WO2002070733A1 - Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one nanoparticle provided with a scavenger molecule - Google Patents

Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one nanoparticle provided with a scavenger molecule Download PDF

Info

Publication number
WO2002070733A1
WO2002070733A1 PCT/DE2002/000759 DE0200759W WO02070733A1 WO 2002070733 A1 WO2002070733 A1 WO 2002070733A1 DE 0200759 W DE0200759 W DE 0200759W WO 02070733 A1 WO02070733 A1 WO 02070733A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
macromolecular biopolymers
molecules
electrode
unit
biopolymers
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/000759
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes R. Luyken
Franz Hofmann
Erhard Landgraf
Thomas Schulz
Original Assignee
Infineon Technologies Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies Ag filed Critical Infineon Technologies Ag
Publication of WO2002070733A1 publication Critical patent/WO2002070733A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54346Nanoparticles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes
    • C12Q1/002Electrode membranes
    • C12Q1/003Functionalisation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6816Hybridisation assays characterised by the detection means
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6834Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3276Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a hybridisation with immobilised receptors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438Electrodes

Definitions

  • FIG. 4a shows a biosensor 400 with a first electrode 401 and a second electrode 402, which are applied to a substrate 403 as an insulator layer.
  • a holding area designed as a holding layer 404, is applied to the first electrode 401 made of gold. The holding area is used to immobilize DNA probe molecules
  • Fig.4b shows the case that in the solution to be examined
  • the DNA strands 407 to be detected are contained and hybridized to the DNA probe molecules 405.
  • the negatively charged partial molecules are drawn to the positively charged anode, as indicated by arrow 411 in FIG. 4c.
  • an analyte such as a protein
  • a labeled reagent which is able to bind specifically to the analyte and which comprises a brine with gold particles in which at least 75 percent by weight of the gold particles have an average diameter of less than 5 nanometers.
  • this reagent which is present in an aqueous solution, is brought into contact with a solution containing the analyte and the complex formed in this way is immobilized for the determination.
  • the problem underlying the invention is to provide an alternative method for the detection of macromolecular biopolymers.
  • the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers is provided with capture molecules, the capture molecules being able to bind macromolecular biopolymers.
  • a sample to be examined is then brought into contact with the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, wherein the sample to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected.
  • the macromolecular biopolymers contained in the sample to be examined are bound to the capture molecules and the macromolecular biopolymers are detected by means of a signal emitted by a label.
  • the present methods are distinguished from the known methods for detecting macromolecular biopolymer in that they use nanoparticles as a unit or units for immobilizing macromolecular biopolymers (by means of capture molecules).
  • a nanoparticle is understood to mean a particle which is characterized by so-called Nanostructuring processes can be obtained.
  • Nanostructuring methods that can be used to produce such nanoparticles on suitable substrates are, for example, the use of block copolymer microemulsions described in [12] and [13] or the use of colloid particles as structuring masks described in [14].
  • the method described in [14] is in principle analogous to a lithography method usually used in the field of substrate structuring.
  • a nanoparticle in the sense of the invention is not restricted to those particles which are obtained by one of the methods mentioned here by way of example. Rather, such a nanoparticle is any particle whose diameter is in the nanometer range, ie generally between 2 and 50 nm, preferably in the range from 5 to 20 nm, particularly preferably in the range from 5 to 10 nm.
  • the marking generates a signal.
  • a signal is an electrical current.
  • the signal is visible light or UV light.
  • the signal can also consist of radioactive radiation or X-rays.
  • first and second capture molecules are used.
  • the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers with the is located on the first electrode provide first capture molecules that can bind macromolecular biopolymers of a first type.
  • the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers located on the second electrode is provided with second capture molecules which can bind macromolecular biopolymers of a second type.
  • a sample to be examined preferably a liquid medium such as an electrolyte
  • the immobilization unit is then brought into contact with the immobilization unit. This is done in such a way that the macromolecular biopolymers can bind to the capture molecules.
  • the conditions are selected such that they can bind to their corresponding capture molecule at the same time or one after the other.
  • DNA to be detected which is in the form of a double-stranded hybrid with the olekul probe, may also be undesirably degraded
  • DNA nucleases for example a nuclease from mung beans, the nuclease P1 or the nuclease S1 can be used to remove the unbound DNA probe molecule from the respective electrode.
  • DNA polymerase which due to their 5 '->3' exonuclease activity or their
  • FIG. 5 shows a functional curve of a circulating current according to the prior art in the context of a redox recycling process
  • the units for immobilizing macromolecular biopolymers in the form of nanoparticles are formed on layer 102 by the following method.
  • a solution of 0.5% by weight block copolymer polystyrene (PS) - block-poly (2-vinylpyridine) (P2VP) of the general formula PS (x) -b-P2VP (y) is, as in [12] and [13], with 0.5 equivalents of HAuCl 4 -H 2 0 per pyridine unit to form monodisperse (micellar dissolved) gold particles, x and y in the formula give the number of basic units according to the ratio between monomer and initiator.
  • a monolayer of gold nanoparticles is deposited on the layer 102 from this solution by reduction with hydrazine, as described in [12] and [13].
  • the gold particles 103 which serve as the units for immobilizing macromolecular biopolymers, remain intact during this treatment with plasma and, as illustrated in the sectional view and the top view of FIG. 1b, form a regular arrangement on the layer 102 (cf. [ 12]).
  • the distances between the gold nanoparticles 103 are usually a few 10 nm, e.g. approx. 20 to 30 nm.
  • the nanoparticles preferably have a size in the range from approx. 5 to 10 nm.
  • the nanoparticle-shaped units 306 for immobilizing macromolecular biopolymers are located on the layer 305, the units 306 being able to be formed by the method explained with reference to FIG. 1 (cf. the sectional view of FIG. 3a and the top view of FIG. 3a).
  • the immobilization units 306 are made of gold.
  • alkoxysilane derivatives can be used, such as
  • fluorescein can be used as the fluorophore.
  • the capture molecules 309 can be labeled by enzymatically labeling a correspondingly labeled nucleotide such as ChromaTide Fluorescein-12-dUTP (Molecular Probes, Inc., Eugene, Oregon, USA, Product No. C-7604). by means of suitable polymerases such as DNA polymerase or Klenow polymerase, into which oligonucleotides (capture molecules) 309 are incorporated (cf. [10]).
  • suitable polymerases such as DNA polymerase or Klenow polymerase
  • sequences of DNA strands complementary to the sequences of the probe molecules can be in each case the usual way, ie hybridize by base pairing via hydrogen bonds between A and T or U or between C and G.
  • the DNA strands 314 complementary to the first DNA probe molecules 309 hybridize with the first DNA probe molecules 309, which are applied to the first photodiode 301.
  • only the second DNA probe molecules 310 are present as single-stranded molecules.
  • the single-stranded DNA probe molecules 310 on the second photodiode 302 are hydrolysed by means of a biochemical method, for example by adding DNA nucleases to the electrolyte 313.
  • DNA polymerases which, owing to their 5 '- 3' exonuclease activity or their 3 ' ⁇ > 5' exonuclease activity, are able to break down single-stranded DNA.
  • the presence of the DNA molecules 314 is determined in this way.
  • the use of the biosensor 300 described here permits locally resolved detection and offers a significant simplification of the entire measuring arrangement, since no external unit for detecting the fluorescence radiation is necessary.
  • a holding area 605 is provided on the first electrode 601 for holding probe molecules which can bind macromolecular biopolymers.
  • This holding area 605 has units for immobilizing 606 in the form of nanoparticles, the units 606 being made of gold.
  • the probe molecules (capture molecules) 607 according to this exemplary embodiment, which are immobilized on the holding area, are DNA probe molecules with which DNA strands can hybridize with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules.
  • the probe molecules 607 carry a Biotm group as the marker 608, which is used, for example, by using the “FluoReporter Biotm-X-C5 Oligonucleotide Labelmg Kit” (product no. F-6095) from Molecular Probes, Eugene, Oregon, USA can be added there (see [11]).
  • the DNA probe molecules 607 are immobilized on the units 606 for immobilization on the first electrode 601 by means of the known gold-sulfur coupling. If another material is used to bind the probe molecules, the material is provided with the corresponding coating material on which the probe molecules can be immobilized.
  • capture molecules 607 to which no DNA strands to be detected have hybridized are removed. This can be done by adding the above-mentioned DNA nucleases to the electrolyte 610. In this case too, one of the following substances can be used for the hydrolysis of the single-stranded DNA probe molecules 607:
  • the biosensor 600 is rinsed using a rinsing solution, not shown, i.e. the fragments of the non-hybridized DNA strands and the solution to be examined are removed.
  • This further solution contains an enzyme 611 which binds to the label 608 of the hybridized DNA probe molecules 607 and which can cleave the molecules explained below, which are added in a further solution 612.
  • enzyme 611 can be, for example
  • low molecular weight enzymes can ensure the highest conversion efficiency and therefore also the highest sensitivity when used as an enzyme which effects redox recycling.
  • the further solution 612 contains molecules 613 which can be split by the enzyme 611 into a first sub-molecule 614 with a negative electrical charge and into a second sub-molecule with a positive electrical charge (cf. FIG. 6b).
  • the oxidized sub-molecules are reduced at the second electrode 602 and the reduced sub-molecules 616 are again drawn to the third electrode 603, where oxidation is again carried out.
  • the first electrode 701 and the second electrode 702 both have a regular arrangement of immobilization units 706, the units 706 being designed as gold nanoparticles.
  • the units 706 can also be made of silicon oxide. These can also be coated with one of the materials listed above, which is suitable for immobilizing the probe molecules thereon. DNA probe molecules 707, 708 are applied to the units 706 for immobilizing the electrodes 701, 702.
  • First DNA probe molecules 707 with a sequence complementary to a predetermined first DNA sequence are applied to the first electrode 701 (FIG. 7b).
  • Second DNA probe molecules 708 with a sequence that is complementary to a predetermined second DNA sequence are applied to the second electrode 702 (FIG. 7b).
  • FIG. 7c shows the electrode arrangement 700 in the event that the electrolyte 709 contains DNA strands 710 with the predetermined first sequence, which is complementary to the sequence of the first DNA probe molecules 707.
  • the result after hybridization has taken place is that hybridized molecules are applied to the first electrode 701, ie double-stranded DNA molecules. Only the second DNA probe molecules 708 are still present on the first electrode as single-stranded molecules.
  • the single-stranded DNA probe molecules 708 of the second electrode 702 are hydrolysed by means of a biochemical method, for example by adding DNA nucleases to the electrolyte 709 as described above.
  • a second capacitance measurement takes place after the single-stranded DNA probe molecules 708 have been removed from the respective electrode.
  • the method according to this exemplary embodiment has the advantage over the method known from [1] or [4] that a more robust measurement signal is achieved. This is because there is a major change in the impedance signal between the state in which no catcher molecules or only catcher molecules are attached to the electrodes and the state that there has at least partially been a bond with the macromolecular biopolymers to be detected.

Abstract

A unit for immobilizing macromolecular biopolymers is a nanoparticle. The unit used for immobilizing is provided with scavenger molecules that can bind macromolecular biopolymers. A sample to be examined is brought into contact with the unit used for immobilizing, whereby the sample to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected. Macromolecular biopolymers contained in the sample to be examined are bound to the scavenger molecules, and the macromolecular biopolymers are detected by using a signal emitted by a marking.

