DE19921940A1 - Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybrids - Google Patents

Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybrids

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Abstract

The invention relates to a method for the electrochemical detection of sequence-specific nucleic acid oligomer hybridization events. To this end single DNA/RNA/PNA oligomer strands which at one end are covalently joined to a support surface and at the other, free end, covalently linked to a redox pair, are used as hybridization matrix (probe). As a result of treatment with the olignucleotide solution (target) to be examined, the electric communication between the conductive support surface and the redox pair bridged by the single-strand oligonucleotide, which communication initially is either absent or very weak, is modified. In case of hybridization, electric communication between the surface support and the redox pair, which is now bridged by a hybridized double-strand oligonucleotide, is increased. This permits the detection of a hybridization event by electrochemical methods such as cyclic voltametry, amperometry or conductivity measurement.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer, sowie ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von sequenzspezifischen Nukleinsäure- Oligomer-Hybridisierungsereignissen.The present invention relates to a modified nucleic acid oligomer and a Method for the electrochemical detection of sequence-specific nucleic acid Oligomer hybridization events.

Stand der TechnikState of the art

Zur Sequenzanalyse von DNA und RNA, z. B. in der Krankheitsdiagnose, bei toxikologischen Testverfahren, in der genetischen Forschung und Entwicklung, sowie auf dem Agrar- und pharmazeutischen Sektor, werden im allgemeinen gel­ elektrophoretische Verfahren mit autoradiographischer oder optischer Detektion verwendet.For sequence analysis of DNA and RNA, e.g. B. in disease diagnosis toxicological test procedures, in genetic research and development, as well as in the agricultural and pharmaceutical sector, are generally gel electrophoretic processes with autoradiographic or optical detection used.

Zur Veranschaulichung des wichtigsten gel-elektrophoretischen Verfahrens mit optischer Detektion (Sanger-Verfahren) ist in Fig. 1b ein DNA-Fragment mit Primer dargestellt. Bei dem Sanger-Verfahren wird eine DNA enthaltende Lösung in vier Ansätze aufgeteilt und der Primer jedes Ansatzes mit je einem bei verschiedener Wellenlänge emittierenden Fluoreszenzfarbstoff kovalent modifiziert. Wie in Fig. 1b dargestellt wird zu jedem Ansatz Desoxyribonucleosid-Triphosphat der Basen A (Adenin), T (Thymin), C (Cytosin), und G (Guanin), also dATP, dTTP, dCTP und dGTP, gegeben, um den Einzelstrang, ausgehend vom Primer, durch DNA- Polymerase I enzymatisch zu replizieren. Zusätzlich zu den vier Desoxyribonucleosid-Triphosphaten enthält jedes Reaktionsgemisch noch genügend des 2',3'-Didesoxyanalogons (Fig. 1a) eines dieser Nukleosidtriphosphate als Stopbase (je eine der 4 möglichen Stoppbasen pro Ansatz), um die Replikation an allen möglichen Bindungsstellen zu stoppen. Nach Vereinigung der vier Ansätze entstehen replizierte DNA-Fragment aller Längen mit stopbasenspezifischer Fluoreszenz, die gel-elektrophoretisch der Länge nach sortiert und durch Fluoreszenz-Spektroskopie charakterisiert werden können (Fig. 1c).To illustrate the most important gel electrophoretic method with optical detection (Sanger method), a DNA fragment with primer is shown in FIG. 1b. In the Sanger process, a DNA-containing solution is divided into four batches and the primer of each batch is covalently modified with a fluorescent dye that emits at different wavelengths. As shown in FIG. 1b, deoxyribonucleoside triphosphate of bases A (adenine), T (thymine), C (cytosine), and G (guanine), i.e. dATP, dTTP, dCTP and dGTP, is added to each batch to form the single strand , starting from the primer, to be replicated enzymatically by DNA polymerase I. In addition to the four deoxyribonucleoside triphosphates, each reaction mixture contains enough of the 2 ', 3'-dideoxy analogue ( Fig. 1a) of one of these nucleoside triphosphates as a stop base (one of the 4 possible stop bases per approach) to stop replication at all possible binding sites . After combining the four approaches, replicated DNA fragments of all lengths with stop-base-specific fluorescence are formed, which can be sorted by gel electrophoresis according to their length and characterized by fluorescence spectroscopy ( FIG. 1c).

Ein anderes optisches Detektionsverfahren basiert auf der Anlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen wie z. B. Ethidiumbromid an Oligonukleotide. Die Fluoreszenz solcher Farbstoffe steigt im Vergleich zur freien Lösung des Farbstoffs um etwa das 20-fache an, wenn sie sich an doppelsträngige DNA oder RNA anlagern und kann deshalb zum Nachweis hybridisierter DNA oder RNA verwendet werden.Another optical detection method is based on the addition of Fluorescent dyes such. B. Ethidium bromide on oligonucleotides. The Fluorescence of such dyes increases compared to the free solution of the dye by about 20 times if they are attached to double-stranded DNA or RNA  attach and can therefore be used to detect hybridized DNA or RNA become.

Bei der radioaktiven Markierung wird 32P in das Phosphatgerüst der Oligonukleotide eingebaut, wobei 32P gewöhnlich am 5'-Hydroxylende durch Polynukleotid-Kinase addiert wird. Die markierte DNA wird anschließend an jeweils einem der vier Nukleotidtypen bevorzugt gespalten und zwar unter definierten Bedingungen, so daß pro Kette durchschnittlich eine Spaltung erfolgt. Damit liegen im Reaktionsgemisch für einen bestimmten Basentyp Ketten vor, die sich von der 32P-Markierung bis zur Position dieser Base erstrecken (bei mehrfachem Auftreten der Base erhält man entsprechend Ketten unterschiedlicher Länge). Die vier Fragmentgemische werden anschließend auf vier Bahnen gel-elektrophoretisch aufgetrennt. Danach wird vom Gel ein Autoradiogramm angefertigt, an dem die Sequenz unmittelbar abgelesen werden kann.In the case of radioactive labeling, 32 P is incorporated into the phosphate skeleton of the oligonucleotides, 32 P usually being added at the 5'-hydroxyl end by polynucleotide kinase. The labeled DNA is then preferably cleaved at one of the four nucleotide types, under defined conditions, so that an average cleavage occurs per chain. This means that there are chains in the reaction mixture for a certain base type, which extend from the 32 P mark to the position of this base (if the base occurs more than once, chains of different lengths are obtained). The four fragment mixtures are then separated by gel electrophoresis on four lanes. An autoradiogram is then made from the gel, from which the sequence can be read immediately.

Vor einigen Jahren wurde ein weiteres, auf optischer (oder autoradiographischer) Detektion beruhendes Verfahren zur DNA-Sequenzierung entwickelt, nämlich die Sequenzierung durch Oligomerhybridisierung (vgl. z. B. Drmanac et al., Genomics 4, (1989), S. 114-128 oder Bains et al., Theor. Biol. 135, (1988), S. 303-307). Bei diesem Verfahren wird ein vollständiger Satz kurzer Oligonukleotide bzw. Oligomere (Sonden-Oligonukleotide), z. B. alle 65 536 möglichen Kombinationen der Basen A, T, C und G eines Oligonukleotid-Oktamers auf ein Trägermaterial gebunden. Die Anbindung geschieht in einem geordneten Raster aus 65 536 Test-Sites, wobei jeweils eine größere Menge einer Oligonukleotid-Kombination ein Test-Site definieren und die Position jeder einzelnen Test-Site (Oligonukleotid-Kombination) bekannt ist. Auf solch einer Hybridisierungsmatrix, dem Oligomerchip, wird ein DNA- Fragment, dessen Sequenz man ermitteln will, das Target, mit Fluoreszenz-Farbstoff (oder 32P) markiert und unter Bedingungen, die nur eine spezifische Doppelstrangbildung erlauben, hybridisiert. Dadurch bindet das Target DNA- Fragment nur an die Oligomere (im Beispiel an die Oktamere), deren komplementäre Sequenz exakt einem Teil (einem Oktamer) seiner eigenen Sequenz entspricht. Durch optische (oder autoradiographische) Detektion der Bindungsposition des hybridisierten DNA-Fragments werden damit alle im Fragment vorhandenen Oligomersequenzen (Oktamersequenzen) bestimmt. Aufgrund der Überlappung benachbarter Oligomersequenzen kann durch geeignete mathematische Algorithmen die fortlaufende Sequenz des DNA-Fragments bestimmt werden. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen unter anderem in der Miniaturisierung der Sequenzierung und damit in der enormen Datenmenge, die gleichzeitig in einem Arbeitsgang erfaßt wird. Daneben kann auf Primer und auf das gel­ elektrophoretische Auftrennen der DNA-Fragmente verzichtet werden. Beispielhaft ist dieses Prinzip in Fig. 2 für ein 13 Basen langes DNA-Fragment gezeigt.A few years ago, a further method for DNA sequencing based on optical (or autoradiographic) detection was developed, namely sequencing by oligomer hybridization (cf. e.g. Drmanac et al., Genomics 4, (1989), p. 114- 128 or Bains et al., Theor. Biol. 135, (1988), pp. 303-307). In this method, a complete set of short oligonucleotides or oligomers (probe oligonucleotides), e.g. B. all 65 536 possible combinations of bases A, T, C and G of an oligonucleotide octamer are bound to a support material. The connection takes place in an ordered grid of 65 536 test sites, a larger amount of an oligonucleotide combination defining a test site and the position of each individual test site (oligonucleotide combination) being known. On such a hybridization matrix, the oligomer chip, a DNA fragment, the sequence of which is to be determined, the target is labeled with fluorescent dye (or 32P) and hybridized under conditions which only permit specific double-strand formation. As a result, the target DNA fragment only binds to the oligomers (in the example to the octamers) whose complementary sequence corresponds exactly to a part (an octamer) of its own sequence. By optical (or autoradiographic) detection of the binding position of the hybridized DNA fragment, all the oligomer sequences (octamer sequences) present in the fragment are thus determined. Due to the overlap of adjacent oligomer sequences, the continuous sequence of the DNA fragment can be determined by suitable mathematical algorithms. The advantages of this method include the miniaturization of the sequencing and thus the enormous amount of data that is recorded simultaneously in one operation. In addition, primers and the gel electrophoretic separation of the DNA fragments can be dispensed with. This principle is shown by way of example in FIG. 2 for a 13-fragment-long DNA fragment.

Die Verwendung radioaktiver Markierungen bei der DNA-/RNA-Sequenzierung ist mit mehreren Nachteilen verbunden, wie z. B. aufwendige, gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit radioaktiven Materialien, die Strahlenbelastung, das begrenzte räumliche Auflösungsvermögen (maximal 1 mm2) und eine Sensitivität, die nur dann hoch ist, wenn die Strahlung der radioaktiven Fragmente entsprechend lange (Stunden bis Tage) auf einen Röntgenfilm einwirkt. Es kann zwar die räumliche Auflösung durch zusätzliche Hard- und Software erhöht und die Detektionszeit durch die Verwendung von β-Scannern verkürzt werden, beides ist jedoch mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbunden.The use of radioactive labels in DNA / RNA sequencing has several disadvantages, such as e.g. B. complex, legally prescribed safety precautions when handling radioactive materials, the radiation exposure, the limited spatial resolution (maximum 1 mm 2 ) and a sensitivity that is only high if the radiation of the radioactive fragments for a correspondingly long (hours to days) an x-ray film. Although the spatial resolution can be increased by additional hardware and software and the detection time can be shortened by using β scanners, both are associated with considerable additional costs.

Die Fluoreszenzfarbstoffe, die üblicherweise zur Markierung der DNA verwendet werden, sind zum Teil (z. B. Ethidiumbromid) mutagen und erfordern, ebenso wie die Anwendung der Autoradiographie, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen. In fast allen Fällen erfordert die Verwendung optischer Detektion den Gebrauch von einem oder mehreren Lasersystemen und somit geschultes Personal und entsprechende Sicherheitsvorkehrungen. Die eigentliche Detektion der Fluoreszenz erfordert zusätzliche Hardware, wie z. B. optische Bauelemente zur Verstärkung und, bei verschiedenen Anregungs- und Abfragewellenlängen wie im Sanger-Verfahren, ein Kontrollsystem. Abhängig von den benötigten Anregungswellenlängen und der gewünschten Detektionsleistung können somit erhebliche Investitionskosten entstehen. Bei der Sequenzierung durch Hybridisierung auf dem Oligomerchip ist die Detektion noch (kosten)aufwendiger, da, neben dem Anregungssystem, zur 2- dimensionalen Detektion der Fluoreszenzspots hochauflösende CCD-Kameras (Charge Coupled Device Kameras) benötigt werden.The fluorescent dyes that are commonly used to label DNA are partly mutagenic (e.g. ethidium bromide) and require, just like the Use of autoradiography, corresponding safety precautions. Almost In all cases, the use of optical detection requires the use of one or several laser systems and thus trained personnel and corresponding Safety precautions. The actual detection of fluorescence requires additional hardware, such as B. optical components for amplification and different excitation and interrogation wavelengths as in the Sanger method Control system. Depending on the required excitation wavelengths and the Desired detection performance can thus result in significant investment costs arise. When sequencing by hybridization on the oligomer chip is the Detection even more (costly) because, in addition to the excitation system, dimensional detection of fluorescent spots high resolution CCD cameras (Charge Coupled Device Cameras) are required.

