DE19751706A1

DE19751706A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Nachweis von Analyten

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Publication number: DE19751706A1
Application number: DE19751706A
Authority: DE
Inventors: Meinhard Prof Dr Knoll
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: DE19751706C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Analyten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Solche Vorrichtungen und Verfahren, die im folgenden auch mit dem beides beschreibenden Be griff des Assays bezeichnet werden, dienen zur quali tativen und quantitativen Erfassung von spezifischen Bindungen zwischen mindestens zwei Molekülen. Hierzu zählt zum Beispiel die Erfassung von Rezeptor-Ligand- Wechselwirkungen, Antikörper-Antigen-Wechselwirkung, die Erkennung von Nukleinsäuren, die Wechselwirkung zwischen Oligonukleotiden und DNA sowie anderer mole kularer Wechselwirkungen. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art lassen sich zum Beispiel in der Chemie, der klinischen Analytik, der pharmazeutischen Ent wicklung, der Umweltanalytik sowie bei Routinearbei ten der Molekularbiologie bis hin zur Sequenzierung von Nukleinsäuren einsetzen.

Es ist bekannt, daß Immunoassays mit unterschiedli chen Detektionsmethoden durchgeführt werden. Hierzu zählen radioaktive, fluoreszenz- und chemolumi niszenzgestützte sowie enzymatische Verfahren (C.P. Price, D.J. Newman: Principles and Practice of Immunoassays, Macmillan Publicers Ltd., 1991 U.K.).

Bei einer besonderen Form von Immunotest kommt es aufgrund von Antikörper-Antigen-Bindungen zu einer Agglutination von Latex-Partikeln, die beispielsweise optisch nachgewiesen werden kann (J.M. Singer, C.M. Plotz: The Latex Fixation Test, American Journal of Medicine, Dec. 1965, pp. 888-892). Mit derartigen Agglutinationstests können unter Verwendung von Mi krosphären von 10 µm Durchmesser 10⁵ Moleküle, von Mikrosphären mit einem Durchmesser von 1 µm 10⁸ Mo leküle und von Mikrosphären mit einem Durchmesser von 0,1 µm 10¹³ Moleküle nachgewiesen werden. Am Bei spiel von IgG (MW = 100,000) werden theoretische Emp findlichkeiten von 10 fM, 10 pM bzw. 10 nM angegeben. Die höchste Empfindlichkeit ergibt sich also bei rela tiv großen Mikrosphären, deren Einsatz allerdings durch ihr Sedimentationsverhalten begrenzt ist.

Weiterhin können neuerdings Nukleinsäuren, beispiels weise Oligonukleotide, RNA und DNA über derartige Wechselwirkungen mittels der DNA-Mikrochip-Technolo gie nachgewiesen werden (Nature, Genetics, Vol. 14, No. 4, Dec. 96, und D. Noble: DNA Sequencing on a chip, Anal. Chemistry, Vol. 67, No. 5, March 1, 1995). Hier wird allerdings die Chip-Technologie nicht als elektrisches Meßverfahren benutzt, sondern sie dient als neues Syntheseverfahren und zur Erzeu gung von Mikrostrukturen. Der eigentliche Detektions mechanismus ist optischer Art. Die Kombination aus elektrischen Verfahren zur Synthese eines Liganden und der optischen Markierung und Detektion ist jedoch sehr aufwendig.

Nachteilig am Stand der Technik ist, daß Nachweisver fahren auf radioaktiver Basis mit Strahlenschutz- und Entsorgungsproblemen des dabei entstehenden radioak tiven Mülls behaftet sind. Bei enzymatischen Nach weismethoden, die eine elektrochemische Detektion der Analyte ermöglichen, muß als zusätzlicher Arbeits schritt eine chemische Reaktion mit einer Substanz als chemisches Reaktionssubstrat erfolgen.

Bei allen im Stand der Technik bekannten Nachweisver fahren und Assays ist ein abschließender Waschschritt nötig, um vor der Detektion des Analyten überschüssi ge Reaktanten zu entfernen, um unspezifische Signale soweit wie möglich zu minimieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das den Nach weis von Analyten auf rasche, einfache und genaue Weise ermöglicht und bei dem auf einen Waschschritt verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 18 in Verbindung mit ihren kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Werden Markerpartikeln mit elektrischen Eigenschaf ten, die sich von denen ihrer Umgebung, der Meß lösung, unterscheiden in ein elektrisches Feld ge bracht, so wird hierdurch das elektrische Feld, ins besondere seine Feldstärke und auch der Verlauf der elektrischen Feldlinien, verändert. Diese Änderungen eines in der Meßlösung erzeugten elektrischen Feldes können einfach, rasch und sehr präzise bestimmt wer den.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht also auf einer Nachweismethode, die als rein elektrisch angesehen werden kann. Dies gilt, obwohl der Stromtransport im Elektrolyten auf ionischer Leitung beruht. Da bei diesem Verfahren aber elektrochemische Umsetzungen an den Elektroden keine Rolle spielen, soll hier und im folgenden von einer rein elektrischen Nachweismethode gesprochen werden. Daher weist es die für die Bestim mung von elektrischen Eigenschaften mögliche sehr hohe Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit und folglich eine sehr niedrige Nachweisgrenze bei hoher Empfind lichkeit auf.

Bei geeigneter Dimensionierung und/oder Positionie rung der Elektroden, die das elektrische Feld erzeu gen, wird das elektrische Feld nahezu ausschließlich von Markerpartikeln mit unterschiedlichem spezifi schem Widerstand bzw. unterschiedlicher Dielektrizi tätskonstante beeinflußt, die beispielsweise mit dem Analyten oder mit einem Substrat spezifische Bindun gen eingegangen sind. Unter "Substrat" sind für die vorliegende Erfindung, sofern nichts anderes angege ben ist, alle als Unterlage geeigneten Körper bzw. Materialien zu verstehen. Überschüssige ungebundene Markerpartikel führen zu keinem Signal, so daß ein Waschschritt zur Entfernung ungebundener Markerparti kel aus der Meßlösung entfallen kann.