Description

Be s ch r e ibung Description
VERFAHREN ZUM ERFASSEN VON MAKROMOLEKULAREN BIOPOLYMEREN MITTELS MINDENSTENS EINER MIT EINEM FÄNGERMOLEKÜL VERSEHENEN NANOPARTIKELMETHOD FOR DETECTING MACROMOLECULAR BIOPOLYMERS BY MEANS OF AT LEAST ONE NANOPARTICLE PROVIDED WITH A COLLECTING MOLECULE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren.The invention relates to a method for detecting macromolecular biopolymers by means of at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
Aus [1] bis [4] sind Verfahren zum Erfassen von DNA-Molekülen bekannt, bei denen zur Erfassung Biosensoren eingesetzt werden, die auf Elektrodenanordnungen basieren.Methods for detecting DNA molecules are known from [1] to [4], in which biosensors are used for the detection, which are based on electrode arrangements.
Fig.2a und Fig.2b zeigen einen solchen Sensor, wie er in [1] und [4] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isolatormaterial eingebettet sind. An die Elektroden 201, 202 sind Elektroden-Anschlüsse 204, 205 angeschlossen, an denen das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektrische Potential zugeführt werden kann. Die Elektroden 201, 202 sind als Planarelektroden angeordnet. Auf jeder Elektrode 201, 202 sind DNA-Sondenmoleküle 206 immobilisiert (vgl. Fig.2a). Die Immobilisierung erfolgt gemäß der sogenannten Gold-Schwefel- Kopplung. Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt, beispielsweise ein Elektrolyt 207, aufgebracht .2a and 2b show such a sensor as described in [1] and [4]. The sensor 200 has two electrodes 201, 202 made of gold, which are embedded in an insulator layer 203 made of insulator material. Electrode connections 204, 205 are connected to the electrodes 201, 202, to which the electrical potential applied to the electrode 201, 202 can be supplied. The electrodes 201, 202 are arranged as planar electrodes. DNA probe molecules 206 are immobilized on each electrode 201, 202 (cf. FIG. 2a). The immobilization takes place according to the so-called gold-sulfur coupling. The analyte to be examined, for example an electrolyte 207, is applied to the electrodes 201, 202.
Sind in dem Elektrolyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 206 komplementär ist, so hybridisieren diese DNA-Stränge 208 mit den DNA-Sondenmolekülen 206 (vgl. Fig.2b).If the electrolyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 206, these DNA strands 208 hybridize with the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 2b).
Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 206 und eines DNA-Strangs 208 findet nur dann statt, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls 206 und des entsprechenden DNA- Strangs 208 zueinander komplementär sind. Ist dies nicht der f f M s αHybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If not ff M s α
P- P- H φ 2P- P- H φ 2
O Ω Hl P- > * tr SD rt 1 rt rr cn n in cn cn ii rr rt rt d 1 H ii li P P- SD:O Ω Hl P-> * tr SD rt 1 rt rr cn n in cn cn ii rr rt rt d 1 H ii li P P- SD:
SD DJ iQ p PSD DJ iQ p P
P4 P" cn IQ t-" t-J 3 P- ΦP 4 P "cn IQ t-" t- J 3 P- Φ
Φ Φ P- cnΦ Φ P- cn
P P rr rt < rt o d: Φ Φ φ H tr 1-1 (- P-PP rr rt <rt od: Φ Φ φ H tr 1-1 (- P-
Φ h in P ω ii 0 Φ φ p" li N IQΦ h in P ω ii 0 Φ φ p "li N IQ
SD D. d in P- d Φ 3 Φ PSD D. d in P- d Φ 3 Φ P
• H PJ P rt M t• HP J P rt M t
P- "i D.P- "i D.
Φ n Hl IQ Φ li P4 SD Φ cnH n Hl IQ Φ li P 4 SD Φ cn
Mi "• cn PMi "• cn P
SD ω SD < cn φ c Φ cn SD P φ H rr 3 HlSD ω SD <cn φ c Φ cn SD P φ H rr 3 Hl
P- Di C-ι DP- Di C-ι D
S rr Φ e P'S rr Φ e P '
Φ i in H.Φ i in H.
H rt ΦListen Φ
& P- ti P- P& P- ti P- P
Φ Φ Φ Φ cnΦ Φ Φ Φ cn
P Hl ii li d PP Hl ii li d P
Φ Φ P OΦ Φ P O
0: Hi 1 (Q rt0: Hi 1 ( Q rt
3 h-i rt 33 h- i rt 3
P φ P- D. ΦP φ P- D. Φ
Φ Φ Φ PΦ Φ Φ P
P rt ι-< cn Di p- rt P-P rt ι- <cn Di p- rt P-
Φ Φ (QΦ Φ ( Q
H p rr H-H p rr H-
Φ cnΦ cn
P rtP rt
Figure imgf000003_0001
Figure imgf000003_0001
Somit ist diese Vorgehensweise teuer, kompliziert sowie gegen Störeinflüsse sehr empfindlich, wodurch das Messergebnis sehr leicht verfälscht werden kann.This procedure is therefore expensive, complicated and very sensitive to interference, which means that the measurement result can easily be falsified.
Ferner ist es aus der Affinitätschromatographie (vgl. [6]) bekannt, immobilisierte niedermolekulare Moleküle, insbesondere Liganden hoher Spezifität und Affinität, zu verwenden, um Peptide und Proteine, z.B. Enzyme, im Analyt spezifisch zu binden.Furthermore, it is known from affinity chromatography (cf. [6]) to use immobilized small molecules, in particular ligands of high specificity and affinity, to generate peptides and proteins, e.g. Enzymes to bind specifically in the analyte.
Ferner ist ebenfalls bekannt, dass bei Nachweisverfahren für Antigene oder Antikörper wie den sogenannten ELISA-Tests, die auf Festphasensystemen beruhen, einer der beiden Reaktionspartner an eine feste Phase (z.B. Mikrotiterplatten) gebunden wird. Die erfolgte Antikörper-Antigen-Reaktion wird durch einen markierten Reaktionspartner nachgewiesen (vgl . [7]) . Genauer gesagt wird in einem solchen Antikörper- Einfang-Test zunächst das Antigen an einen festen Träger gebunden. Danach reagiert ein markierter, sich in einer Lösung befindender Antikörper mit dem Antigen. Nach dem Auswaschen des ungebundenen Antikörpers erhält man eine qualitative oder quantitative Aussage durch Messen der Markierung am gebundenen Antikörper (vgl. [8] und [9]) .Furthermore, it is also known that in the case of detection methods for antigens or antibodies, such as the so-called ELISA tests, which are based on solid phase systems, one of the two reactants is bound to a solid phase (e.g. microtiter plates). The antibody-antigen reaction carried out is verified by a labeled reaction partner (cf. [7]). More specifically, in such an antibody capture test, the antigen is first bound to a solid support. A labeled antibody in solution then reacts with the antigen. After the unbound antibody has been washed out, a qualitative or quantitative statement is obtained by measuring the label on the bound antibody (cf. [8] and [9]).
Weiterhin ist ein Reduktions-/Oxidations-Recycling-Verfahren zum Erfassen makromolekularer Biopolymere aus [2] und [3] bekannt .A reduction / oxidation-recycling method for detecting macromolecular biopolymers from [2] and [3] is also known.
Das Reduktions-/Oxidations-Recycling-Verfahren, im weiteren auch als Redox-Recycling-Verfahren bezeichnet, wird im weiteren anhand der Fig.4a bis Fig.4c näher erläutert.The reduction / oxidation recycling process, hereinafter also referred to as the redox recycling process, is explained in more detail below with reference to FIGS. 4 a to 4 c.
Fig.4a zeigt einen Biosensor 400 mit einer ersten Elektrode 401 und einer zweiten Elektrode 402, die auf einem Substrat 403 als Isolatorschicht aufgebracht sind. Auf der ersten Elektrode 401 aus Gold ist ein Haltebereich, ausgestaltet als Halteschicht 404, aufgebracht. Der Haltebereich dient zum Immobilisieren von DNA-Sondenmolekülen4a shows a biosensor 400 with a first electrode 401 and a second electrode 402, which are applied to a substrate 403 as an insulator layer. A holding area, designed as a holding layer 404, is applied to the first electrode 401 made of gold. The holding area is used to immobilize DNA probe molecules
405 auf der ersten Elektrode 401.405 on the first electrode 401.
Auf der zweiten Elektrode ist kein solcher Haltebereich vorgesehen.No such holding area is provided on the second electrode.
Sollen mittels des Biosensors 400 DNA-Stränge mit einer Sequenz erfasst werden, die komplementär zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 ist, so wird der Sensor 400 mit einer zu untersuchenden Lösung 406, z.B. einem Elektrolyten, derart in Kontakt gebracht, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltene DNA-Stränge mit der komplementären Sequenz zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisieren können.If 400 DNA strands with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 405 are to be detected by means of the biosensor 400, the sensor 400 is treated with a solution 406 to be examined, e.g. an electrolyte, brought into contact in such a way that any DNA strands contained in the solution 406 to be examined can hybridize with the complementary sequence to the sequence of the DNA probe molecules 405.
Fig.4b zeigt den Fall, dass in der zu untersuchenden LösungFig.4b shows the case that in the solution to be examined
406 die zu erfassenden DNA-Stränge 407 enthalten sind und an die DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisiert sind.406 the DNA strands 407 to be detected are contained and hybridized to the DNA probe molecules 405.
Die DNA-Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym 408 markiert, mit dem es möglich ist, im weiteren beschriebene Moleküle in Teilmoleküle zu spalten.The DNA strands 407 in the solution to be examined are marked with an enzyme 408, with which it is possible to cleave the molecules described below into partial molecules.
Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA- Sondenmolekülen 405 vorgesehen, als zu ermittelnde DNA- Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung 406 enthalten sind.Usually, a considerably larger number of DNA probe molecules 405 is provided than the DNA strands 407 to be determined are contained in the solution 406 to be examined.
Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltenen DNA-Stränge 407 mit dem Enzym 408 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen hybridisiert haben, erfolgt eine Spülung des Biosensors 400, wodurch die nicht hybridisierten DNA-Stränge entfernt werden und der Biosensor 400 von der zu untersuchenden Lösung 406 gereinigt wird. Dieser zur Spülung verwendeten Spüllösung oder in einer weiteren Phase eigens zugeführten weiteren Lösung 412 wird eine elektrisch ungeladene Substanz beigegeben, die Moleküle enthält, die durch das Enzym an den hybridisierten DNA- Strängen 407 in ein erstes Teilmolekül einer negativen ersten elektrischen Ladung und in ein zweites Teilmolekül einer positiven zweiten elektrischen Ladung gespalten werden könne .After the DNA strands 407 possibly contained in the solution 406 to be examined have hybridized with the enzyme 408 with the immobilized DNA probe molecules, the biosensor 400 is rinsed, as a result of which the non-hybridized DNA strands are removed and the biosensor 400 from it investigating solution 406 is cleaned. An electrically uncharged substance is added to this rinsing solution used for rinsing or another solution 412, which is supplied in a separate phase, and which contains molecules which, by means of the enzyme on the hybridized DNA strands 407, into a first submolecule of a negative first electrical charge and into a second Partial molecule of a positive second electrical charge can be split.
Die negativ geladenen Teilmoleküle werden, wie in Fig.4c gezeigt ist, zu der positiv geladenen Anode gezogen, wie durch den Pfeil 411 in Fig.4c angedeutet ist.As shown in FIG. 4c, the negatively charged partial molecules are drawn to the positively charged anode, as indicated by arrow 411 in FIG. 4c.
Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 werden an der ersten Elektrode 401, die als Anode ein positives elektrisches Potential aufweist, oxidiert und werden als oxidierte Teilmoleküle 413 an die negativ geladene Katode, d.h. die zweite Elektrode 402 gezogen, wo sie wieder reduziert werden .The negatively charged first partial molecules 410 are oxidized on the first electrode 401, which has a positive electrical potential as the anode, and are oxidized as the oxidized partial molecules 413 on the negatively charged cathode, i.e. pulled the second electrode 402 where they are reduced again.
Die reduzierten Teilmoleküle 414 wiederum wandern zu der ersten Elektrode 401, d.h. zu der Anode.The reduced sub-molecules 414 in turn migrate to the first electrode 401, i.e. to the anode.
Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der proportional ist zu der Anzahl der jeweils durch die Enzyme 408 erzeugten Ladungsträger.In this way, an electrical circuit current is generated which is proportional to the number of charge carriers generated in each case by the enzymes 408.
Der elektrische Parameter, der bei dieser Methode ausgewertet wird, ist die Änderung des elektrischen Stroms — als dtThe electrical parameter that is evaluated with this method is the change in the electrical current - as dt
Funktion der Zeit t, wie dies in dem Diagramm 500 in Fig.5 dargestellt ist.Function of time t, as shown in diagram 500 in FIG. 5.
Weiterhin sind Verfahren zur Nanostrukturierung von Substraten wie Glas oder Silizium-Wafer bekannt, d.h. Verfahren, mit denen Nano-Partikel aus Metall auf diesen Substraten erzeugt werden (vgl. [12-14]. Aus [13] ist weiterhin bekannt, dass Streptavidin-Moleküle auf derartigen Gold-Nanopartikeln mittels Biotinderivaten gebunden und durch Rasterkraftmikroskopie (engl. Scanning Force Microscopy) sichtbar gemacht werden können.Furthermore, methods for the nanostructuring of substrates such as glass or silicon wafers are known, ie methods with which nano-particles are produced from metal on these substrates (cf. [12-14]. From [13] is furthermore known that streptavidin molecules can be bound to such gold nanoparticles by means of biotin derivatives and can be made visible by scanning force microscopy.
Darüber hinaus ist aus [15] ein Verfahren für die Bestimmung eines Analyten wie eines Proteins bekannt, bei dem ein markiertes Reagenz eingesetzt wird, das in der Lage ist, an den Analyten spezifisch zu binden, und das eine Sole mit Goldpartikeln umfasst, in der mindestens 75 Gewichtsprozent der Goldpartikel einen mittleren Durchmesser von weniger als 5 Nanometer aufweisen. Bei dem Verfahren aus [15] wird dieses in einer wässrigen Lösung vorliegende Reagenz mit einer den Analyten enthaltenden Lösung in Kontakt gebracht und der so entstandene Komplex für die Bestimmung immobilisiert.In addition, a method for the determination of an analyte such as a protein is known from [15], in which a labeled reagent is used which is able to bind specifically to the analyte and which comprises a brine with gold particles in which at least 75 percent by weight of the gold particles have an average diameter of less than 5 nanometers. In the method from [15], this reagent, which is present in an aqueous solution, is brought into contact with a solution containing the analyte and the complex formed in this way is immobilized for the determination.
Aus [16] ist ferner eine selbst-addressierbarer mikroelektronische Vorrichtung bekannt, die so gestaltet ist, dass sie aktiv molekularbiologische mehrschrittige Reaktionen und Multiplex-Reaktionen in mikroskopischen Formaten ausführen kann. Aus [17] ist ein weiteres selbst- addressierbares mikroelektronisches System zur Durchführung molekularbiologischer Reaktionen bekannt.[16] also discloses a self-addressable microelectronic device which is designed in such a way that it can actively carry out molecular-biological multi-step reactions and multiplex reactions in microscopic formats. Another self-addressable microelectronic system for carrying out molecular biological reactions is known from [17].
In [18] schließlich wird ein Verfahren zum Screening von Target-Liganden-Wechselwirkungen unter Verwendung einer chemischen Bibliothek von Liganden beschrieben, bei dem zumindest eine Fluoreszenzeigenschaft einer an einer Festphase immobilisierten chemischen Bibliothek von Liganden, wobei an jeden Liganden ein molekularer Fluoreszenzsensor gebunden ist, vor und nach Zugabe des Targets gemessen wird.[18] finally describes a method for screening target-ligand interactions using a chemical library of ligands, in which at least one fluorescence property of a chemical library of ligands immobilized on a solid phase, a molecular fluorescence sensor being bound to each ligand, is measured before and after adding the target.
Die vorstehend genannten Verfahren zur Erfassung von makromolekularen Biopolymeren haben gemeinsam, dass bei ihnen die genaue Anzahl der auf dem Substrat bzw. der Oberfläche immobilisierten Fängermoleküle nicht genau bestimmt ist. Dies ist insbesondere bei einem quantitativen Nachweis von makromolekularen Biopolymeren nachteilig.The abovementioned methods for detecting macromolecular biopolymers have in common that the exact number of capture molecules immobilized on the substrate or surface is not precisely determined. This is particularly disadvantageous in the case of quantitative detection of macromolecular biopolymers.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein alternatives Verfahren für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren bereitzustellen.The problem underlying the invention is to provide an alternative method for the detection of macromolecular biopolymers.
Das Problem wird gelöst durch die Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen .The problem is solved by the method with the features according to the independent claims.
Bei einem solchem Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren verwendet. Dabei ist die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von Biopolymeren ein Nanopartikel .Such a method for detecting macromolecular biopolymers uses at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers. The at least one unit for immobilizing biopolymers is a nanoparticle.
Bei einem ersten Verfahren wird die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fängermolekülen versehen, wobei die Fängermoleküle makromolekulare Biopolymere binden können. Dann wird eine zu untersuchende Probe mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren in Kontakt gebracht wird, wobei die zu untersuchende Probe die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere enthalten kann. Dabei werden in der zu untersuchenden Probe enthaltene makromolekulare Biopolymere an den Fängermolekülen gebunden und die makromolekularen Biopolymere werden mittels eines durch eine Markierung ausgesandten Signals erfasst. Einfach ausgedrückt zeichnen sich die vorliegenden Verfahren gegenüber den bekannten Verfahren zur Erfassung von makromolekularen Biopolymer dadurch aus, dass sie als Einheit bzw. Einheiten zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren (mittels Fängermolekülen) Nanopartikel verwenden .In a first method, the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers is provided with capture molecules, the capture molecules being able to bind macromolecular biopolymers. A sample to be examined is then brought into contact with the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, wherein the sample to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected. The macromolecular biopolymers contained in the sample to be examined are bound to the capture molecules and the macromolecular biopolymers are detected by means of a signal emitted by a label. In simple terms, the present methods are distinguished from the known methods for detecting macromolecular biopolymer in that they use nanoparticles as a unit or units for immobilizing macromolecular biopolymers (by means of capture molecules).
Unter einem Nanopartikel wird im Sinne der Erfindung ein Partikel verstanden, der durch sogenannte Nanostrukturierungs-Verfahren erhalten werden kann. Nanostrukturierungs-Verfahren, die zur Erzeugung solcher Nanopartikel auf geeigneten Substraten herangezogen werden können, sind beispielsweise die in [12] und [13] beschriebene Verwendung von Block-Copolymer-Microemulsionen oder die in [14] beschriebenen Verwendung von Kolloidpartikeln als Strukturierungsmasken. Das in [14] beschriebene Verfahren ist im Prinzip analog zu einem im Bereich der Substrat- Strukturierung üblicherweise eingesetzten Lithographie- Verfahren. Daher sei hier betont, dass ein Nanopartikel im Sinne der Erfindung nicht auf diejenigen Partikel beschränkt ist, die durch eines der hier beispielhaft genannten Verfahren erhalten werden. Vielmehr ist ein solcher Nanopartikel jeder Partikel, dessen Durchmesser im Nanometer- Bereich liegt, d.h. allgemein zwischen 2 und 50 nm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 10 nm.For the purposes of the invention, a nanoparticle is understood to mean a particle which is characterized by so-called Nanostructuring processes can be obtained. Nanostructuring methods that can be used to produce such nanoparticles on suitable substrates are, for example, the use of block copolymer microemulsions described in [12] and [13] or the use of colloid particles as structuring masks described in [14]. The method described in [14] is in principle analogous to a lithography method usually used in the field of substrate structuring. It should therefore be emphasized here that a nanoparticle in the sense of the invention is not restricted to those particles which are obtained by one of the methods mentioned here by way of example. Rather, such a nanoparticle is any particle whose diameter is in the nanometer range, ie generally between 2 and 50 nm, preferably in the range from 5 to 20 nm, particularly preferably in the range from 5 to 10 nm.
Eine "Einheit zur Immobilisierung, die ein Nanopartikel ist", die im folgenden auch nanopartikelförmige Einheit genannt wird, ist folglich ein oben beschriebener Nanopartikel, der eine Oberfläche aufweist, auf der die Fängermoleküle immobilisiert werden können, d.h. die Oberfläche ist so beschaffen, dass an ihr die Fängermoleküle durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen binden können. Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe oder ionische (elektrostatische) Wechselwirkungen und kovalente Bindungen ein. Beispiele für geeignete Oberflächen-Materialien, die für die mindestens eine nanopartikelförmige Einheit zur Immobilisierung verwendet werden können, sind Metalle wie Gold oder Silber, halbleitende Materialien wie Silizium, Kunststoffe wie Polyethylen- oder Polypropylen oder Siliziumdioxid, z.B. in Form von Glas. Nanopartikelförmige Einheiten aus Kunststoffen und Siliziumdioxid sind dabei durch Verwendung der in [14] beschriebenen Kolloid asken- Verfahren erhältlich Nanopartikelförmige Einheiten aus halbleitenden Materialien wie Silizium können beispielsweise auch durch das Stranski-Krastanov-Verfahren gebildet werdenA "unit for immobilization, which is a nanoparticle", which is also referred to below as a nanoparticle-shaped unit, is consequently a nanoparticle described above, which has a surface on which the capture molecules can be immobilized, ie the surface is such that you can bind the capture molecules through physical or chemical interactions. These interactions include hydrophobic or ionic (electrostatic) interactions and covalent bonds. Examples of suitable surface materials that can be used for the at least one nanoparticle-shaped unit for immobilization are metals such as gold or silver, semiconducting materials such as silicon, plastics such as polyethylene or polypropylene or silicon dioxide, for example in the form of glass. Nanoparticulate units made of plastics and silicon dioxide are asken by using the colloid described in [14]. Process available Nanoparticulate units made of semiconducting materials such as silicon can also be formed, for example, by the Stranski-Krastanov process
