WO1993021530A1 - PROCESS AND DEVICE FOR INCREASING THE SENSITIVITY AND SELECTIVITY OF IMMUNO-ASSAYS, MOLECULE-RECEPTOR, DNA-COMPLEMENTARY DNA and FOREIGN MOLECULE-HOST MOLECULE INTERACTION ASSAYS - Google Patents

PROCESS AND DEVICE FOR INCREASING THE SENSITIVITY AND SELECTIVITY OF IMMUNO-ASSAYS, MOLECULE-RECEPTOR, DNA-COMPLEMENTARY DNA and FOREIGN MOLECULE-HOST MOLECULE INTERACTION ASSAYS Download PDF

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Karl Cammann
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Messerschmitt-Bölkow-Blohm Gmbh
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Definitions

  • the invention is directed to a generally applicable method consisting of a combination of selected steps and devices for extremely sensitive and undisturbed concentration determinations of any antibody-antigen pair, complementary molecule-receptor pairs, complementary DNA strands and selective guest / host molecule pairs.
  • the quantitative analysis of complex substance mixtures using the very selective antibody-antigen blinding (key-lock principle) and the DNA pair formation in the so-called DNA probes is an established analytical method in biochemistry and clinical chemistry and is accordingly widely used.
  • Competitive tests with labeled antigens, antibodies or DNA molecules are mostly used.
  • RIA radio immunoassay
  • the antigen added to the measurement solution (or the antibody molecule in the sandwich method) is radioactively marked.
  • EIA or the heterogeneous enzyme-linked adsorbend assay, ELISA enzyme immunoassay
  • ELISA enzyme immunoassay
  • labeled molecules compete with the unlabeled molecules to be measured (substance to be determined - analyte) for binding to the mostly carrier-bound antibody (or DNA sequence), so that the unknown amount of antigen (DNA type and amount) can be determined if for ver
  • a test with an antigen (DNA molecule) of known concentration is carried out immediately. With this method, the measurement signals are inversely proportional to the concentration.
  • Labeled antibodies are used in the so-called sandwich tests. These bind in a sandwich-like manner to antigen molecules, which in turn are previously bound to carrier-bound antibodies depending on the concentration.
  • the very specific binding of two complementary molecules also allows, conversely, the quantitative determination of the larger partner (antibody, receptor analysis or the complementary DNA molecule (or bio-surface), which marks a complementary DNA sequence in at least one part of the area Sequence) and are therefore the most important biochemical analysis methods.
  • antibody, receptor analysis or the complementary DNA molecule or bio-surface
  • these immunological methods are becoming increasingly important for environmental analysis.
  • the use of monoclonal antibodies for the various dioxins can significantly reduce the overall analysis costs by only having to carry out the very expensive GC-MS analysis (screening) if the immunological test is positive.
  • the advantageous structure of a simple and inexpensive electrochemical measuring system which requires the least amount of equipment in the form of potentiometry or amperometry, generally fails because the substance (analyte) to be determined is or is not present as a potential determining ion, but rather as a neutral molecule can be selectively implemented electrochemically.
  • optical methods spectrophotometry, fluorescence measurement, ellipsometry, surface plasmon resonance spectroscopy, evanescent wave method, etc.
  • Optical methods with the usual fluorescent markers which require an excitation wavelength in the UV or visible range, require a high level of equipment, which stands in the way of widespread routine use. The effort to stabilize the light source, to monochromatize using a stray light-free monochromator, to report the influence of extraneous light, to increase sensitivity, etc. requires equipment that is very complex and therefore expensive.
  • many substances are also stimulated in typical biological matrices (e.g.
  • German patent application DE 3916432 AI from 1990 describes a potentiometric method for the detection of an immuno-reaction between unlabeled complementary partners, but this method can also be used with smaller analyte molecules in a range below 1 ppm.
  • the object of the invention to increase the sensitivity while simultaneously reducing the known cross interference of all traditional immunoassays and similar methods is achieved in particular by the selected combination of several method steps according to claim 1.
  • the invention instead of the susceptible and inaccurate enzymatic signal amplification methods, repeatable electrochemical and optical measurement methods together with a special one electronic signal processing (signal medium value curve) and corresponding measuring arrangements.
  • the immuno-partner to be determined is either in the method according to the invention with a stable redox system or a stable one in the infrared range (> 700 nm) fluorescent compound durable (eg covalently bound).
  • a stable redox system or a stable one in the infrared range (> 700 nm) fluorescent compound durable (eg covalently bound).
  • the selection of these two marker molecule types was made after extensive preliminary tests and based on certain criteria, which are hereby disclosed.
  • Inorganic or organic systems with high standard exchange current densities on inert metal electrodes are preferably suitable as redox systems.
  • fluorescence markers the most advantageous marker molecules are molecules that can be excited with low-cost laser electrodes for fluorescence in the far infrared (> 800 nm).
  • the method according to the invention is simpler, more sensitive, faster, more correct and therefore ultimately also cheaper than all the immunoassays described so far.
  • the direct, extremely sensitive and rapid detection of smaller antigens is also more advantageous, which, according to the above-mentioned disclosure steps, is only poorly or not at all possible with the methods described there.
  • the labeled analyte molecule is previously bound to the immobilized partner.
  • the labeled analyte molecule is added to the sample in a known ratio and the mixture is allowed to interact with the immobilized immuno-partners (which include all of the complementary systems mentioned above). Depending on the concentration of the analyte, different amounts of the labeled analyte molecule are competitively bound, with an inverse relation.
  • the unbound or released labeled analyte molecules are again collected in a small space by means of the relevant immunological (complementary) partner, who is immobilized or localized and fixed, concentrated, and cleaned of adhering sample matrix by rinsing.
  • the device according to the invention in which there is an electrochemically and optically accessible surface, it is also possible to measure the part which does not correspond to the eluate collection.
  • the competitive test in which the surface of the device is covered with immobilized partner molecules which are saturated with your labeled complement molecule before contact with the sample, the decrease in the intensity of the label, which is proportional to the amount of analyte, can also be measured.
  • the other competitive test in which labeled and unlabeled analyte molecules are added together to the immobilized complement molecules that have free binding sites, the increase in labeled molecules in this surface area is inversely proportional to the concentration of the analyte.
  • the amount of labeled molecules that pass through the immunogenic zone unbound is directly proportional to the amount of analyte.
  • the analysis result can be obtained twice (redundantly) with such an immunological-analytical device.
  • This dual determination is new and significantly improves the reliability of the entire immunoassay. Errors and faults can be recognized immediately due to the mismatch between these two measured values.
  • the method according to the invention amounts to a double determination of the analyte.
  • the decrease in the signal intensity integrated over the immunogenic zone (proportional to the concentration) must correspond to the relevant increase in the "molecule trapping" zone (see FIG. 2) in a displacement assay.
  • the labeled analyte molecule is admixed in a known ratio before each analysis of the sample.
  • concentration of the labeled analyte molecules that can be measured there can be directly deduced from the concentration of the unlabeled analyte molecules that are present in the sample.
  • concentration of labeled analyte molecules after flowing through the immunogenic zone the higher the analyte concentration in the sample.
  • Another advantage (more sensitive and undisturbed than previous methods on a non-enzymatic basis) of the invention is the separation of the non-specifically bound matrix substances before the actual measurement and the collection or enrichment of the labeled molecules on a flat surface on which unlabeled partner molecules with free binding sites are fixed are bound so that they specifically bind the marked partners that have passed through the other immunological binding region unbound or have been released there (displaced from the binding) by the unmarked analyte.
  • the labeled analyte molecules bound on a flat surface can then be determined electrochemically or optically, depending on the type of labeling, both long measuring tents with high attenuation and Cyclic or repetitive measurements with electronic (or computer-aided) averaging are also possible. According to the laws of statistics, the signal-to-noise ratio can be improved by the factor root-N by means of N measurements.
  • a particularly simple and elegant device in connection with the invention is the use of test strip-like chromatographic material.
  • test strip-like chromatographic material both paper chromatography (expanded by membrane filter materials based on cellulose acetate, nitrate or the like) and thin-layer chromatography material suppliers (see Fig . 2).
  • the production of the devices according to the invention is very simple and efficient.
  • the corresponding poly- or monoclonal antibodies or F u fragments are correctly oriented using known binding techniques (covalent immobilization by means of spacer molecules and F c part-binding components) (binding sites to the outside) to more than 75 % of the test strip area applied.
  • this immunogenic zone corresponds to the size of the measuring range. It is then rinsed thoroughly to remove labeled analyte molecules bound by adsorption. The rest of the test strip now contains the analyte-recognizing antibody molecules (or in the other analogous reactions, the corresponding DNA's or host molecules) with free binding sites and serves as a molecule scavenger for the later measurement.
  • this Collection zone can advantageously be used a thin zone with dialysis properties.
  • the flowing base electrolyte (determined by the type of antibody molecules) can pass this zone, but the larger labeled analyte molecules are retained and thus also enriched in an extremely small zone.
  • This arrangement can also be carried out in transparent glass tubes or cheaper plastic tubes filled with the chromatographic material in question. If this tube is sealed with the dialyser membrane, other collecting zones can also be dispensed with. Here only the unimpeded access of the optical beam paths has to be guaranteed, which are preferably attached axially rather than to the side of the tube.
  • this dialysis film is attached so that it can be removed so that the inside of the planar electrochemical cell is made accessible to the labeled analyte molecules that have been released in the primary immunozone.
  • the latter can also be firmly applied to the inside of the dialysis filling beforehand using microelectronic methods.
  • the electrode surfaces are miniaturized and require only minimal amounts of precious metal, so that in this case the test tube-like structures can be discarded after a measurement. Because of the larger amount of immobilized analyte-recognizing and binding antibody molecules, the tube arrangement detects a larger concentration range of the analyte, i.e. the calibration curve changes to a saturation range later than with the planar arrangements.
  • the evaluation can also be carried out on the displaced routes (or integrated thereof) (see Fig. 2). An inexpensive laser diode scanner can be used for this.
  • a free end zone of the type described above can also be used Regulations serve, but in which the solvent evaporates.
  • the selected, stable redox marker molecules and the IR fluorescence molecules also tolerate temperature increases.
  • more easily evaporable solvents can also be used to increase efficiency, with addition being possible after the primary immunogenic zone. It is important that the evaporation to concentrate the marker molecules is limited to a small zone (area). Because the solvent transports the molecules to be detected there before it evaporates and leaves its transport freight there.
  • Fig. 1 to 2 illustrate the various arrangement options using sketches.
  • the electrochemical measuring method optimized according to the invention represents a cyclic voltammetrle in connection with a stable redox system, the latter being distinguished from all possible in that it has a particularly high standard exchange current density.
  • the cyclic voltammetrle guarantees with thin-film measuring cells that no measuring substance is converted electrochemically, ie is consumed. This is only oxidized and reduced.
  • the highest measurement sensitivity is achieved according to the invention when the potential range in which the working electrode (s) is operated cyclically includes the half-step potential of the redox marker (+/- 200-600 mV).
  • ferrocene blends ruthenium complexes, hexacyanoferrate II / III, J- / J etc.
  • ferrocene blends ruthenium complexes, hexacyanoferrate II / III, J- / J etc.
  • the best, reversible redox systems allow for more than 1000 cyclic voltammograms per second (1000 Hz!) Remaining stocks of less reversible, possibly disturbing redox systems from the sample matrix cannot be converted electrochemically so quickly and therefore do not generate a measurement signal (current flow).
  • other electrochemical methods can be used that do not lead to any consumption or net turnover of the reacting system, i.e. the method of pulse voltammetry or the differential pulse voltammetry or the square-wave voltammetry are also suitable for this, but cannot be done so quickly for fundamental reasons operate cyclically.
  • Another method step according to the invention which advantageously leads to the desired extreme increase in sensitivity, lies in a special compensation method for the capacitive current which increases at fast working electrode potential scan rates and forms the signal background.
  • a computer-controlled evaluation system which works like a scan recorder by means of a fast AD converter.
  • the compensation of the non-Faraday background current can be done in two ways, which can be used alone or together.
  • the channel assignment of the scan recorder is also reversed when the potential reversal point is reached, as if the voltage on the working electrode was recorded against the flowing current (C-V diagram) using an X-Y disc. Since this is equivalent to a simple signal addition, equally large anodic and cathodic currents are compensated for each measuring channel (tent window or potential). This is not the case only with the current peaks separated by approx. 60 mV.
  • a further step, which is significantly advantageous for the aim of this invention, is the electronic averaging that is only possible through rapid repeat measurements without consuming the measured substance.
  • the signal-to-noise ratio (S / R) can also be increased drastically, since several thousand cycles can be carried out. Since you can easily scan well over 100 potential cycles per second (»100 Hz) with reversible redox systems, there is an improvement in just one second, for example of the signal-to-noise ratio by a factor of 10.
  • improvements in this S / R ratio determining the detection limit result by several orders of magnitude, without reducing the sensitivity of the sensitive Protect protein molecules (enzymes) here.
  • the second method for suppressing the interfering capacitive current background in the cyclic voltammetrle uses an ultramicroelectrode array with individual electrode diameters of less than 10 mm as the working electrode. Anodic and cathodic current peaks no longer arise here, but a current stage with well-defined plateaus. Similar to polarography, the step height is proportional to the concentration of the electrochemically converted redox system (marker molecule).
  • the device according to the invention uses, for this purpose, a planar array arrangement of approximately 2000 individual electrodes with a diameter of 3 mm, in which the reference and counter electrodes are already integrated in the surface in an optimized manner. Only one of many possible geometrical arrangements has proven suitable here (see Fig. 3).
  • the new application of the cyclic voltammetrle to achieve extreme measuring sensitivity in redox systems or marker molecules with redox groups is possible because the alternating oxidation and reduction means that there is no consumption of the medium.
  • a path diffusion of the redox system is solved according to the invention in that a thin-film cell arrangement is selected.
  • the working electrode (s) and the counter and reference electrodes are pressed against the surface moistened with the base electrolyte with the redox-marked partner molecules.
  • the unlabeled partner molecules that bind the redox-labeled molecules can also be immobilized directly on or immediately next to the electrode surface.
  • the desired increase in sensitivity is obtained by combining several or at least two procedural measures.
  • the first measure is to use marker molecules that absorb strongly in the IR and fluoresce in the far infrared because the disruptive fluorescent background of some protein molecules (e.g. with biological matrices) does not occur and the inexpensive laser diodes are particularly advantageous as an excitation source with high spectral luminance. Due to its low beam convergence, the emitted laser light allows particularly precise delimitation of the measurement window.
  • fluorescent marker molecules are used, the fluorescence of which decays particularly slowly, so that this fluorescence can be easily separated from the rapidly decaying of the interfering molecules in the sample matrix.
  • the evaluation takes place at the Method according to the invention via a direct and faster measuring electronic consideration of the slower decay time.
  • a lock-in amplifier is used, which enables frequency and phase selective amplification.
  • the suppression of the disturbing fluorescence with the fast decay time is done here by a suitable choice of the phase angle on the measuring device.
  • fluorescence arrangement which excites by means of laser diodes to fluoresce at emission wavelengths> 700 nm and which quickly oscillates back and forth between an unlabeled background and the places where the optically marked analyte molecules are held on the relevant surfaces (alternatively, fluorescence markers can also be used, which is the method of delayed tenting
  • E an electronic signal averager or a computer-aided addition of signal-time curves (time proportional to Voltage during electrochemical detection or to the measuring location during the optical process). Statistical electronic noise is averaged to zero in the highest sensitivity ranges.
  • the surface with the immobilized immunological partner molecule for the analyte should be highly loaded in the interest of a large measuring range.
  • the molecule in question must also be immobilized there with a correct orientation (epitope area outside). This can also be accomplished, among other things, with the aid of a suitably chosen electrical field (or current) at the phase boundary of the carrier surface / measurement solution. This leads to a directed immobilization of these partners without the need for expensive special substances (as usual spacer molecules).
  • the directional immobilization together with a high immobilization density results in a high sensitivity and a large measuring range.
  • the immobilized partner molecules can also bind using the known techniques using the F c part
  • Spacer molecules in the immobilization of antibodies usual in environmental analysis are attached to support surfaces (e.g. glass beads, chromatographic stationary phases, microtiter plates etc.).
  • support surfaces e.g. glass beads, chromatographic stationary phases, microtiter plates etc.
  • paper also offers itself as an inexpensive carrier. Both laboratory filter paper and membrane filters based on cellulose or other materials can be used here. Chromatographic thin-film supports are also ideally suited for this purpose, since they can easily be modified on the surface.
  • a preferred type in this context are thin-layer plates with or without basic fluorescent marking, which are already in a so-called reversed Phase (RP material) were modified.
  • RP material reversed Phase
  • the partner of these mutually binding complementary molecules that is not the analyte in each case) succeeds particularly well if one or more long-chain aliphatic residues (C 6 -C 25 ) are synthesized specifically for these molecules in relation to the epitope region or in the case of antibodies, the genetically generated F ab fragments with the specific binding sites can generate lipophilic molecular groups at the opposite molecular site.
  • the lipophilic residues of the molecules to be immobilized are then immersed in the aliphatic molecular brush on the carrier surface and are thus fixed at the highest density without impairing the binding behavior. However, they can be eluted during denaturation or deactivation as is customary in chromatography, so that the support is available for immobilization with fresh molecules.
  • the latter can also be used elegantly as a counterelectrode in the electrochemical detection method.