Der Meßbereich des erfindungsgemäßen Bio-Assays (Ver fahren und/oder Vorrichtung) kann durch Festlegung der Elektroden- bzw. Substratoberflächen und durch die Wahl der Größe der Markerpartikel eingestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsge mäße Vorrichtung können zum Nachweis und zur Konzen trationsbestimmung beliebiger, über molekulare Wech selwirkungen erfaßbarer Analyten eingesetzt werden. Zu diesen zählen zum Beispiel die Wechselwirkungen von Rezeptor-Ligand, Antikörper-Antigen, Antikörper- Hapten, Antikörperfragment-Antigen, Aptameren, Prote inen, Nukleinsäuren, Oligonukleotiden, DNA sowie alle molekularen Wechselwirkungen, bei denen mindestens einer der molekularen Partner mit einem Markerparti kel markiert werden kann. Dies reicht bis hin zur Wechselwirkung von Stoffen mit den Oberflächen ganzer Zellen. Es ist prinzipiell möglich, alle bekannten Immunoassay-Formate nach dem Stand der Technik zu realisieren.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen folglich insbesondere darin, daß eine rein elektri sche Nachweismethode mit all ihren Vorteilen in bezug auf Genauigkeit, Schnelligkeit und Sensitivität ein gesetzt wird, und daß ferner bei Verwendung von sehr kleinen Elektroden und Markerpartikeln vergleichbarer Größe ein Einzelbindungsnachweis möglich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wer den in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Insbesondere im Nahfeld einer ein elektrisches Feld erzeugenden Elektrode kann bereits die Anwesenheit eines einzelnen Markerpartikels zu ausreichend hohen Änderungen des elektrischen Feldes führen. Weiter von der Elektrode entfernte, nicht spezifisch gebundene Markerpartikel führen zu geringeren Beeinträchtigun gen des elektrischen Feldes, so daß bei geeigneter Anordnung der Elektroden in der Nähe eines Substrates bzw. Ausbildung der Elektroden selbst als Substrat und bei geeigneter Konzentration der Markerpartikel das gemessene Signal im wesentlichen nur von spezi fisch gebundenen Markerpartikeln beeinflußt wird. Dadurch kann dann auch ein Waschschritt zur Entfer nung von überschüssigen Markerpartikeln oder Analyten aus der Meßlösung entfallen.

So kann beispielsweise ein Einzelbindungsnachweis an einer Elektrode als Substrat erfolgen, deren Oberflä che in der gleichen Größenordnung liegt wie die größ te Querschnittsfläche des Markerpartikels oder sich zumindest nicht um mehrere Größenordnungen unter scheidet. Damit können hierfür Mikroelektroden ver wendet werden, die runde, quadratische, rechteckige, aber auch beliebige Form haben.

Soll das Binden mehrerer Markerpartikel meßtechnisch nachgewiesen werden, so können größere Elektroden verwendet werden, an deren Oberfläche es zu einer Agglutination von Markerpartikeln kommt. Im Gegensatz zu den für den Stand der Technik angegebenen Werten für Agglutinationstests sinkt die theoretische Nach weisgrenze in Abhängigkeit vom Durchmesser der Mar kerpartikel um mehrere Größenordnungen.

Darüber hinaus kann der Meßbereich des Bio-Assays durch Festlegung der Elektrodenoberflächen zwischen dem Einzelbindungsbereich und dem Agglutinationsbe reich eingestellt werden.

Bei der Verwendung von nur einer Mikroelektrode oder sehr wenigen Mikroelektroden (mit einer dazugehörigen Gegenelektrode) können dann sehr geringe Analytkon zentrationen erfaßt werden, wenn das die Mikroelek trode(n) umgebende Meßmedium ein nur geringes Volumen mit einer begrenzten Anzahl von Markerpartikeln auf weist. Durch Verwendung einer sehr kleinen Proben- oder Durchflußkammer in der Größenordnung von µl kann daher ein einfacher, präziser Einzelbindungsnachweis realisiert werden.

Dies gilt insbesondere beim Nachweis von Analyten durch deren spezifische Bindung an Markerpartikel in einem Durchflußmeßsystem, wobei hier der Analytstrom die gebundenen Markerpartikel durch ein von außen über Elektroden angelegtes elektrisches Feld mit sich nimmt. Die Veränderungen des elektrischen Feldes, die sich als Änderungen des elektrischen Stromes bzw. der Kapazität zwischen den Elektroden in der Meßlösung zeigen und die durch die Markerpartikel ausgelöst werden, können präzise erfaßt werden. Bei entspre chend geringem Volumen des Durchflußbereiches ist auch hier ein Einzelnachweis möglich.

Wird an die Meßlösung ein seine Polarität wechselndes elektrisches oder magnetisches Feld angelegt, so kann durch die hierdurch hervorgerufene Bewegung elek trisch geladener oder magnetischer (paramagnetischer oder diamagnetischer) Markerpartikel eine bessere Durchmischung der Analyten und der Markerpartikel er zielt werden. Insbesondere eignen sich hierzu parama gnetische Markerpartikel, da ein erheblich geringeres magnetisches Feld als bei diamagnetischen Markerpar tikeln benötigt wird. Durch eine derartige feldindu zierte Durchmischung kann die Genauigkeit und Repro duzierbarkeit jeglichen markergestützten Nachweisver fahrens verbessert werden. Hierbei können zu den Mar kerpartikeln mit immobilisierten Molekülen auch sol che kommen, die keine Moleküle tragen. Diese zusätz lichen Markerpartikel verstärken den Durchmischungs effekt. Diese Durchmischung des Meßmediums kann zu sätzlich durch Einkoppelung von Ultraschall unter stützt werden.

Weiterhin können durch entsprechende elektrische oder magnetische Felder derartige Markerpartikel zu ihren Bindungsstellen auf dem Substrat aufgrund eines elek trophoretisch oder magnetisch verursachten Transpor tes bewegt werden oder nach beendeter Bindung der Überschuß an Markerpartikeln aus dem Umkreis des Sub strates entfernt werden. Durch diesen elektrophoreti schen oder magnetfeldinduzierten Transport der Mar kerpartikel zu ihren Bindungsplätzen hin werden die in der Meßlösung vorhandenen Marker besser genutzt und die Sensitivität, die Nachweisgrenze und die Re produzierbarkeit sowie die Genauigkeit der erfin dungsgemäßen Verfahren wird stark verbessert. Durch den auf die Bindung der Markerpartikel an ihre Bin dungsstellen erfolgenden elektrophoretischen oder magnetfeldinduzierten Transport restlicher ungebunde ner Markerpartikel von den Bindungsstellen weg, wird deren Konzentration im Bereich des Substrates und/oder der Elektroden stark verringert. Aufgrund der Sensitivität der Elektroden für Störungen, insbeson dere in ihrem Nahfeld, beeinflussen die freien Mar kerpartikel die Messung nur noch unwesentlich. Ein besonderer Waschschritt, der nach dem Stand der Tech nik bei vielen analytischen Verfahren, insbesondere Immuno-Assays, notwendig ist, kann auch von daher entfallen.

