bei der Sandwich-Methode) radioaktiv markiert. Beim Enzym-Immu no-Assay (EIA oder das heterogene Enzym-Linked-Adsorbend-Assay, ELISA) ist an den betreffenden Markermolekülen ein sogenanntes Marker-Enzym ge bunden. Diese markierten Moleküle konkurrieren mit den zu messenden, un markierten Molekülen (zu bestimmender Stoff = Analyt) um die Bindung an den meist trägergebundenen Antikörper (bzw. DNA-Sequenz), so daß sich die unbekannte Menge Antigen (DNA-Art und Menge) bestimmen läßt, wenn zum Vergleich ein Test mit einem Antigen (DNA-Molekül) bekannter Konzen tration durchgeführt wird. Die Meßsignale sind bei dieser Methode umge kehrt proportional zur Konzentration. Bei den sog. Sandwichtests werden markierte Antikörper benutzt. Diese binden sandwichartig an Antigenmole küle an, die ihrerseits zuvor konzentrationsabhängig an trägergebundene Antikörper gebunden sind. The quantitative analysis of complex substance mixtures using the very selective antibody-antigen binding (key-lock principle) and the DNA pairing in the so-called DNA probes is in the bio chemistry and clinical chemistry an established analytical method and, demented widespread speaking. Competitive tests are usually marked with Antigens, antibodies or DNA molecules are used. At the radio immuno ace say (RIA) is the antigen (or antibody) added to the sample molecule in the sandwich method) radioactively labeled. With enzyme immu no-assay (EIA or the heterogeneous enzyme-linked adsorbend assay, ELISA) is a so-called marker enzyme on the relevant marker molecules bound. These labeled molecules compete with the un measured labeled molecules (substance to be determined = analyte) to bind to the mostly carrier-bound antibody (or DNA sequence), so that the unknown amount of antigen (DNA type and amount) can be determined if for comparison, a test with an antigen (DNA molecule) of known concentrations tration is carried out. The measurement signals are reversed with this method returns proportional to concentration. In the so-called sandwich tests labeled antibodies used. These bind to antigen moles in a sandwich cool, which in turn depends on the concentration on carrier-bound Antibodies are bound.
Die sehr spezifische Bindung zweier komplementärer Moleküle erlaubt na türlich auch umgekehrt die quantitative Bestimmung des größeren Partners (Antikörper-, Rezeptor-Analyse resp. des komplementären DNA-Moleküls (oder Bio-Oberfläche), welches mindestens in einem Teilbereich eine kom plementäre DNA-Sequenz zur markierten Sequenz aufweist) und sind daher die wichtigsten biochemischen Analysenverfahren. Nachdem es inzwischen möglich ist, auch für kleinere Moleküle (Haptene) monoklonale Antikörper in beliebigen Mengen zu produzieren, werden diese immunologischen Metho den auch für die Umweltanalytik zunehmend bedeutsam. Beispielsweise kann man unter Verwendung monoklonaler Antikörper für die verschiedenen Di oxine die gesamten Analysenkosten dadurch erheblich senken, daß nur bei positivem Ergebnis des immunologischen Tests die sehr teuere GC-MS Ana lyse durchgeführt werden muß (Screening).The very specific binding of two complementary molecules allows na vice versa, of course, the quantitative determination of the larger partner (Antibody, receptor analysis or the complementary DNA molecule (or organic surface), which has a com has complementary DNA sequence to the labeled sequence) and are therefore the most important biochemical analysis methods. After it meanwhile is possible, even for smaller molecules (haptens) monoclonal antibodies To produce in any quantity, these are immunological metho which is also increasingly important for environmental analysis. For example using monoclonal antibodies for the various di oxine significantly reduce the total analysis costs by only using positive result of the immunological test the very expensive GC-MS Ana lysis must be carried out (screening).
Die inzwischen traditionellen immunologischen Bestimmungsverfahren (RIA und EIA bzw. ELISA) weisen erhebliche Nachteile auf, die hinlänglich be kannt sind. Entweder treten wegen der Verwendung radioaktiven Materials Entsorgungs-, Versand- und Lagerprobleme auf oder man muß mit einer Be einflussung der immunologischen Reaktion durch das meist, verglichen zum relativ kleinen Antigenmolekül, voluminöse Enzymmolekül rechnen. Enzym markierte Antigen- oder Antikörpermoleküle (bzw. eines der Partner von Molekül -Rezeptor-, Gast-Wirtsmolekül -, DNA-komplementär DNA-Wechselwir kungsmethoden) weisen alle Nachteile enzymatischer Verfahren auf. Die Lebensdauer des Enzyms ist begrenzt und die enzymatische Reaktion (Bio katalyse) kann bei unbekannten Umweltmatrices durch Inhibitoren oder En zymgifte (z. B. Schwermetalle) empfindlich gestört werden, so daß falsche Ergebnisse auftreten. Meist muß die enzymmarkierte Verbindung aus Stabi litätsgründen kühl gelagert werden. Wegen dieser abnehmenden Aktivität sind zusätzliche Kalibrierschritte erforderlich und die GLP-Richtlinien (Gute Labor Praxis), die bei quantitativen Analysen eingehalten werden müssen, erfordern durch Rückstellproben eine Menge der teureren enzym markierten Verbindungen. Auch ist eine Phasentrennung erforderlich, ein Substrat muß zugegeben werden, wodurch die Handhabung sehr kompliziert wird. Die erforderlichen Arbeitsschritte benötigen in der Regel einige Stunden. Ohne Phasentrennung laufen die sog. homogenen Enzym-Immuno-As says (EMIT) ab, die kompetitiv arbeiten und sich nur für kleine Antigen moleküle eignen.The now traditional immunological determination methods (RIA and EIA or ELISA) have considerable disadvantages that are sufficient are known. Either occur because of the use of radioactive material Disposal, shipping and storage problems or you have to with a Be influence of the immunological reaction by the most, compared to the relatively small antigen molecule, voluminous enzyme molecule. Enzyme labeled antigen or antibody molecules (or one of the partners of Molecule receptor, guest host molecule, DNA complementary DNA interaction methods) have all the disadvantages of enzymatic processes. The The lifespan of the enzyme is limited and the enzymatic reaction (Bio catalysis) in the case of unknown environmental matrices by inhibitors or En zympoisons (e.g. heavy metals) are disturbed, so that wrong Results occur. Usually the enzyme-labeled compound from Stabi be stored in a cool place for reasons of quality. Because of this diminishing activity additional calibration steps are required and the GLP guidelines (Good laboratory practice), which are followed in quantitative analyzes need a lot of the more expensive enzyme through reserve samples marked connections. Phase separation is also required, a Substrate has to be added, which makes handling very complicated becomes. The required work steps usually require some Hours. The so-called homogeneous enzyme immuno-As run without phase separation says (EMIT) who work competitively and are only for small antigen molecules are suitable.
Die bekannten Verfahren sind u. a. in S. Wüst, U. Doht, Th. Giersch, Ch. Wittmann, B. Hock, GIT, Fachz. Lab. 2 (1990), Seiten 99 bis 106 [1] und B. Hock, Z. Wasser-Abwasser-Forsch. 22 (1989), Seiten 78 bis 84 [2] beschrieben.The known methods are u. a. in S. Wüst, U. Doht, Th. Giersch, Ch. Wittmann, B. Hock, GIT, Fachz. Lab. 2 (1990), pages 99 to 106 [1] and B. Hock, Z. Wasser-Abwasser-Forsch. 22 (1989), 78 to 84 [2].
Über eine einfache und allgemein anwendbare analytisch-chemische Ausnut zung selektiver Molekül-Rezeptor-Wechselwirkungskräfte, DNA-Paarbil dungsreaktionen sowie der gleichermaßen selektiven Gast-Wirtsbeziehungen der supramolekularen Chemie zum Zwecke einer quantitativen Bestimmung oder gar zum Aufbau von entsprechenden Sensoren existieren nur wenige Vorarbeiten.With a simple and generally applicable analytical-chemical advantage selective molecular-receptor interaction forces, DNA pair image reaction and equally selective guest-host relationships of supramolecular chemistry for the purpose of quantitative determination or only a few exist for the construction of corresponding sensors Preparatory work.
Der vorteilhafte Aufbau eines einfachen und preiswerten elektrochemi schen Meßsystems, das in Form der Potentiometrie oder Amperometrie den geringsten apparativen Aufwand erfordert, scheitert in der Regel daran, daß der zu bestimmende Stoff (Analyt) nicht als potentialbestimmendes Ion, sondern als neutrales Molekül vorliegt bzw. nicht elektrochemisch selektiv umgesetzt werden kann. Die Verwendung optischer Methoden (Spek tralphotometrie, Fluoreszenzmessung, Ellipsometrie, Surface Plasmon Re sonance Spektroskopie, Methode der evaneszenten Welle, usw.) zur Erfas sung der oben erwähnten spezifischen Molekül-Wechselwirkungen ist be schrieben worden. Einige können die immunologische Reaktion auch ohne markierten Partner aufgrund der Änderung des Brechungsindexes an einer Phasengrenze erfassen, haben aber große Probleme bei kleinen Analytmole külen (wie in der Umweltanalytik üblich) im Spurenbereich (< 1 ppm), da die nichtspezifische Bindung von störenden Begleitstoffen, die sogar meist in einem großen Oberschuß neben dem Analyten in einer realen Probe mitanwesend sind, empfindlichkeitslimitierend ist.The advantageous structure of a simple and inexpensive electrochemical measuring system, which in the form of potentiometry or amperometry requires the least amount of equipment, usually fails because that the substance to be determined (analyte) is not a potential one Ion, but as a neutral molecule or not electrochemical can be implemented selectively. The use of optical methods (spec tralphotometry, fluorescence measurement, ellipsometry, surface plasmon Re sonance spectroscopy, evanescent wave method, etc.) for acquisition The specific molecular interactions mentioned above are solved been written. Some can do without the immunological response marked partner due to the change in the refractive index of a Detect phase boundary, but have big problems with small analyte moles cool (as usual in environmental analysis) in the trace range (<1 ppm), because the non-specific binding of disruptive accompanying substances, which even usually in a large excess next to the analyte in a real sample are present, is sensitivity-limiting.
Optische Verfahren mit den üblichen Fluoreszenzmarkern, die eine Anre gungswellenlänge im UV oder sichtbaren Bereich erfordern, benötigen ei nen hohen apparativen Aufwand, der einer weitverbreiteten Routineanwen dung im Wege steht. Der Aufwand zur Stabilisierung der Lichtquelle, zur Monochromatisierung mittels eines streulichtfreien Monochromators, zur Vermeidung von Fremdlichteinflüssen, zur Empfindlichkeitssteigerung etc. erfordert apparative Aufbauten, die sehr komplex und damit teuer sind. Außerdem werden neben den fluoreszierenden Molekülgruppen des Markers auch viele Stoffe in typisch biologischen Matrices mitangeregt (z. B. Tryptophan u. a.), so daß ihre Fluoreszenz nicht von der des Markermole küls unterschieden werden kann, was die Nachweisgrenze extrem ver schlechtert. Lediglich die Markierung mittels spezieller Fluoreszenzmar ker, die nach der Methode der zeitverzögerten Fluoreszenz arbeiten, kann diese Probleme umgehen. Diese Methode benötigt aber teurere Geräte und wird praktisch nur mittels sog. Enhancement-Schritte zur Steigerung der Empfindlichkeit durchgeführt, was aber einen zusätzlichen Arbeitsgang bedeutet.Optical methods with the usual fluorescent markers, which an anre wavelength in the UV or visible range require egg high expenditure on equipment, that of a widespread routine application is in the way. The effort to stabilize the light source Monochromatization using a stray light-free monochromator Avoidance of extraneous light influences, to increase sensitivity etc. requires apparatus structures that are very complex and therefore expensive. In addition to the fluorescent molecular groups of the marker many substances are also stimulated in typical biological matrices (e.g. Tryptophan u. a.), so that their fluorescence does not differ from that of the marker mole küls can be differentiated, which the detection limit extremely ver worsened. Only the marking using a special fluorescence marker ker who work according to the method of time-delayed fluorescence can work around these problems. However, this method requires more expensive equipment and is practically only by means of so-called enhancement steps to increase the Sensitivity performed, but what an additional operation means.
