DE102014009511A1 - Signal accumulation method for biochemical sensors - Google Patents
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Abstract
In der biochemischen Analytik werden oft Affinitätssensoren mit immobilisierten Fängermolekülen auf festen Trägern verwendet. Unter Nutzung der biochemischen Komplexbildung werden Zielanalyte spezifisch gebunden und mittels chemischer Reaktionen und physikalischer Messverfahren vermessen. Das neue Verfahren soll die Qualität und die Zuverlässigkeit gebräuchlicher biochemischer Analyseverfahren mit elektrischen und optischen Messprinzipien verbessern. Erfindungsgemäß werden übliche dynamische Messverfahren wiederholt und mehrfach ausgeführt und durch Akkumulation der digitalisierten und zeitlich aufgelösten Messwerte optimiert. Die Empfindlichkeit der Analysen erhöht sich bei n Messvorgängen maximal um den Faktor n1/2, wobei Schwankungen einzelner Messungen eliminiert werden. Das Verfahren ist in der biochemischen Analytik unter Verwendung bekannter biochemischer Analyseverfahren einsetzbar.In biochemical analysis, affinity sensors with immobilized capture molecules on solid supports are often used. Using biochemical complex formation, target analytes are specifically bound and measured by chemical reactions and physical measurement techniques. The new method is intended to improve the quality and reliability of common biochemical analysis methods using electrical and optical measuring principles. According to the invention, customary dynamic measurement methods are repeated and executed several times and optimized by accumulation of the digitized and temporally resolved measured values. The sensitivity of the analyzes increases by a factor of n1 / 2 for n measurements, whereby fluctuations of individual measurements are eliminated. The method can be used in biochemical analysis using known biochemical analysis methods.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf analytische Verfahren zur Messung der Komplexbindung von immobilisierten Biomolekülen sowie Verwendungen des Verfahrens.The invention relates to analytical methods for measuring the complex binding of immobilized biomolecules and uses of the method.
Stand der TechnikState of the art
Die Bestimmung der Komplexbindung biochemischer Analyte mit Hilfe der Kombination chemischer und physikalischer Methoden ist ein in der Molekularbiologie bekanntes und breit genutztes Verfahren. Diese Technik spielt beim Nachweis sowohl von Nukleinsäuren (vgl.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein effizientes und kostengünstiges Verfahren bereitzustellen, welches die Empfindlichkeit und die Zuverlässigkeit biochemischer Analyseverfahren verbessert. Es soll für Detektionsverfahren mit optischen, elektrischen Ausleseprinzipien eingesetzt werden, ohne die biochemischen Verfahren verändern zu müssen.The object of the present invention is to provide an efficient and inexpensive method which improves the sensitivity and the reliability of biochemical analysis methods. It should be used for detection methods with optical, electrical Ausleseprinzipien without having to change the biochemical process.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Optimierungsverfahrens zur Detektion der biochemischen Komplexbildung. Mittels elektrischer oder optischer Auslesung werden dynamische Vorgänge bei der Analyse biochemischer Assays auf festen planaren oder spärischen Trägern (beads) durch folgende Schritte empfindlicher und präziser detektiert:
- • Messung und Aufzeichnung der digitalisierten Werte, die mittels optischer oder elektrischer Detektoren als Ergebnis einer biochemischen Komplexbildung erhalten werden
- • Zwei- oder mehrfache Wiederholung dieser Messvorgänge
- • Akkumulation der Sensorsignale von wiederholten Messvorgängen durch Addition
- • Measurement and recording of the digitized values obtained by means of optical or electrical detectors as a result of biochemical complex formation
- • Two or more repetitions of these measurements
- • Accumulation of sensor signals from repeated measurements by addition