Obwohl es also quantitative und extrem sensitive Methoden zur DNA-/RNA- Sequenzierung gibt, sind diese Methoden zeitaufwendig, bedingen aufwendige Probenpräparation und teure Ausstattung und sind im allgemeinen nicht als transportable Systeme verfügbar.So although there are quantitative and extremely sensitive methods for DNA / RNA Sequencing out there, these methods are time consuming, involve time consuming Sample preparation and expensive equipment and are generally not considered portable systems available.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäureoligomerhybriden zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen. The object of the present invention is therefore a device and a To provide methods for the detection of nucleic acid oligomer hybrids which the Not have disadvantages of the prior art.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das modifizierte Oligonukleotid gemäß unabhängigem Patentanspruch 1, durch das Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Oligonukleotids gemäß unabhängigem Anspruch 9 und 10, durch die modifizierte leitfähige Oberfläche gemäß unabhängigem Patentanspruch 11, das Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche gemäß unabhängigem Patentanspruch 21, sowie durch das Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Oligomerhybridisierungsereignissen gemäß unabhängigem Patentanspruch 27 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the modified oligonucleotide independent claim 1, by the method for producing a modified oligonucleotide according to independent claims 9 and 10, by which modified conductive surface according to independent claim 11, the Process for producing a modified conductive surface according to independent claim 21, and by the method for electrochemical detection of oligomer hybridization events according to independent claim 27 solved.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt:Within the scope of the present invention the following abbreviations and Terms used:

Genetikgenetics

DNA: Desoxyribonukleinsäure
RNA: Ribonukleinsäure
PNA: Peptidnukleinsäure (synthetische DNA oder RNA, bei der die Zucker-Phosphat-Einheit durch eine Aminosäure ersetzt ist. Bei Ersatz der Zucker-Phosphat-Einheit durch die -NH-(CH2
DNA: deoxyribonucleic acid
RNA: ribonucleic acid
PNA: peptide nucleic acid (synthetic DNA or RNA in which the sugar-phosphate unit is replaced by an amino acid. When the sugar-phosphate unit is replaced by the -NH- (CH 2

)2 ) 2

- N(COCH2 - N (COCH 2

-Base)-CH2 -Base) -CH 2

CO-Einheit hybridisiert PNA mit DNA).
A: Adenin
G: Guanin
C: Cytosin
T: Thymin
Base: A, G, T oder C
Bp: Basenpaar
Nukleinsäure: wenigstens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- (z. B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z. B. Adenin oder Guanin). Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z. B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Strukturen (z. B. Phosphoramid-, Thio-Phosphat- oder Dithio-Phosphat-Rückgrat). Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, daß sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann.
Nukleinsäure-Oligomer: Nukleinsäure nicht näher spezifizierter Basenlänge (z. B. Nukleinsäure-Oktamer: eine Nukleinsäure mit beliebigem Rückgrat, bei dem 8 Pyrimidin- oder Purin-Basen kovalent aneinander gebunden sind).
Oligomer: Äquivalent zu Nukleinsäure-Oligomer.
Oligonukleotid: Äquivalent zu Oligomer oder Nukleinsäure-Oligomer, also z. B. ein DNA,- PNA- oder RNA-Fragment nicht näher spezifizierter Basenlänge.
Oligo: Abkürzung für Oligonukleotid.
dATP: Desoxyribonucleosid-Triphosphat des A (DNA-Einheit mit der Base A und zwei weiteren Phosphaten zum Aufbau eines längeren DNA-Fragments bzw. eines Oligonukleotids).
dGTP: Desoxyribonucleosid-Triphosphat des G (DNA-Einheit mit der Base G und zwei weiteren Phosphaten zum Aufbau eines längeren DNA-Fragments bzw. eines Oligonukleotids).
dCTP: Desoxyribonucleosid-Triphosphat des C (DNA-Einheit mit der Base C und zwei weiteren Phosphaten zum Aufbau eines längeren DNA-Fragments bzw. eines Oligonukleotids).
dTTP: Desoxyribonucleosid-Triphosphat des T (DNA-Einheit mit der Base T und zwei weiteren Phosphaten zum Aufbau eines längeren DNA-Fragments bzw. eines Oligonukleotids).
Primer: Start-Komplementär-Fragment eines Oligonukleotids, wobei die Basenlänge des Primers nur ca. 4-8 Basen beträgt. Dient als Ansatzpunkt für die enzymatische Replikation des Oligonukleotids.
Mismatch: Zur Ausbildung der Watson Crick Struktur doppelsträngiger Oligonukleotide hybridisieren die beiden Einzelstränge derart, daß die Base A (bzw. C) des einen Strangs mit der Base T (bzw. G) des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet (bei RNA ist T durch Uracil ersetzt). Jede andere Basenpaarung bildet keine Wasserstoffbrücken aus, verzerrt die Struktur und wird als "Mismatch" bezeichnet.
ds: double strand (Doppelstrang)
ss: single strand (Einzelstrang)
CO unit hybridizes PNA with DNA).
A: Adenine
G: Guanine
C: cytosine
T: thymine
Base: A, G, T or C
Bp: base pair
Nucleic acid: at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or guanine). The term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous structures (e.g. phosphoramide, thio-phosphate or dithio-phosphate backbone). An essential feature of a nucleic acid in the sense of the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA in a sequence-specific manner.
Nucleic acid oligomer: nucleic acid of unspecified base length (e.g. nucleic acid octamer: a nucleic acid with any backbone in which 8 pyrimidine or purine bases are covalently bound to one another).
Oligomer: Equivalent to nucleic acid oligomer.
Oligonucleotide: Equivalent to oligomer or nucleic acid oligomer. B. a DNA, PNA or RNA fragment unspecified base length.
Oligo: Abbreviation for oligonucleotide.
dATP: deoxyribonucleoside triphosphate of A (DNA unit with base A and two other phosphates to build up a longer DNA fragment or an oligonucleotide).
dGTP: deoxyribonucleoside triphosphate of G (DNA unit with base G and two other phosphates to build up a longer DNA fragment or an oligonucleotide).
dCTP: deoxyribonucleoside triphosphate of C (DNA unit with base C and two other phosphates to build up a longer DNA fragment or an oligonucleotide).
dTTP: deoxyribonucleoside triphosphate of T (DNA unit with base T and two other phosphates to build up a longer DNA fragment or an oligonucleotide).
Primer: start complementary fragment of an oligonucleotide, the base length of the primer being only about 4-8 bases. Serves as a starting point for the enzymatic replication of the oligonucleotide.
Mismatch: To form the Watson Crick structure of double-stranded oligonucleotides, the two single strands hybridize in such a way that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in RNA, T is replaced by uracil ). Any other base pairing does not form hydrogen bonds, distorts the structure and is referred to as a "mismatch".
ds: double strand (double strand)
ss: single strand

Chemische Substanzen/GruppenChemical substances / groups

R: beliebiger, nicht näher spezifizierter organischer Rest als Substituent oder Seitenkette.
Redox: redoxaktive Substanz
Alkyl: Der Begriff "Alkyl" bezeichnet ein gesättigtes Kohlenwasserstoffradikal, das geradkettig oder verzweigt ist (z. B. Ethyl, Isopropyl oder 2,5-Dimethylhexyl etc.). Wenn "Alkyl" benutzt wird, um auf einen Linker oder Spacer zu verweisen, bezeichnet der Begriff eine Gruppe mit zwei verfügbaren Valenzen für die kovalente Verknüpfung (z. B. -CH2
R: any unspecified organic radical as a substituent or side chain.
Redox: redox-active substance
Alkyl: The term "alkyl" denotes a saturated hydrocarbon radical that is straight-chain or branched (e.g. ethyl, isopropyl or 2,5-dimethylhexyl etc.). When "alkyl" is used to refer to a linker or spacer, the term refers to a group with two available valences for covalent linkage (e.g. -CH 2

CH2 CH 2

-, -CH2 -, -CH 2

CH2 CH 2

CH2 CH 2

- oder -CH2 - or -CH 2

C(CH3 C (CH 3

)2 ) 2

CH2 CH 2

CH2 CH 2

C(CH3 C (CH 3

)2 ) 2

CH2 CH 2

- etc.). Bevorzugte Alkylgruppen als Substituenten oder Seitenketten R sind solche der Kettenlänge 1-30 (längste durchgehende Kette von aneinandergebundenen Atomen). Bevorzugte Alkylgruppen als Linker oder Spacer sind solche der Kettenlänge 1-20, insbesondere der Kettenlänge 1-14, wobei die Kettenlänge die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den Linker oder Spacer verbundenen Strukturen darstellt.
Alkenyl: Alkylgruppen bei denen eine oder mehrere der C-C Einfachbindungen durch C=C Doppelbindungen ersetzt sind.
Alkinyl: Alkyl- oder Alkenylgruppen bei denen eine oder mehrere der C-C Einfach- oder C=C Doppelbindungen durch C∼C Dreifachbindungen ersetzt sind.
Hetero-Alkyl: Alkylgruppen bei denen eine oder mehrere der C-H Bindungen oder C-C Einfachbindungen durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.
Hetero-Alkenyl: Alkenylgruppen bei denen eine oder mehrere C-H Bindungen, C-C Einfach- oder C=C Doppelbindungen durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.
Hetero-Alkinyl: Alkinylgruppen bei denen eine oder mehrere der C-H Bindungen, C-C Einfach-, C=C Doppel- oder C∼C Dreifachbindung durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.
Linker: molekulare Verbindung zwischen zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül. In der Regel sind Linker als Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Hetero-Alkyl-, Hetero-Alkenyl- oder Heteroalkinylkette käuflich zu erwerben, wobei die Kette an zwei Stellen mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppen derivatisiert ist. Diese Gruppen bilden in einfachen/bekannten chemischen Reaktionen mit den entsprechenden Reaktionspartner eine kovalente chemische Bindung aus. Die reaktiven Gruppen können auch photoaktivierbar sein, d. h. die reaktiven Gruppen werden erst durch Licht bestimmter oder beliebiger Wellenlänge aktiviert. Bevorzugte Linker sind solche der Kettenlänge 1-20, insbesondere der Kettenlänge 1-14, wobei die Kettenlänge hier die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen, also zwischen den zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül, darstellt.
Spacer: Linker, der über die reaktiven Gruppen an eine oder beide der zu verbindenden Strukturen (siehe Linker) kovalent angebunden ist. Bevorzugte Spacer sind solche der Kettenlänge 1-20, insbesondere der Kettenlänge 1-14, wobei die Kettenlänge die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen darstellt.
(n × HS-Spacer)-oligo: Nukleinsäure-Oligomer, an das n Thiolfunktionen über jeweils einen Spacer angebunden sind, wobei die Spacer jeweils eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Thiolfunktion und Nukleinsäure-Oligomer) aufweisen können, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14. Diese Spacer können wiederum an verschiedene natürlich am Nukleinsäure-Oligomer vorhandene oder an diesem durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein und "n" ist eine beliebige ganze Zahl, insbesondere eine Zahl zwischen 1 und 20.
(n × R-S-S-Spacer)-oligo: Nukleinsäure-Oligomer, an das n Disulfidfunktionen über jeweils einen Spacer angebunden sind, wobei ein beliebiger Rest R die Disulfidfunktion absättigt. Der Spacer zur Anbindung der Disulfidfunktion an das Nukleinsäure-Oligomer kann jeweils eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Disulfidfunktion und Nukleinsäure- Oligomer) aufweisen, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14. Diese Spacer können wiederum an verschiedene natürlich am Nukleinsäure-Oligomer vorhandene oder an diesem durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein. Der Platzhalter "n" ist eine beliebige ganze Zahl, insbesondere eine Zahl zwischen 1 und 20.
oligo-Spacer-S-S-Spacer-oligo: zwei gleiche oder verschiedene Nukleinsäure-Oligomere, die über eine Disulfid-Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Disulfidbrücke über zwei beliebige Spacer an die Nukleinsäure-Oligomere angebunden ist und die beiden Spacer eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Disulfidbrücke und dem jeweiligen Nukleinsäure-Oligomer) aufweisen können, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14 und diese Spacer wiederum an verschiedene natürlich am Nukleinsäure- Oligomer vorhandene oder an diese durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein können.
PQQ: Pyrrolo-Chinolino-Chinon, entspricht: 4,5-Dihydro-4,5-dioxo-1H­ pyrrolo-[2,3-f]-chinolin-2,7,9-tricarboxylsäure)
TEATFB: Tetraethylammonium-tetrafluoroborat
sulfo-NHS: N-Hydroxysulfosuccinimid
EDC: (3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimid
HEPES: N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]
Tris: Tris-(hydroxymethyl)-aminomethan
EDTA: Ethylendiamin-Tetraacetat (Natriumsalz)
Cystamin: (H2
- Etc.). Preferred alkyl groups as substituents or side chains R are those of chain length 1-30 (longest continuous chain of bonded atoms). Preferred alkyl groups as linkers or spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length being the shortest continuous connection between the structures connected to the linker or spacer.
Alkenyl: alkyl groups in which one or more of the CC single bonds are replaced by C = C double bonds.
Alkynyl: alkyl or alkenyl groups in which one or more of the CC single or C = C double bonds are replaced by C∼C triple bonds.
Hetero-alkyl: alkyl groups in which one or more of the CH bonds or CC single bonds are replaced by CN, C = N, CP, C = P, CO, C = O, CS or C = S bonds.
Hetero-alkenyl: alkenyl groups in which one or more CH bonds, CC single or C = C double bonds are replaced by CN, C = N, CP, C = P, CO, C = O, CS or C = S bonds.
Hetero-alkynyl: alkynyl groups in which one or more of the CH bonds, CC single, C = C double or C∼C triple bond through CN, C = N, CP, C = P, CO, C = O, CS or C = S bonds are replaced.
Linker: molecular connection between two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule. As a rule, linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, hetero-alkyl, hetero-alkenyl or heteroalkynyl chains, the chain being derivatized at two points with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partners. The reactive groups can also be photoactivatable, ie the reactive groups are only activated by light of certain or any wavelength. Preferred linkers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length here being the shortest continuous connection between the structures to be connected, that is to say between the two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule , represents.
Spacer: Linker that is covalently linked via the reactive groups to one or both of the structures to be connected (see linker). Preferred spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length being the shortest continuous connection between the structures to be connected.
(n × HS spacer) oligo: nucleic acid oligomer to which n thiol functions are linked via a spacer, the spacers each having a different chain length (shortest continuous connection between thiol function and nucleic acid oligomer), in particular any one Chain length between 1 and 14. These spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to it by modification and “n” is any integer, in particular a number between 1 and 20.
(n × RSS spacer) oligo: nucleic acid oligomer to which n disulfide functions are each connected via a spacer, any residue R saturating the disulfide function. The spacer for connecting the disulfide function to the nucleic acid oligomer can each have a different chain length (shortest continuous connection between disulfide function and nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14. These spacers can in turn be attached to different ones of course on the nucleic acid oligomer existing or attached to this by modification attached reactive groups. The placeholder "n" is any integer, especially a number between 1 and 20.
oligo-spacer-SS-spacer-oligo: two identical or different nucleic acid oligomers which are connected to one another via a disulfide bridge, the disulfide bridge being linked to the nucleic acid oligomers via any two spacers and the two spacers having a different chain length ( have the shortest continuous connection between the disulfide bridge and the respective nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14, and these spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to them by modification.
PQQ: pyrrolo-quinolino-quinone, corresponds to: 4,5-dihydro-4,5-dioxo-1H pyrrolo- [2,3-f] -quinoline-2,7,9-tricarboxylic acid)
TEATFB: tetraethylammonium tetrafluoroborate
sulfo-NHS: N-hydroxysulfosuccinimide
EDC: (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
HEPES: N- [2-hydroxyethyl] piperazine-N '- [2-ethanesulfonic acid]
Tris: tris (hydroxymethyl) aminomethane
EDTA: ethylenediamine tetraacetate (sodium salt)
Cystamine: (H 2

N-CH2 N-CH 2

-CH2 -CH 2

-S-)2 -S-) 2

Modifizierte Oberflächen/ElektrodenModified surfaces / electrodes

Mica: Muskovit-Plättchen, Trägermaterial zum Aufbringen dünner Schichten.
Au-S-ss-oligo-PQQ: Gold-Film auf Mica mit kovalent aufgebrachter Monolayer aus derivatisiertem 12Bp Einzelstrang Oligonukleotid (Sequenz: TAGTCGGAAGCA). Hierbei ist die endständigen Phosphatgruppe des Oligonukleotids am 3'-Ende mit (HO-(CH2
Mica: muscovite platelets, carrier material for applying thin layers.
Au-S-ss-oligo-PQQ: Gold film on mica with covalently applied monolayer of derivatized 12 bp single-strand oligonucleotide (sequence: TAGTCGGAAGCA). The terminal phosphate group of the oligonucleotide is at the 3 'end with (HO- (CH 2

)2 ) 2

-S)2 -S) 2

zum P-O- (CH2 to PO- (CH 2

)2 ) 2

-S-S-(CH2 -SS- (CH 2

)2 ) 2

-OH verestert, wobei die S-S Bindung homolytisch gespalten wird und je eine Au-S-R Bindung bewirkt. Die endständige Base Thymin am 5'-Ende des Oligonukleotids ist am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH-CH2 -OH esterified, the SS bond being cleaved homolytically and each causing an Au-SR bond. The terminal base thymine at the 5 'end of the oligonucleotide is at the C-5 carbon with -CH = CH-CO-NH-CH 2

-CH2 -CH 2

-NH2 -NH 2nd

modifiziert und dieser Rest wiederum ist über seine freie Aminogruppe durch Amidbildung mit einer Carbonsäuregruppe des PQQ verbunden.
Au-S-ds-oligo-PQQ: Au-S-ss-oligo-PQQ, welches mit dem zu ss-oligo (Sequenz: TAGTCGGAAGCA) komplementären Oligonukleotid hybridisiert vorliegt.
modified and this residue in turn is linked via its free amino group by amide formation to a carboxylic acid group of the PQQ.
Au-S-ds-oligo-PQQ: Au-S-ss-oligo-PQQ, which is present hybridized with the oligonucleotide complementary to ss-oligo (sequence: TAGTCGGAAGCA).