In der deutschen Patentanmeldung DE 39 16 432 A1 von 1990 wird ein po tentiometrisches Verfahren zur Detektion einer Immuno-Reaktion zwischen unmarkierten komplementären Partnern beschrieben, welches aber ebenfalls bei kleineren Analytmolekülen in einem Bereich unter 1 ppm anwendbar ist.In German patent application DE 39 16 432 A1 from 1990 a po tentiometric method for the detection of an immuno-reaction between described unmarked complementary partners, which also can be used for smaller analyte molecules in a range below 1 ppm.
Bei Immuno-Assays, die wie die Affinitätschromatographie betrieben wer den und bei denen eine Verdrängungsreaktion mit einem markierten Analyt molekül ausgenutzt wird, beschreibt der Stand der Technik bisher nur Messungen mittels Durchflußmeßzellen, bei denen die Wechselwirkungzeit (= reine Meßzeit) mit den messenden Größen (Licht, Strom etc.), durch die Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben, relativ kurz (nur wenige Sekunden) ist. Eine derartig kurze Meßzeit erlaubt vor allem bei Durchflußmessun gen keine hohe elektronische Dämpfung. Daher sind der elektronischen oder optoelektronischen Verstärkungstechnik durch das in den empfind lichsten Bereichen stark abfallende Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/R-Verhältnis) Grenzen gesetzt. Ebenfalls unmöglich sind bei dem schnellen Durchströmen der markierten Substanz durch den Durchfluß-De tektor Wiederholmessungen, die sich bei Mittelwertbildung ähnlich posi tiv auf das S/R-Verhältnis auswirken. Darüberhinaus benötigen Wiederhol messungen einen Bezugspunkt, d. h. eine Untergrundmessung (Blindwertmes sung oder engl. blanc value), die eine entsprechende Vorrichtung verlangt. For immunoassays that are operated like affinity chromatography and where a displacement reaction with a labeled analyte The state of the art has so far only described molecule utilization Measurements using flow cells in which the interaction time (= pure measuring time) with the measuring variables (light, electricity etc.), through which Flow rate specified, relatively short (only a few seconds) is. Such a short measuring time allows especially with flow measurement no high electronic damping. Hence the electronic or optoelectronic amplification technology through the in the sens most significant areas, the signal-to-noise ratio drops sharply (S / R ratio) set limits. Also impossible with that rapid flow of the marked substance through the flow De tector Repeat measurements that are similarly posi affect the S / R ratio. They also need repetition measurements a reference point, d. H. a background measurement (blank value measurement solution or engl. blanc value), which requires a corresponding device.
Über eine einfache und quasi automatische Abtrennung der ebenfalls aus der immunologischen Reaktionszone austretenden Probenmatrix mit stören den Komponenten wird außer im Zusammenhang mit den heterogenen ELISA-Techniken, die einen zusätzlichen Abtrennungsschritt vorschreiben, im Stand der Technik nichts berichtet. Dies ist aber für richtige Mes sungen von zentraler Bedeutung und unabdingbare Voraussetzung bei repe titiven Messungen, bei denen sich natürlich Fehlmessungen ebenfalls ad dieren.With a simple and quasi-automatic separation of the also the sample matrix emerging from the immunological reaction zone the components are except in connection with the heterogeneous ELISA techniques that require an additional separation step nothing reported in the prior art. But this is for real measurement solutions of central importance and an essential prerequisite for repe titive measurements, in which incorrect measurements are of course also ad dieren.
Eine Gleichstellung von Immunoreaktionen mit Rezeptorreaktionen bzw. DNA-Paarbildung und molekülerkennenden Gast-/Wirtsmolekül-Einlagerungen bezüglich der erfindungsgemäßen, allgemein gültigen, sensorisch ausnutz baren Anordnung wurde bisher nicht beschrieben, da die Markierung mit einem voluminösen Enzym diese selektiven Bindungsreaktionen sehr stark behindert (sterische Behinderung). Dies ist bei den relativ kleinen Re dox-Systemen oder IR-fluoreszierenden Molekülen nicht der Fall.Equalization of immunoreactions with receptor reactions or DNA pairing and molecule-recognizing guest / host molecule incorporations with regard to the generally applicable sensory exploitation according to the invention baren arrangement has not been described so far because the marking with a voluminous enzyme, these selective binding reactions are very strong disabled (steric disability). This is with the relatively small Re dox systems or IR fluorescent molecules are not the case.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, das die bekannten Nachteile der direkt anzeigenden und auch der mit markierten Partnern ablaufenden Verfah ren vermeidet, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.The invention has for its object a method that the known disadvantages of directly displaying and also the procedure taking place with marked partners avoids, and a device to specify to carry out the procedure.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17 gelöst.This object of the invention is through a process solved according to claim 1 or by a device according to claim 17.
Zur Erzielung der geforderten extrem niedrigen Nachweisgrenze im Spuren analysenbereich werden erfindungsgemäß anstelle der anfälligen und unge nauen enzymatischen Signal-Verstärkungsmethoden repetitierbare elektro chemische und optische Meßmethoden zusammen mit einer speziellen elek tronischen Signalaufbereitung (Signal-Mittelwertsbildung) und entspre chenden Meßanordnungen angewandt. To achieve the required extremely low detection limit in the trace According to the invention, the analysis area is replaced by the susceptible and inaccurate exact enzymatic signal amplification methods repeatable electro chemical and optical measuring methods together with a special elec tronic signal processing (signal averaging) and correspond appropriate measuring arrangements applied.
Der zu bestimmende Immuno-Partner (Antigen oder Antikörper, Molekül oder dazugehöriger Rezeptor, Gastmolekül oder dazugehöriges Wirtsmolekül, DNA-Strang und dazugehörige komplementäre Sequenz) wird bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren entweder mit einem stabilen Redox-System oder ei ner stabilen, im Infrarotbereich (< 700 nm) fluoreszierenden Verbindung haltbar (z. B. kovalent gebunden) verbunden. Die Auswahl dieser beiden Marker-Molekülsorten erfolgte nach umfangreichen Vorversuchen und an Hand bestimmter Kriterien, die hiermit offenbart werden. Als Redox-Sy steme eignen sich vorzugsweise anorganische oder organische Systeme mit hohen Standardaustauschstromdichten an inerten Metallelektroden. Bei den Fluoreszenz-Markern sind Moleküle, die mit preiswerten Laserdioden zur Fluoreszenz im fernen Infrarot (< 800 nm) angeregt werden können, die vorteilhaftesten Markermoleküle.The immuno-partner to be determined (antigen or antibody, molecule or associated receptor, guest molecule or associated host molecule, DNA strand and associated complementary sequence) is invented method according to the invention either with a stable redox system or egg A stable, fluorescent compound in the infrared range (<700 nm) durable (e.g. covalently bound) linked. Choosing these two Marker molecule types were carried out after extensive preliminary tests and on According to certain criteria, which are hereby disclosed. As a redox sy systems are preferably suitable with inorganic or organic systems high standard exchange current densities on inert metal electrodes. Both Fluorescence markers are molecules that are used with inexpensive laser diodes Fluorescence in the far infrared (<800 nm) can be excited most advantageous marker molecules.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher, empfindlicher, schneller, richtiger und daher letztendlich auch preiswerter als alle bisher be schriebenen Immuno-Assays. Vorteilhafter ist auch die direkte, extrem empfindliche und schnelle Erfassung von kleineren Antigenen, die nach den oben erwähnten Schriften mit den dort beschriebenen Ver fahren nur mangelhaft oder überhaupt nicht möglich ist. Gerade hier existiert aber ein großer Anwendungsbereich für die neue Molekülanalytik (Schadstoffanalytik) vor allem im Bereich des Umweltschutzes oder der Überwachung von maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen sowie der klini schen Chemie (medizinischen Diagnose, Pathologie, Gerichtsmedizin).The method according to the invention is simpler, more sensitive, faster, more correct and therefore ultimately cheaper than all previously written immunoassays. The direct, extreme is also more advantageous sensitive and rapid detection of smaller antigens that are after the above-mentioned writings with the Ver driving poorly or not possible at all. Especially here however, there is a large area of application for new molecular analysis (Pollutant analysis) especially in the area of environmental protection or Monitoring of maximum workplace concentrations as well as the clini chemistry (medical diagnosis, pathology, forensic medicine).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß den Beispielen unterschiedlich durchgeführt werden:The process according to the invention can be carried out differently according to the examples:
In einer vorteilhaften Version wird das markierte Analytmolekül zuvor an dem immobilisierten Partner gebunden. Das unmarkierte Analytmolekül in der Probe verdrängt bei Kontakt mit den gebundenen, markierten Partnern sein markiertes Gegenstück (redox- oder fluoreszenzmarkiertes Anti gen- oder Antikörpermolekül = markiertes Analytmolekül) aus der Oberflä chenbindung, welches dann durch eine Flüssigkeitsströmung wegtranspor tiert wird. In an advantageous version, the labeled analyte molecule is previously on tied to the immobilized partner. The unlabeled analyte molecule in the sample displaces on contact with the bound, marked partners its marked counterpart (redox- or fluorescence-marked anti gene or antibody molecule = labeled analyte molecule) from the surface Chen bond, which is then transported away by a liquid flow is tiert.