Der Erfindungsgedanke liegt darin, gebräuchliche biochemische Analyseverfahren bei deren Anwendung nach Stand der Technik jeweils nur einmal ein Sensorsignal erzeugt und aufgezeichnet wird, durch mehrfache Wiederholung der Messungen zu optimieren. Dabei wird der biochemische Prozeß oder die Signalauslösung n mal induziert bzw. wiederholt und dazu elektrisch oder optisch vermessen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe insbesondere durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und den abhängigen Verfahrensansprüchen gelöst. Zugehörige Anordnungen und Varianten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6.The idea of the invention lies in the fact that common biochemical analysis methods whose application according to the prior art generates and records only once a sensor signal are optimized by multiply repeating the measurements. In this case, the biochemical process or the signal release n times induced or repeated and this measured electrically or optically. According to the invention the object is achieved in particular by the method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 umfasst die folgenden Schritte:
- a) Die Messung zeitaufgelöster Signale von biochemischen Sensoren, wie sie typischerweise auf trägergebundenen Affinitätssensoren, häufig auch in Arrayanordnungen, mittels komplexchemischer Methoden und Markierungen erzeugt werden. Solche Signale werden z. B. durch ansteigende Konzentrationen komplexchemischer Marker oder deren Reaktionsprodukte und Messung mit Hilfe physikochemischer Wandler erhalten. Gut geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren sind dabei insbesondere Sensoren mit Enzymmarkern, bei denen nach Zuführung ihrer Enzymsubstrate am Ort der trägergebundenen Affinitätskomplexe eine schnelle Erhöhung der Konzentration der durch das Enzym erzeugten Produkte eintritt. Mit einem elektrochemisch arbeitenden Wandler wird dabei der Konzentrationsanstieg der redoxaktiven Enzymprodukte als ein ansteigender amperometrischer Strom während weniger Millisekunden vermessen. Den gleichen Prozess kann man mit optisch aktiven Enzymprodukten durch die ansteigende optische Intensität mittels optischer Wandler vermessen, wobei messtechnisch ebenfalls eine zeitabhängige Strom-Kurve erhalten wird. Im Fall der Messung von Sensorarrays werden je nach Sensorkonstruktion die verschiedenen Arraypositionen sequentiell nacheinander oder parallel gemessen und einzeln und separat die Verfahrensschritte der Erfindung ausgeführt. Die Messung zeitaufgelöster Signale von biochemischen Affinitätssensoren wird oft auch durch direkte Messung einer physikalische Veränderung oder eines Prozesses bei der oder durch die Komplexbildung vorgenommen. Beispielhafte Techniken hierfür sind elektrische Impedanzmessungen, elektrische Messungen mit Schwingquarzen, optische Resonanzmethoden oder auch dynamische nanostrukturierte Biosensoren.
- b) Der biochemische Prozess und/oder die Signalerzeugung und die Aufzeichnung der Signalveränderung werden mehrfach wiederholt. Für den Anwendungsfall der Enzymmarkierung wird dabei nach dem Verfahrensschritt a) das Substrat/Produkt-Gemisch mittels eines Waschvorganges mit Pufferlösung entfernt und dadurch der Affinitätskomplex in den Ausgangszustand versetzt. Mit erneuter Zuführung von Substrat läuft Schritt a) zum wiederholten Male ab und ein neues Sensorsignal wird erzeugt. Die Trägerbindung der Affinitätskomplexe erlaubt das Waschen des Sensors mit geeigneter Pufferlösung und nachfolgendem erneuten Angebot von Substrat als zyklische Reaktionsführung. Die Wiederholungen können so lange fortgeführt werden, bis eine Degradation der Affinitätskomplexe eintritt, d. h. bis diese sich vom Träger abzulösen beginnen oder inaktiviert werden. Die Zahl der möglichen Wiederholungen hängt von der chemischen Natur der Bindung zwischen Träger und Affinitätskomplex, sowie dessen Stabilität ab und liegt typischerweise zwischen 4 bis 1000. Ausschlaggebend für Wiederholungsmessungen bei den markierungsfreien Verfahren ist die Realisierbarkeit einer effektiven Wiederholung des signalgebenden Prozesses. Bei einigen Verfahren ist beispielsweise die Ablösung eines Analyten und/oder Komplexbildungspartners durch gezielte chemische Maßnahmen, wie z. B. Umgebungs- und Pufferbedingungen möglich. Bei anderen Verfahren kann die Messung nach Entfernung oder Ablösung des Analyten und/oder eines Komplexbildungspartners durch Konkurrenzreaktionen oder Verdrängung durch erneute Komplexbildung wiederholt werden.