ElektrochemieElectrochemistry

E: Elektrodenpotential, das an der Arbeitselektrode anliegt.
E0
E: Electrode potential that is applied to the working electrode.
E 0

: Halbstufenpotential, Potential in der Mitte zwischen den Strom- Maxima für Oxidation und Reduktion einer in der Cyclovoltametrie reversiblen Elektrooxidation oder -reduktion.
i: Stromdichte (Strom pro cm2
: Half-step potential, potential in the middle between the current maxima for oxidation and reduction of an electrooxidation or reduction reversible in cyclic voltammetry.
i: current density (current per cm 2

Elektrodenoberfläche)
Cyclovoltametrie: Aufzeichnung einer Strom/Spannungskurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode zeitabhängig linear verändert, ausgehend von einem Potential bei dem keine Elektrooxidation oder -reduktion stattfindet bis zu einem Potential bei dem eine gelöste oder an die Elektrode adsorbierte Spezies oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom und nach Erreichen eines Maximums einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.
Amperometrie: Aufzeichnung einer Strom/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z. B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und der fließende Strom wird in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet.
Electrode surface)
Cyclic voltametry: recording a current / voltage curve. The potential of a stationary working electrode is changed linearly as a function of time, starting from a potential at which no electrooxidation or reduction takes place up to a potential at which a dissolved or adsorbed species is oxidized or reduced (i.e. current flows). After passing through the oxidation or reduction process, which generates an initially increasing current in the current / voltage curve and a gradually decreasing current after reaching a maximum, the direction of the potential feed is reversed. The behavior of the products of electrooxidation or reduction is then recorded in the return.
Amperometry: recording a current / time curve. Here, the potential of a stationary working electrode z. B. is set by a potential jump to a potential at which the electro-oxidation or reduction of a dissolved or adsorbed species takes place and the flowing current is recorded as a function of time.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nukleinsäure-Oligomer, das durch chemische Anbindung einer redoxaktiven Substanz modifiziert ist. Als Nukleinsäure-Oligomer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Nukleotiden oder aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Pyrimidin- (z. B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z. B. Adenin oder Guanin), bevorzugt ein DNA-, RNA- oder PNA-Fragment, verwendet. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff Nukleinsäure auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z. B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Rückgrat-Strukturen, wie z. B. ein Thio-Phosphat-, ein Dithio- Phosphat- oder ein Phosphoramid-Rückgrat. Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, daß sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann. Alternativ zu dem Begriff "Nukleinsäure-Oligomer" werden die Begriffe "(Sonden-) Oligonukleotid", "Nukleinsäure" oder "Oligomer" verwendet.The present invention relates to a nucleic acid oligomer by chemical Connection of a redox-active substance is modified. As a nucleic acid oligomer is within the scope of the present invention a connection of at least two covalently linked nucleotides or from at least two covalently linked Pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or Guanine), preferably a DNA, RNA or PNA fragment. In the In the present invention, the term nucleic acid refers to any "Backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. on that Sugar-phosphate backbone of DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of PNA or on analog backbone structures, such as. B. a thio phosphate, a dithio Phosphate or a phosphoramide backbone. Essential characteristic of a Nucleic acid in the sense of the present invention is that it is natural occurring cDNA or RNA can bind sequence-specifically. Alternatively to that The term “nucleic acid oligomer” means the terms “(probe) oligonucleotide”, "Nucleic acid" or "oligomer" used.

Die redoxaktive Substanz ist bei einem Potential cp selektiv oxidierbar und reduzierbar, wobei ϕ der Bedingung 2,0 V < ϕ < -2,0 V genügt. Das Potential bezieht sich hierbei auf die freie, unmodifizierte, redoxaktive Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Potentialbereich 1,7 V ≧ ϕ ≧ -1,7 V bevorzugt, wobei der Bereich 1,4 V ≧ ϕ ≧ -1,2 V besonders bevorzugt ist und der Bereich 0,9 V ≧ ϕ ≧ -0,7 V, in dem die redoxaktive Substanz des Anwendungsbeispiels reduziert und reoxidiert wird, ganz besonders bevorzugt ist. Daneben betrifft die vorliegende Erfindung eine leitfähige Oberfläche, an die direkt oder indirekt (über einen Spacer) ein Nukleinsäure-Oligomer mit angebundener redoxaktiver Substanz chemisch gebunden ist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche, wobei ein modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer auf eine leitfähige Oberfläche aufgebracht wird. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das die elektrochemische Detektion molekularer Strukturen, insbesondere die elektrochemische Detektion von DNA-/RNA-IPNA- Fragmenten in einer Probenlösung durch sequenzspezifische Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierung ermöglicht. Die Detektion der Hybridisierungsereignisse durch elektrische Signale ist eine einfache und kostengünstige Methode und ermöglicht in einer batteriebetriebenen Variante eines Sequenziergeräts den Einsatz vor Ort. The redox-active substance can be selectively oxidized at a potential cp reducible, where ϕ satisfies the condition 2.0 V <ϕ <-2.0 V. The potential relates focus on the free, unmodified, redox-active substance in a suitable Solvent, measured against normal hydrogen electrode. As part of the In the present invention, the potential range 1.7 V ≧ ϕ ≧ -1.7 V is preferred, wherein the range 1.4 V ≧ ϕ ≧ -1.2 V is particularly preferred and the range 0.9 V ≧ ϕ ≧ -0.7 V, in which the redox-active substance of the application example is reduced and is reoxidized, is particularly preferred. In addition, the present concerns Invention a conductive surface to which directly or indirectly (via a spacer) a nucleic acid oligomer with attached redox-active substance chemically is bound. The present invention also relates to a method for Manufacture of a modified conductive surface, a modified Nucleic acid oligomer is applied to a conductive surface. According to In another aspect, the present invention relates to a method that electrochemical detection of molecular structures, especially the electrochemical detection of DNA / RNA-IPNA fragments in one Sample solution by sequence-specific nucleic acid-oligomer hybridization enables. The detection of hybridization events by electrical signals is a simple and inexpensive method and enables in one battery-operated variant of a sequencer used on site.  

Bindung einer redoxaktiven Substanz an ein Nukleinsäure-Oligomer Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Bindung einer redoxaktiven Substanz an ein Nukleinsäure-Oligomer. Erfindungsgemäß kann dazu jede redoxaktive Substanz verwendet werden, solange sie bei einem Potential ϕ, das der Bedingung 2,0 V ≧ ϕ ≧ -2,0 V genügt, selektiv oxidierbar und reduzierbar ist. Das Potential bezieht sich hierbei auf die freie, unmodifizierte, redoxaktive Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Potentialbereich 1,7 V ≧ ϕ ≧ -1,7 V bevorzugt, wobei der Bereich 1,4 V ≧ ϕ ≧ -1,2 V besonders bevorzugt ist und der Bereich 0,9 V ≧ ϕ ≧ -0,7 V, in dem die redoxaktive Substanz des Anwendungsbeispiels reduziert und reoxidiert wird, ganz besonders bevorzugt ist. Unter dem Begriff "selektiv oxidierbar und reduzierbar" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Redoxreaktion, also Abgabe oder Aufnahme eines Elektrons, verstanden, welche selektiv am Ort der redoxaktiven Substanz stattfindet. Durch das angelegte Potential wird also letztendlich kein anderer Teil des Nukleinsäure-Oligomers reduziert oder oxidiert, sondern ausschließlich die an das Nukleinsäure-Oligomer gebundene redoxaktive Substanz.Binding of a redox-active substance to a nucleic acid oligomer The prerequisite for the method according to the invention is the binding of a redox-active substance to a nucleic acid oligomer. According to the invention any redox active substance can be used as long as it has a potential ϕ that the condition 2.0 V ≧ ϕ ≧ -2.0 V is sufficient, selectively oxidizable and reducible. The potential here relates to the free, unmodified, redox-active substance in a suitable solvent, measured against normal hydrogen electrode. In the context of the present invention, the potential range is 1.7 V ≧ ϕ ≧ -1.7 V preferred, the range 1.4 V ≧ ϕ ≧ -1.2 V being particularly preferred and the Range 0.9 V ≧ ϕ ≧ -0.7 V, in which the redox-active substance of Application example is reduced and reoxidized, is very particularly preferred. The term "selectively oxidizable and reducible" is used in the context of Present invention a redox reaction, so delivery or uptake Electrons understood, which takes place selectively at the location of the redox-active substance. Ultimately, no other part of the Nucleic acid oligomers reduced or oxidized, but only those attached to the Nucleic acid oligomer bound redox active substance.

Unter redoxaktiver Substanz wird erfindungsgemäß jedes beliebige Molekül verstanden, daß im elektrochemisch zugänglichen Potentialbereich der jeweiligen Trägeroberfläche (Elektrode) durch Anlegen einer äußeren Spannung an dieser Elektrode elektrooxidiert/-reduziert werden kann. Neben üblichen organischen und anorganischen redoxaktiven Substanzen wie z. B. Hexacyanoferraten, Ferrocenen, Acridinen oder Phtalocyaninen eignen sich zur Anbindung an das Sonden- Oligonukleotid insbesondere redoxaktive Farbstoffe wie z. B. (Metallo-)Porphyrine der allgemeinen Formel 1, (Metallo-)Chlorophylle der allgemeinen Formel 2 oder (Metallo-)Bakteriochlorophylle der allgemeinen Formel 3, (farbige) natürlich vorkommende Oxidations-Agentien wie z. B. Flavine der allgemeinen Formel 4, Pyridin-Nukleotide der allgemeinen Formel 5 oder Pyrrolo-Chinolin-Chinone (PQQ) der allgemeinen Formel 6 oder sonstige Chinone wie z. B 1,4-Benzochinone der allgemeinen Formel 7, 1,2-Benzochinone der allgemeinen Formel 8, 1,4- Naphtochinone der allgemeinen Formel 9, 1,2-Naphtochinone der allgemeinen Formel 10 oder 9,10-Anthrachinone der allgemeinen Formel 11.
According to the invention, redox-active substance means any molecule that can be electro-oxidized / reduced in the electrochemically accessible potential range of the respective carrier surface (electrode) by applying an external voltage to this electrode. In addition to the usual organic and inorganic redox-active substances such. B. hexacyanoferrates, ferrocenes, acridines or phthalocyanines are particularly suitable for binding to the probe oligonucleotide, such as redox-active dyes such. B. (metallo) porphyrins of the general formula 1, (metallo) chlorophylls of the general formula 2 or (metallo) bacteriochlorophylls of the general formula 3, (colored) naturally occurring oxidation agents such as. B. flavins of general formula 4, pyridine nucleotides of general formula 5 or pyrrolo-quinoline quinones (PQQ) of general formula 6 or other quinones such as. B 1,4-benzoquinones of the general formula 7, 1,2-benzoquinones of the general formula 8, 1,4-naphthoquinones of the general formula 9, 1,2-naphthoquinones of the general formula 10 or 9,10-anthraquinones of the general formula 11 .

M = 2H, Mg, Zn, Cu, Ni, Pd, Co, Cd, Mn, Fe, Sn, Pt etc.; R1 bis R12 sind unabhängig voneinander H oder beliebige Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinyl-Substituenten.
M = 2H, Mg, Zn, Cu, Ni, Pd, Co, Cd, Mn, Fe, Sn, Pt etc .; R 1 to R 12 are independently H or any alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent.

R1 bis R8 sind unabhängig voneinander H oder beliebige Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinyl-Substituenten. R 1 to R 8 are independently H or any alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent.

Erfindungsgemäß wird eine redoxaktive Substanz an ein Oligonukleotid kovalent durch die Reaktion des Oligonukleotids mit der redoxaktiven Substanz gebunden. Diese Bindung kann auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden:According to the invention, a redox-active substance becomes covalent to an oligonucleotide bound by the reaction of the oligonucleotide with the redox-active substance. This binding can be done in three different ways:

a) Als reaktive Gruppe zur Bindungsbildung am Nukleinsäure-Oligomer wird eine freie Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe des Oligonukleotid-Rückgrats, insbesondere eine Gruppe an einem der beiden Enden des Oligonukleotid-Rückgrats, verwendet. Die freien, endständigen Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen weisen eine erhöhte Reaktivität auf und gehen daher leicht typische Reaktionen wie z. B. Amidbildung mit (primären oder sekundären) Aminogruppen bzw. mit Säuregruppen, Esterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Alkoholen bzw. mit Säuregruppen, Thioesterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Thio-Alkoholen bzw. mit Säuregruppen oder die Kondensation von Amin und Aldehyd mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N-Bindung zur CH2NH-Bindung ein. Die zur kovalenten Anbindung der redoxaktiven Substanz nötige Kopplungsgruppe (Säure-, Amin-, Alkohol-, Thioalkohol- oder Aldehydfunktion) ist entweder natürlicherweise an der redoxaktiven Substanz vorhanden oder wird durch chemische Modifikation der redoxaktiven Substanz erhalten.a) A reactive group for binding formation on the nucleic acid oligomer is a free phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group of the oligonucleotide backbone, in particular a group at one of the two ends of the oligonucleotide backbone, used. The free, terminal phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easily typical reactions such. B. amide formation with (primary or secondary) amino groups or with acid groups, ester formation with (primary, secondary or tertiary) alcohols or with acid groups, thioester formation with (primary, secondary or tertiary) thio alcohols or with acid groups or the condensation of Amine and aldehyde with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 NH bond. The coupling group (acid, amine, alcohol, thioalcohol or aldehyde function) required for the covalent attachment of the redox-active substance is either naturally present on the redox-active substance or is obtained by chemical modification of the redox-active substance.

b) Das Nukleinsäure-Oligomer ist über einen kovalent angebundenen Molekülteil (Spacer) beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen darstellt), insbesondere der Kettenlänge 1 bis 14, am Oligonukleotid-Rückgrat bzw. an einer Base mit einer reaktiven Gruppe modifiziert. Die Modifikation erfolgt bevorzugt an einem der Enden des Oligonukleotid-Rückgrats bzw. an einer terminalen Base. Als Spacer kann z. B. ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinylsubstituent verwendet werden. Mögliche einfache Reaktionen zur Ausbildung der kovalenten Bindung zwischen redoxaktiver Substanz und des so modifizierten Nukleinsäure-Oligomers sind wie unter a) beschrieben, die Amidbildung aus Säure- und Amino-Gruppe, die Esterbildung aus Säure- und Alkohol-Gruppe, die Thioesterbildung aus Säure- und Thio-Alkohol-Gruppe oder die Kondensation von Aldehyd und Amin mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N-Bindung zur CH2NH-Bindung.b) The nucleic acid oligomer is via a covalently attached molecular part (spacer) of any composition and chain length (represents the shortest continuous connection between the structures to be connected), in particular chain length 1 to 14, on the oligonucleotide backbone or on a base with a reactive one Group modified. The modification is preferably carried out at one of the ends of the oligonucleotide backbone or at a terminal base. As a spacer z. B. an alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent can be used. Possible simple reactions for the formation of the covalent bond between the redox-active substance and the nucleic acid oligomer modified in this way are as described under a), the amide formation from the acid and amino group, the ester formation from the acid and alcohol group, the thioester formation from the acid and thio alcohol group or the condensation of aldehyde and amine with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 NH bond.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Nukleinsäure-Oligomer durch eine redoxaktive Substanz modifiziert, die Bereiche mit einem überwiegend planaren, in einer Ebene ausgedehnten p-π-Orbital-System aufweist, wie z. B. das PQQ des Beispiels 1 oder die Chinone der Formel 5 oder 7-12 oder die porphinoiden Strukturen der Formeln 1-4 bzw. die Pyridin-Nukleotide der allgemeinen Formel 6 bzw. Derivate dieser redoxaktiven Substanzen. In diesem Fall kann der Spacer, über den die redoxaktive Substanz an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden ist, so gewählt werden, daß sich die Ebene der π-Orbitale der redoxaktiven Substanz parallel zu den p-π-Orbitalen der an die redoxaktive Substanz angrenzenden Basen des Nukleinsäure-Oligomers anordnen kann. Diese räumliche Anordnung von redoxaktiver Substanz mit teilweise planarem in einer Ebene ausgedehnten p-π- Orbitalen erweist sich als besonders günstig.According to a preferred embodiment, the nucleic acid oligomer is through modified a redox-active substance, the areas with a predominantly planar, in one plane extended p-π orbital system, such as. B. that PQQ of Example 1 or the quinones of the formula 5 or 7-12 or the porphinoids  Structures of the formulas 1-4 or the pyridine nucleotides of the general formula 6 or derivatives of these redox-active substances. In this case, the spacer can over which the redox-active substance is bound to the nucleic acid oligomer, so be chosen so that the level of the π orbitals of the redox-active substance parallel to the p-π orbitals of the bases adjacent to the redox-active substance of the nucleic acid oligomer can arrange. This spatial arrangement of redox-active substance with partially planar p-π- Orbitals prove to be particularly cheap.

c) Bei der Synthese des Nukleinsäure-Oligomers wird eine terminale Base durch die redoxaktive Substanz ersetzt.c) In the synthesis of the nucleic acid oligomer, a terminal base is replaced by the redox-active substance replaced.

