FI104586B - Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime - Google Patents

Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime Download PDF

Info

Publication number
FI104586B
FI104586B FI964826A FI964826A FI104586B FI 104586 B FI104586 B FI 104586B FI 964826 A FI964826 A FI 964826A FI 964826 A FI964826 A FI 964826A FI 104586 B FI104586 B FI 104586B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
reaction
microparticles
reagent
excitation
microparticle
Prior art date
Application number
FI964826A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI964826A (en
FI964826A0 (en
Inventor
Erkki Juhani Soini
Pekka Haenninen
Juhani Soini
Original Assignee
Erkki Juhani Soini
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erkki Juhani Soini filed Critical Erkki Juhani Soini
Publication of FI964826A0 publication Critical patent/FI964826A0/en
Priority to FI964826A priority Critical patent/FI104586B/en
Priority to EP97913204A priority patent/EP0968425B1/en
Priority to DE69723111T priority patent/DE69723111T2/en
Priority to AU50541/98A priority patent/AU5054198A/en
Priority to US09/297,578 priority patent/US6361956B1/en
Priority to PCT/FI1997/000704 priority patent/WO1998025143A1/en
Priority to JP52523798A priority patent/JP3761898B2/en
Publication of FI964826A publication Critical patent/FI964826A/en
Priority to US09/352,372 priority patent/US6310354B1/en
Application granted granted Critical
Publication of FI104586B publication Critical patent/FI104586B/en

Links

Description

104586104586

MENETELMÄ BIOAFFINITEETTIREAKTION REAALIAIKAISTA SEURAAMISTA VARTEN - FÖRFARANDE FÖR REALTIDSUPPFÖLJNING AV EN BIO-AFFINITETSREAKTIONMETHOD FOR REAL-MONITORING BIOAFFINITY REACTION - FÖRFARANDE FÖR REALTIDSUPPFÖLJNING AV EN BIO-AFFINITETSREAKTION

Immunomääritys on vakiintunut biospesifinen määritysmenetelmä ja sen eri sovellutuksia käytetään laajalti rutiini-diagnostiikassa ja tutkimuslaboratorioissa. Toinen bio-spesifisten määritysten ryhmä, joskin vielä kehityksen 5 alaisena oleva, on DNA- ja RNA-hybridisaatiomääritys. Biospesifisissä määrityksissä käytetään yleensä kahta biospesifistä reagenssia, primäärireagenssia ja sekundääri-reagertssia (esim. vasta-ainetta, DNA- tai RNA-koetinta), jotka kumpikin sitoutuvat analyyttimolekyylin spesifisiin 10 determinantteihin muodostaen kolmen molekyylin kompleksin (kerrosrakenteen) ja normaalisti toinen näistä reagensseis-ta on leimattu. Nykyisin käytettyjä leimoja ovat radio-isotoopit, entsyymit, luminoivat leimat ja fluoresoivat leimat. Yleisin näytemateriaali, josta määritykset tehdään, 15 on veren seerumi.Immunoassay is an established biospecific assay and its various applications are widely used in routine diagnostics and research laboratories. Another group of biospecific assays, although still under development, is the DNA and RNA hybridization assay. Biospecific assays generally use two biospecific reagents, a primary reagent and a secondary reagent (e.g., antibody, DNA or RNA probe), each of which binds to the specific determinants of the analyte molecule, forming the three molecule complex (layer structure) and normally stamped. The labels used today are radioisotopes, enzymes, luminescent labels and fluorescent labels. The most common sample material to be analyzed is blood serum.

Tämän keksinnön mukainen menetelmä koskee sellaisia fluoro-metrisiä biospesifisiä määrityksiä, joissa yksi biospesifinen reagenssi on kiinnitetty kiinteänä reaktioalustana toimiviin mikropartikkeleihin. Reaktioalustaa ja siihen 20 sitoutuneita komponentteja nimitetään jäljempänä kiinteäksi « faasiksi. Toinen biospesifinen reagenssi on leimattu fluoresoivalla leimalla ja tätä reagenssia nimitetään jäljempänä yksinkertaisesti myös leimaksi. Määritykset voidaan jakaa toimintaperiaatteeltaan kahteen eri pääryhmään: 1) 25 määritykset, joissa on ylimäärä kiinteään faasiin sidottua . reagenssia ja jota immunologiassa nimitetään immunometri- * seksi määritykseksi ja 2) määritykset, joissa on alimäärä kiinteään faasiin sidottua reagenssia ja jota nimitetään myös kilpailevaksi määritykseksi.The method of the present invention relates to those fluorometric biospecific assays in which one biospecific reagent is attached to microparticles as a solid reaction medium. The reaction medium and the components bound thereto are hereinafter referred to as the solid phase. The second biospecific reagent is labeled with a fluorescent label and this reagent is simply referred to hereinafter as the label. Assays can be divided into two main groups of operation: 1) 25 assays with excess solid phase bound. and (2) assays that contain a low amount of solid-phase bound reagent, also called a competitive assay.