Durch Oxidation solcher Nanopartikel aus Silizium sind weiterhin nanopartikelförmige Einheiten aus Siliziumdioxid erhältlich.By oxidizing such nanoparticles from silicon, nanoparticle-shaped units made from silicon dioxide are still available.
Wenn eines der m [12] bis [14] genannten oder ein dazu entsprechendes Herstellungsverfahren für die Erzeugung der nanopartikelfor igen Einheiten zum Immob lisieren angewendet wird, nehmen diese Einheiten auf den eingesetzten Substratoberflachen, beispielweise von Metall- oder Oxid- Oberflachen von Photodioden oder Elektroden eine regelmäßige Anordnung ein. Die einzelnen Einheiten weisen dabei üblicherweise Abstände voneinander im Bereich einiger 10 Nano eter, beispielsweise von ca. 10 bis 30 nm auf diesen Oberflachen auf. Die Art der Anordnung und der Abstand der Nanopartikel voneinander hangt ebenso wie ihre Große von dem jeweiligen Verfahren zur Ausbildung der Nanopartikel ab.If one of the m [12] to [14] mentioned or a corresponding manufacturing process is used for the production of the nanoparticle-shaped units for immobilization, these units take on the substrate surfaces used, for example metal or oxide surfaces of photodiodes or electrodes a regular order. The individual units usually have distances from one another in the range of a few 10 nanometers, for example from approximately 10 to 30 nm, on these surfaces. The type of arrangement and the distance of the nanoparticles from one another, as well as their size, depend on the particular method for forming the nanoparticles.
Ein Vorteil bei der Verwendung einer oder mehrerer Einheiten zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, die als Nanopartikel vorliegen, besteht darin, dass auf diesen Nanopartikeln eine genau definierte Anzahl von Fangermolekulen immobilisiert werden kann. Im optimalen Fall kann e n einziges Fangermolekul pro nanopartikelformiger Einheit gebunden werden Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Nanopartikeln als Einheiten zum Immobilisieren bietet sich dadurch, dass durch den Abstand der Nanopartikel untereinander, d h die räumliche Trennung der Fangermolekule, eine bessere räumliche Zuganglichkeit der Fanger olekule f r die daran bindenden makromolekularen Biopolymere gegeben ist und somit die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen Fängermolekül und nachzuweisendem Molekül erhöht wird. Die Ausbildung alsAn advantage of using one or more units for immobilizing macromolecular biopolymers that are present as nanoparticles is that a precisely defined number of capture molecules can be immobilized on these nanoparticles. In the optimal case, a single capture molecule can be bound per nanoparticle-shaped unit.Another advantage of using nanoparticles as immobilization units is that the spacing of the nanoparticles from one another, i.e. the spatial separation of the capture molecules, means that the capture olekules are more accessible for the binding macromolecular biopolymers and thus the probability an interaction between the capture molecule and the molecule to be detected is increased. Training as
Nanopartikel vergrößert zudem die effektive Oberfläche.Nanoparticles also increase the effective surface.
Alle diese Vorteile sind insbesondere bei der quantitativen Erfassung von makromolekularen Biopolymeren nützlich, so dass in einer bevorzugten Ausgestaltung das vorliegende Verfahren zur quantitativen Erfassung von makromolekularen Biopolymeren eingesetzt wird.All of these advantages are particularly useful in the quantitative detection of macromolecular biopolymers, so that in a preferred embodiment the present method is used for the quantitative detection of macromolecular biopolymers.
Unter Erfassen wird im Sinne der Erfindung sowohl der qualitative als auch quantitative Nachweis von makromolekularen Biopolymeren in einem zu untersuchenden Analyten verstanden. Dies bedeutet, dass der Begriff "Erfassen" ebenfalls einschließt, die Abwesenheit von makromolekularen Biopolymeren im Analyten festzustellen.For the purposes of the invention, detection means both the qualitative and quantitative detection of macromolecular biopolymers in an analyte to be examined. This means that the term "capture" also includes determining the absence of macromolecular biopolymers in the analyte.
Allgemein kann jedes beliebige Substratmaterial verwendet werden, um darauf die nanopartikelfömige Einheit oder Einheiten auszubilden. So können diese z.B. auf einer Glasoberfläche, einem Silizium-Wafer, einer Metalloberfläche, einer KunststoffOberfläche wie z.B. einer Mikrotiterplatte ausgebildet werden.In general, any substrate material can be used to form the nanoparticle-shaped unit or units thereon. So they can e.g. on a glass surface, a silicon wafer, a metal surface, a plastic surface such as a microtiter plate are formed.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf einer Elektrode oder einer Photodiode aufgebracht ist. Vorzugsweise sind die mehreren Einheiten zum Immobilisieren auf der Elektrode oder der Photodiode, bzw. auf dem Substrat allgemein, in einer regelmäßigen Anordnung aufgebracht.In a preferred embodiment of the method, the at least one immobilization unit is applied to an electrode or a photodiode. The multiple units for immobilization are preferably applied in a regular arrangement on the electrode or the photodiode, or on the substrate in general.
Bei einem ersten hier offenbarten Verfahren ist die Markierung, die zur Erfassung des makromolekularen Biopolymers dient, an dem Fängermolekül angebracht und nicht wie bei den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren an dem zu erfassenden makromolekularen Biopolymer. Die Tatsache, dass anstelle der zu erfassenden Biopolymere die Fängermoleküle vor ihrer Immobilisierung mit einer Markierung versehen werden, hat den Vorteil, dass die das Biopolymer möglicherweise enthaltende, zu untersuchende Probe nicht mehr einer Markierungsreaktion unterworfen werden uss, bei der möglicherweise ein Teil der Probe oder eventuell die gesamte Probe verloren geht oder bei der Markierung nicht vollständig abläuft .In a first method disclosed here, the label, which is used to detect the macromolecular biopolymer, is attached to the capture molecule and not as in the methods described in the prior art the macromolecular biopolymer to be detected. The fact that, instead of the biopolymers to be detected, the capture molecules are provided with a label before their immobilization has the advantage that the sample to be examined which may contain the biopolymer is no longer subjected to a labeling reaction, in which part of the sample or the entire sample may be lost or may not run completely when marked.
Allerdings ist es auch möglich, dass die Markierung an dem zu erfassenden makromolekularen Biopolymer angebracht ist.However, it is also possible that the marking is attached to the macromolecular biopolymer to be detected.
Bei dem ersten hier beschriebenen Verfahren wird durch die Markierung ein Signal erzeugt. In einer Ausgestaltung ist ein solches Signal ein elektrischer Strom. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Signal sichtbares Licht oder UV-Licht. Das Signal kann auch aus radioaktiver Strahlung oder Röntgenlicht bestehen.In the first method described here, the marking generates a signal. In one embodiment, such a signal is an electrical current. In a further embodiment, the signal is visible light or UV light. The signal can also consist of radioactive radiation or X-rays.
Daraus wird ersichtlich, dass bei dem Verfahren verschiedene Arten der Markierung, die nachfolgend auch als Reportergruppe bezeichnet wird, eingesetzt werden können.From this it can be seen that different types of marking, which is also referred to below as a reporter group, can be used in the method.
Zum einen kann die Markierung eine (chemische) Verbindung oder Gruppe sein, die unmittelbar in der Lage ist, ein zur Erfassung der makromolekularen Biopolymere einsetzbares Signal erzeugen. Die Erzeugung dieses Signals kann dabei extern angeregt werden, jedoch kann die Markierung das Signal auch ohne äußere Anregung abgeben. Im erstgenannten Fall ist die Markierung beispielsweise ein Fluoreszenz-Farbstoff (Fluorophor) oder ein Chemilumineszenz-Farbstoff , im zweitgenannten Fall beispielsweise ein Radioisotop.On the one hand, the label can be a (chemical) compound or group that is directly capable of generating a signal that can be used to detect the macromolecular biopolymers. The generation of this signal can be stimulated externally, but the marking can also emit the signal without external excitation. In the former case, the label is, for example, a fluorescent dye (fluorophore) or a chemiluminescent dye, in the latter case, for example, a radioisotope.
Zum anderen kann die Markierung eine Substanz sein, die nur mittelbar ein Signal zur Erfassung der makromolekularen Biopolymere erzeugt, d.h. eine Substanz, die die Erzeugung des Signals veranlasst. Beispielsweise kann eine solche Reportergruppe ein Enzym sein, welches eine chemische Reaktion katalysiert, und die chemische Reaktion zur Erfassung der Biopolymere herangezogen wird. Beispiele für solche Enzyme sind Alkalische Phosphatase, Glutathion-S- Transferase, Superoxid-Dismutase, Meerrechtich-Peroxidase, alpha-Galaktosidase und beta-Galaktosidase . Diese Enzyme sind m der Lage, geeignete Substrate zu spalten, die farbige Endprodukte oder z.B. Verbindungen ergeben, die m dem vorstehend beschriebenen Reduktιons-/Oxιdatιons-Recyclmg- Verfahren eingesetzt werden können. Zu der Gruppe der Markierungen, die nur mittelbar ein zum Nachweis von makromolekularen Biopolymere einsetzbares Signal erzeugen, gehören ferner Liganden für Bindungsproteine und Substrate für Enzyme. Diese Markierung werden hier allgemein als Enzym- Liganden bezeichnet. Beispiele für solche als Markierung einsetzbare Enzym-Liganden sind Biotm, Digoxigenm oder Substrate für die oben genannten Enzyme.On the other hand, the label can be a substance that only indirectly generates a signal for the detection of the macromolecular biopolymers, ie a substance that generates it of the signal. For example, such a reporter group can be an enzyme that catalyzes a chemical reaction and the chemical reaction is used to detect the biopolymers. Examples of such enzymes are alkaline phosphatase, glutathione-S-transferase, superoxide dismutase, marine right peroxidase, alpha-galactosidase and beta-galactosidase. These enzymes are capable of cleaving suitable substrates which give colored end products or, for example, compounds which can be used in the above-described reduction / oxide recycling process. The group of labels that only indirectly generate a signal that can be used to detect macromolecular biopolymers also includes ligands for binding proteins and substrates for enzymes. This label is commonly referred to here as enzyme ligands. Examples of such enzyme ligands that can be used as labels are biotm, digoxigenm or substrates for the above-mentioned enzymes.
Ein zweites hier offenbartes Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren verwendet eineA second method for detecting macromolecular biopolymers disclosed here uses one
Elektrodenanordnung, die eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist.Electrode arrangement which has a first electrode and a second electrode.
Bei diesem zweiten Verfahren ist die erste Elektrode mit mindestens einer Einheit zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren versehen. Die Einheit zur Immobilisierung ist dabei, wie auch bei dem ersten Verfahren, ein Nanopartikel Bei diesem Verfahren wird die auf der ersten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fangermolekulen versehen, wobei die Fangermolekule makromolekulare Biopolymere binden können. Dann wird bei dem Verfahren ein Medium mit den Elektroden in Kontakt gebracht, wobei das zu untersuchende Medium die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere enthalten kann In der zu untersuchenden Probe enthaltene makromolekulare Biopolymere werden dabei an den Fängermolekülen gebunden. Anschließend werden die makromolekularen Biopolymere mittels einer elektrischen Messung erfasst.In this second method, the first electrode is provided with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers. The immobilization unit, like the first method, is a nanoparticle. In this method, the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers on the first electrode is provided with capture molecules, the capture molecules being able to bind macromolecular biopolymers. Then, in the method, a medium is brought into contact with the electrodes, and the medium to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected. The macromolecular biopolymers contained in the sample to be examined are bound to the capture molecules. The macromolecular biopolymers are then recorded using an electrical measurement.
In einer Weiterbildung des zweiten Verfahrens ist auch die zweite Elektrode mit mindestens einer Einheit zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren versehen, wobei diese mindestens eine Einheit zur Immobilisierung ebenfalls ein Nanopartikel ist. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird die auf der zweiten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fängermolekülen versehen, wobei die Fängermoleküle makromolekulare Biopolymere binden können .In a further development of the second method, the second electrode is also provided with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, this at least one unit for immobilizing also being a nanoparticle. In this embodiment of the method, the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers on the second electrode is provided with capture molecules, the capture molecules being able to bind macromolecular biopolymers.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des zweiten Verfahrens wird vor dem Schritt a) oder dem Schritt b) eine erste elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt wird, d.h. entweder zu einem Zeitpunkt, zu dem die Fängermoleküle auf den Elektroden vorhanden sind (vor Schritt c) oder nicht (vor Schritt a) . In diesen Fällen wird nach Schritt c) eine zweite elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt. Dann werden abhängig von einem Vergleich der Ergebnisse der zwei elektrischen Messungen an den Elektroden die makromolekularen Biopolymere erfasst.In a further embodiment of the second method, a first electrical measurement is carried out on the electrodes before step a) or step b), i.e. either at a time when the capture molecules are present on the electrodes (before step c) or not (before step a). In these cases, a second electrical measurement is carried out on the electrodes after step c). Then, depending on a comparison of the results of the two electrical measurements on the electrodes, the macromolecular biopolymers are recorded.
Bei dieser Ausgestaltung wird bei der ersten elektrischen Messung und der zweiten elektrischen Messung vorzugsweise die Kapazität zwischen den Elektroden, der elektrische Widerstand der Elektroden gemessen oder eine Impedanzmessung durchgeführt .In this embodiment, the capacitance between the electrodes, the electrical resistance of the electrodes or an impedance measurement are preferably measured in the first electrical measurement and the second electrical measurement.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des zweiten Verfahren werden erste und zweite Fängermoleküle verwendet. Dabei ist die auf der ersten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit den ersten Fängermolekülen versehen, die makromolekulare Biopolymere eines ersten Typs binden können. Die auf der zweiten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ist mit zweiten Fängermolekülen versehen, die makromolekulare Biopolymere eines zweiten Typs binden können.In a further embodiment of the second method, first and second capture molecules are used. The at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers with the is located on the first electrode provide first capture molecules that can bind macromolecular biopolymers of a first type. The at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers located on the second electrode is provided with second capture molecules which can bind macromolecular biopolymers of a second type.
Bei dieser Ausbildung wird ein Medium mit den Elektroden in Kontakt gebracht wird derart, dass, falls sich in dem Medium makromolekulare Biopolymere des ersten Typs befinden, diese an die ersten Fängermoleküle binden können, und, falls sich in dem Medium makromolekulare Biopolymere des zweiten Typs befinden, diese an die zweiten Fängermoleküle binden können. Anschließend werden nicht gebundene erste Fängermoleküle oder zweite Fängermoleküle von der jeweiligen Elektrode entfernt werden und danach die zweite elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt .In this embodiment, a medium is brought into contact with the electrodes in such a way that if there are macromolecular biopolymers of the first type in the medium, they can bind to the first capture molecules and if there are macromolecular biopolymers of the second type in the medium , can bind them to the second capture molecules. Subsequently, unbound first catcher molecules or second catcher molecules are removed from the respective electrode and the second electrical measurement is then carried out on the electrodes.
Als Elektrodenanordnung, die die eine Elektrode aufweist, die mit mindestens einer nanopartikelförmigen Einheit zum Immobilisieren versehen ist, kann hier eine Plattenelektrodenanordnung oder eineA plate electrode arrangement or an electrode arrangement can be used as the electrode arrangement which has the one electrode which is provided with at least one nanoparticle-shaped unit for immobilization
Interdigitalelektrodenanordnung, wie aus [1] bekannt, eingesetzt werden. Bei einer Interdigitalelektrodenanordnung können selbstverständlich mehrere oder alle „Finger" der Anordnung nanostrukturiert sein.Interdigital electrode arrangement, as known from [1], can be used. In the case of an interdigital electrode arrangement, several or all “fingers” of the arrangement can of course be nanostructured.
Ferner können verschiedene Anordnungen der Parallelschaltung von Elektroden in der Elektrodenanordnung vorgesehen sein, beispielsweise können die Elektroden als zylindrische Elemente ausgestaltet sein, die jeweils konzentrisch umeinander angeordnet sind und elektrisch voneinander beispielsweise mittels eines geeigneten Dielektrikums voneinander isoliert sind, so dass sich ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden ausbildet. Anzumerken ist, dass es selbstverständlich auch bei dem ersten Verfahren möglich ist, nicht nur eine einzige Art von Biopolymeren in einer einzelnen Messreihe zu erfassen. Vielmehr können mehrere makromolekulare Biopolymere gleichzeitig oder auch nacheinander erfasst werden. Dazu können auf der Einheit zum Immobilisieren mehrere Arten von Fängermolekülen, von denen jedes eine (spezifische) Bindungsaffinität für ein bestimmtes zu erfassendes Biopolymer aufweist, gebunden werden, und/oder es können mehrere Einheiten zum Immobilisieren eingesetzt werden, wobei an jeder von diesen Einheiten nur eine Art von Fängermolekül gebunden wird. Bei diesen Mehrfachbestimmungen wird für jedes zu erfassende makromolekulare Biopolymer vorzugsweise eine von den anderen Markierungen unterscheidbare Markierung verwendet. Beispielsweise können zwei oder mehrere Fluorophore als Markierungen verwendet werden, wobei jedes dieser Fluorophore vorzugsweise eine spezifische Anregungsund Emissionswellenlänge besitzt.Furthermore, different arrangements of the parallel connection of electrodes can be provided in the electrode arrangement, for example the electrodes can be configured as cylindrical elements, which are each arranged concentrically around one another and are electrically isolated from one another, for example by means of a suitable dielectric, so that an electric field between the electrodes Forms electrodes. It should be noted that it is of course also possible with the first method not to record just one type of biopolymer in a single series of measurements. Rather, several macromolecular biopolymers can be recorded simultaneously or one after the other. For this purpose, several types of capture molecules, each of which has a (specific) binding affinity for a specific biopolymer to be detected, can be bound on the immobilization unit and / or several immobilization units can be used, each of these units only a kind of capture molecule is bound. In these multiple determinations, a mark that can be distinguished from the other markings is preferably used for each macromolecular biopolymer to be detected. For example, two or more fluorophores can be used as labels, each of these fluorophores preferably having a specific excitation and emission wavelength.
Unter makromolekularen Biopolymeren, die mit Hilfe der hier offenbarten Verfahren erfasst werden können, werden zum einen Nukleinsäuren wie DNA und RNA-Moleküle oder auch kürzere Nukleinsäuren wie Oligonukleotide mit 10 bis 20 BasenpaarenMacromolecular biopolymers that can be detected with the aid of the methods disclosed here include nucleic acids such as DNA and RNA molecules or shorter nucleic acids such as oligonucleotides with 10 to 20 base pairs