  • This process can also be automated dynamically in the context of a flow injection analysis, ie the molecules to be immobilized (without bound analyte molecule with marker but also with) are first added to the unloaded RP surface before rinsing to remove the excess in the case of the unloaded molecules labeled analyte molecules are passed over the surface until saturation. After rinsing the sample again.
  • the redox systems selected in the invention are those which show the highest standard exchange current densities on the working electrode material used (platinum, gold, other noble metal). Of all possible redox systems, this includes preferably only the particularly reversible systems, such as those based on ferrocene, ruthenium complexes, hexacyanoferrate (II / III), iodine / iodide etc. Particularly advantageous redox systems have a redox potential close to that of oxygen, so that they are not disturbed by the latter and in this case the cyclic voltammetrle can also be carried out without inert gas flushing.
  • a planar microelectrode array arrangement can also be used particularly advantageously in the electrochemical cell, because the advantages of ultramicroelectrodes occur with single electrode diameters ⁇ 10 mm.
  • the latter are: redox stages instead of peaks in the voltammogram, reduction in the ratio of capacitive to Faraday current, stirring independence, quasi-consumption-free measurement without cycling the voltage, etc.
  • a particularly advantageous class of molecules for fluorescent labeling are, for example of bis-isothiocyanate derivative of
  • An advantageous embodiment of the arrangement and the method according to the invention is based on a competitive reaction between the labeled and unlabeled analyte molecule.
  • non-specific connections compensate each other, since they occur to the same extent in both cases.
  • the unlabeled analyte molecule have a slightly lower binding constant than the labeled one in order to be able to displace it more effectively. This is usually the case because the covalent linkage with a relatively large marker molecule weakens the antibody-antigen (or generally: molecule-complementary molecule) bond because both molecules can no longer approach each other optimally.
  • HSA human serum albumin
  • anti-HSA anti-HSA
  • BCPDA Europlum chelate
  • Several fluorescent chelate complexes could be covalently attached to an HSA macromolecule (20-30).
  • the europium chelate blend was used instead of the IR light-emitting marker, because the fluorescence that occurs here decays much more slowly than that of the interfering sample matrix (protein molecules in biological samples).
  • Measurements were taken at the end of a small column that was loaded with the Sepharose material and the marked immune complex.
  • light with a wavelength of 350 nm was used, the beam path of which was chopped by an optical chopper with a frequency of 140 Hz.
  • the fluorescent light was measured at right angles to the excitation light.
  • a photomultiplier was used as the light detector and a phase angle of 0 ° was set on the lock-in amplifier.
  • Fig. 5 shows the signals that can be measured by adding unlabeled HSA. They are proportional to the HSA concentration of the sample applied to the column.
  • the environmentally relevant atrazine was chosen as the analyte.
  • the latter was covalently linked to a modified Ferroeen molecule in 6 steps using standard methods of organic synthesis.
  • the selected, very reversible redox system had to be converted into a water-soluble form by adding strongly polar rare chains.
  • the individual chemical synthesis steps that were necessary - starting from the commercially available starting product - are shown in Fig.6.
  • Fig. 7 shows cyclic voltammograms of this redox-marked atrazine in extremely high dilution on a carrier surface. Due to the immediate Contact of the redox system with the working electrode surface and the absence of diffusing or diffusing redox molecules results in sharper peaks in the cyclic voltammogram than usual. This effect also increases the sensitivity.
  • Hexacyanoferrate (II / III) was chosen as the reversible redox system in a ratio of about 1: 1.
  • the typical detection limit for this system in the classic cyclic voltmeter lies in the millimolar concentration range.
  • the method of electronic signal averaging, which can be used here due to the consumption-free measurement technology, can, as Fig.8 shows, still extremely low redox concentrate ions far below the micromolar (mmol / L) range with a very good signal / noise ratio. At a cycle frequency of approx.
  • 1000 Hz for example, 1,000 oxidation and reduction reactions can be carried out in one second, which in terms of the electrochemical signal is equivalent to a ten thousand times higher redox content (compared to the usual 0.1 Hz catfish) or corresponds to a correspondingly increased number of electron transfers, which would be equivalent to an analyte molecule to which a corresponding number of one-electron redox molecules would be attached.
  • the surface of the working electrode is reduced, the associated double-layer capacity is reduced considerably more than the Faraday current density, ie the ratio of Faraday current (which is proportional to the analyte) to the capacitive is extremely improved, so that extremely fast potential change speeds of> 500 V / sec are possible.
  • the changed diffusion conditions cause the electroactive species to change their signal form.
  • ultra-microelectrodes (diameter ⁇ 10 mm) allow spherical diffusion conditions and convert so little substance that there is no depletion layer growing into the solution, which is indicated by a clear step and in the voltammogram stable limit current plateau shows. Fig.
  • FIG. 10 shows the difference between a cyclic voltammogram of a trace of a redox system with a macroelectrode and an ultra-microelectrode array of the geometric arrangement disclosed in Fig. 3.
  • the array has exactly the same properties as a single ultra-microelectrode, but has the advantage that the current strength is increased in accordance with the number of electrodes.
  • capillary forces can preferably also be used.
  • other supports can also be used for the immobilized partner molecules.
  • An example of this can be a piece of columnar chalk (or sintered glass / ceramic).
  • the antibody molecules are saturated with the labeled analyte molecules on the chalk surface before immobilization.
  • the immobilization can be done by simply immersing it in this solution while observing the running distance.
  • the molecule associates are cross-linked by means of bifunctional reagents or fixed to the surface. From this primary immunological zone, a second molecule-Sarnmel zone is established, separated by an untreated flow section.
  • the end surface with the glel Chen provided antibodies, which were also used in the primary immunological zone, with the difference that here the analyte-selective binding sites are free, so that they collect the labeled analyte molecules released by the unlabeled analyte in the sample and concentrate them in the smallest space.
  • the electrochemical or fluorometric measurement is then carried out on the polished end surface of the chalk column. The flow of a carrier electrolyte or the sample through the capillary forces is maintained by placing an absorbent plug on this end surface. The measured sample amount must be determined from the decrease in the sample volume.
  • a carrier for example flow-through column, flow paper, membrane filter etc.
  • a partner for example flow-through column, flow paper, membrane filter etc.
  • this is displaced by the unlabelled analyte by means of a competitive reaction.
  • it is bound again by immobilized complement molecules at the exit of the column before the measurement and thus enriched for the actual measurement, while at the same time interfering substances can also be removed by rinsing before the extremely sensitive electrochemical or optical measurement is repeated and the signal is added by generating the signal value -Noise ratio is increased arbitrarily.
  • a method for carrying out particularly sensitive immunoassays and other assays which are based on molecule-receptor, DNA-complementary-DNA strand and guest-host molecule interaction forces, characterized by rapid and repetitive measurements of the
  • Device characterized in that as the analyte-recognizing molecules or molecular associations the respective partners of the extremely selectively connecting molecule pairs: antibodies (antibody fragment with blinding site) - antigen, molecule - receptor, DNA section - complementary DNA section and Guest Molecule - Host molecule can be used immobilized on special surfaces and distributed in certain zones.
  • antibodies antibody fragment with blinding site
  • molecule - receptor DNA section - complementary DNA section
  • Guest Molecule - Host molecule can be used immobilized on special surfaces and distributed in certain zones.
  • Device characterized in that the partner molecule complementary to the analyte is immobilized on a stationary support at two separate zones, the molecules of the first zone being saturated at the beginning of an analysis with the redox- or fluorescence-labeled analyte molecule, so that thereby all binding sites are blocked and, when they come into contact with the unlabeled analyte molecule from the sample, the labeled analyte molecules are displaced, but the latter are collected again in the smallest possible volume elsewhere on the device before they are electrochemically or optically repetitive to the desired signal / noise ratio be measured.

Abstract

A process is disclosed for carrying out particularly sensitive immuo-assays and other assays that rely on molecule-receptor, DNA strand-complementary DNA strand and foreign molecule-host molecule interaction forces, with rapid and repetitive measurements of the current density or fluorescent light and double measurement and comparison/quotient calculation in at least two measurement zones or calibration in an analogue manner to the inner standard method, by using stable redox or IR-fluorescence marked analyte molecules in immuno-assays and the like.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Empfindl ichkeits- und Selektivitätssteigerung bei Immuno-Assays, Molekül-Rezeptor-, DNA-komplementär-DNA- und Gast-Wirtsmolekül -Wechselwirkungs-Assays Method and device for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assays
Die Erfindung richtet sich auf ein allgemein anwendbares Verfahren, das aus einer Kombination ausgewählter Schritte besteht und Vorrichtungen für extrem empfindliche und ungestörte Konzentrationsbestlmmungen beliebiger Antikörper-Antlgenpaar, komplementärer Molekül-Rezeptorpaare, komplementärer DNA-Stränge sowie selektiver Gast-/ Wirtsmolekülpaare. The invention is directed to a generally applicable method consisting of a combination of selected steps and devices for extremely sensitive and undisturbed concentration determinations of any antibody-antigen pair, complementary molecule-receptor pairs, complementary DNA strands and selective guest / host molecule pairs.
Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Empfindl ichkeits- und It also relates to a device for sensitivity and
Selektivitätssteigerung bei Immuno-Assays, Molekül-Rezeptor-, Selectivity increase in immunoassays, molecule receptor,
DNA-komplementär-DNA- und Gast-Wirtsmolekül -Wechselwlrkungs-Assays. DNA Complementary DNA and Guest Host Molecule Interaction Assays.
Die quantitative Analyse komplexer Stoffgemische unter Ausnutzung der sehr selektiven Antikörper-Antigen-Blndung (Schlüssel -Schloß-Prinzip) und der DNA-Paarbildung bei den sog. DNA-Sonden ist in der Biochemie und klinischen Chemie eine etablierte Analysenmethode und dementsprechend weit verbreitet. Meist werden kompetitive Tests mit markierten Antigenen, Antikörpern oder DNA-Molekülen benutzt. Beim Radio-Immuno-Assay (RIA) ist das der Meßlösung zugesetzte Antigen (bzw. das Antikörpermolekül bei der Sandwich-Methode) radioaktiv markiert. Beim Enzym-Immuno-Assay (EIA oder das heterogene Enzym-Linked-Adsorbend-Assay, ELISA) ist an den betreffenden Markermolekülen ein sog. Marker-Enzym gebunden. Diese markierten Moleküle konkurrieren mit den zu messenden, unmarkierten Molekülen (zu bestimmender Stoff - Analyt) um die Bindung an den meist trägergebundenen Antikörper (bzw. DNA-Sequenz), so daß sich die unbekannte Menge Antigen (DNA-Art und Menge) bestimmen läßt, wenn zum Ver The quantitative analysis of complex substance mixtures using the very selective antibody-antigen blinding (key-lock principle) and the DNA pair formation in the so-called DNA probes is an established analytical method in biochemistry and clinical chemistry and is accordingly widely used. Competitive tests with labeled antigens, antibodies or DNA molecules are mostly used. In the radio immunoassay (RIA), the antigen added to the measurement solution (or the antibody molecule in the sandwich method) is radioactively marked. In the enzyme immunoassay (EIA or the heterogeneous enzyme-linked adsorbend assay, ELISA), a so-called marker enzyme is bound to the marker molecules in question. These labeled molecules compete with the unlabeled molecules to be measured (substance to be determined - analyte) for binding to the mostly carrier-bound antibody (or DNA sequence), so that the unknown amount of antigen (DNA type and amount) can be determined if for ver
gleich ein Test mit einem Antigen (DNA-Molekül) bekannter Konzentration durchgeführt wird. Die Meßsignale sind bei dieser Methode umgekehrt proportional zur Konzentration. Bei den sog. Sandwichtests werden markierte Antikörper benutzt. Diese binden sandwichartig an Antigenmoleküle an, die ihrerseits zuvor konzentrationsabhägig an trägergebundene Antikörper gebunden sind. a test with an antigen (DNA molecule) of known concentration is carried out immediately. With this method, the measurement signals are inversely proportional to the concentration. Labeled antibodies are used in the so-called sandwich tests. These bind in a sandwich-like manner to antigen molecules, which in turn are previously bound to carrier-bound antibodies depending on the concentration.
Die sehr spezifische Bindung zweier komplementärer Moleküle erlaubt natürlich auch umgekehrt die quantitative Bestimmung des größeren Partners (Antiköper-, Rezeptor-Analyse resp. des komplementären DNA-Moleküls (oder Bio-Oberfläche), welches mindestens in einem Teilbereich eine komplementäre DNA-Sequenz zur markierten Sequenz aufweist) und sind daher die wichtigsten biochemischen Analysenverfahren. Nachdem es inzwischen möglich ist, auch für kleinere Moleküle (Haptene) monoklonale Antikörper in beliebigen Mengen zu produzieren, werden diese immunologischen Methoden auch für die Umweltanalytik zunehmend bedeutsam. Beispielsweise kann man unter Verwendung monoklonaler Antikörper für die verschiedenen Dioxine die gesamten Analysenkosten dadurch erheblich senken, daß nur bei positivem Ergebnis des immunologischen Tests die sehr teuere GC-MS Analyse durchgeführt werden muß (Screening). Conversely, the very specific binding of two complementary molecules also allows, conversely, the quantitative determination of the larger partner (antibody, receptor analysis or the complementary DNA molecule (or bio-surface), which marks a complementary DNA sequence in at least one part of the area Sequence) and are therefore the most important biochemical analysis methods. Now that it is possible to produce monoclonal antibodies in any quantity for smaller molecules (haptens), these immunological methods are becoming increasingly important for environmental analysis. For example, the use of monoclonal antibodies for the various dioxins can significantly reduce the overall analysis costs by only having to carry out the very expensive GC-MS analysis (screening) if the immunological test is positive.
Die inzwischen traditionellen immunologischen Bestimmungsverfahren (RIA und EIA bzw. ELISA) weisen erhebliche Nachtelle auf, die hinlänglich bekannt sind. Entweder treten wegen der Verwendung radioaktiven Materials Entsorgungs-, Versand- und Lagerprobleme auf oder man muß mit einer Beeinflussung der Immunologischen Reaktion durch das meist, verglichen zum relativ kleinen Antigenmolekül, voluminöse Enzymmolekül rechnen. Enzymmarkierte Antigen- oder Antikörpermoleküle (bzw. eines der Partner von Molekül-Rezeptor-, Gast-Wirtsmolekül-, DNA-komplementär DNA-Wechselwirkungsmethoden) weisen alle Nachteile enzymatischer Verfahren auf. Die Lebensdauer des Enzyms ist begrenzt und die enzymatisehe Reaktion (Biokatalyse) kann bei unbekannten Umweltmatrices durch Inhibitoren oder Enzymgifte (z.B. Schwermetalle) empfindlich gestört werden, so daß falsche Ergebnisse auftreten. Meist muß die enzymmarkierte Verbindung aus Stabilitätsgründen kühl gelagert werden. Wegen dieser abnehmenden Aktivität sind zusätzliche Kalibrierschritte erforderlich und die GLP-Richtlinien (Gute Labor Praxis), die bei quantitativen Analysen eingehalten werden müsssen, erfordern durch Rückstellproben eine Menge der teureren Enzymmarkierten Verbindungen. Auch ist eine Phasentrennung erforderlich, ein Substrat muß zugegeben werden, wodurch die Handhabung sehr kompliziert wird. Die erforderlichen Arbeitsschritte benötigen i.d.R. einige Stunden. Ohne Phasentrennung laufen die sog. homogenen Enzym-Immuno-Assays (EMIT) ab, die kompetitiv arbeiten und sich nur für kleine Antigenmoleküle eignen. über eine einfache und allgemein anwendbare analytisch-chemische Ausnutzung selektiver Molekül-Rezeptor Wechselwirkungskräfte, DNA-Paarbildungsreaktionen sowie der gleichermaßen selektiven Gast-Wirtsbeziehungen der supramolekularen Chemie zum Zwecke einer quantitativen Bestimmung oder gar zum Aufbau von entsprechenden Sensoren existieren nur wenige Vorarbeiten. The now traditional immunological methods of determination (RIA and EIA or ELISA) have considerable night-time effects, which are well known. Either disposal, shipping and storage problems arise due to the use of radioactive materials or one has to reckon with an influence on the immunological reaction by the enzyme molecule, which is usually voluminous compared to the relatively small antigen molecule. Enzyme-labeled antigen or antibody molecules (or one of the partners of molecule-receptor, guest-host molecule, DNA-complementary DNA interaction methods) have all the disadvantages of enzymatic processes. The life span of the enzyme is limited and the enzyme reaction (biocatalysis) can be sensitively disturbed by unknown environmental matrices by inhibitors or enzyme poisons (eg heavy metals), so that incorrect results occur. In most cases, the enzyme-labeled compound must be stored in a cool place for reasons of stability. Because of this diminishing activity additional calibration steps are required and the GLP guidelines (good laboratory practice), which must be observed in quantitative analyzes, require a lot of the more expensive enzyme-labeled compounds by means of reserve samples. Phase separation is also required, a substrate must be added, which makes handling very complicated. The necessary work steps usually take a few hours. The so-called homogeneous enzyme immunoassays (EMIT) run without phase separation. They work competitively and are only suitable for small antigen molecules. There is only little preliminary work on a simple and generally applicable analytical-chemical exploitation of selective molecule-receptor interaction forces, DNA pairing reactions and the equally selective guest-host relationships of supramolecular chemistry for the purpose of quantitative determination or even to set up appropriate sensors.