30 Ensimmäinen ryhmä soveltuu analyyttimolekyyleille Ag, joilla on vähintäin kaksi spesifistä determinanttia. Tässä määrityksessä käytetään analyyttiin Ag nähden ylimäärä 104586 .The first group is applicable to analyte molecules Ag, which have at least two specific determinants. This assay uses an excess of 104586 relative to Ag.

2 kiinteään faasiin sidottua biospesifistä reagenssia Ab.2 solid phase bound biospecific reagents Ab.

Reaktion toisena reagenssina on leimattu reagenssi Ab*.The second reagent for the reaction is the labeled reagent Ab *.

Kiinteään faasiin sitoutuu komplekseja AbAgAb*. Määrityksen signaalivaste on lineaarinen. Myös DNA- ja RNA-määritykset r 5 suoritetaan tämän saman periaatteen mukaisesti.AbAgAb * complexes bind to the solid phase. The signal response of the assay is linear. DNA and RNA assays r5 are also performed according to the same principle.

Toinen ryhmä soveltuu pienille analyyttimolekyyleille Ag.Another group is suitable for small analyte molecules Ag.

Tässä määrityksessä käytetään analyyttiin nähden alimäärä kiinteään faasiin A sidottua biospesifistä reagenssia Ab.An aliquot of solid phase A bound biospecific reagent Ab is used in this assay.

Reaktion toisena reagenssina on leimattu reagenssi Ag*, eli 10 reagenssinä käytetään leimattua analyyttimolekyyliä. Komponentit Ag ja Ag* sitoutuvat kiinteässä faasissa olevaan reagenssiin Ab niiden pitoisuuksien suhteessa ja reaktiota nimitetään kilpailevaksi sidonnaksi. Määrityksen signaali-vaste on epälineaarinen.The second reagent in the reaction is the labeled reagent Ag *, i.e. the labeled analyte molecule is used as the 10 reagent. The Ag and Ag * components bind to the solid phase reagent Ab in proportion to their concentrations and the reaction is termed the competing binding. The signal response of the assay is non-linear.

1515

Edellä esitettyjen kahden pääryhmän lisäksi tämän keksinnön mukainen menetelmä soveltuu erilaisten biomolekyylien Ab ja Ab* välisen reaktiokinetiikan tutkimiseen eli reaktiotuotteen muodostumisen seuraamiseen ajan funktiona. Tällöin 20 yksinkertaisesti seurataan leimatun molekyylin Ab* sitoutumista kiinteässä faasissa olevaan molekyyliin Ab. Edellä käytetyt symboolit Ab, Ag ja Ab* tarkoittavat yleisesti biospesifisiä molekyylejä, eivätkä ne rajoitu immunologisiin vasta-aineisiin ja antigeeneihin.In addition to the two main groups set forth above, the method of the present invention is applicable to studying the reaction kinetics of various biomolecules Ab and Ab *, i.e., monitoring the formation of the reaction product over time. In this case, the binding of the labeled molecule Ab * to the solid phase molecule Ab is simply monitored. Ab, Ag, and Ab * symbols used above generally refer to biospecific molecules and are not limited to immunological antibodies and antigens.

25 Tavanomaisten määritysmenetelmien ja tutkimusmenetelmien ongelmana on niiden monivaiheisuus. Esimerkiksi hormonin määritys verestä fluorometrisellä immunometrisellä määrityksellä edellyttää yleensä monta työvaihetta: solujen erottaminen seerumista, seerumi-näytteen annostelu ja * ·< 30 laimennus, inkubointi kiinteän faasin kanssa, vapaan fraktion erottaminen pesulla, inkubointi leimatun reagenssin kanssa, vapaan leiman erottaminen pesulla, mittausliuoksen lisääminen ja signaalin mittaaminen.25 The problem with conventional assays and assays is their complexity. For example, the measurement of a hormone in the blood by fluorometric immunometric assay usually requires many steps: cell separation from serum, serum sample dosing and * · <30 dilution, incubation with solid phase, free fraction washing, incubation with labeled reagent, additional wash separation, measurement measuring the signal.

Solujen erottaminen seerumista on välttämätöntä, koska 35 tavanomaisissa fluorometrisissä menetelmissä hemoglobiinin 3 104586 voimakas valon absorptio haittaa mittausta. Reagenssit on lisättävä kahdessa eri vaiheessa ja välillä on suorittava , vapaan fraktion erottaminen, koska muutoin määrityksen vaste eli tuotteen AbAgAb* pitoisuus kääntyisi laskusuun-5 taan, kun analyytin pitoisuus ylittää kiinteän faasin sitomiskyvyn. Tätä haitallista ilmiötä, joka on mahdollinen ainoastaan silloin, kun kaikki reaktiokomponentit lisätään samanaikaisesti, nimitetään kirjallisuudessa "hook-efektik-si". Vapaa leima on myös erotettava, koska muutoin sen 10 lähettämän signaalin takia sitoutuneen leiman lähettämää signaalia ei saataisi määritetyksi.Separation of the cells from the serum is necessary because in 35 conventional fluorometric methods the high light absorption of hemoglobin 3 104586 interferes with the measurement. Reagents must be added in two steps and occasionally separation of the free fraction must be performed, otherwise the assay response, i.e. the concentration of AbAgAb *, would be reversed when the analyte concentration exceeds the solid phase binding capacity. This adverse effect, which is only possible when all the reaction components are added at the same time, is referred to in the literature as "hook effect". The free label also has to be distinguished, because otherwise, due to the signal it sends, the signal transmitted by the bound label would not be determined.