- c) Addition jeweils gleicher Messpunkte der digitalisierten Sensorsignale bei wiederholten Messvorgängen wie in
1 beispielhaft dargestellt.1 zeigt ein Strom-Zeit-Diagramm eines biochemischen Sensors, wobei der signalerzeugende chemische oder physikalische Prozess vor der Messung induziert oder während der Messung unterhalten wird. Dazu wird während derersten Messung 1 ein physikalischer Messwert Y während einer Zeit t sequentiell gemessen, wobei die Messpunkte M1, M2, M3... bis Mm in diesem Anwendungsbeispiel einem Stromanstieg entsprechen, wie er sowohl mit optischen als auch elektrischen Detektoren erhalten wird. Die Messwerte M1 bis Mm werden als digitalisierte Werte an definierten Plätzen in Datenspeichern abgelegt. Die Zahl der Messpunkte ist frei wählbar und wird den biochemischen und messtechnischen Gegebenheiten angepasst. Nach dieser ersten Messung wird der Sensor in die Ausgangssituation zurückversetzt und der signalerzeugende biochemische Prozess wiederholt, wobei dieMessung 2 erfasst wird. Der in gleicher Weise gemessene physikalische Messwert Y wird ebenso während der Zeit t gemessen, wobei wiederum Messpunkte M1 bis Mm entstehen. Diese Messwerte M1 bis Mm werden als digitalisierte Werte an den gleichen Plätzen im Datenspeicher zu den denjenigen aus der ersten Messung hinzuaddiert. Auf diese Weise wird zum Wert M1 aus der ersten Messung der Wert M1 aus der zweiten Messung addiert und analog wird mit den Werten M2 bis Mm verfahren. Dieser Prozess aus zyklischer Signalerzeugung und Datenspeicherung wirdmit Messung 3 und im Folgenden bis zur Messung n wiederholt. Eine analoge Addition erreicht man durch Speicherung aller Messwerte aus allen n Messungen an separaten Speicherplätzen und Addition aller Messwerte M1 aller n Messungen am Schluß. Nacheinander werden danach alle Messwerte M2 aller n Messungen und fortlaufend alle entsprechenden Messwerte bis Mm in gleicher Weise verarbeitet.
- a) The measurement of time-resolved signals from biochemical sensors, as they are typically generated on carrier-bound affinity sensors, often in array arrangements, using complex chemical methods and markers. Such signals are z. As obtained by increasing concentrations of complex chemical markers or their reaction products and measurement by means of physicochemical transducers. Particularly suitable for the method according to the invention are, in particular, sensors with enzyme markers in which, after the introduction of their enzyme substrates at the site of the carrier-bound affinity complexes, a rapid increase in the concentration of the products produced by the enzyme occurs. With an electrochemical converter, the concentration increase of the redox-active enzyme products is measured as an increasing amperometric current during a few milliseconds. The same process can be measured with optically active enzyme products by the increasing optical intensity by means of optical transducers, wherein metrologically also a time-dependent current curve is obtained. In the case of the measurement of sensor arrays, depending on the sensor construction, the different array positions are measured sequentially or in parallel and the method steps of the invention are carried out individually and separately. The measurement of time-resolved signals from biochemical affinity sensors is often also made by direct measurement of a physical change or process during or through complex formation. Exemplary techniques for this are electrical impedance measurements, electrical measurements with quartz crystals, optical resonance methods or dynamic nanostructured biosensors.