(bp) verstanden. Die Nukleinsäuren können doppelsträngig sein, jedoch auch zumindest einzelsträngige Bereiche aufweisen oder, zum Beispiel durch vorangehende thermische Denaturierung (Strangtrennung) für ihren Nachweis, als Einzelstränge vorliegen. Die Sequenz der zu erfassenden Nukleinsäuren kann dabei zumindest teilweise oder vollständig vorgegeben, d.h. bekannt sein. Weitere makromolekulare Biopolymere sind Proteine oder Peptide. Diese können aus den üblicherweise in Proteinen vorkommenden 20 Aminosäuren aufgebaut sein, aber auch natürlich nicht vorkommende Aminosäuren enthalten oder z.B. durch Zuckerreste(bp) understood. The nucleic acids can be double-stranded, but also have at least single-stranded regions or, for example by preceding thermal denaturation (strand separation) for their detection, can be present as single strands. The sequence of the nucleic acids to be detected can be at least partially or completely predetermined, i.e. be known. Other macromolecular biopolymers are proteins or peptides. These can be made up of the 20 amino acids usually found in proteins, but can also contain naturally occurring amino acids or e.g. due to sugar residues
(Oligosaccharide) modifiziert sein oder post-translationale Modifikationen enthalten. Ferner können auch Komplexe aus mehreren unterschiedlichen makromolekularen Biopolymeren erfasst werden, beispielsweise Komplexe aus Nukleinsäuren und(Oligosaccharides) may be modified or post-translational Modifications included. Furthermore, complexes from several different macromolecular biopolymers can also be detected, for example complexes from nucleic acids and
Proteinen .Proteins.
Sollen als makromolekulare Biopolymere Proteine oder Peptide erfasst werden, so werden als Fängermoleküle bevorzugt Liganden verwendet, die die zu erfassenden Proteine oder Peptide spezifisch binden können. Die Fängermoleküle/ Liganden sind vorzugsweise durch kovalente Bindungen mit dem Mittel zur Immobilisierung verknüpft.If proteins or peptides are to be detected as macromolecular biopolymers, ligands which can specifically bind the proteins or peptides to be detected are preferably used as capture molecules. The capture molecules / ligands are preferably linked to the immobilization agent by covalent bonds.
Als Liganden für Proteine und Peptide kommen niedermolekulare Enzymagonisten oder Enzymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder irgendein Molekül in Betracht, das die Fähigkeit besitzt, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden .Low-molecular enzyme agonists or enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugars or antibodies or any molecule which has the ability to specifically bind proteins or peptides can be considered as ligands for proteins and peptides.
Wenn DNA-Moleküle (Nukleinsäuren oder Oligonukleotide) einer vorgegeben Nukleotidsequenz mit den hier beschriebenen Verfahren erfasst werden, so werden sie vorzugsweise in einzelsträngiger Form erfasst, d.h. sie werden ggf. vor der Erfassung durch Denaturierung wie vorstehend erläutert in Einzelstränge überführt. In diesem Fall werden als Fängermoleküle dann vorzugsweise DNA-Sondenmoleküle mit einer zu dem einzelsträngigen Bereich komplementären Sequenz verwendet. Die DNA-Sondenmoleküle können wiederum Oligonukleotide oder auch längere Nukleotidsequenzen aufweisen, solange diese keine der intermolekularen Strukturen ausbilden, die eine Hybridisierung des Sondenmoleküls mit der zu erfassenden Nukleinsäure verhindern. Allerdings ist es auch möglich, DNA-bindende Proteine oder Agenzien als Fangermolekül einzusetzen. Bei einem ersten Verfahrensschritt der hier beschriebenen Verfahren wird die zumindest eine Einheit zum Immobilisieren mit den Fängermolekülen versehen. Dabei können bei dem ersten Verfahren diese Fängermoleküle eine Markierung aufweisen, die ein detektierbares Signal erzeugen kann.If DNA molecules (nucleic acids or oligonucleotides) of a given nucleotide sequence are recorded using the methods described here, they are preferably recorded in single-stranded form, ie, if necessary, they are converted into single strands by denaturation as explained above. In this case, DNA probe molecules with a sequence complementary to the single-stranded region are then preferably used as capture molecules. The DNA probe molecules can in turn have oligonucleotides or longer nucleotide sequences as long as they do not form any of the intermolecular structures that prevent hybridization of the probe molecule with the nucleic acid to be detected. However, it is also possible to use DNA-binding proteins or agents as capture molecules. In a first process step of the processes described here, the at least one immobilization unit is provided with the capture molecules. In the first method, these capture molecules can have a label that can generate a detectable signal.
Eine zu untersuchende Probe, vorzugsweise ein flüssiges Medium wie ein Elektrolyt, wird dann mit der Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht. Dies erfolgt in der Weise, dass die makromolekularen Biopolymere an die Fängermoleküle binden können. Für den Fall, dass sich in dem Medium mehrere zu erfassende makromolekulare Biopolymere befinden, werden die Bedingungen so gewählt, dass diese jeweils zur gleichen Zeit oder nacheinander an ihre entsprechendes Fängermolekül binden können.A sample to be examined, preferably a liquid medium such as an electrolyte, is then brought into contact with the immobilization unit. This is done in such a way that the macromolecular biopolymers can bind to the capture molecules. In the event that there are several macromolecular biopolymers to be detected in the medium, the conditions are selected such that they can bind to their corresponding capture molecule at the same time or one after the other.
Nachdem eine ausreichende Zeitdauer gewartet worden ist, damit die makromolekularen Biopolymere an das entsprechende Fängermolekül bzw. die entsprechenden Fängermoleküle binden konnten, werden nicht gebundene Fängermoleküle von der Einheit bzw. den Einheiten zum Immobilisieren, auf der bzw. auf denen sie sich befinden, entfernt.After waiting a sufficient period of time for the macromolecular biopolymers to bind to the corresponding capture molecule or molecules, unbound capture molecules are removed from the immobilization unit or units on which they are located.
Sollen als makromolekulare Biopolymere Proteine oder Peptide erfasst werden, so werden die nicht gebundenen, als Fängermoleküle verwendeten Liganden von der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren entfernt werden, indem ein Material mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht wird, wobei das Material imstande ist, die chemische Verbindung zwischen dem Liganden und der Einheit zum Immobilisieren zu hydrolysieren . Für den Fall, dass die Fangermolekule niedermolekulareIf proteins or peptides are to be detected as macromolecular biopolymers, the unbound ligands used as capture molecules are removed from the at least one immobilization unit by bringing a material into contact with the at least one immobilization unit, the material being able to do so to hydrolyze the chemical bond between the ligand and the immobilization unit. In the event that the capture molecules are low molecular weight
Liganden sind, lassen sich diese, falls ungebunden, auch enzymatisch entfernenIf they are ligands, they can, if unbound, also be removed enzymatically
Hierzu sind die Liganden über eine enzymatisch spaltbare Verbindung kovalent mit der Einheit zur Immobilisierung verbunden, beispielsweise über eine Esterverbindung.For this purpose, the ligands are covalently linked to the immobilization unit via an enzymatically cleavable compound, for example via an ester compound.
In diesem Falle kann beispielsweise eine Carboxylester- Hydrolase (Esterase) eingesetzt werden, um ungebundene Ligandenmolekule zu entfernen. Dieses Enzym hydrolysiert diejenige Esterbmdung zwischen der Einheit zur Immobilisierung und dem jeweiligen Ligandenmolekul , das nicht von einem Peptid oder Protein gebunden wurde. Dagegen bleiben die Esterverbindungen zwischen der Einheit zum Immobilisieren und denjenigen Molekülen, die eine Bindungswechselwirkung mit Peptiden oder Proteinen eingegangen sind, aufgrund der verminderten sterischen Zuganglichkeit , die durch die Raumerfullung des gebundenen Peptids oder Proteins eintritt, unversehrt .In this case, for example, a carboxyl ester hydrolase (esterase) can be used to remove unbound ligand molecules. This enzyme hydrolyzes the ester bond between the immobilization unit and the respective ligand molecule that was not bound by a peptide or protein. In contrast, the ester compounds between the immobilization unit and those molecules that have entered into a binding interaction with peptides or proteins remain intact due to the reduced steric accessibility that occurs due to the space filling of the bound peptide or protein.
Für den Fall, dass die Fangermolekule DNA-Strange sind, erfolgt die Entfernung der nicht gebundenen Sondenmolekule enzymatisch, beispielsweise mit Hilfe eines Enzyms mit Nukleaseaktivitat . Vorzugsweise wird als Enzym mit Nukleaseaktivitat ein Enzym verwendet, das selektiv einzelstr ngige DNA abbaut Hierbei ist die Selektivität des abbauenden Enzyms für einzelsträngige DNA zu berücksichtigen. Besitzt das für den Abbau nicht hybridisierter DNA- Emzelstrange ausgewählte Enzym diese Selektivität nicht, so wird möglicherweise auch die zu erfassende DNA, die m Form eines doppelstrangigen Hybrids mit dem Sonden olekul vorliegt, unerwunschterwe se ebenfalls abgebaut Insbesondere können zum Entfernen der nicht gebundenen DNA- Sondenmolekül von der jeweiligen Elektrode DNA Nukleasen, beispielsweise eine Nuklease aus Mung-Bohnen, die Nuklease Pl oder die Nuklease Sl verwendet werden. Gleichfalls können DNA-Polymeräsen, die aufgrund ihrer 5 ' -> 3' Exonukleaseaktivität oder ihrerIn the event that the capture molecules are DNA strands, the unbound probe molecules are removed enzymatically, for example with the aid of an enzyme with nuclease activity. An enzyme which selectively degrades single-stranded DNA is preferably used as the enzyme with nuclease activity. The selectivity of the degrading enzyme for single-stranded DNA must be taken into account here. If the enzyme selected for the degradation of non-hybridized DNA single strands does not have this selectivity, the DNA to be detected, which is in the form of a double-stranded hybrid with the olekul probe, may also be undesirably degraded In particular, DNA nucleases, for example a nuclease from mung beans, the nuclease P1 or the nuclease S1 can be used to remove the unbound DNA probe molecule from the respective electrode. Likewise, DNA polymerase, which due to their 5 '->3' exonuclease activity or their
3 ' -> 5' Exonukleaseaktivität imstande sind, einzelsträngige DNA abzubauen, verwendet werden.3 '-> 5' exonuclease activity are able to degrade single-stranded DNA.
Nach dem Entfernen der nicht gebundenen Fängermoleküle werden die makromolekularen Biopolymere erfasst. Bei dem ersten Verfahren erfolgt dies mittels der Markierung. Beispielsweise wird entweder ein von der Markierung spontan ausgesandtes Signal wie radioaktive Strahlung oder durch eines durch externe Anregung verursachtes Signal wie ausgesandte Fluoreszenzstrahlung gemessen. Bei dem zweiten Verfahren geschieht die Erfassung mittels einer elektrischen Messung.After the unbound capture molecules have been removed, the macromolecular biopolymers are recorded. In the first method, this is done by means of the marking. For example, either a signal spontaneously emitted by the marking, such as radioactive radiation, or a signal caused by external excitation, such as emitted fluorescent radiation, is measured. In the second method, the detection takes place by means of an electrical measurement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert .Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Figuren la bis ld die Ausbildung eines Biosensors, mit dem ein hier beschriebenes Verfahren zur Erfassung von makromolekularen Biopolymeren durchgeführt werden kann ;Figures la to ld the formation of a biosensor with which a method described here for the detection of macromolecular biopolymers can be carried out;
Figuren 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden, mittels derer die Existenz zu erfassender DNA-Stränge in einem Elektrolyt (Figur 2a) bzw. deren Nichtexistenz (Figur 2b) nachgewiesen werden können;FIGS. 2a and 2b show a sketch of two planar electrodes, by means of which the existence of DNA strands to be detected in an electrolyte (FIG. 2a) or their nonexistence (FIG. 2b) can be verified;
Figuren 3a bis 3e einen Biosensor zu unterschiedlichenFigures 3a to 3e a biosensor to different
Verfahrenszuständen, anhand denen ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird;Process states on the basis of which a process according to an embodiment of the invention is explained;
Figuren 4a bis 4c Skizzen eines Biosensors gemäß dem Stand der Technik, anhand derer einzelne Zustände im Rahmen des Redox-Recycling-Vorgangs erläutert werden;Figures 4a to 4c sketches of a biosensor according to the prior art, on the basis of which individual conditions are explained in the context of the redox recycling process;
Figur 5 einen Funktionsverlauf eines Kreisstroms gemäß dem Stand der Technik im Rahmen eines Redox-Recycling- Vorgangs ;FIG. 5 shows a functional curve of a circulating current according to the prior art in the context of a redox recycling process;
Figuren 6a und 6b einen Biosensor, mit dem ein Redox-FIGS. 6a and 6b show a biosensor with which a redox
Recycling-Vorgang als weitere Ausführungsform eines hier beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden kann.Recycling process can be carried out as a further embodiment of a method described here.
Figuren 7a bis 7d eine Elektrodenanordnung zu unterschiedlichen Verfahrenszuständen, anhand denen ein weiteres Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird;FIGS. 7a to 7d an electrode arrangement for different process states, on the basis of which a further method according to an embodiment of the invention is explained;
Fig.l zeigt einen Biosensor 100, der mit mindestens einer Einheit zur Immobilisierung in Form von Nanopartikeln ausgestaltet ist, und mit dem die hier beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden können.1 shows a biosensor 100 which is designed with at least one immobilization unit in the form of nanoparticles and with which the method described here can be carried out.
Der Biosensor 100 weist eine Schicht 101 aus einem geeigneten Substratmaterial wie z.B. Silizium oder Gold und eine weitere darauf befindliche Schicht 102 auf (Fig.la). Die zweite Schicht 102 besteht dabei aus einem Metall, das nicht für die Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren geeignet ist. Ein solches Metall ist z.B. Platin.The biosensor 100 has a layer 101 made of a suitable substrate material such as e.g. Silicon or gold and another layer 102 thereon on (Fig.la). The second layer 102 consists of a metal that is not suitable for the immobilization of macromolecular biopolymers. Such a metal is e.g. Platinum.
Auf der Schicht 102 werden die Einheiten zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, die die Form von Nanopartikeln aufweisen, durch folgendes Verfahren gebildet. Eine Lösung von 0,5 Gew.-% Block-Copolymer Polystryol (PS) - block-poly (2-vinylpyridin) (P2VP) der allgemeinen Formel PS(x) -b-P2VP(y) wird, wie in [12] und [13] beschrieben, mit 0,5 Äquivalenten HAuCl4-H20 pro Pyridin-Einheit zur Ausbildung von monodispersen (micellar gelösten) Gold- Partikeln versetzt, x und y geben in der Formel die Anzahl der Grundeinheiten entsprechend dem Verhältnis zwischen Monomer und Initiator an.The units for immobilizing macromolecular biopolymers in the form of nanoparticles are formed on layer 102 by the following method. A solution of 0.5% by weight block copolymer polystyrene (PS) - block-poly (2-vinylpyridine) (P2VP) of the general formula PS (x) -b-P2VP (y) is, as in [12] and [13], with 0.5 equivalents of HAuCl 4 -H 2 0 per pyridine unit to form monodisperse (micellar dissolved) gold particles, x and y in the formula give the number of basic units according to the ratio between monomer and initiator.
Nach der Bildung homogener Micellen wird aus dieser Lösung durch Reduktion mit Hydrazin, wie in [12] und [13] beschrieben, eine Monoschicht von Nanopartikeln aus Gold auf der Schicht 102 abgeschieden. Anschließend werden die organischen Bestandteile der abgeschiedenen Micellen, d.h. das Block-Copolymer, durch Plasmaätzen mittels eines Sauerstoffplasmas von der Schicht 102 entfernt (vgl. [13]). Die Goldpartikel 103, die als die Einheiten zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren dienen, bleiben bei dieser Behandlung mit Plasma unversehrt und bilden, wie in der Schnittansicht und der Draufsicht von Fig.lb veranschaulicht, eine regelmäßige Anordnung auf der Schicht 102 aus (vgl. [12]) . Die Abstände zwischen den Gold- Nanopartikeln 103 betragen in der Regel einige 10 nm, z.B. ca. 20 bis 30 nm. Die Nanopartikel besitzen vorzugsweise eine Größe im Bereich von ca. 5 bis 10 nm.After the formation of homogeneous micelles, a monolayer of gold nanoparticles is deposited on the layer 102 from this solution by reduction with hydrazine, as described in [12] and [13]. The organic components of the separated micelles, i.e. the block copolymer, removed from the layer 102 by plasma etching using an oxygen plasma (cf. [13]). The gold particles 103, which serve as the units for immobilizing macromolecular biopolymers, remain intact during this treatment with plasma and, as illustrated in the sectional view and the top view of FIG. 1b, form a regular arrangement on the layer 102 (cf. [ 12]). The distances between the gold nanoparticles 103 are usually a few 10 nm, e.g. approx. 20 to 30 nm. The nanoparticles preferably have a size in the range from approx. 5 to 10 nm.
Neben dem oben genannten Blockpolymeren sind selbstverständlich auch weitere Blockpolymere zur Ausbildung der Nanopartikel verwendbar.In addition to the block polymer mentioned above, other block polymers can of course also be used to form the nanoparticles.
Alternativ können die Einheiten 103 zum Immobilisieren in Nanopartikel-Form auf dem Biosensor erzeugt werden, wie in [14] beschrieben, indem zunächst eine Maske für die Nanostrukturierung aus Kolloidpartikel auf der Schicht 102 ausgebildet wird und dann z.B. mittels Vakuumdeposi ion Goldpartikel abgelagert werden. Nach dem Aufbringen der Nanopartikel 103 aus Gold wird der Sensor 100 derart strukturiert, dass die Schicht 102 aus Platin samt den Einheiten 103 zum Immobilisieren nur auf ausgewählten Bereichen zurückbleibt, wie dies in der Schnittansicht und der Draufsicht von Fig.lc gezeigt ist. Diese Strukturierung ist z.B. mit Hilfe jedes geeigneten gängigen chemischen Ätzverfahrens möglich.Alternatively, the units 103 for immobilization in nanoparticle form can be generated on the biosensor, as described in [14], by first forming a mask for the nanostructuring from colloid particles on the layer 102 and then depositing gold particles, for example by means of vacuum deposition. After the application of the nanoparticles 103 made of gold, the sensor 100 is structured in such a way that the layer 102 made of platinum together with the units 103 for immobilization only remains on selected areas, as is shown in the sectional view and the top view of FIG. 1c. This structuring is possible, for example, using any suitable common chemical etching process.
Mit Hilfe des so gestalteten Biosensors 100 kann eines der hier beschriebenen Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren durchgeführt werden. Fig.ld zeigt ein auf einem Gold-Nanopartikel 103 mittels der Gold- Schwefel-Kopplung immobilisiertes DNA-Fängermolekül 104.With the help of the biosensor 100 designed in this way, one of the methods described here for detecting macromolecular biopolymers can be carried out. FIG. 1d shows a DNA capture molecule 104 immobilized on a gold nanoparticle 103 by means of the gold-sulfur coupling.
Fig.3 zeigt einen Ausschnitt eines Biosensors 300, mit dem eine Ausführungsform eines hier beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden kann.3 shows a section of a biosensor 300 with which an embodiment of a method described here can be carried out.
Der Biosensor 300 weist eine erste Fotodiode 301 und eine zweite Fotodiode 302 auf, die in einer Isolatorschicht 303 aus Isolatormaterial wie Silizium angeordnet sind. Der Biosensor 300 weist weiterhin eine Oxidschicht 304 und eine zweite darauf befindliche Schicht 305 auf. Die zweite Schicht 305 besteht dabei aus einem Metall wie Platin, das nicht für die Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren geeignet ist.The biosensor 300 has a first photodiode 301 and a second photodiode 302, which are arranged in an insulator layer 303 made of insulator material such as silicon. The biosensor 300 furthermore has an oxide layer 304 and a second layer 305 thereon. The second layer 305 consists of a metal such as platinum, which is not suitable for the immobilization of macromolecular biopolymers.
Auf der Schicht 305 befinden sich die nanopartikelförmigen Einheiten 306 zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, wobei die Einheiten 306 durch das anhand Fig.l erläuterte Verfahren gebildet werden können (vgl. die Schnittansicht von Fig.3a und die Draufsicht von Fig.3b) . Die Einheiten 306 zum Immobilisieren sind aus Gold ausgebildet.The nanoparticle-shaped units 306 for immobilizing macromolecular biopolymers are located on the layer 305, the units 306 being able to be formed by the method explained with reference to FIG. 1 (cf. the sectional view of FIG. 3a and the top view of FIG. 3a). The immobilization units 306 are made of gold.
Die erste Fotodiode 301 und die zweite Fotodiode 302 sind über erste elektrische Anschlüsse 307 bzw. zweite elektrische Anschlüsse 308 mit einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden .The first photodiode 301 and the second photodiode 302 are via first electrical connections 307 and second electrical connections, respectively Connections 308 connected to an evaluation unit (not shown).