Haben die nachzuweisenden Moleküle im Meßverfahren und die molekülbeladenen Markerpartikel elektrische Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen, so kann beim Anlegen einer elektrischen Spannung der elektro phoretische Transport zunächst die geladenen Moleküle zu ihren Bindungsplätzen auf oder in der Umgebung der Elektroden transportieren. Nach erfolgter Bindung an den Bindungsplätzen werden durch Umpolung des elek trischen Feldes die molekülbeladenen Markerpartikel zu den Bindungsplätzen auf oder im Umfeld der Elek troden gebracht. Dieses Verfahren ist besonders vor teilhaft bei der Verwendung von Sandwich-Format-As says.

Der beschriebene, durch ein elektrisches oder magne tisches Feld induzierte gerichtete und der auf Durch mischung ausgerichtete wechselnde Transport elek trisch geladener bzw. magnetischer Partikel ist bei allen markergestützten, in Meßlösungen ablaufenden Nachweisverfahren anwendbar.

Bei Anwendung inhomogener elektrischer Felder können auch ungeladene, jedoch polare Markerpartikel durch das oben angegebene Verfahren gerichtet transportiert oder gemischt werden.

Im folgenden werden einige beispielhafte Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der er findungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 das elektrische Strömungsfeld in der Umge bung einer Mikroelektrode

a) sphärische Mikroelektrode,
b) planare Mikroelektrode,
c) planare Mikroelektrode mit Markerpar tikeln im Strömungsfeld,

Fig. 2 Elektrophoretischer Markerpartikel-Trans port

a+b) zur Mikroelektrode bzw.
c) von der Mikroelektrode weg,

Fig. 3 Makroelektrode mit agglutinierten Marker partikeln,

Fig. 4 Durchflußzelle mit zwei Mikroelektroden,

a) ohne Markerpartikel,
b) mit einem Markerpartikel und
c) mit zwei gebundenen Markerpartikeln,

Fig. 5 Immunoassayformate

a) und b) Antigennachweis,
c) und d) Antikörpernachweis,
a) und c) Sandwich-Verfahren und
b) und d) kompetitive Verfahren,

Fig. 6 Immunoassay nach Fig. 5a) mit zusätzlicher Membran,

Fig. 7 Immunoassayformate im Durchflußverfahren

a) und b) Antigennachweis,
c) und d) Antikörpernachweis,
a) und c) Sandwich-Verfahren,
b) und d) kompetitive Verfahren,

Fig. 8 DNA-Sonde mit Antikörperwechselwirkung,

Fig. 9 DNA-Sonde,

Fig. 10 DNA-Sonde nach dem Sandwich-Prinzip,

Fig. 11 Immuno-Assay-Array

Fig. 12 Querschnitt durch ein Immuno-Assay-Array,

Fig. 13 Mikrocontainment-Assay,

Fig. 14 Bio-Assay auf der Basis von Interdigital strukturen,

Fig. 15 Modifiziertes Assay nach Fig. 14,

Fig. 16 Modifiziertes Assay nach Fig. 14,

Fig. 17 Meßschaltung für Assays nach Fig. 14 bis 16,

Fig. 18 Immunoassay-Teststäbchen,

Fig. 19 Bioassay für ganze Zellen.

Der Mechanismus des Bindungsnachweises ist in Fig. 1 näher beschrieben.

In Fig. 1a ist die Umgebung einer Mikroelektrode gezeigt. Hierin ist 1 ein isolierender Träger, auf dem eine sphärische Mikroelektrode 2* angeordnet ist. Zwischen dieser Mikroelektrode 2* und einer nicht dargestellten Gegenelektrode wird eine elektrische Spannung angelegt. Beide Elektroden werden von einem flüssigen Meßmedium 3 umspült. Von der unter Spannung stehenden Mikroelektrode 2* gehen elektrische Feld linien 4 aus.

In Fig. 1b und 1c ist der Mechanismus eines Bin dungsnachweises gezeigt. Die planare Mikroelektrode 2 hat quadratische Form mit einer Kantenlänge von 3 µm. Die Elektrode ist mit Hilfe bekannter Dünnschichtver fahren auf einem isolierenden Träger 1, der aus Glas besteht, hergestellt worden. Das Material des Marker partikels ist SiO₂, und der Durchmesser beträgt 2 µm.

Im wäßrigen Meßmedium wird die spezifische Leitfähig keit wie folgt beschrieben:

Hierin sind z_i die Ladungszahl, µ die Beweglichkeit und C die Konzentration der Ionen. F steht für die Faraday-Konstante.

Die Zusammenhänge zwischen elektrischer Stromdichte, elektrischer Feldstärke und Spannungsabfall zwischen Mikroelektrode und flüssigem Meßmedium stellen sich vereinfacht wie folgt dar:
An einer halbkugelförmigen Mikroelektrode ergibt sich ein Zusammenhang zwischen der Stromdichte J und dem elektrischen Strom I gemäß Gleichung 2.

Hierin ist r der Abstand vom Mittelpunkt der Mikro elektrode in das Meßmedium hinein. Für die elektri sche Feldstärke E gilt mit der spezifischen Leitfä higkeit K des Meßmediums die Gleichung

Für den Spannungsabfall zwischen der Elektrodenober fläche und dem flüssigen Meßmedium ergibt sich in Abhängigkeit vom Radius r

Für eine planare Mikroelektrode gemäß Fig. 1b folgt:

U_s' = U_s.k mit k ≈ 0,6 (Gleichung 5).

Für den Abstand r = 2r_o ergibt sich

U_s(r = 2r_o) = 0,5 U(r → ∞) (Gleichung 6).

Dies bedeutet, daß bereits in einem Abstand von einem Elektrodendurchmesser die Spannung um 50% abgefallen ist.

Eine Störung des elektrischen Feldes in direkter Um gebung der Mikroelektrode 2* führt damit zu einer starken Veränderung des elektrischen Feldlinienver laufes.