In einer anderen Version wird der Probe das markierte Analytmolekül in einem bekannten Verhältnis zugesetzt und man läßt die Mischung mit den immobilisierten Immuno-Partnern (worunter alle oben erwähnten komplemen tären Systeme zu verstehen sind) in Wechselwirkung treten. Je nach der Konzentration des Analyten werden unterschiedliche Mengen des markierten Analytmoleküls kompetitiv gebunden, wobei eine umgekehrte Relation be steht. Bei beiden Versionen werden die nichtgebundenen oder freigesetz ten markierten Analytmoleküle auf kleinstem Raum wieder mittels des be treffenden immunologischen (komplementären) Partners, der immobilisiert oder örtlich begrenzt und fixiert vorliegt, gesammelt, aufkonzentriert und durch Spülen von anhaftender Probenmatrix gereinigt.In another version, the labeled analyte molecule in the sample added to a known ratio and the mixture is left with the immobilized immuno-partners (including all of the above mentioned systems must be understood) interact. Depending on the Concentration of the analyte will be different amounts of the labeled Analyte molecule competitively bound, with an inverse relation be stands. In both versions, the unbound or released labeled analyte molecules in the smallest space again using the be meeting immunological (complementary) partner who immobilizes or is localized and fixed, collected, concentrated and cleaned by rinsing of adhering sample matrix.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine elektrochemisch und optisch zugängliche Oberfläche vorliegt, kann aber auch der Teil vermes sen werden, der nicht der Eluatsammlung entspricht. Beim kompetitiven Test, bei dem die Oberfläche der Vorrichtung vor Kontakt mit der Probe mit immobilisierten Partnermolekülen bedeckt ist, die mit ihrem markier ten Komplementärmolekül abgesättigt sind, kann auch die Abnahme der In tensität der Markierung gemessen werden, die der Analytmenge proportio nal ist. Bei dem anderen kompetitiven Test, bei dem markierte und unmar kierte Analytmoleküle zusammen zu den immobilisierten Komplementärmole külen, die freie Bindungsstellen haben, zugesetzt werden, ist die Zunah me an markierten Molekülen in diesem Oberflächenbereich der Konzentra tion des Analyten umgekehrt proportional. Hier ist die Menge der mar kierten Moleküle, die die immunogene Zone ungebunden passieren, der Analytmenge direkt proportional. Bei der Messung zugänglichen Oberflä chen kann man also bei einer derartigen immunologisch-analytischen Vor richtung das Analysenergebnis doppelt (redundant) erhalten. Diese zwei fache Bestimmungsmöglichkeit ist neu und verbessert die Zuverlässigkeit des gesamten Immuno-Assays erheblich. Fehler und Störungen können durch die mangelnde Obereinstimmung dieser beiden Meßwerte sofort erkannt wer den.In the device according to the invention, in which an electrochemical and optically accessible surface is present, but the part can also be measured that do not correspond to the eluate collection. In the competitive Test in which the surface of the device before contact with the sample is covered with immobilized partner molecules that are labeled with their th complementary molecule are saturated, the decrease in In intensity of the label can be measured, the proportion of the analyte proportion nal is. In the other competitive test, in which marked and unmar analyte molecules together to form the immobilized complementary molecules cool that have free binding sites added is the increase of labeled molecules in this surface area of the concentration tion of the analyte is inversely proportional. Here is the amount of mar labeled molecules that pass through the immunogenic zone unbound Amount of analyte directly proportional. Surface accessible during measurement Chen you can with such an immunological-analytical Vor receive the analysis result twice (redundant). These two Easy determination is new and improves reliability of the entire immunoassay significantly. Errors and faults can be caused by the lack of agreement between these two measured values is immediately recognized the.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft auf eine Doppelbestimmung des Ana lyten hinaus. Die Abnahme der über die immunogene Zone integrierten Sig nalintensität (konzentrationsproportional) muß bei einem Verdrängungs assay der betreffenden Zunahme in der "Molekülfänger"-Zone entsprechen (siehe Abb. 2). Analoges gilt auch für die Methode, bei der das markier te Analytmolekül vor jeder Analyse der Probe in einem bekannten Verhält nis beigemischt wird. Durch ein Auffangen der nichtgebundenen markierten und unmarkierten Analytmoleküle In einer speziellen Fängerzone läßt sich aus der dort meßbaren Konzentration an markierten Analytmolkülen direkt auf die Konzentration der unmarkierten Analytmoleküle, die in der Probe vorliegen, schließen. Je höher die Konzentration an markierten Analytmo lekülen nach dem Durchströmen der immunogenen Zone, desto höher die Ana lytkonzentration in der Probe.The method according to the invention amounts to a double determination of the analyte. The decrease in the signal intensity integrated over the immunogenic zone (proportional to the concentration) must correspond to the relevant increase in the "molecule trap" zone in a displacement assay (see FIG. 2). The same applies analogously to the method in which the labeled analyte molecule is mixed in a known ratio before each analysis of the sample. By collecting the unbound labeled and unlabeled analyte molecules in a special capture zone, the concentration of the labeled analyte molecules that can be measured there can be directly deduced from the concentration of the unlabeled analyte molecules present in the sample. The higher the concentration of labeled analyte molecules after flowing through the immunogenic zone, the higher the analyte concentration in the sample.
Eine weiterer Vorteil (empfindlicher und ungestörter als bisherige Ver fahren auf nicht-enzymatischer Basis) der Erfindung ist die Abtrennung der nicht spezifisch gebundenen Matrixsubstanzen vor der eigentlichen Messung sowie die Sammlung oder Anreicherung der markierten Moleküle auf einer flachen Oberfläche, auf der unmarkierte Partnermoleküle mit freien Bindungsstellen fest angebunden sind, so daß sie die markierten Partner, die den anderen immunologischen Bindungsbereich ungebunden durchlaufen haben oder dort durch den unmarkierten Analyten freigesetzt (aus der Bindung verdrängt) wurden, spezifisch anbinden. Die auf einer flachen Oberfläche angebundenen markierten Analytmoleküle, deren Menge nach Ka libration eine Information über die in der Probe vorliegenden (unmar kierten) Analytmoleküle erlaubt, können dann, je nach Art der Markie rung, elektrochemisch oder optisch bestimmt werden, wobei sowohl lange Meßzeiten mit hoher Dämpfung als auch zyklische oder repetitive Messun gen mit elektronischer (oder rechnergestützter) Mittelwertbildung mög lich sind. Nach den Gesetzen der Statistik läßt sich durch N Messungen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um den Faktor Wurzel-N verbessern.Another advantage (more sensitive and undisturbed than previous Ver drive on a non-enzymatic basis) of the invention is the separation of the non-specifically bound matrix substances before the actual one Measurement as well as the collection or enrichment of the labeled molecules a flat surface on which unmarked partner molecules with free Binding sites are firmly connected so that they are the marked partners, that pass through the other immunological binding area unbound or released there by the unlabelled analyte (from the Binding), specifically bind. The one on a flat Surface-bound labeled analyte molecules, the amount according to Ka libration an information about the present in the sample (unmar kiert) analyte molecules allowed, depending on the type of markie tion, electrochemically or optically, both being long Measuring times with high damping as well as cyclical or repetitive measurements possible with electronic (or computer-aided) averaging are. According to the laws of statistics, N measurements can be used improve the signal-to-noise ratio by the factor root-N.
Anstelle der spezifisch bindenden Immuno-Partner-Moleküle mit freien Bindungsplätzen als selektive "Molekülfänger" nach der primären kompeti tiven Immuno-Reaktion können auch andere Sammelphasen verwendet werden. Bei lipophilen Analytmolekülen reicht dazu eine zu durchströmende Zone, die mit Öl oder Wachs (oder PVC plus Weichmacher o. ä.) getränkt ist, aus. Alternativ kann dafür auch ein Material verwendet werden, daß in der reversed phase Chromatographie üblich ist (z. B. RP-18 stationäre Phase). Das letztere bietet sich insbesondere an, wenn ionisch vorlie gende Analytmoleküle festgehalten werden sollen. Hier gibt man der Fließlösung ein entsprechend geladenes, lipophiles Gegenion zu. Dadurch kommt es zu einer Ionenpaarbindung im Öl oder Fett, welche eine Er schwerung der Passage der markierten Analytmoleküle durch diese Molekül fängerzone bewirkt. Sie werden sich bei einer strömenden Trägerlösung gegen Ende der lipohilen Zone anreichern und können so der empfindlichen Messung zugänglich gemacht werden.Instead of the specifically binding immuno-partner molecules with free Binding sites as selective "molecule scavengers" according to the primary competi Other immunization phases can also be used. In the case of lipophilic analyte molecules, one zone to flow through is sufficient, which is soaked with oil or wax (or PVC plus plasticizer or similar), out. Alternatively, a material can be used for this, that in reversed phase chromatography is common (e.g. RP-18 stationary Phase). The latter is particularly useful when ionic analyte molecules should be recorded. Here you give the Flow solution to a correspondingly charged, lipophilic counterion. Thereby there is an ion pair bond in the oil or fat, which is an Er Difficulty in the passage of the labeled analyte molecules through this molecule catcher zone causes. You will find yourself with a flowing carrier solution accumulate towards the end of the lipophilic zone and can thus the sensitive Measurement are made accessible.
Eine besonders einfache und elegante Vorrichtung stellt in diesem Zusam menhang mit der Erfindung die Verwendung von teststreifenähnlichem chro matographischen Material dar. Hier kann sowohl die Papierchromatographie (erweitert um die Membranfiltermaterialien auf Celluloseacetat, -nitrat o. ä. Basis) als auch die Dünnschichtchromatographie Material-Lieferant sein (s. Abb. 2). Die Produktion der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ge schieht denkbar einfach und rationell. Im Bereich der umweltanalytischen Anwendung des hier offenbarten Verfahrens werden die entsprechenden po ly- oder monoklonalen Antikörper bzw. Fab-Fragmente mit Hilfe bekann ter Bindungstechniken (kovalente Immobilisierung mittels Spacermoleküle und Fc-Teil bindenden Komponenten) richtig orientiert (Bindungsstellen nach außen) auf über 75% der Teststreifenfläche aufgebracht. Nach Fi xierung dieser analyterkennenden Makromoleküle auf der Teststreifenober fläche wird der Anfangsbereich in eine Lösung getaucht, die nur markier te Analytmoleküle enthält. Dadurch werden alle Bindungsstellen mit die sem markierten Analytmolekül abgesättigt. Die Länge dieser immunogenen Zone entspricht dabei der Größe des Meßbereichs. Danach wird gründlich gespült, um rein adsorptiv gebundene, markierte Analytmoleküle zu ent fernen. Der Rest des Teststreifens enthält nunmehr die analyterkennenden Antikörpermoleküle (oder bei den anderen analogen Reaktionen, die ent sprechenden DNA′s oder Wirtsmoleküle) mit freien Bindungsstellen und dient als Molekülfänger für die spätere Messung. Zum Abschluß dieser Sammelzone kann vorteilhafterweise eine dünne Zone mit Dialysier-Eigen schaften verwendet werden. A particularly simple and elegant device in connection with the invention is the use of test strip-like chromatographic material. Here, both paper chromatography (expanded by membrane filter materials based on cellulose acetate, nitrate or the like) and thin-layer chromatography material can be used. Be a supplier (see Fig. 2). The production of the devices according to the invention is very simple and efficient. In the field of environmental analytical application of the method disclosed here, the corresponding poly- or monoclonal antibodies or F ab fragments are correctly oriented using known binding techniques (covalent immobilization by means of spacer molecules and F c part-binding components) (binding sites to the outside) applied over 75% of the test strip area. After fixing these analyte-recognizing macromolecules on the surface of the test strip, the initial area is immersed in a solution that contains only labeled analyte molecules. As a result, all binding sites are saturated with this labeled analyte molecule. The length of this immunogenic zone corresponds to the size of the measuring range. It is then rinsed thoroughly in order to remove labeled analyte molecules that are bound by adsorption. The rest of the test strip now contains the analyte-recognizing antibody molecules (or in the other analogous reactions, the corresponding DNA's or host molecules) with free binding sites and serves as a molecule catcher for the later measurement. At the end of this collecting zone, a thin zone with dialysis properties can advantageously be used.