Rutiinidiagnostiikassa on tarve yksinkertaisemmasta ja käyttökustannuksiltaan halvemmasta analytiikasta. Tämän keksinnön mukainen uusi fluoresoivilla leimoilla tehtävä 15 biospesifinen määritysmenetelmä on yksivaiheinen eikä välttämättä vaadi leiman erotusta ja soveltuu määrityksen tekemiseen kokoverestä tai muista biologisista suspensioista. Lisäksi tämä keksintö tekee mahdolliseksi bioaf-finiteettireaktion kinetiikan mittaamisen yksinkertaisesti 20 ja reaaliaikaisesti.In routine diagnostics, there is a need for simpler and less expensive analytics. The novel fluorescent labeled biospecific assay of the present invention is a single step procedure and does not necessarily require label separation and is suitable for assaying whole blood or other biological suspensions. Furthermore, the present invention makes it possible to measure the bioafinity reaction kinetics simply 20 and in real time.

Keksinnön tunnusmerkit ilmenevät patenttivaatimuksesta 1. Keksinnön mukaiselle menetelmälle ovat luonteenomaista Φ seuraavat vaiheet: - Valmistetaan etukäteen mikropartikkeleita, jotka pääl-25 lystetään kysymykseen tulevaa analyyttiä sitovalla biospesif isellä primäärireagenssilla.The process of the invention is characterized by the following steps: - Prepare microparticles which are coated with the biospecific primary reagent that binds the analyte of interest.

MM

• - Biospesifinen sekundäärireagenssi leimataan fluore soivalla molekyylillä F.• - The biospecific secondary reagent is labeled with the fluorescent molecule F.

- Mikropartikkelien joukkoon lisätään määritettävä näyte 30 ja biospesifinen sekundäärireagenssi, jonka jälkeen alkaa ,· bioaffiniteetin vaikutuksesta mikropartikkelien pinnalla oleviin reagenssimolekyyleihin sitoutua analyyttimolekyylin 4 104586 ja leimatun biospesifisen reagenssin muodostamia komplekseja.- Sample 30 and biospecific secondary reagent are added to the microparticles, followed by: · binding of the analyte molecule 4 104586 and labeled biospecific reagent to the reagent molecules on the surface of the microparticles by bioaffinity.

- Mikropartikkelisuspensioon kohdistetaan valonsäde, jonka kohdistustilavuus on diffraktion rajoittama, jonka vuoksi 5 tämä valonsäde voi kohdistua ainoastaan yhteen mikropartik-keliin kerrallaan. Suspension liikkeen vuoksi mikropartik-kelit ajautuvat kohdistustilavuuteen ja siitä ulos. Mikro-partikkelin pinnalla oleva väriaine F virittyy ja sen emission voimakkuus mitataan fotoni-ilmaisimella, jonka 10 antaman sähköisen signaalin voimakkuus ajan funktiona on verrannollinen reaktion etenemisnopeuteen ja ko. analyytin pitoisuuteen. Seuraamalla signaalin kasvua voidaan saada tietoa kineettisistä reaktioparametreistä ja analyytin pitoisuudesta ennenkuin reaktio on saavuttanut päätepisteen 15 eli tasapainon.- The microparticle suspension is subjected to a light beam having an application volume limited by diffraction, so that this light beam can only be applied to one microparticle at a time. Because of the movement of the suspension, the microparticles drift into and out of the application volume. The dye F on the surface of the microparticle is excited and its emission intensity is measured by a photon detector, the intensity of the electrical signal given by time being proportional to the rate of reaction progression and the current. analyte concentration. By monitoring signal growth, information on kinetic reaction parameters and analyte concentration can be obtained before the reaction reaches an end point of 15, i.e. equilibrium.

Tasakokoisten mikropartikkelien käyttö biospesifisen määrityksen kiinteänä faasina tekee mahdolliseksi bioaffiniteet-tireaktion lyhyessä ajassa. Koska mikropartikkelien pinnalla tapahtuvassa reaktiossa analyyttimolekyylien ja leimat-20 tujen reagenssien keskimääräinen etäisyys on hyvin pieni, voidaan reaktiotasapaino saavuttaa nopeasti ja sen seurauksena syntyy mikropartikkeleiden pinnalla olevien reagenssi- - en yhteyteen leimatusta reagenssistä ja analyytista muodos-The use of homogeneous microparticles as a solid phase for the biospecific assay enables a bioaffinity reaction in a short time. Because the average distance between the analyte molecules and the labeled reagents in the reaction on the microparticles is very small, the reaction equilibrium can be rapidly achieved and results in the formation of a reagent labeled with the reagents on the microparticles.

SS

tuvia komplekseja.close complexes.