Alternativ können die Einheiten 306 zum Immobilisieren auch aus Siliziumoxid hergestellt sein, z.B. indem Siliziumpartikel durch die in [14] beschriebenen Masken und Vakuumdeposition bzw. durch das Verfahren nach Stranski- Krastanov ausgebildet werden und anschließend zu Siliziumoxid oxidiert werden. Diese so erhältichen Einheiten 306 aus Siliziumdioxid können mit einem Material beschichtet werden, das geeignet ist, Fängermoleküle zu immobilisieren.Alternatively, immobilization units 306 may be made of silicon oxide, e.g. by forming silicon particles through the masks and vacuum deposition described in [14] or by the Stranski-Krastanov method and then oxidizing them to silicon oxide. These silicon dioxide units 306 thus obtainable can be coated with a material which is suitable for immobilizing capture molecules.
Beispielsweise können bekannte Alkoxysilanderivate verwendet werden wieFor example, known alkoxysilane derivatives can be used, such as
• 3-Glycidoxypropylmethyloxysilan,3-glycidoxypropylmethyloxysilane,
• 3-Acetoxypropyltrimethoxysilan,3-acetoxypropyltrimethoxysilane,
• 3-Aminopropyltriethoxysilan,3-aminopropyltriethoxysilane,
• 4- (Hydroxybutyra ido) propyltriethoxysilan,4- (hydroxybutyra ido) propyltriethoxysilane,
• 3-N,N-bis (2-hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilan, oder andere artverwandte Materialen, die imstande sind, mit ihrem einen Ende eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des Siliziumoxids einzugehen und mit ihrem anderen Ende dem zu immobilisierenden Sondenmolekül eine chemisch reaktive Gruppe wie einen Epoxy- , Acetoxy-, Amin- oder Hydroxylrest zur Reaktion anzubieten.• 3-N, N-bis (2-hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilane, or other related materials that are able to form a covalent bond with the surface of the silicon oxide at one end and a chemically reactive group at the other end to the probe molecule to be immobilized such as offering an epoxy, acetoxy, amine or hydroxyl radical for the reaction.
Reagiert ein zu immobilisierendes Fängermolekül mit einer solchen aktivierten Gruppe, so wird es über das gewählte Material als eine Art kovalenter Linker auf der Oberfläche der Beschichtung auf der Einheit zum Immobilisieren gebunden.If a capture molecule to be immobilized reacts with such an activated group, it is bound via the selected material as a kind of covalent linker on the surface of the coating on the immobilization unit.
Auf den nanopartikelförmigen Einheiten zum Immobilisieren 306 werden DNA-Sondenmoleküle 309, 310 als Fängermoleküle aufgebracht (Fig.3c, die Einheiten 306 sind zur Vereinfachung nicht dargestellt) . Dabei sind auf der ersten Fotodiode 301 mittels der Einheiten 306 erste DNA-Sondenmoleküle 309 mit einer zu einer vorgegebenen ersten DNA-Sequenz komplementären Sequenz aufgebracht. Die DNA-Sondenmoleküle 309 sind jeweils mit einem ersten Fluorophor 311 markiert.DNA probe molecules 309, 310 are applied as capture molecules to the nanoparticulate units for immobilization 306 (FIG. 3c, the units 306 are not shown for the sake of simplicity). First DNA probe molecules 309 with a sequence complementary to a predetermined first DNA sequence are applied to the first photodiode 301 by means of the units 306. The DNA probe molecules 309 are each labeled with a first fluorophore 311.
Als Fluorophor kann beispielsweise Fluorescein verwendet werden. Die Markierung der Fängermoleküle 309 kann dadurch geschehen, dass ein entsprechend markiertes Nukleotid wie ChromaTide Fluorescein-12-dUTP (Molecular Probes, Inc., Eugene, Oregon, USA, Produkt-Nr. C-7604) enzymatisch, d.h. mittels geeigneter Polymerasen wie DNA-Polymerase oder Klenow Polymerase, in die Oligonukleotide (Fängermoleküle) 309 eingebaut wird (vgl. [10]).For example, fluorescein can be used as the fluorophore. The capture molecules 309 can be labeled by enzymatically labeling a correspondingly labeled nucleotide such as ChromaTide Fluorescein-12-dUTP (Molecular Probes, Inc., Eugene, Oregon, USA, Product No. C-7604). by means of suitable polymerases such as DNA polymerase or Klenow polymerase, into which oligonucleotides (capture molecules) 309 are incorporated (cf. [10]).
Auf der zweiten Fotodiode 302 sind zweite DNA-Sondenmoleküle 310 mit einer Sequenz, die komplementär ist zu einer vorgegebenen zweiten DNA-Sequenz ist, aufgebracht. Die DNA- Sondenmoleküle 310 sind jeweils mit einem zweiten FluorophorSecond DNA probe molecules 310 with a sequence that is complementary to a predetermined second DNA sequence are applied to the second photodiode 302. The DNA probe molecules 310 are each with a second fluorophore
312 markiert. Als Markierung 312 kann dabei z.B. dasMarked 312. As a marker 312, e.g. the
TM Fluorophor „Oregon Green 488" dienen, das ebenfalls an einTM fluorophore "Oregon Green 488" serve that also at a
Nukleotid wie dUTP gekoppelt (Molecular Probes, Inc., Eugene,Nucleotide coupled like dUTP (Molecular Probes, Inc., Eugene,
Oregon, USA, Produkt-Nr. C-7630) auf enzymatischem Wege in die DNA-Moleküle 310 eingebaut wird.Oregon, USA, Product No. C-7630) is enzymatically incorporated into the DNA molecules 310.
An die Pyrimidinbasen Adenin (A) , Guanin (G) , Thymin (T) bzw. Uracil (U) im Falle einer oben beschriebenen Markierung, oder Cytosin (C) , können jeweils zu den Sequenzen der Sondenmoleküle komplementäre Sequenzen von DNA-Strängen in der üblichen Weise, d.h. durch Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen A und T oder U bzw. zwischen C und G, hybridisieren.To the pyrimidine bases adenine (A), guanine (G), thymine (T) or uracil (U) in the case of a label described above, or cytosine (C), sequences of DNA strands complementary to the sequences of the probe molecules can be in each case the usual way, ie hybridize by base pairing via hydrogen bonds between A and T or U or between C and G.
Fig.3c zeigt ferner einen Elektrolyten 313, der mit den Fotodioden 301, 302 und den DNA-Sondenmolekülen 308, 309 in Kontakt gebracht wird. Fig.3d zeigt den Biosensor 300 für den Fall, dass in dem Elektrolyten 313 DNA-Stränge 314 enthalten sind, die eine vorgegebene erste Nukleotidseqüenz aufweisen, die komplementär ist zu der Sequenz der ersten DNA-Sondenmoleküle 309.3c also shows an electrolyte 313 which is brought into contact with the photodiodes 301, 302 and the DNA probe molecules 308, 309. 3d shows the biosensor 300 in the event that the electrolyte 313 contains DNA strands 314 which have a predetermined first nucleotide sequence which is complementary to the sequence of the first DNA probe molecules 309.
In diesem Fall hybridisieren die zu den ersten DNA- Sondenmolekülen 309 komplementären DNA-Stränge 314 mit den ersten DNA-Sondenmolekülen 309, die auf der ersten Fotodiode 301 aufgebracht sind.In this case, the DNA strands 314 complementary to the first DNA probe molecules 309 hybridize with the first DNA probe molecules 309, which are applied to the first photodiode 301.
Da die Sequenzen von DNA-Strängen nur mit der jeweils spezifischen Komplementärsequenz hybridisieren, hybridisieren die zu den ersten DNA-Sondenmolekülen komplementären DNA- Stränge nicht mit den zweiten DNA-Sondenmolekülen 310.Since the sequences of DNA strands only hybridize with the specific complementary sequence in each case, the DNA strands complementary to the first DNA probe molecules do not hybridize with the second DNA probe molecules 310.
Wie aus Fig.3d ersichtlich ist, ist das Resultat nach erfolgter Hybridisierung, dass sich auf der ersten FotodiodeAs can be seen from FIG. 3d, the result after hybridization has occurred is that on the first photodiode
301 hybridisierte Moleküle befinden, d.h. doppelsträngige DNA-Moleküle immobilisiert sind. Auf der zweiten Fotodiode301 hybridized molecules, i.e. double-stranded DNA molecules are immobilized. On the second photodiode
302 sind nur die zweiten DNA-Sondenmoleküle 310 als weiterhin einsträngige Moleküle vorhanden.302, only the second DNA probe molecules 310 are present as single-stranded molecules.
In einem weiteren Schritt wird mittels eines biochemischen Verfahrens, beispielsweise durch Zugabe von DNA-Nukleasen zu dem Elektrolyten 313, eine Hydrolyse der einzelsträngigen DNA-Sondenmoleküle 310 auf der zweiten Fotodiode 302 bewirkt.In a further step, the single-stranded DNA probe molecules 310 on the second photodiode 302 are hydrolysed by means of a biochemical method, for example by adding DNA nucleases to the electrolyte 313.
Hierbei ist die Selektivität des abbauenden Enzyms für einzelsträngige DNA zu berücksichtigen. Besitzt das für den Abbau der nicht hybridisierten DNA-Einzelstränge ausgewählte Enzym diese Selektivität nicht, so wird möglicherweise die als doppelsträngige DNA vorliegende zu erfassende Nukleinsäure ebenfalls (unerwünschterweise) abgebaut, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen würde. Nach Entfernen der einzelsträngigen DNA-Sondenmoleküle, d.h. der zweiten DNA-Sondenmoleküle 310 auf der zweiten Fotodiode 302 sind lediglich die Hybride aus den zu erfassenden DNA- Molekülen 314 und den dazu komplementären ersten DNA- Sondenmolekülen 309 (vgl. Fig.3e) vorhanden.The selectivity of the degrading enzyme for single-stranded DNA must be taken into account. If the enzyme selected for the degradation of the non-hybridized single DNA strands does not have this selectivity, the nucleic acid to be detected as double-stranded DNA may also be degraded (undesirably), which would lead to a falsification of the measurement result. After removal of the single-stranded DNA probe molecules, ie the second DNA probe molecules 310 on the second photodiode 302, only the hybrids of the DNA molecules 314 to be detected and the first DNA probe molecules 309 complementary thereto (cf. FIG. 3e) are present.
Beispielsweise kann zum Entfernen der nicht gebundenen einzelsträngigen DNA-Sondenmoleküle 310 auf der zweiten Fotodiode 302, d.h. der zweiten Einheit zum Immobilisieren, einer der folgenden Stoffe zugegeben werden:For example, to remove the unbound single-stranded DNA probe molecules 310 on the second photodiode 302, i.e. the second immobilization unit, one of the following substances is added:
• Nuklease aus Mung-Bohnen,Mung bean nuclease,
• Nuklease Pl, oder• Nuclease Pl, or
• Nuklease Sl .Nuclease Sl.
Zu diesem Zweck können ebenfalls DNA-Polymerasen, die aufgrund ihrer 5 ' - 3' Exonukleaseaktivität oder ihrer 3 ' ~> 5' Exonukleaseaktivität imstande sind, einzelsträngige DNA abzubauen, verwendet werden.For this purpose it is also possible to use DNA polymerases which, owing to their 5 '- 3' exonuclease activity or their 3 '~> 5' exonuclease activity, are able to break down single-stranded DNA.
Nach dem Abbau der einzelsträngigen Sondenmoleküle kann der Elektrolyt von den Fotodioden 301 und 302 gegebenenfalls entfernt werden. Dies erhöht den Kontrast, d.h. reduziert den Hintergrund, bei der nachfolgenden Fluoreszenz-Messung.After the single-stranded probe molecules have been broken down, the electrolyte can optionally be removed from the photodiodes 301 and 302. This increases the contrast, i.e. reduces the background during the subsequent fluorescence measurement.
Mittels eines nicht gezeigten Lasers wird daraufhin durch Pfeile 315 symbolisiertes Licht mit einer Wellenlänge eingestrahlt, die geeignet ist, das erste Fluorophor 311 und das zweite Fluorophor 312 zur Fluoreszenz anzuregen. Dabei können, je nach Art der Fluorophore, auch unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, entweder gleichzeitig oder auch nacheinander .Using a laser, not shown, light symbolized by arrows 315 is then irradiated with a wavelength which is suitable for exciting the first fluorophore 311 and the second fluorophore 312 for fluorescence. Depending on the type of fluorophores, different wavelengths can also be used, either simultaneously or in succession.
Durch das eingestrahlte Licht wird nur das an den ersten DNA- Sondenmolekülen 309 befindliche Fluorophor 311 zur Emission angeregt, da die ungebundenen zweiten DNA-Sondenmoleküle 310 samt dem Fluorophor 312 von der zweiten Fotodiode 302 durch die Nukleasebehandlung entfernt worden sind (vgl. Fig.3e). Die durch den Pfeil 316 symbolisierte Fluoreszenzstrahlung, die von dem Fluorophor 311 emittiert wird, wird von der ersten Fotodiode 301 erfasst. An der zweiten Fotodiode 302 wird hingegen keine Fluoreszenzstrahlung detektiert.The incident light only excites the fluorophore 311 located on the first DNA probe molecules 309, since the unbound second DNA probe molecules 310 together with the fluorophore 312 have been removed from the second photodiode 302 by the nuclease treatment (see FIG. 3e ). The fluorescence radiation symbolized by the arrow 316, which is emitted by the fluorophore 311, is detected by the first photodiode 301. In contrast, no fluorescence radiation is detected at the second photodiode 302.
Auf diese Weise wird die Anwesenheit der DNA-Moleküle 314 ermittelt. Die Verwendung des hier beschriebenen Biosensors 300 erlaubt eine örtlich aufgelöste Erfassung und bietet eine deutliche Vereinfachung der gesamten Messanordnung, da keine externe Einheit zur Erfassung der Fluoreszenz-Strahlung notwendig ist.The presence of the DNA molecules 314 is determined in this way. The use of the biosensor 300 described here permits locally resolved detection and offers a significant simplification of the entire measuring arrangement, since no external unit for detecting the fluorescence radiation is necessary.
Fig.6 zeigt einen Biosensor 600, mit dem ein Redox-Recycling- Vorgang als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein makromolekulares Biopolymere sowohl mit Hilfe eines durch eine Markierung ausgesandten Signals erfasst als auch mit Hilfe einer Elektrodenanordnung, die eine erste Elektrode aufweist, die mit mindestens einer nanopartikelfömigen Einheit zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren versehen ist.FIG. 6 shows a biosensor 600 with which a redox recycling process can be carried out as a further exemplary embodiment of the invention. In this exemplary embodiment, a macromolecular biopolymer is detected both with the aid of a signal emitted by a marker and with the aid of an electrode arrangement which has a first electrode which is provided with at least one nanoparticle-shaped unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
Der Biosensor 600 weist drei Elektroden auf, eine erste Elektrode 601, eine zweite Elektrode 602 sowie eine dritte Elektrode 603.The biosensor 600 has three electrodes, a first electrode 601, a second electrode 602 and a third electrode 603.
Die Elektroden 601, 602, 603 sind mittels eines Isolatormaterials als Isolatorschicht 604 elektrisch voneinander isoliert.The electrodes 601, 602, 603 are electrically insulated from one another by means of an insulator material as the insulator layer 604.
Auf der ersten Elektrode 601 ist ein Haltebereich 605 zum Halten von Sondenmolekülen, die makromolekulare Biopolymere binden können, vorgesehen. Dieser Haltebereich 605 weist Einheiten zum Immobilisieren 606 in Form von Nanopartikeln auf, wobei die Einheiten 606 aus Gold bestehen. Die Sondenmolekule (Fangermolekule) 607 gemäß diesem Ausfuhrungsbeispiel, die an dem Haltebereich immobilisiert sind, sind DNA-Sondenmolekule, mit denen DNA-Strange mit zu der Sequenz der DNA-Sondenmolekule komplementärer Sequenz hybridisieren können. Als Markierung 608 tragen die Sondenmolekule 607 an ihrem 5 ' -Terminus eine Biotm-Gruppe, die z.B. durch Verwendung des „FluoReporter Bιotm-X-C5 Oligonucleotide Labelmg Kits" (Produkt-Nr. F-6095) der Firma Molecular Probes, Eugene, Oregon, USA dort angefugt werden kann (vgl. [11] ) .A holding area 605 is provided on the first electrode 601 for holding probe molecules which can bind macromolecular biopolymers. This holding area 605 has units for immobilizing 606 in the form of nanoparticles, the units 606 being made of gold. The probe molecules (capture molecules) 607 according to this exemplary embodiment, which are immobilized on the holding area, are DNA probe molecules with which DNA strands can hybridize with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules. At its 5 'terminus, the probe molecules 607 carry a Biotm group as the marker 608, which is used, for example, by using the “FluoReporter Biotm-X-C5 Oligonucleotide Labelmg Kit” (product no. F-6095) from Molecular Probes, Eugene, Oregon, USA can be added there (see [11]).
Die DNA-Sondenmolekule 607 werden mittels der bekannten Gold- Schwefel-Kopplung an die Einheiten 606 zum Immobilisieren auf der ersten Elektrode 601 immobilisiert. Bei Einsatz eines anderen Materials zum Binden der Sondenmolekule wird das Material mit dem entsprechenden Beschichtungsmaterial versehen, auf dem die Sondenmolekule immobilisiert werden können .The DNA probe molecules 607 are immobilized on the units 606 for immobilization on the first electrode 601 by means of the known gold-sulfur coupling. If another material is used to bind the probe molecules, the material is provided with the corresponding coating material on which the probe molecules can be immobilized.
Wahrend der Immobilisierung der DNA-Sondenmolekule auf der ersten Elektrode 601 werden an die Elektroden unterschiedliche elektrische Potentiale angelegt, so dass ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden derart entsteht, dass eine Immobilisierung der DNA-Sondenmolekule nur an der ersten Elektrode 601 möglich ist und an der zweiten Elektrode 602 und/oder an der dritten Elektrode 603 verhindert wird.During the immobilization of the DNA probe molecules on the first electrode 601, different electrical potentials are applied to the electrodes, so that an electrical field arises between the electrodes in such a way that immobilization of the DNA probe molecules is only possible on the first electrode 601 and on the second electrode 602 and / or on the third electrode 603 is prevented.
In analoger Weise zu dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, wie er oben beschrieben worden ist (vgl. Fig.4), wird m einem weiteren Schritt eine zu untersuchende Losung 610, beispielsweise ein Elektrolyt, mit dem eventuell zu erfassenden makromolekularen Biopolymeren, d.h. den DNA- Strangen, die mit den DNA-Sondenmolekulen hybridisieren können, mit dem Biosensor 600, d.h insbesondere mit der ersten Elektrode 601 und den darauf befindlichen markierten DNA-Sondenmolekulen 607 m Kontakt gebracht. Dies erfolgt derart, dass eventuelle m der zu untersuchenden Losung enthaltene DNA-Stränge 609 mit den DNA-Sondenmolekülen 606 hybridisieren können.In a manner analogous to the method according to the prior art as described above (cf. FIG. 4), in a further step a solution 610 to be examined, for example an electrolyte, with the macromolecular biopolymer to be detected, ie the DNA strands, which can hybridize with the DNA probe molecules, are brought into contact with the biosensor 600, ie in particular with the first electrode 601 and the labeled DNA probe molecules 607 m thereon. This is done in such a way that possible m of the solution to be examined contained DNA strands 609 can hybridize with the DNA probe molecules 606.
Anschließend werden Fängermoleküle 607, an die keine zu erfassenden DNA-Stränge hybridisiert haben, entfernt. Dies kann durch Zugabe der obengenannten DNA-Nukleasen zu dem Elektrolyten 610 erfolgen. Auch in diesem Fall kann zur Hydrolyse der einzelsträngigen DNA-Sondenmoleküle 607 einer der folgenden Stoffe eingesetzt werden:Then capture molecules 607 to which no DNA strands to be detected have hybridized are removed. This can be done by adding the above-mentioned DNA nucleases to the electrolyte 610. In this case too, one of the following substances can be used for the hydrolysis of the single-stranded DNA probe molecules 607:
• Nuklease aus Mung-Bohnen,Mung bean nuclease,
* Nuklease Pl, β Nuklease Sl, oder* Nuclease Pl, β Nuclease Sl, or
« DNA-Polymerasen, die aufgrund ihrer«DNA polymerases, which because of their
5'-^ 3' Exonukleaseaktivität oder ihrer5 '- ^ 3' exonuclease activity or its
3 ' -7> 5' Exonukleaseaktivität imstande sind, einzelsträngige DNA abzubauen.3 '-7> 5' exonuclease activity is able to degrade single-stranded DNA.
Nach der Nukleasebehandlung befinden sich auf dem Biosensor lediglich die Hybride aus markierten Fängermolekülen 607 und zu erfassenden DNA-Molekülen 609. Dieser Zustand ist in Fig.6a gezeigt.After the nuclease treatment, only the hybrids of labeled capture molecules 607 and DNA molecules 609 to be detected are located on the biosensor. This state is shown in FIG.
In diesem Zustand wird der Biosensor 600 mittels einer nicht dargestellten Spüllösung gespült, d.h. es werden die Fragmente der nicht hybridisierten DNA-Stränge sowie die zu untersuchende Lösung entfernt.In this state, the biosensor 600 is rinsed using a rinsing solution, not shown, i.e. the fragments of the non-hybridized DNA strands and the solution to be examined are removed.
In einem nächsten Schritt wird eine weitere Lösung (nicht dargestellt) mit dem Biosensor 600, insbesondere mit der ersten Elektrode 601, in Kontakt gebracht.In a next step, a further solution (not shown) is brought into contact with the biosensor 600, in particular with the first electrode 601.
Dabei enthält diese weitere Lösung ein Enzym 611, das an die Markierung 608 der hybridisierten DNA-Sondenmoleküle 607 bindet, und das die im folgenden erläuterten Moleküle, die in einer weiteren Lösung 612 zugegeben werden, spalten kann. Als Enzym 611 können gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweiseThis further solution contains an enzyme 611 which binds to the label 608 of the hybridized DNA probe molecules 607 and which can cleave the molecules explained below, which are added in a further solution 612. According to this exemplary embodiment, enzyme 611 can be, for example
• alpha-Galactosidase,Alpha-galactosidase,
• beta-Galactosidase,Beta-galactosidase,
• beta-Glucosidase,Beta-glucosidase,
• alpha-Mannosidase,Alpha-mannosidase,
• Alkalische Phosphatase,• Alkaline phosphatase,
• Saure Phosphatase,Acid phosphatase,
• Oligosaccharid-Dehydrogenase,Oligosaccharide dehydrogenase,
• Glucose-Dehydrogenase, β Laccase,Glucose dehydrogenase, β laccase,
• Tyrosinase,Tyrosinase,