Dadurch wird erreicht, daß der fließende Grundelektrolyt (durch die Art der Antikörpermoleküle bestimmt) zwar diese Zone passieren kann, die größeren markierten Analytmoleküle aber zurückgehalten werden und da durch in einer extrem kleinen Zone auch angereichert werden. Diese An ordnung kann auch in durchsichtigen Glasröhren oder preiswerteren Pla stikröhren, gefüllt mit dem betreffenden chromatographischen Material, durchgeführt werden. Falls diese Röhre mit der Dialysiermembran abge schlossen wird, kann man auch auf andere Sammelzonen verzichten. Hier muß nur der ungehinderte Zugang der optischen Strahlengänge garantiert werden, die hier vorzugsweise nicht seitlich der Röhre sondern axial an gebracht werden. Bei redoxmarkierten Analytmolekülen wird diese Dialy sierfolie demontierbar angebracht, so daß deren Innenseite mit den auf gesammelten, markierten Analytmolekülen, die in der primären Immunozone analytproportional freigesetzt worden sind, der planaren elektrochemi schen Zelle zugänglich gemacht werden. Selbstverständlich kann letztere auch zuvor durch mikroelektronische Methoden fest auf die Innenseite der Dialysierfolie aufgebracht sein.This ensures that the flowing basic electrolyte (by Art of the antibody molecules) can pass through this zone larger labeled analyte molecules are retained and there by also being enriched in an extremely small zone. This to Tidiness can also be found in transparent glass tubes or cheaper pla Microtubes filled with the relevant chromatographic material, be performed. If this tube with the dialysis membrane abge closed, you can also do without other collection zones. Here only the unobstructed access of the optical beam paths must be guaranteed are here, preferably not axially but laterally to the tube to be brought. With redox-labeled analyte molecules, this becomes dialy sier Folie attached removable, so that the inside with the collected, labeled analyte molecules in the primary immunozone have been released in proportion to the analyte, the planar electrochemical cell are made accessible. Of course, the latter can even beforehand by microelectronic methods on the inside of the Dialysis film can be applied.
Die Elektrodenflächen sind miniaturisiert und erfordern nur minimale Edelmetallmengen, so daß auch in diesem Fall die Prüfröhrchen-ähnlichen Gebilde nach einer Messung verworfen werden können. Die Röhrenanordnung erfaßt wegen der größeren Menge an immobilisierten analyterkennenden und -bindenden Antikörpermolekülen einen größeren Konzentrationsbereich des Analyten, d. h. die Kalibrierkurve geht später als bei den planaren An ordnungen in einen Sättigungsbereich über. Die Auswertung kann auch über die verdrängten Strecken (oder integriert davon) erfolgen (s. Abb. 2). Dazu kann ein preiswerter Laserdioden-Scanner verwendet werden.The electrode surfaces are miniaturized and require only minimal amounts of precious metal, so that in this case the test tube-like structures can be discarded after a measurement. Because of the larger amount of immobilized analyte-recognizing and binding antibody molecules, the tube arrangement covers a larger concentration range of the analyte, ie the calibration curve passes later than in the planar arrangements into a saturation range. The evaluation can also be carried out on the displaced routes (or integrated thereof) (see Fig. 2). An inexpensive laser diode scanner can be used for this.
Zur Anreicherung der freigesetzten oder nicht gebundenen markierten Ana lytmoleküle kann sowohl bei der Verdrängungsmethode als auch beim kompe titiven Verfahren (jeweiliger Zusatz von markierten Analytmolekülen zu Beginn des Assays) auch eine freie Endzone der oben erläuterten Anord nungen dienen, bei der aber das Lösungsmittel verdampft. Die ausgewähl ten, stabilen Redox-Marker-Moleküle sowie die IR-Fluoreszenzmoleküle vertragen dabei auch Temperaturerhöhungen. Bei Antikörperverträglichkeit lassen sich auch leichter verdampfbare Lösungsmittel zu Effizienzsteige rung verwenden, wobei auch eine Zudosierung nach der primären immunoge nen Zone möglich wird. Wichtig ist, daß die Verdampfung zur Konzentrie rung der Markermoleküle auf eine kleine Zone (Bereich) beschränkt wird. Weil dadurch das Lösungsmittel die zu detektierenden Moleküle dorthin transportiert bevor es verdampft und seine Transportfracht dort zurück läßt. Die Abb. 1 bis 2 verdeutlichen anhand von Skizzen die verschiede nen Anordnungsmöglichkeiten.To enrich the released or unbound labeled analyte molecules, both in the displacement method and in the competitive method (addition of labeled analyte molecules at the beginning of the assay), a free end zone of the above-mentioned arrangements can also be used, but in which the solvent evaporates. The selected, stable redox marker molecules as well as the IR fluorescence molecules also tolerate temperature increases. In the case of antibody compatibility, more easily evaporable solvents can also be used to increase efficiency, and dosing after the primary immunogenic zone is also possible. It is important that the evaporation to concentrate the marker molecules is limited to a small zone (area). Because this means that the solvent transports the molecules to be detected there before it evaporates and leaves its transport freight there. Fig. 1 to 2 illustrate the various arrangement options using sketches.
Die erfindungsgemäße optimierte elektrochemische Methode stellt eine zyklische Voltammetrie In Verbindung mit einem stabilen Redoxsystem dar, wobei sich letzteres von allen möglichen dadurch auszeichnet, daß es ei ne besonders hohe Standardaustauschstromdichte besitzt. Die zyklische Voltammetrie garantiert bei Dünnschicht-Meßzellen, daß nettomäßig keine Meßsubstanz elektrochemisch umgesetzt, d. h. verbraucht wird. Hierbei wird stets nur oxidiert und reduziert. Die höchste Meßempfindlichkeit wird erfindungsgemäß dann erzielt, wenn der Potentialbereich, in dem die Arbeitselektrode(n) zyklisch betrieben wird, das Halbstufenpotential des Redoxmarkers einschließt (± 200-600 mV). Bei hohen Potentialänderungs geschwindigkeiten (» 500 mV/sec Scanrate) entstehen bei Arbeitselektro den < 10 µm anodische und kathodische Stromspitzen, die der Konzentra tion des Redoxsystems proportional sind. Je höher die Scanrate desto größer werden die Stromspitzen, was einer Empfindlichkeitssteigerung gleichkommt. Werden als Redox-Marker, Systeme mit den höchsten Standard austauschstromdichten (z. B. Ferrocenverbindungen, Rutheniumkomplexe, Hexacyanoferrat II/III, J⁻/J u. a.) verwendet, dann stören nicht voll ständig abgetrennte Redoxsysteme aus der Probenmatrix wesentlich weniger, wenn mit kurzen Zykluszeiten (schnelle Spannungsrampen) gearbeitet wird. Die besten, reversiblen Redoxsysteme lassen hierbei durchaus über 1000 zyklische Voltammogramme pro Sekunde (1000 Hz !) zu. Restbestände von weniger reversiblen, eventuell störenden Redoxsystemen aus der Pro benmatrix lassen sich elektrochemisch nicht so schnell umsetzen und er zeugen daher auch kein Meßsignal (Stromfluß). The optimized electrochemical method according to the invention is one cyclic voltammetry combined with a stable redox system, the latter being distinguished from all possible in that it ei ne has a particularly high standard exchange current density. The cyclical With thin-film measuring cells, voltammetry guarantees that there are none Measuring substance converted electrochemically, d. H. is consumed. Here is always only oxidized and reduced. The highest sensitivity is achieved according to the invention if the potential range in which the Working electrode (s) is operated cyclically, the half-stage potential of the Includes redox markers (± 200-600 mV). With high potential change speeds (»500 mV / sec scan rate) arise with working electronics the <10 µm anodic and cathodic current peaks that the Konzentra tion of the redox system are proportional. The higher the scan rate the more the current peaks become larger, which increases the sensitivity equals. Are used as redox markers, systems with the highest standard exchange current densities (e.g. ferrocene compounds, ruthenium complexes, Hexacyanoferrat II / III, J⁻ / J u. a.) used, then do not interfere fully continuously separated redox systems from the sample matrix much less, if working with short cycle times (fast voltage ramps) becomes. The best, reversible redox systems are definitely not enough 1000 cyclic voltammograms per second (1000 Hz!) Too. Remainders of less reversible, possibly disruptive redox systems from the Pro benmatrix cannot be implemented as quickly electrochemically and he therefore do not produce a measurement signal (current flow).
Alternativ können andere elektrochemische Methoden angewandt werden, die zu keinem Verbrauch oder Netto-Umsatz des reagierenden Systems führen, d. h. auch die Methode der Pulsvoltammetrie oder der differentiellen Pulsvoltammetrie oder der Square-wave Voltammetrie sind hierzu geeignet, lassen sich aber aus prinzipiellen Gründen nicht so schnell zyklisch be treiben.Alternatively, other electrochemical methods can be used do not lead to consumption or net sales of the reacting system, d. H. also the method of pulse voltammetry or differential Pulse voltammetry or square-wave voltammetry are suitable for this, can not be cyclically so quickly for fundamental reasons float.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Verfahrensschritt, der vorteilhafterweise zur gewünschten extremen Empfindlichkeitssteigerung führt, liegt in ei ner speziellen Kompensationsmethode für den bei schnellen Arbeitselek trodenpotential-Scanraten zunehmenden kapazitiven Strom, der den Signal untergrund bildet. Dazu wird ein computergesteuertes Auswertsystem ver wendet, das mittels eines schnellen AD-Wandlers wie ein Scanrecorder ar beitet. Die Kompensation des nicht-faradayschen Untergrundstromes, die ebenfalls zur Empfindlichkeitsteigerung einen entscheidenden Anteil bei trägt, kann auf zwei Arten erfolgen, die für sich allein oder zusammen verwendet werden können. Bei Arbeitselektroden mit Durchmessern über 10 µm wird die Kanalzuordnung des Scanrecorders bei Erreichen des Poten tialumkehrpunktes ebenfalls umgekehrt, als ob mit einem X-Y-Schreiber die Spannung an der Arbeitselektrode gegen den fließenden Strom (engl. C-V Diagram) aufgezeichnet würde. Da dies einer einfachen Signaladdition gleichkommt, kompensieren sich pro Meßkanal (Zeitfenster oder Potential) gleich große anodische und kathodische Ströme. Lediglich bei den um ca. 60 mV auseinanderliegenden Stromspitzen ist das nicht der Fall.Another method step according to the invention, which advantageously leads to the desired extreme increase in sensitivity lies in egg a special compensation method for those who work quickly electrode potential scan rates increasing capacitive current carrying the signal forms underground. For this purpose, a computer-controlled evaluation system is used turns that ar using a fast AD converter like a scan recorder works. The compensation of the non-Faraday underground current, the also make a decisive contribution to increasing sensitivity can be done in two ways, alone or together can be used. For working electrodes with diameters over 10 µm becomes the channel assignment of the scan recorder when the pot is reached tial reversal point also reversed, as if with an X-Y recorder the voltage at the working electrode against the flowing current C-V Diagram) would be recorded. Since this is a simple signal addition equals, compensate for each measuring channel (time window or potential) equally large anodic and cathodic currents. Only for the approx. This is not the case with current peaks 60 mV apart.