Der vorteilhafte Aufbau eines einfachen und preiswerten elektrochemischen Meßsystems, das in Form der Potentiometrie oder Amperometrie den geringsten apparativen Aufwand erfordert, scheitert in der Regel daran, daß der zu bestimmende Stoff (Analyt) nicht als potentlalbestimmendes Ion, sondern als neutrales Molekül vorliegt bzw. nicht elektrochemisch selektiv umgesetzt werden kann. Die Verwendung optischer Methoden (Spektralphotometrie, Fluoreszenzmessung, Ellipsometrie, Surface Plasmon Resonance Spektroskopie, Methode der evaneszenten Welle, usw.) zur Erfassung der oben erwähnten spezifischen Molekül-Wechselwirkungen ist beschrieben worden. Einige können die Immunologische Reaktion auch ohne markierten Partner aufgrund der Änderung des BrechungsIndexes an einer Phasengrenze erfassen, haben aber große Probleme bei kleinen Analytmolekülen (wie in der Umweltanalytik üblich) im Spurenbereich (< 1 ppm), da die nichtspezifische Bindung von störenden Begleitstoffen, die sogar meist in einem großen Überschuß neben dem Analyten in einer realen Probe mitanwesend sind, empfindlichkeitslimitierend ist. Optische Verfahren mit den üblichen Fluoreszenzmarkern, die eine Anregungswellenlänge im UV oder sichtbaren Bereich erfordern, benötigen einen hohen apparativen Aufwand, der einer weitverbreiteten Routineanwendung im Wege steht. Der Aufwand zur Stabilisierung der Lichtquelle, zur Monochromatisierung mittels eines streulichtfreien Monochromators, zur Vermeldung von Fremdlichteinflüssen, zur Empfindlichkeitssteigerung etc. erfordert apparative Aufbauten, die sehr komplex und damit teuer sind. Außerdem werden neben den fluoreszierenden Molekülgruppen des Markers auch viele Stoffe in typisch biologischen Matrices mitangeregt (z.B. The advantageous structure of a simple and inexpensive electrochemical measuring system, which requires the least amount of equipment in the form of potentiometry or amperometry, generally fails because the substance (analyte) to be determined is or is not present as a potential determining ion, but rather as a neutral molecule can be selectively implemented electrochemically. The use of optical methods (spectrophotometry, fluorescence measurement, ellipsometry, surface plasmon resonance spectroscopy, evanescent wave method, etc.) for the detection of the above-mentioned specific molecular interactions has been described. Some can detect the immunological reaction even without a marked partner due to the change in the refractive index at a phase boundary, but have major problems with small analyte molecules (as is common in environmental analysis) in the trace range (<1 ppm) because the non-specific binding of interfering accompanying substances is usually present in a large excess in addition to the analyte in a real sample, is sensitivity-limiting. Optical methods with the usual fluorescent markers, which require an excitation wavelength in the UV or visible range, require a high level of equipment, which stands in the way of widespread routine use. The effort to stabilize the light source, to monochromatize using a stray light-free monochromator, to report the influence of extraneous light, to increase sensitivity, etc. requires equipment that is very complex and therefore expensive. In addition to the fluorescent molecular groups of the marker, many substances are also stimulated in typical biological matrices (e.g.
Tryptophan u.a.), so daß Ihre Fluoreszenz nicht von der des Markermoleküls unterschieden werden kann, was die Nachweisgrenze extrem verschlechtert. Lediglich die Markierung mittels spezieller Fluoreszenzmarker, die nach der Methode der zeitverzögerten Fluoreszenz arbeiten, kann diese Probleme umgehen. Diese Methode benötigt aber teurere Geräte und wird praktisch nur mittels sog. Enhancement-Schritte zur Steigerung der Empfindlichkeit durchgeführt, was aber einen zusätzlichen Arbeltsgang bedeutet. Tryptophan and others) so that their fluorescence cannot be distinguished from that of the marker molecule, which extremely worsens the detection limit. Only the marking using special fluorescence markers, which work according to the time-delayed fluorescence method, can avoid these problems. However, this method requires more expensive devices and is practically only carried out using so-called enhancement steps to increase the sensitivity, but this means an additional work cycle.
In der deutschen Patentanmeldung DE 3916432 AI von 1990 wird ein potentiometrisches Verfahren zur Detektion einer Immuno-Reaktion zwischen unmarkierten komplementären Partnern beschrieben, welches aber ebenfalls bei kleineren Analytmolekülen in einem Bereich unter 1 ppm anwendbar ist. German patent application DE 3916432 AI from 1990 describes a potentiometric method for the detection of an immuno-reaction between unlabeled complementary partners, but this method can also be used with smaller analyte molecules in a range below 1 ppm.
Bei Immuno-Assays, die wie die Affinitätschromatographie betrieben werden und bei denen eine Verdrängungsreaktion mit einem markierten Analytmolekül ausgenutzt wird, beschreibt der Stand der Technik bisher nur Messungen mittels Durchflußmeßzellen, bei denen die Wechselwirkungzeit (=reine Meßzeit) mit den messenden Größen (Licht, Strom etc.), durch die Strömungsgeschwindigkeit vorgegeben, relativ kurz (nur wenige Sekunden) ist. Eine derartig kurze Meßzeit erlaubt vor allem bei Durchflußmessungen keine hohe elektronische Dämpfung. Daher sind der elektronischen oder optoelektronischen Verstärkungstechnik durch das in den empfindlichsten Bereichen stark abfallende Signal-zu-Rausch-Verhältnis In the case of immunoassays which are operated like affinity chromatography and in which a displacement reaction with a labeled analyte molecule is used, the prior art has only described measurements by means of flow measuring cells in which the interaction time (= pure measuring time) with the measuring variables (light, Current etc.), given by the flow velocity, is relatively short (only a few seconds). Such a short measuring time does not allow high electronic damping, especially for flow measurements. Therefore, the electronic or optoelectronic amplification technology is due to the signal-to-noise ratio, which drops sharply in the most sensitive areas
(S/R-Verhältnis) Grenzen gesetzt. Ebenfalls unmöglich sind bei dem schnellen Durchströmen der markierten Substanz durch den Durchfluß-De tektor Wiederholmessungen, die sich bei Mittelwertbildung ähnlich positiv auf das S/R-Verhältnis auswirken. Darüber hinaus benötigen Wiederholmessungen einen Bezugspunkt, d.h. eine Untergrundmessung (Blindwertmessung oder engl. blanc value), die eine ensprechende Vorrichtung verlangt. über eine einfache und quasi automatische Abtrennung der ebenfalls aus der Immunologischen Reaktionszone austretenden Probenmatrix mit störenden Komponenten wird außer im Zusammenhang mit den heterogenen ELI-SA-Techniken, die einen zusätzlichen Abtrennungsschritt vorschreiben, im Stand der Technik nichts berichtet. Dies ist aber für richtige Messungen von zentraler Bedeutung und unabdingbare Voraussetzung bei repetltiven Messungen, bei denen sich natürlich Fehlmessungen ebenfalls addieren. (S / R ratio) set limits. Are also impossible when the marked substance flows quickly through the flow de Repetitive measurements that have a similarly positive effect on the S / R ratio when averaging. In addition, repeat measurements require a reference point, ie a background measurement (blank value measurement or blanc value), which requires a corresponding device. There is nothing reported in the prior art about a simple and quasi-automatic separation of the sample matrix with disruptive components also emerging from the immunological reaction zone, except in connection with the heterogeneous ELI-SA techniques which prescribe an additional separation step. However, this is of central importance for correct measurements and an indispensable prerequisite for repetitive measurements, in which incorrect measurements naturally also add up.
Eine Gleichstellung von Immunoreaktionen mit Rezeptorreaktionen bzw. DNA-Paarbildung und molekülerkennenden Gast-/Wirtsmolekül-Einlagerungen bezüglich der erfindungsgemäßen, allgemein gültigen, sensorisch ausnutzbaren Anordnung wurde bisher nicht beschrieben, da die Markierung mit einem voluminösen Enzym diese selektiven Bindungsreaktionen sehr stark behindert (sterIsche Behinderung). Dies ist bei den relativ kleinen Redox-Systemen oder IR-fluoreszierenden Molekülen nicht der Fall. Equal treatment of immunoreactions with receptor reactions or DNA pairing and molecule-recognizing guest / host molecule incorporations with regard to the generally applicable, sensor-utilizable arrangement according to the invention has not been described so far, since labeling with a voluminous enzyme very strongly hinders these selective binding reactions (steric disability ). This is not the case with the relatively small redox systems or IR fluorescent molecules.
Es besteht daher ein Bedürfnis für ein generell anwendbares Verfahren und eine Vorrichtung, die die bekannten Nachtelle der direkt anzeigenden und auch der mit markierten Immunologischen Partnern ablaufenden Verfahren (alle derzeitigen Immuno-Assays) vermeldet. There is therefore a need for a generally applicable method and a device which reports the known night-time results of the methods which display directly and also those which are carried out with labeled immunological partners (all current immunoassays).
Die Aufgabe der Erfindung, die Empfindlichkeit zu erhöhen bei gleichzeitiger Verminderung der bekannten Querstörungen aller traditionellen Immuno-Assays und ähnlicher Verfahren, wird erreicht Insbesondere durch die ausgewählte Kombination von mehreren Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1. Zur Erzielung der geforderten extrem niedrigen Nachweisgrenze im SpurenanalysenbereIch werden erfindungsgemäß anstelle der anfälligen und ungenauen enzymatlschen Signal -Verstärkungsmethoden repetitierbare elektrochemische und optische Meßmethoden zusammen mit einer speziellen elektronischen Signalaufbereitung (Signal-Mlttelwertsbüdung) und entsprechenden Meßanordnungen angewandt. The object of the invention to increase the sensitivity while simultaneously reducing the known cross interference of all traditional immunoassays and similar methods is achieved in particular by the selected combination of several method steps according to claim 1. In order to achieve the required extremely low detection limit in the trace analysis range, the invention instead of the susceptible and inaccurate enzymatic signal amplification methods, repeatable electrochemical and optical measurement methods together with a special one electronic signal processing (signal medium value curve) and corresponding measuring arrangements.
Der zu bestimmende Immuno-Partner (Antigen oder Antikörper, Molekül oder dazugehöriger Rezeptor, Gastmolekül oder dazugehöriges Wirtsmolekül, DNA-Strang und dazugehörige komplementäre Sequenz) wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entweder mit einem stabilen Redox-System oder einer stabilen, im Infrarotbereich (> 700 nm) fluoreszierenden Verbindung haltbar (z.B. kovalent gebunden) verbunden. Die Auswahl dieser beiden Marker-Molekülsorten erfolgte nach umfangreichen Vorversuchen und an Hand bestimmter Kriterien, die hiermit offenbart werden. Als Redox-Systeme eignen sich vorzugsweise anorganische oder organische Systeme mit hohen Standardaustauschstromdichten an Inerten Metallelektroden. Bei den Fluoreszenz-Markern sind Moleküle, die mit preiswerten Laserdloden zur Fluoreszenz im fernen Infrarot (> 800 nm) angeregt werden können, die vorteilhaftesten Markermoleküle. The immuno-partner to be determined (antigen or antibody, molecule or associated receptor, guest molecule or associated host molecule, DNA strand and associated complementary sequence) is either in the method according to the invention with a stable redox system or a stable one in the infrared range (> 700 nm) fluorescent compound durable (eg covalently bound). The selection of these two marker molecule types was made after extensive preliminary tests and based on certain criteria, which are hereby disclosed. Inorganic or organic systems with high standard exchange current densities on inert metal electrodes are preferably suitable as redox systems. With fluorescence markers, the most advantageous marker molecules are molecules that can be excited with low-cost laser electrodes for fluorescence in the far infrared (> 800 nm).
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfacher, empfindlicher, schneller, richtiger und daher letztendlich auch preiswerter als alle bisher beschriebenen Immuno-Assays. Vorteilhafter ist auch die direkte, extrem empfindliche und schnelle Erfassung von kleineren Antigenen, die nach den oben erwähnten Offenlegungschrlften mit den dort beschriebenen Verfahren nur mangelhaft oder überhaupt nicht möglich ist. Gerade hier existiert aber ein großer Anwendungsbereich für die neue Molekülanalytik (Schadstoffanalytik) vor allem im Bereich des Umweltschutzes oder der Überwachung von maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen sowie der klinischen Chemie (medizinischen Diagnose, Pathologie, Gerichtsmedizin). The method according to the invention is simpler, more sensitive, faster, more correct and therefore ultimately also cheaper than all the immunoassays described so far. The direct, extremely sensitive and rapid detection of smaller antigens is also more advantageous, which, according to the above-mentioned disclosure steps, is only poorly or not at all possible with the methods described there. Here, however, there is a large area of application for new molecular analysis (pollutant analysis), especially in the area of environmental protection or monitoring of maximum workplace concentrations as well as clinical chemistry (medical diagnosis, pathology, forensic medicine).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unterschiedlich durchgeführt werden: The method according to the invention can be carried out in different ways:
In einer vorteilhaften Version wird das markierte Analytmolekül zuvor an dem immobilisierten Partner gebunden. Das unmarkierte Analytmolekül in der Probe verdrängt bei Kontakt mit den gebundenen, markierten Partnern sein markiertes Gegenstück (redox- oder fluoreszenzmarkiertes Antigen- oder Antikörpermolekül = markiertes Analytmolekül) aus der Oberflä chenbindung, welches dann durch eine Flüssigkeitsströmung wegtransportiert wird. In an advantageous version, the labeled analyte molecule is previously bound to the immobilized partner. The unlabeled analyte molecule in the sample displaces its labeled counterpart (redox- or fluorescence-labeled antigen or antibody molecule = labeled analyte molecule) from the surface upon contact with the bound, labeled partners Chenbinding, which is then transported away by a liquid flow.
In einer anderen Version wird der Probe das markierte Analytmolekül in einem bekannten Verhältnis zugesetzt und man läßt die Mischung mit den Immobilisierten Immuno-Partnern (worunter alle oben erwähnten komplementären Systeme zu verstehen sind) in Wechselwirkung treten. Je nach der Konzentration des Analyten werden unterschiedliche Mengen des markierten Analytmoleküls kompetitlv gebunden, wobei eine umgekehrte Relation besteht. Bei beiden Versionen werden die nichtgebundenen oder freigesetzten markierten Analytmoleküle auf kleinstem Raum wieder mittels des betreffenden Immunologischen (komplementären) Partners, der immobilisiert oder örtlich begrenzt und fixiert vorliegt, gesammelt, aufkonzentriert und durch Spülen von anhaftender Probenmatrix gereinigt. In another version, the labeled analyte molecule is added to the sample in a known ratio and the mixture is allowed to interact with the immobilized immuno-partners (which include all of the complementary systems mentioned above). Depending on the concentration of the analyte, different amounts of the labeled analyte molecule are competitively bound, with an inverse relation. In both versions, the unbound or released labeled analyte molecules are again collected in a small space by means of the relevant immunological (complementary) partner, who is immobilized or localized and fixed, concentrated, and cleaned of adhering sample matrix by rinsing.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine elektrochemisch und optisch zugängliche Oberfläche vorliegt, kann aber auch der Teil vermessen werden, der nicht der Eluatsammlung entspricht. Beim kompetltlven Test, bei dem die Oberfläche der Vorrichtung vor Kontakt mit der Probe mit immobilisierten Partnermolekülen bedeckt ist, die mit Ihrem markierten Komplementärmolekül abgesättigt sind, kann auch die Abnahme der Intensität der Markierung gemessen werden, die der Analytmenge proportional ist. Bei dem anderen kompetltiven Test, bei dem markierte und unmarkierte Analytmoleküle zusammen zu den Immobilisierten Komplementärmolekülen, die freie Bindungsstellen haben, zugesetzt werden, ist die Zunahme an markierten Molekülen in diesem Oberflächenbereich der Konzentration des Analyten umgekehrt proportional. Hier ist die Menge der markierten Moleküle, die die Immunogene Zone ungebunden passieren, der Analytmenge direkt proportional. Bei der Messung zugänglichen Oberflächen kann man also bei einer derartigen immunologisch-analytischen Vorrichtung das Analysenergebnis doppelt (redundant) erhalten. Diese zweifache Bestimmungsmöglichkeit ist neu und verbessert die Zuverlässigkeit des gesamten Immuno-Assays erheblich. Fehler und Störungen können durch die mangelnde Übereinstimmung dieser beiden Meßwerte sofort erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft auf eine Doppelbestimmung des Analyten hinaus. Die Abnahme der über die Immunogene Zone Integrierten Signalintensität (konzentrationsproportional) muß bei einem Verdrängungsassay der betreffenden Zunahme in der "Molekülfänger"-Zone (s. Abb. 2) entsprechen. Analoges gilt auch für die Methode, bei der das markierte Analytmolekül vor jeder Analyse der Probe in einem bekannten Verhältnis beigemischt wird. Durch ein Auffangen der nichtgebundenen markierten und unmarkierten Analytmoleküle in einer speziellen Fängerzone läßt sich aus der dort meßbaren Konzentration an markierten Analytmolkülen direkt auf die Konzentration der unmarkierten Analytmoleküle, die in der Probe vorliegen, schließen. Je höher die Konzentration an markierten Analytmolekülen nach dem Durchströmen der Immunogenen Zone, desto hoher die Analytkonzentration in der Probe. In the device according to the invention, in which there is an electrochemically and optically accessible surface, it is also possible to measure the part which does not correspond to the eluate collection. In the competitive test, in which the surface of the device is covered with immobilized partner molecules which are saturated with your labeled complement molecule before contact with the sample, the decrease in the intensity of the label, which is proportional to the amount of analyte, can also be measured. In the other competitive test, in which labeled and unlabeled analyte molecules are added together to the immobilized complement molecules that have free binding sites, the increase in labeled molecules in this surface area is inversely proportional to the concentration of the analyte. Here the amount of labeled molecules that pass through the immunogenic zone unbound is directly proportional to the amount of analyte. In the case of such accessible surfaces, the analysis result can be obtained twice (redundantly) with such an immunological-analytical device. This dual determination is new and significantly improves the reliability of the entire immunoassay. Errors and faults can be recognized immediately due to the mismatch between these two measured values. The method according to the invention amounts to a double determination of the analyte. The decrease in the signal intensity integrated over the immunogenic zone (proportional to the concentration) must correspond to the relevant increase in the "molecule trapping" zone (see FIG. 2) in a displacement assay. The same applies analogously to the method in which the labeled analyte molecule is admixed in a known ratio before each analysis of the sample. By collecting the unbound labeled and unlabeled analyte molecules in a special capture zone, the concentration of the labeled analyte molecules that can be measured there can be directly deduced from the concentration of the unlabeled analyte molecules that are present in the sample. The higher the concentration of labeled analyte molecules after flowing through the immunogenic zone, the higher the analyte concentration in the sample.