Erfindungsgemäß kann die Bindung der redoxaktiven Substanz an das Oligonukleotid wie unter a) und b) beschrieben vor oder nach der Bindung des Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche erfolgen. Die Anbindung der redoxaktiven Substanz an das auf der leitfähigen Oberfläche gebundene Oligonukleotid erfolgt dann ebenfalls wie unter a) und b) beschrieben.According to the invention, the binding of the redox-active substance to the Oligonucleotide as described under a) and b) before or after the binding of the Oligonucleotide to the conductive surface. The connection of the redox-active substance to that bound on the conductive surface The oligonucleotide is then also carried out as described under a) and b).

Bei mehreren verschiedenen Oligonukleotid-Kombinationen (Test-Sites) auf einer gemeinsamen Oberfläche ist es vorteilhaft, die (kovalente) Anbindung der redoxaktiven Substanz an die Sonden-Oligonukleotide durch geeignete Wahl der reaktiven Gruppe an den freien Sonden-Oligonukleotidenden der verschiedenen Test-Sites für die gesamte Oberfläche zu vereinheitlichen.With several different oligonucleotide combinations (test sites) on one common surface, it is advantageous to connect the (covalent) redox-active substance to the probe oligonucleotides by suitable choice of reactive group on the free probe oligonucleotide ends of the different Unify test sites for the entire interface.

Die leitfähige OberflächeThe conductive surface

Unter dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird erfindungsgemäß jeder Träger mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche beliebiger Dicke verstanden, insbesondere Oberflächen aus Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium und Mangan. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe "Elektrode" und "leitfähige (Träger-) Oberfläche" alternativ zu "leitfähige Oberfläche" gebraucht.According to the invention, the term “conductive surface” includes each carrier understood an electrically conductive surface of any thickness, in particular Surfaces made of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, Carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese. As part of the In the present invention, the terms "electrode" and "conductive (carrier) Surface "used as an alternative to" conductive surface ".

Daneben können auch beliebige dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen beliebiger Dicke verwendet werden. Sämtliche Halbleiter können als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden. Als nicht einschränkend gemeinte Beispiele seien an dieser Stelle Kohlenstoff, Silizium, Germanium, α-Zinn, Cu(I)- und Ag(I)- Halogenide beliebiger Kristallstruktur genannt. Geeignet sind ebenfalls sämtliche binären Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur der Elemente der Gruppen 14 und 16, der Elemente der Gruppen 13 und 15, sowie der Elemente der Gruppen 15 und 16. Daneben können ternäre Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur der Elemente der Gruppen 11, 13 und 16 oder der Elemente der Gruppen 12, 13 und 16 verwendet werden. Die Bezeichnungen der Gruppen des Periodensystems der Elemente beziehen sich auf die IUPAC-Empfehlung von 1985.In addition, any doped or undoped semiconductor surfaces can also be used any thickness can be used. All semiconductors can be used as pure substances or used as mixtures. Non-limiting examples at this point let be carbon, silicon, germanium, α-tin, Cu (I) - and Ag (I) - Halides of any crystal structure called. All are also suitable  binary compounds of any composition and structure of the Elements of groups 14 and 16, elements of groups 13 and 15, and the Elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds can be any Composition and any structure of the elements of groups 11, 13 and 16 or the elements of groups 12, 13 and 16 can be used. The Names of the groups in the Periodic Table of the Elements refer to the 1985 IUPAC recommendation.

Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige OberflächeBinding of an oligonucleotide to the conductive surface

Erfindungsgemäß wird ein Oligonukleotid direkt oder über einen Linker/Spacer mit den Trägeroberflächenatomen oder -molekülen einer leitfähigen Trägeroberfläche der oben beschriebenen Art verknüpft. Diese Bindung kann auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden:According to the invention, an oligonucleotide is added directly or via a linker / spacer the support surface atoms or molecules of a conductive support surface linked of the type described above. This bond can be made in three different ways Types are carried out:

a) Die Oberfläche wird so modifiziert, daß eine reaktive Molekül-Gruppe zugänglich ist. Dies kann durch direkte Derivatisierung der Oberflächenmoleküle, z. B. durch naßchemische oder elektrochemische Oxidation/Reduktion geschehen. So kann z. B. die Oberfläche von Graphitelektroden durch Oxidation naßchemisch mit Aldehyd- oder Carbonsäure-Gruppen versehen werden. Elektrochemisch besteht z. B. die Möglichkeit durch Reduktion in Gegenwart von Aryl-Diazoniumsalzen das entsprechende (funktionalisierte, also mit einer reaktiven Gruppe versehene) Aryl- Radikal oder durch Oxidation in Gegenwart von R'CO2H das (funktionalisierte) R'- Radikal auf der Graphit-Elektrodenoberfläche anzukoppeln. Ein Beispiel der direkten Modifikation von Halbleiteroberflächen ist die Derivatisierung von Siliziumoberflächen zu reaktiven Silanolen, d. h. Silizium-Träger mit Si-OR"-Gruppen an der Oberfläche, wobei R" ebenso wie R' einen beliebigen, funktionalisierten, organischen Rest darstellt (z. B. Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinylsubstituent). Alternativ kann die gesamte Oberfläche durch die kovalente Anbindung einer reaktiven Gruppe eines bifunktionalen Linkers modifiziert werden, so daß auf der Oberfläche eine monomolekulare Schicht beliebiger Moleküle entsteht, die, bevorzugt endständig, eine reaktive Gruppe enthalten. Unter dem Begriff "bifunktionaler Linker" wird jedes Molekül beliebiger Kettenlänge, insbesondere der Kettenlängen 2-14, mit zwei gleichen (homo-bifunktional) oder zwei verschiedenen (hetero-bifunktional) reaktiven Molekül-Gruppen verstanden.a) The surface is modified so that a reactive group of molecules is accessible. This can be done by direct derivatization of the surface molecules, e.g. B. done by wet chemical or electrochemical oxidation / reduction. So z. B. the surface of graphite electrodes can be provided by wet chemical oxidation with aldehyde or carboxylic acid groups. Electrochemically z. B. the possibility by reduction in the presence of aryl diazonium salts the corresponding (functionalized, that is provided with a reactive group) aryl radical or by oxidation in the presence of R'CO 2 H the (functionalized) R 'radical on the graphite Coupling the electrode surface. An example of the direct modification of semiconductor surfaces is the derivatization of silicon surfaces to reactive silanols, ie silicon substrates with Si-OR "groups on the surface, where R" as well as R 'represents any functionalized organic residue (e.g. Alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent). Alternatively, the entire surface can be modified by the covalent attachment of a reactive group of a bifunctional linker, so that a monomolecular layer of any molecule is formed on the surface which preferably contains a reactive group at the end. The term “bifunctional linker” is understood to mean any molecule of any chain length, in particular chain lengths 2-14, with two identical (homo-bifunctional) or two different (hetero-bifunctional) reactive molecule groups.

Sollen mehrere verschiedene Test-Sites auf der Oberfläche durch Ausnutzen der Methodik der Photolithographie gebildet werden, so ist mindestens eine der reaktiven Gruppen des homo- oder hetereo-bifunktionalen Linkers eine photoinduzierbar reaktive Gruppe, d. h. eine erst durch Lichteinstrahlung bestimmter oder beliebiger Wellenlänge reaktiv werdende Gruppe. Dieser Linker wird so aufgebracht, daß die/eine photoaktivierbare reaktive Gruppe nach der kovalenten Anbindung des Linkers auf der Oberfläche zur Verfügung steht. An die so modifizierte Oberfläche werden die Nukleinsäure-Oligomere kovalent angebunden, wobei diese selbst über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1-14, mit einer reaktiven Gruppe modifiziert sind, bevorzugt in der Nähe eines Endes des Nukleinsäure-Oligomers. Bei der reaktiven Gruppe des Oligonukleotids handelt es sich um Gruppen, die direkt (oder indirekt) mit der modifizierten Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren. Daneben kann an die Nukleinsäure-Oligomere in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1-14, angebunden ist. Desweiteren kann die redoxaktive Substanz alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Nukleinsäure-Oligomers angebunden sein.Are supposed to have several different test sites on the surface by taking advantage of the Methodology of photolithography are formed, so is at least one of the  reactive groups of the homo- or hetero-bifunctional linker one photo-inducible reactive group, d. H. one determined only by exposure to light or any wavelength reactive group. This linker will be like this applied that the / a photoactivatable reactive group after the covalent Linker link is available on the interface. To that modified surface, the nucleic acid oligomers are covalently attached, these themselves using a spacer of any composition and Chain length, especially chain length 1-14, with a reactive group are modified, preferably near one end of the nucleic acid oligomer. The reactive group of the oligonucleotide is a group that directly (or indirectly) with the modified surface to form a covalent Bond react. In addition, the nucleic acid oligomers close to their second, another reactive group may be bound, this being reactive Group in turn, as described above, either directly or via a spacer Composition and chain length, in particular chain length 1-14, is connected. Furthermore, the redox-active substance can be used as an alternative to this another reactive group, at this second end of the nucleic acid oligomer be connected.

b) Das Nukleinsäure-Oligomer, das auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht werden soll, ist über einen kovalent angebundenen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1-14, mit einer oder mehreren reaktiven Gruppe modifiziert, wobei sich diese reaktiven Gruppen bevorzugt in der Nähe eines Endes des Nukleinsäure-Oligomers befinden. Bei den reaktiven Gruppen handelt es sich um Gruppen, die direkt mit der unmodifizierten Oberfläche reagieren können. Beispiele hierfür sind: (i) Thiol- (HS-) oder Disulfid- (S-S-) derivatisierte Nukleinsäure-Oligomere der allgemeinen Formel (n × HS-Spacer)-oligo, (n × R-S-S- Spacer)-oligo oder oligo-Spacer-S-S-Spacer-oligo, die mit einer Goldoberfläche unter Ausbildung von Gold-Schwefelbindungen reagieren oder (ii) Amine, die sich durch Chemi- oder Physisorption an Platin- oder Silizium-Oberflächen anlagern. Daneben kann an die Nukleinsäure-Oligomere in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1-14, angebunden ist. Desweiteren kann die redoxaktive Substanz alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Oligonukleotids angebunden sein. Insbesondere Nukleinsäure-Oligomere die mit mehreren Spacer-verbrückten Thiol oder Disulfidbrücken modifiziert sind ((n × HS-Spacer)-oligo bzw. (n × R-S-S-Spacer)- oligo) haben den Vorteil, daß solche Nukleinsäure-Oligomere unter einem bestimmten Anstellwinkel gegen die leitfähige Oberfläche (Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Helixachse eines doppelsträngigen helikalen Nukleinsäure-Oligomers bzw. zwischen der Oberflächennormalen und der Achse senkrecht zu den Basenpaaren eines doppelsträngigen nicht-helikalen Nukleinsäure- Oligomers) aufgebracht werden können, wenn die die Thiol- bzw. Disulfid- Funktionen an das Nukleinsäure-Oligomer anbindenden Spacer, von einem Ende der Nukleinsäure her betrachtet, eine zunehmende bzw. abnehmende Kettenlänge besitzen.b) The nucleic acid oligomer that is applied to the conductive surface is, is via a covalently attached spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14, with one or more modified reactive group, these reactive groups preferably in the Located near one end of the nucleic acid oligomer. With the reactive groups are groups that react directly with the unmodified surface can. Examples include: (i) thiol (HS) or disulfide (S-S) derivatized Nucleic acid oligomers of the general formula (n × HS spacer) oligo, (n × R-S-S- Spacer) -oligo or oligo-spacer-S-S-spacer-oligo, with a gold surface underneath Formation of gold-sulfur bonds react or (ii) amines, which are characterized by Add chemical or physical sorption to platinum or silicon surfaces. Besides can add another to the nucleic acid oligomers near their second end be reactive group, this reactive group in turn, as above described, directly or via a spacer of any composition and Chain length, in particular chain length 1-14, is connected. Furthermore can the redox-active substance as an alternative to this further reactive group be attached to this second end of the oligonucleotide. In particular Nucleic acid oligomers which are bridged with several spacers or Disulfide bridges are modified ((n × HS spacer) oligo or (n × R-S-S spacer) - oligo) have the advantage that such nucleic acid oligomers under one  certain angle of attack against the conductive surface (angle between the Surface normal and the helix axis of a double-stranded helical Nucleic acid oligomers or between the surface normal and the axis perpendicular to the base pairs of a double-stranded non-helical nucleic acid Oligomers) can be applied if the thiol or disulfide Functions to the nucleic acid oligomer spacer, from one end considered the nucleic acid forth, an increasing or decreasing chain length have.

c) Als reaktive Gruppe am Sonden-Nukleinsäure-Oligomer werden die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen des Oligonukleotid-Rückgrats, insbesondere endständige Gruppen, verwendet. Die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen weisen eine erhöhte Reaktivität auf und gehen daher leicht typische Reaktionen wie z. B. Amidbildung mit (primären oder sekundären) Amino- bzw. Säuregruppen, Esterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Alkoholen bzw. Säuregruppen, Thioesterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Thio- Alkoholen bzw. Säuregruppen oder die Kondensation von Amin und Aldehyd mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N Bindung zur CH2-NH Bindung ein. Die nötige Kopplungs-Gruppe zur kovalenten Anbindung an die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe ist in diesem Fall ein Teil der Oberflächenderivatisierung mit einer (monomolekularen) Schicht beliebiger Moleküllänge, wie unter a) in diesem Abschnitt beschrieben, oder die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe kann direkt mit der unmodifizierten Oberfläche reagieren, wie unter b) in diesem Abschnitt beschrieben. Daneben kann an die Oligonukleotide in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1-14, angebunden ist. Desweiteren kann die redoxaktive Substanz alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Nukleinsäure-Oligomers angebunden sein.c) The reactive group on the probe nucleic acid oligomer is the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups of the oligonucleotide backbone, in particular terminal groups. The phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easy to carry out typical reactions such. B. amide formation with (primary or secondary) amino or acid groups, ester formation with (primary, secondary or tertiary) alcohols or acid groups, thioester formation with (primary, secondary or tertiary) thio alcohols or acid groups or the condensation of amine and Aldehyde with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 -NH bond. In this case, the coupling group required for covalent attachment to the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group is part of the surface derivatization with a (monomolecular) layer of any molecular length, as under a) in described in this section, or the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group can react directly with the unmodified surface, as described under b) in this section. In addition, a further reactive group can be bound to the oligonucleotides in the vicinity of their second end, this reactive group, in turn, as described above, being attached directly or via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14. Furthermore, as an alternative to this further reactive group, the redox-active substance can be attached to this second end of the nucleic acid oligomer.

