DE3427444A1 - Verfahren und einrichtung zur durchfuehrung und verfolgung von enzymatischen reaktionen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur durchfuehrung und verfolgung von enzymatischen reaktionen

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DE3427444A1 DE19843427444 DE3427444A DE3427444A1 DE 3427444 A1 DE3427444 A1 DE 3427444A1 DE 19843427444 DE19843427444 DE 19843427444 DE 3427444 A DE3427444 A DE 3427444A DE 3427444 A1 DE3427444 A1 DE 3427444A1
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Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG UND VERFOLGUNG VON ENZYMATISCHEN REAKTIONEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung und Verfolgung von enzymatischen Reaktionen bei der Verwendung von immobilisierten Enzymen.
Die quantitative Feststellung einer Substratkonzentration basiert auf der experimentalen Ermittlung einer Kalibrierungskurve, wobei es zweckmäßig ist, daß die Kalibrierung linear und über der Zeit unveränderlich ist.
Man kennt kinetische und stabilisierte Kalibrierverfahren. Bei der kinetischen Methode wird zur Kalibrierung ein Parameter genutzt, der die Ä'nderungsgeschwindigkeit der verfolgten Kenngröße kennzeichnet, die in dem Reaktionsgemisch nach der Probezugabe überwacht wird.
Dabei wird der Anfangswert der Abweichung der verfolgten Kenngröße von einer Kennlinie zu einem Zeitpunkt, in welchem die verfolgte Kenngröße nach der Probezugabe einen bestimmten, vorher gewählten Wert erzielt, oder der Kenngrößewert verwendet, den sie nach einer bestimmten, vorher gewählten Zeit von der Probezugabe an erzielt. Bei den stabilisierten Methoden wird die Kalibrierabhängigkeit aus dem stabilisierten Wert der verfolgten Kenngröße bestimmt, der in dem Reaktionsgemisch nach der Probezugabe erzielt wird. Die kinetischen Kalibriermethoden sind vorteilhaft, weil sie eine schnelle Feststellung des zugehörigen Substrats ermöglichen. Ihr Nachteil liegt darin, daß die Geschwindigkeit der verfolgten Änderung von der Kinetik der eigenen enzymatischen Reaktion abhängig werden kann, die sich stark mit der sinkenden Enzymaktivität ändern kann.
Im allgemeinen werden zwei Verfahren der Enzymdosierung
in ein Reaktionsgefäß angewendet. Bei dem einen werden das Enzym oder die Enzyme, die in einem geeigneten Puffer gelöst oder suspendiert sind, in einem aus den Puffern und Kofaktoren bestehenden Medium dosiert. Danach wird die geprüfte Probe, wie Glukose, Blut, Plasma oder eine ähnliche Probe, zugegeben. Mit einem Fühler wird der Verlauf der enzymatischen Reaktion, z.B. der Sauerstoffabfall in dem Reaktionsgefäß durch eine Sauerstoffelektrode registriert. Durch einen Vergleich mit der Kalibrierkurve wird dann die Stoffkonzentration in der Probe festgestellt. Bei diesem Dosierungsverfahren ist das Enzym in dem Reaktionsmedium homogen verteilt. Nach dem Reaktionsende wird mit dem Reaktionsmedium auch das Enzym beseitigt. Für jede weitere Feststellung ist eine neue Enzymdosis notwendig. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt also in dem hohen Verbrauch von teuren Enzymen, die nicht mehr genutzt werden können.