• oder artverwandte Enzyme verwendet werden .• or related enzymes can be used.
Das Enzym 611 wird vorliegend in Form eines Avidin-Konjugats eingesetzt. Grund dafür ist, dass Avidin eine spezifische Bindung mit der hier beispielhaft verwendeten Biotin- Markierung 608 eingeht (Fig.6b).The enzyme 611 is used here in the form of an avidin conjugate. The reason for this is that avidin forms a specific bond with the biotin label 608 used here as an example (FIG. 6b).
Es ist hierbei anzumerken, dass niedermolekulare Enzyme die höchste Umsatzeffizienz und daher auch die höchste Empfindlichkeit bei Verwendung als Enzym, das das Redox- Recyling bewirkt, gewährleisten können.It should be noted here that low molecular weight enzymes can ensure the highest conversion efficiency and therefore also the highest sensitivity when used as an enzyme which effects redox recycling.
In der weiteren Lösung 612 sind Moleküle 613 enthalten, die durch das Enzym 611 in ein erstes Teilmolekül 614 mit negativer elektrischer Ladung und in ein zweites Teilmolekül mit positiver elektrischer Ladung gespalten werden können (vgl . Fig.6b) .The further solution 612 contains molecules 613 which can be split by the enzyme 611 into a first sub-molecule 614 with a negative electrical charge and into a second sub-molecule with a positive electrical charge (cf. FIG. 6b).
Als das spaltbare Molekül 613 können vor allem beispielsweiseAbove all, for example, as the cleavable molecule 613
• p-Aminophenyl-hexopyranoside,P-aminophenylhexopyranoside,
• p-Aminophenyl-phosphate,P-aminophenyl phosphates,
• p-Nitrophenyl-hexopyranoside,P-nitrophenyl hexopyranoside,
• p-Nitrophenyl-phosphate, oderP-nitrophenyl phosphate, or
• geeignete Derivate von e) Diaminen, f) Catecholaminen, g) Fe(CN -, h) Ferrocen, i) Dicarboxylsäure, j ) Ferrocenlysin, k) Osmiumbipyridyl-NH, oder 1) PEG-Ferrocen2 verwendet werden.• suitable derivatives of e) diamines, f) catecholamines, g) Fe (CN -, h) ferrocene, i) dicarboxylic acid, j) ferrocene lysine, k) osmium bipyridyl-NH, or 1) PEG-ferrocene 2 .
An die Elektroden 601, 602, 603 wird bei dieserThe electrodes 601, 602, 603 are used for this
Ausführungsform nun jeweils ein elektrisches Potential angelegt .Embodiment now each applied an electrical potential.
Dabei wird an die erste Elektrode 601 ein erstes elektrisches Potential V(E1) angelegt, an die zweite Elektrode 602 ein zweites elektrisches Potential V(E2) und an die dritte Elektrode 603 ein drittes elektrisches Potential V (E3).A first electrical potential V (E1) is applied to the first electrode 601, a second electrical potential V (E2) to the second electrode 602 and a third electrical potential V (E3) to the third electrode 603.
Während der eigentlichen Messphase, die grundsätzlich analog der Vorgehensweise aus dem Stand der Technik, wie oben beschrieben wurde, erfolgt, wird ein abhängig von dem Vorzeichen der Ladung, jeweils folgendes Potentialgefälle der elektrischen Potentiale an die Elektroden 601, 602, 603 angelegt derart, dass gilt:During the actual measurement phase, which is basically analogous to the procedure from the prior art, as described above, depending on the sign of the charge, the following potential gradient of the electrical potentials is applied to the electrodes 601, 602, 603 in such a way that applies:
V(E3) > V(E1) > V(E2) .V (E3)> V (E1)> V (E2).
Weist beispielsweise die dritte Elektrode 603 ein positives elektrisches Potential V(E3) auf, so weist die dritte Elektrode 603 das größte elektrische Potential der Elektroden 601, 602, 603 des Biosensors 600 auf.For example, if the third electrode 603 has a positive electrical potential V (E3), then the third electrode 603 has the greatest electrical potential of the electrodes 601, 602, 603 of the biosensor 600.
Dies bewirkt, dass die erzeugten ersten Teilmoleküle 614 mit negativer Ladung aufgrund des größten elektrischen Potentials V(E3), das an der dritten Elektrode 603 anliegt, zu der positiv geladenen dritten Elektrode 603 gezogen wird, und nicht mehr, wie gemäß dem Stand der Technik, zu der ersten Elektrode 601.This causes the generated first partial molecules 614 with negative charge to be drawn to the positively charged third electrode 603 due to the greatest electrical potential V (E3) which is present at the third electrode 603, and no longer, as in the prior art, to the first electrode 601.
Folglich wird in diesem Ausführungsbeispiel die erste Elektrode 601 nicht mehr sowohl als Halte-Elektrode zum Halten der Sondenmoleküle und als Messelektrode zum Oxidieren oder Reduzieren der jeweiligen Teilmoleküle verwendet. Vielmehr dient die Elektrode 601 nur zum Immobilisieren der Sondenmoleküle bzw. den Komplexen aus Sondenmolekülen und zu erfassenden makromolekularen Biopolymeren.Consequently, in this exemplary embodiment, the first electrode 601 is no longer used both as a holding electrode for holding the probe molecules and as a measuring electrode for oxidizing or reducing the respective partial molecules. Rather, the electrode 601 only serves to immobilize the probe molecules or the complexes of probe molecules and macromolecular biopolymers to be detected.
Die Funktion der Elektrode, an der die Oxidation bzw. Reduktion der erzeugten Teilmoleküle stattfindet, übernimmt nunmehr die dritte Elektrode 603.The third electrode 603 now takes over the function of the electrode on which the oxidation or reduction of the partial molecules generated takes place.
Anschaulich bedeutet dies, dass mittels der dritten Elektrode 603 die erste Elektrode 601 von den gespaltenen Teilmolekülen abgeschirmt wird.This clearly means that the third electrode 603 shields the first electrode 601 from the split partial molecules.
Auf diese Weise kann als weiterer Vorteil bei dieserThat way, another benefit to this
Ausführungsform die Bedeckung der ersten Elektrode mit denEmbodiment covering the first electrode with the
DNA-Sondenmolekülen 607 erheblich erhöht werden.DNA probe molecules 607 can be increased significantly.
An der dritten Elektrode 603 erfolgt eine Oxidation der negativ geladenen Teilmoleküle 614 und die oxidierten ersten Teilmoleküle 615 werden zu der zweiten Elektrode 602 gezogen, da diese das kleinste elektrische Potential V(E2) aller Elektroden 601, 602, 603 in dem Biosensor 600 aufweist.The negatively charged partial molecules 614 are oxidized at the third electrode 603 and the oxidized first partial molecules 615 are drawn to the second electrode 602, since this has the smallest electrical potential V (E2) of all electrodes 601, 602, 603 in the biosensor 600.
An der zweiten Elektrode 602 erfolgt eine Reduktion der oxidierten Teilmoleküle und die reduzierten Teilmoleküle 616 werden wiederum an die dritte Elektrode 603 gezogen, wo wiederum eine Oxidation erfolgt.The oxidized sub-molecules are reduced at the second electrode 602 and the reduced sub-molecules 616 are again drawn to the third electrode 603, where oxidation is again carried out.
Auf diese Weise ergibt sich vorliegend - analog zu der im Stand der Technik bekannten Weise - ein Kreisstrom, der ebenfalls auf bekannte Weise erfasst wird. Somit ergibt sich auch hier ein Verlauf des Kreisstroms über die Zeit als Signal. Aus diesem kann (mittels des über die Markierung 608 gebundenen Enzyms 611) aufgrund der Proportionalität des Kreisstroms zu der Anzahl der durch das Enzym 611 erzeugten Ladungsträger wiederum die Anzahl der hybridisierten DNA- Stränge 607 und somit der zu erfassenden DNA-Moleküle 609 ermittelt werden.In this way, in the present case, analogously to the manner known in the prior art, a circulating current results which is also detected in a known manner. Hence it follows here too a course of the circulating current over time as a signal. The number of hybridized DNA strands 607 and thus of the DNA molecules 609 to be detected can in turn be determined from this (by means of the enzyme 611 bound via the marker 608) on the basis of the proportionality of the circulating current to the number of charge carriers generated by the enzyme 611.
Allerdings sei hier angemerkt, dass ein Redox-Recycling Verfahren im Sinne der Erfindung auch mit der bekannten „2- Elektroden-Anordnung" gemäß Fig.4 durchgeführt werden kann. Dann kann jedoch nicht auf den Vorteil des hier beschriebenen Biosensors 600 zurückgegriffen werden, der durch die Ausgestaltung der Elektrode 601 alsHowever, it should be noted here that a redox recycling process in the sense of the invention can also be carried out with the known “2-electrode arrangement” according to FIG. 4. However, then the advantage of the biosensor 600 described here cannot be used through the design of the electrode 601 as
Immobilisierungselektrode, eine höhere Bedeckungsdichte als die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung erlaubt.Immobilization electrode, a higher coverage density than the arrangement known from the prior art allows.
Fig.7a zeigt eine Elektrodenanordnung 700 mit einer ersten Elektrode 701 und einer zweiten Elektrode 702, die in einer Isolatorschicht 703 aus Isolatormaterial angeordnet sind.FIG. 7 a shows an electrode arrangement 700 with a first electrode 701 and a second electrode 702, which are arranged in an insulator layer 703 made of insulator material.
Die erste Elektrode 701 ist mit einem ersten elektrischen Anschluss 704 versehen und die zweite Elektrode 702 ist mit einem zweiten elektrischen Anschluss 705 versehen.The first electrode 701 is provided with a first electrical connection 704 and the second electrode 702 is provided with a second electrical connection 705.
Die erste Elektrode 701 und die zweite Elektrode 702 weisen beide eine regelmäßige Anordnung aus Einheiten zum Immobilisieren 706 auf, wobei die Einheiten 706 als Nanopartikel aus Gold ausgebildet sind.The first electrode 701 and the second electrode 702 both have a regular arrangement of immobilization units 706, the units 706 being designed as gold nanoparticles.
Alternativ können die Einheiten 706, wie vorstehend beschrieben, auch aus Siliziumoxid hergestellt sein. Diese können ebenfalls mit einem der oben aufgeführten Materialien beschichtet werden, das geeignet ist, die Sondenmoleküle darauf zu immobilisieren. Auf den Einheiten 706 zum Immobilisieren der Elektroden 701, 702 sind DNA-Sondenmoleküle 707, 708 aufgebracht.Alternatively, as described above, the units 706 can also be made of silicon oxide. These can also be coated with one of the materials listed above, which is suitable for immobilizing the probe molecules thereon. DNA probe molecules 707, 708 are applied to the units 706 for immobilizing the electrodes 701, 702.
Auf der ersten Elektrode 701 sind erste DNA-Sondenmoleküle 707 mit einer zu einer vorgegebenen ersten DNA-Sequenz komplementären Sequenz aufgebracht (Fig.7b).First DNA probe molecules 707 with a sequence complementary to a predetermined first DNA sequence are applied to the first electrode 701 (FIG. 7b).
Auf der zweiten Elektrode 702 sind zweite DNA-Sondenmoleküle 708 mit einer Sequenz, die komplementär ist zu einer vorgegebenen zweiten DNA-Sequenz ist, aufgebracht (Fig.7b).Second DNA probe molecules 708 with a sequence that is complementary to a predetermined second DNA sequence are applied to the second electrode 702 (FIG. 7b).
Fig .7b zeigt ferner einen Elektrolyten 709, der mit den Elektroden 701, 702 und den DNA-Sondenmolekülen 707, 708 in Kontakt gebracht wird.7b also shows an electrolyte 709 which is brought into contact with the electrodes 701, 702 and the DNA probe molecules 707, 708.
Fig.7c zeigt die Elektrodenanordnung 700 für den Fall, dass in dem Elektrolyt 709 DNA-Stränge 710 mit der vorgegebenen ersten Sequenz enthalten sind, die komplementär ist zu der Sequenz der ersten DNA-Sondenmoleküle 707.7c shows the electrode arrangement 700 in the event that the electrolyte 709 contains DNA strands 710 with the predetermined first sequence, which is complementary to the sequence of the first DNA probe molecules 707.
In diesem Fall hybridisieren die zu den ersten DNA- Sondenmolekülen komplementären DNA-Stränge 710 mit den ersten DNA-Sondenmolekülen 707, die auf der ersten Elektrode 701 aufgebracht sind.In this case, the DNA strands 710 complementary to the first DNA probe molecules hybridize with the first DNA probe molecules 707, which are applied to the first electrode 701.
Da die Sequenzen von DNA-Strängen nur mit der jeweils spezifischen Komplementärsequenz hybridisieren, hybridisieren die zu den ersten DNA-Sondenmolekülen komplementären DNA- Stränge nicht mit den zweiten DNA-Sondenmolekülen 708.Since the sequences of DNA strands only hybridize with the respectively specific complementary sequence, the DNA strands complementary to the first DNA probe molecules do not hybridize with the second DNA probe molecules 708.
Wie aus Fig.7c ersichtlich ist, ist das Resultat nach erfolgter Hybridisierung, dass auf der ersten Elektrode 701 hybridisierte Moleküle aufgebracht sind, d.h. doppelsträngige DNA-Moleküle. Auf der ersten Elektrode sind nur die zweiten DNA-Sondenmoleküle 708 als weiterhin einsträngige Moleküle vorhanden . In einem weiteren Schritt wird mittels eines biochemischen Verfahrens beispielsweise durch die oben beschriebene Zugabe von DNA-Nukleasen zu dem Elektrolyten 709 eine Hydrolyse der einzelsträngigen DNA-Sondenmolekule 708 der zweiten Elektrode 702 bewirkt.As can be seen from FIG. 7c, the result after hybridization has taken place is that hybridized molecules are applied to the first electrode 701, ie double-stranded DNA molecules. Only the second DNA probe molecules 708 are still present on the first electrode as single-stranded molecules. In a further step, the single-stranded DNA probe molecules 708 of the second electrode 702 are hydrolysed by means of a biochemical method, for example by adding DNA nucleases to the electrolyte 709 as described above.
Nach Entfernen der einzelsträngigen DNA-Sondenmolekule, d.h. der zweiten DNA-Sondenmolekule 708 auf der zweiten Elektrode 702 sind lediglich die Doppelstrang-Molekule aus den DNA- Strangen 710 mit den ersten DNA-Sondenmolekulen 707 (vgl. Fιg.7d) .After removal of the single-stranded DNA probe molecules, i.e. of the second DNA probe molecules 708 on the second electrode 702 are only the double-stranded molecules from the DNA strands 710 with the first DNA probe molecules 707 (cf. FIG. 7d).
Mittels eines an die Elektrodenanschlusse 704, 705 angeschlossenen Messgerats (nicht dargestellt) erfolgt gemäß diesem ersten Ausfuhrungsbeispiel eine Kapazitatsmessung zwischen den Elektroden 701, 702 m dem m Fig.7b dargestellten Zustand, d.h. m nicht-hybπdisiertem Zustand.By means of a measuring device (not shown) connected to the electrode connections 704, 705, according to this first exemplary embodiment, a capacitance measurement is carried out between the electrodes 701, 702 in the state shown in FIG. m non-hybridized state.
Im Rahmen der ersten Kapazitatsmessung wird ein Referenz- Kapazitatswert ermittelt und m einem Speicher (nicht dargestellt) gespeichert.As part of the first capacitance measurement, a reference capacitance value is determined and stored in a memory (not shown).
Eine zweite Kapazitatsmessung erfolgt, nachdem die einzelsträngigen DNA-Sondenmolekule 708 von der jeweiligen Elektrode entfernt worden sind.A second capacitance measurement takes place after the single-stranded DNA probe molecules 708 have been removed from the respective electrode.
Dies erfolgt wiederum mittels des nicht dargestellten Messgerats. Mittels der zweiten Kapazitatsmessung wird ein Kapazitatswert ermittelt, der mit dem Referenz-Kapazitatswert verglichen wirdThis again takes place by means of the measuring device, not shown. A capacitance value is determined by means of the second capacitance measurement, which is compared with the reference capacitance value
Ist der Differenzwert zwischen diesen Kapazitatswerten großer als ein vorgegebener Schwellenwert, so bedeutet dies, dass m dem Elektrolyt 710 DNA-Strange enthalten waren, die entweder mit den ersten DNA-Sondenmolekulen oder mit den zweiten DNA- Sondenmolekulen hybridisiert sind In diesem Fall wird ein entsprechendes Ausgangssignal von dem Messgerät dem Benutzer des Messgeräts ausgegeben.If the difference between these capacitance values is greater than a predetermined threshold value, this means that the electrolyte contained 710 DNA strands which are either hybridized with the first DNA probe molecules or with the second DNA probe molecules In this case, a corresponding output signal is output by the measuring device to the user of the measuring device.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass je nach verwendetem Stoff zum Entfernen der einzelsträngigen DNA- Sondenmoleküle 708 auf der zweiten Elektrode der einzelsträngige Anteil der hybridisierten DNA-Stränge 710 erhalten bleiben oder auch entfernt werden kann.In this context, it should be noted that, depending on the substance used to remove the single-stranded DNA probe molecules 708 on the second electrode, the single-stranded portion of the hybridized DNA strands 710 can be retained or can also be removed.
Das Verfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat im Vergleich zu dem aus [1] oder [4] bekannten Verfahren den Vorteil, dass ein robusteres Messsignal erzielt wird. Es wird nämlich hier eine größere Veränderung in dem Impedanzsignal zwischen dem Zustand, in dem keine Fängermoleküle oder ausschließlich Fängermoleküle auf den Elektroden angebracht sind und dem Zustand, dass zumindest teilweise eine Bindung mit den nachzuweisenden makromolekularen Biopolymeren erfolgt hat, erreicht.The method according to this exemplary embodiment has the advantage over the method known from [1] or [4] that a more robust measurement signal is achieved. This is because there is a major change in the impedance signal between the state in which no catcher molecules or only catcher molecules are attached to the electrodes and the state that there has at least partially been a bond with the macromolecular biopolymers to be detected.
Allerdings ist es im Sinne der Erfindung selbstverständlich auch möglich, das in [1] und [4] beschriebene Verfahren mit Hilfe von Elektroden durchzuführen, die die hier offenbarten nanopartikelförmigen Einheiten zum Immobilisieren aufweisen. However, in the sense of the invention it is of course also possible to carry out the method described in [1] and [4] with the aid of electrodes which have the nanoparticulate units for immobilization disclosed here.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following publications are cited in this document:
[1] R. Hintsche et al., Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al . , Dirk Häuser Verlag, Basel, S. 267 - 283, 1997[1] R. Hintsche et al., Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al. , Dirk Häuser Verlag, Basel, pp. 267-283, 1997
[2] R. Hintsche et al, Microbiosensors using electrodes made in Si-technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al, Birkhauser Verlag, Basel, Schweiz, 1997[2] R. Hintsche et al, Microbiosensors using electrodes made in Si-technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al, Birkhauser Verlag, Basel, Switzerland, 1997
[3] M. Paeschke et al, Voltammetric Multichannel[3] M. Paeschke et al, Voltammetric Multichannel
Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays, Electroanalysis, Vol. 7, Nr. 1, S. 1 - 8, 1996Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays, Electroanalysis, Vol. 7, No. 1, pp. 1-8, 1996
[4] P. van Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, S.907 - 910, 16. - 19. Juni 1997[4] P. van Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, pp. 907-910, June 16-19, 1997
[5] N.L. Thompson, B.C. Lagerholm, Total Internal Reflection Fluorescence : Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, S. 58 - 64, 1997P.[5] N.L. Thompson, B.C. Lagerholm, Total Internal Reflection Fluorescence: Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, pp. 58-64, 1997P.
[6] Cuatrecasas, Affinity Chromatography of Macromolecules , Advances in Enzy ology, Vol. 36, S. 29 - 89, 1972[6] Cuatrecasas, Affinity Chromatography of Macromolecules, Advances in Enzy ology, Vol. 36, pp. 29-89, 1972
[7] Römpp-Lexikon Biotechnologie, Gentechnik, S. 280, 1999 Thieme Verlag, Stuttgart, Deutschland, 2. Auflage.[7] Römpp-Lexikon Biotechnologie, Gentechnik, p. 280, 1999 Thieme Verlag, Stuttgart, Germany, 2nd edition.
[8] Römpp-Lexikon Biotechnologie, Gentechnik, S. 397, 1999 Thieme Verlag, Stuttgart, Deutschland, 2. Auflage.[8] Römpp-Lexikon Biotechnologie, Gentechnik, p. 397, 1999 Thieme Verlag, Stuttgart, Germany, 2nd edition.
[9] J. Dodt et al . , Skript zum biochemischem Praktikum Ild (Immunchemie), ELISA, S. 1, Institut für Biochemie, Technische Hochschule Darmstadt, Beschreibung des Versuchs ELISA, 10. - 28. Februar 1992.[9] J. Dodt et al. , Script for the biochemical internship Ild (immunochemistry), ELISA, p. 1, Institute of Biochemistry, Technical University of Darmstadt, description of the experiment ELISA, February 10-28, 1992.
[10] Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, S. 157 - 160, Molecular Probes, Ine, 1996[10] Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, pp. 157-160, Molecular Probes, Ine, 1996
[11] Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, S. 83 - 84, Molecular Probes, Ine, 1996[11] Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, pp. 83-84, Molecular Probes, Ine, 1996
[12] J.P. Spatz et al . , Mineralization of Gold Nanoparticles in a Block Gold Copolymer Microemulsion, Chem. Eur . J., Vol. 2, S. 1552 - 1555, 1996[12] J.P. Spatz et al. , Mineralization of Gold Nanoparticles in a Block Gold Copolymer Microemulsion, Chem. Eur. J., Vol. 2, pp. 1552-1555, 1996
[13] J.P. Spatz et al . , Ordered Deposition of Inorganic[13] J.P. Spatz et al. , Ordered Deposition of Inorganic
Cluster from Micellar Block Copolymer Films, Langmuir, Vol. 16, S. 407 - 415, 2000Cluster from Micellar Block Copolymer Films, Langmuir, Vol. 16, pp. 407-415, 2000
[14] F. Burmeister et al., Mit Kapillarkräften zu[14] F. Burmeister et al., With capillary forces too
Nanostrukturen, Physikalische Blätter, Vol. 36, S. 49 - 51, 2000Nanostructures, Physikalische Blätter, Vol. 36, pp. 49 - 51, 2000
[15] US 5,556,756[15] US 5,556,756
[16] US 6,017,696[16] US 6,017,696
[17] WO 96/07917[17] WO 96/07917
[18] DE 199 25 402 AI [18] DE 199 25 402 AI