Ein weiterer Vorteil (empfindlicher und ungestörter als bisherige Verfahren auf nicht enzymatischer Basis) der Erfindung ist die Abtrennung der nicht spezifisch gebundenen Matrixsubstanzen vor der eigentlichen Messung sowie die Sammlung oder Anreicherung der markierten Moleküle auf einer flachen Oberfläche, auf der unmarkierte Partnermoleküle mit freien Bindungsstellen fest angebunden sind, so daß sie die markierten Partner, die den anderen Immunologischen Bindungsbereich ungebunden durchlaufen haben oder dort durch den unmarkierten Analyten freigesetzt (aus der Bindung verdrängt) wurden, spezifisch anbinden. Die auf einer flachen Oberfläche angebundenen markierten Analytmoleküle, deren Menge nach Kalibratlon eine Information über die in der Probe vorliegenden (unmarkierten) Analytmoleküle erlaubt, können dann, je nach Art der Markierung, elektrochemisch oder optisch bestimmt werden, wobei sowohl lange Meßzelten mit hoher Dämpfung als auch zyklische oder repetitive Messungen mit elektronischer (oder rechnergestützter) Mittelwertbildung möglich sind. Nach den Gesetzen der Statistik läßt sich durch N Messungen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um den Faktor Wurzel-N verbessern. Another advantage (more sensitive and undisturbed than previous methods on a non-enzymatic basis) of the invention is the separation of the non-specifically bound matrix substances before the actual measurement and the collection or enrichment of the labeled molecules on a flat surface on which unlabeled partner molecules with free binding sites are fixed are bound so that they specifically bind the marked partners that have passed through the other immunological binding region unbound or have been released there (displaced from the binding) by the unmarked analyte. The labeled analyte molecules bound on a flat surface, the amount of which, according to calibration, allows information about the (unlabeled) analyte molecules present in the sample, can then be determined electrochemically or optically, depending on the type of labeling, both long measuring tents with high attenuation and Cyclic or repetitive measurements with electronic (or computer-aided) averaging are also possible. According to the laws of statistics, the signal-to-noise ratio can be improved by the factor root-N by means of N measurements.
Anstelle der spezifisch bindenden Immuno-Partner-Moleküle mit freien Bindungsplätzen als selektive "Molekülfänger" nach der primären kompetitiven Immuno-Reaktion können auch andere Sammelphasen verwendet werden. Bei lipophilen Analytmolekülen reicht dazu eine zu durchströmende Zone, die mit öl oder Wachs (oder PVC plus Weichmacher o.a.) getränkt ist, aus. Alternativ kann dafür auch ein Material verwendet werden, daß in der reversed phase Chromatographie üblich ist (z.B. RP-18 stationäre Phase). Das letztere bietet sich Insbesondere an, wenn ionisch vorliegende Analytmoleküle festgehalten werden sollen. Hier gibt man der Fließlösung ein entsprechend geladenes, lipophlles Gegenion zu. Dadurch kommt es zu einer Ionenpaarblndung im öl oder Fett, welche eine Erschwerung der Passage der markierten Analytmoleküle durch diese Molekül - fängerzone bewirkt. Sie werden sich bei einer strömenden Trägerlösung gegen Ende der lipohi.en Zone anreichern und können so der empfindlichen Messung zugänglich gemacht werden. Instead of the specifically binding immuno-partner molecules with free binding sites as selective "molecule scavengers" after the primary competitive immuno-reaction, other collection phases can also be used. In the case of lipophilic analyte molecules, a zone to be flowed through which is impregnated with oil or wax (or PVC plus plasticizer or the like) is sufficient. Alternatively, a material can be used for this, which is common in reversed phase chromatography (eg RP-18 stationary phase). The latter is particularly useful when ionic analyte molecules are to be retained. Here you add an appropriately charged, lipophilic counterion to the flow solution. This leads to ion pair blinding in the oil or fat, which makes the passage of the labeled analyte molecules through this molecule trapping zone more difficult. With a flowing carrier solution, they will accumulate towards the end of the lipohi zone and can thus be made accessible to the sensitive measurement.
Eine besonders einfache und elegante Vorrichtung stellt in diesem Zusammenhang mit der Erfindung die Verwendung von teststrelfenähnüehern chromatographischen Material dar. Hier kann sowohl die Papierchromatographie (erweitert um die Membranfiltermaterialien auf Celluloseacetat, -nitrat o.a. Basis) als auch die Dünnschichtchromatographie Material-Lieferant (s. Abb. 2) sein. Die Produktion der erfindungsgemäßen Vorrichtungen geschieht denkbar einfach und rationell. Im Bereich der umweltanalytischen Anwendung des hier offenbarten Verfahrens werden die entsprechenden poly- oder monoklonalen Antikörper bzw. F u-Fragmente mit Hilfe bekannter Bindungstechniken (kovalente Immobilisierung mittels Spacermoleküle und Fc-Teil bindenden Komponenten) richtig orientiert (Bindungsstellen nach außen) auf über 75 % der Teststreifenfläche aufgebracht. Nach Fixierung dieser analyterkennenden Makromoleküle auf der Teststreifenoberfläche wird der Anfangsbereich in eine Lösung getaucht, die nur markierte Analytmoleküle enthält. Dadurch werden alle Bindungsstellen mit diesem markierten Analytmolekül abgesättigt. Die Länge dieser Immunogenen Zone entspricht dabei der Größe des Meßbereichs. Danach wird gründlich gespült, um rein adsorptiv gebundene, markierte Analytmoleküle zu entfernen. Der Rest des Teststreifens enthält nunmehr die analyterkennenden Antikörpermoleküle (oder bei den anderen analogen Reaktionen, die entsprechenden DNA's oder Wirtsmoleküle) mit freien Bindungsstellen und dient als Molekülfänger für die spätere Messung. Zum Abschluß dieser Sammelzone kann vorteilhafterweise eine dünne Zone mit Dialysier-Eigenschaften verwendet werden. A particularly simple and elegant device in connection with the invention is the use of test strip-like chromatographic material. Here, both paper chromatography (expanded by membrane filter materials based on cellulose acetate, nitrate or the like) and thin-layer chromatography material suppliers (see Fig . 2). The production of the devices according to the invention is very simple and efficient. In the field of environmental analytical application of the method disclosed here, the corresponding poly- or monoclonal antibodies or F u fragments are correctly oriented using known binding techniques (covalent immobilization by means of spacer molecules and F c part-binding components) (binding sites to the outside) to more than 75 % of the test strip area applied. After fixing these analyte-recognizing macromolecules on the test strip surface, the initial area is immersed in a solution that contains only labeled analyte molecules. As a result, all binding sites are saturated with this labeled analyte molecule. The length of this immunogenic zone corresponds to the size of the measuring range. It is then rinsed thoroughly to remove labeled analyte molecules bound by adsorption. The rest of the test strip now contains the analyte-recognizing antibody molecules (or in the other analogous reactions, the corresponding DNA's or host molecules) with free binding sites and serves as a molecule scavenger for the later measurement. To conclude this Collection zone can advantageously be used a thin zone with dialysis properties.
Dadurch wird erreicht, daß der fließende Grundelektrolyt (durch die Art der Antikörpermoleküle bestimmt) zwar diese Zone passleren kann, die größeren markierten Analytmoleküle aber zurückgehalten werden und dadurch in einer extrem kleinen Zone auch angereichert werden. Diese Anordnung kann auch in durchsichtigen Glasröhren oder preiswerteren Plastikröhren, gefüllt mit dem betreffenden Chromatographisehen Material, durchgeführt werden. Falls diese Röhre mit der Dialyslermembran abgeschlossen wird, kann man auch auf andere Sammelzonen verzichten. Hier muß nur der ungehinderte Zugang der optischen Strahlengänge garantiert werden, die hier vorzugsweise nicht seitlich der Röhre sondern axial angebracht werden. Bei redoxmarkierten Analytmolekülen wird diese Dialysierfolie demontierbar angebracht, so daß deren Innenseite mit den aufgesammelten, markierten Analytmolekülen, die in der primären Immunozone analytproportional freigesetzt worden sind, der planaren elektrochemischen Zelle zugänglich gemacht werden. Selbstverständlich kann letztere auch zuvor durch mikroelektronische Methoden fest auf die Innenseite der Dialysierfülle aufgebracht sein. It is thereby achieved that the flowing base electrolyte (determined by the type of antibody molecules) can pass this zone, but the larger labeled analyte molecules are retained and thus also enriched in an extremely small zone. This arrangement can also be carried out in transparent glass tubes or cheaper plastic tubes filled with the chromatographic material in question. If this tube is sealed with the dialyser membrane, other collecting zones can also be dispensed with. Here only the unimpeded access of the optical beam paths has to be guaranteed, which are preferably attached axially rather than to the side of the tube. In the case of redox-labeled analyte molecules, this dialysis film is attached so that it can be removed so that the inside of the planar electrochemical cell is made accessible to the labeled analyte molecules that have been released in the primary immunozone. Of course, the latter can also be firmly applied to the inside of the dialysis filling beforehand using microelectronic methods.
Die Elektrodenflächen sind miniaturisiert und erfordern nur minimale Edelmetallmengen, so daß auch in diesem Fall die Prüfröhrchen-ähnlichen Gebilde nach einer Messung verworfen werden können. Die Röhrenanordnung erfaßt wegen der größeren Menge an Immobilisierten analyterkennenden und -bindenden Antikörpermolekülen einen größeren Konzentrationsberelch des Analyten, d.h. die Kalibrierkurve geht später als bei den planaren Anordnungen in einen Sättigungsbereich über. Die Auswertung kann auch über die verdrängten Strecken (oder integriert davon) erfolgen (s. Abb.2). Dazu kann ein preiswerter Laserdloden Scanner verwendet werden. The electrode surfaces are miniaturized and require only minimal amounts of precious metal, so that in this case the test tube-like structures can be discarded after a measurement. Because of the larger amount of immobilized analyte-recognizing and binding antibody molecules, the tube arrangement detects a larger concentration range of the analyte, i.e. the calibration curve changes to a saturation range later than with the planar arrangements. The evaluation can also be carried out on the displaced routes (or integrated thereof) (see Fig. 2). An inexpensive laser diode scanner can be used for this.
Zur Anreicherung der freigesetzten oder nicht gebundenen markierten Analytmoleküle kann sowohl bei der Verdrängungsmethode als auch beim kompetitiven Verfahren (jeweiliger Zusatz von markierten Analytmolekülen zu Beginn des Assays) auch eine freie Endzone der oben erläuterten An Ordnungen dienen, bei der aber das Lösungsmittel verdampft. Die ausgewählten, stabilen Redox-Marker-Molekül e sowie die IR-Fluoreszenzmoleküle vertragen dabei auch Temperaturerhöhungen. Bei Antikörperverträglichkeit lassen sich auch leichter verdampfbare Lösungsmittel zu Effizienzsteigerung verwenden, wobei auch eine Zudoslerung nach der primären Immunogenen Zone möglich wird. Wichtig ist, daß die Verdampfung zur Konzentrierung der Markermoleküle auf eine kleine Zone (Bereich) beschränkt wird. Well dadurch das Lösungsmittel die zu detektlerenden Moleküle dorthin transportiert bevor es verdampft und seine Transportfracht dort zurück läßt. Die Abb. 1 bis 2 verdeutlichen anhand von Skizzen die verschiedenen Anordnungsmöglichkelten. To enrich the released or unbound labeled analyte molecules, both in the displacement method and in the competitive method (adding labeled analyte molecules at the beginning of the assay), a free end zone of the type described above can also be used Regulations serve, but in which the solvent evaporates. The selected, stable redox marker molecules and the IR fluorescence molecules also tolerate temperature increases. In the case of antibody compatibility, more easily evaporable solvents can also be used to increase efficiency, with addition being possible after the primary immunogenic zone. It is important that the evaporation to concentrate the marker molecules is limited to a small zone (area). Because the solvent transports the molecules to be detected there before it evaporates and leaves its transport freight there. Fig. 1 to 2 illustrate the various arrangement options using sketches.
Die erfindungsgemäß optimierte elektrochemische Meßmethode stellt eine zyklische Voltammetrle in Verbindung mit einem stabilen Redoxsystem dar, wobei sich letzteres von allen möglichen dadurch auszeichnet, daß es eine besonders hohe Standardaustauschstromdichte besitzt. Die zyklische Voltammetrle garantiert bei Dünnschicht-Meßzellen, daß nettomäßig keine Meßsubstanz elektrochemisch umgesetzt, d.h. verbraucht wird. Hierbei wird stets nur oxldiert und reduziert. Die höchste Meßempfindlichkeit wird erfindungsgemäß dann erzielt, wenn der Potentialbereich, in dem die Arbeitseiektrode(n) zyklisch betrieben wird, das Halbstufenpotential des Redoxmarkers einschließt (+/- 200-600 mV). Bei hohen Potentialanderungsgeschwindlgkelten (» 500 mV/sec Scanrate) entstehen bei Arbeitselektroden > 10 mm anodische und kathodische Stromspitzen, die der Konzentration des Redoxsystems proportional sind. Je höher die Scanrate desto größer werden die Stromspitzen, was einer EmpflndlIchkeitssteigerung gleichkommt. Werden als Redox-Marker, Systeme mit den höchsten Standardaustauschstromdichten (z.B. Ferrocenverblndungen, Rutheniumkomplexe, Hexacyanoferrat II/III, J-/J u.a. verwendet, dann stören nicht vollständig abgetrennte Redoxsystem aus der Probenmatrix wesentlich weniger, wenn mit kurzen Zykluszelten (schneller Spannungsrampen) gearbeitet wird. Die besten, reversiblen Redoxsysteme lassen hierbei durchaus über 1000 zyklische Voltammogramme pro Sekunde (1000 Hz !) zu. Restbestände von weniger reversiblen, eventuell störenden Redoxsystemen aus der Probenmatrix lassen sich elektrochemisch nicht so schnell umsetzen und erzeugen daher auch kein Meßsignal (Stromfluß). Alternativ können andere elektrochemische Methoden angewandt werden, die zu keinem Verbrauch oder Netto-Umsatz des reagierenden Systems führen, d.h. auch die Methode der Pulsvoltammetrie oder der differentieilen Pulsvoltammetrle oder der Square-wave Voltammetrle sind hierzu geeignet, lassen sich aber aus prinzipiellen Gründen nicht so schnell zyklisch betreiben. The electrochemical measuring method optimized according to the invention represents a cyclic voltammetrle in connection with a stable redox system, the latter being distinguished from all possible in that it has a particularly high standard exchange current density. The cyclic voltammetrle guarantees with thin-film measuring cells that no measuring substance is converted electrochemically, ie is consumed. This is only oxidized and reduced. The highest measurement sensitivity is achieved according to the invention when the potential range in which the working electrode (s) is operated cyclically includes the half-step potential of the redox marker (+/- 200-600 mV). At high potential change rates (»500 mV / sec scan rate), working electrodes> 10 mm produce anodic and cathodic current peaks which are proportional to the concentration of the redox system. The higher the scan rate, the greater the current peaks, which equates to an increase in sensitivity. If systems with the highest standard exchange current densities (e.g. ferrocene blends, ruthenium complexes, hexacyanoferrate II / III, J- / J etc.) are used as redox markers, then not completely separated redox systems from the sample matrix interfere significantly less when working with short cycle tents (faster voltage ramps) The best, reversible redox systems allow for more than 1000 cyclic voltammograms per second (1000 Hz!) Remaining stocks of less reversible, possibly disturbing redox systems from the sample matrix cannot be converted electrochemically so quickly and therefore do not generate a measurement signal (current flow). . Alternatively, other electrochemical methods can be used that do not lead to any consumption or net turnover of the reacting system, i.e. the method of pulse voltammetry or the differential pulse voltammetry or the square-wave voltammetry are also suitable for this, but cannot be done so quickly for fundamental reasons operate cyclically.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Verfahrensschritt, der vorteilhafterweise zur gewünschten extremen Empfindl Ichkeitssteigerung führt, liegt in einer speziellen Kompensationsmethode für den bei schnellen Arbeitselektrodenpotential-Scanraten zunehmenden kapazitiven Strom, der den Signaluntergrund bildet. Another method step according to the invention, which advantageously leads to the desired extreme increase in sensitivity, lies in a special compensation method for the capacitive current which increases at fast working electrode potential scan rates and forms the signal background.