Bei dem anderen Verfahren wird das Enzym oder werden die Enzyme auf der äußeren Oberfläche der den Fühler bedeckenden Membran immobilisiert. Auf die den Fühler bedeckende Membran kann noch eine weitere Membran oder ein Gewebe gelegt werden, auf der bzw. auf dem mit einem geeigneten Verfahren das Enzym gebunden wird. Dadurch wird eine sogenannte "Enzymelektrode11 ausgebildet. Das immobilisierte Enzym ist für viele Analysen brauchbar. Der Hauptnachteil von Enzymelektroden liegt darin, daß .die enzymatische Reaktion das Konzentrationsfeld des verfolgten Reaktionsproduktes oder Substrates in der unmittelbaren Nähe des elektrochemischen Sensors beeinflußt und sich so an der Pegelausbildung des Sensorsignals beteiligt, weil der Signalpegel des Sensors von der Transportkinetik des verfolgten Stoffes durch die Schicht des verankerten Enzymes abhängig ist. Der Transport der verfolgten Komponente durch eine solche Schicht und damit auch das Sondensignal
ist durch die innere Diffusion von anderen, an der Reaktion teilnehmenden Stoffen in der Schicht und durch die Geschwindigkeit der enzymatischen Reaktion bestimmt, die weiterhin von der Konzentration und der Aktivität des in der Schicht gebundenen Enzymes abhängig ist. Deshalb sind die Kalibriereigenschaften der Enzymelektroden sowohl von den kinetischen Parametern der enzymatischen Reaktion als auch von den Parametern abhängig, die den Diffusionstransport von einzelnen Komponenten kennzeichnen, die den Sensor bedecken. Diese Parameter können sich wegen der Vorbereitung der Sonde mit dem gebundenen Enzym, z.B. mit der Enzymmenge, die in der Einheit des Trägervolumens gebunden ist, oder wegen seiner Aktivität ändern, wobei die Komponentendiffusionsfähigkeit mit Hilfe eines Trägers sich nicht nur mit den Mengenänderungen des gebundenen Enzymes, sondern auch mit der Trägervernetzungsstufe ändert. Im Verlauf der Sondenanwendung sinkt allmählich die Enzymaktivität. Diese Erscheinungen ergeben einen starken Einfluß auf die Pegelausbildung des Sondensignals, sind mit einfachen Gleichungen nicht zu beschreiben und deshalb für eine automatische Signalauswertung ungeeignet. Dies wirkt sich bei den Analysatoren nachteilig aus, die Enzymelektroden mit komplizierten mehrschichtigen Membranen verwenden, die eine schnelle Sondenerneuerung nicht ermöglichen. Es ist auch nicht möglich, einen Sondenvorrat anzulegen und die Sonden bei einer tiefen Temperatur bis zur Verwendung aufzubewahren. Die Abhängigkeit des Pegels des Sondensignals von der Kinetik der enzymatischen Reaktion und der inneren Diffusion der abreagierten Komponenten in der Schicht des verankerten Enzymes, die aus der Systemgeometrie hervorgeht, kompliziert sowohl die Messung als auch die Auswertung.
Dadurch, daß das Sondensignal von den Diffusionsvorgän-
3427U4
— O ~"
gen in den dicht an dem elektrochemischen Sensor anliegenden Schichten bestimmt wird, ist dieser sehr empfindlich bei kleinen Geometrxeanderungen dieser Schichten, die von geringen Deformationen der elastischen Schichten, z.B. durch eine mechanische Brührung, durch intensive Mischung, durch einen Stofl des elektrischen Rührwerks gegen den Sensor und dergleichen hervorgerufen werden..Weiter ist eine große Signalinstabilität vorhanden, ist eine häufige Neueichung erforderlich und das Verhalten der Enzymelektrode mathematisch nur sehr kompliziert zu beschreiben. Bei der Anwendung eines Mikrorechners für die Auswertung des Sondensignals sind eine komplizierte Software und ein großer Speicherumfang notwendig.
Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung und Verfolgung von enzymatischen Reaktionen bei der Verwendung von immobilisierten Enzymen beseitigt.
Erfindungsgemäß werden die enzymatischen Reaktionen in einem Reaktor durchgeführt, wobei der Enzymstoff auf einer Rührwerksoberfläche oder auf der Oberfläche eines anderen, leicht herausnehmbaren unbeweglichen, in dem Reaktor installierten Bestandteils, getrennt von dem Sensor der Meßeinrichtung in einer solchen Menge fixiert wird, die für die Aufrechterhaltung der Konzentration des zu bestürmenden Stoffs auf der Enzymschichtoberfläche in einer Meßreihe auf Werten zwischen 0 und 3 %, bezogen auf die Konzentration in der Ausgangslösung ausreicht.
Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal werden in die flüssige Reaktionsmischung die Viskosität erhöhende Stoffe, wie Carboxymethylzellulose oder Polyvinylalkohol zugegeben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Reaktor, der mit einem Rührwerk, vorzugsweise mit einem magnetischen Rührwerk, versehen ist, auf dessen Oberfläche eine Schicht des enzymatischen Stoffes fixiert ist.