In Abb. 1c ist ein Markerpartikel (Labelpartikel) 5 gezeigt, das über eine Bindung 6 an eine Mikroelek trode 2 als Substrat gebunden ist. Das durch das Mar kerpartikel 5 stark gestörte elektrische Strömungs feld 4 wirkt sich in einer starken Änderung des meß baren elektrischen Widerstandes zwischen der Mikro elektrode 2 und einer Gegenelektrode aus, die sich ebenfalls im wäßrigen Meßmedium 3 befindet, aber nicht dargestellt ist.

Der elektrische Widerstand kann mit Hilfe von Gleich- oder Wechselspannungen mit Werten von einigen 10 mV bis wenigen Volt, vorzugsweise im 100 mV-Bereich, und die elektrische Kapazität kann mit Hilfe von Wechsel spannungen mit Frequenzen von wenigen Hz bis einigen MHz, vorzugsweise im kHz-Bereich, gemessen werden.

Wird das Binden von Markerpartikeln 5 im elektroden nahen Raum durch Messung des elektrischen Widerstan des bzw. der elektrischen Kapazität zeitaufgelöst registriert, so kann eine quantitative Messung auf dynamischem Wege durch Auswertung der Signal-Zeit- Funktion erfolgen, da deren erste Ableitung ein Maß für die Analytkonzentration ist.

Die molekulare Wechselwirkung der Markerpartikel 5 mit dem Substrat wird weiterhin durch Transport von Markerpartikeln 5 in einem elektrischen Feld unter stützt, sofern die Markerpartikel 5 selbst elektrisch geladen sind. Dies kann wie folgt beschrieben werden.

Im elektrischen Feld E, das zwischen zwei Elektroden durch Anlegen einer elektrischen Spannung im wäßrigen Meßmedium erzeugt wird, wird auf ein elektrisch ge ladenes Markerpartikel 5 eine Kraft F ausgeübt:

F = z_i.Q.E (Gleichung 7)

Hierin ist Q die Ladung der Ionen.

Aufgrund dieser Kraftwirkung bewegen sich die elek trisch geladenen Markerpartikel 5 mit einer Geschwin digkeit v im elektrischen Feld E:

v = µ.E (Gleichung 9).

Die Geschwindigkeit der Marker Partikel (v) ist also proportional zur elektrischen Feldstärke E. Diese Proportionalität wird durch die Beweglichkeit µ be schrieben:

µ = v/E (Gleichung 10).

Die Beweglichkeit µ ist dabei abhängig von der Art des Meßmediums sowie der ARt der Markerpartikel.

Dies bedeutet, daß sich die Markerpartikel aufgrund ihrer eigenen elektrischen Ladung im elektrischen Feld bewegen. Befinden sich darüber hinaus elektrisch geladene Moleküle an der Oberfläche der Markerparti kel, so bestimmt die Eigenladung des Markerpartikels auf jeden Fall dann die Richtung des feldinduzierten Transports, wenn der Betrag der Eigenladung größer ist als der Betrag der Ladungen der an der Oberfläche gebundenen Moleküle. Weist die Ladung der gebundenen Moleküle gleiche Polarität wie die Markerpartikel- Eigenladung auf, so wird der Transport durch Zunahme der Geschwindigkeit gestärkt. Bei entgegengesetzten Ladungen wird die Geschwindigkeit verringert.

In Fig. 2 ist der oben in der Theorie beschriebene elektrophoretische Transport von elektrisch geladenen Markerpartikeln 5 dargestellt. Aufgrund einer zwi schen einer Mikroelektrode 2 und einer nicht darge stellten Gegenelektrode angelegten elektrischen Span nung von beispielsweise 500 mV bewegen sich die Mar kerpartikel 5 in Richtung auf die Mikroelektrode zu, da elektrische Kräfte F_e auf die Partikel einwirken (Fig. 2a). Nach Annäherung (Fig. 2b) der Markerpar tikel 5 an die Mikroelektrode 2 kann es zu einer bin denden Wechselwirkung 6 mit der als Substrat ausge bildeten Elektrode 2 kommen (Fig. 2c). Nach Umkehrung des elektrischen Feldes wirken die elektrischen Kräf te F_e in entgegengesetzter Richtung, so daß die nicht gebundenen Markerpartikel 5 von der Mikroelektrode 2 wieder entfernt werden (Fig. 2c). Auf diese Weise er folgt durch elektrophoretischen Transport ein Pseudo- Waschschritt. Für die Markerpartikel 5 kommt eine Auswahl von Materialien mit unterschiedlichen Ladun gen in Frage, die sich für elektrophoretischen Trans port eignen.

Ein Transport von paramagnetischen oder diamagneti schen Markerpartikeln kann auch in einem magnetischen Feld erfolgen, wobei im Falle diamagnetischer Mar kerpartikel das magnetische Feld inhomogen zu sein hat.

Das der Erfindung zugrundeliegende Wirkprinzip von Markerpartikel-Nachweis und -Transport kann als ein durch Markerpartikel (Labelpartikel) induzierter Feldeffekt (label induced field effect, LIFE) be zeichnet werden.

In Fig. 3 ist ein Bio-Assay für den Nachweis höherer Analytkonzentrationen dargestellt. Damit das Binden 6 mehrerer Markerpartikel 5 mit Durchmessern von ca. 1 µm meßtechnisch nachgewiesen werden kann, werden auf einem isolierenden Träger 1 z. B. aus Glas größere Elektroden 2⁺ verwendet, an deren Oberfläche es zu einer Agglutination von Markerpartikeln kommt. Die Elektrode hat z. B. eine rechteckige Form mit den Ab messungen von 10 × 50 µm.

Der Meßbereich für höhere Analytkonzentrationen kann Agglutinationsbereich genannt werden. Um eine Agglu tination von Markerpartikeln zu vermeiden, die sich noch frei im Meßmedium bewegen, kann auch hier die Messung durch einen elektrophoretischen Marker-Trans port zur Elektrode hin unterstützt werden.