25 On tunnettua, että sironnasta ja autofluoresenssista syntyvä taustasignaali voidaan poistaa käyttämällä kaksoisfo-toniviritystä (FI 90175, FI 951040 ja W0 9622531). Uutta : tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä on kuitenkin » » havainto, ettei edes kokoveren tunnetusti voimakas auto-30 fluoresenssi ja valonsironta häiritse mittausta, kun viri- » tyksessä käytetään kaksoisfotoniviritystä. Hemoglobiinin voimakas näkyvän valon absorptio ei myöskään haittaa, koska - lasersäteen aallonpituus on NIR alueella.It is known that the background signal from scattering and autofluorescence can be removed by using dual photon excitation (FI 90175, FI 951040 and WO 9622531). What's New: However, the method of the present invention has the observation that even the known auto-fluorescence and light scattering of whole blood does not interfere with measurement when twin-photon excitation is used. The high visible light absorption of hemoglobin is also not detrimental because - the wavelength of the laser beam is in the NIR range.

] 35 Tässä menetelmässä sitoutuneen ja vapaan leimatun reagens- m 104586 .] 3545 bound and free labeled reagent in this method.

5 sifraktion lähettämien signaalien erottaminen toisistaan perustuu siihen, että menetelmässä käytetty kaksoisfo-^ toniviritykseen perustuva fluoresenssin viritys ja ilmaisu pystyvät optisesti erottamaan lasersäteen kohdistuspistees-5 sä olevan mikropartikkelin lähettämän valoemission sen ympäristössä olevan vapaan leimatun reagenssin lähettämästä signaalista, eikä vapaana olevista leimoista synny merkittävää signaalia.The separation of the signals emitted by the 5 diffraction is based on the fact that the dual photon excitation fluorescence excitation and detection used in the method are capable of optically distinguishing the light emission emitted by the microparticle at the laser beam alignment point from the free signal emitted by its labeled reagent.

Uutta tämän keksinnön mukaisessä menetelmässä on myös se, 10 että fluoresenssin viritykseen käytettävä lasersäde kohdistetaan suoraan reaktiokyvetin läpinäkyvän seinämän läpi reaktiosuspensioon. Fluoresenssisignaali voidaan saada aina, kun mikropartikkeli ajautuu diffuusion tai nesteen liikkeen takia kohdistustilavuuteen ja siitä pois. Samalla 15 saadaan signaaleja, joiden amplitudi on suoraan verrannollinen kyseessä olevaan mikropartikkeliin sitoutuneiden leimattujen kompleksien määrään eli pystytään seuraamaan reaktion kineettistä edistymistä aina tasapainotilaan saakka. Signaali voimakkuus riippuu myös siitä, millä 20 tavalla satunnaisesti ajautuvat mikropartikkelit leikkaavat kohdistustilavuuden. Tästä huolimatta voidaan bioaffini-teettireaktion edistymistä seurata niiden lähettämän fluoresenssin intensiteetin perusteella riittävällä tarkkuudella, kun mikropartikkeleita havainnoidaan tilastollisesti ' 25 riittävän suuri määrä.Also novel in the process of the present invention is that the laser beam used for fluorescence excitation is applied directly through the transparent wall of the reaction cuvette to the reaction suspension. The fluorescence signal can be obtained whenever the microparticle enters and exits the targeting volume due to diffusion or fluid movement. At the same time, signals are obtained whose amplitude is directly proportional to the number of labeled complexes bound to the microparticle in question, i.e., it is possible to monitor the kinetic progress of the reaction up to equilibrium. The signal strength also depends on how the microparticles randomly drift cut the alignment volume. Nonetheless, the progress of the bioaffinity reaction can be tracked with sufficient accuracy based on the intensity of fluorescence they emit when statistically sufficient microparticles are observed.

Edellä esitettyjen kahden ominaisuuden vuoksi tämä menetelmä tekee mahdolliseksi nopean yksivaiheisen biospesifisen määrityksen esimerkiksi kokoverinäytteistä ilman erotusta ; ja ilman hook-efektistä aiheutuvan virheellisen analyysi- ’’ 30 tuloksen vaaraa, koska hook-efekti voidaan ennustaa kineet tisen signaalin nousunopeudesta.Due to the above two characteristics, this method allows rapid one-step biospecific determination, for example, of whole blood samples without separation; and without the risk of erroneous analysis results from the hook effect, since the hook effect can be predicted from the rate of rise of the kinetic signal.

Kaksoisfotoniviritys voi syntyä, kun voimakkaan viritysva-lon kohdennuksella saadaan fotonien tiheys tilavuusyksikköä ja aikayksikköä kohti niin suureksi, että kahden fotonin 35 energia absorboituu samaan kromoforiin. Tällöin myös absor- •« 104586 .Dual photon excitation can occur when a high excitation light target causes the density of photons per unit volume and time unit to be so high that the energy of two photons 35 is absorbed into the same chromophore. In this case also the absorber • «104586.

