EP1861690A1 - Assay by osmotically induced separation and concentration of high-molecular detectable substances and a fluid microsystem for carrying out said assay - Google Patents

Assay by osmotically induced separation and concentration of high-molecular detectable substances and a fluid microsystem for carrying out said assay

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EP1861690A1
EP1861690A1 EP06707351A EP06707351A EP1861690A1 EP 1861690 A1 EP1861690 A1 EP 1861690A1 EP 06707351 A EP06707351 A EP 06707351A EP 06707351 A EP06707351 A EP 06707351A EP 1861690 A1 EP1861690 A1 EP 1861690A1
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EP
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space
molecular weight
measuring
affinity
analyte
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Withdrawn
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EP06707351A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Max Ehwald
Helge Adleff
Frank Bier
Nenad Gajovic-Eichelmann
Rudolf Ehwald
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Original Assignee
Individual
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40Concentrating samples
    • G01N1/4005Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane
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    • G01N2001/4016Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane being a selective membrane, e.g. dialysis or osmosis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S435/00Chemistry: molecular biology and microbiology
    • Y10S435/968High energy substrates, e.g. fluorescent, chemiluminescent, radioactive

Definitions

  • the present invention relates to an assay method and a fluidic microsystem for its implementation, which is particularly suitable for miniaturized affinity tests in microarray format.
  • a liquid phase having at least one high molecular weight soluble substance to be detected e.g. a labeled reactant or reaction product of an affinity reaction
  • a high molecular weight osmoticum e.g. a labeled reactant or reaction product of an affinity reaction
  • the fraction of the high molecular weight substance (s) to be determined concentrates, while low molecular weight dissolved constituents flow away with the solvent through the pores of the membrane.
  • a high detection sensitivity is achieved.
  • a positive signal can be obtained or a homogeneous phase assay can be performed. Another advantage is a small amount of time and labor for performing the assay.
  • Affinity assays are analytical methods based on noncovalent affinity binding. These include the immunoassays or immunoassays that are currently standard procedures in clinical chemistry, diagnostics, environmental analysis and bioprocess control.
  • the basis of each affinity assay is at least one specific bioanalytical recognition reaction, eg the specific binding of an affinity ligand to an antibody.
  • affinity receptors eg lectin ne or aptamers, be used for the selective binding of an analyte.
  • An immunoassay or affinity assay usually consists of several stages, i.a. at least one incubation step, at least one washing step and a concentration measurement.
  • affinity receptors eg, antibodies and antigens
  • binding partners are labeled with a labeling substance (“label” or “marker”) that provides a measurable and analyte-dependent signal. chemically coupled.
  • labeling substances eg enzymes (eg peroxidase, alkaline phosphatase) or fluorescent dyes with high fluorescence yield. With enzymes, a reinforcing effect is achieved by catalyzing the formation of a signal substance (eg, a colored reaction product).
  • signal substance eg, a colored reaction product
  • High molecular weight antigens such as e.g. Proteins can be detected particularly favorably with a "sandwich" immunoassay.
  • the surface is coated with a specific antibody such that after incubation with a sample solution, the analyte becomes bound to the surface while other sample components are removed in a subsequent washing step.
  • the actual detection takes place after incubation with a second, labeled specific antibody and a further washing step (and optionally a color development reaction in the case of enzyme labels).
  • the dose-effect curve is positive.
  • the quantitative determination of substances with molecular weights below 1000 daltons is one of the most important applications of immunoassays. Almost exclusively so-called competitive assays are used for this purpose.
  • the (unlabelled) analyte competes with an analog for the free binding sites of an affinity receptor, with either the affinity receptor or the competing analog is labeled.
  • the analog may be a low molecular weight or high molecular weight solute.
  • an inverse dose-effect curve i. E. the largest signals are achieved at the lowest analyte concentrations; at very high analyte concentrations, the signal strength is very little dependent on the concentration; at very small concentrations of analyte disturbs the uncertainty of the difference measurement. Due to the principle of difference measurement, the concentration of the labeled reactant must be adjusted to the concentration of the analyte. Since the bound amount of the labeled substance is usually in a very thin layer on the surface, the requirements for the detector are very high for small measuring fields, which may be u.a. affects the costs.
  • Desirable would be the reversal of the inverse characteristic in competitive assays or a ratiometric measurement of the Amount of the fraction of the labeled molecules formed by the reaction with the analyte.
  • the heterogeneous test system also has the disadvantage that non-specific binding of the labeled molecules to the surface is unavoidable, resulting in a more or less large background signal. It would be of great advantage if competitive affinity assays could be carried out completely in homogeneous liquid phase.
  • the object on which the invention is based is thus to provide a new, inexpensive and very sensitive method and a corresponding device for carrying out quantitative, in particular competitive, assays, preferably affinity assays, in single or microarray format.
  • the method according to the invention is intended to offer the possibility of a positive dose effect after a convenient and standardized separation between the fractions of the labeled molecules produced by the reaction with the analyte. It should be feasible without the binding of the labeled molecules to a surface and allow a sensitivity increase over comparable conventional methods.
  • the essence of the invention consists in the use of macromolecular osmotics and an ultrafilter membrane for the concentration of high molecular weight substances to be detected and for their separation of potentially interfering low molecular weight substances.
  • affinity assays a sample matrix to be analyzed is mixed with labeled and unlabelled reactants. Subsequently, the labeled reactant is present in affinity binding in different binding forms (e.g., soluble / insoluble or complexed / uncomplexed) due to affinity binding to the analyte or due to competition with the analyte, the ratio of which depends on the concentration of the analyte.
  • different binding forms e.g., soluble / insoluble or complexed / uncomplexed
  • a prerequisite for an affinity assay according to the invention is that the reaction of the analyte with the reactants is carried out so that subsequently only one of the labeled fractions is present in dissolved and at the same time high molecular weight form.
  • the reaction of the analyte with the reactants is carried out so that subsequently only one of the labeled fractions is present in dissolved and at the same time high molecular weight form.
  • a non-limiting example is the binding of a low molecular weight marker, which is a labeled analog of the analyte, to a receptor, such as an antibody.
  • a fraction of the labeled analog is high molecular weight, the other low molecular weight.
  • Further examples are the competition of the analyte with a labeled soluble high molecular weight analog for binding sites on an immobile antibody and the competition of the analyte with an immobilized analog for a labeled soluble antibody.
  • labeled macromolecules are present in both dissolved and undissolved form after the reaction, depending on the concentration of the analyte.
  • high molecular weight and low molecular weight in the context of this invention are to be understood relative to the pore size of an ultrafilter membrane used according to the invention. This means that a low-molecular-weight fraction can flow through the used ultrafilter membrane relatively unhindered (reflection coefficient ⁇ 0.5), but the high-molecular-weight fraction does not penetrate through it (reflection coefficient close to the value D).
  • Suitable ultrafilter membranes in capillary or planar form with molar mass cut-off (based on proteins) between 5000 and 10 6 and molecular size cut-off (based on Stokes diameter) between 1.5 and 50 nm are from numerous manufacturers offered.
  • Typical, but not limiting molecular weight or molecular size ranges for low molecular weight substances are below 5 kDa or below 2 nm, typical molecular size ranges of high molecular weight substances of more than 10 kDa and more than 3 nm.
  • the choice of the membrane, the critical molecular size for the distinction of the low molecular weight and the high molecular weight fraction can be adapted to the available or selected reactants. If a membrane with a very large molecular size cut-off is used, this has the advantage of high hydraulic permeability, requiring About correspondingly large particles of the labeled high molecular weight reactant or reaction product and the high molecular weight osmoticum.
  • the liquid phase with the high-molecular-weight soluble fraction to be detected is osmosed by the hydraulic action of a high-molecular osmoticum on an ultrafilter membrane (5) from a larger filling space (2) via a flow path (3) into a smaller measuring space hydraulically connected to it (4) after filling a concentrated solution of the polymeric osmoticum in a suction space (1) (see Figures 1 and 2).
  • flow path and "capillary flow path” are to be understood in the context of this invention as a flow path between the Einglallraum and the measuring chamber, whose volume makes up only a small part of the volume of the Ein spallraumes.
  • the high-molecular osmoticum exerts a hydraulic effect on the liquid phase with the labeled reagent on an ultrafilter membrane which separates the suction space from each measuring space.
  • the liquid is moved into the measuring space and its low-molecular components are sucked with the solvent through the pores of the ultrafilter membrane.
  • any known high molecular weight substance can be considered as the high molecular weight osmotic agent, in the aqueous solution of which the osmotic potential can be lowered sufficiently (usually by more than 0.1 MPa).
  • the molecules of water-rich tangles represent, independently of their particle a strong osmotic effect, since the concentrated solutions network liquids represent whose osmotic potential loading by the concentration of monomers is true. It is important that at the given concentration, the molecular size of the osmoticum is well above the cut-off of the membrane.
  • polyvinyl alcohol or polyethylene oxide for example, with ultrafiltration membranes with a molecular size cut-off of 5 nra, when the molecular weight is above 20 kDa.
  • polyethylene oxide is well suited as a high molecular weight osmotic agent for the assay of this invention because relatively high osmotic pressures (above 1 MPa) with a reasonable viscosity ( ⁇ 500 mPa s -1 ) are achieved with this neutral polymer, which is commercially available in different molecular weights can.
  • solutions of high molecular weight polyelectrolytes such as polyacrylate, dextran sulfate, polystyrenesulfonate, poly (diallyldimethylammonium chloride) and the like already exhibit a high osmotic effect in low mass concentration because the electrically sorbed counterions are present in high particle concentration.
  • the hydraulic effect of the polyelectrolytes on an ultrafilter membrane is particularly high when the salt concentration of the aspirated liquid is low compared to the concentration of the polymer-bound ions of the polyelectrolyte solution.
  • a polymeric osmoticum that can be widely used for the invention is high molecular weight sodium dextran sulfate from Pharmacia with an average molecular weight of 500 kDa. It is impermeable to membranes with ultrafiltration properties and a pore size below 20 nm, forms concentrated and osmotically highly effective solutions with relatively low viscosity and is transparent to light in the visible and short wavelength range.
  • the penetration of air into the measuring chamber after complete emptying of the filling chamber can be prevented by adding the polymeric osmoticum in low concentration to the reagent. In this way, the ratio in which the labeled macromolecules are concentrated can be determined.
  • Another important advantage of the method according to the invention is the convenient separation of the labeled soluble macromolecules or high molecular weight complexes from the other labeled molecules which may be present in excess.
  • the fraction of the labeled molecules to be separated may be prevented from flowing into the measuring chamber by binding to a surface or a particulate affinity sorbent. It can also be low molecular weight and flow with the water through the pores of the ultrafilter membrane into the suction chamber.
  • the former possibility has the advantage of a positive dose effect, the latter allows a homogeneous phase assay and therefore has the advantage that it can be dispensed with the immobilization of an affinity binding partner.