Fig. 4 zeigt eine Durchflußzelle aus Kunststoff mit zwei gegenüberliegenden Mikroelektroden 2 ^<, 2 ^<<, die z. B. aus Platin bestehen und auf Trägermaterialien 7 aufgebracht sind. Der Fluß Φ eines Meßmediums 3 be wegt Analytmoleküle und Markerpartikel 5 durch die Durchflußzelle. Der Abstand der Mikroelektroden 2 ^<, 2 ^<< beträgt 50 µm und die Elektrodenfläche jeweils 5 µm × 5 µm. In Fig. 4a ist die Durchflußzelle ohne Markerpartikel, in Fig. 4b mit einem Markerpartikel 5 und in Fig. 4c mit zwei untereinander gebundenen Markerpartikeln 5 dargestellt. Aufgrund des durch die Markerpartikel 5 gestörten elektrischen Strömungsfel des kann durch Messung des elektrischen Widerstandes, bzw. der komplexen Admittanz, die Anwesenheit einer oder mehrerer Markerpartikel 5 zwischen den Mikro elektroden 2 ^<, 2 ^<<∎ nachgewiesen werden.

In Fig. 5 sind vier Immunoassay-Formate nach dem LIFE-Prinzip dargestellt.

Fig. 5a zeigt ein Immunoassay zum Antigennachweis nach dem Sandwich-Prinzip. Auf einer Elektrode 2 sind Antikörper 9' immobilisiert. Von den Antigenen 8 tritt ein Antigen 8* in Wechselwirkung mit einem im mobilisierten Antikörper 9' auf der Elektrode 2. Ein Antikörper 9 ⁽⁺⁾, der auf einem Markerpartikel 5 immo bilisiert wurde, tritt in Wechselwirkung mit dem An tigen 8*, so daß sich ein Sandwich bildet. Die elek trodennahe Position des Markerpartikels 5 wird durch markerinduzierten Feldeffekt elektrisch bzw. elektro chemisch nachgewiesen.

Fig. 5b zeigt ein kompetitives Immunoassay-Format für den Antigennachweis. An den auf einer Mikroelek trode 2 immobilisierten Antikörpern 9' konkurrieren Antigene 8 mit auf den Markerpartikeln 5 immobili sierten Antigenen 8''. Im gezeigten Beispiel kommt es zu einer Bindung zwischen einem immobilisierten Anti gen 8''* eines Markerpartikels 5 und einem auf der Mikroelektrode 2 immobilisierten Antikörper (9'*).

Fig. 5c zeigt entsprechend ein Immunoassay-Sand wichformat für den Antikörpernachweis und Fig. 5d entsprechend ein kompetitives Format für den Antikör pernachweis. Eine genaue Beschreibung wird zur Ver meidung von Wiederholungen der Erläuterungen zu Fig. 5a und 5b weggelassen.

Auch ist es möglich, die Messung - z. B. nach Fig. 5a - mit Hilfe von zwei Elektroden durchzuführen, von denen auf einer Elektrode z. B. Antikörper immobili siert sind und die andere Elektrode freibleibt. Wer den nun die Widerstände oder Kapazitäten beider Elek troden gegen eine Referenzelektrode gemessen, so kann die quantitative Erfassung der Analytkonzentration aus der Signaldifferenz beider Elektroden bestimmt werden. Auf diese Weise lassen sich Effekte eliminie ren, die durch unspezifische Bindung von Molekülen hervorgerufen werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 6 in Anlehnung an Fig. 5a ein Immunoassay-Format vom Sandwich-Typ. Zusätzlich zur Darstellung in Fig. 5a ist hier eine Membran 10 über einer Mikroelek trode 2 angeordnet. Diese Membran besteht z. B. aus Nitrozellulose oder aus Nylon. In der Membran 10 sind Markerpartikel 5 mit immobilisierten Antikörpern 9'' lokalisiert und beweglich. Der Nachweis von Antigenen 8 kann nun auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß ein flüssiges Meßmedium 3 auf die Oberfläche der Mem bran 10 aufgebracht wird. Diese Membran kann als funktionelle Schicht ausgebildet sein und Funktionen übernehmen, die z. B. aus dem Bereich der Immunfiltra tion bekannt sind. Das Medium erfährt in dieser Mem bran eine Filtration und/oder eine Konditionierung. Der Nachweis der Sandwichbildung erfolgt wie im Bei spiel nach Fig. 5a beschrieben.

In Fig. 7 sind die verschiedenen Immunoassay-Formate für eine Durchflußmeßzelle mit Mikroelektroden 2 ^<, 2 ^<< gezeigt. Fig. 7a zeigt die Immobilisierung von Antikörpern 9'' auf Markerpartikeln 5, an die für die Antikörper 9'' spezifische Antigene 8 gebunden sind. Über Antigene 8* kommt es auch zur Agglutination zweier Markerpartikel 5. In Fig. 7b konkurrieren Antigene 8 mit einem Markerpartikel 5, das mit Anti genen 8'' versehen ist, um die Bindungsstellen auf einem Markerpartikel 5, das mit Antikörpern 9'' ver sehen ist. In Fig. 7c und Fig. 7d sind die ent sprechenden Formate für den Nachweis von Antikörpern dargestellt. Die elektrische Messung erfolgt gemäß dem Beispiel nach Fig. 4.

In Fig. 8 ist eine DNA-Sonde dargestellt. Fig. 8a zeigt ein Markerpartikel 5 und eine DNA 11 in einer Meßlösung. Auf einem Markerpartikel 5 wird die DNA 11 immobilisiert (Fig. 8b). Anschließend kommt es zu einer Hybridisierung von DNA 11'' und RNA 12 aus dem Meßmedium (Fig. 8c, d). Im nächsten Schritt (Fig. 8e) kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen dem DNA-RNA-Hybrid und einem immobilisierten Antikörper 9', so daß der Markerpartikel 5 mikroelektrodennah lokalisiert und elektrisch nachweisbar ist.

In Fig. 9 ist eine DNA-Sonde ohne immobilisierte An tikörper dargestellt. Ein DNA-Molekül 11 wird auf einem Markerpartikel 5 immobilisiert (Fig. 9a). An schließend an die Bindung der DNA 11 an das Marker partikel 5 erfolgt eine Hybridisierung mit einem auf der Mikroelektrode 2 immobilisierten RNA-Strang 12' (Fig. 9b), und es kommt zu einer phasengrenznahen Lokalisierung des Markerpartikels 5 (Fig. 9c). In diesem Beispiel können RNA- gegen DNA-Moleküle ausge tauscht werden und umgekehrt.