6 hoituva energia on kahden fotonin energian summa. Yksittäisen fotonin absorptio väriaineeseen on todennäköisyyslaskennan käsitteiden mukaisesti riippumaton tapahtuma ja useiden fotonien absorboituminen on joukko yksittäisiä, 5 riippumattomia tapahtumia. Yksittäisen fotonin absorboitumisen todennäköisyyttä voidaan kuvata lineaarisella funktiolla, niin kauan kuin viritettävät energiatilat eivät ole kyllästyneet. Kahden fotonin absorptio on epälineaarinen prosessi. Kaksoisfotonivirityksessä väriainemolekyylin 10 virittyminen tapahtuu ainoastaan, kun kumpikin fotoni absorboituu samanaikaisesti. Kahden fotonin absorption todennäköisyys on yksittäisten fotonien absorptiotoden-näköisyyksien tulo. Kahden fotonin aiheuttama emissio on siis neliöllinen prosessi.6 healing energy is the sum of the energy of two photons. The absorption of a single photon in a dye is, according to the concepts of probability calculation, an independent event, and the absorption of multiple photons is a series of single, independent events. The probability of absorption of a single photon can be described by a linear function as long as the excited energy states are not saturated. The absorption of two photons is a non-linear process. In double-photon excitation, excitation of the dye molecule 10 occurs only when both photons are simultaneously absorbed. The absorption probability of two photons is the product of the absorption probabilities of the individual photons. The emission of two photons is thus a quadratic process.

15 Mikropartikkelin virittämiseen tarkoitetun optisen järjestelmän ominaisuuksia voidaan kuvata järjestelmän vasteella pistemäiseen valolähteeseen. Pistemäinen valolähde muodostaa diffraktion vaikutuksesta optiselle järjestelmälle ominaisen intensiteettijakauman tarkennuspisteessä (piste-20 vaste). Normalisoituna tämä intensiteettijakauma on todennäköisyysjakauma sille, kuinka pistemäisestä valolähteestä lähteneet fotonit saapuvat tarkennusalueelle. Kaksoisfo-tonitekniikalla virityksen todennäköisyysjakauma on ensim-. .. mäisen fotonin ja toisen fotonin intensiteetti jakaumien 25 normalisoitu tulo. Näin saatu todennäköisyysjakauma on 3-ulotteisessa avaruudessa, eritoten syvyyssuunnassa, selvästi yksittäisen fotonin todennäköisyysjakaumaa rajau-tuneempi. Kaksoisfotonivirityksellä herätetään näin ollen ainoastaan se fluoresenssi, joka syntyy valonsäteen tarken-; 30 nuspisteen selvästi rajatussa 3-ulotteisessa lähiympäris- y tössä.15 The characteristics of an optical system for microparticle excitation can be described by the system's response to a point light source. The point light source produces the intensity distribution characteristic of the optical system at the focus point (point-20 response) due to diffraction. Normalized, this intensity distribution is the probability distribution of how photons emitted from a point light source arrive in the focus area. With dual photon technology, the tuning probability distribution is first. .. normalized product of intensity distributions of photonic and second photon. The probability distribution thus obtained in the 3-dimensional space, especially in the depth direction, is clearly more limited to the probability distribution of a single photon. Dual photon excitation thus only excites the fluorescence that is generated by the focus of the light beam; 30 points in a clearly delimited 3-D environment.

Kun väriaine viritetään kaksoisfotonivirityksellä, vähenee valon sironta kohdennuspisteen ympäristöstä ja optisista komponenteista huomattavasti verrattuna normaaliin virityk-35 seen. Edelleen kaksoisfotoniviritys vähentää tausta- fluoresenssin syntymistä näytteessä kohdennuspisteen uiko- 7 104586 puolella, näytteen ympäristössä ja optiikassa. Koska virittävä valonsäde on kohdennettava mahdollisimman pieneksi - pisteeksi, kaksoisfotoniviritys sopii parhaiten pienien näytetilavuuksien tai rakenteiden tarkasteluun, mistä on 5 kysymys myös tämän keksinnön mukaisessa menetelmässä.When the toner is excited by dual photon excitation, the light scattering around the target point and optical components is significantly reduced compared to normal excitation. Further, dual photon tuning reduces the occurrence of background fluorescence in the sample at the outer side of the targeting point, 104586, in the sample environment, and in optics. Because the excited beam of light must be focused to the lowest point possible, dual photon excitation is best suited for examination of small sample volumes or structures, which is also an issue in the method of the present invention.

