DE19939208C2 - Process for displaying biologically activated inductivity-changing particles for their detection and counting and device therefor - Google Patents
Process for displaying biologically activated inductivity-changing particles for their detection and counting and device thereforInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Darstellung von biologisch aktivierten induktivitätsändernden Partikeln sowie zu deren Nachweis und Zählen. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Nachweis und Zählen von suspendierten biologischen Partikeln in flüssigen Proben, insbesondere zum Durchführen des genannten Verfahrens.The invention relates to a method for the representation of biologically activated inductivity changing particles as well as for their detection and counting. In addition, the Invention a device for the detection and counting of suspended biological particles in liquid samples, in particular for performing the aforementioned method.
Das Zählen von Bakterien, Blutzellen oder Zellbestandteilen in wässrigen Lösungen erfolgt bisher mittels Durch flusszytometer oder Coultercounter. Hier werden die ent sprechenden Partikel gefärbt und anhand von optischen Signalen identifiziert oder durch kapazitive Messungen ge zählt.Counting bacteria, blood cells or cell components So far, in aqueous solutions by means of flow cytometer or coulter counter. Here are the ent speaking particles colored and based on optical Signals identified or ge by capacitive measurements counts.
Der SU 907 484 B (Derwent AN 1982-B 4855J, AB) sind eine Vorrichtung mit zwei durchflossenen Spulen zu entnehmen sowie eine zwischengeschaltete Vorrichtung zur Magnetisierung von ferromagnetischen Partikeln. Die Menge an Partikeln wird durch die Differenz der Induktivitäten der beiden Spulen gemessen, wozu die ferromagnetischen Partikel zwischen den beiden Spulen magnetisiert werden müssen.The SU 907 484 B (Derwent AN 1982-B 4855J, AB) are one The device can be removed with two coils flowing through and an intermediate device for Magnetization of ferromagnetic particles. The amount of particles is due to the difference in inductances of the two coils, including the ferromagnetic Particles between the two coils are magnetized have to.
Die WO 96/29601 A1 schildert eine Vorrichtung mit zwei durchflossenen Spulen; die Detektion von Magnetpartikel- Zielpartikel-Konjugaten erfolgt an der Vorderseite eines Magnetsensors. Dazu werden Probe und/oder Magnetpartikel als dünner Film auf einen Trägerfilm aufgetragen. Der Detektor ist traditionell wie der Lesekopf eines Tonbandes aufgebaut. Ein Permanentmagnet gegenüber dem Sensor dient als Verstärker für das Messsignal. Der Reaktionsort - von Zielpartikeln mit magnetischen Partikeln - und der Ort der Fixierung der konjugierten Partikel sind getrennt. Eine Kapillarleitung zur Behandlung oder Trennung der Probe ist vor dem Eintritt der Probe in ein Magnetfeld vorgesehen. Es wird eine elektromagnetische Masse gemessen.WO 96/29601 A1 describes a device with two flowed through coils; the detection of magnetic particle Target particle conjugates take place on the front of a Magnetic sensor. For this purpose, sample and / or magnetic particles applied as a thin film to a carrier film. The Detector is traditionally like the read head of a tape built up. A permanent magnet opposite the sensor is used as an amplifier for the measurement signal. The place of reaction - from Target particles with magnetic particles - and the location of the Fixation of the conjugated particles are separated. A Capillary line for treatment or separation of the sample provided before entering the sample in a magnetic field. It an electromagnetic mass is measured.
In WO 96/05326 wird eine Vorrichtung angeboten, bei der eine Substanz in einem gesuchten Mischungsverhältnis mit der biologischen Zielsubstanz auf einen flächigen Träger aufgebracht wird. Ein magnetischer Marker wird in proportionalem Verhältnis mit der Zielsubstanz verbunden. Streifen mit biologisch-magnetischen Komplexen werden an konventionellen elektromagnetischen Leseköpfen vorbei geführt. Die Höhe des Signals ist proportional dem Anteil der Zielsubstanz an der aufgebrachten Substanz.In WO 96/05326 a device is offered in which a substance in a desired mixing ratio the biological target substance on a flat support is applied. A magnetic marker is in proportional ratio associated with the target substance. Stripes with bio-magnetic complexes appear conventional electromagnetic read heads guided. The level of the signal is proportional to the proportion the target substance on the applied substance.