Die Bindung des Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche kann alternativ vor oder nach der Anbindung der redoxaktiven Substanz an das Oligonukleotid bzw. vor oder nach Anbinden des mit einer reaktiven Gruppe versehenen Spacers zur Bindung der redoxaktiven Substanz erfolgen. Die Bindung des bereits modifizierten Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche, d. h. die Bindung an die Oberfläche nach der Anbindung der redoxaktiven Substanz an das Oligonukleotid bzw. nach der Anbindung des mit einer reaktiven Gruppe versehenen Spacers zur Bindung der redoxaktiven Substanz, erfolgt ebenfalls wie unter a) bis c) (Abschnitt "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche") beschrieben.The binding of the oligonucleotide to the conductive surface can alternatively be before or after binding the redox-active substance to the oligonucleotide or before or after attaching the spacer provided with a reactive group to bind the redox-active substance. The binding of the already modified Oligonucleotide to the conductive surface, i.e. H. the bond to the surface after binding the redox-active substance to the oligonucleotide or after the  Attachment of the spacer provided with a reactive group to bind the redox-active substance, is also carried out as under a) to c) (section "binding of an oligonucleotide to the conductive surface ").

Bei der Herstellung der Test-Sites muß bei der Anbindung der Einzelstrang- Oligonukleotide an die Oberfläche darauf geachtet werden, daß zwischen den einzelnen Oligonukleotiden ein genügend großer Abstand verbleibt, um den für eine Hybridisierung mit dem Target-Oligonukleotid nötigen Freiraum zur Verfügung zu stellen. Dazu bieten sich unter anderem zwei verschiedene Vorgehensweisen an:When producing the test sites, the single-strand Oligonucleotides on the surface be careful that between the individual oligonucleotides a sufficiently large distance remains to the one Hybridization with the target oligonucleotide provides the necessary free space put. There are two different ways of doing this:

1) Herstellung einer modifizierten Trägeroberfläche durch Anbindung eines hybridisierten Oligonukleotids, also eine Trägeroberflächen-Derivatisierung mit hybridisiertem Sonden-Oligonukleotid statt mit Einzelstrang-Sonden-Oligonukleotid. Der zur Hybridisierung verwendete Oligonukleotidstrang ist unmodifiziert (die Oberflächenanbindung wird durchgeführt wie unter a) - c) im Abschnitt "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche" beschrieben). Anschließend wird der hybridisierte Oligonukleotid-Doppelstrang thermischer dehybridisiert, wodurch eine Einzelstrang-Oligonukleotid modifizierte Trägeroberfläche mit größerem Abstand zwischen den Proboligonukleotiden hergestellt wird.1) Production of a modified carrier surface by connecting a hybridized oligonucleotide, i.e. a carrier surface derivatization with hybridized probe oligonucleotide instead of single stranded probe oligonucleotide. The oligonucleotide strand used for hybridization is unmodified (the Surface connection is carried out as under a) - c) in the section "Binding of an oligonucleotide to the conductive surface ") the hybridized oligonucleotide duplex is thermally dehybridized, whereby a single strand oligonucleotide modified support surface with a larger Distance between the proboligonucleotides is established.

2) Herstellung einer modifizierten Trägeroberfläche durch Anbindung eines Einzelstrang- oder Doppelstrang-Oligonukleotids, wobei während der Trägeroberflächen-Derivatisierung ein geeigneter monofunktionaler Linker zugesetzt wird, der neben dem Einzelstrang- oder Doppelstrang-Oligonukleotid auch an die Oberfläche gebunden wird (die Oberflächenanbindung wird durchgeführt wie unter a) - c) im Abschnitt "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche" beschrieben). Erfindungsgemäß hat der monofunktionale Linker eine Kettenlänge, die der Kettenlänge des Spacers zwischen Trägeroberfläche und Oligonukleotid identisch ist oder um maximal acht Kettenatome abweicht. Bei der Verwendung von Doppelstrang-Oligonukleotid zur Trägeroberflächen-Derivatisierung wird nach der Anbindung des Doppelstrang-Oligonukleotids und des Linkers an die Trägeroberfläche der hybridisierte Oligonukleotid-Doppelstrang thermischer dehybridisiert, wie oben unter 1.) beschrieben. Durch die gleichzeitige Anbindung eines Linkers an die Oberfläche wird der Abstand zwischen den ebenfalls an die Oberfläche gebundenen Einzel- oder Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomeren vergrößert. Im Falle der Verwendung von Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomer wird dieser Effekt durch die anschließende thermische Dehybridisierung noch verstärkt.2) Production of a modified carrier surface by connecting a Single-stranded or double-stranded oligonucleotide, during which A suitable monofunctional linker was added to the carrier surface derivatization which, in addition to the single-stranded or double-stranded oligonucleotide, is also attached to the Surface is bound (the surface connection is carried out as under a) - c) in the section "binding of an oligonucleotide to the conductive surface" described). According to the invention, the monofunctional linker has a chain length that of the chain length of the spacer between the support surface and the oligonucleotide is identical or deviates by a maximum of eight chain atoms. When using Double-stranded oligonucleotide for carrier surface derivatization is after the Attachment of the double-stranded oligonucleotide and the linker to the Carrier surface of the hybridized oligonucleotide double strand thermal dehybridized as described above under 1.). Through the simultaneous connection of a linker to the surface, the distance between the also to the Surface bound single or double stranded nucleic acid oligomers enlarged. In case of using double stranded nucleic acid oligomer this effect is further reinforced by the subsequent thermal dehybridization.

Verfahren zur elektrochemischen Detektion von NukleinsäureoligomerhybridenMethod for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybrids

Vorteilhafterweise werden gemäß dem Verfahren zur elektrochemischen Detektion mehrere Sonden-Oligonukleotide unterschiedlicher Sequenz, idealerweise alle nötigen Kombinationen des Nukleinsäure-Oligomers, auf einem Oligomer- oder DNA-Chip aufgebracht, um die Sequenz eines beliebigen Target-Oligomers oder einer (fragmentierten) Target-DNA sicher zu detektieren bzw. um Mutationen im Target aufzuspüren und sequenzspezifisch nachzuweisen. Dazu werden auf einer leitfähigen Trägeroberfläche die Trägeroberflächenatome oder -moleküle eines definierten Bereichs (einer Test-Site) mit DNA-IRNA-IPNA-Oligonukleotiden bekannter, aber beliebiger Sequenz, wie oben beschrieben, verknüpft. In einer allgemeinsten Ausführungsform kann aber der DNA-Chip auch mit einem einzigen Sonden-Oligonukleotid derivatisiert werden. Als Sonden-Oligonukleotide werden Nukleinsäure-Oligomere (DNA-, RNA- oder PNA-Fragmente) der Basenlänge 3 bis 50, bevorzugt der Länge 5 bis 30, besonders bevorzugt der Länge 7 bis 25 verwendet. Erfindungsgemäß wird an die Sonden-Oligonukleotide entweder vor oder nach deren Bindung an die leitfähige Oberfläche eine redoxaktive Substanz gebunden.Advantageously, according to the method for electrochemical detection several probe oligonucleotides of different sequences, ideally all necessary combinations of the nucleic acid oligomer, on an oligomer or DNA chip applied to the sequence of any target oligomer or a (fragmented) target DNA safely to detect or mutations in Tracking down the target and demonstrating it in a sequence-specific manner. For this, be on a conductive support surface the support surface atoms or molecules of a defined area (a test site) with DNA-IRNA-IPNA oligonucleotides known, but any sequence, as described above, linked. In a but the most general embodiment, the DNA chip can also with a single Probe oligonucleotide can be derivatized. As probe oligonucleotides Nucleic acid oligomers (DNA, RNA or PNA fragments) with a base length of 3 to 50, preferably length 5 to 30, particularly preferably length 7 to 25 used. According to the probe oligonucleotides either before or a redox-active substance after binding to the conductive surface bound.

Erfolgt die Modifikation der Sonden-Oligonukleotide vor der Bindung an die leitfähige Oberfläche, so werden die bereits modifizierten Sonden-Oligonukleotide wie oben beschrieben an die leitfähige Oberfläche gebunden. Alternativ werden die nicht modifizierten, an die leitfähige Oberfläche gebundenen Sonden-Oligonukleotide am zweiten, freien Ende der Oligonukleotidkette direkt oder indirekt über einen Spacer mit einer redoxaktive Substanz modifiziert.The probe oligonucleotides are modified before binding to the conductive one Surface, so the already modified probe oligonucleotides as above described bound to the conductive surface. Alternatively, they won't modified probe oligonucleotides bound to the conductive surface second, free end of the oligonucleotide chain directly or indirectly via a spacer modified with a redox-active substance.

In beiden Fällen entsteht ein Oberflächen-Hybrid der allgemeinen Struktur Elek- Spacer-ss-oligo-Spacer-Redox (Fig. 3). Die elektrische Kommunikation zwischen der (leitfähigen) Trägeroberfläche und dem über ein Einzelstrang-Oligonukleotid verbrückten redoxaktiven Substanz ("Redox") in der allgemeinen Struktur Elek- Spacer-ss-oligo-Spacer-Redox ist schwach oder gar nicht vorhanden. Die Verbrückungen können natürlich auch ohne Spacer oder mit nur einem Spacer (Elek-ss-oligo-Spacer-Redox bzw Elek-Spacer-ss-oligo-Redox) durchgeführt werden.In both cases, a surface hybrid of the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer redox is formed ( FIG. 3). The electrical communication between the (conductive) support surface and the redox-active substance (“redox”) bridged by a single-strand oligonucleotide in the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer redox is weak or not available at all. The bridges can of course also be carried out without a spacer or with only one spacer (Elek-ss-oligo-Spacer-Redox or Elek-Spacer-ss-oligo-Redox).

In einem nächsten Schritt werden die Test-Sites mit der zu untersuchenden Oligonukleotid-Lösung (Target) in Kontakt gebracht. Dabei kommt es nur in dem Fall zur Hybridisierung, in dem die Lösung Oligonukleotid-Stränge enthält, die zu den an die leitfähige Oberfläche gebundenen Sonden-Oligonukleotiden komplementär, oder zumindest in weiten Bereichen komplementär sind. Im Falle der Hybridisierung zwischen Sonden- und Target-Oligonukleotid kommt es zu einer verstärkten Leitfähigkeit zwischen der Trägeroberfläche und der redoxaktiven Substanz, da diese nunmehr über das aus einem Doppelstrang bestehende Oligonukleotid verbrückt sind (in Fig. 3 an einem Beispiel der Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Redox schematisch gezeigt).In a next step, the test sites are brought into contact with the oligonucleotide solution to be examined (target). Hybridization only occurs in the case in which the solution contains oligonucleotide strands which are complementary to the probe oligonucleotides bound to the conductive surface, or at least are complementary in a wide range. In the case of hybridization between probe and target oligonucleotide, there is an increased conductivity between the support surface and the redox-active substance, since these are now bridged via the oligonucleotide consisting of a double strand (in FIG. 3 using an example of the electrod spacer ss-oligo spacer redox shown schematically).

Durch die Veränderung der elektrischen Kommunikation zwischen der (leitfähigen) Trägeroberfläche und der redoxaktiven Substanz aufgrund der Hybridisierung von Sonden-Oligonukleotid und dem dazu komplementären Oligonukleotid-Strang (Target) kann somit ein sequenzspezifisches Hybridisierungsereignis durch elektrochemische Verfahren wie z. B. Cyclovoltametrie, Amperometrie oder Leitfähigkeitsmessungen detektiert werden.By changing the electrical communication between the (conductive) Carrier surface and the redox-active substance due to the hybridization of Probe oligonucleotide and the complementary oligonucleotide strand (Target) can thus execute a sequence-specific hybridization event electrochemical processes such. B. cyclic voltammetry, amperometry or Conductivity measurements can be detected.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine redoxaktive Substanz verwendet, die Bereiche mit einem überwiegend planaren, in einer Ebene ausgedehnten p-π-Orbital-System aufweist, wie z. B. das PQQ des Beispiels 1 (vgl. Fig. 3), oder die Chinone der Formel 5 oder 7-12 oder die porphinoiden Strukturen der Formeln 1-4, die Pyridin-Nukleotide der allgemeinen Formel 6 sowie Derivate dieser redoxaktiven Substanzen. In diesem Fall wird der Spacer zwischen Nukleinsäure-Oligomer und der redoxaktiven Substanz so gewählt, daß sich die Ebene der π-Orbitale der redoxaktiven Substanz parallel zu den p-π-Orbitalen des an die redoxaktive Substanz angrenzenden Basenpaars des mit Komplementärstrang hybridisierten Nukleinsäure-Oligomers anordnen kann. Diese räumliche Anordnung von redoxaktiver Substanz mit teilweise planarem in einer Ebene ausgedehnten p-π-Orbitalen erweist sich für die elektrische Leitfähigkeit der Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomere als besonders günstig.In a particularly preferred embodiment of the present invention, a redox-active substance is used which has regions with a predominantly planar, p-π-orbital system which is extended in one plane, such as, for example, B. the PQQ of Example 1 (see FIG. 3), or the quinones of the formula 5 or 7-12 or the porphinoid structures of the formulas 1-4, the pyridine nucleotides of the general formula 6 and derivatives of these redox-active substances. In this case, the spacer between the nucleic acid oligomer and the redox-active substance is selected such that the level of the π orbitals of the redox-active substance is parallel to the p-π orbitals of the base pair of the nucleic acid oligomer hybridized with the complementary strand and adjacent to the redox-active substance can arrange. This spatial arrangement of redox-active substance with partially planar p-π orbitals extended in one plane proves to be particularly favorable for the electrical conductivity of the double-stranded nucleic acid oligomers.

Bei der Cyclovoltametrie wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode zeitabhängig linear verändert. Ausgehend von einem Potential bei dem keine Elektrooxidation oder -reduktion stattfindet, wird das Potential solange verändert bis die redoxaktive Substanz oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom, einen Maximalstrom (Peak) und dann einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.With cyclic voltammetry, the potential of a stationary working electrode becomes time-dependent changed linearly. Starting from a potential where no electrooxidation or -reduction takes place, the potential is changed until the redox-active substance is oxidized or reduced (i.e. current flows). After passing through the oxidation or Reduction process that initially increases in the current / voltage curve Current, a maximum current (peak) and then a gradually decreasing current, the direction of the potential feed is reversed. Behavior then becomes in the return of the products of electro-oxidation or reduction.