Ein weiterer Schritt, der für das Ziel dieser Erfindung wesentlich von Vorteil ist, ist die erst durch schnelle Wiederholmessungen ohne Ver brauch der gemessenen Substanz mögliche elektronische Mittelwertbildung. Mit einem Signalmittelwertbildner läßt sich zusätzlich dabei auch noch das Signal/Rauschverhältnis (S/R) drastisch steigern, weil man mehrere Tausend Zyklen mitteln kann. Da man bei reversiblen Redoxsystemen leicht weit über 100 Potentialzyklen pro Sekunde (» 100 Hz) durchscannen kann, ergibt sich hier beispielsweise schon in einer Sekunde eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses um den Faktor 10. Bei Meßzeiten, die denen der Immuno-Assay-Verfahren mit Enzymmarkern entsprechen, ergeben sich Verbesserungen dieses die Nachweisgrenze bestimmenden S/R-Verhält nisses um mehrere Größenordnungen, ohne daß die Nachteile der empfindli chen Eiweißmoleküle (Enzyme) hier stören. Das zweite Verfahren zur Un terdrückung des störenden kapazitiven Stromuntergrundes bei der zykli schen Voltammetrie verwendet als Arbeitselektrode ein Ultramikroelektro den-Array mit Einzelelektrodendurchmessern von unter 10 µm. Hier ent stehen keine anodischen und kathodischen Stromspitzen mehr sondern eine Stromstufe mit gut ausgeprägten Plateaus. Die Stufenhöhe ist ähnlich wie bei der Polarographie der Konzentration des elektrochemisch umgesetzten Redoxsystems (Markermoleküls) proportional. Die erfindungsgemäße Vor richtung verwendet hierzu eine planare Array-Anordnung von ca. 2000 Ein zelelektroden mit 3 µm Durchmesser, bei der die Bezugs- und Gegenelek trode bereits optimiert in die Oberfläche integriert vorliegt. Hier hat sich nur eine von vielen möglichen geometrischen Anordnungen als geeig net erwiesen (siehe Abb. 3).A further step, which is of considerable advantage for the aim of this invention, is the electronic averaging that is only possible through rapid repeat measurements without using the measured substance. With a signal mean value generator, the signal / noise ratio (S / R) can also be increased drastically because several thousand cycles can be averaged. Since it is easy to scan well over 100 potential cycles per second (»100 Hz) in reversible redox systems, the signal-to-noise ratio can be improved by a factor of 10 in just one second. At measuring times that match those of the immuno -Assay method with enzyme markers, there are improvements in this S / R ratio determining the detection limit by several orders of magnitude, without the disadvantages of the sensitive protein molecules (enzymes) interfering here. The second method for suppressing the interfering capacitive current background in cyclic voltammetry uses an ultramicroelectrode array as the working electrode with individual electrode diameters of less than 10 μm. There are no longer any anodic and cathodic current peaks, but rather a current stage with well-defined plateaus. Similar to polarography, the step height is proportional to the concentration of the electrochemically converted redox system (marker molecule). For this purpose, the device according to the invention uses a planar array arrangement of approximately 2000 individual electrodes with a diameter of 3 μm, in which the reference and counter electrodes are already integrated in the surface in an optimized manner. Only one of many possible geometrical arrangements has proven to be suitable here (see Fig. 3).
Die neue Anwendung der zyklischen Voltammetrie zur Erzielung extremer Meßempfindlichkeiten bei Redoxsystemen oder Markermolekülen mit Redox gruppen ist dadurch möglich, weil durch die abwechselnde Oxydation und Reduktion kein Verbrauch des Meßstoffes auftritt. Eine Wegdiffusion des Redoxsystems wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Dünnschicht zellen-Anordnung gewählt wird. Hierbei werden die Arbeitselektrode(n) sowie die Gegen- und Referenzelektrode gegen die mit Grundelektrolyt be feuchtete Oberfläche mit den redoxmarkierten Partnermolekülen gedrückt. Gegebenenfalls können die unmarkierten Partnermoleküle, die die redox markierten Moleküle binden, auch direkt auf oder unmittelbar neben der Elektrodenoberfläche immobilisiert sein. Die Zyklisierung ist bei Nach weisgrenzen unter 1 ppb (Redox-System) notwendig, denn bei solch extrem kleinen Konzentrationen müssen möglichst alle Moleküle elektrochemisch erfaßt werden. Dann entspricht eine Stromstärke von einem µA einer um gesetzten Substanzmenge von ca. 10-10 mol/sec. Derzeitig erlauben gute elektrochemische Meßzellen auch noch zuverlässige Strommessungen im nA-Bereich, was einer tausendfach kleineren Umsatzrate entspricht. Durch die Signalmittelwertbildung werden nunmehr Pico- und Femto-Amperströme meßbar, was zu Umsatzraten von 10-16 resp. 10-19 mol/sec führt. The new application of cyclic voltammetry to achieve extreme measuring sensitivity in redox systems or marker molecules with redox groups is possible because no alternation of the medium occurs due to the alternating oxidation and reduction. A path diffusion of the redox system is solved according to the invention in that a thin-layer cell arrangement is selected. Here, the working electrode (s) and the counter and reference electrodes are pressed against the surface moistened with the base electrolyte with the redox-marked partner molecules. If necessary, the unlabeled partner molecules that bind the redox-labeled molecules can also be immobilized directly on or immediately next to the electrode surface. The cyclization is necessary for detection limits below 1 ppb (redox system), because at such extremely low concentrations, all molecules must be detected electrochemically if possible. Then a current of one µA corresponds to a converted amount of substance of approx. 10 -10 mol / sec. Good electrochemical measuring cells currently also allow reliable current measurements in the nA range, which corresponds to a conversion rate that is a thousand times smaller. The signal averaging now makes it possible to measure pico and femto amper currents, which leads to conversion rates of 10 -16 and . 10 -19 mol / sec leads.
Bei der optischen Detektion erhält man die gewünschte Empfindlichkeits steigerung durch die Kombination von mehreren, mindestens zwei Verfah rensmaßnahmen. Als erste Maßnahme verwendet man Markermoleküle, die im IR stark absorbieren, und im noch ferneren Infrarot fluoreszieren, weil dadurch der störende Fluoreszenzuntergrund von einigen Eiweißmolekülen (z. B. bei biologischen Matrices) nicht auftritt und die preiswerten La serdioden als Anregungsquelle hoher spektraler Leuchtdichte besonders vorteilhaft sind. Das emittierte Laserlicht erlaubt durch seine geringe Strahlkonvergenz besonders exakte Abgrenzungen des Meßfensters. Als wei tere Methode verwendet man Fluoreszenzmarkermoleküle, deren Fluoreszenz besonders langsam abklingt, so daß man diese Fluoreszenz gut von der schnell abklingenden der störenden Moleküle in der Probenmatrix abtren nen kann. Im Gegensatz zu einer kommerziell erhältlichen Anordnung, bei der einfach das Anregungslicht durch einen Shutter unterbunden wird, und die eigentliche Messung des Fluoreszenzlichtes erst nach einigen Milli sekunden (nach völligem Abklingen der Störfluoreszenzstrahlung) beginnt und über eine gewisse Zeit integriert wird, geschieht die Auswertung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über eine direkt und schneller messende elektronische Berücksichtigung der langsameren Abklingzeit. Hierzu wird ein Lock-In Verstärker benutzt, der eine frequenz- und phasenselektive Verstärkung ermöglicht. Die Unterdrückung der störenden Fluoreszenz mit der schnellen Abklingzeit geschieht hier durch eine geeignete Wahl des Phasenwinkels am Meßgerät. Vorteil dieser Methode gegenüber der Zählra tenmethode (Photonenzählung) der kommerziellen Version ist die höhere Empfindlichkeit, weil die frequenzselektive Verstärkung nur einen Bruch teil des meist weißen elektronischen Rauschens des Photo-Empfängers ver stärkt und weil bei höheren Licht-Chopper Frequenzen gearbeitet werden kann, was die Anzeigegeschwindigkeit drastisch erhöht, so daß auch Durchflußmessungen, wie bei der FIA üblich, noch entsprechend sensitiv durchgeführt werden können.The desired sensitivity is obtained with optical detection increase through the combination of several, at least two, procedures measures. The first measure is to use marker molecules that are in the Strongly absorb IR, and fluoresce in the far infrared because thereby the disruptive fluorescent background of some protein molecules (e.g. with biological matrices) does not occur and the inexpensive La Serdiodes especially as excitation sources of high spectral luminance are advantageous. The emitted laser light allows due to its low Beam convergence particularly precise boundaries of the measurement window. As white tere method one uses fluorescent marker molecules, their fluorescence decays particularly slowly, so that this fluorescence is good from the the rapidly decaying of the interfering molecules in the sample matrix can. In contrast to a commercially available arrangement, at which is simply prevented by a shutter, and the actual measurement of the fluorescent light only after a few milli seconds (after the interfering fluorescence radiation has completely decayed) begins and is integrated over a certain period of time, the evaluation takes place at the inventive method via a direct and faster measuring electronic consideration of the slower cooldown. To do this uses a lock-in amplifier that is frequency and phase selective Enhancement enables. The suppression of disruptive fluorescence The fast cooldown is done here by a suitable choice of Phase angle on the measuring device. Advantage of this method over the counter ten method (photon count) of the commercial version is the higher Sensitivity because the frequency selective gain is only a fraction part of the mostly white electronic noise of the photo receiver ver strengthens and because higher light chopper frequencies are used can, which increases the display speed drastically, so that too Flow measurements, as usual at the FIA, are still very sensitive can be carried out.
Die folgenden Vorteile werden bei der Erfindung erhalten:The following advantages are obtained with the invention:
- A) eine Art Affinitätschromatographischer Säule oder auch eine offene oder der optischen und elektrochemischen Messung zugänglichen Ober fläche eines beliebigen Trägermaterials mit Immobilisierten Partner molekülen zu dem zu bestimmenden Molekül (Analyt);A) a kind of affinity chromatography column or an open one or the optical and electrochemical measurement accessible upper surface of any carrier material with immobilized partner molecules to the molecule to be determined (analyte);
- B) eine gleichartige der Messung zugängliche "Sammeloberfläche" für freigesetzte markierte Analytmoleküle (im Falle einer Verdrängungs reaktion auf obiger Säule oder Oberfläche, die möglichst vollständig mit markierten immunogen gebundenen Analytmolekülen belegt ist, durch unmarkierte Analytmoleküle);B) a similar "collecting surface" accessible to the measurement for released labeled analyte molecules (in case of displacement reaction on the above column or surface as completely as possible is labeled with labeled immunogen-bound analyte molecules, by unlabelled analyte molecules);
- C) eine erfindungsgemäße flache elektrochemische Meßzelle in einer aus zwei oder drei Elektroden bestehenden potentiostatischen Schaltung mit einer oder mehreren Arbeitselektroden, die eine Zyklovoltamme trie im elektroaktiven Bereich des betreffenden Redoxsystems (repe titive Oxidation und Reduktion) durchführt und die in unmittelbaren Kontakt mit der "Sammeloberfläche" oder der unter A) genannten ge bracht werden kann;C) a flat electrochemical measuring cell according to the invention in one two or three electrodes existing potentiostatic circuit with one or more working electrodes that form a cyclic voltamm in the electroactive area of the redox system in question (rep titive oxidation and reduction) and the immediate Contact with the "collecting surface" or the one mentioned under A) can be brought;
- D) eine Fluoreszenzanordnung, die mittels Laserdioden zur Fluoreszenz bei Emissionswellenlängen < 700 nm anregt und die schnell zwischen einem unmarkierten Untergrund und den Stellen, wo die optisch mar kierten Analytmoleküle auf den betreffenden Oberflächen festgehalten werden hin und her oszilliert (alternativ können auch Fluoreszenz marker verwendet werden, die die Methode der zeitverzögerten Fluoreszenz ermöglichen, wobei aber hier die direkte und schnelle Messung mittels eines elektronischen phasenselektiven Verstärkers erfolgt, die ebenfalls mit Hilfe von Lichtleitern schnell zwischen einem unmarkierten und markierten Untergrund hin und her oszillieren kann).D) a fluorescence arrangement, which uses laser diodes for fluorescence at emission wavelengths <700 nm and that quickly between an unmarked surface and the places where the optically mar analyte molecules on the surfaces concerned are oscillated back and forth (alternatively, fluorescence markers are used which are the method of time-delayed Allow fluorescence, but here the direct and fast Measurement using an electronic phase selective amplifier takes place, which also quickly with the help of light guides oscillate back and forth on an unmarked and marked surface can).