Dazu wird ein computergesteuertes Auswertsystem verwendet, das mittels eines schnellen AD-Wandlers wie ein Scanrecorder arbeitet. Die Kompensation des nlcht-faradayschen Untergrundstromes, die ebenfalls zur Empfindlichkeitsteigerung einen entscheidenden Anteil beiträgt, kann auf zwei Arten erfolgen, die für sich allein oder zusammen verwendet werden können. Bei Arbeltselektroden mit Durchmessern über 10 mm wird die Kanalzuordnung des Scanrecorders bei Erreichen des PotentialUmkehrpunktes ebenfalls umgekehrt, als ob mit einem X-Y-Scheiber die Spannung an der Arbeitselektrode gegen den fließenden Strom (engl. C-V Diagram) aufgezeichnet würde. Da dies einer einfachen Signaladdition gleichkommt, kompensieren sich pro Meßkanal (Zeltfenster oder Potential) gleich große anodische und kathodische Ströme. Lediglich bei den um ca. 60 mV auseinanderliegenden Stromspitzen ist das nicht der Fall. For this purpose, a computer-controlled evaluation system is used, which works like a scan recorder by means of a fast AD converter. The compensation of the non-Faraday background current, which also contributes to the increase in sensitivity, can be done in two ways, which can be used alone or together. In the case of working electrodes with a diameter of more than 10 mm, the channel assignment of the scan recorder is also reversed when the potential reversal point is reached, as if the voltage on the working electrode was recorded against the flowing current (C-V diagram) using an X-Y disc. Since this is equivalent to a simple signal addition, equally large anodic and cathodic currents are compensated for each measuring channel (tent window or potential). This is not the case only with the current peaks separated by approx. 60 mV.
Ein weiterer Schritt, der für das Ziel dieser Erfindung wesentlich von Vorteil ist, ist die erst durch schnelle Wiederholmessungen ohne Verbrauch der gemessenen Substanz mögliche elektronische Mittelwertbildung. Mit einem Signalmittelwertbildner läßt sich zusätztlich dabei auch noch das Signal/Rauschverhältnis (S/R) drastisch steigern, well man mehrere Tausend Zyklen mittein kann. Da man bei reversiblen Redoxsystemen leicht weit über 100 Potentialzyklen pro Sekunde (»100 Hz) durchscannen kann, ergibt sich hier beispielsweise schon in einer Sekunde eine Verbesserung des Signal -zu-Rausch-Verhältnisses um den Faktor 10. Bei Meßzelten, die denen der Immuno-Assay-Verfahren mit Enzymmarkern entsprechen, ergeben sich Verbesserungen dieses die Nachweisgrenze bestimmenden S/R-Verhältnisses um mehrere Größenordnungen, ohne daß die Nachtelle der empfindlichen Eiweißmoleküle (Enzyme) hier stören. Das zweite Verfahren zur Unterdrückung des störenden kapazitiven Stromuntergrundes bei der zyklischen Voltammetrle verwendet als Arbeltselektrode ein Ultramikroelektro- den-Array mit Einzelelektrodendurchmessern von unter 10 mm. Hier entstehen keine anodischen und kathodischen Stromspitzen mehr sondern eine Stromstufe mit gut ausgeprägten Plateaus. Die Stufenhöhe ist ähnlich wie bei der Polarographie der Konzentration des elektrochemisch umgesetzten Redoxsystems (Markermoleküls) proportional. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet, hierzu eine planare Array-Anordnung von ca. 2000 Einzelelektroden mit 3 mm Durchmesser, bei der die Bezugs- und Gegenelektrode bereits optimiert in die Oberfläche Integriert vorliegt. Hier hat sich nur eine von vielen möglichen geometrischen Anordnungen als geeignet erwiesen (siehe Abb.3). A further step, which is significantly advantageous for the aim of this invention, is the electronic averaging that is only possible through rapid repeat measurements without consuming the measured substance. With a signal averager, the signal-to-noise ratio (S / R) can also be increased drastically, since several thousand cycles can be carried out. Since you can easily scan well over 100 potential cycles per second (»100 Hz) with reversible redox systems, there is an improvement in just one second, for example of the signal-to-noise ratio by a factor of 10. In measuring tents which correspond to those of the immunoassay method with enzyme markers, improvements in this S / R ratio determining the detection limit result by several orders of magnitude, without reducing the sensitivity of the sensitive Protect protein molecules (enzymes) here. The second method for suppressing the interfering capacitive current background in the cyclic voltammetrle uses an ultramicroelectrode array with individual electrode diameters of less than 10 mm as the working electrode. Anodic and cathodic current peaks no longer arise here, but a current stage with well-defined plateaus. Similar to polarography, the step height is proportional to the concentration of the electrochemically converted redox system (marker molecule). The device according to the invention uses, for this purpose, a planar array arrangement of approximately 2000 individual electrodes with a diameter of 3 mm, in which the reference and counter electrodes are already integrated in the surface in an optimized manner. Only one of many possible geometrical arrangements has proven suitable here (see Fig. 3).
Die neue Anwendung der zyklischen Voltammetrle zur Erzielung extremer Meßempfindlichkeiten bei Redoxsystemen oder Markermolekülen mit Redoxgruppen ist dadurch möglich, well durch die abwechselnde Oxydation und Reduktion kein Verbrauch des Meßstoffes auftritt. Eine Wegdiffusion des Redoxsystems wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Dünnschichtzellen-Anordnung gewählt wird. Hierbei werden die Arbeitseiektrode(n) sowie die Gegen- und Referenzelektrode gegen die mit Grundelektrolyt befeuchtete Oberfläche mit den redoxmarkierten Partnermolekülen gedrückt. Gegebenenfalls können die unmarkierten Partnermoleküle, die die redoxmarkierten Moleküle binden, auch direkt auf oder unmittelbar neben der Elektrodenoberfläche immobilisiert sein. Die Zyklisierung ist bei Nachweisgrenzen unter 1 ppb (Redox-System) notwendig, denn bei solch extrem kleinen Konzentrationen müssen möglichst alle Moleküle elektrochemisch erfaßt werden. Dann entspricht eine Stromstärke von einem mA einer umgesetzten Substanzmenge von ca. 10 mol/sec. Derzeitig erlauben gute elektrochemische Meßzellen auch noch zuverlässige Strommessungen im nA-Bereich, was einer tausendfach kleineren Umsatzrate entspricht. Durch die Signalmittelwertbildung werden nunmehr Pico- und Femto-Amperströme meßbar, was zu Umsatzraten von 10 -16 resp. 10-19 mol/sec führt. The new application of the cyclic voltammetrle to achieve extreme measuring sensitivity in redox systems or marker molecules with redox groups is possible because the alternating oxidation and reduction means that there is no consumption of the medium. A path diffusion of the redox system is solved according to the invention in that a thin-film cell arrangement is selected. Here, the working electrode (s) and the counter and reference electrodes are pressed against the surface moistened with the base electrolyte with the redox-marked partner molecules. If necessary, the unlabeled partner molecules that bind the redox-labeled molecules can also be immobilized directly on or immediately next to the electrode surface. The cyclization is necessary at detection limits below 1 ppb (redox system), because at such extremely low concentrations, all molecules must be detected electrochemically if possible. Then a current of one mA corresponds to a converted amount of substance of approx. 10 mol / sec. Good electrochemical measuring cells currently also allow reliable current measurements in the nA range, which corresponds to a conversion rate that is a thousand times smaller. By the signal averaging is now measurable pico and femto ampere currents, which leads to conversion rates of 10 - 16 resp. 10- 19 mol / sec leads.
Bei der optischen Detektion erhält man die gewünschte Empfindlichkeitssteigerung durch die Kombination von mehreren, mindestens zwei Verfahrensmaßnahmen. Als erste Maßnahme verwendet man Markermoleküle, die im IR stark absorbieren, und im noch ferneren Infrarot fluoreszieren, weil dadurch der störende Fluoreszenzuntergrund von einigen Eiweißmolekülen (z.B. bei biologischen Matrices) nicht auftritt und die preiswerten Laserdioden als Anregungsquelle hoher spektraler Leuchtdichte besonders vorteilhaft sind. Das emittierte Laserlicht erlaubt durch seine geringe Strahlkonvergenz besonders exakte Abgrenzungen des Meßfensters. Als weitere Maßnahme verwendet Fluoreszenzmarkermoleküle, deren Fluoreszenz besonders langsam abklingt, so daß man diese Fluoreszenz gut von der schnell abklingenden der störenden Moleküle in der Probenmatrix abtrennen kann. Im Gegensatz zu einer kommerziell erhältlichen Anordnung, bei der einfach das Anregungslicht durch einen Shutter unterbunden wird, und die eigentliche Messung des Fluoreszenzlichtes erst nach einigen Millisekunden (nach völligen Abklingen der Störfluoreszenzstrahlung) beginnt und über eine gewisse Zelt Integriert wird, geschieht die Auswertung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über eine direkt und schneller messende elektronische Berücksichtigung der langsameren Abklingzeit. Hierzu wird ein Lock-In Verstärker benutzt, der eine frequenz- und phasenselektive Verstärkung ermöglicht. Die Unterdrückung der störenden Fluoreszenz mit der schnellen Abklingzeit geschieht hier durch eine geeignete Wahl des Phasenwinkels am Meßgerät. Vorteil dieser Methode gegenüber der Zählratenmethode (Photonenzählung) der kommerziellen Version ist die höhere Empfindlichkeit, weil die frequenzselektive Verstärkung nur einen Bruchteil des meist weißen elektronischen Rauschens des Photo-Empfängers verstärkt und weil bei höheren Licht-Chopper Frequenzen gearbeitet werden kann, was die Anzeigegeschwindigkeit drastisch erhöht, so daß auch Durchflußmessungen, wie bei der FIA üblich, noch entsprechend sensitiv durchgeführt werden können. Diese u.a. Vorteile werden bei der Erfindung erhalten durch:: In optical detection, the desired increase in sensitivity is obtained by combining several or at least two procedural measures. The first measure is to use marker molecules that absorb strongly in the IR and fluoresce in the far infrared because the disruptive fluorescent background of some protein molecules (e.g. with biological matrices) does not occur and the inexpensive laser diodes are particularly advantageous as an excitation source with high spectral luminance. Due to its low beam convergence, the emitted laser light allows particularly precise delimitation of the measurement window. As a further measure, fluorescent marker molecules are used, the fluorescence of which decays particularly slowly, so that this fluorescence can be easily separated from the rapidly decaying of the interfering molecules in the sample matrix. In contrast to a commercially available arrangement, in which the excitation light is simply prevented by a shutter, and the actual measurement of the fluorescent light only begins after a few milliseconds (after the interference fluorescence radiation has completely decayed) and is integrated over a certain tent, the evaluation takes place at the Method according to the invention via a direct and faster measuring electronic consideration of the slower decay time. For this purpose, a lock-in amplifier is used, which enables frequency and phase selective amplification. The suppression of the disturbing fluorescence with the fast decay time is done here by a suitable choice of the phase angle on the measuring device. The advantage of this method compared to the counting rate method (photon counting) of the commercial version is the higher sensitivity, because the frequency-selective amplification amplifies only a fraction of the mostly white electronic noise of the photo receiver and because it is possible to work at higher light chopper frequencies, which drastically increases the display speed increased, so that flow measurements, as usual with the FIA, can still be carried out with corresponding sensitivity. These advantages are obtained in the invention by:
A) eine Art Affinitätschromatographischer Säule oder auch eine offene oder der optischen und elektrochemischen Messung zugänglichen Oberfläche eines beliebigen Tägermaterials mit Immobilisierten Partnermolekülen zu dem zu bestimmenden Molekül (Analyt); A) a kind of affinity chromatographic column or also an open or surface of any carrier material with immobilized partner molecules to the molecule to be determined (analyte) that is accessible to optical and electrochemical measurement;
B) eine gleichartige der Messung zugängliche "Sarnmeloberfläche" für freigesetzte markierte Analytmoleküle (im Falle einer Verdrängungsreaktion auf obiger Säule oder Oberfläche, die möglichst vollständig mit markierten Immunogen gebundenen Analytmolekülen belegt ist, durch unmarkierte Analytmoleküle); B) a similar "Sarnmel surface" accessible to the measurement for released labeled analyte molecules (in the event of a displacement reaction on the above column or surface which is covered as completely as possible with labeled immunogen-bound analyte molecules by unlabeled analyte molecules);
C) eine erfindungsgemäße flache elektrochemische Meßzelle in einer aus zwei oder drei Elektroden bestehenden potentiostatIschen Schaltung mit einer oder mehreren Arbeltselektroden, die eine Zyklovoltammetrie im elektroaktiven Bereich des betreffenden Redoxsystems (repetitive Oxidation und Reduktion) durchführt und die in unmittelbaren Kontakt mit der "Sarnmeloberfläche" oder der unter A) genannten gebracht werden kann; C) a flat electrochemical measuring cell according to the invention in a potentiostatic circuit consisting of two or three electrodes with one or more working electrodes, which carries out a cyclic voltammetry in the electroactive area of the redox system in question (repetitive oxidation and reduction) and which is in direct contact with the "surface of the electrode" or that can be brought under A);
D) eine Fluoreszenzanordnung, die mittels Laserdloden zur Fluoreszenz bei Emissionswellenlängen > 700 nm anregt und die schnell zwischen einem unmarkierten Untergrund und den Stellen, wo die optisch markierten Analytmoleküle auf den betreffenden Oberflächen festgehalten werden hin und her oszilliert (alternativ können auch Fluoreszenzmarker verwendet werden, die die Methode der zeltverzögerten D) a fluorescence arrangement which excites by means of laser diodes to fluoresce at emission wavelengths> 700 nm and which quickly oscillates back and forth between an unlabeled background and the places where the optically marked analyte molecules are held on the relevant surfaces (alternatively, fluorescence markers can also be used, which is the method of delayed tenting
Fluorszenz ermöglichen, wobei aber hier die direkte und schnelle Messung mittels eines elektronischen phasenselektiven Verstärkers erfolgt, die ebenfalls mit Hilfe von Lichtleitern schnell zwischen einem unmarkierten und markierten Untergrund hin und her oszillieren kann).  Enable fluorescence, but here the direct and fast measurement takes place by means of an electronic phase-selective amplifier, which can also oscillate quickly between an unmarked and marked surface with the help of light guides).
E) einen elektronischen Signalmittelwertbildner oder eine computergestütze Aufaddition von Signal-Zeit-Kurven (Zeit proportional zur Spannung bei der elektrochemischen Detektion oder zum Meßort beim optischen Verfahren). Dabei mittelt sich ein statistisches elektronisches Rauschen in den höchsten Empfindlichkeitsbereichen zu Null. E) an electronic signal averager or a computer-aided addition of signal-time curves (time proportional to Voltage during electrochemical detection or to the measuring location during the optical process). Statistical electronic noise is averaged to zero in the highest sensitivity ranges.
F) Falls bei der auswertenden Messung sowohl die Änderung der markierten Analytmoleküle in der primären Immunogenen Zone als auch die in der Sarnmelzone erfaßt wird, kann man neben einer Doppelmessung auch durch Quotlentenbildung eine Art Innere Standardisierung durchführen. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Messungen ähnlich wie bei der Internen Standardisierung von emissionsspektroskoplsehen Methoden. F) If both the change in the labeled analyte molecules in the primary immunogenic zone and in the Sarnmel zone is detected during the evaluative measurement, a kind of internal standardization can be carried out in addition to a double measurement by forming quotients. This improves the reliability of the measurements similar to the internal standardization of emission spectroscopic methods.
Die Oberfläche mit dem immobilisierten immunologischen Partnermolekül zum Analyten sollte im Interesse eines großen Meßbereichs hoch beladen sein. Auch muß das betreffende Molekül mit einer richtigen Orientierung (Epitop-Bereich außen) dort Immobilisiert sein. Dies läßt sich u.a. auch unter Zuhilfenahme eines geeignet gewählten elektrischen Feldes (oder Stromes) an der Phasengrenze Trägeroberfläche/Meßlösung bewerkstelligen. Dadurch kommt es zu einer gerichteten Immobilisierung dieser Partner, ohne daß teure Spezialsubstanzen (als übliche Spacermoleküle) dafür benötigt werden. Die gerichtete Immobilisierung ergibt zusammen mit einer hohen Immobilisierungsdichte eine hohe Meßempfindlichkeit und einen großen Meßbereich. Alternativ können die immobilisierten Partnermoleküle aber auch durch die bekannten Techniken mittels Fc-Teil bindender The surface with the immobilized immunological partner molecule for the analyte should be highly loaded in the interest of a large measuring range. The molecule in question must also be immobilized there with a correct orientation (epitope area outside). This can also be accomplished, among other things, with the aid of a suitably chosen electrical field (or current) at the phase boundary of the carrier surface / measurement solution. This leads to a directed immobilization of these partners without the need for expensive special substances (as usual spacer molecules). The directional immobilization together with a high immobilization density results in a high sensitivity and a large measuring range. Alternatively, the immobilized partner molecules can also bind using the known techniques using the F c part
Spacermoleküle (bei der im Umweltanalytikbereich üblichen Immobilisierung von Antikörpern) an Trägeroberflächen (z.B. Glas-Beads, chromatographische stationiäre Phasen, Mikrotiterplatten etc.) angebunden werden. Spacer molecules (in the immobilization of antibodies usual in environmental analysis) are attached to support surfaces (e.g. glass beads, chromatographic stationary phases, microtiter plates etc.).