  • a defined amount of a labeled antibody may be mixed with the sample matrix containing a low molecular weight analyte. Part of the antibody is then bound to the analyte. Then an Af- in excess of the sorbent that competes with the analyte for the antibody. In the liquid phase, only the labeled antibodies associated with the analyte remain. Thereafter, the liquid phase is moved into the measuring chamber. After the solution of the polymeric osmoticum has been introduced into the suction chamber, a large part of the liquid is sucked from the filling space into the measuring chamber, where the labeled antibody concentrates in complex with the analyte. A largely stoichiometric, positive dose effect can be achieved.
  • a heterogeneous competitive affinity assay with a positive dose effect can also be achieved by the method according to the invention with a labeled particle-bound complex according to the displacement principle.
  • the complex consists of an affinity receptor and a high molecular weight labeled analogue of the analyte,.
  • the unlabelled portion of the complex is physically or covalently bound to the surface, while the labeled portion can be detached by ligand exchange with the analyte.
  • the analyte has a high affinity for the receptor (e.g., an antibody), while the labeled analog is bound with intermediate affinity, so that a short reaction time and a nearly stoichiometric reaction are to be expected.
  • the labeled soluble reaction products are concentrated in the measuring chamber. Again, a direct dependence of the signal on the concentration of the analyte is achieved.
  • the invention also enables heterogeneous affinity assays with low molecular weight labeled analogs in which a positive dose-response effect is achieved.
  • the competition of a low molecular weight analyte with a low molecular weight fluorescent analogue on an affinity particle with immobilized antibodies is exploited.
  • the liquid phase contains the fluorescent low molecular weight analogue in a concentration directly dependent on the concentration of the analyte. If the antibody in excess is then added in excess, the marker is converted into a high-molecular-weight complex and can be accumulated in the measurement space. It is also possible that a solution of the unlabelled antibody is introduced into the measurement chamber using capillary forces before adding the sample and the remaining reagent components. After the osmotically induced aspiration of the liquid phase, the soluble fraction of the low molecular weight labeled analog is bound to the antibody and concentrated in the measuring chamber.
  • the measurement of the fluorescence takes place after the immune reaction has taken place in a separate room, the measuring space.
  • fluorophore is covalently bound to the macromolecule, fluorescence measurement can be performed in the optimal electrolyte environment for fluorescence, even if it is incompatible with the reaction itself.
  • a fluorescein-labeled reactant used it makes sense to adjust the pH of the solution of the polymeric osmotic agent to about 9.
  • the said fluorophore can be detected in an alkaline medium with a very high fluorescence yield.
  • the method according to the invention makes it possible to carry out a sensitive competitive affinity assay for a low-molecular-weight analyte in a homogeneous phase.
  • Two reagents are used for this purpose, for example an unmarked affinity receptor for the analyte, as a rule an antibody, and secondly a low molecular weight labeled competitor ligand, for example a conjugate of the analyte with a fluorescent dye.
  • the assay can be carried out in such a way that a limited and defined amount of the antibody is added. next with the analyte and then reacted with a present in excess of the antibody present marked low molecular weight competing ligands.
  • the amount of labeled detectable complex will be the difference between the amount of antibody and the amount of analyte.
  • the accuracy of this assay can be increased if paired tests are performed on an array with the sample matrix and blank value. The difference of the signals in this case is positively correlated with the concentration of the analyte.
  • a sensitive ratiometric measurement can be performed. If both the low molecular weight competitor ligand and the high molecular weight receptor are labeled and the markers can be quantified separately, for example using different fluorescence spectra, the proportion of singly labeled complexes that are labeled with the analyte can be determined without a parallel approach.
  • the washing out of the low molecular weight marker fraction from the measuring chamber can be carried out by aspirating an additional unlabelled aqueous solution through the ultrafilter membrane and / or by replacing the osmotically effective polymer solution in the suction chamber.
  • the aspiration of an additional unlabelled aqueous solution also allows complete transfer of the labeled macromolecules into the measuring chamber.
  • the measuring space is a hydrophilic filter with a pore size of about 2 microns or a fixed bed of fine hydrophilic particles, which is permeable to aqueous solutions of colloids and prevents the ingress of air into the measuring space.
  • the invention also enables miniaturized enzyme-linked immunoassays (ELISA), for example an antibody which is covalently coupled to an enzyme, eg a peroxidase, which is the part of the excess added antibody which complements the analyte.
  • ELISA enzyme-linked immunoassays
  • the solution of the high molecular weight osmoticum introduced into the suction space contains a low molecular weight unstained enzyme substrate that crosses the ultrafilter membrane accumulated by ultrafiltration in the measurement space, catalyzes the reaction of the substrate to a colloidal fluorescent or colored substance, which concentrates in the measuring chamber so that, taking advantage of the enzyme reaction in a short time a highly amplified and positively correlated with the analyte concentration rtes signal is generated in a small area.
  • the invention can be used to perform a colloidal Sil ⁇ Bernie derschlages or other colloidal precipitate a sensitive assay based. If, for example, gold nanoparticles are used to label an immunoreagent and are concentrated in the measurement space according to the invention, a precipitation of metallic colloidal silver occurs, depending on the amount of gold particles, if the solution of the osmoticum contains a suitable reducing agent and silver ions.
  • the fluidic microsystem according to the invention which is suitable for carrying out the above-described assays, in particular Assuming that it is suitable, but not limited to, at least one measuring chamber (1) and at least one measuring chamber (4) separated from the suction chamber by an ultrafilter membrane (5), each measuring chamber having a flow path (3) whose volume is only one makes up a small part of the volume of the filling space, is connected to a filling space (2) and the volume of the filling space exceeds the volume of the measuring space by a multiple.
  • the volume of a miniaturized measurement space is typically no greater than about 0.2 ⁇ l and its surface no greater than about 5 mm 2 .
  • FIG. It represents an array of numerous miniaturized filling chambers (2) and measuring chambers (4) in a transparent solid. Both chambers are hydraulically connected by a capillary flow path (3). Each measuring chamber is separated from a suction chamber by an ultrafilter membrane. Each measuring chamber is designed as a lumen of the suction space passing through the segment of a capillary membrane with ultrafilter properties, such as a microdialysis fiber. This has the advantage that the labeled soluble macromolecules concentrate in a very small space. They are sensitive in this room due to their fluorescence, luminescence or reactivity detectable.
  • a dye is accumulated in the measuring chamber by an enzymatically labeled immunoreagent, it can generate a clear signal due to the relatively long light path through the measuring chamber, for example in a simple light microscope.
  • a particularly high sensitivity in the The fluorescence affinity assay is achieved when the excitation light cross-transverses the hollow fiber lumen and the fluorescence is detected across the cross-section of the hollow fiber.
  • the excitation is carried out with laser light, the same quantum flow can easily be achieved in numerous measuring chambers in the illustrated arrangement, so that a simultaneous detection in numerous measuring chambers is possible.
  • a particle filter can be provided between the filling space and the measuring space, with the aid of which the affinity sorbent is prevented from flowing into the measuring space even if the particle size is small.
  • the illustrated in Figure 1 design of the device according to the invention is not the only possible.
  • the hollow fiber segments are arranged parallel to the array plane or if instead of capillary membranes planar ultrafilter membranes are used.
  • the array consists of two bodies, between which an ultrafilter membrane is glued. Intake space, filling spaces, flow paths and measuring chambers in this case represent channels or depressions in these bodies.
  • FIG. 2 shows the array in cross section through a unit of filling spaces (2) and measuring spaces (4).
  • Each measuring room is designed by a narrow vertical channel.
  • the suction chamber (1) represents a wide, perpendicular to the cross-section flow channel in the opposite body. It is separated from the measuring space by the ultrafilter membrane (5).
  • a very flat measuring chamber which on one side through the Ultrafilter membrane from the suction chamber and on the other side is bounded by a thin liquid-impermeable membrane, which abuts the X-ray film.
  • a fluorescently labeled protein was concentrated in the observation field of a fluorescence microscope in a fluidic microsystem according to the invention and the increase in fluorescence intensity was observed with a fluorescence microscope.
  • the microsystem comprised two microcompartments connected by microdialysis fibers of regenerated cellulose (240 ⁇ m diameter).
  • the microsystem comprised two microcompartments connected by microdialysis fibers of regenerated cellulose (240 ⁇ m diameter).
  • the dialysis fiber capillary membrane in the first chamber, which corresponded to the Einhellraum, while the second chamber, corresponding to the suction, was traversed by a hollow fiber segment (the measuring chamber), the second open end outside of the chamber with the atmosphere communicated ,
  • the wall of the dialysis fiber formed the ultrafilter membrane, while its cavity provided the flow path and measuring space.

Abstract

The invention relates to an assay method and a fluid microsystem for carrying out said assay method, in particular, for carrying out miniaturised affinity tests in a micro-array format. According to said invention, a liquid phase comprising at least one type of detectable high-molecular soluble substance, for example a markable reaction partner or reaction product of an affinity reaction is displaced by the action of a high-molecular osmotic agent on an ultrafilter membrane towards a miniaturised measuring chamber defined thereby. The fraction of the detectable high-molecular substance(s) is concentrated in the measuring chamber, while the dissolved low- molecular components are removed with the solvent through the membrane pores, thereby making it possible to attain a high detection sensitivity.

Description

Assay mit osmotisch Induzierter Abtrennung und Anreicherung hochmolekularer nachzuweisender Substanzen und fluidisches Mikrosystem zu seiner Durchführung Assay with osmotically induced separation and enrichment of high molecular weight substances to be detected and fluidic microsystem for its implementation
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Assay-Verfahren und ein fluidisches Mikrosystem zu seiner Durchführung, das insbesondere für miniaturisierte Affinitätstests im Microarray-Format geeignet ist.The present invention relates to an assay method and a fluidic microsystem for its implementation, which is particularly suitable for miniaturized affinity tests in microarray format.
Erfindungsgemäß wird eine Flüssigphase mit mindestens einer nachzuweisenden hochmolekularen löslichen Substanz, z.B. einem markierten Reaktionspartner oder Reaktionsprodukt einer Affinitätsreaktion, auf Grund der hydraulischen Wirkung eines hochmolekularen Osmotikums an einer Ultrafiltermembran in eine von dieser Membran begrenzte miniaturisierte Messkammer bewegt. Dort konzentriert sich die zu bestimmende Fraktion der hochmolekularen Substanz (en) , während niedermolekulare gelöste Bestandteile mit dem Lösungsmittel durch die Poren der Membran abströmen. Hierdurch wird eine hohe Nachweisempfindlichkeit erreicht. Es kann im kompetitiven Modus ein positives Signal gewonnen oder ein Assay in homogener Phase durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in einem geringen Zeit- und Arbeitsaufwand für die Durchführung des Assays.According to the invention, a liquid phase having at least one high molecular weight soluble substance to be detected, e.g. a labeled reactant or reaction product of an affinity reaction, due to the hydraulic action of a high molecular weight osmoticum on an ultrafilter membrane moved into a limited by this membrane miniaturized measuring chamber. There, the fraction of the high molecular weight substance (s) to be determined concentrates, while low molecular weight dissolved constituents flow away with the solvent through the pores of the membrane. As a result, a high detection sensitivity is achieved. In competitive mode, a positive signal can be obtained or a homogeneous phase assay can be performed. Another advantage is a small amount of time and labor for performing the assay.