Die Fig. 10 zeigt ein DNA-Assay vom Sandwich-Typ. Auf einer Mikroelektrode ist ein DNA-Sonden-Molekül 13 immobilisiert (Fig. 10A). Ein DNA-Molekül 11 aus dem Meßmedium tritt in Wechselwirkung mit dem Sondenmole kül 13 (Fig. 10b). Nach Hybridisierung der Moleküle 13 und 11 zu einem Hybrid (11*, 13*) kommt es zu einer Wechselwirkung mit einem Reporter-Sonden-Molekül 14, das auf einem Markerpartikel 5 immobilisiert ist (Fig. 10c). Durch diese Hybridisierung kommt es zu einer mikroelektrodennahen Lokalisierung des Markerp artikels 5 (Fig. 10d). Die meßtechnische Erfassung erfolgt wie in den vorangegangenen Beispielen be schrieben. Auf diese Weise lassen sich z. B. DNA-Son den-Arrays zu Sequenzierung aufbauen.

In der Fig. 11 ist ein Ausschnitt eines Mikroelektro den-Arrays dargestellt. Auf einem isolierenden Träger 1 ist eine Vielzahl von Mikroelektroden 2 realisiert. In der Fig. 11 sind drei Mikroelektroden dargestellt. Auf den Mikroelektroden sind Antikörper unterschied lichen Typs 9', 9°', 9 ^V' immobilisiert (Fig. 11 a). Zu den Antikörpern 9' passen Antigene 8. Zu den Anti körpern 9°' passen Antigene 8°. Treten die genannten Antigene 8, 8° mit den Antikörpern 9', 9°' in Wech selwirkung, die auf den verschiedenen Mikroelektroden immobilisiert sind, so kann sich durch Anlagerung entsprechender Antikörper, die auf Markerpartikeln immobilisiert sind, jeweils ein Sandwich bilden (Fig. 11b). Die Sandwichbildung kann dadurch unterstützt werden, daß bei Verwendung geladene Markerpartikel diese durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwi schen den Mikroelektroden 2 und einer nicht darge stellten äußeren Referenzelektrode elektrophoretisch in Richtung der Mikroelektroden bewegt werden (Fig. 11a und b). Nach Sandwichbildung (Fig. 11b) wird der elektrophoretische Transport durch Umpolung der elektrischen Spannung und der Kraft F umgekehrt, so daß die nicht gebundenen Markerpartikel von den Mi kroelektroden weg bewegt werden (Fig. 11c). Auch dies ist ein Pseudo-Waschschritt. Die Erfassung der im Sandwich gebundenen Markerpartikel erfolgt auf elektrische Weise, wie in den vorangegangenen Bei spielen beschrieben. Der elektrophoretische Marker partikel-Transport kann auch durch einen magnetisch induzierten Transport paramagnetischer Markerpartikel ersetzt werden.

Auf gleiche Weise kann mit solchen Arrays ein DNA- Chip-Assay realisiert werden, das für eine Sequenzie rung durch Hybridisierung verwendet werden kann. Hierbei werden anstelle der Antikörper bzw. Antigene DNA-Sonden eingesetzt, wie dies in den Fig. 8 bis 10 dargestellt ist.

In Fig. 12 ist ein Ausschnitt aus einem planaren Mi kroelektroden-Array dargestellt. Ein Träger 1 besteht aus Glas. Eine Mikroelektrode 2, eine Leiterbahn 17 sowie ein elektrischer Kontakt 15 bestehen aus Platin und wurden durch ein gängiges Dünnschichtverfahren hergestellt. Die für ein solches Bio-Assay verwende ten Medien (Markerpartikel, Antikörper usw.) sowie das Meßmedium können auf die Mikroelektrode aufge bracht werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 13 dar gestellt. Als Ausschnitt aus einem größeren Array ist eine spiegelsymmetrische und daher nur einseitig mit Bezugszeichen versehene Struktur mit zwei Mikroelek troden 2 ^# dargestellt. Ein Träger 1 für die Mikro elektroden 2 ^# besteht aus einem dreidimensional strukturierbaren Material. Hierfür läßt sich insbe sondere Silizium einsetzen, das durch bekannte aniso trope Ätzverfahren dreidimesional strukturiert wird. An der Oberfläche ist das Silizium elektrisch iso liert. Hierfür werden SiO₂-Schichten an der Silizium oberfläche durch thermische Oxydation erzeugt.

Zusätzlich kann eine Si₃N₄-Schicht über der SiO₂- Schicht durch CVD-Verfahren abgeschieden werden. Mit Hilfe eingeführter Dünnschichtverfahren kann ein Me tallfilm auf der Trägeroberfläche abgeschieden und strukturiert werden. Dieser Metallfilm besteht aus Platin. Nach der Strukturierung ergibt sich eine Mi kroelektrode 2 ^#, die über eine Leiterbahn 17 mit ei nem elektrischen Anschlußkontakt 15 verbunden ist. Die Leiterbahn 17 ist mit einer elektrischen Isola tionsschicht 16 bedeckt, die z. B. aus einem Polymer material besteht. Die Mikroelektrode 2 ^# befindet sich in einer pyramidenartigen Vertiefung, die als Containment 18 bezeichnet Werden kann. Die Contain ments 18 dienen einerseits zur Aufnahme des zu immo bilisierenden Materials, andererseits dienen sie zur Aufnahme der Probe. Der Betrieb eines solchen Arrays kann auf gleiche Weise erfolgen wie im Beispiel nach Fig. 11 und 12.

In Fig. 14 ist eine einfache Struktur für eine Vor richtung nach der Erfindung als Bio-Assay abgebildet. Auf einem Träger 1 sind zwei Interdigitalstrukturen 19 und 19' realisiert (Fig. 14a). Die gezeigten Fin gerstrukturen sind nicht maßstäblich dargestellt. Die Fingerbreiten und die Abstände zwischen den Fingern betragen typisch wenige µm. Damit ist die Bedingung einer kleinen Elektrodenoberfläche für den Nachweis von nur wenigen gebundenen Markerpartikeln gegeben. Die Interdigitalstrukturen 19, 19', elektrische Lei terbahnen 17, 17⁺, 17', 17⁺' sowie elektrische An schlußkontakte 15, 15⁺, 15', 15⁺' sind z. B. mit Hilfe bekannter Dünnschichtverfahren aus Platin herge stellt. Dieser Träger wird mit einer Abdeckung 20 versehen (Fig. 14b). Die Montage der Abdeckung 20 erfolgt z. B. durch Kleben. Sie kann auch im Sieb druckverfahren aufgebracht werden. Durch in der Ab deckung vorgesehene Durchbrüche 21, 21' kann die Pro be mit den Interdigitalstrukturen in Wechselwirkung treten. Zuvor wurden auf der Fläche einer der Inter digitalstrukturen Antikörper immobilisiert. Durch Eintauchen der Struktur nach Fig. 14b) in eine Meß lösung mit Antigenen zu den immobilisierten Antikör pern als Analyten kann ein Immunoassay vom Sandwich typ durchgeführt werden, wie es in Fig. 5a be schrieben ist. Hierfür sind auf der Fläche 22 Mar kerpartikel mit immobilisierten Antikörpern schwach immobilisiert. Nachdem die Struktur nach Fig. 14b bis zum oberen Rand der Fläche 22 in das Meßmedium eingetaucht ist, können sich die auf der Fläche 22 befindlichen Markerpartikel im Meßmedium lösen. Auf diese Weise kann eine Sandwichbildung erfolgen, wie sie in Fig. 5a beschrieben ist.