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, wobei die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von Biopolymeren ein Nanopartikel ist, a) bei dem die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fängermolekülen versehen wird, wobei die Fängermoleküle makromolekulare Biopolymere binden können, b) bei dem eine zu untersuchende Probe mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren in Kontakt gebracht wird, wobei die zu untersuchende Probe die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere enthalten kann, c) bei dem in der zu untersuchenden Probe enthaltene makromolekulare Biopolymere an den Fängermolekülen gebunden werden, d) bei dem die makromolekularen Biopolymere mittels eines durch eine Markierung ausgesandten Signals erfasst werden.1. A method for detecting macromolecular biopolymers by means of at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, the at least one unit for immobilizing biopolymers being a nanoparticle, a) in which the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers is provided with capture molecules, wherein the capture molecules can bind macromolecular biopolymers, b) in which a sample to be examined is brought into contact with the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, the sample to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected, c) in which in the investigating sample containing macromolecular biopolymers are bound to the capture molecules, d) in which the macromolecular biopolymers are detected by means of a signal emitted by a label.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf einer Elektrode oder einer Photodiode aufgebracht ist.2. The method according to claim 1, wherein the at least one immobilization unit is applied to an electrode or a photodiode.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem mehrere Einheiten zum Immobilisieren auf der Elektrode oder der Photodiode in einer regelmäßigen Anordnung aufgebracht sind.3. The method of claim 2, wherein a plurality of units for immobilization on the electrode or the photodiode are applied in a regular arrangement.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Markierung an dem Fängermolekül angebracht ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the label is attached to the capture molecule.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Markierung an dem zu erfassenden makromolekularen Biopolymer angebracht ist.5. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the label is attached to the macromolecular biopolymer to be detected.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Markierung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Fluoreszenz- und Chemilumineszenz-Farbstoffen, Radioisotopen, Enzymen und Enzym-Liganden besteht.6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the label is selected from the group consisting of fluorescent and chemiluminescent dyes, radioisotopes, enzymes and enzyme ligands.
7. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels einer Elektrodenanordnung, die aufweist:7. A method for detecting macromolecular biopolymers using an electrode arrangement, which comprises:
• eine erste Elektrode,A first electrode,
• eine zweite Elektrode,A second electrode,
• wobei die erste Elektrode mit mindestens einer Einheit zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren versehen ist, wobei die Einheit zur Immobilisierung ein Nanopartikel ist, a) bei dem die, auf der ersten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fängermolekülen versehen wird, wobei die Fängermoleküle makromolekulare Biopolymere binden können, b) bei dem ein Medium mit den Elektroden in Kontakt gebracht wird, wobei das zu untersuchende Medium die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere enthalten kann, c) bei dem in der zu untersuchenden Probe enthaltene makromolekulare Biopolymere an den Fängermolekülen gebunden werden, d) bei dem die makromolekularen Biopolymere mittels einer elektrischen Messung erfasst werden.Wherein the first electrode is provided with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, the unit for immobilizing being a nanoparticle, a) in which the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers on the first electrode is provided with capture molecules, wherein the capture molecules can bind macromolecular biopolymers, b) in which a medium is brought into contact with the electrodes, the medium to be examined can contain the macromolecular biopolymers to be detected, c) in the macromolecular biopolymers contained in the sample to be examined on the catcher molecules are bound, d) in which the macromolecular biopolymers are detected by means of an electrical measurement.
8. Verfahren nach Anspruch 7,8. The method according to claim 7,
• wobei die zweite Elektrode mit mindestens einer Einheit zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren versehen ist, wobei die Einheit zur Immobilisierung ein Nanopartikel ist, undWherein the second electrode is provided with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, the unit for immobilizing being a nanoparticle, and
• bei dem die, auf der zweiten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit Fängermolekülen versehen wird, wobei die Fängermoleküle makromolekulare Biopolymere binden können.In which the at least one unit for immobilizing. Located on the second electrode Macromolecular biopolymers are provided with catcher molecules, the catcher molecules being able to bind macromolecular biopolymers.
9. Verfahren nach Anspruch 8,9. The method according to claim 8,
• bei dem vor Schritt a) oder Schritt b) eine erste elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt wird,In which a first electrical measurement is carried out on the electrodes before step a) or step b),
• bei dem nach Schritt c) eine zweite elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt wird, und• in which a second electrical measurement is carried out on the electrodes after step c), and
• bei dem abhängig von einem Vergleich der Ergebnisse der zwei elektrischen Messungen an den Elektroden die makromolekularen Biopolymere erfasst werden.• in which, depending on a comparison of the results of the two electrical measurements on the electrodes, the macromolecular biopolymers are recorded.
10. Verfahren nach Anspruch 9,10. The method according to claim 9,
• bei dem die auf der ersten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit ersten Fängermolekülen versehen ist, die makromolekulare Biopolymere eines ersten Typs binden können und,In which the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers on the first electrode is provided with first capture molecules which can bind macromolecular biopolymers of a first type, and
• bei dem die auf der zweiten Elektrode befindliche mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren mit zweiten Fängermolekülen versehen ist, die makromolekulare Biopolymere eines zweiten Typs binden können,In which the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers on the second electrode is provided with second capture molecules which can bind macromolecular biopolymers of a second type,
- bei dem ein Medium mit den Elektroden in Kontakt gebracht wird derart, dass für den Fall, dass sich in dem Medium makromolekulare Biopolymere des ersten Typs befinden, diese an die ersten Fängermoleküle binden können , für den Fall, dass sich in dem Medium makromolekulare Biopolymere des zweiten Typs befinden, diese an die zweiten Fängermoleküle binden können,in which a medium is brought into contact with the electrodes in such a way that, if there are macromolecular biopolymers of the first type in the medium, they can bind to the first capture molecules, in the event that there are macromolecular biopolymers in the medium of the second type, can bind them to the second capture molecules,
- bei dem nicht gebundene erste Fängermoleküle oder zweite Fängermoleküle von der jeweiligen Elektrode entfernt werden, - bei dem anschließend die zweite elektrische Messung an den Elektroden durchgeführt wird.in which unbound first catcher molecules or second catcher molecules are removed from the respective electrode, - in which the second electrical measurement is then carried out on the electrodes.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als makromolekulare Biopolymere Nukleinsäuren, Oligonukleotide, Proteine, oder Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen erfasst werden.11. The method according to any one of the preceding claims, in which nucleic acids, oligonucleotides, proteins, or complexes of nucleic acids and proteins are detected as macromolecular biopolymers.
12. Verfahren nach Anspruch 11,12. The method according to claim 11,
• bei dem als makromolekulare Biopolymere Proteine oder Peptide erfasst werden, und• in which proteins or peptides are recorded as macromolecular biopolymers, and
• bei dem als Fängermoleküle Liganden verwendet werden, die die Proteine oder Peptide spezifisch binden können.• in which ligands are used as capture molecules that can specifically bind the proteins or peptides.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem nicht gebundene Liganden von der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren entfernt werden, indem ein Material mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht wird, wobei das Material imstande ist, die chemische Verbindung zwischen dem Liganden und der Einheit zum Immobilisieren zu hydrolysieren.13. The method of claim 12, wherein unbound ligands are removed from the at least one immobilization unit by contacting a material with the at least one immobilization unit, the material being capable of chemical bonding between the ligand and hydrolyze the immobilization unit.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Material, das mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht wird, ein Enzym ist.14. The method of claim 13, wherein the material that is contacted with the at least one immobilization unit is an enzyme.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Enzym, das mit der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht wird, eine Carboxylester- Hydrolase (Esterase) ist.15. The method of claim 14, wherein the enzyme that is contacted with the at least one immobilization unit is a carboxyl ester hydrolase (esterase).
16. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem als makromolekulare Biopolymere DNA- oder RNA- Moleküle erfasst werden.16. The method according to claim 11, in which DNA or RNA molecules are detected as macromolecular biopolymers.
17. Verfahren nach Anspruch 16, • bei dem als makromolekulare Biopolymere DNA-Einzelstränge mit einer vorgegebenen Nukleotidsequenz erfasst werden, und17. The method according to claim 16, In which DNA single strands are detected as macromolecular biopolymers with a predetermined nucleotide sequence, and
• bei dem als Fängermoleküle Moleküle DNA-Sondenmoleküle mit einer zu der vorgegebenen Nukleotidsequenz komplementären Nukleotidsequenz verwendet werden.• in which DNA probe molecules with a nucleotide sequence complementary to the specified nucleotide sequence are used as capture molecules.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem nicht gebundene DNA-Sondenmoleküle von der mindestens einen Einheit zum Immobilisieren entfernt werden, indem ein Enzym mit Nukleaseaktivitat mit der Einheit zum Immobilisieren in Kontakt gebracht wird.18. The method of claim 17, wherein unbound DNA probe molecules are removed from the at least one immobilization unit by contacting an enzyme with nuclease activity with the immobilization unit.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem als Enzym mit Nukleaseaktivitat mindestens einer der folgenden Stoffe verwendet wird:19. The method according to claim 18, in which at least one of the following substances is used as the enzyme with nuclease activity:
• Nuklease aus Mung-Bohnen,Mung bean nuclease,
• Nuklease Pl,Nuclease Pl,
• Nuklease Sl, oder• Nuclease Sl, or
DNA-Polymerasen, die aufgrund ihrerDNA polymerases due to their
5 ' - 3' Exonukleaseaktivität oder ihrer5 '- 3' exonuclease activity or its
3 ' -> 5' Exonukleaseaktivität imstande sind, einzelsträngige3 '-> 5' exonuclease activity are capable of being single-stranded
DNA abzubauen. To break down DNA.
PCT/DE2002/000759 2001-03-01 2002-03-01 Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one nanoparticle provided with a scavenger molecule WO2002070733A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10109777A DE10109777A1 (en) 2001-03-01 2001-03-01 Method for detecting macromolecular biopolymers using at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers
DE10109777.8 2001-03-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2002070733A1 true WO2002070733A1 (en) 2002-09-12