Als besondere Variante der Ausführungsbeispiele bietet sich auch Papier als preiswerter Träger an. Hier kann sowohl laborübliches Filterpapier als auch Membranfilter auf der Basis von Cellulose oder anderer Materialien dienen. Auch Chromatographisehe Dünnschicht Träger sind hierfür hervorragend geeignet, da sie oberflächlich leicht zu modifizieren sind. Eine bevorzugte Art sind in diesem Zusammenhang Dünnschichtplatten mit oder ohne Fluoreszenzgrundmarkierung, die schon in ein sog. Reversed Phase (RP-Material) modifiziert wurden. Hier gelingt die gerichtete Immobilisierung der Partner Molekülsorte (d.h. des jeweils nicht den Analyt darstellenden Partners dieser sich gegenseitig bindenden komplementären Moleküle) dann besonders gut, wenn man diesen Molekülen gezielt gegenüber dem Epitopbereich eine oder mehrere langkettige aliphatlsche Reste (C6-C25) ansynthetisiert oder bei Antikörpern die gentechnisch erzeugten Fab-Fragmente mit den spezifischen Bindungstellen lipophile Molekülgruppen an der gegenüberliegenden Molekülstelle erzeugen läßt. Die lipophilen Reste der zu Immobilisierenden Moleküle tauchen dann in die aliphatlsche Molekülbürste der Trägeroberfläche ein und werden so bei höchster Dichte ohne Beeinträchtigung des Bindungsverhaltens fixiert. Sie können aber bei Denaturierung oder Desaktlvierung wie in der Chromatographie üblich eluiert werden, so daß der Träger für eine Immobilisierung mit frischen Molekülen zur Verfügung steht. Bei Verwendung von Dünnschichtplatten auf Basis einer Aluminiumfolie läßt sich letztere auch elegant bei der elektrochemischen Detektionsmethode als Gegenelektrode verwenden. As a special variant of the exemplary embodiments, paper also offers itself as an inexpensive carrier. Both laboratory filter paper and membrane filters based on cellulose or other materials can be used here. Chromatographic thin-film supports are also ideally suited for this purpose, since they can easily be modified on the surface. A preferred type in this context are thin-layer plates with or without basic fluorescent marking, which are already in a so-called reversed Phase (RP material) were modified. Here, the directed immobilization of the partner molecule type (i.e. the partner of these mutually binding complementary molecules that is not the analyte in each case) succeeds particularly well if one or more long-chain aliphatic residues (C 6 -C 25 ) are synthesized specifically for these molecules in relation to the epitope region or in the case of antibodies, the genetically generated F ab fragments with the specific binding sites can generate lipophilic molecular groups at the opposite molecular site. The lipophilic residues of the molecules to be immobilized are then immersed in the aliphatic molecular brush on the carrier surface and are thus fixed at the highest density without impairing the binding behavior. However, they can be eluted during denaturation or deactivation as is customary in chromatography, so that the support is available for immobilization with fresh molecules. When using thin-layer plates based on an aluminum foil, the latter can also be used elegantly as a counterelectrode in the electrochemical detection method.
Dieser Prozeß kann auch dynamisch im Rahmen einer Fließinjektionsanalyse automatisiert werden, d.h. auf die unbeladene RP-Oberfläche werden zunächst die zu immobilisierenden Moleküle (ohne gebundenes Analytmolekül mit Marker aber auch mit) gegeben bevor nach einer Spülung zum Entfernen des Überschusses im Fall der unbeladenen Moleküle die markierten Analytmoleküle bis zur Absättlgung über die Oberfläche geleitet werden. Nach einer erneuten Spülung kann dann die Probe aufgegeben werden. Die Verwendung von zugänglichen flachen Oberflächen für die Immobilisierung der Partnermoleküle kann einen Verfahrensschritt ersparen, denn man kann die Menge der dort gebundenen markierten Analytmoleküle bei beiden Versionen (Vorimmobilislerung mit markierten Analytmolekülen und Konkurrenzbindung von der mit der Probe zugesetzten markierten Analytmolekülen) sowohl mit der planaren elektrochemischen Meßzelle (durch einfaches Aufpressen auf die Oberfläche) als auch mit der optischen Fluoreszenzmethode leicht bestimmen ohne eine zusätzliche SarnmelOberfläche zu benutzen. Bei beiden Detektionsmethoden ist es wichtig, daß störende Stoffe aus der Probenmatrix vor den eigentlichen Messungen fortgespült werden. Dies erfolgt durch reine, gepufferte Elektrolytlösung, die sowohl die Stabilität der Biomoleküle unterstützt als auch den Grundelektrolyt für die elektrochemische oder optische Detektlonsart darstellt. This process can also be automated dynamically in the context of a flow injection analysis, ie the molecules to be immobilized (without bound analyte molecule with marker but also with) are first added to the unloaded RP surface before rinsing to remove the excess in the case of the unloaded molecules labeled analyte molecules are passed over the surface until saturation. After rinsing the sample again. The use of accessible flat surfaces for the immobilization of the partner molecules can save one procedural step, because the amount of the labeled analyte molecules bound there can be used in both versions (pre-immobilization with labeled analyte molecules and competition from the labeled analyte molecules added to the sample) with both the planar electrochemical Easily determine the measuring cell (simply by pressing it onto the surface) or with the optical fluorescence method without using an additional Sarnmel surface. With both detection methods, it is important that interfering substances are rinsed away from the sample matrix before the actual measurements. This is done using pure, buffered electrolyte solution, which both supports the stability of the biomolecules and also represents the basic electrolyte for the electrochemical or optical type of detection.
Als Redox-Systeme werden bei der Erfindung diejenigen ausgewählt, die an dem verwendeten Arbeitselektrodenmaterial (Platin, Gold, anderes Edelmetall) die höchsten Standardaustauschstromdichten zeigen. Hierzu zählen von allen möglichen Redoxsystemen vorzugsweise nur die besonders reversiblen Systeme, wie die auf der Basis von Ferrocen, Rutheniumkomplexen, Hexacyanoferrat (II/III), Jod/Jodid etc. Besonders vorteilhafte Redoxsysteme haben ein Redoxpotential in der Nähe desjenigen von Sauerstoff, so daß sie von letzterem nicht gestört werden und man in diesem Fall die zyklische Voltammetrle auch ohne Inertgasspülung durchführen kann. The redox systems selected in the invention are those which show the highest standard exchange current densities on the working electrode material used (platinum, gold, other noble metal). Of all possible redox systems, this includes preferably only the particularly reversible systems, such as those based on ferrocene, ruthenium complexes, hexacyanoferrate (II / III), iodine / iodide etc. Particularly advantageous redox systems have a redox potential close to that of oxygen, so that they are not disturbed by the latter and in this case the cyclic voltammetrle can also be carried out without inert gas flushing.
Bei der elektrochemischen Zelle läßt sich besonders vorteilhaft auch eine planare Mikroelektroden-Array-Anordnung einsetzen, weil bei Einzel - elektrodendurchmessern < 10 mm die Vorteile von Ultramikroelektroden auftreten. Letztere sind: Redox-Stufen statt Peaks im Voltammogramm, Verminderung des Verhältnisses von kapazitiven zu faradayschen Strom, Rührunabhängigkeit, quasi-verbrauchslose Messung schon ohne die Spannung zu zyklisieren u.a.. A planar microelectrode array arrangement can also be used particularly advantageously in the electrochemical cell, because the advantages of ultramicroelectrodes occur with single electrode diameters <10 mm. The latter are: redox stages instead of peaks in the voltammogram, reduction in the ratio of capacitive to Faraday current, stirring independence, quasi-consumption-free measurement without cycling the voltage, etc.
Als besonders vorteilhafte Molekülklasse für die Fluoreszenzmarkierung bieten sich z.B. an Bis-isothiocyanat-Derivat von A particularly advantageous class of molecules for fluorescent labeling are, for example of bis-isothiocyanate derivative of
2-[4'-chloro-7'(3"-ethyl-2"-benzothiazolinyliden)-3',5'-(1'"-propanediy 1)-1',3',5'-heptatrlen-1'-yl]-3-ethylbenzothiazoliumbromid große Porphyrinringe oder geeignete Phthalocyanine an (siehe Abb. 4). Sie lassen sich durch die preiswerten langwelligen monochromatischen und fremdlichtfreien Laserlicntquellen anregen und erzeugen eine Fluoreszenz in einem Wellenlängenbereich, wo kaum andere Moleküle stören. Die Verwendung von Laserdloden mit entsprechenden IR-empfindlichen Halbleiterdetektoren erlaubt besonders kleine Meßaufbauten (z.B. Handmeßgeräte). Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Arbeltsweisen werden anhand von Beipielen noch näher erläutert: 2- [4'-chloro-7 '(3 "-ethyl-2" -benzothiazolinyliden) -3', 5 '- (1'"- propanediy 1) -1 ', 3', 5'-heptatrlen-1 ' -yl] -3-ethylbenzothiazoliumbromid large porphyrin rings or suitable phthalocyanines (see Fig. 4). They can be excited by the inexpensive long-wave monochromatic and extraneous light-free laser light sources and generate fluorescence in a wavelength range where hardly any other molecules interfere. The use of laser electrodes With corresponding IR-sensitive semiconductor detectors, particularly small measuring setups (eg hand-held measuring devices) are possible. The devices and working methods according to the invention are explained in more detail with reference to examples:
Beipiel 1 Example 1
Verdrängung des markierten Analytmoleküls vom Immunologisch präparierten Oberflächenbereich durch das unmarkierte Analytmolekül in der Probe: Displacement of the labeled analyte molecule from the immunologically prepared surface area by the unlabeled analyte molecule in the sample:
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf einer kompetltiven Reaktion zwischen markiertem und unmarkiertem Analytmolekül. Hier kompensieren sich nlchtspezifische Anbindungen, da sie in beiden Fällen im gleichen Ausmaß auftreten. Wünschenswert ist ferner, daß das unmarkierte Analytmolekül eine etwas geringere Bindungskonstante als das markierte aufweist, um es effektiver verdrängen zu können. Dies ist in der Regel der Falls, da die kovalente Verknüpfung mit einem relativ großen Markermolekül die Antikörper-Antigen-(bzw. allgemein: Molekül-Komplementärmolekül-) Bindung schwächt, weil sich beide Moleküle nicht mehr optimal nähern können. An advantageous embodiment of the arrangement and the method according to the invention is based on a competitive reaction between the labeled and unlabeled analyte molecule. Here, non-specific connections compensate each other, since they occur to the same extent in both cases. It is also desirable that the unlabeled analyte molecule have a slightly lower binding constant than the labeled one in order to be able to displace it more effectively. This is usually the case because the covalent linkage with a relatively large marker molecule weakens the antibody-antigen (or generally: molecule-complementary molecule) bond because both molecules can no longer approach each other optimally.
Als Modellanalyt wurde in diesem Beispiel Humanserumalbumin (HSA) gewählt. Als immobilisiertes Partnermolekül wurde der dazugehörige Antikörper (anti-HSA) verwendet. Die anti-HSA Antikörper wurden mit den bekannten Immobilisierungstechnlken an die Oberfläche von Sepharose-Material kleiner Korngröße (150 mm) angebunden und mit fluoreszenzmarkierten HSA belegt. Als Fluoreszenzmolekül wurde eine Europlumchelat (BCPDA) gewählt. An ein HSA Makromolekül konnten mehrere fluoreszierende Chelatkomplexe kovalent angebunden werden (20-30). Die Europiumchelatverblndung wurde in diesem Beispiel anstelle des IR-Licht emittierenden Markers genommen, well die hier auftretende Fluoreszenz wesentlich langsamer abklingt als die der störenden Probenmatrix (Eiweißmoleküle bei biologischen Proben). Gemessen wurde am Ende einer kleinen Säule, die mit den Sepharose-Material und dem markierten Immunkomplex beladen war. Bei Zugabe von unmarkierten HSA wurde das mit dem Fluoreszenzmarker versehe ne von der Oberfläche der mit HSA-Antikörpern beladenen Sepharose-Partikel verdrängte HSA Molekül in einer Durchflußmeßzelle vermessen. Dazu wurde Licht der Wellenlänge 350 nm verwendet, dessen Strahlengang durch einen optischen Chopper mit einer Frequenz von 140 Hz zerhackt wurde. Im rechten Winkel zum Anregungslicht wurde das Fluoreszenzlicht gemessen. Als Lichtdetektor wurde ein Photomultiplier verwendet und am Lock-In Verstärker ein Phasenwinkel von 0° eingestellt. Die Abb. 5 zeigt die Signale, die durch die Zugabe von unmarkiertem HSA gemessen werden können. Sie sind der HSA-Konzentration der auf die Säule aufgegebenen Probe proportional. Durch diese Meßtechnik lassen sich pro Zeiteinheit wesentlich mehr Proben analysieren, als mit der Photonenzählung, die auch der FIA-Technik verschlossen bleibt. Neben HSA konnten durch die Immobilisierung entsprechender mono- und polyklonaler Antikörper auch andere Analyte, wie Atrazin oder andere Schadstoffe sehr empfindlich im sub ppm-Bereich mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. In this example, human serum albumin (HSA) was chosen as the model analyte. The associated antibody (anti-HSA) was used as the immobilized partner molecule. The anti-HSA antibodies were attached to the surface of Sepharose material with a small grain size (150 mm) using the known immobilization techniques and coated with fluorescence-labeled HSA. A Europlum chelate (BCPDA) was chosen as the fluorescence molecule. Several fluorescent chelate complexes could be covalently attached to an HSA macromolecule (20-30). In this example, the europium chelate blend was used instead of the IR light-emitting marker, because the fluorescence that occurs here decays much more slowly than that of the interfering sample matrix (protein molecules in biological samples). Measurements were taken at the end of a small column that was loaded with the Sepharose material and the marked immune complex. When adding unlabelled HSA, this was provided with the fluorescent marker ne measured HSA molecule displaced from the surface of the Sepharose particles loaded with HSA antibodies in a flow measuring cell. For this, light with a wavelength of 350 nm was used, the beam path of which was chopped by an optical chopper with a frequency of 140 Hz. The fluorescent light was measured at right angles to the excitation light. A photomultiplier was used as the light detector and a phase angle of 0 ° was set on the lock-in amplifier. Fig. 5 shows the signals that can be measured by adding unlabeled HSA. They are proportional to the HSA concentration of the sample applied to the column. With this measuring technique, significantly more samples can be analyzed per unit of time than with the photon count, which also remains closed to the FIA technique. In addition to HSA, other analytes such as atrazine or other pollutants could also be determined very sensitively in the sub ppm range with high accuracy by immobilizing the corresponding mono- and polyclonal antibodies.
Beipiel 2 Example 2
Elektrochemische Detektion von Redox-markierten Analytmolekülen: Electrochemical detection of redox-labeled analyte molecules:
Als Analyt wurde das umweltrelevante Atrazin gewählt. Letzteres wurde durch Standardmethoden der organischen Synthese in 6 Stufen mit einem modifizierten Ferroeen-Molekül kovalent verknüpft. Das ausgewählte, sehr reversible Redox-System mußte zuvor in eine wasserlösliche Form durch Anfügen stark polarer Seltenketten überführt werden. Die einzelnen chemischen Syntheseschritte, die - ausgehend vom kommerziell erhältlichen Ausgangsprodukt - notwendig waren sind in Abb.6 aufgeführt. The environmentally relevant atrazine was chosen as the analyte. The latter was covalently linked to a modified Ferroeen molecule in 6 steps using standard methods of organic synthesis. The selected, very reversible redox system had to be converted into a water-soluble form by adding strongly polar rare chains. The individual chemical synthesis steps that were necessary - starting from the commercially available starting product - are shown in Fig.6.
Die letzte Verbindung, das redoxmarkierte Atrazin wurde nach Reinigung sowohl für die Verdrängungsmethode als auch für die kompetltlve Methode in einem Atrazin-Assay eingesetzt. Die entsprechenden Antikörper wurden von Hock et al. in der Literatur beschrieben [1,2]. Die Abb. 7 zeigt zyklische Voltammogramme dieses redoxmarklerten Atrazlns in extrem hoher Verdünnung auf einer Trägeroberfläche. Bedingt durch den unmittelbaren Kontakt des Redoxsystems mit der Arbeitelektrodenoberfl äche und dem Nidjtvorhandensein von andiffundierenden oder abdiffundierenden Redoxmolekülen ergeben sich im zykl ischen Voltammogramm schärfere Peaks als übl ich. Dieser Effekt wirkt auch empf indl ichkeitssteigernd. The last compound, the redox-labeled atrazine, was used in an atrazine assay after purification both for the displacement method and for the competitive method. The corresponding antibodies were by Hock et al. described in the literature [1,2]. Fig. 7 shows cyclic voltammograms of this redox-marked atrazine in extremely high dilution on a carrier surface. Due to the immediate Contact of the redox system with the working electrode surface and the absence of diffusing or diffusing redox molecules results in sharper peaks in the cyclic voltammogram than usual. This effect also increases the sensitivity.