Alternativ sind in dem Reaktor herausnehmbare unbewegliche und mit einer Schicht des fixierten enzymatischen Stoffes versehene Bauteile untergebracht.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielfältig einsetzbar, beispielsweise bei der Glukosefeststellung in den Körperflüssigkeiten, im Blut, Serum oder Plasma, im Harn, bei der Glukoseoxydation durch Sauerstoff in der Anwesenheit von Enzymen der Glukosooxydase und Katalase durch die Verfolgung des Sauerstoffverbrauchs mittels einer Sauerstoffelektrode. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Verbindung mit einer Sauerstoffelektrode für eine quantitative Peststellung auch von anderen Stoffen, wie z.B. Milchsäure, Harnsäure, Cholesterin, 1-Aminosäuren, d-Aminosäuren, Alkohol, Galaktose und anderer Substrate in Verbindung mit der zugehörigen spezifischen Oxydase anwendbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für die quantitative Feststellung von solchen Stoffen, für welche die zugehörige Oxydase unbekannt ist, z.B. für die Peststellung von Saccharose, Maltose oder Glykogen anwendbar, wenn mehrere verschiedene Enzyme verwendet werden, durch deren folgende Einwirkung zuletzt ein oxydierbares Substrat ausgebildet wird. Für die Saccharosefeststellung werden Invertase und Glukosooxydase, für die Maltosefeststellung die Enzyme Maltase und Glukosooxydase, für die Glykogenfeststellung die Enzyme Amylase, Maltase und Glukosooxydase verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem in Verbindung mit einem anderen Fühler, z.B. mit einer pH-Elektrode, für die quan-
titative Feststellung von unoxydierbaren Substraten einsetzbar. Dies ist nicht nur für analytische Zwecke sondern auch für die Herstellung von Vorteil, z.B. für die Reinigung von Arzneimittellösungen oder von Getränken von unerwünschten Beimischungen oder Produkten, und zwar überall dor&, wo mittels der Enzyme oder des Enzyms die erforderliche Umwandlung stattfindet und aufgrund der Änderung eines physikalischen Parameters der Verlauf oder die Beendigung einer enzymatischen Reaktion kontrollierbar ist. Solche physikalischen Parameter sind z.B. die Konzentration des Sauerstoffs, Wasserstoffperoxids, Wasserstoffs, die Fluoreszenz, der pH-Wert, die Leitfähigkeit, die Extinktion, die Farbe und dergleichen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist folgende Vorteile auf: Der Rührwerkskörper oder der Gegenstand mit dem verankerten Enzym ist 1eicht herausnehmbar, austauschbar oder erneuerbar, bzw. die äußere Schicht mit dem verankerten enzymatischen Material ist ohne Änderung des Sensorkennwertes, der zur Verfolgung des Reaktionsverlaufes verwendet wurde, austauschbar. Das Rührwerk oder der Gegenstand mit dem verankerten Enzym oder die Folie mit dem enzymatischen Material zur Festsetzung auf der Oberfläche des Rührwerkes oder des herausnehmbaren Gegenstandes kann auf Vorrat gehalten und ohne Aktivitätsänderung mehrere Monate aufbewahrt werden. Durch den Austausch eines Rührwerkes mit einem enzymatischen, auf seiner Oberfläche immobilisierten Materials durch ein Rührwerk mit einem anderen, auf seiner Oberfläche verankerten enzymatischen Materials, ist es möglich, in demselben Reaktor mit Hilfe desselben Fühlers ein anderes Substrat zu analysieren. In einer einzigen Probe in demselben Reaktor mit einem einzigen Fühler sind so durch bloßen Austausch des Rührwerkes mit dem jeweiligen immobilisierten Enzym mehrere Stoffe feststellbar, z.B. Glukose im Blut-
plasma mit Hilfe eines Gegenstandes mit immobilisierter Glukosooxydase, durch den Austausch des Gegenstands mit immobilisierter Laktatooxydase die Milchsäure und durch den Austausch des Gegenstands mit immobiliserter Urato-5 oxydase die Harnsäure, ohne dabei den Inhalt des Reaktionsgefäßes oder den Sensor zu ändern.