Family

ID=7675880

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2002/000759 WO2002070733A1 (en) 2001-03-01 2002-03-01 Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one nanoparticle provided with a scavenger molecule

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10109777A1 (en)
WO (1) WO2002070733A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005024425A1 (en) * 2003-09-09 2005-03-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Nanoparticles for detecting analytes

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004025580A1 (en) 2004-05-25 2005-12-22 Infineon Technologies Ag Sensor arrangement, sensor array and method for producing a sensor arrangement
CN105143856B (en) * 2013-04-24 2019-06-18 欧蒙医学诊断技术有限公司 Method for automating the immunoblotting item that assessment is incubated for

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5137827A (en) * 1986-03-25 1992-08-11 Midwest Research Technologies, Inc. Diagnostic element for electrical detection of a binding reaction
US5556756A (en) * 1988-01-13 1996-09-17 Nycomed As Gold sol of less than 5 nm test method and reagent kit therefor
WO1999032662A1 (en) * 1997-12-23 1999-07-01 Meso Scale Technologies Llc Methods and apparatus for improved luminescence assays using microparticles
US5922537A (en) * 1996-11-08 1999-07-13 N.o slashed.AB Immunoassay, Inc. Nanoparticles biosensor
US6017696A (en) * 1993-11-01 2000-01-25 Nanogen, Inc. Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics
WO2000072019A2 (en) * 1999-05-20 2000-11-30 Cornell Research Foundation, Inc. Liposome-enhanced test device and method
WO2001000876A1 (en) * 1999-06-25 2001-01-04 Mirkin Chad A Nanoparticles having oligonucleotides attached thereto and uses therefor
WO2001018242A1 (en) * 1999-09-08 2001-03-15 Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. Affinity sensor for the detection of biological and/or chemical species and use thereof
US6333200B1 (en) * 1998-07-27 2001-12-25 University Of Delaware Miniaturized immunosensor assembled from colloidal particles between micropatterned electrodes
WO2002001228A2 (en) * 2000-06-23 2002-01-03 Minerva Biotechnologies Corporation Interaction of colloid-immobilized species with species on non-colloidal structures

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5632957A (en) * 1993-11-01 1997-05-27 Nanogen Molecular biological diagnostic systems including electrodes
DE19925402C2 (en) * 1999-06-02 2001-12-20 Molecular Machines & Ind Gmbh Screening of target-ligand interactions

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5137827A (en) * 1986-03-25 1992-08-11 Midwest Research Technologies, Inc. Diagnostic element for electrical detection of a binding reaction
US5556756A (en) * 1988-01-13 1996-09-17 Nycomed As Gold sol of less than 5 nm test method and reagent kit therefor
US6017696A (en) * 1993-11-01 2000-01-25 Nanogen, Inc. Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics
US5922537A (en) * 1996-11-08 1999-07-13 N.o slashed.AB Immunoassay, Inc. Nanoparticles biosensor
WO1999032662A1 (en) * 1997-12-23 1999-07-01 Meso Scale Technologies Llc Methods and apparatus for improved luminescence assays using microparticles
US6333200B1 (en) * 1998-07-27 2001-12-25 University Of Delaware Miniaturized immunosensor assembled from colloidal particles between micropatterned electrodes
WO2000072019A2 (en) * 1999-05-20 2000-11-30 Cornell Research Foundation, Inc. Liposome-enhanced test device and method
WO2001000876A1 (en) * 1999-06-25 2001-01-04 Mirkin Chad A Nanoparticles having oligonucleotides attached thereto and uses therefor
WO2001018242A1 (en) * 1999-09-08 2001-03-15 Institut für Physikalische Hochtechnologie e.V. Affinity sensor for the detection of biological and/or chemical species and use thereof
WO2002001228A2 (en) * 2000-06-23 2002-01-03 Minerva Biotechnologies Corporation Interaction of colloid-immobilized species with species on non-colloidal structures

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005024425A1 (en) * 2003-09-09 2005-03-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Nanoparticles for detecting analytes

Also Published As

Publication number Publication date
DE10109777A1 (en) 2002-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60119170T2 (en) DETECTION METHOD OF REINFORCED SILVER DYEING
EP1377685A2 (en) Method of detecting macromolecular biopolymers by means of an electrode arrangement
DE602004011028T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR DETECTING BIOMOLECULES
EP1412528B1 (en) Biosensor and method for detecting macromolecular biopolymers by means of at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers
EP1554396B1 (en) Displacement assay for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events
WO2002070733A1 (en) Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one nanoparticle provided with a scavenger molecule
WO2001075149A2 (en) Biosensor, biosensor array and method for detecting macromolecular biopolymers with a biosensor
EP1364211A1 (en) Method for detecting macromolecular biopolymers by using at least one immobilizing unit provided with a marked scavenger molecule
EP1444357B1 (en) Method for detecting nucleic acids using at least one unit for immobilizing nucleic acids and a biosensor for detecting nucleic acids
DE10161529A1 (en) Biosensor, e.g., to register and identify DNA molecules, comprises a hollow for the sample which is immobilized and illuminated where optical signals are detected by a shaded photo diode
EP1368498B1 (en) Biosensor and method for detecting nucleic acids by means of at least two units for immobilizing nucleic acids
WO2003083134A1 (en) Sensor for the quantitative and qualitative determination of (bio)organic oligomers and polymers, corresponding analysis method, and method for the production of said sensor
DE10319155B4 (en) Electrically readable bonds of analyte molecules to immobilized probe molecules
DE10211358A1 (en) Vertical impedance sensor arrangement and method for producing a vertical impedance sensor arrangement
DE10106654A1 (en) Method for the detection and / or quantification of an analyte
DE102013000682B3 (en) Detecting molecules, involves immobilizing mixtures of two or more different biochemical capture molecules on two or more analytical array positions, and binding two or more different analytes on each array position
EP1558930B1 (en) Method for determining an analyte
DE10221885B4 (en) Sensor unit, sensor arrangement and method for operating a sensor unit
WO2001075152A2 (en) Sensor for detecting macromolecular biopolymers, sensor arrangement, method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers
DE10221091B4 (en) SECM for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events
WO2002048396A2 (en) Sensor for detecting macromolecular biopolymers
DE10307402A1 (en) Electrochemical device for detecting ligand-binding reactions, useful e.g. for diagnosis and toxicological testing, includes measuring chamber where ligands and sample are applied to a biochip that carries binding agents
DE10221004A1 (en) Detection of oligonucleotide hybridization comprises electrochemically detecting reduction and/or oxidation of a redox-active species

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WA Withdrawal of international application