- b) The biochemical process and / or the signal generation and the recording of the signal change are repeated several times. For the application of enzyme labeling, the substrate / product mixture is removed by means of a washing process with buffer solution after process step a) and thereby the affinity complex is converted into the initial state. With renewed supply of substrate step a) is repeated again and a new sensor signal is generated. The carrier binding of the affinity complexes allows the washing of the sensor with a suitable buffer solution and subsequent renewed offer of substrate as a cyclic reaction. The repeats may be continued until degradation of the affinity complexes occurs, that is, until they begin to detach from the carrier or are inactivated. The number of possible repeats depends on the chemical nature of the bond between the support and the affinity complex, as well as its stability, and is typically between 4 and 1000. Crucial for repeat measurements in the label-free methods is the feasibility of an effective repetition of the signaling process. In some methods, for example, the replacement of an analyte and / or complexing partner by targeted chemical measures such. B. Ambient and buffer conditions possible. In other methods, the measurement may be repeated after removal or separation of the analyte and / or a complexing partner by competing reactions or displacement by recomplexing.
- c) Addition of the same measuring points of the digitized sensor signals in repeated measuring operations as in
1 exemplified.1 shows a current-time diagram of a biochemical sensor, wherein the signal-generating chemical or physical process is induced before the measurement or maintained during the measurement. For this purpose, during thefirst measurement 1, a physical measured value Y is measured sequentially during a time t, wherein the measuring points M1, M2, M3... To Mm in this example of application correspond to a current increase as obtained with both optical and electrical detectors. The measured values M1 to Mm are stored as digitized values at defined locations in data memories. The number of measuring points is freely selectable and adapted to the biochemical and metrological conditions. After this first measurement, the sensor is returned to the initial situation and the signal-generating biochemical process is repeated, themeasurement 2 being detected. The measured physical value Y in the same way is also measured during the time t, whereby in turn measuring points M1 to Mm are produced. These measured values M1 to Mm are added as digitized values at the same places in the data memory to those from the first measurement. In this way, the value M1 from the second measurement is added to the value M1 from the first measurement, and the values M2 to Mm are analogously traversed. This process of cyclic signal generation and data storage is repeated withmeasurement 3 and subsequently to measurement n. An analogue addition can be achieved by storing all measured values from all n measurements in separate memory locations and adding them all together Measurements M1 of all n measurements at the end. Afterwards, all measured values M2 of all n measurements and consecutively all corresponding measured values up to Mm are processed in the same way.
Durch das Verfahren werden für die Messpunkte Summenwerte erhalten, die sich mit der nachfolgenden Formel beschreiben lassen. Yi ist dabei der einzelne Signalwert eines Messpunktes bei der i-ten Wiederholung.Through the method, summation values are obtained for the measuring points, which can be described with the following formula. Y i is the single signal value of a measuring point at the i-th repetition.
Die Signalqualität erhöht sich signifikant mit der Zahl der erreichten Wiederholungen der Messungen. Die Signalamplitude S steigt nach n Messungen um den Faktor n, während die Rauschamplitude N sich aber nur mit der halben Potenz von n erhöht. Für die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses gilt dann bekanntermaßen: Damit erreicht man durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens schon bei kleinen Wiederholungsraten von z. B. n = 9 eine für biochemische Sensoren bedeutende Signalverstärkung um etwa den Faktor 3 und bei n = 25 um etwa den Faktor 5. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich entsprechend Anspruch 6 durch eine Bewertung des korrekten Ablaufes jeder einzelnen Wiederholungsmessung eine weitere Qualitätsverbesserung realisieren. Da biochemische Sensoren und insbesondere Arrayanordnungen oft in fluidischen oder mikrofluidischen Systemen angewandt werden, sind Störungen z. B. durch Gasblasen im Kanalsystem oder auf der Oberfläche von Biochips nicht auszuschließen. Erkennt man im Anwendungsbeispiel z. B. eine Störung des korrekten Ablaufs bei einer der wiederholten 10 Messungen mit Hilfe einer automatisierten Bewertung der Signale, läßt sich diese Messung aussondern bzw. ignorieren. Es werden in diesem Fall nur die verbliebenen restlichen und korrekten Wiederholungsmessungen verwertet. Im Gegensatz zur bisher üblichen Einzelmessung an einem Sensor, die bei einem solchen fluidischen oder auch andersartigen Fehler nicht verwertbar ist, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Verwertung der Gesamtmessung und verbessert die Qualität. Insgesamt wird dadurch ein qualitativer und ökonomischer Nutzen realisiert.The signal quality increases significantly with the number of repetitions of the measurements achieved. The signal amplitude S increases after n measurements by the factor n, while the noise amplitude N increases but only with half the power of n. As is known, for the improvement of the signal-to-noise ratio: This can be achieved by the application of the method according to the invention even at low repetition rates of z. B. n = 9 for biochemical sensors significant signal gain by about a factor of 3 and at n = 25 by about the
Ausführungsbeispielembodiment
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften und Beschreibung im Zusammenhang mit der
Mit dieser Sensor- und Messanordnung wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt:
- 1) Der elektrische Arraysensor mit enzymmarkierten Affinitätskomplexen wird über die Fluidikkartusche
mit Phosphatpuffer pH 6,8 gespült und mit dem Multipotentiostaten vermessen. Dies definiert den amperometrischen Strom zum Zeitpunkt t0 und den Y-Wert des Messpunktes M0 für eine einzelne Arrayposition. Durch übliches elektrisches Multiplexing werden entsprechende Messwerte für jede einzelne Arrayposition gewonnen. Für jede Arrayposition wird dabei ein separates Messdiagramm entsprechend der1 angelegt, welches in2 beispielhaft als Arrayposition A und Arrayposition B bezeichnet sind. - 2) Das gleiche Array wird danach mit einer 1 mM Lösung para-Amino-phenylphospat in
Phosphatpuffer pH 6,8 überspült. Das Markerenzym alkalische Phophatase spaltet daraufhin die Aminogruppe seines Substrates ab und die Konzentration an para-Aminophenol steigt lokal an jenen Arrayelektroden an, auf welchen sich enzymtragende Affinitätskomplexe gebildet haben. Die Messung erfolgt in gleicher Weise wie vorstehend angegeben amperometrisch. Die Messwerte zeigen quantitativ die jeweilige Menge an. Gemäß Verfahrensschritt a) werden nun an jeder Arrayposition 20 Messpunkte sequentiell im zeitlichen Abstand von 80 msec gewonnen, wobei dann der physikalische Messwert Y in1 einer Skala von ca. 100 mA entspricht.Damit ist Messung 1 mit m = 20 Messpunkten erfasst und wird jeweils in das Messdiagramm der jeweiligen Arrayposition eingetragen. Der Anstieg der Kurven entspricht quantitativ der Menge der Affinitätskomplexe auf der jeweiligen Arrayposition. - 3) Zur Wiederholung wird der Sensor erneut
mit Phosphatpuffer pH 6,8 gespült und damit das Substrat und das Produkt der Messung 1 entfernt. Damit stellt man dieAusgangssituation für Messung 2 ein und misst diese mit dem Multipotentiostaten wie vorstehend unter 1). Dies definiert für dieMessung 2 den amperometrischen Strom zum Zeitpunkt t0 und den Y-Wert des Messpunktes M0. Es wird weiter verfahren wie unter Schritt 2) beschrieben und damit dieMessung 2 realisiert. - 4) Die Messwerte M0 bis
Mm von Messung 2 werden jeweils zu den Messwerten M0 bis Mm der Messung 1 hinzuaddiert. - 5) Schritt 1), Schritt 2), Schritt 3) und Schritt 4) werden nacheinander noch 14× bis zur Messung n = 16 wiederholt. Damit erreicht man eine 16-fache Verbesserung der Signalamplitude und eine ca. vierfache Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Messkurve verglichen mit der üblichen Einzelmessung.
- 6) Vor der Addition der Messpunkte werden alle 16 Messungen einzeln auf Korrektheit geprüft und bewertet. Erkennt man einzelne der Messungen als fehlerhaft werden diese selektiert und verworfen.