Das Herstellen von speziell aufgereinigten ferromagnetischen Partikeln wird in der US 5,693,539 geschildert. Diese Partikel sind polyvalent, haben also je mehrere reaktive Anhänge. Angegeben wird eine magnetisierbare Matrix zur Fixierung, Reinigung und Eluierung von magnetischen Partikeln bzw. deren Komplexe. Diese Matrix wird zwischen den Polen eines Magneten positioniert.The manufacture of specially cleaned Ferromagnetic particles is described in US 5,693,539 described. These particles are polyvalent, so they have each several reactive attachments. One is given magnetizable matrix for fixation, cleaning and Elution of magnetic particles or their complexes. This matrix is placed between the poles of a magnet positioned.
Nach der US 4,913,883 A führen die polyvalenten ferromagnetischen Partikel zur Verklumpung der Zielobjekte. Diese Klumpen (Agglutinate) entstehen in einer Hüllflussströmung, wie sie im Durchflusscytometer eingesetzt wird. Die ferromagnetischen Partikel in den Agglutinaten werden durch einen Ringmagneten magnetisiert und dann mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät detektiert. Gemessen werden die elektromagnetischen Momente.According to US 4,913,883 A, the polyvalent lead ferromagnetic particles for clumping the target objects. These clumps (agglutinates) arise in one Envelope flow as in the flow cytometer is used. The ferromagnetic particles in the Agglutinates are magnetized by a ring magnet and then with a superconducting quantum interference device detected. The electromagnetic ones are measured Moments.
EP 0 351 857 B1 offenbart das Herstellen polyvalenter ferromagnetischer Partikel und deren Einsatz in offenen Gefäßen wie Mikrotiterplatten. Die ferromagnetischen Partikel werden derart eingesetzt, dass bei Anwesenheit der Zielobjekte in den Gefäßen andere Sedimentationsmuster entstehen als bei deren Abwesenheit. Die Sedimentation erfolgt durch Magnete unter den Gefäßen, das Auswerten der Muster geschieht optisch.EP 0 351 857 B1 discloses the production of polyvalent ones ferromagnetic particles and their use in open Vessels like microtiter plates. The ferromagnetic Particles are used in such a way that when the Target objects in the vessels have different sedimentation patterns arise than in their absence. The sedimentation is done by magnets under the vessels, evaluating the Pattern happens optically.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, derartige Messungen zu vereinfachen.Knowing these facts, the inventor did it The goal is to simplify such measurements.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildun gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kom binationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmalen.The teaching of the independent leads to the solution of this task Claim; the subclaims give favorable further training to. In addition, all com fall within the scope of the invention binations from at least two of the ones in the description, the Drawing and / or the features disclosed in the claims.
Erfindungsgemäß werden monovalente primäre Antikörper mit induktivitätsändernden Partikeln in mehrfachem Überschuss gemischt, welche mit sekundären Antikörpern beschichtet sind; anschließend werden mittels partieller Sedimentation in einer Zentrifuge aggregierte Partikel abgetrennt, die aus einem monovalenten primären Antikörper und antikörper beschichteten induktivitätsändernden Teilpartikeln bestehen. Anstelle primärer Antikörper können auch Viren oder Gensonden verwendet werden, gegen deren Hüllproteine bzw. Spacermoleküle die sekundären Antikörper gerichtet sind.According to the invention, monovalent primary antibodies are used inductivity changing particles in multiple excess mixed, which is coated with secondary antibodies are; then by means of partial sedimentation particles aggregated separated in a centrifuge, the from a monovalent primary antibody and antibody coated inductance-changing partial particles consist. Viruses can replace primary antibodies or gene probes can be used against their coat proteins or spacer molecules directed the secondary antibodies are.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können bei einem Verfahren zum Nachweis und Zählen biologischer Partikel letztere immunologisch, phagologisch oder mole kularbiologisch mit den aggregierten Partikeln verbunden werden, die beim anschließenden Durchströmen einer Metallspule messbare und zählbare Induktivitätsänderungen auslösen.According to a further feature of the invention, a Methods for the detection and counting of biological particles the latter immunologically, phagologically or moles biologically linked to the aggregated particles be the one that flows through a Metal coil measurable and countable changes in inductance trigger.