Affinitätsassays sind analytische Verfahren auf der Grundlage von nichtkovalenten Affinitätsbindungen. Zu ihnen gehören die Immuntests bzw. Immunoassays, die gegenwärtig Standardverfahren in der klinischen Chemie, Diagnostik, Umweltanalytik und in der Bioprozesskontrolle darstellen. Die Grundlage jedes Affinitätsassays ist mindestens eine spezifische bioanalytische Erkennungsreaktion, z.B. die spezifische Bindung eines Affinitätsliganden an einen Antikörper. Anstelle von Immunproteinen können auch andere Affinitätsrezeptoren, z.B. Lekti- ne oder Aptamere, zur selektiven Bindung eines Analyten eingesetzt werden.Affinity assays are analytical methods based on noncovalent affinity binding. These include the immunoassays or immunoassays that are currently standard procedures in clinical chemistry, diagnostics, environmental analysis and bioprocess control. The basis of each affinity assay is at least one specific bioanalytical recognition reaction, eg the specific binding of an affinity ligand to an antibody. Instead of immune proteins, other affinity receptors, eg lectin ne or aptamers, be used for the selective binding of an analyte.
Die inhärente Spezifität und hohe Affinität der Affinitätsbindung ermöglicht eine selektive, hochspezifische und hochempfindliche Konzentrationsmessung. Mit Hilfe von Antikörpern können beispielsweise picomolare und nanomolare Lösungen zahlreicher Analyte erfasst werden. Spezifische Antikörper können gegen fast alle Arten von chemischen Verbindungen erzeugt werden, von niedermolekularen Substanzen, sog. Haptenen, bis hin zu biologischen oder synthetischen Makromolekülen. Die Verfahren zur Herstellung und Durchführung von Affinitätsassays im makroskopischen Format (Reaktionsvolumen >20 Mikroliter) sind der Fachwelt bekannt und können in einer Vielzahl von Publikationen nachgelesen werden (z.B. James P. Gosling "Immunoas- says", Practical Approach Series, Oxford University Press, Oxford, England) .The inherent specificity and high affinity binding affinity allows selective, highly specific and highly sensitive concentration measurement. With the help of antibodies, for example, picomolar and nanomolar solutions of numerous analytes can be detected. Specific antibodies can be generated against almost all types of chemical compounds, from low molecular weight substances, so-called haptens, to biological or synthetic macromolecules. The methods for preparing and carrying out affinity assays in macroscopic format (reaction volume> 20 microliters) are known in the art and can be read in a variety of publications (eg James P. Gosling "Immunoassays", Practical Approach Series, Oxford University Press, Oxford, England).
Ein Immunoassay oder Affinitätsassay besteht in der Regel aus mehreren Stufen, u.a. mindestens einem Inkubationsschritt, mindestens einem Waschschritt und einer Konzentrationsmessung.An immunoassay or affinity assay usually consists of several stages, i.a. at least one incubation step, at least one washing step and a concentration measurement.
Es wurden in den vergangenen Jahren moderne Verfahren entwickelt, die das Handling von Immunoassays vereinfachen und sie dadurch für neue Applikationen zugänglich machen, z.B. der Schwangerschafts-Selbsttest im Papier-Teststreifenformat ("Im- munochromatographie") . Eine andere Entwicklungsrichtung besteht darin, eine Vielzahl von Immuntests rasterartig auf einer kleinen Testfläche, dem „BiochipλX oder „Microarray" zu vereinigen. Immuntests im Microarrayformat können z.B. aus einer einzigen Blutprobe eine Vielzahl einzelner Analyte nachweisen. Ein Problem bei der Miniaturisierung von Immunoassays oder Affinitätsassays besteht in der Verringerung der Signalintensität durch die Reduktion der Reagenzmenge. Da die üblichen Affinitätsrezeptoren (z.B. Antikörper und Antigene) und ihre Bindungspartner mit den üblichen Detektoren nicht direkt empfindlich detektierbar sind, werden sie mit einer Markierungssubstanz („Label" oder „Marker") , die für ein messbares und von der Analytkonzentration abhängiges Signal sorgt, chemisch gekoppelt. Für miniaturisierte Immunoassays benötigt man Markierungssubstanzen von höchster spezifischer Aktivität, z.B. Enzyme (u.a. Peroxidase, alkalische Phosphatase) oder Fluoreszenzfarbstoffe mit hoher Fluoreszenzausbeute. Mit Enzymen erzielt man einen Verstärkungseffekt dadurch, dass diese die Bildung eines Signalstoffes (z.B. eines farbiges Reaktionsproduktes) katalysieren. Fluoreszenzfarbstoffe erlauben die schnellste und direkteste Nachweisreaktion; eine hohe Empfindlichkeit erfordert bei Fluoreszenz- affinitätsassays jedoch leistungsfähige und aufwendige optischen Geräte.In recent years, modern methods have been developed which simplify the handling of immunoassays and thus make them accessible for new applications, eg the pregnancy self-test in the paper test strip format ("immunochromatography"). Another development direction is to combine a variety of immunoassays in a raster manner on a small test area, the "biochip λX or" microarray. "Microarray format immunoassays can detect, for example, a variety of individual analytes from a single blood sample Affinity assays consist of reducing the signal intensity by reducing the amount of reagent. Since the usual affinity receptors (eg, antibodies and antigens) and their binding partners are not directly detectable with the usual detectors, they are labeled with a labeling substance ("label" or "marker") that provides a measurable and analyte-dependent signal. chemically coupled. For miniaturized immunoassays one needs labeling substances of highest specific activity, eg enzymes (eg peroxidase, alkaline phosphatase) or fluorescent dyes with high fluorescence yield. With enzymes, a reinforcing effect is achieved by catalyzing the formation of a signal substance (eg, a colored reaction product). Fluorescent dyes allow the fastest and most direct detection reaction; however, high sensitivity requires powerful and expensive optical devices in fluorescence affinity assays.
Hochmolekulare Antigene wie z.B. Proteine lassen sich besonders günstig mit einem "Sandwich"-Immunoassay nachweisen. In der häufigsten Ausführungsart ist die Oberfläche mit einem spezifischen Antikörper überzogen, so dass der Analyt nach Inkubation mit einer Probenlösung an der Oberfläche gebunden wird, während andere Probenbestandteile in einem nachfolgenden Waschschritt entfernt werden. Der eigentliche Nachweis erfolgt nach der Inkubation mit einem zweiten, markierten spezifischen Antikörper und einem weiteren Waschschritt (und gegebenenfalls einer Farbentwicklungsreaktion bei Enzymlabeln) . Die Dosis- Effekt-Kurve ist positiv.High molecular weight antigens such as e.g. Proteins can be detected particularly favorably with a "sandwich" immunoassay. In the most common embodiment, the surface is coated with a specific antibody such that after incubation with a sample solution, the analyte becomes bound to the surface while other sample components are removed in a subsequent washing step. The actual detection takes place after incubation with a second, labeled specific antibody and a further washing step (and optionally a color development reaction in the case of enzyme labels). The dose-effect curve is positive.
Die quantitative Bestimmung von Substanzen mit Molekulargewichten unterhalb 1000 Dalton ist eines der wichtigsten Anwendungsgebiete von Immunoassays. Zu diesem Zweck werden fast ausschließlich sogenannte kompetitive Assays eingesetzt. Bei diesen konkurriert der (unmarkierte) Analyt mit einem Analogon um die freien Bindungsplätze eines Affinitätsrezeptors, wobei entweder der Affinitätsrezeptor oder das konkurrierende Analo- gon markiert sind. Das Analogon kann ein niedermolekularer o- der hochmolekularer löslicher Stoff sein.The quantitative determination of substances with molecular weights below 1000 daltons is one of the most important applications of immunoassays. Almost exclusively so-called competitive assays are used for this purpose. In these, the (unlabelled) analyte competes with an analog for the free binding sites of an affinity receptor, with either the affinity receptor or the competing analog is labeled. The analog may be a low molecular weight or high molecular weight solute.
Bei kompetitiven Affinitätsassays zum Nachweis niedermolekularer Analyte findet in der Regel eine von der Analytkon- zentration abhängige Aufteilung der markierten Moleküle in eine lösliche und oberflächengebundene Fraktion statt. In vielen Fällen erfolgt die Affinitätsbindung der markierten Moleküle an eine mit immobilen Reaktionspartnern besetzte Oberfläche. Nach dem Abwaschen der löslichen Fraktion wird die Menge des gebundenen Markers an der Oberfläche erfasst. In Abwesenheit des konkurrierenden Analyten kann die maximale Menge an markierten Molekülen an die Oberfläche gebunden werden, die Menge der gebundenen markierten Moleküle an die Oberfläche wird durch die spezifische Bindung des Analyten an seinen Rezeptor reduziert .In competitive affinity assays for the detection of low-molecular-weight analytes, as a rule, a separation of the labeled molecules depending on the analyte concentration into a soluble and surface-bound fraction takes place. In many cases, the affinity binding of the labeled molecules takes place on a surface occupied by immobile reaction partners. After washing off the soluble fraction, the amount of bound label on the surface is detected. In the absence of the competing analyte, the maximum amount of labeled molecules can be bound to the surface, the amount of bound labeled molecules to the surface is reduced by the specific binding of the analyte to its receptor.
Da die gebundene Menge der gebundenen markierten Substanz nach einem Waschvorgang erfasst wird, ergibt sich eine inverse Dosis-Effekt-Kurve, d.h. die größten Signale werden bei den geringsten Analytkonzentrationen erzielt; bei sehr großen Ana- lytkonzentrationen ergibt sich eine sehr geringe Abhängigkeit der Signalstärke von der Konzentration; bei sehr kleinen Analytkonzentrationen stört die Unsicherheit der Differenzmessung. Auf Grund des Prinzips der Differenzmessung muss die Konzentration des markierten Reaktionspartners an die Konzentration des Analyten angepasst werden. Da die gebundene Menge der markierten Substanz meist in einer sehr dünnen Schicht an der Oberfläche liegt, sind bei kleinen Messfeldern die Anforderungen an den Detektor sehr hoch, was sich u.a. auf die Kosten auswirkt.Since the bound amount of the bound labeled substance is detected after a washing operation, an inverse dose-effect curve, i. E. the largest signals are achieved at the lowest analyte concentrations; at very high analyte concentrations, the signal strength is very little dependent on the concentration; at very small concentrations of analyte disturbs the uncertainty of the difference measurement. Due to the principle of difference measurement, the concentration of the labeled reactant must be adjusted to the concentration of the analyte. Since the bound amount of the labeled substance is usually in a very thin layer on the surface, the requirements for the detector are very high for small measuring fields, which may be u.a. affects the costs.