- 1) The electrical array sensor with enzyme-labeled affinity complexes is rinsed via the fluidic cartridge with phosphate buffer pH 6.8 and measured with the multipotentiostat. This defines the amperometric current at time t 0 and the Y value of the measurement point M 0 for a single array position. Conventional electrical multiplexing produces corresponding measured values for each individual array position. For each array position, a separate measurement diagram will be used
1 created, which in2 are exemplified as Arrayposition A and Arrayposition B. - 2) The same array is then rinsed with a 1 mM solution of para-amino-phenylphosphate in phosphate buffer pH 6.8. The marker enzyme alkaline phosphatase then cleaves the amino group of its substrate and the concentration of para-aminophenol increases locally to those array electrodes on which enzyme-bearing affinity complexes have formed. The measurement is carried out in the same way as stated above amperometrically. The measured values indicate quantitatively the respective quantity. According to method step a), measurement points are now obtained sequentially at an interval of 80 msec at each array position, in which case the physical measured value Y in
1 corresponds to a scale of about 100 mA. Thus,measurement 1 with m = 20 measurement points is detected and is entered in the measurement diagram of the respective array position. The increase in the curves corresponds quantitatively to the amount of affinity complexes at the respective array position. - 3) To repeat, rinse the sensor again with phosphate buffer pH 6.8 and remove the substrate and the product of
measurement 1. This sets the starting situation formeasurement 2 and measures it with the multipotentiostat as in 1) above. This defines for themeasurement 2 the amperometric current at time t 0 and the Y value of the measuring point M0. The procedure is as described under step 2) and thus themeasurement 2 is realized. - 4) The measured values M0 to Mm of
measurement 2 are added to the measured values M0 to Mm of themeasurement 1, respectively. - 5) step 1), step 2), step 3) and step 4) are repeated in succession 14 × until the measurement n = 16. This achieves a 16-fold improvement in the signal amplitude and an approximately fourfold improvement in the signal-to-noise ratio of the trace compared to the usual single measurement.
- 6) Before adding the measuring points, all 16 measurements are individually checked for correctness and evaluated. If one recognizes some of the measurements as faulty, these are selected and rejected.
Für das beschriebene Ausführungsbeispiel mit thiol-gebundenen Fängermolekülen beobachtet man nach mehr als ca. 20 Wiederholungen eine Verringerung der y-Werte der Messpunkte M1 bis M20. Dies ist Folge einer beginnenden Ablösung der Affinitätskomplexe vom Sensor. Verwendet man dagegen biochemische Sensoren bei denen die Fängermoleküle kovalent z. B. über Amino- oder Carboxyl- oder Aldehyd-Gruppen an die Träger- oder Sensoroberfläche gebunden sind, kann die Zahl der Wiederholungen erheblich gesteigert werden. Damit werden Verbesserungen des Signal-Rausch-Verhältnisses >10 erreicht. Das vorstehende Anwendungsbeispiel für elektrische Biochips lässt sich für das Ausführungsbeispiel auch mit optischer Messwerterfassung ausführen, indem die lokale optische Intensität z. B. nach Spaltung von p-Nitrophenol durch alkalische Phosphatase gemessen wird. Auch die wiederholte Messung einer lokalen optisch aktiven Fluoreszenzmarkierung ist in analoger Weise durchführbar.For the described embodiment with thiol-bound capture molecules, a reduction in the y values of the measurement points M1 to M20 is observed after more than about 20 repetitions. This is due to an initial detachment of the affinity complexes from the sensor. In contrast, biochemical sensors are used in which the capture molecules covalently z. B. are bound via amino or carboxyl or aldehyde groups to the carrier or sensor surface, the number of repetitions can be significantly increased. This achieves improvements in the signal-to-noise ratio> 10. The above example of application for electrical biochips can also be carried out for the exemplary embodiment with optical measured value detection by the local optical intensity z. B. after cleavage of p-nitrophenol by alkaline phosphatase is measured. The repeated measurement of a local optically active fluorescent label can be carried out in an analogous manner.
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CN114755276A (en) * | 2022-04-19 | 2022-07-15 | 燕山大学 | Biosensor and preparation method and application thereof |
CN114755276B (en) * | 2022-04-19 | 2024-01-23 | 燕山大学 | Biosensor and preparation method and application thereof |
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