Durch eine Drehzahländerung des Rührwerkes oder durch eine Viskositätsänderung des Reaktionsgemisches durch Zugabe von die Viskosität beeinflussenden Stoffen, wie Carboxymethylzellulose oder Polyvinylalkohol, ist die Einflußmasse der äußeren Diffusion auf die Änderungsgeschwindigkeit der verfolgten Größe steuerbar und somit der Analysatorkalxbrierbereich veränderbar. Der Bereich der Steuerrolle der äußeren Substratdiffusion zur Oberfläche des Enzymfilms wird erreicht, solange die Substratkonzentration auf der Oberfläche des verankerten Enzymes auf einem sich Null nähernden Wert, in jedem Fall auf einem Wert, der niedriger als 3 % des Wertes von der ursprünglichen Substratkonzentration in der Probe, gehalten wird. Dieser Bereich ist durch verschiedene Vorgänge erreichbar, z.B. durch die Drehzahlherabsetzung des Rührwerkes, womit die Dicke des flüssigen Films auf der Oberfläche der Schicht mit dem enzymatischen Material anwächst, oder durch die Viskositätserhöhung der Probe der gemessenen Flüssigkeit, womit wieder die Dicke des flüssigen Films anwächst und dazu hie Substratdiffusivitat sinkt, oder durch die Aktivitätserhöhung des immobiliserten Enzymes.. Solange das Gerät in dem Bereich der Steuerrolle der äußeren Diffusion des festgestellten stoffes eingesetzt- ist, hat es die nachstehend angegebenen Vorteile:
Eine einfache mathematische Beschreibung der Änderungsgeschwindigkeit der verfolgten Größe über der Zeit, ist
- ίο -
für einen geschlossenen Reaktor durch die exponentiale Abhängigkeit der verfolgten Größe, z.B. der Sauerstoffkonzentration mit der Zeit, gegeben. Diese Abhängigkeitscharakteristik ist für ein beliebiges Enzym die gleiche, also auch bei der Konzentrationsverfolgung von einem beliebigen Enzym. Es ist vorteilhaft, bei der Signalverarbeitung einen Mikrorechner zu verwenden, weil die Softwareausrüstung einfach und für eine ganze Gerätereihe für die Feststellung von verschiedenen Substraten kongruent ist. Die Kalibrierabhängigkeit, die auf dem Wert der Anfangsgeschwindigkeit der Veränderung der verfolgten Größe, z.B. der Geschwindigkeitsänderung der Sauerstoffkonzentration basiert, ist dann linear, wobei die Richtlinie der linearen Abhängigkeit nicht von der Enzymaktivität abhängig ist, soweit die Enzymkonzentration oder -aktivität hoch genug ist. Die Enzymaktivität bestimmt nur den Bereich, in dem die Kalibrierabhängigkeit linear ist. Mit der Enzymaktivitätssenkung vermindert sich der Linearitätsbereich. Eine langzeitige Stabilität der Gerätekalibrierung ist durch eine hohe Konzentration des verankerten Enzymes erreichbar. Dann wirkt die Aktivitätssenkung auf die Kalibrierung nicht ein, solange das Enzym die Konzentration des festgestellten Substrates auf der Oberfläche der Enzymschicht auf einem Wert nahe Null bei der Obergrenze des Gerätebereiches halten kann. Durch eine Lösungsviskositätsvergrößerung oder durch eine Rührwerkdrehzahlverminderung wird der lineare Kalibrierbereich erweitert. Die Kalibrierabhängigkeit ist auf mechanische Berührung nicht empfindlich. Das Rührwerk oder die herausnehmbaren Bauteile sind aus dem Reaktor herausnehmbar, mit der Hand greifbar und in den Reaktor ohne eine Änderung der Gerätekalibrierung einlegbar.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläu-
tert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens und
Fig. 2 eine Kalibrierkurve.
Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Mantel 1 und einer Sauerstoff sonde 2, deren Sensor von einer Probe in einem Reaktor 3 durch eine für den Sauerstoff durchlässige Membran 4 abgetrennt ist. Im Inneren des Mantels 1 ist ein magnetisches Rührwerk 5 gelagert, auf welchem eine Folie 7 mit immobilisierten Enzymen mit einem Ring 8 befestigt ist. Das magnetische Rührwerk 5 wird von einem Magnet 6 angetrieben. Auf die Polyacrylamidoberflache des magnetischen Rührwerkes 5 oder auf der Folie 7 aus demselben Stoff wird z.B. mit Hilfe von Zyanurchlorid oder Carbodiimiden oder durch Verbindung des Enzymes mit
einem geeigneten Eiweißstoff und Glutaraldehyd ein Gemisch aus Glukosooxydase und Katalase in einer Gesamtmenge von 20 internationalen Einheiten immobilisiert.