Wünschenswert wären die Aufhebung der inversen Charakteristik bei kompetitiven Assays oder eine ratiometrische Messung des Mengenanteils der durch die Reaktion mit dem Analyten gebildeten Fraktion der markierten Moleküle. Das heterogene Testsystem hat außerdem den Nachteil, dass eine unspezifische Bindung der markierten Moleküle an die Oberfläche unvermeidbar ist, wodurch ein mehr oder weniger großes Hintergrundsignal entsteht. Es wäre von großem Vorteil, wenn kompetitive Affinität- sassays vollständig in homogener Flüssigphase durchgeführt werden könnten.Desirable would be the reversal of the inverse characteristic in competitive assays or a ratiometric measurement of the Amount of the fraction of the labeled molecules formed by the reaction with the analyte. The heterogeneous test system also has the disadvantage that non-specific binding of the labeled molecules to the surface is unavoidable, resulting in a more or less large background signal. It would be of great advantage if competitive affinity assays could be carried out completely in homogeneous liquid phase.
Die genannten Limitierungen kompetitiver Immunoassays beruhen vor allem darauf, dass nur der an eine Oberfläche gebundene Teil des markierten Bindungspartners (z.B. des Antikörpers o- der Antigens) nachgewiesen wird. Gegenwärtig besteht ein großer Bedarf an miniaturisierten Immunoassays mit positiven Dosis-Effekt und solchen, die ohne die Bindung der markierten Moleküle an eine Oberfläche auskommen.The stated limitations of competitive immunoassays are based primarily on the fact that only the surface-bound part of the labeled binding partner (for example the antibody or antigen) is detected. There is currently a great need for miniaturized immunoassays with positive dose effect and those that can do without the binding of the labeled molecules to a surface.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist somit die Bereitstellung eines neuen, kostengünstigen und sehr empfindlichen Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung für die Durchführung quantitativer, insbesondere kompetitiver, Assays, vorzugsweise Affinitätsassays, im Einzel- oder Microarray- Format. Das erfindungsgemäße Verfahren soll die Möglichkeit eines positiven Dosis-Effektes nach einer bequemen und standardisierten Trennung zwischen den durch die Reaktion mit dem Analyten entstandenen Fraktionen der markierten Moleküle bieten. Es soll ohne die Bindung der markierten Moleküle an eine Oberfläche durchführbar sein und eine Empfindlichkeitssteigerung gegenüber vergleichbaren konventionellen Verfahren ermöglichen .The object on which the invention is based is thus to provide a new, inexpensive and very sensitive method and a corresponding device for carrying out quantitative, in particular competitive, assays, preferably affinity assays, in single or microarray format. The method according to the invention is intended to offer the possibility of a positive dose effect after a convenient and standardized separation between the fractions of the labeled molecules produced by the reaction with the analyte. It should be feasible without the binding of the labeled molecules to a surface and allow a sensitivity increase over comparable conventional methods.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Assay entsprechend dem Anspruch 1 und ein fluidisches Mikrosystem zu seiner Durchführung entsprechend dem Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen 2-10 und 12-16 ausgeführt.The object is achieved by an assay according to claim 1 and a fluidic microsystem for its implementation according to claim 11. advantageous Embodiments of the invention are set forth in subclaims 2-10 and 12-16.
Das Wesen der Erfindung besteht in der Nutzung makromolekularer Osmotika und einer Ultrafiltermembran zur Konzentration von nachzuweisenden hochmolekularen Substanzen und zu deren Abtrennung von potentiell störenden niedermolekularen Substanzen.The essence of the invention consists in the use of macromolecular osmotics and an ultrafilter membrane for the concentration of high molecular weight substances to be detected and for their separation of potentially interfering low molecular weight substances.
Im Falle eines Affinitätsassays handelt es sich dabei typischerweise um eine Trennung der als Ergebnis der Reaktion mit dem Analyten vorliegenden Fraktionen der markierten Moleküle und um die Konzentration einer der Fraktionen.In the case of an affinity assay, these are typically a separation of the fractions of the labeled molecules present as a result of the reaction with the analyte and the concentration of one of the fractions.
Üblicherweise wird bei Affinitätsassays eine zu analysierende Probenmatrix mit markierten und unmarkierten Reaktionspartnern gemischt. Anschließend liegt der markierte Reaktionspartner auf Grund der Affinitätsbindung mit dem Analyten oder auf Grund der Konkurrenz mit dem Analyten um die Affinitätsbindung in unterschiedlichen Bindungsformen (z.B. löslich/unlöslich oder komplexgebunden/unkomplexiert) vor, deren Mengenverhältnis von der Konzentration des Analyten abhängig ist.Usually, in affinity assays, a sample matrix to be analyzed is mixed with labeled and unlabelled reactants. Subsequently, the labeled reactant is present in affinity binding in different binding forms (e.g., soluble / insoluble or complexed / uncomplexed) due to affinity binding to the analyte or due to competition with the analyte, the ratio of which depends on the concentration of the analyte.
Eine Voraussetzung für einen erfindungsgemäßen Affinitätsassay besteht darin, dass die Reaktion des Analyten mit den Reaktionspartnern so geführt wird, dass anschließend nur eine der markierten Fraktionen in gelöster und gleichzeitig hochmolekularer Form vorliegt. Hierfür sind der Fachwelt mehrere Möglichkeiten bekannt.A prerequisite for an affinity assay according to the invention is that the reaction of the analyte with the reactants is carried out so that subsequently only one of the labeled fractions is present in dissolved and at the same time high molecular weight form. For this purpose, experts are aware of several options.
Ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Bindung eines niedermolekularen Markers, der ein markiertes Analogon des Analyten darstellt, an einen Rezeptor, z.B. einen Antikörper. Nach der Reaktion ist in diesem Fall in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten eine Fraktion des markierten Analogons hochmolekular, die andere niedermolekular. Weiter Beispiele sind die Konkurrenz des Analyten mit einem markierten löslichen hochmolekularen Analogon um Bindungsstellen an einem immobilen Antikörper und die Konkurrenz des Analyten mit einem immobilisierten Analogon um einen markierten löslichen Antikörper. In beiden Fällen liegen nach der Reaktion in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten markierte Makromoleküle sowohl in gelöster als auch in nicht gelöster Form vor.A non-limiting example is the binding of a low molecular weight marker, which is a labeled analog of the analyte, to a receptor, such as an antibody. In this case, after the reaction, depending on the concentration of the analyte, a fraction of the labeled analog is high molecular weight, the other low molecular weight. Further examples are the competition of the analyte with a labeled soluble high molecular weight analog for binding sites on an immobile antibody and the competition of the analyte with an immobilized analog for a labeled soluble antibody. In both cases, labeled macromolecules are present in both dissolved and undissolved form after the reaction, depending on the concentration of the analyte.
Die Begriffe "hochmolekular" und "niedermolekular" sind im Kontext dieser Erfindung relativ zur Porengröße einer erfindungsgemäß eingesetzten Ultrafiltermembran zu verstehen. Dies bedeutet, dass eine niedermolekulare Fraktion relativ ungehindert durch die verwendete Ultrafiltermembran strömen kann (Reflexionskoeffizient < 0,5), die hochmolekulare Fraktion dagegen nicht hindurchdringt (Reflexionskoeffizient nahe dem Wert D •The terms "high molecular weight" and "low molecular weight" in the context of this invention are to be understood relative to the pore size of an ultrafilter membrane used according to the invention. This means that a low-molecular-weight fraction can flow through the used ultrafilter membrane relatively unhindered (reflection coefficient <0.5), but the high-molecular-weight fraction does not penetrate through it (reflection coefficient close to the value D).
Geeignete Ultrafiltermembranen in kapillarer oder planarer Gestalt mit Molmassen-Cut-off (bezogen auf Proteine) zwischen 5000 und 106 bzw. Molekülgrößen-Cut-off (bezogen auf den Sto- kesschen Durchmesser) zwischen 1,5 und 50 nm werden von zahlreichen Herstellern angeboten. Typische, aber nicht beschränkende Molekulargewichts- bzw. Molekülgrößenbereiche für niedermolekulare Substanzen liegen unter 5 kDa bzw. unter 2 nm, typische Molekülgrößenbereiche von hochmolekularen Substanzen über 10 kDa bzw. über 3 nm. Da markierte Affinitätsbindungs- partner in verschiedensten Molekülgrößen im Bereich von 0,3 bis 50 nm kommerziell verfügbar sind oder präpariert werden können, kann durch die Wahl der Membran die kritische Molekülgröße für die Unterscheidung der niedermolekularen und der hochmolekularen Fraktion an die zur Verfügung stehenden oder gewählten Reaktionspartner angepasst werden. Wird eine Membran mit sehr großem Molekülgrößen-Cut-off eingesetzt, hat dies den Vorteil einer hohen hydraulischen Permeabilität, erfordert a- ber entsprechend große Teilchen des markierten hochmolekularen Reaktionspartners oder Reaktionsproduktes und des hochmolekularen Osmotikums .Suitable ultrafilter membranes in capillary or planar form with molar mass cut-off (based on proteins) between 5000 and 10 6 and molecular size cut-off (based on Stokes diameter) between 1.5 and 50 nm are from numerous manufacturers offered. Typical, but not limiting molecular weight or molecular size ranges for low molecular weight substances are below 5 kDa or below 2 nm, typical molecular size ranges of high molecular weight substances of more than 10 kDa and more than 3 nm. As marked affinity binding partner in various molecular sizes in the range of 0, 3 to 50 nm are commercially available or can be prepared, the choice of the membrane, the critical molecular size for the distinction of the low molecular weight and the high molecular weight fraction can be adapted to the available or selected reactants. If a membrane with a very large molecular size cut-off is used, this has the advantage of high hydraulic permeability, requiring About correspondingly large particles of the labeled high molecular weight reactant or reaction product and the high molecular weight osmoticum.
Erfindungsgemäß wird die Flüssigphase mit der zu detektieren- den hochmolekularen löslichen Fraktion auf osmotischem Wege durch die hydraulische Wirkung eines hochmolekularen Osmotikums an einer Ultrafiltermembran (5) von einem größeren Einfüllraum (2) über eine Fließstrecke (3) in einen hydraulisch mit ihm verbundenen kleineren Messraum (4) bewegt, nachdem eine konzentrierte Lösung des polymeren Osmotikums in einen Ansaugraum (1) eingefüllt wurde (vgl. Fig. 1 und 2) .According to the invention, the liquid phase with the high-molecular-weight soluble fraction to be detected is osmosed by the hydraulic action of a high-molecular osmoticum on an ultrafilter membrane (5) from a larger filling space (2) via a flow path (3) into a smaller measuring space hydraulically connected to it (4) after filling a concentrated solution of the polymeric osmoticum in a suction space (1) (see Figures 1 and 2).
Die Begriffe "Fließstrecke" bzw. "kapillare Fließstrecke" sind im Kontext dieser Erfindung als ein Strömungsweg zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum zu verstehen, dessen Volumen nur einen kleinen Teil des Volumens des Einfüllraumes ausmacht.The terms "flow path" and "capillary flow path" are to be understood in the context of this invention as a flow path between the Einfüllraum and the measuring chamber, whose volume makes up only a small part of the volume of the Einfüllraumes.