- E) einen elektronischen Signalmittelwertbildner oder eine computerge stütze Aufaddition von Signal-Zeit-Kurven (Zeit proportional zur Spannung bei der elektrochemischen Detektion oder zum Meßort beim optischen Verfahren). Dabei mittelt sich ein statistisches elektro nisches Rauschen in den höchsten Empfindlichkeitsbereichen zu Null. E) an electronic signal averager or a computer support addition of signal-time curves (time proportional to Voltage during electrochemical detection or to the measuring location at optical process). A statistical electro is averaged African noise to zero in the highest sensitivity ranges.
- F) Falls bei der auswertenden Messung sowohl die Änderung der markier ten Analytmoleküle in der primären Immunogenen Zone als auch die in der Sammelzone erfaßt wird, kann man neben einer Doppelmessung auch durch Quotientenbildung eine Art innere Standardisierung durchfüh ren. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Messungen ähnlich wie bei der internen Standardisierung von emissionsspektroskopischen Methoden.F) If both the change of the marked analyte molecules in the primary immunogenic zone as well as in the collection zone is recorded, you can also take a double measurement carry out a kind of internal standardization by forming quotients ren. This improves the reliability of the measurements similar to in the internal standardization of emission spectroscopic Methods.
Die Oberfläche mit dem immobilisierten immunologischen Partnermolekül zum Analyten sollte im Interesse eines großen Meßbereichs hoch beladen sein. Auch muß das betreffende Molekül mit einer richtigen Orientierung (Epitop-Bereich außen) dort immobilisiert sein. Dies läßt sich u. a. auch unter Zuhilfenahme eines geeignet gewählten elektrischen Feldes (oder Stromes) an der Phasengrenze Trägeroberfläche/Meßlösung bewerkstelligen. Dadurch kommt es zu einer gerichteten Immobilisierung dieser Partner, ohne daß teure Spezialsubstanzen (als übliche Spacermoleküle) dafür be nötigt werden. Die gerichtete Immobilisierung ergibt zusammen mit einer hohen Immobilisierungsdichte eine hohe Meßempfindlichkeit und einen großen Meßbereich. Alternativ können die immobilisierten Partnermoleküle aber auch durch die bekannten Techniken mittels Fc-Teil bindender Spacermoleküle (bei der im Umweltanalytikbereich üblichen Immobilisle rung von Antikörpern) an Trägeroberflächen (z. B. Glas-Beads, chromato graphische stationiäre Phasen, Mikrotiterplatten etc.) angebunden werden.The surface with the immobilized immunological partner molecule for the analyte should be highly loaded in the interest of a large measuring range. The molecule in question must also be immobilized there with a correct orientation (epitope area outside). This can also be accomplished, among other things, with the aid of a suitably chosen electrical field (or current) at the phase boundary of the carrier surface / measurement solution. This leads to a directed immobilization of these partners without the need for expensive special substances (as usual spacer molecules). The directional immobilization together with a high immobilization density results in a high sensitivity and a large measuring range. Alternatively, the immobilized partner molecules can also be attached to carrier surfaces (e.g. glass beads, chromatographic stationary phases, microtiter plates, etc.) by means of the known techniques using spacer molecules which bind the F c part (in the case of immobilization of antibodies customary in environmental analysis) become.
Als besondere Variante der Ausführungsbeispiele bietet sich auch Papier als preiswerter Träger an. Hier kann sowohl laborübliches Filterpapier als auch Membranfilter auf der Basis von Cellulose oder anderer Materia lien dienen. Auch chromatographische Dünnschicht-Träger sind hierfür hervorragend geeignet, da sie oberflächlich leicht zu modifizieren sind. Eine bevorzugte Art sind in diesem Zusammenhang Dünnschichtplatten mit oder ohne Fluoreszenzgrundmarkierung, die schon in ein sog. Reversed Phase (RP-Material) modifiziert wurden. Hier gelingt die gerichtete Im mobilisierung der Partner-Molekülsorte (d. h. des jeweils nicht den Ana lyt darstellenden Partners dieser sich gegenseitig bindenden komplemen tären Moleküle) dann besonders gut, wenn man diesen Molekülen gezielt gegenüber dem Epitopbereich eine oder mehrere langkettige aliphatische Reste (C₆-C₂₅) ansynthetisiert oder bei Antikörpern die gentechnisch erzeugten Fab-Fragmente mit den spezifischen Bindungsstellen lipophile Molekülgruppen an der gegenüberliegenden Molekülstelle erzeugen läßt. Die lipophilen Reste der zu immobilislerenden Moleküle tauchen dann in die aliphatische Molekülbürste der Trägeroberfläche ein und werden so bei höchster Dichte ohne Beeinträchtigung des Bindungsverhaltens fixiert. Sie können aber bei Denaturierung oder Desaktivierung wie in der Chromatographie üblich eluiert werden, so daß der Träger für eine Immobilislerung mit frischen Molekülen zur Verfügung steht. Bei Verwen dung von Dünnschichtplatten auf Basis einer Aluminiumfolie läßt sich letztere auch elegant bei der elektrochemischen Detektionsmethode als Gegenelektrode verwenden.As a special variant of the exemplary embodiments, paper also offers itself as an inexpensive carrier. Both laboratory filter paper and membrane filters based on cellulose or other materials can be used here. Chromatographic thin-film supports are also ideally suited for this, since they are easy to modify on the surface. A preferred type in this context are thin-layer plates with or without basic fluorescence marking, which have already been modified in a so-called reversed phase (RP material). The directed immobilization of the partner molecule type (ie the partner of these mutually binding complementary molecules that does not represent the analyte) succeeds particularly well here if one targets these molecules with one or more long-chain aliphatic residues (C₆-C₂ gegenüber ) synthesized or, in the case of antibodies, the genetically generated F ab fragments with the specific binding sites can produce lipophilic molecular groups at the opposite molecular site. The lipophilic residues of the molecules to be immobilized are then immersed in the aliphatic molecular brush on the carrier surface and are thus fixed at the highest density without impairing the binding behavior. However, they can be eluted during denaturation or deactivation as is customary in chromatography, so that the support is available for immobilization with fresh molecules. When using thin-film plates based on an aluminum foil, the latter can also be used elegantly in the electrochemical detection method as a counter electrode.
Dieser Prozeß kann auch dynamisch im Rahmen einer Fließinjektionsanalyse automatisiert werden, d. h. auf die unbeladene RP-Oberfläche werden zu nächst die zu immobilisierenden Moleküle (ohne gebundenes Analytmolekül mit Marker, aber auch mit) gegeben bevor nach einer Spülung zum Entfernen des Überschusses im Fall der unbeladenen Moleküle die markierten Analyt moleküle bis zur Absättigung über die Oberfläche geleitet werden. Nach einer erneuten Spülung kann dann die Probe aufgegeben werden. Die Ver wendung von zugänglichen flachen Oberflächen für die Immobilisierung der Partnermoleküle kann einen Verfahrensschritt ersparen, denn man kann die Menge der dort gebundenen markierten Analytmoleküle bei beiden Versionen (Vorimmobilisierung mit markierten Analytmolekülen und Konkurrenzbindung von-der mit der Probe zugesetzten markierten Analytmolekülen) sowohl mit der planaren elektrochemischen Meßzelle (durch einfaches Aufpressen auf die Oberfläche) als auch mit der optischen Fluoreszenzmethode leicht be stimmen ohne eine zusätzliche Sammeloberfläche zu benutzen.This process can also be done dynamically as part of a flow injection analysis be automated, d. H. towards the unloaded RP surface next the molecules to be immobilized (without bound analyte molecule with marker, but also with) before removing after rinsing the excess in the case of unloaded molecules the labeled analyte molecules are passed over the surface until saturation. To a new rinse can then be applied to the sample. The Ver use of accessible flat surfaces for the immobilization of the Partner molecules can save one procedural step, because you can do that Amount of labeled analyte molecules bound there in both versions (Pre-immobilization with labeled analyte molecules and competition of the labeled analyte molecules added to the sample) both with the planar electrochemical measuring cell (by simply pressing on the surface) as well as with the optical fluorescence method agree without using an additional collection interface.
Bei beiden Detektionsmethoden ist es wichtig, daß störende Stoffe aus der Probenmatrix vor den eigentlichen Messungen fortgespült werden. Dies erfolgt durch reine, gepufferte Elektrolytlösung, die sowohl die Stabi lität der Biomoleküle unterstützt als auch den Grundelektrolyt für die elektrochemische oder optische Detektionsart darstellt. With both detection methods it is important that interfering substances are removed the sample matrix before the actual measurements. This is done by pure, buffered electrolyte solution, which both the stabilizer lity of the biomolecules supports the basic electrolyte for the represents electrochemical or optical type of detection.
Als Redox-Systeme werden bei der Erfindung diejenigen angewählt, die an dem verwendeten Arbeitselektrodenmaterial (Platin, Gold, anderes Edelme tall) die höchsten Standardaustauschstromdichten zeigen. Hierzu zählen von allen möglichen Redoxsystemen vorzugsweise nur die besonders rever siblen Systeme, wie die auf der Basis von Ferrocen, Rutheniumkomplexen, Hexacyanoferrat (II/III), Jod/Jodid etc. Besonders vorteilhafte Redoxsy steme haben ein Redoxpotential in der Nähe desjenigen von Sauerstoff, so daß sie von letzterem nicht gestört werden und man in diesem Fall die zyklische Voltammetrie auch ohne Inertgasspülung durchführen kann.The redox systems selected in the invention are those that are the working electrode material used (platinum, gold, other precious metals tall) show the highest standard exchange current densities. Which includes of all possible redox systems, preferably only the particularly rever sensitive systems, such as those based on ferrocene, ruthenium complexes, Hexacyanoferrate (II / III), iodine / iodide etc. Particularly advantageous redoxsy systems have a redox potential close to that of oxygen, so that they are not disturbed by the latter and in this case the can perform cyclic voltammetry even without inert gas flushing.
Bei der elektrochemischen Zelle läßt sich besonders vorteilhaft auch ei ne planare Mikroelektroden-Array-Anordnung einsetzen) weil bei Einzel elektrodendurchmessern < 10 µm die Vorteile von Ultramikroelektroden auftreten. Letztere sind: Redox-Stufen statt Peaks im Voltammogramm, Verminderung des Verhältnisses von kapazitiven zu Faradayschen Strom, Rührunabhängigkeit, quasi-verbrauchslose Messung schon ohne die Spannung zu zyklisieren u. a.In the electrochemical cell, egg can also be particularly advantageously ne planar microelectrode array arrangement) because with single electrode diameters <10 µm the advantages of ultramicroelectrodes occur. The latter are: redox levels instead of peaks in the voltammogram, Reducing the ratio of capacitive to Faraday current, Stirring independence, quasi-consumption-free measurement even without the voltage to cyclize u. a.