Auch hat es sich als günstig erwiesen, induktivitätsän dernde, ferromagnetische Partikel vor dem Durchströmen der Metallspule mittels Elektromagnet in einer Kunststoffkapil lare festzuhalten und dort mit den in die Kapillare ein strömenden biologischen Partikeln zu verbinden, während die Probe, in welcher diese enthalten waren, aus der Kapillare herausgeführt wird. Zudem sollen durch die Metallspule als Teil eines elektronischen Schwingkreises zählbare Änderungen der Eigenschwingfrequenz erzeugt werden.It has also proven to be cheap, inductive changing ferromagnetic particles before flowing through the Metal coil using an electromagnet in a plastic cap hold on and insert them into the capillary to combine flowing biological particles while the Sample in which these were contained from the capillary is brought out. In addition, through the metal coil as Part of an electronic oscillating circuit countable Changes in the natural oscillation frequency are generated.
Um den apparativen Aufwand bei der optischen Messung zu um gehen und eine höhere Spezifität gegenüber der kapazitiven Messung zu erreichen, wird also für den Nachweis des ein zelnen Partikels ein geändertes Messprinzip eingesetzt: Die Messung der Induktivitätsänderung einer Mikrospule aus Me tall. Da biologische Partikel aber eine Permeabilitätskon stante µ von annähernd 1 haben, müssen diese zum Nachweis und zur Zählung mittels Spule zuvor mit induktivitäts ändernden Substanzen markiert werden. Diese Markierung ge schieht durch die immunologische, phagologische oder mole kularbiologische Ankopplung von ferromagnetischen Parti keln, welche monovalent entweder mit Antikörpern, mit Virus-Andockmolekülen oder mit Gensonden an Spacermolekülen verbunden sind.In order to reduce the expenditure on equipment for optical measurement go and have a higher specificity to the capacitive Reaching measurement is therefore used for the detection of a used a different measuring principle for individual particles: the Measurement of the change in inductance of a micro coil made of Me tall. Since biological particles have a permeability con constant µ of approximately 1, they must be used for verification and for counting by means of a coil beforehand with inductivity changing substances are marked. This mark ge shoots through the immunological, phagological or mole biological biological coupling of ferromagnetic parts which are monovalent with either antibodies with Virus docking molecules or with gene probes on spacer molecules are connected.
Die Ankopplung der induktivitätsändernden Marker geschieht in einer Vorrichtung, welche gleichzeitig eine Anreicherung der zu zählenden Partikel ermöglicht: Die Marker werden in einer Teflonkapillare mittels eines Elektromagneten als Sorptions-Schicht festgehalten, bis die gesamte Probe in die Kapillare gepumpt wurde und gleichzeitig die überschüs sige Probe aus der Kapillare herausgelaufen ist. Hierauf wird der Magnet ausgeschaltet, damit die Marker frei dif fundieren und die Oberfläche der biologischen Partikel sättigen können. Darauf wird der Kapillaren-Inhalt mit einer piezoelektrischen Pumpe durch eine Metallspule ge pumpt, die als Spirale auf eine Leiterplatte geätzt wurde und mit Kondensator und Widerstand als Schwingkreis ge schaltet ist. Der Schwingkreis wird mit einer Frequenz an geregt, die derjenigen Eigenschwingfrequenz entspricht, welche generiert wird, wenn sich ein durchschnittlich mar kierter biologischer Mikropartikel in der Spule befindet. Dadurch entsteht im Schwingkreis immer dann eine Resonanz schwingung, wenn ein entsprechender Mikropartikel durch die Spule tritt.The inductance-changing markers are coupled in a device which is simultaneously an enrichment of the particles to be counted: The markers are in a Teflon capillary using an electromagnet as Sorption layer held until the entire sample is in the capillary was pumped and at the same time the excess sample has run out of the capillary. On that the magnet is switched off so that the markers are free dif base and the surface of the biological particles can saturate. Then the capillary content is added a piezoelectric pump through a metal coil pumps, which was etched as a spiral on a circuit board and ge with capacitor and resistor as a resonant circuit is switched. The resonant circuit is at a frequency excited, which corresponds to that natural oscillation frequency, which is generated when an average mar biological microparticles in the coil. This always creates a resonance in the resonant circuit vibration when a corresponding microparticle passes through the Coil occurs.