Das hochmolekulare Osmotikum übt an einer Ultrafiltermembran, die den Ansaugraum von jedem Messraum trennt, eine hydraulische Wirkung auf die Flüssigphase mit dem markierten Reagenz aus. Die Flüssigkeit wird in den Messraum bewegt und ihre niedermolekularen Bestandteile werden mit dem Lösungsmittel durch die Poren der Ultrafiltermembran gesaugt.The high-molecular osmoticum exerts a hydraulic effect on the liquid phase with the labeled reagent on an ultrafilter membrane which separates the suction space from each measuring space. The liquid is moved into the measuring space and its low-molecular components are sucked with the solvent through the pores of the ultrafilter membrane.
Als hochmolekulares Osmotikum kommt grundsätzlich jeder bekannte hochmolekulare Stoff in Frage, in dessen wässeriger Lösung das osmotische Potenzial ausreichend stark (in der Regel um mehr als 0,1 MPa) erniedrigt werden kann. Bekanntlich be¬ sitzen insbesondere konzentrierte Lösungen hydrophiler Polymere wie Polyethylenoxid oder Polyvinylalkohol, deren Moleküle wasserreiche Knäuel darstellen, unabhängig von ihrer Teilchenkonzentration eine starke osmotische Wirkung, da die konzentrierten Lösungen Netzwerkflüssigkeiten darstellen, deren osmotisches Potenzial durch die Konzentration der Monomere be- stimmt wird. Wichtig ist, dass bei der gegebenen Konzentration die Molekülgröße des Osmotikums deutlich über dem Cut-off der Membran liegt. Dies ist bei Polyvinylalkohol oder Polyethylen- oxid beispielsweise bei Ultrafiltrationsmembranen mit einem Molekülgrößen-Cut-off von 5 nra gegeben, wenn das Molekulargewicht über 20 kDa liegt. Polyethylenoxid ist z.B. gut als hochmolekulares Osmotikum für den erfindungsgemäßen Assay geeignet, weil bei diesem neutralen Polymer, das in unterschiedlichen Molmassen kommerziell erhältlich ist, relativ hohe osmotische Drucke (über 1 MPa) mit einer vertretbaren Viskosität (< 500 mPa s"1) erreicht werden können.In principle, any known high molecular weight substance can be considered as the high molecular weight osmotic agent, in the aqueous solution of which the osmotic potential can be lowered sufficiently (usually by more than 0.1 MPa). Known to be ¬ sitting in particular concentrated solutions of hydrophilic polymers such as polyethylene oxide or polyvinyl alcohol, the molecules of water-rich tangles represent, independently of their particle a strong osmotic effect, since the concentrated solutions network liquids represent whose osmotic potential loading by the concentration of monomers is true. It is important that at the given concentration, the molecular size of the osmoticum is well above the cut-off of the membrane. This is the case with polyvinyl alcohol or polyethylene oxide, for example, with ultrafiltration membranes with a molecular size cut-off of 5 nra, when the molecular weight is above 20 kDa. For example, polyethylene oxide is well suited as a high molecular weight osmotic agent for the assay of this invention because relatively high osmotic pressures (above 1 MPa) with a reasonable viscosity (<500 mPa s -1 ) are achieved with this neutral polymer, which is commercially available in different molecular weights can.
Bekanntlich zeigen Lösungen von hochmolekularen Polyelektroly- ten wie Polyacrylat, Dextransulfat, Polystyrolsulfonat, PoIy- (diallyldimethylammoniumchlorid) und dergleichen bereits in niedriger Massekonzentration eine starke osmotische Wirkung, weil die elektrisch sorbierten Gegenionen in hoher Teilchenkonzentration vorliegen. Die hydraulische Wirkung der PoIy- elektrolyte an einer Ultrafiltermembran ist besonders hoch, wenn die Salzkonzentration der angesaugten Flüssigkeit im Vergleich zur Konzentration der polymergebundenen Ionen der PoIy- elektrolytlösung gering ist. Ein für die Erfindung breit einsetzbares polymeres Osmotikum ist hochmolekulares Natrium- dextransulfat der Firma Pharmacia mit einem mittleren Molekulargewicht von 500 kDa. Es ist für Membranen mit Ultrafiltrationseigenschaften und einer Porenweite unter 20 nm nicht permeabel, bildet konzentrierte und osmotisch hochwirksame Lösungen mit verhältnismäßig geringer Viskosität und ist für Licht im sichtbaren und kurzwelligen Bereich transparent.As is known, solutions of high molecular weight polyelectrolytes such as polyacrylate, dextran sulfate, polystyrenesulfonate, poly (diallyldimethylammonium chloride) and the like already exhibit a high osmotic effect in low mass concentration because the electrically sorbed counterions are present in high particle concentration. The hydraulic effect of the polyelectrolytes on an ultrafilter membrane is particularly high when the salt concentration of the aspirated liquid is low compared to the concentration of the polymer-bound ions of the polyelectrolyte solution. A polymeric osmoticum that can be widely used for the invention is high molecular weight sodium dextran sulfate from Pharmacia with an average molecular weight of 500 kDa. It is impermeable to membranes with ultrafiltration properties and a pore size below 20 nm, forms concentrated and osmotically highly effective solutions with relatively low viscosity and is transparent to light in the visible and short wavelength range.
Während Wasser und die niedermolekularen Bestandteile der Flüssigkeit durch die Poren der Ultrafiltermembran in den An¬ saugraum übertreten, konzentrieren sich die hochmolekularen nachzuweisenden gelösten Substanzen, z.B. markierte Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte einer Affinitätsreaktion, im Messraum, wo ihre Menge sehr empfindlich, beispielweise an Hand der Radioaktivität, optischen Eigenschaften, z.B. Fluoreszenz oder Lumineszenz, magnetischen oder elektrischen Eigenschaften oder einer katalytischen, z.B. enzymatischen, Aktivität eines Markers detektiert werden kann.While water and low molecular weight components of the liquid through the pores of the ultrafiltration membrane into the suction chamber at ¬ transgressed, concentrate the high molecular weight solute to be detected, for example, labeled reactant or reaction products of an affinity reaction, in Measuring room, where their amount can be detected very sensitive, for example, on the basis of radioactivity, optical properties, such as fluorescence or luminescence, magnetic or electrical properties or a catalytic, such as enzymatic, activity of a marker.
Das Eindringen von Luft in die Messkammer nach vollständiger Entleerung der Einfüllkammer lässt sich dadurch verhindern, dass dem Reagenz das polymere Osmotikum in geringer Konzentration beigefügt wird. Auf diese Weise lässt sich auch das Verhältnis, in dem die markierten Makromoleküle konzentriert werden, festlegen.The penetration of air into the measuring chamber after complete emptying of the filling chamber can be prevented by adding the polymeric osmoticum in low concentration to the reagent. In this way, the ratio in which the labeled macromolecules are concentrated can be determined.
In der Anreicherung der markierten Moleküle in einem kleinen Volumen bei relativ hoher Schichtdicke besteht ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, insbesondere für die Entwicklung eines miniaturisierten Testarrays . Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der bequemen Trennung der markierten löslichen Makromoleküle oder hochmolekularen Komplexe von den übrigen markierten Molekülen, die im Überschuss vorliegen können. Die abzutrennende Fraktion der markierten Moleküle kann durch Bindung an eine Oberfläche oder ein partikuläres Affinitätssorbens an der Strömung in die Messkammer gehindert sein. Sie kann auch niedermolekular sein und mit dem Wasser durch die Poren der Ultrafiltermembran in den Ansaugraum strömen. Die erstgenannte Möglichkeit hat den Vorzug eines positiven Dosis-Effektes, die letztgenannte ermöglicht einen Assay in homogener Phase und hat daher den Vorteil, dass auf die Immobilisierung eines Affinitätsbindungs- partners verzichtet werden kann.In the enrichment of the labeled molecules in a small volume with a relatively high layer thickness, there is a significant advantage of the invention, in particular for the development of a miniaturized test array. Another important advantage of the method according to the invention is the convenient separation of the labeled soluble macromolecules or high molecular weight complexes from the other labeled molecules which may be present in excess. The fraction of the labeled molecules to be separated may be prevented from flowing into the measuring chamber by binding to a surface or a particulate affinity sorbent. It can also be low molecular weight and flow with the water through the pores of the ultrafilter membrane into the suction chamber. The former possibility has the advantage of a positive dose effect, the latter allows a homogeneous phase assay and therefore has the advantage that it can be dispensed with the immobilization of an affinity binding partner.
Beispielweise kann eine definierte Menge eines markierten Antikörpers mit der Probematrix, die einen niedermolekularen Analyten enthält, gemischt werden. Ein Teil des Antikörpers ist danach an den Analyten gebunden. Anschließend wird ein Af- finitätssorbens, das mit dem Analyten um den Antikörper konkurriert, im Überschuss hinzugegeben. In der Flüssigphase verbleiben nur die mit dem Analyten verbundenen markierten Antikörper. Danach wird die Flüssigphase in die Messkammer bewegt. Nach Einfüllung der Lösung des polymeren Osmotikums in die Ansaugkammer wird ein großer Teil der Flüssigkeit aus dem Einfüllraum in die Messkammer gesaugt, wo sich der markierte Antikörper im Komplex mit dem Analyten konzentriert. Es kann ein weitgehend stöchiometrischer, positiver Dosiseffekt erreicht werden.For example, a defined amount of a labeled antibody may be mixed with the sample matrix containing a low molecular weight analyte. Part of the antibody is then bound to the analyte. Then an Af- in excess of the sorbent that competes with the analyte for the antibody. In the liquid phase, only the labeled antibodies associated with the analyte remain. Thereafter, the liquid phase is moved into the measuring chamber. After the solution of the polymeric osmoticum has been introduced into the suction chamber, a large part of the liquid is sucked from the filling space into the measuring chamber, where the labeled antibody concentrates in complex with the analyte. A largely stoichiometric, positive dose effect can be achieved.
Ein heterogener kompetitiver Affinitätsassay mit positivem Dosiseffekt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem markierten partikelgebundenen Komplex nach dem Verdrängungsprinzip erreicht werden. Der Komplex besteht aus einem Affinitätsrezeptor und einem hochmolekularen markierten Analo- gon des Analyten, . Der nichtmarkierte Teil des Komplexes ist physikalisch oder kovalent an die Oberfläche gebunden, während der markierte Teil durch Ligandenaustausch mit dem Analyten abgelöst werden kann. In diesem Fall ist es günstig, wenn der Analyt eine hohe Affinität zum Rezeptor (z.B. einem Antikörper) besitzt, während das markierte Analogon mit mittlerer Affinität gebunden ist, so dass mit einer kurzen Reaktionszeit und mit einer nahezu stöchiometrischen Reaktion zu rechnen ist. Nach der Reaktion werden die markierten löslichen Reaktionsprodukte in der Messkammer konzentriert. Auch hier wird eine direkte Abhängigkeit des Signals von der Konzentration des Analyten erreicht.A heterogeneous competitive affinity assay with a positive dose effect can also be achieved by the method according to the invention with a labeled particle-bound complex according to the displacement principle. The complex consists of an affinity receptor and a high molecular weight labeled analogue of the analyte,. The unlabelled portion of the complex is physically or covalently bound to the surface, while the labeled portion can be detached by ligand exchange with the analyte. In this case, it is favorable if the analyte has a high affinity for the receptor (e.g., an antibody), while the labeled analog is bound with intermediate affinity, so that a short reaction time and a nearly stoichiometric reaction are to be expected. After the reaction, the labeled soluble reaction products are concentrated in the measuring chamber. Again, a direct dependence of the signal on the concentration of the analyte is achieved.