In den Reaktor wird eine Probe in Form einer Lösung eines Puffers mit einem pH-Wert von 6,6, die Glukose enthält,, eingetragen, deren Menge ermittelt werden soll. In der Tabelle ist in der ersten Spalte die Anfangsrichtlinie der .Signalabhängigkeit der Sauerstoffsonde 2 in den gewählten Einheiten, in der zweiten Spalte die Anfangskonzentration der Glukose in dem Reaktionsgemisch in
Millimol und in der dritten Spalte die Menge der Grundlösung in Millimol angegeben. Aus der Tabelle ergibt
sich, daß ein sehr umfangreicher Linearitatsbereich der Kalibrierkurve in den Grenzen 0 bis 0,7407 mMol der anfänglichen Glukosenkonzentration erreicht wird. Die zugehörige Kalibrierkurve ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Enzyme werden auf einem Nylonnetz mit einer Maschengröße von 50 pm auf der durch den Ring 8 begrenzten Fläche mit einem Durchmesser von 10 mm fixiert. Auf diese Fläche werden ca. 20 internationale Einheiten roher Glukosooxydase, die auch Katalase beinhaltet, aufgetragen. Die Lösungsvorbereitung für die Fixation der Glukosooxydase auf dem Nylonnetz erfolgt so:
Es werden 100 ul folgenden Gemisches vorbereitetr 5 mg Glukosooxydase, die in 50 ul Wasser gelöst ist; dann werden 50 ul 10%-iges Rindalbumin und 20 ml 2%-iger Glutaraldehyd in 0,5 M Phosphatpuffer mit einem pH-Wert von 6,6 zugegeben. Auf das Netz in dem Ring 8 mit dem Durchmesser von 10 mm werden 15 bis 20 ul dieses Gemisches aufgetragen und getrocknet.
Tabelle
Anfangsricht1inie Anfangskonzentration der Abhängigkeit von der Glukose in dem der Sauerstoffsonde Reaktionsgemisch
18,7 24,4
0,8888 1,481
ul der GIu-Tcosegrund-1 ös u ng
35; 0,4 0,0185 1 ,25> \ 1V Linea
rität
1; 1,0 0,0481 3 ,25
Ir6 0,0741 ■3
2, 2,4* 0,1111 7 ,5
3, 3,2*
4,8
0,1481
0,222
10
15
6,4 0,2963 20
1; 8,5 0,3703 25
9,9 0,444 30
13,4 0,5926 40
16, 16,5* 0,7407 50
60 100
* wiederholte Feststellungen nach 1 Tag,
Erfindungsgemäß erhält man also eine schnelle Antwort des Sensors, gleichzeitig ist der Verbrauch bei der Enzymimmobilisierung gering.

Claims (4)

  1. ν. FONER EBBINGHAUS FINCK
    PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS.— . . .'
    MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O 3 4· 2 7 4- A
    POSTADRESSE: POSTFACH 95 Oi 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95
    Vysokä skola chemicko-
    J 25. Juli 1984
    technologickä
    DEAC-32108.4
    VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG UND VERFOLGUNG VON ENZYMATISCHEN REAKTIONEN
    Patentansprüche
    Verfahren zur Durchführung und Verfolgung von enzyma- tischen Reaktionen bei der Verwendung von immobilisierten Enzymen, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymatisehen Reaktionen in einem Reaktor durchgeführt werden, wobei der Enzymstoff auf einer Rührwerksoberfläche oder auf der Oberfläche von einem anderen, leicht entfernbaren unbeweglichen und in dem Reaktor installierten Bestandteil im Abstand von einem Sensor einer Meßeinrichtung in einer solchen Menge festgesetzt wird, die für die Aufrechterhaltung der Konzentration Urs zu bsstiinirienden Stoffs auf der Enzymschichtoberfläche in einer Meßreihe auf Werten zwischen
    O und 3 Sf bezogen auf die Konzentration in der Ausgangslösung, ausreicht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die flüssige Reaktionsmischung die Viskosität erhöhende Stoffe, wie Carboxymethyl Zellulose oder Polyvinylalkohol zugegeben werden.
  3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reaktor (3), der mit einem Rührwerk (5), vorzugsweise mit einem magnetischen Rührwerk (5) versehen ist, auf dessen Oberfläche eine Schicht des enzymatischen Stoffes fixiert ist.
  4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reaktor (3), in welchem herausnehmbare, unbewegliche und mit einer Schicht des fixierten enzymatischen Stoffes versehene Bestandteile angeordnet sind.
DE19843427444 1983-07-28 1984-07-25 Verfahren und einrichtung zur durchfuehrung und verfolgung von enzymatischen reaktionen Granted DE3427444A1 (de)

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