Eine alternative elektrische Detektionsmethode, die Amperometrie, wird dadurch ermöglicht, daß die redoxaktive Substanz durch Anlegen eines geeigneten, konstant gehaltenen Elektrodenpotentials zwar elektrooxidiert (elektroreduziert) wird, die Rereduktion (Reoxidation) der redoxaktiven Substanz in den ursprünglichen Zustand aber nicht durch Änderung des Elektrodenpotentials erreicht wird, wie in der Cyclovoltametrie, sondern durch ein der Targetlösung zugesetztes geeignetes Reduktionsmittel (Oxidationsmittel), wodurch der Stromkreis des Gesamtsystems geschlossen wird. Solange Reduktionsmittel (Oxidationsmittel) vorhanden ist bzw. solange verbrauchtes Reduktionsmittel (Oxidationsmittel) an der Gegenelektrode rereduziert (reoxidiert) wird, fließt Strom, der amperometrisch detektiert werden kann und der proportional zur Zahl der Hybridisierungsereignisse ist.This creates an alternative electrical detection method, amperometry enables the redox-active substance by applying an appropriate, constant held electrode potential is electrooxidized (electroreduced), the Reduction (reoxidation) of the redox-active substance to its original state but is not achieved by changing the electrode potential, as in the  Cyclic voltammetry, but by a suitable one added to the target solution Reducing agent (oxidizing agent), which creates the circuit of the overall system is closed. As long as reducing agent (oxidizing agent) is present or as long as used reducing agent (oxidizing agent) on the counter electrode is reduced (reoxidized), current flows which can be detected amperometrically and which is proportional to the number of hybridization events.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigenThe invention is based on an embodiment in Connection with the drawings will be explained in more detail. Show it

Fig. 1 Schematische Darstellung des Sanger-Verfahrens der Oligonukleotid- Sequenzierung; Fig. 1 Schematic representation of the Sanger method of sequencing oligonucleotide;

Fig. 2 Schematische Darstellung der Oligonukleotid-Sequenzierung durch Hybridisierung auf einem Chip; Fig. 2 Schematic representation of the oligonucleotide sequencing by hybridization on a chip;

Fig. 3 Schematische Darstellung des Oberflächen-Hybrids der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Redox mit einem 12 Bp Sonden- Oligonukleotid der exemplarischen Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA-3' (links) und Au-S-ss-oligo-PQQ im hybridisierten Zustand als Ausführungsbeispiel einer Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Redox, wobei nur ein Teil des Sonden-Oligonukleotids mit hybridisierten Komplementärstrang gezeigt ist (rechts) und die Anbindung des Oligonukleotids an die Oberfläche über einen -S-CH2CH2-Spacer sowie die Anbindung der redoxaktiven Substanz PQQ über den Spacer -CH2- CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH- erfolgte; Fig. 3 Schematic diagram of the surface hybrid having the general structure elec-spacer-ss-oligo-spacer-redox probe with a 12 bp oligonucleotide of the exemplary sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 '(left) and Au-S-ss- oligo-PQQ in the hybridized state as an exemplary embodiment of an electro-spacer-ss-oligo-spacer redox, only a part of the probe oligonucleotide with hybridized complementary strand being shown (right) and the attachment of the oligonucleotide to the surface via an -S- CH 2 CH 2 spacer and the connection of the redox-active substance PQQ via the spacer -CH 2 - CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH-;

Fig. 4 Cyclovoltagramm einer Test-Site aus Au-S-ss-oligo-PQQ (gepunktet) im Vergleich zu einer identischen Test-Site mit vollständig hybridisiertem Target (Au-S-ds-oligo-PQQ, durchgezogene Linie); Fig. 4 Cyclic voltagram of a test site made of Au-S-ss-oligo-PQQ (dotted) compared to an identical test site with a fully hybridized target (Au-S-ds-oligo-PQQ, solid line);

Fig. 5 Cyclovoltagramm einer Test-Site mit vollständig hybridisiertem Target (Au-S-ds-oligo-PQQ) (durchgezogene Linie) im Vergleich zu einer Test- Site mit hybridisiertem Target, das 2 Basenpaar Mismatches aufweist (Au-S-ds-oligo-PQQ mit 2 Bp Mismatches, gestrichelt). Fig. 5 cyclogram a test site with fully hybridized target (Au-S-ds-oligo-PQQ) (solid line) compared to a test site with hybridized target, the 2 base pair mismatches has (Au-S-ds- oligo-PQQ with 2 bp mismatches, dashed).

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine exemplarische Test-Site mit hybridisiertem Target (Au-S-ds-oligo-PQQ) der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-Redox ist in Fig. 3 dargestellt. In dem Beispiel der Fig. 3 ist die Trägeroberfläche eine Gold-Elektrode. Die Verbindung zwischen Gold-Elektrode und Sonden-Oligonukleotid wurde mit dem Linker (HO-(CH2)2 S)2 aufgebaut, der mit der endständigen Phosphatgruppe am 3'-Ende zu P-O-(CH2)2 S-S-(CH2)2 OH verestert wurde und nach homolytischer Spaltung der S-S Bindung an der Gold-Oberfläche je eine Au-S Bindung bewirkte, womit 2-Hydroxy­ mercaptoethanol und Mercaptoethanol-verbrücktes Oligonukleotid auf der Oberfläche koadsorbiert wurde. Die redoxaktive Substanz im Beispiel der Fig. 3 ist tricarboxylisches Pyrrolo-Chinolin-Chinon (PQQ), wobei eine der drei Carbonsäurefunktionen des PQQ (im Beispiel die C-7-CO2H-Funktion) zur kovalenten Anbindung des PQQ an das Sonden-Oligonukleotid verwendet wurde (Amidbildung unter Wasserabspaltung mit der terminalen Aminofunktion des an die C-5-Position des 5'-Thymins angebundenen -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH2-Spacers). Sowohl freies, unmodifiziertes PQQ als auch über einen kurzen Spacer der Kettenlänge 1-6, wie z. B. -S-(CH2)2 NH-, oder über (modifiziertes) Doppelstrang- Oligonukleotid mit der Trägeroberfläche verbrücktes PQQ wird, z. B. in HEPES Puffer mit 0.7molarem Zusatz von TEATFB (siehe Abkürzungen), im Potentialbereich 0,7 V ≧ ϕ ≧ 0,0 V, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode, selektiv reduziert und reoxidiert.An exemplary test site with a hybridized target (Au-S-ds-oligo-PQQ) of the general structure Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-Redox is shown in FIG. 3. In the example of FIG. 3, the carrier surface is a gold electrode. The connection between the gold electrode and the probe oligonucleotide was established with the linker (HO- (CH 2 ) 2 S) 2, which with the terminal phosphate group at the 3 'end leads to PO- (CH 2 ) 2 SS- (CH 2 ) 2 OH was esterified and after homolytic cleavage of the SS bond on the gold surface each caused an Au-S bond, with which 2-hydroxy mercaptoethanol and mercaptoethanol-bridged oligonucleotide was adsorbed on the surface. The redox-active substance in the example in FIG. 3 is tricarboxylic pyrrolo-quinoline-quinone (PQQ), one of the three carboxylic acid functions of the PQQ (in the example the C-7-CO 2 H function) for covalently linking the PQQ to the probe. Oligonucleotide was used (amide formation with elimination of water with the terminal amino function of the -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 spacer linked to the C-5 position of the 5'-thymine). Both free, unmodified PQQ and a short spacer of chain length 1-6, such as. B. -S- (CH 2 ) 2 NH-, or PQQ bridged with the support surface via (modified) double-stranded oligonucleotide, e.g. B. in HEPES buffer with 0.7 molar addition of TEATFB (see abbreviations), in the potential range 0.7 V ≧ ϕ ≧ 0.0 V, measured against normal hydrogen electrode, selectively reduced and reoxidized.

Die elektrische Kommunikation zwischen der (leitfähigen) Trägeroberfläche und dem über Einzelstrang-Oligonukleotid verbrückten Redoxpaar in der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-Redox ist schwach oder gar nicht vorhanden. Für die exemplarische Test-Site Au-S-ss-oligo-PQQ (mit 12-Bp Sonden-Oligonukleotiden) ist dies anhand der Cyclovoltametrie (Fig. 4) gezeigt. Ohne an eine theoretische Beschreibung gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß die negativen Ladungen des Phosphatgerüsts eine gegenseitig Abstoßung der Oligonukleotid- Einzelstränge bedingen und so einen Aufbau der -Spacer-ds-oligo-Spacer-Redox Kette (in Richtung Helixachse) unter einem Winkel ϕ = 70° zur Normalen der Trägeroberfläche ("stehende Röhren") erzwingen. Die (hybridisierte) Test-Site Au-S­ ds-oligo-PQQ der Fig. 3 weist einen Aufbau mit ϕ = 30° auf. Aufgrund der Länge der -Spacer-ds-oligo-Spacer-Redox Kette (z. B. ca. 40 Å Länge eines 12-Basenpaar- Oligonukleotids; die Spacer und das angebundene PQQ sind rund 10 Å lang) entsteht bei ϕ = 70° zwischen Trägeroberfläche und redoxaktiver Substanz ein Abstand von < 17 Å. Dadurch kann ein direkter Elektron- oder Lochtransfer zwischen Trägeroberfläche und redoxaktiver Substanz ausgeschlossen werden. Durch Behandlung der Test-Site(s) mit einer zu untersuchenden Oligonukleotid-Lösung, kommt es, im Falle der Hybridisierung zwischen Sonde und Target zu einer verstärkten Leitfähigkeit zwischen der Trägeroberfläche und dem über das Doppelstrang-Oligonukleotid verbrückten Redoxpaar. Die Änderung der Leitfähigkeit äußert sich cyclovoltametrisch in einem deutlichen Stromfluß zwischen Trägeroberfläche und redoxaktiver Substanz (Fig. 4). Damit ist es möglich, die sequenzspezifische Hybridisierung des Targets mit den Sonden-Oligonukleotiden durch elektrochemische Verfahren wie z. B. cyclische Voltametrie zu detektieren.The electrical communication between the (conductive) support surface and the redox pair bridged by single-strand oligonucleotide in the general structure elek-spacer-ds-oligo-spacer redox is weak or not present at all. For the exemplary test site Au-S-ss-oligo-PQQ (with 12 bp probe oligonucleotides), this is shown using cyclic voltammetry ( FIG. 4). Without wishing to be bound by a theoretical description, it is assumed that the negative charges of the phosphate skeleton cause mutual repulsion of the oligonucleotide single strands and thus a structure of the spacer-ds-oligo-spacer redox chain (in the direction of the helix axis) under one Force angle ϕ = 70 ° to the normal of the support surface ("standing tubes"). The (hybridized) test site Au-S ds-oligo-PQQ of FIG. 3 has a structure with ϕ = 30 °. Due to the length of the spacer-ds-oligo-spacer redox chain (e.g. approx. 40 Å length of a 12-base pair oligonucleotide; the spacers and the attached PQQ are approx. 10 Å long) arise at ϕ = 70 ° a distance of <17 Å between the carrier surface and the redox-active substance. This means that direct electron or hole transfer between the carrier surface and the redox-active substance can be excluded. By treating the test site (s) with an oligonucleotide solution to be investigated, in the case of hybridization between probe and target, there is an increased conductivity between the support surface and the redox couple bridged by the double-stranded oligonucleotide. The change in conductivity manifests itself cyclically in a clear current flow between the carrier surface and the redox-active substance ( FIG. 4). This makes it possible to sequence-specific hybridization of the target with the probe oligonucleotides by electrochemical methods such as. B. to detect cyclic voltammetry.

Daneben können fehlerhafte Basenpaarungen (Basenpaar Mismatches) durch eine geänderte cyclovoltametrische Charakteristik erkannt werden (Fig. 5). Ein Mismatch äußert sich in einem größeren Potentialabstand zwischen den Strommaxima der Elektoreduktion und der Elektroreoxidation (Umkehrung der Elektroreduktion bei umgekehrter Potentialvorschubrichtung) bzw. der Elektrooxidation und Elektrorereduktion in einem cyclovoltametrisch reversiblen Elektronenübertragungsprozess zwischen der elektrisch leitenden Trägeroberfläche und der redoxaktiven Substanz. Dieser Umstand wirkt sich vor allem in der amperometrischen Detektion günstig aus, da dort der Strom bei einem Potential getestet werden kann, bei dem zwar das perfekt hybridisierende Oligonukleotid-Target signifikant Strom liefert, nicht aber das fehlerhaft gepaarte Oligonukleotid-Target. Im Beispiel der Fig. 5 ist dies bei einem Potential E-E0 von ca. 0,03 V möglich.In addition, incorrect base pairings (base pair mismatches) can be recognized by a changed cyclovoltametric characteristic ( FIG. 5). A mismatch manifests itself in a larger potential distance between the current maxima of the electrical reduction and the electroreoxidation (reversal of the electroreduction with reversed direction of potential feed) or the electrooxidation and electroreduction in a cyclovoltametrically reversible electron transfer process between the electrically conductive carrier surface and the redox-active substance. This fact has a particularly favorable effect in amperometric detection, since the current can be tested there at a potential at which the perfectly hybridizing oligonucleotide target delivers significant current, but not the incorrectly paired oligonucleotide target. In the example in FIG. 5, this is possible at a potential EE 0 of approximately 0.03 V.

Beispiel 1example 1 Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S-ds-oligo-PQQPreparation of the Au-S-ds-oligo-PQQ oligonucleotide electrode

Die Herstellung von Au-S-ds-oligo-PQQ gliedert sich in 4 Teilabschnitte, nämlich Darstellung der Trägeroberfläche, Hybridisierung des Sonden-Oligonukleotids mit dem komplementären Doppelstrang (Hybridisierungsschritt), Derivatisierung der Trägeroberfläche mit dem Doppelstrang-Oligonukleotid (Inkubationsschritt) und Anbindung der redoxaktiven Substanz (Redoxschritt).The production of Au-S-ds-oligo-PQQ is divided into 4 sections, namely Representation of the carrier surface, hybridization of the probe oligonucleotide with the complementary double strand (hybridization step), derivatization of the Carrier surface with the double-stranded oligonucleotide (incubation step) and Connection of the redox-active substance (redox step).

Das Trägermaterial für die kovalente Anbindung der Doppelstrang-Oligonukleotide bildet ein ca. 100 nm dünner Gold-Film auf Mica (Muskovit Plättchen). Dazu wurde in einer elektrischen Entladungskammer frisch gespaltenes Mica mit einem Argon­ lonenplasma gereinigt und durch elektrische Entladung Gold (99,99%) in einer Schichtdicke von ca. 100 nm aufgebracht. Anschließend wurde der Gold-Film mit 30% H2O2/70% H2SO4 von Oberflächenverunreinigungen befreit (Oxidation organischer Ablagerungen) und für ca. 20 Minuten in Ethanol getaucht, um an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff zu verdrängen. Nach Abspülen der Trägeroberfläche mit bidestilliertem Wasser wird auf die horizontal gelagerte Trägeroberfläche eine vorher bereitete 1 × 10-4molare Lösung des (modifizierten) Doppelstrang-Oligonukleotids aufgetragen, so daß die komplette Trägeroberfläche benetzt wird (Inkubationsschritt, siehe auch unten).The carrier material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides is formed by an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelet). For this purpose, freshly split mica was cleaned with an argon ion plasma in an electrical discharge chamber and gold (99.99%) was applied in a layer thickness of approximately 100 nm by electrical discharge. The gold film was then freed from surface impurities (oxidation of organic deposits) using 30% H 2 O 2 /70% H 2 SO 4 and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface. After rinsing the support surface with bidistilled water, a previously prepared 1 × 10 -4 molar solution of the (modified) double-stranded oligonucleotide is applied to the horizontally stored support surface, so that the entire support surface is wetted (incubation step, see also below).