Die Erfindung ermöglicht auch heterogene Affinitätsassays mit niedermolekularen markierten Analoga, bei denen ein positiver Dosis-Wirkungseffekt erzielt wird. Beispielsweise wird die Konkurrenz eines niedermolekularen Analyten mit einem niedermolekularen fluoreszierenden Analogon an einem Affinitätssor- bens mit immobilisierten Antikörpern genutzt. Die Flüssigphase enthält das fluoreszierende niedermolekulare Analogon in einer direkt von der Konzentration des Analyten abhängigen Konzentration. Gibt man nun den Antikörper in gelöster Form im Über- schuss hinzu, wird der Marker in einen hochmolekularen Komplex überführt und kann im Messraum akkumuliert werden. Es ist auch möglich, dass eine Lösung des unmarkierten Antikörpers vor Zugabe der Probe und der übrigen Reagenzbestandteile unter Nutzung von Kapillarkräften in die Messkammer eingeführt wird. Nach dem osmotisch induzierten Ansaugen der Flüssigphase wird die lösliche Fraktion des niedermolekularen markierten Analo- gons an den Antikörper gebunden und in der Messkammer konzentriert .The invention also enables heterogeneous affinity assays with low molecular weight labeled analogs in which a positive dose-response effect is achieved. For example, the competition of a low molecular weight analyte with a low molecular weight fluorescent analogue on an affinity particle with immobilized antibodies is exploited. The liquid phase contains the fluorescent low molecular weight analogue in a concentration directly dependent on the concentration of the analyte. If the antibody in excess is then added in excess, the marker is converted into a high-molecular-weight complex and can be accumulated in the measurement space. It is also possible that a solution of the unlabelled antibody is introduced into the measurement chamber using capillary forces before adding the sample and the remaining reagent components. After the osmotically induced aspiration of the liquid phase, the soluble fraction of the low molecular weight labeled analog is bound to the antibody and concentrated in the measuring chamber.
Wird die Erfindung für einen heterogenen Fluoreszenzimmuno- assay mit hochmolekularen markierten Verbindungen genutzt, findet die Messung der Fluoreszenz nach erfolgter Immunreaktion in einem gesonderten Raum, dem Messraum, statt. Ist das Fluorophor kovalent an das Makromolekül gebunden, kann die Fluoreszenzmessung im optimalen Elektrolytmilieu für die Fluoreszenz durchgeführt werden, auch wenn dieses mit der Reaktion selbst nicht kompatibel ist. Wird z.B. ein mit Fluorescein markierter Reaktionspartner eingesetzt, ist es sinnvoll, den pH-Wert der Lösung des polymeren Osmotikums auf etwa 9 einzustellen. Das genannte Fluorophor kann im alkalischen Milieu mit sehr hoher Fluoreszenzausbeute erfasst werden.If the invention is used for a heterogeneous fluorescence immunoassay with high molecular weight labeled compounds, the measurement of the fluorescence takes place after the immune reaction has taken place in a separate room, the measuring space. If the fluorophore is covalently bound to the macromolecule, fluorescence measurement can be performed in the optimal electrolyte environment for fluorescence, even if it is incompatible with the reaction itself. If e.g. a fluorescein-labeled reactant used, it makes sense to adjust the pH of the solution of the polymeric osmotic agent to about 9. The said fluorophore can be detected in an alkaline medium with a very high fluorescence yield.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich ein empfindlicher kompetitiver Affinitätsassay für einen niedermolekularen Analyten in homogener Phase durchführen. Hierzu werden beispielsweise zwei Reagenzien eingesetzt, zum einen ein unmarkierter Affinitätsrezeptor für den Analyten, in der Regel ein Antikörper, und zum anderen ein niedermolekularer markierter Konkurrenzligand, z.B. ein Konjugat des Analyten mit einem Fluoreszenzfarbstoff. Der Assay kann so durchgeführt werden, dass eine begrenzte und definierte Menge des Antikörpers zu- nächst mit dem Analyten und anschließend mit einem im Über- schuss zum Antikörper vorliegenden markierten niedermolekularen Konkurrenzliganden reagiert. Hierdurch wird ein von der Menge des Analyten abhängiger Teil der markierten niedermolekularen Substanz in den hochmolekularen Komplex überführt und lässt sich daher im Messraum konzentrieren. Falls die Konzentrationen des Analyten und des Konkurrenzliganden weit über den jeweiligen Dissoziationskonstanten liegt, entspricht die Menge des markierten nachweisbaren Komplexes der Differenz zwischen der Menge des Antikörpers und der Menge des Analyten. Die Genauigkeit dieses Assays lässt sich erhöhen, wenn auf einem Ar- ray Tests mit der Probenmatrix und dem Blindwert paarweise durchgeführt werden. Die Differenz der Signale ist in diesem Fall positiv mit der Konzentration des Analyten korreliert.The method according to the invention makes it possible to carry out a sensitive competitive affinity assay for a low-molecular-weight analyte in a homogeneous phase. Two reagents are used for this purpose, for example an unmarked affinity receptor for the analyte, as a rule an antibody, and secondly a low molecular weight labeled competitor ligand, for example a conjugate of the analyte with a fluorescent dye. The assay can be carried out in such a way that a limited and defined amount of the antibody is added. next with the analyte and then reacted with a present in excess of the antibody present marked low molecular weight competing ligands. As a result, a dependent on the amount of the analyte portion of the labeled low molecular weight substance is transferred into the high molecular weight complex and can therefore be concentrated in the measuring room. If the concentrations of the analyte and the competitor ligand are well above the respective dissociation constants, the amount of labeled detectable complex will be the difference between the amount of antibody and the amount of analyte. The accuracy of this assay can be increased if paired tests are performed on an array with the sample matrix and blank value. The difference of the signals in this case is positively correlated with the concentration of the analyte.
Im dargestellten homogenen System kann eine empfindliche ratiometrische Messung durchgeführt werden. Wenn sowohl der niedermolekulare Konkurrenzligand als auch der hochmolekulare Rezeptor markiert sind und die Marker getrennt voneinander quantifiziert werden können, beispielsweise an Hand unterschiedlicher Fluoreszenz-Spektren, kann der Anteil der einfach markierten Komplexe, die mit dem Analyten markiert werden, ohne Parallelansatz ermittelt werden.In the illustrated homogeneous system, a sensitive ratiometric measurement can be performed. If both the low molecular weight competitor ligand and the high molecular weight receptor are labeled and the markers can be quantified separately, for example using different fluorescence spectra, the proportion of singly labeled complexes that are labeled with the analyte can be determined without a parallel approach.
Wird die Erfindung zur Durchführung des homogenen Assays in der dargestellten Form eingesetzt, ist es wünschenswert, den niedermolekularen markierten Konkurrenzliganden vollständig auszuwaschen. Das Auswaschen der niedermolekularen Markerfraktion aus der Messkammer kann durch Ansaugen einer zusätzlichen unmarkierten wässrigen Lösung durch die Ultrafiltermembran und/oder durch Ersatz der osmotisch wirksamen Polymerlösung im Ansaugraum durchgeführt werden. Das Ansaugen einer zusätzlichen unmarkierten wässrigen Lösung ermöglicht auch die vollständige Überführung der markierten Makromoleküle in die Mess- kammer. Es wird erleichtert, wenn zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum ein hydrophiles Filter mit einer Porenweite von ca. 2 μm oder ein Festbett aus feinen hydrophilen Partikeln liegt, welches für wässrige Lösungen von Kolloiden durchlässig ist und das Eindringen von Luft in den Messraum verhindert.When the invention is used to carry out the homogeneous assay in the illustrated form, it is desirable to completely wash out the low molecular weight labeled competitor ligand. The washing out of the low molecular weight marker fraction from the measuring chamber can be carried out by aspirating an additional unlabelled aqueous solution through the ultrafilter membrane and / or by replacing the osmotically effective polymer solution in the suction chamber. The aspiration of an additional unlabelled aqueous solution also allows complete transfer of the labeled macromolecules into the measuring chamber. It is relieved when between the filling room and The measuring space is a hydrophilic filter with a pore size of about 2 microns or a fixed bed of fine hydrophilic particles, which is permeable to aqueous solutions of colloids and prevents the ingress of air into the measuring space.
Die Erfindung ermöglicht auch miniaturisierte enzymgekoppelte Immunoassays („enzyme linked immunoassays"; ELISA) . Es wird beispielsweise ein Antikörper verwendet, der an ein Enzym, z.B. eine Peroxidase, kovalent gekoppelt ist. Der Teil des im Überschuss zugesetzten Antikörpers, der den Analyten komple- xiert, kann nicht an das ebenfalls im Überschuss vorliegende, nachträglich zugegebene partikuläre Affinitätssorbens binden. Die Lösung des hochmolekularen Osmotikums, die in den Ansaugraum eingeführt wird, enthält in diesem Fall ein niedermolekulares ungefärbtes Enzymsubstrat, dass die Ultrafiltermembran durchquert. Der enzymatisch aktive Komplex, der sich durch Ultrafiltration im Messraum akkumuliert, katalysiert die Reaktion des Substrates zu einem kolloidalen fluoreszierenden oder gefärbten Stoff. Letzterer konzentriert sich in der Messkammer, so dass unter Ausnutzung der Enzymreaktion in kurzer Zeit ein hochverstärktes und positiv mit der Analytkonzentration korreliertes Signal auf kleiner Fläche erzeugt wird.The invention also enables miniaturized enzyme-linked immunoassays (ELISA), for example an antibody which is covalently coupled to an enzyme, eg a peroxidase, which is the part of the excess added antibody which complements the analyte. The solution of the high molecular weight osmoticum introduced into the suction space in this case contains a low molecular weight unstained enzyme substrate that crosses the ultrafilter membrane accumulated by ultrafiltration in the measurement space, catalyzes the reaction of the substrate to a colloidal fluorescent or colored substance, which concentrates in the measuring chamber so that, taking advantage of the enzyme reaction in a short time a highly amplified and positively correlated with the analyte concentration rtes signal is generated in a small area.
In ähnlicher Weise kann die Erfindung genutzt werden, um einen empfindlichen Assay auf der Grundlage eines kolloidalen Sil¬ berniederschlages oder eines anderen kolloidalen Niederschlages durchzuführen. Werden z.B. Gold-Nanopartikel zur Markierung eines Immunreagenz verwendet und erfindungsgemäß im Messraum konzentriert, kommt es in Abhängigkeit von der Menge der Goldpartikeln zu einer Fällung von metallischem kolloidalen Silber, wenn die Lösung des Osmotikums ein geeignetes Reduktionsmittel und Silberionen enthält.Similarly, the invention can be used to perform a colloidal Sil ¬ Bernie derschlages or other colloidal precipitate a sensitive assay based. If, for example, gold nanoparticles are used to label an immunoreagent and are concentrated in the measurement space according to the invention, a precipitation of metallic colloidal silver occurs, depending on the amount of gold particles, if the solution of the osmoticum contains a suitable reducing agent and silver ions.