Kaksoisfotonivirityksen etu on myös siinä, että esim. ultraviolettialueella tai sinisellä alueella tapahtuvaan viritykseen voidaan käyttää näkyvää tai lähi-infrapuna-alu-een (NIR) valoa. Samoin voidaan näkyvällä alueella tapahtu-10 va viritys tehdä NIR-alueella olevalla valonsäteellä. Koska valolähteen aallonpituus on huomattavasti pidempi kuin väriaineen emission aallonpituus, voidaan valolähteen aallonpituudella ja sen ympäristössä syntyvä sironta ja mahdollinen autofluoresenssi vaimentaa alipäästösuodattimia 15 käyttämällä tehokkaasti (vähintään 10 kertalukua) ja estää pääsemästä fluoresenssiemission ilmaisimelle. Punasolujen aiheuttama valon absorptio NIR-alueella on erittäin pieni eikä ja olemme myös havainneet, että esimerkiksi viritysva-lo 1064 nm allonpituudella ei herätä hematoprofyriinien 20 fluoresenssia ja tämän johdosta punasolujen aiheuttama taustafluoresenssi ei ole merkittävä, vaikka niitä on huomattava määrä mikropartikkelisuspension joukossa.Another advantage of dual photon tuning is that visible or near-infrared (NIR) light can be used, for example, in ultraviolet or blue region excitation. Likewise, excitation in the visible region can be performed by a beam of light in the NIR region. Because the light source wavelength is significantly longer than the dye emission wavelength, the scattering and possible autofluorescence of the light source at and around the wavelength can be effectively suppressed by using low pass filters 15 (at least 10 orders of magnitude) and prevented from reaching the fluorescence emission detector. The red light absorption by the red cells in the NIR region is very low and we have also found that, for example, the excitation light at 1064 nm does not excite the fluorescence of hematoprophyrins and consequently the red fluorescence background fluorescence is insignificant even though they are present.

•j Useimmiten kaksoisfotoniviritys vaatii korkeatehoisten ultralyhyitä pulsseja tuottavien laserlaitteiden käyttöä.• j In most cases, dual photon tuning requires the use of high-power ultra-short pulse laser devices.

25 Suorittamissamme kokeissa olemme havainneet, että kaksois-fotonivirityksellä ja lyhytikäisillä fluoresoivilla leimoilla voidaan saavuttaa erittäin hyvä signaali-tausta-suh-de ja herkkyys. Esimerkkeinä lyhytikäisistä kaksoisfo-_ ' toniviritykseen sopivista fluoresoivista väriaineista 30 voidaan mainita coumariinin ja rodamiinin johdannaiset.In our experiments, we have found that dual-photon excitation and short-lived fluorescent labels can achieve very good signal-to-background ratios and sensitivity. As examples of short-lived double fluorescent dyes suitable for double-tone excitation, coumarin and rhodamine derivatives may be mentioned.

Tämän keksinnön mukaan mikropartikkeleiden mittaus suoritetaan suoraan optisella ikkunalla varustetusta reaktiokyve-tistä, ja mittaus voi olla kineettinen eli mittauksen ; aikana seurataan kompleksien muodostumista mikropartikkelin 35 pinnalle. Tällöin mikropartikkelit ajautuvat lasersäteen 8 104586 kohdistuspisteeseen esim. diffuusioon perustuvan liikkeen takia. Mittauksen nopeuttamiseksi kyvetissä oleva suspensio voidaan panna myös muulla tavalla liikkeeseen tai kyvettiä voidaan liikuttaa tai pyörittää sopivalla nopeudella.According to the present invention, the measurement of the microparticles is performed directly from the reaction cell provided with an optical window, and the measurement can be kinetic, i.e. measurement; complex formation on the surface of the microparticle 35 is monitored. In this case, the microparticles drift to the target point of the laser beam 8 104586 due to e.g. diffusion-based motion. In order to speed up the measurement, the suspension in the cuvette may also be otherwise moved or the cuvette may be moved or rotated at a suitable speed.

5 Mikropartikkelit ajautuvat kohdistuspisteeseen satunnaisesti ja kohdistuspisteeseen ajautuvien mikropartikkelien määrä riippuu liikkeen nopeudesta ja mikropartikkelien pitoisuudesta. Riittävä lukumäärä mikropartikkeleita tunnistetaan ja analysoidaan tilastollisesti riittävän tarkan 10 tuloksen saamiseksi. Mittaustulokset suhteutetaan standar-dinäytteillä suoritettuihin mittauksiin, joiden perusteella lopputulokset lasketaan.5 The microparticles drift randomly to the targeting point and the number of microparticles drifting to the targeting point depends on the speed of movement and the concentration of microparticles. A sufficient number of microparticles are identified and analyzed to obtain statistically accurate 10 results. The results of the measurements shall be related to the measurements carried out on standard samples, on the basis of which the final results shall be calculated.

Tälle keksinnölle on myös luonteenomaista, että tässä esitetty mikrofotometrinen mittausjärjestelmä pystyy opti-15 sesti erottamaan mikropartikkeleiden pinnasta lähtevän valoemission mikropartikkelien ympäristössä olevasta liuoksesta lähtevästä valoemissiosta. Tämä erottelukyky perustuu siihen, että kun reaktioliuos on sopivasti laimennettu, sopii fotoni-ilmaisimen kohdennusalueeseen kerrallaan vain 20 yksi mikropartikkeli ja liuoksessa olevien vapaiden leimattujen reagenssien tai punasolujen aiheuttama taustasig-naali on vähäinen. Optisella erottelulla saavutetaan riittävä vapaan ja sidotun fraktion erottelukyky ilman kemial-lista tai fysikaalista erotusta, mutta mikäli on välttämä- -m 1 25 töntä, erottelua voidaan tehostaa millä tahansa tunnetulla erotusmenetelmällä kuten pesulla, suodatuksella tai sentri-fugoinnilla.It is also characteristic of the present invention that the microphotometric measuring system disclosed herein is capable of optically separating light emission from the surface of the microparticles from light emission from a solution surrounding the microparticles. This resolution is based on the fact that when the reaction solution is suitably diluted, only one microparticle fits into the target region of the photon detector at a time, and the background signal from free labeled reagents or red cells in solution is minimal. Optical separation provides sufficient separation of free and bound fraction without chemical or physical separation, but if necessary, separation can be effected by any known separation method, such as washing, filtration or centrifugation.