Zur Bereitung der ds-Oligonukleotid Lösung wurde ein doppelt modifiziertes 12 Bp Einzelstrang-Oligonukleotid der Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA-3' verwendet, das an der Phosphatgruppe des 3'-Endes mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert ist. Am 5'-Ende ist die endständige Base des Oligonukleotids, Thymin, am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH2 modifiziert. Eine 2 × 10-4molare Lösung dieses Oligonukleotids im Hybridisierungspuffer (10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 7,5 mit 0,7molarem Zusatz von TEATFB, siehe Abkürzungen) wurde mit einer 2 × 10-4­ molaren Lösung des (unmodifizierten) komplementären Strang im Hybridisierungspuffer bei Raumtemperatur für ca. 2 h hybridisiert (Hybridisierungsschritt). Während einer Reaktionszeit von ca. 12-24 h wurde der Disulfidspacer P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH des Oligonukleotids homolytisch gespalten. Dabei bildet der Spacer mit den Au-Atomen der Oberfläche eine kovalente Au-S- Bindung aus, wodurch es zu einer 1 : 1-Koadsorption des ds-Oligonukleotids und des 2-Hydroxymercaptoethanols kommt (Inkubationsschritt).To prepare the ds-oligonucleotide solution, a double-modified 12 bp single-strand oligonucleotide of the sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'was used, which is attached to the phosphate group of the 3' end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH is esterified. At the 5 'end, the terminal base of the oligonucleotide, thymine, at the C-5 carbon is modified with -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 . A 2 × 10 -4 molar solution of this oligonucleotide in the hybridization buffer (10 mM Tris, 1 mM EDTA, pH 7.5 with 0.7 molar addition of TEATFB, see abbreviations) was mixed with a 2 × 10 -4 molar solution of the (unmodified) complementary strand hybridized in the hybridization buffer at room temperature for about 2 h (hybridization step). The disulfide spacer PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH of the oligonucleotide was cleaved homolytically during a reaction time of approx. 12-24 h. The spacer forms a covalent Au-S bond with the Au atoms on the surface, which leads to a 1: 1 coadsorption of the ds-oligonucleotide and the 2-hydroxymercaptoethanol (incubation step).

Die so mit einer dichten (1 : 1)-Monolayer aus ds-Oligonukleotid und 2-Hydroxy­ mercaptoethanol modifizierte Goldelektrode wurde mit bidestilliertem Wasser gewaschen und anschließend mit einer Lösung von 3 × 10-3molarem Chinon PQQ, 10-2molarem EDC und 10-2molarem sulfo-NHS in HEPES Puffer benetzt. Nach einer Reaktionszeit von ca. 1 h bindet der -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH2-Spacer das PQQ kovalent an (Amidbildung zwischen der Aminogruppe des Spacers und einer Säurefunktion des PQQ, Redoxschritt).The gold electrode modified with a dense (1: 1) monolayer of ds-oligonucleotide and 2-hydroxy mercaptoethanol was washed with bidistilled water and then with a solution of 3 × 10 -3 molar quinone PQQ, 10 -2 molar EDC and 10 -2 molar sulfo-NHS wetted in HEPES buffer. After a reaction time of approx. 1 h, the -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 spacer covalently binds the PQQ (amide formation between the amino group of the spacer and an acid function of the PQQ, redox step).

Die Aufklärung der Oberflächenbeschaffenheit mit XPS (X-Ray Photoelektronen­ spektroskopie) ergab eine maximal dicht gepackte Monolayer aus 1 : 1 koadsorbiertem ds-Oligonukleotid und 2-Hydroxy-mercaptoethanol (4,7 × 1012 ds- Oligonukleotide/cm2), wobei die lange Achse (Richtung der Helixachse) der ds- Oligonukleotide mit der Flächennormalen der Goldoberfläche einen Winkel von ϕ ≈ 30° bildet.The clarification of the surface properties with XPS (X-Ray photoelectron spectroscopy) revealed a maximally densely packed monolayer of 1: 1 adsorbed ds-oligonucleotide and 2-hydroxy-mercaptoethanol (4.7 × 10 12 ds-oligonucleotides / cm 2 ), whereby the long axis (direction of the helix axis) of the ds-oligonucleotides forms an angle of ϕ ≈ 30 ° with the surface normal of the gold surface.

Beispiel 2Example 2 Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S-ss-oligo-PQQPreparation of the Au-S-ss-oligo-PQQ oligonucleotide electrode

Analog zur Darstellung des Systems Au-S-ds-oligo-PQQ wird die Trägeroberfläche mit modifiziertem Einzelstrang-Oligonukleotid derivatisiert, wobei lediglich auf die Hybridisierung des modifizierten Oligonukleotids der Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA- 3' mit seinem komplementären Strang verzichtet wurde und im Inkubationsschritt nur das doppelt modifizierte 12 Bp Einzelstrang-Sonden-Oligonukleotid (siehe Beispiel 1) als 1 × 10-4molare Lösung in Wasser und in Gegenwart von 10-2molarem Tris, 10-3­ molarem EDTA und 0.7molarem TEATFB (oder 1molarem NaCl) bei pH 7,5 verwendet wurde. Der Redoxschritt wurde, wie in Beispiel 1 angegeben, durchgeführt.Analogous to the representation of the Au-S-ds-oligo-PQQ system, the carrier surface is derivatized with modified single-strand oligonucleotide, only the hybridization of the modified oligonucleotide of sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'with its complementary strand being dispensed with and in the incubation step only the double modified 12 bp single-stranded probe oligonucleotide (see example 1) as a 1 × 10 -4 molar solution in water and in the presence of 10 -2 molar Tris, 10 -3 molar EDTA and 0.7 molar TEATFB (or 1 molar NaCl) was used at pH 7.5. The redox step was carried out as indicated in Example 1.

Beispiel 3Example 3 Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S-ds-oligo-PQQ mit 2-Bp- MismatchesProduction of the Oligonucleotide Electrode Au-S-ds-oligo-PQQ with 2-Bp- Mismatches

Die Herstellung einer Trägeroberfläche derivatisiert mit modifiziertem Doppelstrang-Oligonukleotid wurde analog zur Darstellung des Systems Au-S-ds­ oligo-PQQ durchgeführt, wobei lediglich bei der Hybridisierung des modifizierten Oligonukleotids der Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA-3' ein komplementärer Strang verwendet wurde (Sequenz: 5'-ATCAGATTTCGT-3'), bei dem die eigentlich komplementären Basen Nr. 6 und 7 (vom 5'-Ende gezählt) von C nach A bzw. von C nach T modifiziert wurden, um so zwei Basenpaar Mismatches einzuführen.The production of a carrier surface derivatized with modified Double-stranded oligonucleotide was analogous to the representation of the Au-S-ds system oligo-PQQ performed, only in the hybridization of the modified Oligonucleotides of sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'a complementary strand was used (sequence: 5'-ATCAGATTTCGT-3 '), in which the actually complementary bases Nos. 6 and 7 (counted from the 5 'end) from C to A and from C, respectively were modified after T so as to introduce two base pairs of mismatches.

Beispiel 4Example 4 Herstellung einer Oligonukleotid-Elektrode Au-S-ss-oligo-PQQ mit erhöhtem Inter-Oligonukleotid-AbstandProduction of an oligonucleotide electrode using Au-S-ss-oligo-PQQ increased inter-oligonucleotide distance

Bei der Herstellung der Test-Sites muß bei der Derivatisierung der Trägeroberfläche mit Einzelstrang-Sonden-Oligonukleotid darauf geachtet werden, daß zwischen den angebundenen Einzelsträngen genügend Platz verbleibt, um eine Hybridisierung mit dem Target-Oligonukleotid zu ermöglichen. Dazu bieten sich drei verschiedene Vorgehensweisen an: (a) Herstellung einer Au-S-ds-oligo-PQQ Elektrode wie in Beispiel 1 beschrieben mit anschließender thermischer Dehybridisierung der Doppelstränge bei Temperaturen von T < 40°C. (b) Herstellung einer Au-ss-oligo-PQQ Elektrode wie unter Beispiel 2 beschrieben, aber im Inkubationsschritt zur Derivatisierung der Goldoberfläche mit (doppelt derivatisiertem) Einzelstrang-Oligonukleotid wird 2-Hydroxy­ mercaptoethanol oder ein anderer Thiol- oder Disulfid-Linker geeigneter Kettenlänge 10-5- bis 10-1molar zugesetzt (je nach gewünschtem Inter-Oligonukleotid-Abstand), das gemeinsam mit dem Einzelstrang Oligonukleotid an die Goldoberfläche koadsorbiert. (c) Herstellung einer Au-ss-oligo-PQQ Elektrode wie unter Beispiel 2 beschrieben, aber unter Weglassen des 0,7molaren Zusatzes an Elektrolyten (im Beispiel TEATFB) im Inkubationsschritt zur Derivatisierung der Goldoberfläche mit (doppelt derivatisiertem) Einzelstrang-Oligonukleotid. Die Phosphatgruppen und Basen-Sickstoffatome des Oligonukleotids sind durch die Abwesenheit des Salzes elektrostatisch nicht abgeschirmt und wechselwirken stark mit der Goldoberfläche. Dadurch kommt es zu einer flachen Anlagerung der Oligonukleotide auf der Elektrodenoberfläche (ϕ < 60°) und es werden pro Flächeneinheit deutlich weniger Oligonukleotide gebunden. Anschließend können die Oligonukleotide wieder in die gewünschte Position gebracht werden, indem in einem 2. Inkubationsschritt (vor oder nach Anbringen des PQQ) 2-Hydroxy-mercaptoethanol oder ein anderer Thiol- oder Disulfid-Linker geeigneter Kettenlänge kovalent an die noch freien Oberflächen- Goldatome angebunden wird. Dazu wird die weniger dicht mit Einzelstrang- Oligonukleotid belegte Elektrode vor oder nach Modifikation mit PQQ (Au-S-ss-oligo bzw. Au-S-ss-oligo-PQQ) mit einer ca. 5 × 10-2molaren Lösung des 2-Hydroxy­ mercaptoethanols oder eines anderen Thiol- oder Disulfid-Linkers geeigneter Kettenlänge in Ethanol oder HEPES-Puffer (bzw. einem Gemisch daraus, abhängig von der Löslichkeit des Thiols) benetzt und 2-24 h inkubiert.When producing the test sites, when derivatizing the support surface with single-strand probe oligonucleotide, care must be taken to ensure that there is sufficient space between the attached single strands to enable hybridization with the target oligonucleotide. There are three different procedures for this: (a) Production of an Au-S-ds-oligo-PQQ electrode as described in Example 1 with subsequent thermal dehybridization of the double strands at temperatures of T <40 ° C. (b) Preparation of an Au-ss-oligo-PQQ electrode as described in Example 2, but in the incubation step to derivatize the gold surface with (double-derivatized) single-strand oligonucleotide, 2-hydroxy mercaptoethanol or another thiol or disulfide linker of suitable chain length 10 -5 - to 10 -1 molar added (depending on the desired inter-oligonucleotide distance), which co-adsorbs to the gold surface together with the single strand of oligonucleotide. (c) Preparation of an Au-ss-oligo-PQQ electrode as described in Example 2, but with the omission of the 0.7 molar addition of electrolytes (in the example TEATFB) in the incubation step to derivatize the gold surface with (double-derivatized) single-strand oligonucleotide. The phosphate groups and base nitrogen atoms of the oligonucleotide are not electrostatically shielded by the absence of the salt and interact strongly with the gold surface. This leads to a flat accumulation of the oligonucleotides on the electrode surface (ϕ <60 °) and significantly fewer oligonucleotides are bound per unit area. The oligonucleotides can then be brought back into the desired position by covalently attaching 2-hydroxy-mercaptoethanol or another thiol or disulfide linker of suitable chain length to the still free surface gold atoms in a second incubation step (before or after attaching the PQQ) is connected. For this purpose, the electrode, which is less densely covered with single-stranded oligonucleotide, is modified with an approx. 5 × 10 -2 molar solution of the 2nd -Hydroxy mercaptoethanol or another thiol or disulfide linker of suitable chain length in ethanol or HEPES buffer (or a mixture thereof, depending on the solubility of the thiol) wetted and incubated for 2-24 h.

Beispiel 5Example 5 Durchführung der cyclovoltametrischen MessungenCarrying out the cyclovoltametric measurements

Die cyclovoltametrischen Messungen wurden mit einem Computer-kontrolliertem Bipotentiostaten (CH Instruments, Model 832) bei Raumtemperatur in einer Standard Zelle mit 3-Elektroden-Anordung vermessen. Die modifizierte Goldelektrode wurde als Arbeitselektrode verwendet, als Hilfselektrode (Gegenelektrode) diente ein Platindraht und als Referenzelektrode zur Potentialbestimmung wurde eine über eine Luggin Kapillare vom Probenraum abgetrennte Ag/AgCl-Elektrode mit interner gesättigter KCl Lösung verwendet. Als Elektrolyt diente 0,7molares TEATFB oder 1 molares NaCl. Ein Cyclovoltagramm der Au-S-ds-oligo-PQQ Elektrode im Vergleich zu einer Au-S-ss-oligo-PQQ Elektrode ist in Fig. 4 gezeigt, die Auswirkung der 2 Bp Mismatches auf das Cyclovoltagramm der Au-S-ds-oligo-PQQ Elektrode ist in Abb. 5 dargestellt. Die Potentiale sind jeweils als E-E0, also relativ zum Halbstufenpotential angegeben.The cyclic voltametric measurements were measured with a computer-controlled bipotentiostat (CH Instruments, Model 832) at room temperature in a standard cell with a 3-electrode arrangement. The modified gold electrode was used as the working electrode, a platinum wire was used as the auxiliary electrode (counter electrode) and an Ag / AgCl electrode with an internally saturated KCl solution, which was separated from the sample space via a Luggin capillary, was used as the reference electrode. 0.7 molar TEATFB or 1 molar NaCl was used as the electrolyte. A cyclovoltagram of the Au-S-ds-oligo-PQQ electrode compared to an Au-S-ss-oligo-PQQ electrode is shown in FIG. 4, the effect of the 2 bp mismatches on the cyclovoltagram of the Au-S-ds- oligo-PQQ electrode is shown in Fig. 5. The potentials are each given as EE 0 , i.e. relative to the half-wave potential.

Aus Fig. 4 ist ein deutlich erhöhter Stromfluß bei Vorliegen eines Doppelstrang- Oligonukleotids gegenüber der nicht hybridisierten Form zu erkennen. Dadurch können sequenzspezifische Hybridisierungsereignisse detektiert werden. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß bei Hybridisierung mit einem Target-Oligonukleotid-Strang, der 2 Basenpaar-Mismatches aufweist zum einen ein geringerer Strom fließt, zum anderen die Differenz der Strommaxima vergrößert wird.From Fig. 4, a significantly increased current flow in case of a double-stranded oligonucleotide to the non-hybridized form can be seen. This enables sequence-specific hybridization events to be detected. It is clear from FIG. 5 that when hybridizing with a target oligonucleotide strand which has 2 base pair mismatches, on the one hand a lower current flows, on the other hand the difference in the current maxima is increased.