Beispiel 3 Example 3
Steigerung der Nachweisgrenze durch repetitlve elektrochemische Oxldation mit anschließender Reduktion: Increasing the detection limit by repetitive electrochemical oxidation with subsequent reduction:
Als reversibles Redox-System wurde Hexacyanoferrat (II/III) In einem Verhältnis von etwa 1 : 1 gewählt. Die typische Nachweisgrenze für dieses System bei der klassischen zyklischen Voltametrle liegt im millimolaren KonzentrationsbereIch. Durch die Methode der elektronischen Signalmittelwertbildung, die hier wegen der verbrauchslosen Meßtechnik angewandt werden kann, lassen sich, wie Abb.8 zeigt, noch extrem geringe RedoxkonzentratIonen weit unterhalb des mikromolaren (mmol/L) Bereiches mit einem sehr guten Slgnal/Rauschverhältnis quantitativ bestimmen. Bei einer Zyklusfrequenz von ca. 1000 Hz können beispielsweise in einer Sekunde 1000 Oxidations- und Reduktionsreaktionen durchgeführt werden, was bezüglich des elektrochemischen Signals gleichbedeutend mit einer zehntausendfach höheren Redoxmlttelkonzentration (verglichen zur üblichen 0,1 Hz Arbeltswelse) ist oder einer entsprechend erhöhten Elektronentransferzahl entspricht, was gleichbedeutend wäre mit einem Analytmolekül, an dem eine entsprechende Anzahl von Ein-Elektronen-Redoxmolekülen angebunden wären. Hexacyanoferrate (II / III) was chosen as the reversible redox system in a ratio of about 1: 1. The typical detection limit for this system in the classic cyclic voltmeter lies in the millimolar concentration range. The method of electronic signal averaging, which can be used here due to the consumption-free measurement technology, can, as Fig.8 shows, still extremely low redox concentrate ions far below the micromolar (mmol / L) range with a very good signal / noise ratio. At a cycle frequency of approx. 1000 Hz, for example, 1,000 oxidation and reduction reactions can be carried out in one second, which in terms of the electrochemical signal is equivalent to a ten thousand times higher redox content (compared to the usual 0.1 Hz catfish) or corresponds to a correspondingly increased number of electron transfers, which would be equivalent to an analyte molecule to which a corresponding number of one-electron redox molecules would be attached.
Beispiel 4 Example 4
Unterdrückung des kapazitiven Stromanteils bei schnellen zyklischen Voltammogrammen durch Anwendung der zyklischen Mittelwertbildung: Bekanntlich tritt bei schnellen Potentialänderungsgeschwindigkeiten wegen der entsprechenden Umladung der Doppelschichtkapazitat an der Arbeitelektroden-Grenzflache ein sog. kapazitiver Strom auf, dessen Größe leider proportional zur Änderungsgeschwindigkeit ist, so daß eigentlich eine extrem schnelle Zyklusgeschwindigkeit bei der zyklischen Voltammetrle ausgeschlossen sein sollte, well dieser Anteil den des betreffenden Redox-Peaks (faradayscher Strom) bei weitem übersteigt und zu Voltammogrammen führt, wie sie in Abb. 9 dargestellt werden. Führt man hingegen bei Makro-Arbeltselektroden die Spannungskoordinatenwerte ähnlich wie bei einem X-Y-Schreiber rückwärts zählend auf die einzelnen Digitalkanäle des Mittelwertbildners oder Scan-Recorders mit dieser Vorrichtung, so führt die Umkehrung des Vorzeichens der Stromstärke bei der Aufaddition in ein und denselben Kanal (der einem genau bestimmten Arbeitselektrodenpotential zugeordnet ist) zu einer Kompensation des kapazitiven Stromanteils. Dies geschieht nahezu vollständig, da der Kapazitätsstrom bei konstanter Doppelschichtkapazität (bei gleichem Arbeitselektrodenpotential) bis auf das Vorzeichen der Potentialänderungsgeschwindigkeit dU/dt proportional ist. Lediglich die faradayschen Strompeaks, die proportional der Konzentration des Redoxsystems sind, werden durch diesen Schaltungtrick nicht kompensiert, da sie bei unterschiedlichen Potentialen ablaufen. Man erhält also ein rauscharmes, gemitteltes zyklisches Voltammogramm, daß wie in Abb.8e gezeigt, aussieht. Erst durch diese schaltungstechnische und elektronische Vorrichtung ist es möglich, mit Potentialzyklusraten von weit über 100 Hz zu arbeiten. Suppression of the capacitive current component in fast cyclic voltammograms by using the cyclical averaging: As is well known, a so-called capacitive current occurs at rapid potential change rates due to the corresponding charge reversal of the double layer capacitance at the working electrode interface, the size of which is unfortunately proportional to the rate of change, so that an extremely fast cycle speed should actually be ruled out in the cyclic voltammetrle, because of this proportion of the relevant redox peak (Faraday current) by far and leads to voltammograms, as shown in Fig. 9. On the other hand, if the voltage coordinate values for macro working electrodes are counted downwards on the individual digital channels of the averaging device or scan recorder using this device, similar to an XY recorder, the reversal of the sign of the current strength during addition leads to one and the same channel (the is assigned to a precisely determined working electrode potential) for compensation of the capacitive current component. This happens almost completely, since the capacitance current with a constant double layer capacitance (with the same working electrode potential) is proportional to the sign of the potential change rate dU / dt. Only the Faraday current peaks, which are proportional to the concentration of the redox system, are not compensated for by this circuit trick, since they run at different potentials. So you get a low noise, averaged cyclic voltammogram that looks as shown in Fig.8e. It is only through this circuitry and electronic device that it is possible to work with potential cycle rates of well over 100 Hz.
Beispiel 5 Example 5
Unterdrückung des kapazitiven Stromanteils durch Anwendung eines Ultra-Mikroelektroden-Arrays: Suppression of the capacitive current component by using an ultra microelectrode array:
Wird die Oberfläche der Arbeitselektrode verkleinert, so verringert sich die zugehörige Doppelschichtkapazitat wesentlich stärker als die faradaysche Stromdichte, d.h. das Verhältnis von faradayschem Strom (der analytproportional ist) zu kapazitivem wird extrem verbessert, so daß extrem schnelle Potentialänderungsgeschwindigkeiten vom > 500 V/sec möglich werden. Zusätzlich sorgen die veränderten Diffusionsbedingungen für die elektroaktlve Species zu einer anderen Signalform. Ultra-Mikroelek- troden (Durchmesser < 10 mm) erlauben zum Unterschied zu einer planaren Diffusion bei Makroelektroden sphärische Diffusionsbedingungen und setzen so wenig Substanz um, daß es zu keiner in die Lösung hineinwachsenden Verarmungsschicht kommt, was sich im Voltammogramm durch eine klare Stufe und ein stabiles Grenzstromplateau zeigt. Die Abb. 10 zeigt den Unterschied zwischen einem zyklischen Voltammogramm einer Spur eines Redoxsystems bei einer Makroelektrode und einem Ultra-Mikroelektroden-Array der in Abb. 3 offenbarten geometrischen Anordnung. Das Array hat genau die gleichen Eigenschaften wie eine einzelne Ultra-Mikroelektrode, hat jedoch den Vorzug, daß die Stromstärke entsprechend der Anzahl der Elektroden vergrößert ist. If the surface of the working electrode is reduced, the associated double-layer capacity is reduced considerably more than the Faraday current density, ie the ratio of Faraday current (which is proportional to the analyte) to the capacitive is extremely improved, so that extremely fast potential change speeds of> 500 V / sec are possible. In addition, the changed diffusion conditions cause the electroactive species to change their signal form. In contrast to planar diffusion in macroelectrodes, ultra-microelectrodes (diameter <10 mm) allow spherical diffusion conditions and convert so little substance that there is no depletion layer growing into the solution, which is indicated by a clear step and in the voltammogram stable limit current plateau shows. Fig. 10 shows the difference between a cyclic voltammogram of a trace of a redox system with a macroelectrode and an ultra-microelectrode array of the geometric arrangement disclosed in Fig. 3. The array has exactly the same properties as a single ultra-microelectrode, but has the advantage that the current strength is increased in accordance with the number of electrodes.
Beipiel 6 Example 6
Anordnung für eine besonders einfache Ausführungsform: Arrangement for a particularly simple embodiment:
Anstelle der erzwungenen Strömung bei der Fließinjektionsanalyse können vorzugsweise auch Kapillarkräfte herangezogen werden. Neben dem Prinzip der Papier- und Dünnschichtchromatographie können auch andere Träger für die Immobilisierten Partnermoleküle verwendet werden. Ein Beispiel dafür kann ein Stück einer säulenförmigen Kreide (oder Sinterglas/keramik) darstellen. Hier werden bei haptenähnlichen Analyten die Antikörpermoleküle schon vor der Immobilisierung an der Kreideoberfläche mit den markierten Analytmolekülen abgesättigt. Die Immobilisierung kann durch einfaches Eintauchen in dieser Lösung geschehen, wobei man die Laufstrecke beobachten kann. Die Molekül-Assozlate werden mittels bifunktioneller Reagenzien quervernetzt bzw. an der Oberfläche fixiert. Von dieser primären Immunologischen Zone wird, getrennt durch eine unbehandelte Fließstrecke, eine zweite Molekül-Sarnmelzone errichtet. Aus Gründen einer hohen Empfindlichkeit genügt hierbei ein schmaler Bereich unmittelbar am Ende des Kreideträgers. Im Beispiel wird die Endoberfläche mit den glel chen Antikörpern versehen, die auch in der primären immunologischen Zone verwendet wurden, nur mit dem Unterschied, daß hier die analytselektiven Bindungsstellen frei sind, so daß sie die durch den unmarkierten Analyten in der Probe freigesetzten markierten Analytmolküle wieder aufsammeln und auf kleinstem Raum konzentrieren. Die elektrochemische oder fluorlmetrische Messung erfolgt dann auf der polierten Endfläche der Kreidesäule. Die Strömung eines Trägerelektrolyten oder der Probe durch die Kapillarkräfte wird durch Aufsetzen eines saugfähigen Pfropfens auf diese Endfläche aufrechterhalten. Die vermessene Probemenge muß aus der Abnahme des Probenvolumens ermittelt werden. Instead of the forced flow in the flow injection analysis, capillary forces can preferably also be used. In addition to the principle of paper and thin layer chromatography, other supports can also be used for the immobilized partner molecules. An example of this can be a piece of columnar chalk (or sintered glass / ceramic). In hapten-like analytes, the antibody molecules are saturated with the labeled analyte molecules on the chalk surface before immobilization. The immobilization can be done by simply immersing it in this solution while observing the running distance. The molecule associates are cross-linked by means of bifunctional reagents or fixed to the surface. From this primary immunological zone, a second molecule-Sarnmel zone is established, separated by an untreated flow section. For reasons of high sensitivity, a narrow area directly at the end of the chalk support is sufficient. In the example, the end surface with the glel Chen provided antibodies, which were also used in the primary immunological zone, with the difference that here the analyte-selective binding sites are free, so that they collect the labeled analyte molecules released by the unlabeled analyte in the sample and concentrate them in the smallest space. The electrochemical or fluorometric measurement is then carried out on the polished end surface of the chalk column. The flow of a carrier electrolyte or the sample through the capillary forces is maintained by placing an absorbent plug on this end surface. The measured sample amount must be determined from the decrease in the sample volume.
Wird bei der Erfindung ein Träger (z.B. Durchfluß-Säule, Fließpapier, Membranfilter etc.) verwendet, an dem ein Partner gebunden ist, wird dieser mittels einer kompetitiven Reaktion durch den unmarkierten Analyten verdrängt. Er wird jedoch am Ausgang der Säule noch vor der Messung erneut von immobilisierten Komplementmolekülen gebunden und dadurch zur eigentlichen Messung angereichert wobei gleichzeitig auch störende Begleitstoffe durch Spülen entfernt werden können bevor die extrem empfindliche elektrochemische oder optische Messung repetltlv durchgeführt wird und durch Signalmlttelwertbildung das Signal-zu-Rausch-Verhältnis beliebig gesteigert wird. If a carrier (for example flow-through column, flow paper, membrane filter etc.) is used in the invention, to which a partner is bound, this is displaced by the unlabelled analyte by means of a competitive reaction. However, it is bound again by immobilized complement molecules at the exit of the column before the measurement and thus enriched for the actual measurement, while at the same time interfering substances can also be removed by rinsing before the extremely sensitive electrochemical or optical measurement is repeated and the signal is added by generating the signal value -Noise ratio is increased arbitrarily.
Verfahren und Vorrichtung zur Empfindlichkeits- und Selektivitätssteigerung bei Immuno-Assays, Molekül-Rezeptor-, DNA-komplementär DNA- und Gast-Wirtsmolekül-Wechselwirkungs-Assays Method and device for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assays
Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur Durchführung besonders empfindlicher Immuno-Assays und weiteren Assays, die auf Molekül-Rezeptor-, DNA-komplementär- DNA-Strang- sowie Gast-Wirtsmolekül -Wechselwirkungskräften beruhen, gekennzeichnet durch schnelle und repetitive Messungen der 1. A method for carrying out particularly sensitive immunoassays and other assays which are based on molecule-receptor, DNA-complementary-DNA strand and guest-host molecule interaction forces, characterized by rapid and repetitive measurements of the
Stromstärke oder des Fluoreszenzlichtes und Doppelmessung und Vergleich/Quotientenbildung in mindestens zwei Meßzonen bzw. Kalibrierung analog der Methode des Inneren Standards, unter Verwendung stabiler redox- oder IR-fluoreszenzmarkierter Analytmoleküle bei Immuno-Assays und ähnlichen Assays. Current strength or fluorescent light and double measurement and comparison / quotient formation in at least two measuring zones or calibration analogous to the method of the internal standard, using stable redox- or IR-fluorescence-labeled analyte molecules in immunoassays and similar assays.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als analyterkennende Moleküle oder Molekülassoziationen die jeweiligen Partner der sich extrem selektiv verbindenden Molekül-Paare: Antikörper (Antikörperfragment mit Blndungsstelle) - Antigen, Molekül - Rezeptor, DNA-Abschnitt - komplementärer DNA-Abschnitt sowie Gastmolekül - Wirtsmolekül an besonderen Oberflächen und in bestimmten Zonen verteilt Immobilisiert verwendet werden. 2. Device according to claim 1, characterized in that as the analyte-recognizing molecules or molecular associations the respective partners of the extremely selectively connecting molecule pairs: antibodies (antibody fragment with blinding site) - antigen, molecule - receptor, DNA section - complementary DNA section and Guest Molecule - Host molecule can be used immobilized on special surfaces and distributed in certain zones.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Analyten komplementäre Partnermolekül an einem stationären Träger an zwei getrennten Zonen Immobilisiert wird, wobei die Moleküle der ersten Zone zu Beginn einer Analyse mit dem redox- oder fluoreszensmarkierten Analytmolekül abgesättigt werden, so daß dadurch alle Bindungsstellen blockiert sind und bei Kontakt mit dem nicht markierten Analytmolekül aus der Probe eine Verdrängung der markierten Analytmoleküle stattfindet, wobei letztere aber an anderer Stelle der Vorrichtung auf möglichst kleinem Volumen wieder gesammelt werden, bevor sie elektrochemisch oder optisch repetltiv bis zum gewünschten Signal/Rauschverhältnis vermessen werden. 3. Device according to claim 2, characterized in that the partner molecule complementary to the analyte is immobilized on a stationary support at two separate zones, the molecules of the first zone being saturated at the beginning of an analysis with the redox- or fluorescence-labeled analyte molecule, so that thereby all binding sites are blocked and, when they come into contact with the unlabeled analyte molecule from the sample, the labeled analyte molecules are displaced, but the latter are collected again in the smallest possible volume elsewhere on the device before they are electrochemically or optically repetitive to the desired signal / noise ratio be measured.