Zusätzlich ist es möglich, durch Anlegen einer elek trischen Spannung zwischen den Interdigitalstrukturen und einer äußeren Referenzelektrode einen elektropho retischen Transport geladener Markerpartikel durch zuführen. Eine elektrische Schaltung hierfür ist in Fig. 17 gezeigt, die weiter unten beschrieben wird.

Die Messung kann an beiden Interdigitalstrukturen vorgenommen werden. Da nur auf einer der beiden Strukturen Antikörper immobilisiert sind, kommt es auch nur hier zur Sandwich-Bildung. Durch eine Aus wertung der Differenz der Signale von den beiden In terdigitalstrukturen kann der Einfluß nicht spezi fisch bindender Moleküle eliminiert werden.

Ein gegenüber Fig. 14 modifiziertes Ausführungsbei spiel ist in Fig. 15 dargestellt. Hier ist die Ab deckung 20 mit den Durchbrüchen 21, 21' (Fig. 15a) mit einer zusätzlichen Membran 23 (z. B. einer Dialy semembran) abgedeckt (Fig. 15b). Die für das Bio-As say verwendeten Markerpartikel mit den immobilisier ten Molekülen sind vor dem Aufbringen der Membran 23 in löslicher Form in einen der Durchbrüche 21, 21' eingebracht worden. Die Sensorkonfiguration nach Fig. 15b wird mit ihrem unteren Ende in das Meßmedium eingetaucht, so daß das Meßmedium durch die dünne Schicht 23 in den Bereich der Durchbrüche 21, 21' eindringen kann. Die Messung erfolgt wie im Beispiel nach Fig. 14 beschrieben.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, den elektrophoretischen Transport der Markerpartikel durch einen magnetischen Transport zu ersetzen. Dies ist in der Fig. 16 vereinfacht dargestellt, bei der eine Assaystruktur nach Abb. 14 mit einem Magneten 24 versehen wird. Zur Unterstützung der Sandwichbildung wird ein Magnetfeld so ausgebildet, daß die parama gnetischen Markerpartikel in den Bereich der Inter digitalstrukturen 19, 19' gezogen werden. Dies ist z. B. mit Hilfe des kleinen Magneten 24 möglich. Nach Sandwichbildung wird der Magnet 24 auf der gegenüber liegenden Seite (in der Fig. 16 oberhalb der Assay struktur) angeordnet, so daß die Markerpartikel von den Interdigitalstrukturen 19, 19' weg bewegt werden und es zu einem Pseudowaschschritt kommt.

Der kleine Magnet 24 kann auch durch einen Elektroma gneten ersetzt werden.

In Fig. 17 ist eine Meßschaltung für Vorrichtungen (Assays) nach den Fig. 14 bis 16 gezeigt. Eine Spannungsquelle 29 erzeugt ein Gleichspannungs- oder ein Wechselspannungssignal im mV-Bereich, vorzugswei se in der Höhe einiger 100 mV. Dieses Signal wird über Anschlüsse 34 und 35 mit Anschlüssen 15 und 15⁺ bzw. 15' und 15⁺' der Interdigitalstrukturen nach Fig. 14, 15 oder 16 verbunden. Der sich über die Meßlösung einstellende Gleich- bzw. Wechselstrom wird mit einem Strommesser 30 registriert. Aus den Span nungs-Strom-Daten wird der elektrische Leitwert als ein Maß für die Analytkonzentration des Meßmediums in der Umgebung der gegebenenfalls mit Markerpartikeln belegten Elektroden der Interdigitalstruktur gemes sen.

Für den elektrophoretischen Markerpartikel-Transport kann von einer Gleichspannungsquelle 33 über Wider stände 31 und 32 an die Anschlüsse 34 und 35 eine Gleichspannung im Bereich von einigen 100 mV gegen eine Gegenelektrode angelegt werden. Die Gegenelek trode kann sich in einer größeren Entfernung von den Interdigitalstrukturen im Meßmedium befinden. Bei spielsweise besteht diese Gegenelektrode aus einem chloridisierten Silberfilm, wie dies dem Stand der Technik entspricht. Die Werte der Widerstände 31, 32 liegen im kΩ- bzw. im MΩ-Bereich (z. B. bei 100 kΩ).

In Fig. 18 ist ein Immunoassay-Teststäbchen in stark vereinfachter Form dargestellt. Auf einem Träger 1 (Fig. 18a) befindet sich eine Immobilisierungs schicht 25 aus einem Material, an dessen Oberfläche Antigene bei Kontakt immobilisiert werden. Diese Schicht besteht aus PVA und überdeckt eine Interdigi tal-Doppelstruktur (nicht dargestellt), wie diese aus den Fig. 14 bis 16 bekannt sind. Die elektrischen Anschlüsse (nicht dargestellt) befinden sich auf ei ner Anschlußfläche 26. Wird die Anordnung nach Fig. 18a in ein Gefäß 27 mit einem Meßmedium 3 gebracht, das Antigene 8 enthält, werden auf der Immobilisie rungsfläche 25 Antigene immobilisiert (Fig. 18 b1). Gleiches kann beim Einbringen der Anordnung nach Fig. 18a in ein Gewebe (z. B. Fleisch . . .) oder ein gelartiges Meßmedium geschehen (Fig. 18 b2).

Anschließend wird die Anordnung in Kontakt mit einem flüssigen Medium gebracht, das Markerpartikel mit immobilisierten Antikörpern enthält (Fig. 18c). Nach dem Zustandekommen der Antikörper/Antigen-Wechselwir kung mit der elektrodennahen Lokalisierung der Mar kerpartikel (im Bereich der Interdigitalstrukturen unter der Schicht 25) kann die Messung so erfolgen, wie in den vorangegangenen Beispielen dargestellt.