Claims (28)

1. Durch Anbindung einer redoxaktiven Substanz modifiziertes Nukleinsäure- Oligomer, dadurch gekennzeichnet, daß die redoxaktive Substanz bei einem Potential cp selektiv oxidierbar und reduzierbar ist, wobei ϕ der Bedingung 2,0 V ≧ ϕ ≧ -2,0 V, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode, genügt.1. A nucleic acid oligomer modified by attaching a redox-active substance, characterized in that the redox-active substance can be selectively oxidized and reduced at a potential cp, the condition being 2.0 V ≧ ϕ ≧ -2.0 V, measured against normal hydrogen electrode, enough. 2. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 1, wobei als redoxaktive Substanz ein Farbstoff verwendet wird, insbesondere ein Flavin-Derivat, ein Porphyrin-Derivat, ein Chlorophyl-Derivat oder ein Bakteriochlorophyl-Derivat.2. Modified nucleic acid oligomer according to claim 1, wherein as a redox active Substance a dye is used, in particular a flavin derivative Porphyrin derivative, a chlorophyl derivative or a bacteriochlorophyl derivative. 3. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 1, wobei als redoxaktive Substanz ein Chinon, insbesondere ein Pyrrolo-Chinolin-Chinon (PQQ), ein 1,4-Benzochinon, ein 1,2-Naphtochinon, ein 1,4-Naphtochinon oder ein 9,10- Anthrachinon verwendet wird.3. Modified nucleic acid oligomer according to claim 1, wherein as a redox active Substance a quinone, especially a pyrrolo-quinoline quinone (PQQ) 1,4-benzoquinone, a 1,2-naphthoquinone, a 1,4-naphthoquinone or a 9,10- Anthraquinone is used. 4. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die redoxaktive Substanz kovalent alternativ an eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure- oder Amin-Einheiten, an eine der Zucker- Einheiten oder an eine der Basen des Nukleinsäure-Oligomers angebunden ist, insbesondere an eine endständige Einheit des Nukleinsäure-Oligomers.4. Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding Claims, wherein the redox-active substance alternatively covalently to one of the Phosphoric acid, carboxylic acid or amine units to one of the sugar Units or is attached to one of the bases of the nucleic acid oligomer, in particular to a terminal unit of the nucleic acid oligomer. 5. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die redoxaktive Substanz kovalent an einen verzweigten oder unverzweigten Molekülteil beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge angebunden ist und der verzweigte oder unverzweigte Molekülteil alternativ an eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure- oder Amin-Einheiten, an eine der Zucker- Einheiten oder an eine der Basen des Nukleinsäure-Oligomers angebunden ist, insbesondere an eine enständige Einheit des Nukleinsäure-Oligomers.5. Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 1 to 3, wherein the redox-active substance covalently to a branched or unbranched Molecular part of any composition and chain length is attached and the branched or unbranched part of the molecule alternatively to one of the Phosphoric acid, carboxylic acid or amine units to one of the sugar Units or is attached to one of the bases of the nucleic acid oligomer, especially to a separate unit of the nucleic acid oligomer. 6. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 5, wobei die redoxaktive Substanz kovalent an einen verzweigten oder unverzweigten Molekülteil angebunden ist, dessen kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den verbundenen Strukturen 1 bis 14 Atome umfaßt.6. Modified nucleic acid oligomer according to claim 5, wherein the redox active Substance covalently to a branched or unbranched part of the molecule is connected, the shortest continuous connection between the connected structures comprises 1 to 14 atoms. 7. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer sequenzspezifisch Einzelstrang-DNA, RNA und/oder PNA binden kann. 7. Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding Claims, wherein the modified nucleic acid oligomer is sequence specific Single-stranded DNA, RNA and / or PNA can bind.   8. Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 7, wobei das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer ein Desoxyribonukleinsäure-, Ribonukleinsäure-, ein Peptidnukleinsäure-Oligomer oder ein Nukleinsäure-Oligomer mit strukturell analogem Rückgrat ist.8. A modified nucleic acid oligomer according to claim 7, wherein the modified Nucleic acid oligomer is a deoxyribonucleic acid, ribonucleic acid Peptide nucleic acid oligomer or a nucleic acid oligomer with structural analog backbone. 9. Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die redoxaktive Substanz an ein Nukleinsäure-Oligomer gebunden wird, wobei die Anbindung an eine Phosphorsäure- oder Carbonsäure-Gruppe des Nukleinsäure-Oligomers durch Amidbildung mit (primären oder sekundären) einer Aminogruppe der redoxaktiven Substanz, durch Esterbildung mit einer (primären, sekundären oder tertiären) Alkohol-Gruppe der redoxaktiven Substanz, oder durch Thioesterbildung mit einer (primären, sekundären oder tertiären) Thio-Alkohol-Gruppe der redoxaktiven Substanz bzw. durch Kondensation einer Amin-Gruppe des Nukleinsäure-Oligomers mit einer Aldehyd-Gruppe der redoxaktiven Substanz erfolgt.9. A method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claims 1 to 4, characterized in that the redox-active substance is bound to a nucleic acid oligomer, the binding to a Phosphoric acid or carboxylic acid group of the nucleic acid oligomer Amide formation with (primary or secondary) an amino group of the redox-active Substance, by ester formation with a (primary, secondary or tertiary) Alcohol group of the redox-active substance, or by thioester formation with a (primary, secondary or tertiary) thio alcohol group of redox-active substance or by condensation of an amine group of Nucleic acid oligomers with an aldehyde group of the redox-active substance he follows. 10. Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers gemäß den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die redoxaktive Substanz an einen verzweigten oder unverzweigten Molekülteil beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge kovalent angebunden wird, wobei die Anbindung an eine Phosphorsäure- oder Carbonsäure-Gruppe des verzweigten oder unverzweigten Molekülteils durch Amidbildung mit (primären oder sekundären) einer Aminogruppe der redoxaktiven Substanz, durch Esterbildung mit einer (primären, sekundären oder tertiären) Alkohol-Gruppe der redoxaktiven Substanz, oder durch Thioesterbildung mit einer (primären, sekundären oder tertiären) Thio-Alkohol-Gruppe der redoxaktiven Substanz bzw. durch Kondensation einer Amin-Gruppe des verzweigten oder unverzweigten Molekülteils mit einer Aldehyd-Gruppe der redoxaktiven Substanz erfolgt.10. The method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claims 5 to 8, characterized in that the redox active Any substance to a branched or unbranched part of the molecule Composition and chain length is covalently attached, the Connection to a phosphoric acid or carboxylic acid group of the branched or unbranched part of the molecule through amide formation with (primary or secondary) an amino group of the redox-active substance, by ester formation with a (primary, secondary or tertiary) alcohol group redox-active substance, or by thioester formation with a (primary, secondary or tertiary) thio-alcohol group of the redox-active substance or by condensation of an amine group of the branched or unbranched part of the molecule with an aldehyde group of the redox-active Substance occurs. 11. Modifizierte leitfähige Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Arten von modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 an eine leitfähige Oberfläche angebunden sind.11. Modified conductive surface, characterized in that one or several types of modified nucleic acid oligomers according to the Claims 1 to 8 are connected to a conductive surface. 12. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht, insbesondere einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium, Mangan und deren Mischungen.12. Modified conductive surface according to claim 11, wherein the surface of a metal or a metal alloy, in particular a metal selected from the group platinum, palladium, gold, cadmium, mercury,  Nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum, manganese and their mixtures. 13. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche aus einem Halbleiter besteht, insbesondere einem Halbleiter ausgewählt aus der Gruppe Kohlenstoff, Silizium, Germanium und α-Zinn.13. Modified conductive surface according to claim 11, wherein the surface of a semiconductor, in particular a semiconductor selected from the Group carbon, silicon, germanium and α-tin. 14. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche aus einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 14 und 16, einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 13 und 15, einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 15 und 16, oder einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 11 und 17 besteht, insbesondere aus einem Cu(I)- Halogenid oder einem Ag(I)-Halogenid.14. Modified conductive surface according to claim 11, wherein the surface of a binary connection of the elements of groups 14 and 16, a binary Connection of the elements of groups 13 and 15, a binary connection the elements of groups 15 and 16, or a binary combination of the Elements of groups 11 and 17 consists, in particular, of a Cu (I) - Halide or an Ag (I) halide. 15. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche aus einer ternären Verbindung der Elemente der Gruppen 11, 13 und 16 oder einer ternären Verbindung Elemente der Gruppen 12, 13 und 16 besteht.15. Modified conductive surface according to claim 11, wherein the surface of a ternary combination of the elements of groups 11, 13 and 16 or one ternary compound elements of groups 12, 13 and 16. 16. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 11 bis 15, wobei die modifizierten Nukleinsäure-Oligomere an die leitfähige Oberfläche kovalent oder durch Physisorption angebunden sind.16. Modified conductive surface according to claims 11 to 15, wherein the modified nucleic acid oligomers to the conductive surface covalently or are bound by physisorption. 17. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 16, wobei alternativ eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure- oder Amin-Einheiten, eine der Zucker-Einheiten oder eine der Basen des Nukleinsäure-Oligomers kovalent oder durch Physisorption an die leitfähige Oberfläche angebunden ist, insbesondere eine endständige Einheit des Nukleinsäure-Oligomers.17. Modified conductive surface according to claim 16, wherein alternatively one of the Phosphoric acid, carboxylic acid or amine units, one of the sugar units or one of the bases of the nucleic acid oligomer covalently or through Physisorption is bound to the conductive surface, especially one terminal unit of the nucleic acid oligomer. 18. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei an die leitfähige Oberfläche verzweigte oder unverzweigte Molekülteile beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge kovalent oder durch Physisorption angebunden sind und die modifizierten Nukleinsäure-Oligomere kovalent an diese Molekülteile angebunden sind.18. Modified conductive surface according to one of claims 11 to 15, wherein branched or unbranched parts of the molecule on the conductive surface any composition and chain length covalently or by Physisorption are linked and the modified nucleic acid oligomers are covalently attached to these molecular parts. 19. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 18, wobei das verzweigte oder unverzweigte Molekülteil eine kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den verbundenen Strukturen von 1 bis 14 Atome umfaßt. 19. Modified conductive surface according to claim 18, wherein the branched or unbranched part of the molecule a shortest continuous connection between the connected structures comprises from 1 to 14 atoms.   20. Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 18 und 19, wobei der verzweigte oder unverzweigte Molekülteil alternativ an eine der Phosphorsäure- Carbonsäure- oder Amin-Einheiten, an eine der Zucker-Einheiten oder an eine der Basen des Nukleinsäure-Oligomers kovalent gebunden ist, insbesondere an eine endständige Einheit des Nukleinsäure-Oligomers.20. Modified conductive surface according to claims 18 and 19, wherein the branched or unbranched part of the molecule alternatively to one of the phosphoric acid Carboxylic acid or amine units, to one of the sugar units or to one the bases of the nucleic acid oligomer is covalently bound, in particular to a terminal unit of the nucleic acid oligomer. 21. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach den Ansprüchen 11 bis 20, wobei ein oder mehrere Arten von modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 auf eine leitfähige Oberfläche aufgebracht werden.21. Process for producing a modified conductive surface according to Claims 11 to 20, wherein one or more types of modified Nucleic acid oligomers according to claims 1 to 8 on a conductive Surface to be applied. 22. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach den Ansprüchen 11 bis 20, wobei eine oder mehrere Arten von Nukleinsäure- Oligomeren auf eine leitfähige Oberfläche gebunden werden und ausschließlich die an die leitfähige Oberfläche gebundenen Nukleinsäure-Oligomere durch Anbindung einer redoxaktiven Substanz an die Nukleinsäure-Oligomere modifiziert werden.22. A method for producing a modified conductive surface according to Claims 11 to 20, wherein one or more types of nucleic acid Oligomers are bound to a conductive surface and exclusively the nucleic acid oligomers bound to the conductive surface Linking a redox-active substance to the nucleic acid oligomers be modified. 23. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach Anspruch 22, wobei die Anbindung der redoxaktiven Substanz an das Nukleinsäure-Oligomer durch Reaktion der redoxaktiven Substanz mit einer Phosphorsäure-Einheit, einer Zucker-Einheit oder einer der Basen des Nukleinsäure-Oligomers erfolgt, insbesondere durch Reaktion mit einer endständigen Einheit des Nukleinsäure-Oligomers.23. Method for producing a modified conductive surface according to Claim 22, wherein the binding of the redox-active substance to the Nucleic acid oligomer by reaction of the redox-active substance with a Phosphoric acid unit, a sugar unit or one of the bases of the Nucleic acid oligomers takes place, in particular by reaction with a terminal unit of the nucleic acid oligomer. 24. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach Anspruch 22, wobei die redoxaktive Substanz kovalent an einen verzweigten oder unverzweigten Molekülteil beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge angebunden wird und der verzweigte oder unverzweigte Molekülteil alternativ an eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure- oder Amin-Einheiten, an eine der Zucker-Einheiten oder an eine der Basen des Nukleinsäure-Oligomers angebunden wird, insbesondere an eine endständige Einheit des Nukleinsäure- Oligomers.24. A method for manufacturing a modified conductive surface according to Claim 22, wherein the redox-active substance is covalently attached to a branch or unbranched molecular part of any composition and chain length is attached and the branched or unbranched part of the molecule alternatively to one of the phosphoric acid, carboxylic acid or amine units, to one of the Sugar units or to one of the bases of the nucleic acid oligomer is attached, in particular to a terminal unit of the nucleic acid Oligomers. 25. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach den Ansprüchen 21 bis 24, wobei das Nukleinsäure-Oligomer oder das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer mit dem dazu komplementären Nukleinsäure- Oligomerstrang hybridisiert wird und in Form des Doppelstranghybrids auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht wird. 25. Process for producing a modified conductive surface according to Claims 21 to 24, wherein the nucleic acid oligomer or the modified Nucleic acid oligomer with the complementary nucleic acid Oligomer strand is hybridized and in the form of the double strand hybrid on the conductive surface is applied.   26. Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach den Ansprüchen 21 bis 25, wobei das Nukleinsäure-Oligomer oder das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer in Gegenwart von weiteren chemischen Verbindungen, die ebenfalls an die leitfähige Oberfläche angebunden werden, auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht wird.26. Process for producing a modified conductive surface according to Claims 21 to 25, wherein the nucleic acid oligomer or the modified Nucleic acid oligomer in the presence of other chemical compounds, which are also attached to the conductive surface on which conductive surface is applied. 27. Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer- Hybridisierungsereignissen, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige Oberfläche, wie in den Ansprüchen 11 bis 20 definiert, mit Nukleinsäure- Oligomeren in Kontakt gebracht wird mit Nukleinsäure-Oligomeren in Kontakt gebracht werden und anschließend eine Detektion der elektrischen Kommunikation zwischen der redoxaktiven Einheit und der jeweiligen leitfähigen Oberfläche erfolgt.27. Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer Hybridization events, characterized in that a conductive Surface as defined in claims 11 to 20 with nucleic acid Oligomers are contacted with nucleic acid oligomers be brought and then a detection of the electrical Communication between the redox-active unit and the respective one conductive surface. 28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Detektion cyclovoltametrisch, amperometrisch oder durch Leitfähigkeitsmessung erfolgt.28. The method according to claim 27, wherein the detection is cyclovoltametric, done amperometrically or by conductivity measurement.
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