Als besonders vorteilhafte Molekülklasse für die Fluoreszenzmarkierung bieten sich z. B. an Bis-isothiocyanat-Derivat von 2-[4′-chloro-7′(3′′-ethyl-2′′-benzothiazolinyliden)-3′,5′-(1′′′-prop-anediyl) -1′,3′,5′-heptatrien-1′-yl]-3-ethylbenzothiazoliumbromid, große Porphy rinringe oder geeignete Phthalocyanine an (siehe Abb. 4). Sie lassen sich durch die preiswerten langwelligen monochromatischen und fremd lichtfreien Laserlichtquellen anregen und erzeugen eine Fluoreszenz in einem Wellenlängenbereich, wo kaum andere Moleküle stören. Die Verwen dung von Laserdioden mit entsprechenden IR-empfindlichen Halbleiterde tektoren erlaubt besonders kleine Meßaufbauten (z. B. Handmeßgeräte).A particularly advantageous class of molecules for fluorescent labeling are, for. B. bis-isothiocyanate derivative of 2- [4'-chloro-7 '(3''-ethyl-2''- benzothiazolinylidene) -3', 5 '- (1''' - prop-anediyl) - 1 ′, 3 ′, 5′-heptatrien-1′-yl] -3-ethylbenzothiazolium bromide, large porphyry rings or suitable phthalocyanines (see Fig. 4). They can be excited by the inexpensive long-wave monochromatic and extraneous light-free laser light sources and generate fluorescence in a wavelength range where hardly any other molecules interfere. The use of laser diodes with appropriate IR-sensitive semiconductor detectors allows particularly small test setups (e.g. handheld devices).
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Arbeitsweisen werden anhand von Beispielen noch näher erläutert. The devices and methods of operation according to the invention are based on Examples explained in more detail.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf einer kompetitiven Reaktion zwischen markiertem und unmarkiertem Analytmolekül. Hier kompensieren sich nichtspezifische Anbindungen, da sie in beiden Fällen im gleichen Ausmaß auftreten. Wünschenswert ist ferner, daß das unmarkierte Analyt molekül eine etwas geringere Bindungskonstante als das markierte auf weist, um es effektiver verdrängen zu können. Dies ist in der Regel der Fall, da die kovalente Verknüpfung mit einem relativ großen Markermole kül die Antikörper-Antigen- (bzw. allgemein: Molekül-Komplementärmole kül-) Bindung schwächt, weil sich beide Moleküle nicht mehr optimal nä hern können.An advantageous embodiment of the arrangement and of the method according to the invention is based on a competitive reaction between labeled and unlabeled analyte molecule. Compensate here non-specific connections, since they are the same in both cases Extent occur. It is also desirable that the unlabelled analyte molecule has a slightly lower binding constant than the marked one points in order to be able to displace it more effectively. This is usually the case Case because the covalent linkage with a relatively large marker mole cool the antibody-antigen (or in general: molecule complementary molecules) cool) weakening because both molecules no longer optimally sew can hear.
Als Modellanalyt wurde in diesem Beispiel Humanserumalbumin (HSA) ge wählt. Als immobilisiertes Partnermolekül wurde der dazugehörige Anti körper (anti-HSA) verwendet. Die anti-HSA Antikörper wurden mit den be kannten Immobilisierungstechniken an die Oberfläche von Sepharose-Mate rial kleiner Korngröße (150 µm) angebunden und mit fluoreszenzmarkier tem HSA belegt. Als Fluoreszenzmolekül wurde ein Europiumchelat (BCPDA) gewählt. An ein HSA Makromolekül konnten mehrere fluoreszierende Chelat komplexe kovalent angebunden werden (20-30). Die Europiumchelatverbin dung wurde in diesem Beispiel anstelle des IR-Licht emittierenden Mar kers genommen, weil die hier auftretende Fluoreszenz wesentlich langsa mer abklingt als die der störenden Probenmatrix (Eiweißmoleküle bei bio logischen Proben). Gemessen wurde am Ende einer kleinen Säule, die mit den Sepharose-Material und dem markierten Immunkomplex beladen war. Bei Zugabe von unmarkierten HSA wurde das mit dem Fluoreszenzmarker versehe ne von der Oberfläche der mit HSA-Antikörpern beladenen Sepharose-Parti kel verdrängte HSA Molekül in einer Durchflußmeßzelle vermessen. Dazu wurde Licht der Wellenlänge 350 nm verwendet, dessen Strahlengang durch einen optischen Chopper mit einer Frequenz von 140 Hz zerhackt wurde. Im rechten Winkel zum Anregungslicht wurde das Fluoreszenzlicht gemessen. Als Lichtdetektor wurde ein Photomultiplier verwendet und am Lock-In- Verstärker ein Phasenwinkel von 0° eingestellt. Die Abb. 5 zeigt die Signale, die durch die Zugabe von unmarkiertem HSA gemessen werden kön nen. Sie sind der HSA-Konzentration der auf die Säule aufgegebenen Probe proportional. Durch diese Meßtechnik lassen sich pro Zeiteinheit wesent lich mehr Proben analysieren, als mit der Photonenzählung, die auch der FIA-Technik verschlossen bleibt. Neben HSA könnten durch die Immobili slerung entsprechender mono- und polyklonaler Antikörper auch andere Analyte, wie Atrazin oder andere Schadstoffe sehr empfindlich im sub ppm-Bereich mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.In this example, human serum albumin (HSA) was chosen as the model analyte. The associated anti-body (anti-HSA) was used as the immobilized partner molecule. The anti-HSA antibodies were bound to the surface of Sepharose material with a small grain size (150 µm) using known immobilization techniques and coated with fluorescence-labeled HSA. A europium chelate (BCPDA) was chosen as the fluorescence molecule. Several fluorescent chelate complexes could be covalently attached to an HSA macromolecule (20-30). In this example, the europium chelate compound was used instead of the IR light-emitting marker because the fluorescence occurring here decays much slower than that of the disruptive sample matrix (protein molecules in biological samples). Measurements were taken at the end of a small column that was loaded with the Sepharose material and the marked immune complex. When unlabelled HSA was added, the HSA molecule displaced with the fluorescent marker from the surface of the Sepharose particles loaded with HSA antibodies was measured in a flow measuring cell. For this, light with a wavelength of 350 nm was used, the beam path of which was chopped by an optical chopper with a frequency of 140 Hz. The fluorescent light was measured at right angles to the excitation light. A photomultiplier was used as the light detector and a phase angle of 0 ° was set on the lock-in amplifier. Fig. 5 shows the signals that can be measured by adding unlabelled HSA. They are proportional to the HSA concentration of the sample applied to the column. With this measuring technique, significantly more samples can be analyzed per unit of time than with the photon count, which also remains closed to the FIA technique. In addition to HSA, other analytes such as atrazine or other pollutants could also be determined very sensitively in the sub ppm range with high accuracy by immobilizing appropriate mono- and polyclonal antibodies.
Als Analyt wurde das umweltrelevante Atrazin gewählt. Letzteres wurde durch Standardmethoden der organischen Synthese in 6 Stufen mit einem modifizierten Ferrocen-Molekül kovalent verknüpft. Das ausgewählte, sehr reversible Redox-System mußte zuvor in eine wasserlösliche Form durch Anfügen stark polarer Seitenketten überführt werden. Die einzelnen che mischen Syntheseschritte, die - ausgehend vom kommerziell erhältlichen Ausgangsprodukt - notwendig waren sind in Abb. 5 aufgeführt.The environmentally relevant atrazine was chosen as the analyte. The latter was covalently linked to a modified ferrocene molecule in 6 steps using standard methods of organic synthesis. The selected, very reversible redox system had to be converted into a water-soluble form by adding strongly polar side chains. The individual chemical synthesis steps that were necessary - starting from the commercially available starting product - are shown in Fig. 5.
Die letzte Verbindung, das redoxmarkierte Atrazin wurde nach Reinigung sowohl für die Verdrängungsmethode als auch für die kompetitive Methode in einem Atrazin-Assay eingesetzt. Die entsprechenden Antikörper wurden von Hock et al. in der Literatur beschrieben [1,2]. Die Abb. 7 zeigt zy klische Voltammogramme dieses redoxmarkierten Atrazins in extrem hoher Verdünnung auf einer Trägeroberfläche. Bedingt durch den unmittelbaren Kontakt des Redoxsystems mit der Arbeitelektrodenoberfläche und dem Nichtvorhandensein von andiffundierenden oder abdiffundierenden Redoxmo lekülen ergeben sich im zyklischen Voltammogramm schärfere Peaks als üb lich. Dieser Effekt wirkt auch empfindlichkeitssteigernd. The last compound, the redox-labeled atrazine, was used in an atrazine assay after purification both for the displacement method and for the competitive method. The corresponding antibodies were by Hock et al. described in the literature [1,2]. Fig. 7 shows cyclic voltammograms of this redox-labeled atrazine in extremely high dilution on a carrier surface. Due to the direct contact of the redox system with the working electrode surface and the absence of diffusing or diffusing redox molecules, the cyclic voltammogram results in sharper peaks than usual. This effect also increases sensitivity.
Als reversibles Redox-System wurde Hexacyanoferrat (II/III) in einem Verhältnis von etwa 1 : 1 gewählt. Die typische Nachweisgrenze für dieses System bei der klassischen zyklischen Voltametrie liegt im millimolaren Konzentrationsbereich. Durch die Methode der elektronischen Signalmit telwertbildung, die hier wegen der verbrauchslosen Meßtechnik angewandt werden kann, lassen sich, wie Abb. 8 zeigt, noch extrem geringe Redox konzentrationen weit unterhalb des mikromolaren (µmol/L) Bereiches mit einem sehr guten Signal/Rauschverhältnis quantitativ bestimmen. Bei ei ner Zyklusfrequenz von ca. 1000 Hz können beispielsweise in einer Sekun de 1000 Oxidations- und Reduktionsreaktionen durchgeführt werden, was bezüglich des elektrochemischen Signals gleichbedeutend mit einer zehn tausendfach höheren Redoxmittelkonzentration (verglichen zur üblichen 0,1 Hz Arbeitsweise) ist oder einer entsprechend erhöhten Elektronen transferzahl entspricht, was gleichbedeutend wäre mit einem Analytmole kül, an dem eine entsprechende Anzahl von Ein-Elektronen-Redoxmolekülen angebunden wären.Hexacyanoferrate (II / III) was chosen as the reversible redox system in a ratio of about 1: 1. The typical detection limit for this system in classic cyclic voltammetry is in the millimolar concentration range. The method of electronic signal formation, which can be used here due to the consumption-free measurement technology, can, as Fig. 8 shows, extremely low redox concentrations far below the micromolar (µmol / L) range with a very good signal / noise ratio determine. At a cycle frequency of approx. 1000 Hz, for example, 1000 oxidation and reduction reactions can be carried out in one second, which in terms of the electrochemical signal is synonymous with a ten thousand times higher redox agent concentration (compared to the usual 0.1 Hz mode of operation) or a correspondingly increased Electron transfer number corresponds to what would be equivalent to an analyte molecule to which a corresponding number of one-electron redox molecules would be attached.