Tämän keksinnön mukainen menetelmä ja siihen tarvittava ' laitteisto voidaan toteuttaa käytännössä monella eri taval- ' v 30 la. Keksinnössä on kuitenkin oleellista havainto, että kohdistamalla lasersäde suoraan reaktiosuspensioon, voidaan v seurata reaktion edistymistä, ja että punasolut samoin kuin muutkaan solut eivät aiheuta mitattavaa taustasignaalia : riippumatta siitä ovatko nämä solut kohdistuspisteessä tai • 35 sen ulkopuolella. Fluoresenssi-ilmaisin voidaan aktivoida ainoastaan kaksoisfotoniviritykseen käytettävän laserpuls- 9 104586 sin ajaksi, jolloin virityspulssien väliaikoina tulevat fotoniemissiot eivät tule mitatuiksi. Samoin fotoni-ilmaisin voidaan aktivoida ainoastaan sillä hetkellä, kun mikro-partikkeli on kohdistustilavuudessa. Tieto mikropartikkelin 5 ajautumisesta kohdistustilavuuteen saadaan esimerkiksi lasersäteen aallonpituudella syntyvän sironnan perusteella, joka mitataan parhaiten konfokaalisella sirontailmaisimel-la. Veren solujen aiheuttama sirontasignaali on kertalukuja heikompi, koska niiden taitekerroin on huomattavasti mikro-10 partikkelien taitekerrointa pienempi. Solun aiheuttamaa sirontaa ja taustafluoresenssia voidaan edelleen vähentää puhkaisemalla solukalvot isotoonisella liuosmediumilla, jolloin soluneste ja hemoglogiini (hematoporfyriini) laimenevat mittaussuspensioon.The method of the present invention and the apparatus required thereto can be practically implemented in a variety of ways. However, it is essential in the invention to observe that by directing a laser beam directly on the reaction suspension, the progress of the reaction can be monitored, and that red cells, like other cells, do not produce a measurable background signal: whether these cells are at or outside the targeting point. The fluorescence detector can only be activated for the duration of the laser pulse used for dual photon excitation, whereby the photon emitted during the intervals of the excitation pulses will not be measured. Similarly, the photon detector can only be activated at the moment the microparticle is in the focus volume. Information on the drift of the microparticle 5 to the targeting volume is obtained, for example, from the scattering generated by the laser beam wavelength, which is best measured by a confocal scattering detector. The scattering signal produced by blood cells is an order of magnitude lower, since their refractive index is significantly lower than that of micro-10 particles. Cell-mediated scattering and background fluorescence can be further reduced by puncturing cell membranes with isotonic solution media, whereby the cellular fluid and hemoglogin (hematoporphyrin) are diluted in the assay suspension.

15 Tämän keksinnön mukainen kaksoisfotonivirityksen käyttöön perustuva menetelmä voidaan tehdä myös moniparametriseksi WO-patenttijulkaisun 9622531 esittämällä tavalla. Silloin käytetään mikropartikkeleita, jotka on jaettu useihin eri 20 luokkiin, jotka on päällystetty eri analyyttejä sitovilla primäärireagensseilla. Tällöin on mittauslaitteen valmistuskustannusten kannalta erityisen merkityksellistä se, että partikkelin tunnistamiseen käytettävä viritysvalo ja analyytin määrää osoittavan leiman F kaksoisfotoniviritys .. 25 voidaan suorittaa samalla lasersäteellä, jonka aallonpituus on punaisella tai NIR-alueella.The method of using dual photon tuning according to the present invention can also be made multiparametric as disclosed in WO 9622531. Microparticles are then used, which are divided into several different classes coated with primary reagents that bind different analytes. Herein, it is of particular importance to the manufacturing cost of the measuring device that the excitation light used to identify the particle and the double photon excitation of the analyte quantification stamp F .. can be performed with the same laser beam having a red or NIR wavelength.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset sovellutusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.It will be apparent to one skilled in the art that various embodiments of the invention may vary within the scope of the following claims.