Ein weiteres Beispiel eines Bioassays ist in Fig. 19 gezeigt. Mit einem solchen Assay lassen sich ganze Zellen 40 nachweisen. Die Anordnungen gemäß Fig. 19a und b entsprechen einem Immunoassay-Format gemäß Fig. 5a. Gegenüber dem Immunoassay sind die Antige ne ersetzt durch Zellen 40, die an ihrer Oberfläche Strukturen mit der Eigenschaft von Antigenen 8 ^# tra gen. Fig. 19a zeigt ein Bioassay mit kleinen Zellen (z. B. Protozyten mit Durchmessern im Bereich von 0,3 und 2,5 µm). Die Fig. 19b stellt ein Assay mit z. B. Euzyten mit Durchmessern zwischen 2 und 20 µm dar.

Die in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ver wendeten Markerpartikel können zum Beispiel aus Mi krosphären aus SiO₂, Latex, diamagnetischen, parama gnetischen und anderen Materialien mit Durchmessern zwischen 15 nm und 25 mm bestehen. Darüber hinaus kön nen auch Dendrimere verwendet werden.

Neben Markerpartikeln aus elektrisch isolierenden Materialien lassen sich auch Markerpartikel einset zen, die aus metallischem Material hergestellt sind. Solche elektrisch leitfähigen Markerpartikel lassen sich auch realisieren, indem elektrisch isolierende Markerpartikel (z. B. Mikrosphären) mit einer dünnen Metallschicht bedampft werden.

Die beschriebenen Assays können nicht nur für die hier beschriebenen Analyte, sondern auch generell zum Nachweis von Antikörpern, Antigenen, Nukleinsäuren, Aptameren oder anderen beliebigen Analyten zur Analy se und/oder Diagnostik in der Chemie, Lebenmittelche mie, Biotechnologie, Umweltanalytik, Biochemie oder Medizin eingesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zum Nachweis von Analyten in Meßlösun gen mittels Markerpartikeln, dadurch gekennzeichnet,
daß Markerpartikel verwendet werden, deren elek trische Eigenschaften von den elektrischen Eigenschaften der Meßlösung verschieden sind,
daß in der Meßlösung ein elektrisches Feld er zeugt wird, und
daß durch die Markerpartikel verursachte Ände rungen des elektrischen Feldes bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel sich bezüglich ihrer Dielektrizitätskonstanten und/oder ihres spezifischen elektrischen Wider standes von der Meßlösung unterscheiden.

3. Verfahren nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel spezifisch an die Analyte binden, die gegebenen falls ihrerseits spezifisch an ein Substrat bin den.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Analyte mit Markerpartikeln bzw. mit Markerpartikeln, an die Analyte gebunden sind, um die für die freien Analyte spezifischen Bindungsplätze auf einem Substrat konkurrieren.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Substrat oder in unmittelbarer Nähe des Substrates das elektrische Feld erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel spezifisch an die Analyte binden und daß die Meßlösung anschließend zwischen zwei Elektroden hindurchfließt, durch die das elektrische Feld erzeugt wird.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom zwischen den Elektroden bzw. die Kapazität beim Hindurchfließen der Meßlösung bestimmt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Markerpartikel mit einer elektrischen Ladung verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel in der Meßlösung ein elektrisches Feld erzeugt wird, das auf die Markerpartikel eine Kraft ausübt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei Elektroden in der Meßlösung eine Wechselspannung angelegt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Markerpartikel mit einer elektrischen Ladung verwendet werden und vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel an die Meßlösung ein elektrisches Feld angelegt wird, das auf die Markerpartikel eine Kraft in Richtung des mit Bindungsplätzen für die Markierungspartikel ver sehenen Substrates hin ausübt.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Markerpartikel mit einer elektrischen Ladung verwendet werden und unmittelbar vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel ein elektrisches Feld angelegt wird, das auf die Markierungspartikel eine Kraft von dem mit Bin dungsplätzen für die Markerpartikel versehenen Substrat weg ausübt.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel an die Meßlösung ein magnetisches Feld angelegt wird, das auf die Markerpartikel eine Kraft ausübt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an die Meßlösung ein seine Richtung wechselndes Magnetfeld angelegt wird.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel an die Meßlösung ein magnetisches Feld angelegt wird, das auf die Markerpartikel eine Kraft in Richtung des mit Bindungsplätzen für die Markerpartikel versehenen Substrates hin ausübt.

16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Änderung des elektrischen Feldes durch die Markerpartikel an die Meßlösung ein magnetisches Feld angelegt wird, das auf die Markierungspar tikel eine Kraft von dem mit Bindungsplätzen für die Markerpartikel versehenen Substrat weg aus übt.

17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß paramagnetische Mar kerpartikel verwendet werden.

18. Vorrichtung zur Bestimmung von Analyten in Meß lösungen mittels Markerpartikeln mit einem Trä ger und auf dem Träger angeordneten Markerparti keln, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel elektrische Eigenschaften aufweisen, die von den elektrischen Eigenschaf ten der Meßlösung verschieden sind, und daß auf dem Träger mindestens eine Elektrode angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger ein Substrat mit spezifischen Bindungsstellen für den Analyten angeordnet ist und die Markerparti kel spezifische Bindungsstellen für die Analyte oder das Substrat aufweisen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat als Elektrode ausgebildet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel spezifische Bindungsstellen für den Analyten aufweisen, und auf dem Träger eine zweite Elek trode derart angeordnet ist, daß zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine Öffnung für den Durchfluß der Meßlösung besteht.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach außen durch eine Membran abgeschlossen ist, die für den Ana lyten und gegebenenfalls für die Meßlösung durchlässig ist.

23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel eine elektrische Ladung aufweisen.

24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger ein umpolbares magnetisches Element angeordnet ist.

25. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Markerpartikel paramagnetisch sind.

26. Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfah rens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zum Nachweis von Antikörpern, Antige nen, Nukleinsäuren, Aptameren oder anderen Ana lyten zur Analyse und/oder Diagnostik in der Chemie, pharmazeutischen Entwicklung, Lebensmit telchemie, Biotechnologie, Umweltanalytik, Bio chemie oder Medizin.