Ein Beispiel für die Anwendung dieses Verfahrens ist der Nachweis von Kolibakterien in Wasserproben. Hierzu werden monovalente primäre E.-coli-spezifische Antikörper mit an megnetische Beads gekoppelten sekundären Antikörpern konju giert. Die Suspension dieser Konjugate wird in die Teflon- Kapillare gepumpt und mittels Elektromagnet dort fixiert. Beim Durchströmen der Kapillare mit der zu untersuchenden Wasserprobe werden Kolibakterien über die primären Antikör per an den Konjugaten festgehalten. Nach dem Abschalten des Magneten kann die Suspension von magnetisch markierten Kolibakterien durch die Messspule gepumpt werden. Die An zahl der Resonanz-Ereignisse im angeschlossenen Schwing kreis entspricht der Anzahl der Kolibakterien in der ur sprünglichen Wasserprobe. Durch den Einsatz dieses Gerätes und der entsprechenden Konjugate ist es möglich, ohne den aufwendigen Einsatz der Durchflusszytometrie Bakterien automatisch zu zählen. Des weiteren ist es möglich, mit dieser Messmethode eine Miniaturisierung des Nachweisgerä tes zu erreichen. An example of the application of this method is Detection of coli bacteria in water samples. To do this monovalent primary E. coli-specific antibodies megnetic beads coupled secondary antibodies konju yaws. The suspension of these conjugates is transferred to the Teflon Pumped capillary and fixed there by means of an electromagnet. When flowing through the capillary with the one to be examined Water sample will coli bacteria over the primary antibody attached to the conjugates. After switching off the Magnets can be the suspension of magnetically marked Coli bacteria are pumped through the measuring coil. The An number of resonance events in the connected oscillation circle corresponds to the number of coli bacteria in the original initial water test. By using this device and the corresponding conjugates, it is possible without the elaborate use of flow cytometry bacteria count automatically. It is also possible to use a miniaturization of the detection device to achieve it.
Mit der beschriebenen Technik werden Partikel wie Bakte rien, Zellen oder Zellbestandteile in wässrigen Lösungen nachgewiesen und gezählt. Diese Technik ermöglicht eine Mi niaturisierung des automatischen Partikelzählverfahrens. Dazu werden die Partikel vor der Messung durch die Reaktion mit monovalenten antikörper- bzw. virenbeschichteten ferro magnetischen Partikeln markiert. Die induktive Messung be ruht auf dem Passieren der mit den biologischen Partikeln aggregierten ferromagnetischen Partikel durch die Mikro spule eines elektronisches Schwingkreises. Die beim Passie ren auftretenden Resonanzereignisse werden gezählt.With the technique described, particles become like bacteria cells, cells or cell components in aqueous solutions proven and counted. This technology enables a Mi niaturization of the automatic particle counting process. To do this, the particles are measured before the reaction with monovalent ferro coated with antibodies or viruses marked magnetic particles. The inductive measurement be rests on passing through with the biological particles aggregated ferromagnetic particles through the micro coil of an electronic resonant circuit. The one at the Passie Any resonance events that occur are counted.
Die Vorrichtung kann in der Medizin, Mikrobiologie und Hygiene eingesetzt werden, beispielsweise zum Auszählen von Blutzellen; es können ökologisch relevante Mikroorganismen ausgezählt oder krankheitserregende Keime nachgewiesen werden.The device can be used in medicine, microbiology and Hygiene can be used, for example to count Blood cells; it can be ecologically relevant microorganisms counted or pathogens detected become.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be vorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt inFurther advantages, features and details of the invention result from the following description of a be preferred embodiment and with reference to the drawing; this shows in
Fig. 1: ein Schema zu einem erfindungsgemäßen Verfahren; FIG. 1 shows a schematic of a process of this invention;
Fig. 2: ein Detail der Fig. 1 in schematisierter Schrägsicht. Fig. 2: a detail of Fig. 1 in a schematic oblique view.