. : 30 V 1 t. : 30V 1h

Claims (2)

10 10458610 104586 1. Menetelmä biomolekyylin ja sille spesifisen fluoresoivalla merkkiaineella leimatun reagenssimolekyylin välisen bioaffinitettireaktion kinetiikan reaaliaikaista seuraamista ja mittaamista varten biologisissa nesteissä 5 tai suspensioissa käyttäen mikropartikkeleita bioaf-finiteettireaktion kiinteänä faasina, jolloin NIR-aallonpituudella toimiva lasersäde kohdistetaan biologiseen nesteeseen tai suspensioon, johon on lisätty bios-pesifisellä reagenssilla päällystettyjä mikropartikkeleita, 10 ja mikropartikkeleihin sitoutuvien leimojen fluoresenssi herätetään kaksoisfotonivirityksen avulla, tunnettu siitä, että biologinen neste tai suspensio, johon lasersäde kohdistetaan, on reaktiosuspensio, jossa mikropartikkelit ajautuvat satunnaisesti lasersäteen kohdistustilavuuteen.1. A method for real-time monitoring and measuring the kinetics of a bioaffinity reaction between a biomolecule and its specific fluorescent labeled reagent molecule in biological fluids or suspensions using microparticles as a solid phase of a bioaf reagent-coated microparticles, and the fluorescence of microparticle-binding labels is induced by double photon excitation, characterized in that the biological fluid or suspension to which the laser beam is applied is a reaction suspension in which the microparticles are randomly drifted into the laser beam targeting volume. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että tieto mikropartikkelin ajautumisesta kohdistustilavuuteen saadaan kaksoisfotoniviritykseen käytetyn lasersäteen aallonpituudella syntyvän sironnan perusteella, joka mitataan konfokaalisella sirontailmaisimella. , « :: • I · i a M i 11 104586Method according to Claim 1, characterized in that the information about the drift of the microparticle to the target volume is obtained by scattering at the wavelength of the laser beam used for double photon excitation, which is measured by a confocal scattering detector. , «:: • I · i a M i 11 104586
FI964826A 1996-12-03 1996-12-03 Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime FI104586B (en)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI964826A FI104586B (en) 1996-12-03 1996-12-03 Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime
US09/297,578 US6361956B1 (en) 1996-12-03 1997-11-18 Biospecific, two photon excitation, fluorescence detection and device
DE69723111T DE69723111T2 (en) 1996-12-03 1997-11-18 DETECT BIOS-SPECIFIC FLUORESCENCE BY TWO-PHOTON EXCITATION
AU50541/98A AU5054198A (en) 1996-12-03 1997-11-18 Biospecific, two photon excitation, fluorescence detection and device
EP97913204A EP0968425B1 (en) 1996-12-03 1997-11-18 Biospecific, two photon excitation, fluorescence detection and device
PCT/FI1997/000704 WO1998025143A1 (en) 1996-12-03 1997-11-18 Biospecific, two photon excitation, fluorescence detection and device
JP52523798A JP3761898B2 (en) 1996-12-03 1997-11-18 Biospecific two-photon excitation fluorescence detection method and apparatus therefor
US09/352,372 US6310354B1 (en) 1996-12-03 1999-07-13 Method and a device for monitoring nucleic acid amplification reactions

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI964826 1996-12-03
FI964826A FI104586B (en) 1996-12-03 1996-12-03 Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI964826A0 FI964826A0 (en) 1996-12-03
FI964826A FI964826A (en) 1998-06-04
FI104586B true FI104586B (en) 2000-02-29

Family

ID=8547194

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI964826A FI104586B (en) 1996-12-03 1996-12-03 Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI104586B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI964826A (en) 1998-06-04
FI964826A0 (en) 1996-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0804732B1 (en) A biospecific multiparameter assay method
FI101829B (en) Biospecific assay method
US7076092B2 (en) High-throughput, dual probe biological assays based on single molecule detection
US6361956B1 (en) Biospecific, two photon excitation, fluorescence detection and device
EP0178083B1 (en) Assay technique and equipment
US5028545A (en) Biospecific multianalyte assay method
EP2479552B1 (en) Methods for enhanced analysis of acoustic field focused cells and particles
US5026159A (en) Area-modulated luminescence (AML)
US9274056B2 (en) Use of non-chelated fluorochromes in rapid test systems
CA2829178C (en) Rapid quantification of biomolecules in a selectively functionalized nanofluidic biosensor and method thereof
Lee et al. Optical immunosensors for the efficient detection of target biomolecules
RU2379691C1 (en) Method of multianalytic immune assay with using microparticles
EP0945718A1 (en) A method for characterizing samples by determination of a function of at least one specific property of units of said sample
Soini et al. Two-photon fluorescence excitation in detection of biomolecules
Baldini et al. A new optical platform for biosensing based on fluorescence anisotropy
US20090053694A1 (en) Photochemically Amplified Bioassay
US6342397B1 (en) Homogeneous biospecific assay using a solid phase, two-photon excitation and confocal fluorescence detection
EP1084408B1 (en) Homogeneous biospecific assay using a solid phase, two-photon excitation and confocal fluorescence detection
FI104586B (en) Method of monitoring a bioaffinity reaction in realtime
Soini et al. Ultra sensitive bioaffinity assay for micro volumes
JP6567549B2 (en) Methods and systems for point-of-care coagulation assays with optical detection
KR20130090174A (en) A biosensor using quenching system and a method for detecting using thereof
CN219038823U (en) Micro-fluidic instant immunodetection device based on magnetic nano particles
CN100587472C (en) Method and system for distinguishing between materials having overlapping spectra
JP2005077396A (en) Optical waveguide for analysis

Legal Events

Date Code Title Description
MA Patent expired