Bekanntlich tritt bei schnellen Potentialänderungsgeschwindigkeiten we gen der entsprechenden Umladung der Doppelschichtkapazität an der Ar beitelektroden-Grenzfläche ein sog. kapazitiver Strom auf, dessen Größe leider proportional zur Änderungsgeschwindigkeit ist, so daß eigentlich eine extrem schnelle Zyklusgeschwindigkeit bei der zyklischen Voltamme trie ausgeschlossen sein sollte, weil dieser Anteil den des betreffenden Redox-Peaks (faradayscher Strom) bei weitem übersteigt und zu Voltammo grammen führt, wie sie in Abb. 9 dargestellt werden. Führt man hingegen bei Makro-Arbeitselektroden die Spannungskoordinatenwerte ähnlich wie bei einem X-Y-Schreiber rückwärts zählend auf die einzelnen Digitalkanä le des Mittelwertbildners oder Scan-Recorders mit dieser Vorrichtung, so führt die Umkehrung des Vorzeichens der Stromstärke bei der Aufaddition In ein und denselben Kanal (der einem genau bestimmten Arbeitselektro denpotential zugeordnet ist) zu einer Kompensation des kapazitiven Stromanteils. Dies geschieht nahezu vollständig, da der Kapazitätsstrom bei konstanter Doppelschichtkapazität (bei gleichem Arbeitselektrodenpo tential) bis auf das Vorzeichen der Potentialänderungsgeschwindigkeit dU/dt proportional ist. Lediglich die faradayschen Strompeaks, die pro portional der Konzentration des Redoxsystems sind, werden durch diesen Schaltungstrick nicht kompensiert, da sie bei unterschiedlichen Potentia len ablaufen. Man erhält also ein rauscharmes, gemitteltes zyklisches Voltammogramm, das wie in Abb. 8e gezeigt, aussieht. Erst durch diese schaltungstechnische und elektronische Vorrichtung ist es möglich, mit Potentialzyklusraten von weit über 100 Hz zu arbeiten.As is known, at so-called potential change velocities due to the corresponding charge reversal of the double-layer capacitance at the working electrode interface, a so-called capacitive current occurs, the size of which is unfortunately proportional to the rate of change, so that an extremely fast cycle speed should be excluded in the cyclic voltammetry because this proportion far exceeds that of the relevant redox peak (Faraday current) and leads to voltammograms, as shown in Fig. 9. If, on the other hand, if the voltage coordinate values for macro working electrodes are counted down to the individual digital channels of the averaging device or scan recorder with this device, similar to an XY recorder, the reversal of the sign of the current strength during the addition In leads to one and the same channel ( which is assigned a precisely defined working potential) to compensate for the capacitive current component. This happens almost completely, since the capacitance current with a constant double layer capacitance (with the same working electrode potential) is proportional to the sign of the potential rate of change dU / dt. Only the Faraday current peaks, which are proportional to the concentration of the redox system, are not compensated for by this circuit trick, since they run at different potentials. A low-noise, averaged cyclic voltammogram is obtained, which looks as shown in Fig. 8e. It is only through this circuitry and electronic device that it is possible to work with potential cycle rates of well over 100 Hz.
Wird die Oberfläche der Arbeitselektrode verkleinert, so verringert sich die zugehörige Doppelschichtkapazität wesentlich stärker als die fara daysche Stromdichte, d. h. das Verhältnis von faradayschem Strom (der analytproportional ist) zu kapazitivem wird extrem verbessert, so daß extrem schnelle Potentialänderungsgeschwindigkelten von < 500 V/sec mög lich werden. Zusätzlich sorgen die veränderten Diffusionsbedingungen für die elektroaktive Species zu einer anderen Signalform. Ultra-Mikroelek troden (Durchmesser < 10 µm) erlauben zum Unterschied zu einer plana ren Diffusion bei Makroelektroden sphärische Diffusionsbedingungen und setzen so wenig Substanz um, daß es zu keiner in die Lösung hineinwach senden Verarmungsschicht kommt, was sich im Voltammogramm durch eine klare Stufe und ein stabiles Grenzstromplateau zeigt. Die Abb. 10 zeigt den Unterschied zwischen einem zyklischen Voltammogramm einer Spur eines Redoxsystems bei einer Makroelektrode und einem Ultra-Mikroelektro den-Array der in Abb. 3 offenbarten geometrischen Anordnung. Das Array hat genau die gleichen Eigenschaften wie eine einzelne Ultra-Mikroelek trode, hat jedoch den Vorzug, daß die Stromstärke entsprechend der An zahl der Elektroden vergrößert ist.If the surface of the working electrode is reduced, the associated double-layer capacity is reduced significantly more than the Fara day current density, i.e. the ratio of Faraday current (which is proportional to the analyte) to the capacitive is extremely improved, so that extremely fast potential change speeds of <500 V / sec are possible become. In addition, the changed diffusion conditions cause the electroactive species to change their signal form. Ultra-microelectrodes (diameter <10 µm), in contrast to a planar diffusion with macroelectrodes, allow spherical diffusion conditions and convert so little substance that there is no depletion layer growing into the solution, which is indicated by a clear step and in the voltammogram shows a stable current limit plateau. Fig. 10 shows the difference between a cyclic voltammogram of a trace of a redox system with a macroelectrode and an ultra-microelectrode array of the geometric arrangement disclosed in Fig. 3. The array has exactly the same properties as a single ultra-microelectrode, but has the advantage that the current strength is increased in accordance with the number of electrodes.
Anstelle der erzwungenen Strömung bei der Fließinjektionsanalyse können vorzugsweise auch Kapillarkräfte herangezogen werden. Neben dem Prinzip der Papier- und Dünnschichtchromatographie können auch andere Träger für die immobilisierten Partnermoleküle verwendet werden. Ein Beispiel dafür kann ein Stück einer säulenförmigen Kreide (oder Sinterglas/keramik) darstellen. Hier werden bei haptenähnlichen Analyten die Antikörpermole küle schon vor der Immobilisierung an der Kreideoberfläche mit den mar kierten Analytmolekülen abgesättigt. Die Immobilisierung kann durch ein faches Eintauchen in dieser Lösung geschehen, wobei man die Laufstrecke beobachten kann. Die Molekül-Assoziate werden mittels bifunktioneller Reagenzien quervernetzt bzw. an der Oberfläche fixiert. Von dieser pri mären immunologischen Zone wird, getrennt durch eine unbehandelte Fließ strecke, eine zweite Molekül-Sammelzone errichtet. Aus Gründen einer ho hen Empfindlichkeit genügt hierbei ein schmaler Bereich unmittelbar am Ende des Kreideträgers. Im Beispiel wird die Endoberfläche mit den glei chen Antikörpern versehen, die auch in der primären immunologischen Zone verwendet wurden, nur mit dem Unterschied, daß hier die analytselektiven Bindungsstellen frei sind, so daß sie die durch den unmarkierten Analy ten in der Probe freigesetzten markierten Analytmolküle wieder aufsam meln und auf kleinstem Raum konzentrieren. Die elektrochemische oder fluorimetrische Messung erfolgt dann auf der polierten Endfläche der Kreidesäule. Die Strömung eines Trägerelektrolyten oder der Probe durch die Kapillarkräfte wird durch Aufsetzen eines saugfähigen Pfropfens auf diese Endfläche aufrechterhalten. Die vermessene Probemenge muß aus der Abnahme des Probenvolumens ermittelt werden.Instead of the forced flow in the flow injection analysis, you can capillary forces are preferably also used. Besides the principle paper and thin layer chromatography can also be used for other supports the immobilized partner molecules are used. An example for can be a piece of columnar chalk (or sintered glass / ceramic) represent. Here the antibody moles are used in hapten-like analytes cool even before immobilization on the chalk surface with the mar saturated analyte molecules. The immobilization can be done by a Multiple immersions are done in this solution, taking the running distance can watch. The molecule associates are bifunctional Reagents cross-linked or fixed on the surface. From this pri The immunological zone is separated by an untreated flow stretch, a second molecule collection zone was established. For the sake of a ho hen sensitivity is sufficient here a narrow area immediately on End of the chalk bearer. In the example, the end surface is the same Chen provided antibodies, which are also in the primary immunological zone were used, with the difference that here the analyte-selective Binding sites are free so that they are the by the unlabelled Analy the labeled analyte molecules released in the sample Gather and concentrate in the smallest space. The electrochemical or fluorimetric measurement then takes place on the polished end face of the Chalk column. The flow of a carrier electrolyte or the sample through the capillary forces are applied by placing an absorbent plug maintain this end face. The measured sample amount must be from the Decrease in the sample volume can be determined.
Wird bei der Erfindung ein Träger (z. B. Durchfluß-Säule, Fließpapier, Membranfilter etc.) verwendet, an dem ein Partner gebunden ist, wird dieser mittels einer kompetitiven Reaktion durch den unmarkierten Analy ten verdrängt. Er wird jedoch am Ausgang der Säule noch vor der Messung erneut von immobolisierten Komplementmolekülen gebunden und dadurch zur eigentlichen Messung angereichert, wobei gleichzeitig auch störende Be gleitstoffe durch Spülen entfernt werden können bevor die extrem emp findliche elektrochemische oder optische Messung repetitiv durchgeführt wird und durch Signalmittelwertbildung das Signal-zu-Rausch-Verhältnis beliebig gesteigert wird.If a support (e.g. flow column, blotting paper, Membrane filter etc.) is used, to which a partner is bound this by means of a competitive reaction by the unlabeled analyte displaced. However, it will be at the exit of the column before the measurement again bound by immobolized complement molecules and thereby to actual measurement enriched, while also disturbing loading lubricants can be removed by rinsing before the extremely emp sensitive electrochemical or optical measurement carried out repetitively the signal-to-noise ratio is increased arbitrarily.
Claims (31)
ein zu bestimmender Analyt im Austausch oder in Konkurrenz mit ei ner markierten Form des Analyten wenigstens in einer ersten Zone an der Oberflache an den dort immobilisierten, komplementären Partner gebunden wird,
der verdrängte oder nicht gebundene markierte Analyt in wenigstens einer zweiten Zone aufgefangen und angereichert wird,
die Messung in beiden Zonen oder ausschließlich in der zweiten Auf fang- und Anreicherungszone durchgeführt wird, die Messung repetitiv erfolgt
und wobei zur Markierung ein Redox- oder IR-Fluoreszenzmarker verwendet wird.1. A method for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assays, in which an electrochemical or optical measurement for detecting analytes in samples on the Measurement of accessible surfaces takes place, whereby
an analyte to be determined, in exchange or in competition with a labeled form of the analyte, is bound at least in a first zone on the surface to the complementary partner immobilized there,
the displaced or unbound labeled analyte is collected and enriched in at least one second zone,
the measurement is carried out in both zones or exclusively in the second collecting and enrichment zone, the measurement is carried out repetitively
and wherein a redox or IR fluorescent marker is used for labeling.
- - auf dessen Oberfläche in wenigstens einer ersten Zone analyterkennende Moleküle oder Molekülassoziationen immobilisiert sind, an welche eine markierte Form des Analyten gebunden ist,
- - der wenigstens eine zweite Zone aufweist, die zum Auffangen und Anrei chern der markierten Form des Analyten befähigt ist,
- - und dessen Oberfläche eine elektrochemische Messung oder die Messung von IR-Fluoreszenzlicht in den einzelnen Zonen erlaubt.
- immobilized on its surface in at least a first zone analyte-recognizing molecules or molecular associations to which a labeled form of the analyte is bound,
- which has at least one second zone which is capable of collecting and enriching the labeled form of the analyte,
- - And whose surface allows an electrochemical measurement or the measurement of IR fluorescent light in the individual zones.
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