Vor einem Verfahren zum Nachweis von Kolibakterien in einer durch eine Leitung 10 zugeführten Wasserprobe Z werden mo novalente primäre E.-coli-spezifische Antikörper mit an ma gnetische Beads gekoppelten sekundären Antikörpern konju giert. Die Leitung für die monovalenten magnetischen Parti kel F ist mit 12 bezeichnet. Beide Leitungen 10, 12 enthal ten Schlauchpumpen 14 und vereinigen sich nach diesen zu einer gemeinsamen Förderleitung 16.Before a method for the detection of coli bacteria in a water sample Z fed through a line 10 , modern primary E. coli-specific antibodies are conjugated with secondary antibodies coupled to magnetic beads. The line for the monovalent magnetic Parti angle F is designated 12. Both lines 10 , 12 contain th peristaltic pumps 14 and combine to form a common delivery line 16 .
Das Reagenz mit ferromagnetischen, biologisch aktivierten Partikeln wird über die Leitungen 12 und 16 in eine Teflonkapillare 20 gepumpt und dort mittels eines Elektro magneten 22 fixiert, dessen Magnetspule mit 24 bezeichnet und dem die Z-förmig aufgewickelte Teflonkapillare 20 in einem konzentrischen Polschuh 26 zugeordnet ist. Dieser begrenzt mit einem von ihm in Radialabstand umgebenen Polstift 28 einen Ringraum 30 für die Teflonkapillare.The reagent with ferromagnetic, biologically activated particles is pumped via the lines 12 and 16 into a Teflon capillary 20 and fixed there by means of an electric magnet 22 , the magnet coil of which is designated 24 and the Z-shaped wound Teflon capillary 20 in a concentric pole piece 26 is assigned . This delimits an annular space 30 for the Teflon capillary with a pole pin 28 surrounded by it at a radial distance.
Beim Durchströmen der Kapillare 20 mit der zu untersuchen den Wasserprobe Z werden Kolibakterien als zu zählende bio logische Partikel über die primären Antikörper an den fer romagnetischen Konjugaten festgehalten. Nach dem Abschalten des Elektromagneten 22 kann die Suspension von magnetisch markierten Kolibakterien dank einer Piezopumpe 32 in einer Messleitung 34 durch eine geätzte Metallspule als Messspule 36 einer mikrosystemtechnischen Einheit 40 transportiert werden. Aus dieser werden die gezählten Partikel in Pfeilrichtung X ausgetragen.When the water sample Z to be examined flows through the capillary 20, coli bacteria as biological particles to be counted are held onto the ferromagnetic conjugates via the primary antibodies. After the electromagnet 22 has been switched off , the suspension of magnetically marked coli bacteria can be transported in a measuring line 34 by means of a piezo pump 32 through an etched metal coil as a measuring coil 36 of a microsystem unit 40 . The counted particles are discharged from this in the direction of the arrow X.
Die freien Enden 38, 38 a der Messspule 36 sind - nach einem Widerstand 42 und einem Kondensator 44 - an eine Einrichtung 46 zum Anregen der Schwingung und zum Messen von Resonanzereignissen angeschlossen; dort erfolgt eine Umwandlung in Zählimpulse.The free ends 38 , 38 a of the measuring coil 36 are - after a resistor 42 and a capacitor 44 - connected to a device 46 for exciting the vibration and for measuring resonance events; there is a conversion into counts.
Die Anzahl der Resonanzereignisse im angeschlossenen Schwingkreis entspricht der Anzahl der Kolibakterien in der ursprünglichen Wasserprobe Z.The number of resonance events in the connected The resonant circuit corresponds to the number of coli bacteria in the original water sample Z.
Zwischen der Teflonkapillare 20 und der Piezopumpe 32 ist ein - ein Ventil 48 enthaltender - Leitungsabzweig 18 für überschüssige Probeanteile Q vorgesehen, dem in der För derleitung 16 ein Ventil 48 nachgeschaltet ist.Between the Teflon capillary 20 and the piezo pump 32 is a - a valve 48 containing - line branch 18 for excess sample Q is provided, which is connected in the För derleitung 16 a valve 48 .
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