Das erfindungsgemäße fluidische Mikrosystem, welches für die Durchführung der oben beschriebenen Assays, insbesondere Affi- nitätsassays, geeignet, aber nicht darauf beschränkt ist, um- fasst mindestens einen Ansaugraum (1) und mindestens einen vom Ansaugraum durch eine Ultrafiltermembran (5) getrennten Messraum (4), wobei jeder Messraum über eine Fließstrecke (3), deren Volumen nur einen kleinen Teil des Volumens des Einfüllraumes ausmacht, mit einem Einfüllraum (2) verbunden ist und das Volumen des Einfüllraumes das Volumen der Messraumes um ein Vielfaches übersteigt. Das Volumen eines miniaturisierten Messraums ist typischerweise nicht großer als etwa 0,2 μl und seine Oberfläche nicht größer als etwa 5 mm2.The fluidic microsystem according to the invention, which is suitable for carrying out the above-described assays, in particular Assuming that it is suitable, but not limited to, at least one measuring chamber (1) and at least one measuring chamber (4) separated from the suction chamber by an ultrafilter membrane (5), each measuring chamber having a flow path (3) whose volume is only one makes up a small part of the volume of the filling space, is connected to a filling space (2) and the volume of the filling space exceeds the volume of the measuring space by a multiple. The volume of a miniaturized measurement space is typically no greater than about 0.2 μl and its surface no greater than about 5 mm 2 .
Eine Variante des erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems ist in Fig. 1 dargestellt. Es stellt ein Array aus zahlreichen miniaturisierten Einfüllräumen (2) und Messräumen (4) in einem transparenten Feststoff dar. Beide Räume sind durch eine kapillare Fließstrecke (3) hydraulisch miteinander verbunden. Jeder Messraum wird durch eine Ultrafiltermembran von einem Ansaugraum getrennt. Jeder Messraum ist als Lumen des den Ansaugraum durchziehenden Segmentes einer Kapillarmembran mit Ultrafiltereigenschaften, z.B. einer Mikrodialysefaser, gestaltet. Dies hat den Vorteil, dass sich die markierten löslichen Makromoleküle in einem sehr kleinen Raum konzentrieren. Sie sind in diesem Raum auf Grund ihrer Fluoreszenz, Lumineszenz oder Reaktivität empfindlich nachweisbar. Wird durch ein enzymatisch markiertes Immunreagenz in der Messkammer ein Farbstoff akkumuliert, kann dieser auf Grund des relativ langen Lichtweges durch die Messkammer z.B. in einem einfachen Lichtmikroskop ein deutliches Signal erzeugen. Eine für diesen Zweck geeignete Dialysefaser aus regenerierter Zellulose mit einem Innendurchmesser von etwa 0,2 mm besitzt eine transparente, für Antikörper völlig undurchlässige Membran. Ihr geringer Querschnitt ermöglicht die mikroskopische Bildauswertung. Bei einer Länge des Messraumes von 5 mm wird eine hohe Farbtiefe oder ein starkes Fluoreszenzsignal bei starker Verdünnung möglich. Eine besonders hohe Empfindlichkeit im Fluo- reszenz-Affinitätsassay wird erreicht, wenn das Anregungslicht das Hohlfaserlumen quer durchstrahlt und die Fluoreszenz über dem Querschnitt der Hohlfaser detektiert wird. Wird die Anregung mit Laserlicht durchgeführt, lässt sich bei der dargestellten Anordnung leicht in zahlreichen Messräumen der gleiche Quantenfluss erreichen, so dass eine gleichzeitige Detek- tion in zahlreichen Messräumen möglich ist. Soll ein Affini- tätsassay in inhomogener Phase durchgeführt werden, kann zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum ein Partikelfilter vorgesehen werden, mit dessen Hilfe das Affinitätssorbens auch bei geringer Partikelgröße an der Strömung in den Messraum gehindert wird.A variant of the fluidic microsystem according to the invention is shown in FIG. It represents an array of numerous miniaturized filling chambers (2) and measuring chambers (4) in a transparent solid. Both chambers are hydraulically connected by a capillary flow path (3). Each measuring chamber is separated from a suction chamber by an ultrafilter membrane. Each measuring chamber is designed as a lumen of the suction space passing through the segment of a capillary membrane with ultrafilter properties, such as a microdialysis fiber. This has the advantage that the labeled soluble macromolecules concentrate in a very small space. They are sensitive in this room due to their fluorescence, luminescence or reactivity detectable. If a dye is accumulated in the measuring chamber by an enzymatically labeled immunoreagent, it can generate a clear signal due to the relatively long light path through the measuring chamber, for example in a simple light microscope. A regenerated cellulose dialysis fiber having an inner diameter of about 0.2 mm, suitable for this purpose, has a transparent, completely impermeable membrane for antibody. Their small cross-section allows microscopic image analysis. With a length of the measuring space of 5 mm, a high color depth or a strong fluorescence signal at high dilution is possible. A particularly high sensitivity in the The fluorescence affinity assay is achieved when the excitation light cross-transverses the hollow fiber lumen and the fluorescence is detected across the cross-section of the hollow fiber. If the excitation is carried out with laser light, the same quantum flow can easily be achieved in numerous measuring chambers in the illustrated arrangement, so that a simultaneous detection in numerous measuring chambers is possible. If an affinity assay is to be carried out in an inhomogeneous phase, a particle filter can be provided between the filling space and the measuring space, with the aid of which the affinity sorbent is prevented from flowing into the measuring space even if the particle size is small.
Die in Figur 1 dargestellte Gestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht die einzig mögliche. Für bestimmte Anwendungen oder für die kostengünstige Herstellung des Arrays kann es günstig sein, wenn die Hohlfasersegmente parallel zur Array-Ebene angeordnet werden oder wenn anstelle von Kapillarmembranen planare Ultrafiltermembranen eingesetzt werden. Beispielsweise besteht das Array aus zwei Körpern, zwischen denen eine Ultrafiltermembran eingeklebt ist. Ansaugraum, Einfüllräume, Fließstrecken und Messräume stellen in diesem Fall Kanäle oder Vertiefungen in diesen Körpern dar.The illustrated in Figure 1 design of the device according to the invention is not the only possible. For certain applications or for the cost-effective production of the array, it may be favorable if the hollow fiber segments are arranged parallel to the array plane or if instead of capillary membranes planar ultrafilter membranes are used. For example, the array consists of two bodies, between which an ultrafilter membrane is glued. Intake space, filling spaces, flow paths and measuring chambers in this case represent channels or depressions in these bodies.
Figur 2 zeigt den Array im Querschnitt durch eine Einheit aus Einfüllräumen (2) und Messräumen (4) . Jeder Messraum wird durch einen engen senkrecht stehenden Kanal gestaltet. Der Ansaugraum (1) stellt einen weiten, senkrecht zum Querschnitt verlaufenden Strömungskanal in dem gegenüberliegenden Körper dar. Er wird vom Messraum durch die Ultrafiltermembran (5) getrennt.FIG. 2 shows the array in cross section through a unit of filling spaces (2) and measuring spaces (4). Each measuring room is designed by a narrow vertical channel. The suction chamber (1) represents a wide, perpendicular to the cross-section flow channel in the opposite body. It is separated from the measuring space by the ultrafilter membrane (5).
Für die Erfassung von Liganden an Hand ihrer Radioaktivität mit Hilfe eines Röntgenfilms ist es günstig, wenn eine sehr flache Messkammer verwendet wird, die an einer Seite durch die Ultrafiltermembran von der Ansaugkammer und an der anderen Seite über eine dünne flüssigkeitsundurchlässige Membran begrenzt wird, die dem Röntgenfilm anliegt.For the detection of ligands on the basis of their radioactivity with the help of an X-ray film, it is advantageous if a very flat measuring chamber is used, which on one side through the Ultrafilter membrane from the suction chamber and on the other side is bounded by a thin liquid-impermeable membrane, which abuts the X-ray film.
Weitere Gestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Assays, insbesondere Affinitätsassays, und fluidischen Mikrosysteme sind je nach Art der verwendeten Reaktionspartner und/oder Affinitätspartner sowie der Art der verwendeten Nachweismethoden möglich und für den Fachmann durch Abwandlung der beschriebenen allgemeinen Gestaltungsprinzipien unschwer zu realisieren.Further design variants of the assays according to the invention, in particular affinity assays, and fluidic microsystems are possible depending on the type of reactants used and / or affinity partners as well as the type of detection methods used and easily realized for the skilled person by modification of the general design principles described.
BEISPIELEXAMPLE
Ein fluoreszenzmarkiertes Protein wurde im Beobachtungsfeld eines Fluoreszenzmikroskops in einem erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystem konzentriert und die Zunahme der Fluoreszenzintensität mit einem Fluoreszenzmikroskop beobachtet.A fluorescently labeled protein was concentrated in the observation field of a fluorescence microscope in a fluidic microsystem according to the invention and the increase in fluorescence intensity was observed with a fluorescence microscope.
Das Mikrosystem umfasste zwei Mikrokammern, die durch Mikrodi- alysefasern aus regenerierter Cellulose (Durchmesser 240 μm) verbunden waren. Dabei befand sich ein offenes Ende der Dialysefaser-Kapillarmembran in der ersten Kammer, die dem Einfüllraum entsprach, während die zweite Kammer, entsprechend dem Ansaugraum, von einem Hohlfasersegment (dem Messraum) durchzogen war, dessen zweites offenes Ende außerhalb der Kammer mit der Atmosphäre kommunizierte. Somit bildete die Wandung der Dialysehohlfaser die Ultrafiltermembran, während ihr Hohlraum die Fließstrecke und den Messraum bereitstellte. Nach Einfüllen von je 5 μl einer verdünnten gepufferten Polymerlösung (10 mM Natriumphosphat, pH 7, mit 0.1 % Natriumdextransulfat) in die Einfüllkammer und die Ansaugkammer füllte sich das Lumen der Kapillarmembran (100 nl) adhäsiv. In die Einfüllkammer wurde fluoreszein-markiertes Immunglobulin in hoher Verdünnung gegeben, so dass die Fluoreszenzintensität an der Nachweisgrenze lag. Anschließend wurde die verdünnte gepufferte Polymerlösung in der Ansaugkammer durch eine konzentrierte Lösung von Natriumdextransulfat (20 %) mit einem osmotischen Druck von etwa 30 bar ersetzt. Hierdurch gelang es, in etwa 30 Minuten den größten Teil der Flüssigkeit aus der Einfüllkammer in die Ansaugkammer zu saugen und das fluoreszenzmarkierte Immunglobulin im Lumen des Hohlfasersegments zu konzentrieren. Die Fluoreszenzintensität war nun deutlich im Fluoreszenzmikroskop zu erkennen. Da sich gleichzeitig Natriumdextransulfat im Hohlfasersegment konzentrierte, wurde der Fluss selbsttätig beendet, es kam nicht zum Austrocknen des Hohlfaserlumens. The microsystem comprised two microcompartments connected by microdialysis fibers of regenerated cellulose (240 μm diameter). There was an open end of the dialysis fiber capillary membrane in the first chamber, which corresponded to the Einfüllraum, while the second chamber, corresponding to the suction, was traversed by a hollow fiber segment (the measuring chamber), the second open end outside of the chamber with the atmosphere communicated , Thus, the wall of the dialysis fiber formed the ultrafilter membrane, while its cavity provided the flow path and measuring space. After filling each 5 .mu.l of a dilute buffered polymer solution (10 mM sodium phosphate, pH 7, with 0.1% Natriumdextransulfat) into the filling chamber and the suction chamber, the lumen of the capillary membrane (100 nl) filled adhesive. Fluorescein-labeled immunoglobulin was added in high dilution to the loading chamber so that the fluorescence intensity was at the detection limit. Subsequently, the diluted buffered polymer solution in the suction chamber was concentrated by a solution sodium dextran sulfate (20%) with an osmotic pressure of about 30 bar. This made it possible to suck most of the liquid from the filling chamber into the suction chamber in about 30 minutes and to concentrate the fluorescence-labeled immunoglobulin in the lumen of the hollow fiber segment. The fluorescence intensity was now clearly visible in the fluorescence microscope. Since sodium dextran sulfate concentrated in the hollow fiber segment at the same time, the flow was stopped automatically and the hollow fiber lumen did not dry out.