Claims

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Verdrängungsreaktion auch eine kompetltive Bindungsreaktion zwischen dem unmarkierten Analytmolekül in einer Probe und dem redox- oder fluoreszenzmarkierten Analytmolekül, das jeder Probe im bekannten Verhältnis zugegeben werden muß, an trägergebundene Partnermoleküle ablaufen kann, wobei hier nach Spülung der nicht gebundenen Moleküle und Entfernen der Probenmatrix die repetitlve elektrochemische oder optische Messung erfolgen kann. 4. Apparatus according to claim 2 and 3, characterized in that in addition to the displacement reaction, a competitive binding reaction between the unlabeled analyte molecule in a sample and the redox- or fluorescence-labeled analyte molecule, which must be added to each sample in a known ratio, can take place on carrier-bound partner molecules , whereby after rinsing the unbound molecules and removing the sample matrix, the repetitive electrochemical or optical measurement can take place.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die betreffenden analyterkennenden Komplementmoleküle auf Trägeroberflächen immobilisiert sind, die die repetitlve elektrochemische oder optische Messung ermöglichen, also entweder den innigen Kontakt mit einer planaren elektrochemischen Drei-Elektroden-Meßzelle erlauben bzw. die Messung des IR-Fluoreszenzlichtes ermöglichen. 5. Apparatus according to claim 2 to 4, characterized in that the analyte-recognizing complement molecules in question are immobilized on support surfaces which enable repetitive electrochemical or optical measurement, ie either allow intimate contact with a planar electrochemical three-electrode measuring cell or the measurement of the IR fluorescent light.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für die an bestimmten Stellen fixierten analyterkennenden und selektiv bindenden Komplementmoleküle neben dem typischen Mikrotitermaterial Polystyrol vorzugsweise chromatographische stationäre Phasen, wie adsorbentiengefüllte Säulen, RP-18 ähnliche Materialien, Fließpapierstreifen, Membranfilterstreifen auf Cellulosebasls o.ä., die Kapillarflußeigenschaften haben, verwendet werden. 6. Apparatus according to claim 2 to 5, characterized in that preferably chromatographic stationary phases, such as adsorbent-filled columns, RP-18-like materials, RP-18-like materials, flow paper strips, membrane filter strips, as a carrier for the analyte-recognizing and selectively binding complement molecules fixed at certain points Cellulose bases or the like which have capillary flow properties can be used.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Probenlaufstrecke (Art affinitätschromatographischer Miniatursäule) mindestens eine primäre immunologische (oder allgemein: analytspezlfisch bindende) Zone gegebenenfalls zusammen mit einer weiteren Sarnmel- und Anreicherungszone vorhanden ist. 7. The device according to claim 2 to 6, characterized in that on a sample run (type affinity chromatographic miniature column) at least one primary immunological (or generally: analyte-specific binding) zone is optionally present together with another Sarnmel and enrichment zone.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die affinitätschromatographisehe Abtrennung, Verdrängung oder kompetltive Anbindung entweder planar durchgeführt wird, so daß die planare elektrochemische Drei-Elektroden-Meßkette ungehinderten Kontakt mit unterschiedlichen Oberflächenabschnitten finden kann und auch die optische Messung alternativ zwischen einem Trägeruntergrund und den Meßzonen oszillieren kann. 8. The device according to claim 7, characterized in that the affinity chromatography separation, displacement or competitive connection is carried out either planar, so that the planar electrochemical three-electrode electrode can find unimpeded contact with different surface sections and also the optical measurement alternatively between a substrate and the measuring zones can oscillate.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Sarnmel- und Anreicherungsphase eng begrenzte Zonen in der Proben-Fließrichtung hinter der primären Immunogenen Zone (obiger Definition) angelegt werden, die aus den betreffenden analyterkennenden und -bindenden Komplementmolekülen bestehen, die aber freie Bindungsstellen haben und die so gesammelten redox-aktlven oder fluoreszierenden Analytmoleküle der repetltiven Messung zuführen. 9. The device according to claim 7, characterized in that the Sarnmel and enrichment phase, narrowly defined zones in the sample flow direction behind the primary immunogenic zone (above definition) are created, which consist of the relevant analyte-recognizing and binding complement molecules, but which are free Have binding sites and lead the redox-active or fluorescent analyte molecules collected in this way to the repetitive measurement.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Sarnmel- und Anreicherungszone die Lipophilie der markierten Analytmoleküle dadurch ausgenutzt wird, daß anstelle der betreffenden Komplementmoleküle eine lipophile Zone mit öl- oder wachsgetränkter Oberfläche oder RP-18 Material verwendet wird, wobei bei ionalen Analyten dieser Phase noch ein lipophiles Gegenion zur lonenpaarbildung zugefügt wird. 10. The device according to claim 9, characterized in that the second Sarnmel and enrichment zone, the lipophilicity of the labeled analyte molecules is exploited in that a lipophilic zone with an oil- or wax-soaked surface or RP-18 material is used instead of the complement molecules in question, with ionic analytes of this phase a lipophilic counter ion is added to form the ion pair.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sarnmel- und Anreicherungsphase für die in der primären Reaktionszone verdrängten markierten Analytmoleküle durch eine entsprechend der Molmasse des markierten Analytmoleküls gewählten Dialysemembran gegeben ist, die in einem gewissen Abstand zur primären Reaktionszone angebracht ist, und die sowohl stationär mittels aufgedapfter Elektroden wie auch demontiert elektrochemisch vermessen werden kann. 11. The device according to claim 9, characterized in that the Sarnmel and enrichment phase for the labeled analyte molecules displaced in the primary reaction zone is given by a dialysis membrane selected according to the molecular weight of the labeled analyte molecule, which is attached at a certain distance from the primary reaction zone, and which can be measured electrochemically both stationary using tapped electrodes and dismantled.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese Dialysiermembran zusätzlich an der in Fließrichtung an erster Stelle liegenden Oberfläche die analytbindenden Komplementärmoleküle Immobilisiert enthält. 12. The apparatus according to claim 11, characterized in that this dialysis membrane additionally contains the analyte-binding complementary molecules immobilized on the surface lying first in the direction of flow.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sarnmel- und Anreicherungszone dadurch erzielt wird, daß das Lösungsmittel durch Anwendung von Hitze und Transportgas am Ende der Probenlaufstrecke verdampft wird. 13. The apparatus according to claim 9, characterized in that the Sarnmel and enrichment zone is achieved in that the solvent is evaporated by the application of heat and transport gas at the end of the sample run.
14. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre analyterkennende und -bindende Reaktionszone und die davon getrennte Sarnmel- und Anreicherungszone innerhalb eines teststreifenähnlichen Trägers mit Kapillarkräften liegt, so daß der Transport der flüssigen Probe durch die verschiedenen Zonen durch letztere erreicht werden kann und keine externe Pumpe notwendig ist, wobei die Auswertung über konzentrationsproportionale Strecken oder integrale Signale über die charakteristischen Streckenabschnitte erfolgt und auch redundant ist. Das Auswertgerät ist hier ein Scanner mit optischer oder elektrischer Messung. Bei dem elektrochemischen "Scannen" werden walzenförmige Arbeltselektroden verwandt. 14. The apparatus according to claim 2 to 13, characterized in that the primary analyzer-recognizing and binding reaction zone and the separate Sarnmel and enrichment zone is within a test strip-like carrier with capillary forces, so that the transport of the liquid sample through the different zones is achieved by the latter and an external pump is not necessary, the evaluation taking place over concentration-proportional routes or integral signals over the characteristic route sections and is also redundant. The evaluation device is a scanner with optical or electrical measurement. Roller-shaped working electrodes are used in the electrochemical "scanning".
15. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Konzentration der redoxmarkierten Analytmoleküle auf den entsprechenden Oberflächenzonen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die elektrochemische Methode der schnellen zyklischen Voltammetrie oder einer anderen Methode, die ohne Netto-Umsatz (Substanzverbrauch) arbeitet, mittels einer planaren Drei-Elektrodenmeßzelle, die zusammen mit einem geeigneten Grundelektrolyten auf diese Stellen gepresst wird, erfolgt (Prinzip der Dünnschicht-Meßzelle). 15. The device according to claim 2 to 14, characterized in that the measurement of the concentration of the redox-labeled analyte molecules on the corresponding surface zones of the device according to the invention by the electrochemical method of rapid cyclic voltammetry or another method that works without net conversion (substance consumption), by means of a planar three-electrode measuring cell, which is pressed onto these points together with a suitable base electrolyte (principle of the thin-film measuring cell).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die planare oder quasi-planare elektrochemische Drei-Elektrodenmeßzelle anstelle einer Makro-Arbeitselektrode aus einem Edelmetall, wie Platin, Gold o.ä. ein Ultra-Mikroelektroden-Array aus den gleichen Materialien mit Einzelelektrodendurchmessern < 10 mm enthält, um den bei schnellen zyklischen Voltammogrammen stark ansteigenden kapazitiven Strom zu verkleinern. 16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the planar or quasi-planar electrochemical three-electrode measuring cell instead of a macro working electrode made of a noble metal such as platinum, gold or the like. contains an ultra-microelectrode array made of the same materials with individual electrode diameters <10 mm in order to reduce the capacitive current that rises sharply with fast cyclic voltammograms.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitselektrode oder das dazu benutzte Ultra-Mikroelektroden-Array in die betreffenden Zonen des Assays integriert sind. 17. The apparatus of claim 15 and 16, characterized in that the working electrode or the ultra-microelectrode array used for this purpose are integrated into the relevant zones of the assay.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das zyklische Voltammogramm mit einer hohen Repetitionsrate im Be reich 1 bis » 100 Hz nicht wie üblicherweise auf einem X-Y-Schreiber sondern auf einem elektronischen Mittelwertbildner registriert wird, der so geschaltet ist, daß die digitalisierten Stromsignale in beiden Potentialrichtungen auf ein und denselben spannungsproportionalen Kanal addiert werden, was wegen des unterschiedlichen Vorzeichens des kapazitiven Stromanteils bei den unterschiedlichen Änderungsrichtungen einer nahezu 100 %igen Kompensation dieses störenden nicht-faradayschen Stromes gleichkommt, während die konzentrationsabhängigen Stromspitzen der Redoxmoleküle bei unterschiedlichen Potentialen auftreten und daher sich gegenseitig nicht kompensieren. 18. The apparatus according to claim 15 to 17, characterized in that the cyclic voltammogram with a high repetition rate in loading range 1 to »100 Hz is not registered as usual on an XY recorder but on an electronic averager that is switched so that the digitized current signals in both potential directions are added to one and the same voltage-proportional channel, which is due to the different sign of the capacitive Current share in the different directions of change equals almost 100% compensation of this disruptive non-Faraday current, while the concentration-dependent current peaks of the redox molecules occur at different potentials and therefore do not compensate each other.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitselektrode das Ultra-Mikroelektroden-Array verwendet wird. 19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the ultra-microelectrode array is used as the working electrode.
20. Vorrichtung nach Anspruch 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorgang eines Analyten automatisch computergesteuert in der Welse abfolgt, daß sowohl die von der Anordnung aufgenommene Probemenge als auch die Sarnmelzeit reproduzierbar eingehalten werden und die repetitlve elektrochemische Messung jeweils mit gleicher Zahl an Additionszyklen, die von dem Signal/Rauschverhältnis abhängt, durchgeführt wird. 20. The apparatus according to claim 15 to 19, characterized in that the measuring process of an analyte follows automatically computer-controlled in the catfish, that both the amount of sample taken up by the arrangement and the Sarnmelzeit are reproducibly observed and the repetitive electrochemical measurement with the same number of addition cycles , which depends on the signal / noise ratio, is carried out.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Redox-Marker-Moleküle, die mit dem Analytmolekül kovalent verknüpft werden, Redox-Systeme mit besonders hoher Standardaustauschstromdichte verwendet werden, die sich im betreffenden Lösungsmittel oder in der Probenmatrix lösen. 21. The apparatus according to claim 20, characterized in that redox systems with a particularly high standard exchange current density are used as redox marker molecules which are covalently linked to the analyte molecule, which dissolve in the solvent in question or in the sample matrix.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als besonders reversible Redox-Systeme wasserlösliche, stabile und lagerfähige Ferrocenderivate, Rutheniumkomplexe, Hydrochlnone, Hexacyanoferrat (II/III), Jod/Jodid o.ä. verwendet werden, die über Spacermoleküle mit dem Analytmolekül verbunden werden. 22. The apparatus according to claim 21, characterized in that as particularly reversible redox systems water-soluble, stable and storable ferrocene derivatives, ruthenium complexes, hydrochlorones, hexacyanoferrate (II / III), iodine / iodide or the like. are used, which are connected to the analyte molecule via spacer molecules.
23. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß als Markermoleküle für die repetitive optische Detektion stabile, lager fähige spezielle Moleküle verwendet werden, die Licht der Wellenlänge > 700 nm absorbieren und im langwelligeren Bereich wieder als Fluoreszenzlicht emittieren. 23. The device according to claim 2 to 14, characterized in that the marker molecules for repetitive optical detection stable, camp capable special molecules are used, which absorb light of the wavelength> 700 nm and emit again in the long-wave range as fluorescent light.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Molekülklasse für die vorteilhafte IR-Fluoreszenzmarkierung das Bis-isothiocyanat-Derivat von 2-[4'-chloro-7'(3" -ethyl-2" -benzothiazolinyliden)- 3',5'-(1'"-propanedyl)-1', 3', 5' -heptatrien-1' yl]-3-ethylbenzothiazoliumbromid, Porphyrinderivate mit großen 2n+1 Pi-Elektronensystemen oder Phthalocyanine verwendet werden, die sich auch durch besonders hohe Extinktionskoeffizienten auszeichnen. 24. The apparatus according to claim 23, characterized in that the bis-isothiocyanate derivative of 2- [4'-chloro-7 '(3 "-ethyl-2" -benzothiazolinylidene) - 3' as the molecular class for the advantageous IR fluorescence labeling , 5 '- (1' "- propanedyl) -1 ', 3', 5 '-heptatrien-1' yl] -3-ethylbenzothiazolium bromide, porphyrin derivatives with large 2n + 1 Pi electron systems or phthalocyanines, which can also be used distinguish particularly high extinction coefficients.
25. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die repetitlve optische Messung, die dem Mittelwertbildner zugeführt wird dadurch erreicht wird, daß abwechselnd die zu messende fluoreszierende Oberflächenzone und der Trägeruntergrund an einer nicht mit der Sarnmelphase oder den Komplementärmolekülen bedeckten Stelle gemessen wird, was durch eine Relativbewegung des optisches Strahles erreicht werden kann. 25. The device according to claim 2 to 14, characterized in that the repetitive optical measurement, which is supplied to the averager is achieved by alternately measuring the fluorescent surface zone to be measured and the substrate at a point not covered with the Sarnmel phase or the complementary molecules , which can be achieved by a relative movement of the optical beam.
26. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Anregungsquelle anstelle einer weißen Lichtquelle und eines Monochromators eine intermittierend betriebene Laserdiode im IR-Wellenlängenbereich mit hoher Strahlungsdichte, Monochromasie und Streulichtfreiheit zusammen mit einer Lock-in Verstärkungstechnik verwendet wird. 26. The apparatus of claim 2 to 14, characterized in that an intermittently operated laser diode in the IR wavelength range with high radiation density, monochromaticity and freedom from stray light is used together with a lock-in amplification technique as an optical excitation source instead of a white light source and a monochromator.
27. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung eines Partners eines sich chemisch selektiv erkennenden komplementären Molekülpaars (Antikörper-Antigen, Rezeptor-Rezeptormolekül, DNA-Sequenz-komplementärer 27. Method for determining the concentration of a partner of a chemically selectively recognizing complementary pair of molecules (antibody-antigen, receptor-receptor molecule, DNA sequence-complementary
DNA-Strang, Gast-Wirtsmolekül) mittels eines Immuno-Assays nach den Ansprüchen 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß redox- und fluoreszenzmarkierte Analytmoleküle eingesetzt werden und die elektrochemische bzw. optische Messung der Verteilung dieser markierten Moleküle in den verschiedenen Zonen der Testvorrichtung ohne Materialverbrauch erfolgt, so daß beliebig viele repetitlve Messungen möglich sind. DNA strand, guest-host molecule) by means of an immunoassay according to claims 1 to 26, characterized in that redox- and fluorescence-labeled analyte molecules are used and the electrochemical or optical measurement of the distribution of these labeled molecules in the different zones of the test device without Material consumption takes place so that any number of repetitive measurements are possible.
28. Verfahren nach Anspruch 1 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die repetitiven Messungen in reproduzierbarer Art und Weise einem Signalmittelwertsbildner zugefügt werden, so daß das Signal/Rauschverhältnis zwischen dem faradayschen Strom und dem Untergrund sowie der Oberfläche mit den fluoreszierenden Molekülen und der freien Trägeroberfläche entscheidend verbessert wird. 28. The method according to claim 1 and 27, characterized in that the repetitive measurements are reproducibly added to a signal mean, so that the signal / noise ratio between the Faraday current and the background and the surface with the fluorescent molecules and the free carrier surface is significantly improved.
Verfahren und Vorrichtung zur Empfindlichkeits- und Selektivitätssteigerung bei Immuno-Assays, Molekül-Rezeptor-, DNA-komplementär DNA- und Gast-Wirtsmolekül-Wechselwirkungs-Assays Method and device for increasing sensitivity and selectivity in immunoassays, molecule receptor, DNA complementary DNA and guest-host molecule interaction assays
Zusammenfassung: Summary:
Verfahren zur Durchführung besonders empfindlicher Immuno-Assays und weiteren Assays, die auf Molekül-Rezeptor-, DNA-komplementär- DNA-Strang- sowie Gast-Wirtsmolekül-Wechselwirkungskräften beruhen, mit schnellen und repetitiven Messungen der Stromstärke oder des Fluoreszenzlichtes und Doppelmessung und Vergleich/Quotientenbildung in mindestens zwei Meßzonen bzw. Kalibrierung analog der Methode des inneren Standards, unter Verwendung stabiler redox- oder IR-fluoreszenzmarkierter Analytmoleküle bei Immuno-Assays und ähnlichen Assays. Process for carrying out particularly sensitive immunoassays and other assays which are based on molecule-receptor, DNA-complementary-DNA-strand and guest-host molecule interaction forces, with rapid and repetitive measurements of the current intensity or fluorescent light and double measurement and comparison / Quotient formation in at least two measuring zones or calibration analogous to the method of the internal standard, using stable redox- or IR-fluorescence-labeled analyte molecules in immunoassays and similar assays.
Fig. 1 Fig. 1
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