Claims

Patentansprüche claims
1. Assay, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung eines hochmolekularen Osmotikums in mindestens einen an eine Ultrafiltermembran (5) grenzenden Raum, den Ansaugraum (1) , eingeführt wird oder diesen durchströmt und hierdurch eine Flüssigphase, die mindestens eine hochmolekulare nachzuweisende Substanz enthält, aus einem Einfüllraum (2) über eine Fließstrecke (3) zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum, deren Volumen nur einen kleinen Teil des Volumens des Einfüllraumes ausmacht, in einen durch die Ultrafiltermembran vom Ansaugraum getrennten Messraum (4) bewegt wird, wobei sich die hochmolekulare nachzuweisende Substanz im Messraum konzentriert und dort nachgewiesen wird, während niedermolekulare Bestandteile durch die Membranporen in den Ansaugraum strömen.1. assay, characterized in that the solution of a high molecular weight osmoticum in at least one of an ultrafilter membrane (5) adjacent space, the suction chamber (1), is introduced or flows through it and thereby a liquid phase containing at least one high molecular weight to be detected, from a filling space (2) is moved over a flow path (3) between the filling space and the measuring space, the volume of which makes up only a small part of the volume of the filling space, into a measuring space (4) separated from the suction space by the ultrafilter membrane, wherein the high molecular weight to be detected Concentrated substance in the measuring chamber and is detected there, while low molecular weight components flow through the membrane pores in the suction chamber.
2. Assay nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hochmolekulare Osmotikum aus der Gruppe aus Polyvinylalko- hol, Polyethylenoxid, Polystyrolsulfonat, PoIy (diallyl- dimethylammoniumchlorid) , Dextransulfat, z.B. Natrium- dextransulfat, oder Polyacrylat, z.B. Natriumpolyacrylat, ausgewählt ist.2. An assay according to claim 1, characterized in that the high-molecular osmotic agent is selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polystyrene sulfonate, poly (diallyl dimethyl ammonium chloride), dextran sulfate, e.g. Sodium dextran sulfate, or polyacrylate, e.g. Sodium polyacrylate, is selected.
3. Assay nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweis der hochmolekularen Substanz im Messraum durch eine direkte optische Wechselwirkung, Nachweis ihrer Radioaktivität, magnetischen oder elektrischen Eigenschaften o- der eine durch einen Marker enzymatisch oder auf andere Weise katalysierte chemische Reaktion geschieht.3. An assay according to claim 1 or 2, characterized in that the detection of the high molecular weight substance in the measuring space by a direct optical interaction, detection of their radioactivity, magnetic or electrical properties o- done by a marker enzymatically or otherwise catalyzed chemical reaction ,
4. Assay nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Affinitätsassay handelt und die Flüssigphase, die auf Grund einer Reaktion des Analyten mit Affinitätsrezeptoren markierte Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte in analytabhängiger Konzentration enthält, aus einem Einfüllraum (2) über eine Fließstrecke (3) zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum, deren Volumen nur einen kleinen Teil des Volumens des Einfüllraumes ausmacht, in einen durch die Ultrafiltermembran vom Ansaugraum getrennten Messraum (4) bewegt wird, wobei sich hochmolekulare markierte Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte im Messraum konzentrieren und dort nachgewiesen werden, während die niedermolekularen Bestandteile durch die Membranporen in den Ansaugraum strömen.4. An assay according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is an affinity assay and the liquid phase, the reaction partners marked on the basis of a reaction of the analyte with affinity receptors or Contains reaction products in an analyte-dependent concentration, from a filling space (2) over a flow path (3) between the filling and the measuring space whose volume makes up only a small part of the volume of the Einfüllraumes, in a separated by the ultrafilter membrane from the suction chamber measuring space (4) moves is, with high molecular weight labeled reactants or reaction products are concentrated in the measuring chamber and detected there, while the low molecular weight components flow through the membrane pores in the suction chamber.
5. Äffinitätsassay nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Affinitätsrezeptoren Antikörper, Antigene, Lektine oder Aptamere umfassen.5. Affinity assay according to claim 4, characterized in that the affinity receptors comprise antibodies, antigens, lectins or aptamers.
6. Affinitätsassay nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase hochmolekulare unmarkierte Affinitätsrezeptoren für den Analyten und mit diesem konkurrierende niedermolekulare markierte Analoga enthält, von denen ein Teil, dessen Größe von der Konzentration des Analyten abhängt, an die Rezeptoren gebunden ist und im Messraum konzentriert wird.6. Affinity assay according to claim 4 or 5, characterized in that the liquid phase contains high molecular weight unlabeled affinity receptors for the analyte and with this competing low molecular weight labeled analogues, of which a part whose size depends on the concentration of the analyte is bound to the receptors and is concentrated in the measuring room.
7. Affinitätsassay nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfüllraum nach der Reaktion immobile Reaktionspartner oder Analoga des Analyten enthält, in denen ein Teil der markierten Moleküle in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten gebunden ist, und diese markierten Komponenten an der Strömung in den Messraum gehindert sind.7. Affinity assay according to one of claims 4 to 6, characterized in that the filling space after the reaction contains immobile reaction partners or analogs of the analyte, in which a part of the labeled molecules is bound as a function of the concentration of the analyte, and these labeled components the flow into the measuring space are hindered.
8. Affinitätsassay nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Messraum konzentrierten Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte Fluorophore enthalten und die Fluoreszenzausbeute durch Elektrolyte, die gemeinsam mit den osmotisch bzw. hydraulisch wirkenden Polymeren in den Ansaugraum gegeben werden, verstärkt wird.8. affinity assay according to one of claims 4 to 7, characterized in that the concentrated in the measuring space reactants or reaction products contain fluorophores and the fluorescence yield by electrolytes, which together is added with the osmotically or hydraulically acting polymers in the suction, is reinforced.
9. Affinitätsassay nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Messraum konzentrierten Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte eine Enzymaktivität besitzen, und enzymatisch aus einem niedermolekularen Substrat, das aus dem Ansaugraum in den Messraum diffundiert, ein analytisch gut nachweisbares kolloidales Produkt, z.B. ein Farbstoff, gebildet wird.9. affinity assay according to one of claims 4 to 7, characterized in that the concentrated in the measuring space reactants or reaction products have an enzyme activity, and enzymatically from a low molecular weight substrate which diffuses from the suction into the measuring space, an analytically well detectable colloidal product, e.g. a dye is formed.
10. Äffinitätsassay nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Messraum konzentrierten Reaktionspartner oder Reaktionsprodukte Gold-Nanopartikeln oder andere Katalysatoren für eine Fällungsreaktion enthalten und die Lösung des hochmolekularen Osmotikums in der Ansaugkammer Silberionen und ein Reduktionsmittel oder andere Reaktionspartner für eine durch die Katalysatoren induzierte Fällungsreaktion enthalten.10. affinity assay according to one of claims 4 to 7, characterized in that the concentrated in the measuring space reactants or reaction products contain gold nanoparticles or other catalysts for a precipitation reaction and the solution of high molecular weight osmoticum in the suction chamber silver ions and a reducing agent or other reactants for a Contain by the catalysts induced precipitation reaction.
11. Fluidisches Mikrosystem, insbesondere für die Durchführung von Äffinitatsassays, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen Ansaugraum (1) und mindestens einen vom Ansaugraum durch eine Ultrafiltermembran (5) getrennten Messraum (4) enthält, wobei jeder Messraum über eine Fließstrecke (3) , deren Volumen nur einen kleinen Teil des Volumens des Einfüllraumes ausmacht, mit einem Einfüllraum verbunden ist und das Volumen des Einfüllraumes das Volumen der Messraumes um ein Vielfaches übersteigt.11. A fluidic microsystem, in particular for carrying out affinity assays, characterized in that it contains at least one suction space (1) and at least one measuring space (4) separated from the suction space by an ultrafilter membrane (5), each measuring space being distributed over a flow path (3). whose volume makes up only a small part of the volume of the filling space, is connected to a filling space and the volume of the filling space exceeds the volume of the measuring space by a multiple.
12. Fluidisches Mikrosystem nach Anspruch 11, mit einer zwischen zwei Körpern liegenden planaren Ultrafiltermembran, wobei jeder Messraum durch einen Kanal in der an die Ultrafiltermembran grenzenden planen Oberfläche des einen Kör- pers gebildet wird und der Ansaugraum in einer Vertiefung in der planen Oberfläche des anderen Körpers besteht.12. The fluidic microsystem according to claim 11, having a planar ultrafilter membrane lying between two bodies, each measuring chamber being connected through a channel in the planar surface of the one body adjacent to the ultrafilter membrane. pers is formed and the suction chamber consists in a recess in the planar surface of the other body.
13. Fluidisches Mikrosystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum einem Röntgenfilm anliegt.13. A fluidic microsystem according to claim 11 or 12, characterized in that the measuring space is applied to an X-ray film.
14. Fluidisches Mikrosystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultrafiltermembran eine Kapillarmembran ist und ein Segment dieser Kapillarmembran jeden Ansaugraum durchzieht und hier einen Messraum vom Ansaugraum trennt.14. A fluidic microsystem according to claim 11, characterized in that the ultrafilter membrane is a Kapillarmembran and a segment of this Kapillarmembran pervades each suction and here separates a measuring chamber from the suction.
15. Fluidisches Mikrosystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einfüllraum und dem Messraum ein hydrophiles, für Luft im wassergesättigten Zustand schwer durchlässiges Filter für feine Partikeln vorgesehen ist.15. A fluidic microsystem according to any one of claims 11 to 14, characterized in that between the filling space and the measuring space a hydrophilic, for air in the water-saturated state is difficult to pass filter for fine particles is provided.
16. Fluidisches Mikrosystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Messräume umfasst. 16. A fluidic microsystem according to any one of claims 11 to 15, characterized in that it comprises a plurality of measuring chambers.
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